Témy kodéra USE: princípy činnosti tepelných strojov, účinnosť tepelného motora, tepelné motory a ochrana životného prostredia.
V skratke, tepelné stroje premieňať teplo na prácu alebo naopak pracovať na teplo.
Tepelné motory sú dvoch typov - v závislosti od smeru procesov v nich prebiehajúcich.
1. Tepelné motory prevádzať teplo prichádzajúce z externého zdroja na mechanickú prácu.
2. Chladiace stroje prenášať teplo z menej ohriateho telesa do viac ohriateho v dôsledku mechanickej práce vonkajšieho zdroja.
Zvážme tieto typy tepelných motorov podrobnejšie.
Tepelné motory
Vieme, že práca na tele je jedným zo spôsobov, ako zmeniť jeho vnútornú energiu: dokončená práca sa akoby v tele rozpustila a zmenila sa na energiu chaotického pohybu a interakcie jeho častíc.
Obrázok: 1. Zahrejte motor
Tepelný motor je zariadenie, ktoré naopak extrahuje užitočnú prácu z „chaotickej“ vnútornej energie tela. Vynález tepelný motor radikálne zmenila tvár ľudskej civilizácie.
Schematický diagram tepelného motora je možné znázorniť nasledovne (obr. 1). Poďme pochopiť, čo znamenajú prvky tohto diagramu.
Pracovný orgán motor je plynový. Rozpína \u200b\u200bsa, posúva piest a vykonáva tak užitočné mechanické práce.
Ale aby sme prinútili plyn expandovať a prekonávať vonkajšie sily, je potrebné ho zohriať na teplotu, ktorá je výrazne vyššia ako teplota okolia. Za týmto účelom sa plyn uvedie do styku s ohrievač - spaľovanie paliva.
V procese spaľovania paliva sa uvoľňuje významná energia, z ktorej časť ide na ohrev plynu. Plyn prijíma množstvo tepla z ohrievača. Vďaka tomuto teplu robí motor užitočnú prácu.
To je všetko jasné. Čo je to chladnička a prečo je to potrebné?
Vďaka jedinej expanzii plynu môžeme prichádzajúce teplo využiť čo najefektívnejšie a úplne ho premeniť na prácu. K tomu je potrebné plyn izotermicky rozpínať: prvý zákon termodynamiky, ako vieme, nám v tomto prípade dáva.
Nikto ale nepotrebuje jednorazové rozšírenie. Motor musí bežať cyklicky, ktorá poskytuje periodickú opakovateľnosť pohybov piestu. Preto musí byť na konci expanzie plyn stlačený, čím sa vráti do pôvodného stavu.
V procese expanzie robí plyn pozitívnu prácu. V procese kompresie sa na plyne vykonáva pozitívna práca (a samotný plyn vykonáva negatívnu prácu). Vo výsledku je užitočná práca plynu na cyklus :.
Samozrejme, že musí byť style \u003d "vertical-align: -20%;" trieda \u003d "tex" alt \u003d ""\u003e, alebo (inak nemá zmysel žiadny motor).
Pri stlačení plynu musíme urobiť menej práce, ako urobil plyn pri expanzii.
Ako sa to dá dosiahnuť? Odpoveďou je stlačenie plynu pri nižších tlakoch ako pri expanzii. Inými slovami, mal by ísť proces kompresie na diagrame nižšie expanzný proces, to znamená, že cyklus musí prejsť v smere hodinových ručičiek (obr. 2).
Obrázok: 2. Zahrejte cyklus motora
Napríklad v cykle na obrázku je práca plynu počas expanzie rovnaká ako plocha zakriveného lichobežníka. Podobne sa práca stlačeného plynu rovná ploche zakriveného lichobežníka so znamienkom mínus. Výsledkom je, že práca plynu na cyklus je pozitívna a rovná sa ploche cyklu.
Dobre, ale ako dosiahnuť, aby sa plyn vrátil do pôvodného stavu pozdĺž nižšej krivky, tj. Cez štáty s nižšími tlakmi? Pripomeňme si, že pre daný objem platí, že čím nižšia teplota, tým nižší tlak plynu. V dôsledku toho musí stlačený plyn prechádzať cez štáty s nižšími teplotami.
Presne na to slúži chladnička: do v pohode plyn v procese kompresie.
Atmosféra môže slúžiť ako chladnička (pre motory vnútorné spaľovanie) alebo chladenie tečúcej vody (pre parné turbíny). Po ochladení plyn vydáva trochu tepla do chladničky.
Ukazuje sa, že celkové množstvo tepla prijatého plynom za cyklus je rovnaké. Podľa prvého zákona termodynamiky:
kde je zmena vnútornej energie plynu na cyklus. Rovná sa nule: pretože plyn sa vrátil do pôvodného stavu (a vnútorná energia, ako si pamätáme, je) štátna funkcia). Vo výsledku sa práca na plyn za cyklus rovná:
(1)
Ako vidíte: nie je možné úplne premeniť teplo pochádzajúce z ohrievača na prácu. Časť tepla musí byť odovzdaná do chladničky, aby sa zabezpečila cyklickosť procesu.
Ukazovateľom účinnosti premeny energie spaľovacieho paliva na mechanickú prácu je koeficient užitočná akcia tepelný motor.
Účinnosť tepelného motora je pomer mechanickej práce k množstvu tepla prijatého z ohrievača:
Ak vezmeme do úvahy vzťah (1), máme tiež
(2)
Ako vidíme, účinnosť tepelného motora je vždy menšia ako jednota. Napríklad účinnosť parných turbín je približne a účinnosť spaľovacích motorov približne.
Chladiace stroje
Každodenné skúsenosti a fyzikálne experimenty nám hovoria, že v procese výmeny tepla sa teplo prenáša z viac vyhriateho tela na menej zohriate telo, ale nie naopak. Nikdy sa nepozorujú procesy, v ktorých v dôsledku prenosu tepla energia spontánne prechádza zo studeného tela do horúceho, v dôsledku čoho by sa studené telo ešte viac ochladilo a horúce telo by sa ešte viac zahrialo.
Obrázok: 3. Chladiaci stroj
Kľúčové slovo je tu „spontánne“. Ak používate externý zdroj energie, potom je celkom možné uskutočniť proces prenosu tepla zo studeného tela do horúceho. Toto robia chladničky.
autá.
V porovnaní s tepelným motorom majú procesy v chladiacom stroji opačný smer (obr. 3).
Pracovný orgán nazýva sa aj chladiaci stroj chladivo... Pre jednoduchosť ho budeme považovať za plyn, ktorý absorbuje teplo pri expanzii a vydáva sa pri kompresii (v skutočných chladiacich zariadeniach je chladivom prchavý roztok s nízkou teplotou varu, ktorý odoberá teplo počas odparovania a vydáva sa pri kondenzácii).
Chladnička v chladiacom stroji je to teleso, z ktorého sa odvádza teplo. Chladnička prenáša množstvo tepla na pracovnú tekutinu (plyn), v dôsledku čoho sa plyn rozširuje.
Počas kompresie plyn vydáva teplo teplejšiemu telu - ohrievač... Aby k takémuto prenosu tepla mohlo dôjsť, musí sa plyn stlačiť pri vyšších teplotách, ako tomu bolo pri expanzii. To je možné len vďaka práci vykonávanej externým zdrojom (napríklad elektromotorom (v skutočných chladiacich jednotkách vytvára elektromotor nízky tlak vo výparníku, v dôsledku čoho chladivo vrie a odoberá teplo; naopak, v kondenzátore vytvára elektromotor) vysoký tlak, pod ktorým chladivo kondenzuje a vydáva teplo)). Preto sa ukáže, že množstvo tepla odovzdaného do ohrievača je väčšie ako množstvo tepla odobratého z chladničky, a to iba o množstvo:
Na diagrame teda prebieha prevádzkový cyklus chladiaceho stroja proti smeru hodinových ručičiek... Oblasťou cyklu je práca vykonaná externým zdrojom (obr. 4).
Obrázok: 4. Chladiaci cyklus
Hlavným účelom chladiaceho stroja je chladenie nádrže (napríklad mrazničky). V tomto prípade zohráva tento zásobník úlohu chladničky a prostredie slúži ako ohrievač - teplo odvedené zo zásobníka sa do neho odvádza.
Ukazovateľ účinnosti chladiaceho stroja je koeficient chladeniasa rovná pomeru tepla odobraného z chladničky k práci externého zdroja:
Koeficient výkonu môže byť viac ako jeden. V skutočných chladničkách má hodnoty od približne 1 do 3.
Existuje ešte jedna zaujímavá aplikácia: chladič môže pracovať ako tepelné čerpadlo... Potom jeho účelom je ohriať určitú nádrž (napríklad vykurovať miestnosť) v dôsledku tepla odvedeného z okolitého prostredia. V tomto prípade bude týmto zásobníkom ohrievač a prostredím bude chladnička.
Ukazovateľ účinnosti tepelného čerpadla je súčiniteľ kúreniasa rovná pomeru množstva tepla odovzdaného do vyhrievanej nádrže k práci externého zdroja:
Hodnoty vykurovacieho koeficientu skutočných tepelných čerpadiel sa zvyčajne pohybujú v rozmedzí od 3 do 5.
Tepelný stroj Karnot
Dôležitými vlastnosťami tepelného motora sú najvyššie a najnižšie hodnoty teploty pracovnej tekutiny počas cyklu. Tieto hodnoty sú podľa toho pomenované teplota ohrievača a teplota chladničky.
Videli sme, že účinnosť tepelného motora je striktne menšia ako jednota. Nastáva prirodzená otázka: aká je najvyššia možná účinnosť tepelného motora s pevnými hodnotami teploty ohrievača a teploty chladničky?
Nech je napríklad maximálna teplota pracovnej kvapaliny motora rovnaká a minimálna -. Aká je teoretická hranica účinnosti pre takýto motor?
Odpoveď na túto otázku dal francúzsky fyzik a inžinier Sadi Carnot v roku 1824.
Vynašiel a skúmal nádherný tepelný motor s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Tento stroj funguje carnotov cykluspozostávajúci z dvoch izotermov a dvoch adiabatov.
Zvážte priamy cyklus Carnotov stroj ide v smere hodinových ručičiek (obr. 5). V takom prípade funguje stroj ako tepelný motor.
Obrázok: 5. Carnotov cyklus
Izoterma ... Na tomto mieste sa plyn privedie do tepelného kontaktu s tepelným ohrievačom a expanduje izotermicky. Množstvo tepla sa dodáva z ohrievača a úplne sa premení na prácu v tejto oblasti :.
Adiabat ... Na účely následného stlačenia je potrebné preniesť plyn do zóny s nižšími teplotami. Za týmto účelom je plyn tepelne izolovaný a na danom mieste potom adiabaticky expanduje.
Pri expanzii robí plyn pozitívnu prácu a preto klesá jeho vnútorná energia :.
Izoterma ... Tepelná izolácia sa odstráni, plyn sa privedie do tepelného kontaktu s teplotnou chladničkou. Nastáva izotermická kompresia. Plyn vydáva množstvo tepla do chladničky a robí negatívnu prácu.
Adiabat ... Táto časť je nevyhnutná na uvedenie plynu do pôvodného stavu. Počas adiabatickej kompresie plyn vykonáva negatívnu prácu a zmena vnútornej energie je pozitívna :. Plyn sa zahrieva na pôvodnú teplotu.
Karnot zistil efektívnosť tohto cyklu (výpočty, bohužiaľ, nie sú v rozsahu školských osnov):
(3)
Navyše to dokázal Účinnosť Carnotovho cyklu je najvyššia možná pre všetky tepelné motory s teplotou ohrievača a teplotou chladničky .
Vo vyššie uvedenom príklade teda máme:
Aký má zmysel používať izotermy a adiabaty, a nie niektoré ďalšie procesy?
Ukazuje sa, že izotermické a adiabatické procesy vytvárajú stroj Carnot reverzibilné... Dá sa to spustiť reverzná slučka (proti smeru hodinových ručičiek) medzi rovnakým ohrievačom a chladničkou bez zapojenia ďalších zariadení. V takom prípade bude stroj Carnot fungovať ako chladič.
Schopnosť prevádzkovať Carnotov stroj v oboch smeroch hrá veľmi dôležitú úlohu v termodynamike. Napríklad táto skutočnosť slúži ako odkaz v dôkaze o maximálnej účinnosti Carnotovho cyklu. K tomu sa vrátime v nasledujúcom článku venovanom druhému zákonu termodynamiky.
Tepelné motory a ochrana životného prostredia
Tepelné motory spôsobujú vážne poškodenie životného prostredia. Ich rozsiahle použitie vedie k množstvu negatívnych účinkov.
Rozptýlenie obrovského množstva tepelnej energie do atmosféry vedie k zvýšeniu teploty planéty. Hrozí, že sa otepľovanie podnebia zmení na topiace sa ľadovce a katastrofické katastrofy.
K otepľovaniu podnebia vedie aj akumulácia oxidu uhličitého v atmosfére, ktorá spomaľuje únik tepelného žiarenia Zeme do vesmíru (skleníkový efekt).
V dôsledku vysokej koncentrácie produktov spaľovania paliva sa situácia v životnom prostredí zhoršuje.
Ide o celo civilizačné problémy. Na boj proti škodlivým účinkom prevádzky tepelných motorov je potrebné zvýšiť ich účinnosť, znížiť emisie toxických látok, vyvinúť nové druhy paliva a ekonomicky využívať energiu.
Účinnosť tepelného motora. Podľa zákona o zachovaní energie sa práca vykonaná motorom rovná:
kde je teplo prijaté z ohrievača, je teplo dodané do chladničky.
Účinnosť tepelného motora je pomer práce vykonanej motorom k množstvu tepla prijatého z ohrievača:
Pretože vo všetkých motoroch sa určité množstvo tepla prenáša do chladničky, vo všetkých prípadoch
Maximálna hodnota Tepelná účinnosť motorov. Francúzsky inžinier a vedec Sadi Carnot (1796 1832) si vo svojej práci „Úvahy o hybnej sile ohňa“ (1824) stanovil cieľ: zistiť, za akých podmienok bude prevádzka tepelného motora najefektívnejšia, teda za akých podmienok bude mať motor maximálnu účinnosť.
Carnot prišiel s ideálnym tepelným motorom s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Vypočítal účinnosť tohto stroja pracujúceho s teplotným ohrievačom a teplotnou chladničkou
Hlavný význam tohto vzorca je, ako dokázal Carnot, opierajúci sa o druhý zákon termodynamiky, ktorý je skutočný tepelný motorpráca s tepelným ohrievačom a teplotným chladičom nemôže mať vyššiu účinnosť ako účinnosť ideálneho tepelného motora.
Vzorec (4.18) udáva teoretický limit pre maximálnu hodnotu účinnosti tepelných motorov. Ukazuje to, že čím účinnejší je tepelný motor, tým vyššia je teplota ohrievača a tým nižšia je teplota chladničky. Iba pri teplote chladničky rovnajúcej sa absolútnej nule,
Ale teplota chladničky prakticky nemôže byť oveľa nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevná látka) má však obmedzenú tepelnú odolnosť alebo tepelnú odolnosť. Zahriatím postupne stráca svoje elastické vlastnosti a pri dostatočne vysokej teplote sa topí.
Teraz sa hlavné úsilie inžinierov zameriava na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva kvôli neúplnému spaľovaniu atď. Skutočné možnosti zvýšenia účinnosti sú tu stále veľké. Pre parnú turbínu sú teda počiatočné a konečné teploty pary približne takéto: Pri týchto teplotách je maximálna účinnosť:
Skutočná hodnota účinnosti v dôsledku rôznych druhov energetických strát sa rovná:
Najdôležitejším technickým problémom je zvýšenie účinnosti tepelných motorov a ich maximálne priblíženie.
Tepelné motory a ochrana prírody. Široké použitie tepelných motorov na získanie energie vhodnej na použitie v najväčšej miere v porovnaní s
všetky ostatné typy výrobných procesov sú spojené s dopadom na životné prostredie.
Podľa druhého zákona termodynamiky sa výroba elektrickej a mechanickej energie v zásade nemôže uskutočňovať bez odvádzania významného množstva tepla do životného prostredia. To nemôže viesť k postupnému zvyšovaniu priemernej teploty na Zemi. Teraz je spotreba energie asi 1010 kW. Keď táto sila dosiahne priemernú teplotu, zreteľne sa zvýši (asi o jeden stupeň). Ďalšie zvýšenie teploty by mohlo ohroziť topenie ľadovcov a katastrofické zvýšenie hladiny morí.
Týmto sa však nevyčerpajú negatívne dôsledky používania tepelných motorov. Pece tepelných elektrární, spaľovacie motory automobilov atď. Nepretržite emitujú do ovzdušia látky škodlivé pre rastliny, zvieratá a ľudí: zlúčeniny síry (počas spaľovania uhlia), oxidy dusíka, uhľovodíky, oxid uhoľnatý (CO) atď. Osobitné nebezpečenstvo v tomto ohľade sú zastúpené automobily, ktorých počet alarmujúco rastie a čistenie výfukových plynov je náročné. V jadrových elektrárňach nastáva problém so zneškodňovaním nebezpečného rádioaktívneho odpadu.
Okrem toho použitie parných turbín v elektrárňach vyžaduje na ochladzovanie odpadovej pary veľké plochy pre jazierka. So zvyšovaním kapacity elektrární sa prudko zvyšuje dopyt po vode. V roku 1980 sa v našej krajine na tieto účely vyžadovalo asi voda, teda asi 35% dodávok vody pre všetky odvetvia hospodárstva.
To všetko predstavuje pre spoločnosť rad vážnych problémov. Spolu s najdôležitejšou úlohou zvýšenia účinnosti tepelných motorov je potrebné vykonať niekoľko opatrení na ochranu životného prostredia. Je potrebné zvýšiť účinnosť štruktúr, ktoré bránia emisiám škodlivých látok do ovzdušia; dosiahnuť úplnejšie spaľovanie paliva v automobilových motoroch. Už teraz nie sú vozidlá s vysokým obsahom CO vo výfukových plynoch povolené. Diskutuje sa o možnosti vytvorenia elektrických vozidiel, ktoré môžu konkurovať bežným vozidlám, a o možnosti použitia paliva bez škodlivých látok vo výfukových plynoch, napríklad v motoroch pracujúcich na zmesi vodíka s kyslíkom.
Z dôvodu úspory miesta a vodných zdrojov je vhodné postaviť celé komplexy elektrární, predovšetkým jadrových, s uzavretým cyklom zásobovania vodou.
Ďalším smerom vyvíjaného úsilia je zvýšenie efektívnosti využívania energie a boj za jej šetrenie.
Riešenie vyššie uvedených problémov je pre ľudstvo životne dôležité. A tieto problémy s maximálnym úspechom môžu
v socialistickej spoločnosti s plánovaným hospodárskym rozvojom v celoštátnom meradle. Organizácia ochrany životného prostredia si však vyžaduje globálne úsilie.
1. Aké procesy sa nazývajú nezvratné? 2. Aké sú najbežnejšie nezvratné procesy? 3. Uveďte príklady nezvratných procesov, ktoré nie sú uvedené v texte. 4. Formulujte druhý zákon termodynamiky. 5. Ak by rieky tiekli dozadu, znamenalo by to toto porušenie zákona o zachovaní energie? 6. Aké zariadenie sa nazýva tepelný motor? 7. Aká je úloha ohrievača, chladničky a pracovného média tepelného motora? 8. Prečo nemôžu tepelné motory využívať vnútornú energiu oceánu ako zdroj energie? 9. Čo sa nazýva účinnosť tepelného motora?
10. Aká je maximálna možná hodnota účinnosti tepelného motora?
\u003e\u003e Fyzika: Princíp činnosti tepelných motorov. Koeficient výkonu (COP) tepelných motorov
Rezervy vnútornej energie v zemskej kôre a oceánoch možno považovať za prakticky neobmedzené. Ale na vyriešenie praktických problémov nestačí mať energetické rezervy. Je tiež potrebné vedieť používať energiu na uvedenie do pohybu obrábacích strojov v továrňach a závodoch, dopravných prostriedkov, traktorov a iných strojov, na otáčanie rotorov generátorov elektrického prúdu atď. Ľudstvo potrebuje motory - prístroje schopné vykonávať prácu. Väčšina motorov na Zemi je tepelné motory... Tepelné motory sú zariadenia, ktoré premieňajú vnútornú energiu paliva na mechanickú.
Princípy činnosti tepelných motorov.Aby mohol motor pracovať, je potrebný tlakový rozdiel na oboch stranách piestu alebo lopatiek turbíny. U všetkých tepelných motorov sa tento tlakový rozdiel dosahuje zvýšením teploty pracovnej tekutiny (plynu) o stovky alebo tisíce stupňov v porovnaní s teplotou okolia. Tento nárast teploty nastáva pri spaľovaní paliva.
Jednou z hlavných častí motora je nádoba naplnená plynom s pohyblivým piestom. Pracovnou tekutinou pre všetky tepelné motory je plyn, ktorý vykonáva prácu pri expanzii. Označme počiatočnú teplotu pracovnej tekutiny (plynu) T 1. Táto teplota v parných turbínach alebo strojoch sa získava parou v parnom kotle. V spaľovacích motoroch a plynových turbínach dochádza k nárastu teploty pri spaľovaní paliva vo vnútri samotného motora. Teplota T 1 teplota ohrievača. “
Úloha chladničky.Po dokončení práce plyn stráca energiu a nevyhnutne sa ochladzuje na určitú teplotu. T 2, ktorá je zvyčajne o niečo vyššia ako teplota okolia. Volajú ju teplota chladničky... Chladnička je atmosféra alebo špeciálne zariadenie na chladenie a kondenzáciu odpadovej pary - kondenzátory... V druhom prípade môže byť teplota v chladničke mierne nižšia ako teplota okolia.
Takže v motore nemôže pracovná kvapalina počas expanzie venovať všetku svoju vnútornú energiu výkonu práce. Časť tepla sa nevyhnutne prenáša do chladničky (atmosféry) spolu s výfukovými parami alebo výfukovými plynmi zo spaľovacích motorov a plynových turbín. Táto časť vnútornej energie sa stráca.
Tepelný motor vykonáva prácu vďaka vnútornej energii pracovnej tekutiny. Navyše sa v tomto procese prenáša teplo z teplejších telies (kúrenie) na chladnejšie (chladnička).
Schematický diagram tepelného motora je znázornený na obrázku 13.11.
Pracovné telo motora prijíma množstvo tepla z ohrievača počas spaľovania paliva Q 1robiť prácu A´ a prenesie množstvo tepla do chladničky Q 2 .
Koeficient výkonu (COP) tepelného motora.Nemožnosť úplnej premeny vnútornej energie plynu na prevádzku tepelných motorov je spôsobená nezvratnosťou procesov v prírode. Ak by sa teplo mohlo spontánne vrátiť z chladničky do ohrievača, potom by sa vnútorná energia mohla pomocou ktoréhokoľvek tepelného motora úplne premeniť na užitočnú prácu.
Podľa zákona o zachovaní energie sa práca vykonaná motorom rovná:
kde Q 1 je množstvo tepla prijatého z ohrievača a Q 2 - množstvo tepla dodaného do chladničky.
Koeficient výkonu (COP) tepelného motoravolať pracovný postoj A´produkovaný motorom na množstvo tepla prijatého z ohrievača:
Pretože všetky motory prenášajú trochu tepla do chladničky, η<1.
Účinnosť tepelného motora je úmerná teplotnému rozdielu medzi ohrievačom a chladničkou. Kedy T 1 -T 2\u003d 0 motor nemôže bežať.
Maximálna účinnosť tepelných motorov. Zákony termodynamiky umožňujú vypočítať maximálnu možnú účinnosť tepelného motora pracujúceho s ohrievačom na teplotu T 1, a chladničku s teplotou T 2... Prvýkrát to urobil francúzsky inžinier a vedec Sadi Carnot (1796-1832) vo svojej práci „Úvahy o hnacej sile ohňa a strojoch schopných vyvinúť túto silu“ (1824).
Carnot prišiel s ideálnym tepelným motorom s ideálnym plynom ako pracovnou tekutinou. Ideálny tepelný motor spoločnosti Carnot pracuje v cykle pozostávajúcom z dvoch izotermov a dvoch adiabatov. Najskôr sa nádoba s plynom dostane do kontaktu s ohrievačom, plyn sa izotermicky rozpína \u200b\u200bpri pozitívnej práci pri teplote T 1, zatiaľ čo on prijíma množstvo tepla Q 1.
Potom je nádoba izolovaná, plyn pokračuje v adiabatickom rozširovaní, zatiaľ čo jeho teplota klesá na teplotu chladničky T 2... Potom sa plyn privedie do kontaktu s chladničkou a počas izotermického stlačenia poskytne chladničke množstvo tepla Q 2uzatváranie zmlúv na objem V 4
Carnot získal pre efektívnosť tohto stroja nasledujúci výraz:
Ako by ste čakali, účinnosť stroja Carnot je priamo úmerná rozdielu v absolútnych teplotách medzi ohrievačom a chladničkou.
Hlavný význam tohto vzorca je, že akýkoľvek skutočný tepelný stroj pracujúci s ohrievačom s teplotou T 1, a chladnička s teplotou T 2, nemôže mať účinnosť, ktorá presahuje účinnosť ideálneho tepelného motora.
Vzorec (13.19) udáva teoretický limit pre maximálnu hodnotu účinnosti tepelných motorov. Ukazuje, že čím je vyššia teplota ohrievača a nižšia teplota chladničky, tým je tepelný motor efektívnejší. Iba pri teplote chladničky rovnajúcej sa absolútnej nule, η
=1.
Teplota chladničky ale nemôže byť prakticky nižšia ako teplota okolia. Môžete zvýšiť teplotu ohrievača. Akýkoľvek materiál (pevná látka) má však obmedzenú tepelnú odolnosť alebo tepelnú odolnosť. Zahriatím postupne stráca svoje elastické vlastnosti a pri dostatočne vysokej teplote sa topí.
Teraz je hlavné úsilie inžinierov zamerané na zvýšenie účinnosti motorov znížením trenia ich častí, strát paliva kvôli neúplnému spaľovaniu atď. Skutočné možnosti zvýšenia účinnosti sú tu stále veľké. Pre parnú turbínu sú teda počiatočné a konečné teploty pary približne tieto: T 1≈ 800 K a T 2≈ 300 K. Pri týchto teplotách je maximálna hodnota účinnosti:
Najdôležitejším technickým problémom je zvýšenie účinnosti tepelných motorov a ich maximálne priblíženie.
Tepelné motory vykonávajú prácu kvôli rozdielu v tlaku plynu na povrchoch piestov alebo lopatiek turbíny. Tento tlakový rozdiel je generovaný teplotným rozdielom. Maximálna možná účinnosť je úmerná tomuto teplotnému rozdielu a nepriamo úmerná absolútnej teplote ohrievača.
Tepelný motor nemôže fungovať bez chladničky, ktorou je zvyčajne atmosféra.
???
1. Aké zariadenie sa nazýva tepelný motor?
2. Aká je úloha ohrievača, chladničky a pracovnej kvapaliny v tepelnom motore?
3. Čo sa nazýva účinnosť motora?
4. Aká je maximálna hodnota účinnosti tepelného motora?
G.Ya Myakishev, B. B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky, fyzika 10. stupňa
Obsah lekcie osnova lekcie podpora lekcie rámca prezentácia akceleračné metódy interaktívne technológie Prax úlohy a cvičenia autotestovacie workshopy, školenia, prípady, úlohy domáce úlohy diskusné otázky rečnícke otázky študentov Ilustrácie audio, videoklipy a multimédiá fotky, obrázkové tabuľky, tabuľky, schémy, humor, vtipy, zábava, komiksové podobenstvá, porekadlá, krížovky, citáty Doplnky stravy abstrakty články tipy na zvedavé podvádzacie listy učebnice základný a doplnkový slovník pojmov iné Zdokonaľovanie učebníc a hodín opravy chýb v návode aktualizácia fragmentu inovačných prvkov učebnice v lekcii a nahradenie zastaraných poznatkov novými Iba pre učiteľov perfektné lekcie kalendárny plán na rok metodické odporúčania diskusného programu Integrované hodinyAk máte k tejto lekcii nejaké opravy alebo návrhy,
Práca mnohých typov strojov sa vyznačuje takým dôležitým ukazovateľom, ako je účinnosť tepelného motora. Inžinieri sa každý rok snažia vytvoriť pokročilejšiu technológiu, ktorá by pri nižšej spotrebe paliva poskytla maximálny výsledok jej používania.
Zariadenie s tepelným motorom
Pred pochopením toho, čo to je, musíte pochopiť, ako tento mechanizmus funguje. Bez znalosti princípov jeho konania je nemožné zistiť podstatu tohto ukazovateľa. Tepelný motor je zariadenie, ktoré funguje pomocou vnútornej energie. Akýkoľvek tepelný motor, ktorý sa zmení na mechanický, využíva tepelnú rozťažnosť látok so zvýšením teploty. V polovodičových motoroch je možné meniť nielen objem hmoty, ale aj tvar tela. Pôsobenie takéhoto motora podlieha zákonom termodynamiky.
Princíp fungovania
Aby sme pochopili, ako tepelný motor funguje, je potrebné zvážiť základy jeho konštrukcie. Aby zariadenie fungovalo, sú potrebné dve telá: horúce (kúrenie) a studené (chladnička, chladič). Princíp činnosti tepelných motorov (účinnosť tepelných strojov) závisí od ich typu. Parný kondenzátor často funguje ako chladnička a akýkoľvek druh paliva, ktoré horí v peci, je ohrievač. Účinnosť ideálneho tepelného motora možno zistiť z tohto vzorca:
Účinnosť \u003d (kúrenie - chladenie) / kúrenie. x 100%.
Účinnosť skutočného motora zároveň nikdy nemôže prekročiť hodnotu získanú podľa tohto vzorca. Tento ukazovateľ nikdy nepresiahne vyššie uvedenú hodnotu. Na zvýšenie účinnosti sa najčastejšie zvyšuje teplota ohrievača a teplota chladničky. Oba tieto procesy budú obmedzené skutočnými prevádzkovými podmienkami zariadenia.
Počas prevádzky tepelného motora sa pracuje, pretože plyn začína strácať energiu a ochladzuje sa na určitú teplotu. Posledný menovaný je zvyčajne niekoľko stupňov nad okolitou atmosférou. To je teplota chladničky. Takéto špeciálne zariadenie je určené na chladenie s následnou kondenzáciou odpadovej pary. V prípade prítomnosti kondenzátorov je teplota chladničky niekedy nižšia ako teplota okolia.
V tepelnom motore nie je telo pri zahriatí a rozšírení schopné odovzdať všetku svoju vnútornú energiu potrebnú na prácu. Časť tepla sa prenesie do chladničky spolu s alebo v pare. Táto časť termálu je nevyhnutne stratená. Počas spaľovania paliva dostáva pracovná tekutina určité množstvo tepla Q 1 z ohrievača. Zároveň stále vykonáva prácu A, počas ktorej odovzdáva časť tepelnej energie do chladničky: Q 2 Účinnosť charakterizuje účinnosť motora pri premene a prenose energie. Tento ukazovateľ sa často meria v percentách. Vzorec účinnosti: η * A / Qx100%, kde Q je vynaložená energia, A je užitočná práca. Na základe zákona zachovania energie môžeme dospieť k záveru, že účinnosť bude vždy menšia ako jednota. Inými slovami, nikdy nebude užitočnejšia práca ako energia vynaložená na ňu. Účinnosť motora je pomer užitočnej práce k energii dodanej ohrievačom. Môže byť vyjadrený vo forme tohto vzorca: η \u003d (Q1-Q2) / Q1, kde Q1 je teplo prijaté z ohrievača a Q2 sa dáva do chladničky. Práca tepelného motora sa počíta podľa tohto vzorca: A \u003d | Q H | - | Q X |, kde A je práca, Q H je množstvo tepla prijatého z ohrievača, Q X je množstvo tepla dodaného chladiču. | Q H | - | Q X |) / | Q H | \u003d 1 - | Q X | / | Q H | Rovná sa pomeru práce, ktorú motor robí, k množstvu prijatého tepla. Pri tomto prenose sa stráca časť tepelnej energie. Maximálna účinnosť tepelného motora je pozorovaná v zariadení Carnot. To je spôsobené tým, že v tomto systéme záleží iba na absolútnej teplote ohrievača (Tn) a chladiča (Tx). Účinnosť pracujúceho tepelného motora je určená týmto vzorcom: (Тн - Тх) / Тн \u003d - Тх - Тн. V súčasnosti existuje veľa druhov tepelných motorov, ktoré pracujú na rôznych princípoch a na rôznych palivách. Všetky majú svoju vlastnú účinnosť. Patria sem tieto položky: Spaľovací motor (piest), čo je mechanizmus, pri ktorom sa časť chemickej energie spaľovacieho paliva premieňa na mechanickú energiu. Takéto zariadenia môžu byť plynné a kvapalné. Rozlišujú sa medzi 2- a 4-taktnými motormi. Môžu mať nepretržitý pracovný cyklus. Podľa spôsobu prípravy palivovej zmesi sú takýmito motormi karburátor (s vonkajšou tvorbou zmesi) a nafta (s vnútornou). Podľa typov prevodníkov energie sa delia na piestové, prúdové, turbínové a kombinované. Účinnosť takýchto strojov nepresahuje 0,5. Stirlingov motor je zariadenie, v ktorom je pracovná tekutina umiestnená v obmedzenom priestore. Je to akýsi druh spaľovacieho motora. Jeho princíp činnosti je založený na pravidelnom ochladzovaní / ohrievaní tela s príjmom energie v dôsledku zmeny jeho objemu. Je to jeden z najefektívnejších motorov. Turbínový (rotačný) motor so spaľovaním externého paliva. Takéto zariadenia sa najčastejšie nachádzajú v tepelných elektrárňach. Turbínový (rotačný) spaľovací motor sa používa v tepelných elektrárňach v špičkovom režime. Nie také bežné ako iné. Turbovrtuľový motor vďaka skrutke vytvára časť ťahu. Zvyšok získa z výfukových plynov. Jeho konštrukciou je rotačný motor, na ktorého hriadeli je namontovaná vzduchová vrtuľa. Raketa, prúdové motory a ktoré dostávajú ťah vďaka spätnému toku výfukových plynov. Polovodičové motory používajú ako palivo tuhé telo. Pri práci sa nemení jeho objem, ale jeho tvar. Pri prevádzke zariadenia sa používa extrémne malý teplotný rozdiel. Je možné zvýšiť účinnosť tepelného motora? Odpoveď treba hľadať v termodynamike. Študuje vzájomné premeny rôznych druhov energie. Zistilo sa, že je nemožné previesť všetku dostupnú tepelnú energiu na elektrickú, mechanickú atď. K ich premene na tepelnú energiu zároveň dochádza bez akýchkoľvek obmedzení. To je možné vďaka skutočnosti, že povaha tepelnej energie je založená na neusporiadanom (chaotickom) pohybe častíc. Čím viac sa telo zahreje, tým rýchlejšie sa budú pohybovať jeho základné molekuly. Pohyb častíc bude ešte nepravidelnejší. Spolu s tým každý vie, že poriadok sa dá ľahko zmeniť na chaos, ktorý sa objednáva veľmi ťažko.Prevádzka tepelného motora
Carnotov motor
Zákony termodynamiky umožňovali vypočítať maximálnu možnú účinnosť. Prvýkrát tento ukazovateľ vypočítal francúzsky vedec a inžinier Sadi Carnot. Vynašiel tepelný motor, ktorý pracoval na ideálny plyn. Funguje v cykle 2 izotermy a 2 adiabaty. Princíp jeho fungovania je dosť jednoduchý: kontakt ohrievača sa privádza do nádoby s plynom, v dôsledku čoho sa pracovná tekutina izotermicky rozširuje. Zároveň funguje a prijíma určité množstvo tepla. Potom je nádoba izolovaná. Napriek tomu plyn naďalej expanduje, ale už adiabaticky (bez výmeny tepla s prostredím). V tomto okamihu jeho teplota klesne na teplotu v chladničke. V tejto chvíli je plyn v kontakte s chladničkou, v dôsledku čoho mu pri izometrickej kompresii dodáva určité množstvo tepla. Potom je nádoba opäť izolovaná. V tomto prípade je plyn adiabaticky stlačený na pôvodné množstvo a stav.Odrody
Ostatné typy tepelných motorov
Ako môžete zlepšiť efektívnosť
Načítava ...