Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей
Материалы к уроку
Конспект урока
Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей
Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика – это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии топлива. Запасы топлива в недрах Земли и океанах можно считать практически неограниченными.
Для того чтобы использовать его внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу. Устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем. Именно двигатели приводят в движение станки на фабриках и заводах, транспортные средства, комбайны и другие машины, вращают роторы генераторов электрического тока. Основная часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели.
Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.
Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.
Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три основные части: нагреватель, рабочее тело и холодильник. На схеме мы видим, что нагреватель передает рабочему телу двигателя какое-то количество теплоты Q1(кю) часть её идет на выполнение работы двигателем, другая часть Q2 передается холодильнику.
В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию, следовательно, необходимо иметь систему, за счет внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твердые тела, поэтому в качестве рабочего тела используют газ или пар. В паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания – газ, состоящий из смеси бензина и воздуха.
Поскольку работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела, то для её увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторой температуры Т1. Для этого в состав двигателя входит нагреватель.
В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. В паровой турбине нагреватель - это самостоятельное устройство – паровой котел. В нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера, в паровой турбине – специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара конденсаторы. Конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее, чем атмосфера.
Следовательно, только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, превращается в полезную работу. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.
Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячего нагревателя к более холодному холодильнику.
Так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю, то часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна разности количества теплоты, полученное от нагревателя, и количества теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия или сокращенно КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то их коэффициент полезного действия всегда меньше единицы.
КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При одинаковой температуре нагревателя и холодильника двигатель не может работать.
Французский ученый Сади Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году, решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей, предложил модель идеального теплового двигателя. Рабочим телом в нем служит идеальный газ. Энергетически наиболее выгодными являются адиабатный и изотермический процессы, происходящие с идеальным газом. В них вся полученная газом энергия превращается в работу.
На рисунке мы видим график зависимости давления от объема в идеальном тепловом двигателе Карно, называемый циклом Карно. Участок графика 1-2 соответствует изотермическому расширению газа. При этом оно получает от нагревателя, температура которого Т1, количество теплоты Q1. Участок графика 2-3 соответствует адиабатному расширению рабочего тела, при этом оно охлаждается до температуры Т2, равной температуре холодильника. Затем газ изотермически сжимается на участке 3-4 при температуре Т2. При этом холодильнику передается количество теплоты Q2. И, наконец, на участке 4-1, рабочее тело адиабатно сжимается, его температура при этом повышается до температуры нагревателя Т1.
Карно получил, что для идеального теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению разницы между температурами нагревателя и холодильника к температуре нагревателя или единица минус отношение температуры холодильника к температуре нагревателя. Из этой формулы следует, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя всегда меньше единицы, даже если устранены все потери энергии. Это связано с тем, что некоторое количество теплоты всегда передается холодильнику.
Формула, полученная Карно показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, коэффициент полезного действия равен
1. Совершенствуя двигатели, их КПД стремятся приблизить к коэффициенту полезного действия идеального двигателя Карно, работающего при тех же температурах нагревателя и холодильника. А он тем больше, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Поэтому для повышения КПД теплового двигателя стремятся повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника.
Сложность заключается в том, что повышение температуры нагревателя ограничивается свойствами применяемых в конструкции двигателей материалов. Однако любое вещество обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. При нагревании оно постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Кроме того, материалы должны обладать высокой механической прочностью и выдерживать высокие давления, не разрушаясь.
Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.
Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.
Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.
Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ