Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

Как определяется кпд теплового двигателя. Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Экологические последствия работы тепловых двигателей

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока :

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику .

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1 . Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

Читать еще: Что такое икм двигателя

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с или паром. Эта часть тепловой неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2 η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина — по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5):

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q 2 = ||

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

(5.12.12)

Так как по условию η» > η, то А» > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.

Если допустить, что η > η«, то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно — по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: η» = η.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η» > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение т|»

Способы повышения КПД тепловых двигателей, экономмии энергетических ресурсов

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняяэнергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

где Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателяназывают отношение работы A´, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

Формула (13.19) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η=1.
Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.
Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: T₁≈800 K и T₂≈300 K. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.
Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.
Тепловые двигатели совершают работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный КПД пропорционален этой разности температур и обратно пропорционален абсолютной температуре нагревателя.
Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого обычно играет атмосфера.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.002 с) .

Работа, совершаемая двигателем, равна:

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 0.

КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.

Исторически появление термодинамики как науки было связано с практической задачей создания эффективного теплового двигателя (тепловой машины).

Тепловая машина

Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу за счет поступающей к двигателю теплоты. Данная машина является периодической.

Тепловая машина включает в себя следующие обязательные элементы:

рабочее тело (обычно газ или пар);

нагреватель;

холодильник.

Рисунок 1. Цикл работы тепловой машины. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На рис.1 изобразим цикл, по которому может работать тепловая машина. В этом цикле:

газ расширяется от объема $V_1$ до объема $V_2$;

газ сжимается от объема $V_2$ до объема $V_1$.

Для того чтобы получить работу, которую выполняет газ, большей чем ноль, давление (следовательно, температура) в процессе расширения должно быть больше, чем в процессе сжатия. С этой целью газ в процессе расширения теплоту получает, а при сжатии у рабочего тела тепло отбирают. Отсюда сделает вывод о том, что кроме рабочего тела в тепловом двигателе должны присутствовать еще два внешних тела:

нагреватель, отдающий рабочему телу теплоту;

холодильник, тело, которое забирает от рабочего тела тепло в ходе сжатия.

После выполнения цикла рабочее тело и все механизмы машины возвращаются в прежнее состояние. Это означает, что изменение внутренней энергии рабочего тела — ноль.

На рис.1 указано, что в процессе расширения рабочее тело получает количество теплоты, равное $Q_1$. В процессе сжатия рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты, равное $Q_2$. Следовательно, за один цикл количество теплоты, полученное рабочим телом равно:

$Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$

Из первого начала термодинамики, учитывая то, что в замкнутом цикле $Delta U=0$, работа, совершаемая рабочим телом равна:

Для организации повторных циклов тепловой машины необходимо, чтобы она часть своей теплоты отдавала холодильнику. Данное требование находится в согласии со вторым началом термодинамики:

Невозможно создать вечный двигатель, который периодически трансформировал полностью теплоту, получаемую от некоего источника полностью в работу.

Читать еще: Электрический датчик температуры двигателя
Так, даже у идеального теплового двигателя количество теплоты, передаваемое холодильнику, не может равняться нулю, существует нижний предел величины $Q_2$.

КПД тепловой машины

Понятно, что насколько эффективно работает тепловая машина, следует оценивать, учитывая полноту превращения теплоты, полученной от нагревателя в работу рабочего тела.

Параметром, который показывает эффективность теплового двигателя, является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД теплового двигателя называют отношение работы, выполняемой рабочим телом ($A$) к количеству теплоты, которое это тело получает от нагревателя ($Q_1$):

Принимая во внимание выражение (2) КПД тепловой машины найдем как:

Соотношение (4) показывает, что КПД не может быть больше единицы.

КПД холодильной машины

Обратим цикл, который отображен на рис. 1.

Обратить цикл – это значит, изменить направление обхода контура.

В результате обращения цикла получим цикл холодильной машины. Эта машина получает от тела с низкой температурой теплоту $Q_2$ и передает ее нагревателю, имеющему более высокую температуру количество теплоты $Q_1$, причем $Q_1>Q_2$. Над рабочим телом совершается работа $A’$ за цикл.

Эффективность нашего холодильника определяется коэффициентом, который вычисляют как:

КПД обратимой и необратимой тепловой машины

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем КПД обратимой машины, при работе машин с одинаковыми нагревателем и холодильником.

Рассмотрим тепловую машину, состоящую из:

цилиндрического сосуда, который закрыт поршнем;

газа под поршнем;

нагревателя;

холодильника.

Газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя.

Газ расширяется и толкает поршень, выполняет работу $A_+0$.

Газ сжимают, холодильнику передается теплота $Q_2$.

Работа совершается над рабочим телом $A_-

Работа, которую выполнят рабочее тело за цикл, равна:

Для выполнения условия обратимости процессов их надо проводить очень медленно. Кроме этого необходимо, чтобы отсутствовало трение поршня о стенки сосуда.

Обозначим работу, совершаемую за один цикл обратимым тепловым двигателем как $A_<+0>$.

Выполним тот же цикл с большой скоростью и при наличии трения. Если провести расширение газа быстро, давление его около поршня будет меньше, чем если газ расширяют медленно, поскольку возникающее под поршнем разрежение распространяется на весь объем с конечной скоростью. В этой связи, работа газа в необратимом увеличении объема меньше, чем в обратимом:

Если выполнить сжатие газа быстро давление около поршня больше, чем при медленном сжатии. Значит, величина отрицательной работы рабочего тела в необратимом сжатии больше, чем в обратимом:

Получим, что работа газа в цикле $A$ необратимой машины, вычисляемая по формуле (5), выполняемая за счет теплоты, полученной от нагревателя будет меньше, чем работа, выполненная в цикле обратимым тепловым двигателем:

Трение, имеющееся в необратимом тепловом двигателе, ведет к переходу части работы выполненной газом в теплоту, что уменьшает КПД двигателя.

Так, можно сделать вывод о том, что коэффициент полезного действия теплового двигателя обратимой машины больше, чем необратимой.

Тело, с которым обменивается теплом рабочее тело, станем называть тепловым резервуаром.

Обратимая тепловая машина совершает цикл, в котором имеются участки, где рабочее тело совершает обмен теплотой с нагревателем и холодильником. Процесс обмена теплом является обратимым, только если при получении теплоты и возвращении ее при обратном ходе, рабочее тело обладает одной и той же температурой, равной температуре теплового резервуара. Если говорить более точно, то температура тела, которое получает теплоту, должная быть на очень малую величину менее температуры резервуара.

Таким процессом может быть изотермический процесс, который происходит при температуре резервуара.

Для функционирования теплового двигателя у него должно быть два тепловых резервуара (нагреватель и холодильник).

Обратимый цикл, который выполняется в тепловом двигателе рабочим телом, должен быть составлен из двух изотерм (при температурах тепловых резервуаров) и двух адиабат.

Адиабатические процессы происходят без обмена теплом. В адиабатных процессах происходит расширение и сжатие газа (рабочего тела).

Энциклопедичный YouTube

Математически определение КПД может быть записано в виде:

η = A Q , >,>

где А — полезная работа (энергия), а Q — затраченная энергия.

Если КПД выражается в процентах, то он вычисляется по формуле:

где Q X >> — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); A

Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации

где Q Γ > — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; A — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).

В идеальной машине Q Γ = Q X + A =Q_ >+A> , отсюда для идеальной машины ε Γ = ε X + 1 =varepsilon _ >+1>

Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно : в нём холодильный коэффициент

ε = T X T Γ − T X > over -T_ >>>> , поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.

Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели

Второй закон термодинамики. Тепловые двигатели

Тип урока : Урок изучения нового материала. Комбинированный.

образовательные – изучить принцип работы тепловых двигателей, сформулировать второй закон термодинамики, сформировать представление об устройстве и принципе действия тепловых двигателей и понятие об идеальной тепловой машине Карно; осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений;

развивающие – создать условия для развития творческих и исследовательских навыков, формировать умения выделять главное, сопоставлять, делать выводы; развивать речь, совершенствовать интеллектуальные способности; решать тренировочные задачи.

Воспитательные – способствовать привитию культуры умственного труда, создать условия для повышения интереса к изучаемому материалу, формировать экологическую культуру и активную жизненную позицию.

Знать : определения

Теплового двигателя;
КПД теплового двигателя;
КПД идеального теплового двигателя (по циклу Карно).

Второй закон термодинамики

Формулы:
КПД теплового двигателя;
КПД цикла Карно

Уметь
— решать расчетные и графические задачи, используя формулы
— изучить принцип работы тепловых машин
— выяснить, пути повышения КПД тепловых двигателей
Приобретаемые навыки детей:

— мотивация к учебно-познавательной деятельности. ;
— развитие логического мышления, памяти, речи учащихся
— целенаправленная учебная деятельность, когда каждый ученик и группа в целом объединяются одной целью
— включение ученика в сам процесс активного участия в добывание новых знаний
— повышается уровень восприятия, осмысления и запоминания.
— внимательного отношения к окружающим, друг к другу, учебной дисциплины.
— подводить итоги своей работы, анализировать свою деятельность.

Формы организации работы детей:
— индивидуальная;
— фронтальная;
— групповая;
1.Организационный момент.
Приветствую учащихся, проверяю готовность класса к уроку
2. Мотивация.

Сегодня я хочу, чтобы вы продолжили фразу

Какие изобретения помогли человеку облегчить жизнь?

Именно лень привела человека к изобретению тепловых машин.

Двигателями прогресса являются….

Войны и лень человека, стремление облегчить свои физические усилия…

Двигатели, которые энергию топлива превращают в механическую работу

Как вы можете сформулировать тему урока?

Какой закон описывает процесс…?

Второй закон термодинамики. Термодинамика и была создана как раздел физики который объясняет процессы необходимые для работы тепловых двигателей

3.Постановка цели занятия перед учащимися.

Почему так важно изучит работу тепловых двигателей? Дело в том, что наша цивилизация – машинная цивилизация, причем б льшая часть машин это тепловые машины разных видов. Но принцип их работы один; именно он основывается на законах термодинамики. Несомненно, без тепловых двигателей жизнь общества сразу бы резко затормозилась, приняла бы другие формы… Не было бы электричества, не ездили бы автомашины, не летали бы самолеты… Поэтому тепловые двигатели – это великое достижение человеческой культуры, научной мысли людей Земли.

Я еще не устал удивляться

Чудесам что есть на Земле:

Самолеты летят сквозь тучи,

Ходят по морю корабли.

Как до этих вещей могучих

Домечтаться люди могли?

«Развитие техники зависит от умения использовать громадные запасы внутренней энергии. Использовать эту энергию — это значит совершать за счет ее полезную работу. Рассмотрим источники, которые совершают работу за счет внутренней энергии.»

Учащиеся записывают в тетради тему урока.

4. Актуализация опорных знаний В качестве активизации мыслительной деятельности – разминка

Физический диктант.

Перечислите основные термодинамические величины:

Какие способы изменения внутренней энергии вы знаете? …

Запишите первый закон термодинамики….

Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой?

Читать еще: Шевроле лачетти какое масло лить в двигатель elf
Можно ли всю внутреннюю энергию превратить в механическую работу ?Какой закон описывает этот процесс?

P , V , T давление , объем, температура.

Теплопередача, совершение механической работы.

∆U = A + Q

Изотермический, изобарный, изохорный , адиабатный.

Знаком. При расширении >0 и сжатии газа

А кто ответил на седьмой вопрос.

5. Изучение нового материала

Что является источником внутренней энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. Но нас сегодня интересуют тепловые машины.

Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть рабочее вещество, или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель, где рабочее вещество получает энергию. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

В процессе работы теплового двигателя рабочее тело забирает у нагревателя некоторое количество теплоты и превращает его в механическую работу Как сделать , чтобы все количество теплоты превращалось в работу?

∆U =0 изотермический процесс

нарисуем график процесса

для многократного совершения работы нужно понизить температуру рабочего тела а это возможно только если в двигатель добавить холодильник тело с температурой Т2 меньшей Т1тогда не превращенную часть теплоты тело передает холодильнику. По закону сохранения энергии Q₁=Q₂+A.

Работа любого теплового двигателя циклична. Каждый цикл состоит из разных процессов:

— получение энергии из нагревателя;

— рабочего хода (расширение рабочего тела и превращения части полученной энергии в механическую);

— передачи неиспользованной части энергии холодильнику.

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника – необходимое условие для непрерывной работы любого теплового двигателя.

Согласно I закону термодинамики, если Q = 0, то работа может совершаться за счет убыли внутренней энергии. Если запас энергии исчерпан, двигатель перестал работать. Если система изолирована и не совершается работа, то внутренняя энергия остается неизменной.

Закон сохранения энергия утверждает, что внутренняя энергия при любых ее превращениях остается неизменной, но ничего не говорит о том, какие превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения, в действительности не протекают.

Более нагретое тело само собой остывает, передавая свою энергию более холодным телам. Обратный процесс передачи от более холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения, но не происходит. Таких примеров можно привести много. Это говорит о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, не как не отраженную в первом законе термодинамики. Все процессы в природе необратимы (старение организмов).

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Был установлен путем обобщения опыта.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал его так:

Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Английский ученый У. Кельвин сформулировал так:

Невозможно осуществлять периодически такой процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Иначе говоря, ни один тепловой двигатель не может иметь коэффициент полезного действия, равный единице.

Формулировка второго закона, данная Кельвином, позволяет выразить этот закон в виде утверждения. Невозможно построить вечный двигатель второго рода, т. е. создать двигатель, совершающий работу за счет охлаждения какого-нибудь одного тела.

Второй закон термодинамики указывает направление процессов в природе.

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу, совершаемую за цикл, вводится КПД. Важнейшей характеристикой двигателей являетсякоэффициент полезного действия.КПД – это характеристика теплового двигателя, равная отношению энергии, которая затрачена на работу, ко всей энергии, полученной от сгорания топлива. По закону сохранения энергии работа газа равна разности энергии отданной нагревателем холодильнику. =A/Q₁

В цикличном тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты, полученное от нагревателя. Некоторое количество теплоты он отдает холодильнику, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл не может быть больше A=Q₁-Q_2.Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы. Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т. е. при Q ₂ =0.

Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80% электроэнергии, без них невозможно представить современный транспорт.

максимальный КПД можно получить в двигателе работающем по циклу Карно Цикл Карно рассматривается для идеального газа; на практике абсолютно адиабатный процесс неосуществим:

невозможно резко перейти от изотермического к адиабатному процессу.

Реальные двигатели дают меньший КПД

. А теперь давайте найдем пути его повышения.

Пути повышения КПД:

1) повышение температуры нагревателя;

2) понижение температуры холодильника ;

3) уменьшение потерь энергии в частях двигателя.

Физкультминутка

6. Первичное закрепление

Учащиеся решают задачи. 2 человека у доски

Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 о С(100, 2023) и температурой холодильника 27 о С.(0,-270)

Учащиеся сдающие ЕГЭ по физике решают задачи на своем столе (из открытого банка ФИПИ)

Один моль одноатомного идеального газа участвует в циклическом процессе, график которого изображён на TV−диаграмме.

Выберите два верных утверждения на основании анализа представленного графика.

1) Давление газа в состоянии 2 больше давления газа в состоянии 4.

2) Работа газа на участке 2–3 положительна.

3) На участке 1–2 давление газа увеличивается.

4) На участке 4–1 от газа отводится некоторое количество теплоты.

5) Изменение внутренней энергии газа на участке 1−2 меньше, чем изменение внутренней энергии газа на участке 2−3.

В таблице приведена зависимость КПД идеальной тепловой машины от температуры ее нагревателя при неизменной температуре холодильника. Чему равна температура холодильника этой тепловой машины? (Ответ дайте в кельвинах.)

3. В идеальной тепловой машине абсолютная температура нагревателя отличается от температуры холодильника в 2 раза. Чему равен КПД этой машины? Ответ приведите в процентах.

На рабочем столе учащиеся берут листок самоконтроля с тестовым заданием.

1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:

а)устройства, превращающие тепловую энергию в механическую;

б)устройства, превращающие электрическую энергию в тепловую;

в)устройства, превращающие внутреннюю энергию в тепловую.

Какой элемент теплового двигателя совершает работу:

Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:

а)наличие нагревателя и холодильника;

б)наличие рабочего тела и холодильника;

в)наличие нагревателя и рабочего тела

КПД теплового двигателя всегда:

а)больше1; б)равен 1;в)меньше 1.

При каком замкнутом процессе тепловой двигатель имеет максимальный КПД:

а)состоящий из двух изотерм и двух изобар:

б)состоящий из двух изохор и двух изобар:

в)состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

6.Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
а)Отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и ремонт;
б)Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии;
в)Отношение температуры нагревателя к температуре охладителя

7.Полезная работа в цикле Карно — это:
а)Площадь под верхней изотермой;
б)Сумма площадей под верхней изотермой и верхней адиабатой;
в)Сумма площадей под верхней изотермой и нижней изотермой;
г)Площадь, ограниченная двумя изотермами и двумя адиабатами;

8.Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице, необходимо:
а)Повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;
б)Повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;
в)Повышать температуру холодильника и нагревателя;
г)Понижать температуру холодильника и нагревателя;
д)Стремиться сделать равной температуру холодильника

Подведение итогов урока. Выставление оценок учащимся.
Домашнее задание. Д/з параграфы №80,82 Рымкевич №678 упр 15(11 ,12 ) вариант № 3723569 решу егэ

Лень — двигатель прогресса. Ключ к Диогену — лень… Андрей Вознесенский

Как вы сейчас понимаете слова поэта? Давайте обратимся к Андрею Вонесенскому.

Уважаемый поэт, я понял сегодня, что лень .

Энергию топлива проще всего преобразовать в механическую работу, а значит можно ничего не делать самому.

Сжигая топливо, мы получаем работу.

Жаль, но КПД повысить невозможно.

Будущее – за новыми видами двигателей, которые черпают энергию в альтернативных источниках.