Элемент теплового двигателя совершающий работу

Элемент теплового двигателя совершающий работу

Термодинамический анализ циклов тепловых двигателей

В основе термодинамического анализа циклов тепловых двигателей лежат два закона (два начала) термодинамики, которые, как известно, выражают обобщение фактов невозможности построения так называемых вечных двигателей (perpetuum mobile) I и II рода. Предполагая знакомство читателя с I и II началами термодинамики, напомним некоторые основные понятия, касающиеся термодинамики тепловых двигателей, изложенные, например, в [40].

Источник тепла– резервуар энергии, могущий отдавать или получать её в форме теплоты, не меняя при этом своей температуры.

Верхний источник тепла(или теплоотдатчик) – резервуар энергии, могущий отдавать её в форме теплоты при постоянной температуре.

Нижний источник тепла (или сток тепла, или теплоприёмник) – резервуар энергии, могущий принимать её в форме теплоты при постоянной температуре.

Тепловой двигатель (тепловая машина) – искусственно созданное устройство конечных размеров, позволяющее неопределённо долго получать полезную работу за счёт затраты энергии в форме теплоты от одного или многих теплоотдатчиков.

Рабочее тело – вещество, непосредственно участвующее в превращении теплоты в работу в тепловой машине.

Конечность размеров любого теплового двигателя с необходимостью требует цикличности изменения состояния рабочего тела.

Как показывает опыт, любой реальный тепловой двигатель должен содержать как минимум три элемента:

верхний источник тепла, имеющий температуру и отдающий рабочему телу за цикл количество тепла ;

рабочее тело, совершающее цикл и производящее за цикл работу ;

нижний источник тепла с температурой , получающий от рабочего тела за цикл количество тепла Q2.

Принципиальная схема теплового двигателя представлена на рис. В.1.

В качестве количественной характеристики термодинамической эффективности превращения теплоты в работу в тепловых машинах используется так называемый термический коэффициент полезного действия (термический КПД), представляющий собой отношение произведённой рабочим телом за цикл работы Lo и подведённого от верхнего источника тепла в течение цикла количества теплоты Q1, т.е.

При этом первое начало термодинамики накладывает на величину термического КПД ограничение

а второе начало накладывает более жёсткое ограничение

т.е. термический КПД любого теплового двигателя строго меньше единицы.

Изложенные выше общие положения справедливы для всех тепловых двигателей независимо от их принципа действия, конструкции, назначения, вида топлива, условий работы и т.д. Известно, что самым экономичным тепловым двигателем, работающим между двумя источниками теплоты с температурами , является машина Карно, цикл рабочего тела в котором состоит из двух обратимых адиабат и двух обратимых изотерм. В отношении цикла Карно формулируются и доказываются две теоремы:

I. Термический КПД машины Карно является максимальным по сравнению с термическим КПД любой другой машины, работающей в том же интервале температур.

II. Термический КПД машины Карно не зависит от свойств рабочего тела, её конструкции, принципа действия и т.д., а зависит только от температур верхнего и нижнего источников тепла.

Несмотря на то, что машина Карно является самой экономичной, она, тем не менее, обладает существенными недостатками, затрудняющими практическую реализацию такого двигателя, а именно, трудность обеспечения минимума потерь и трудность осуществления изотермических процессов подвода и отвода теплоты с температурами, близкими к температурам источников.

Проблема повышения экономичности тепловых двигателей в современной цивилизации имеет огромное значение. В первую очередь это вызвано необходимостью экономии органического или ядерного топлива, используемого в энергетических и транспортных установках. Главной целью технической термодинамики как научной дисциплины является анализ циклов тепловых двигателей с точки зрения возможностей повышения термического КПД, а также их мощности. Из общего термодинамического анализа следует довольно простой вывод о том, что для повышения термодинамической (или, что в конечном итоге то же самое, экономической) эффективности тепловых двигателей (энергетических установок) необходимо либо понижать среднюю температуру отвода тепла T2m, либо повышать среднюю температуру подвода тепла T1m. Минимальная температура рабочего тела в двигателях, как правило, лимитируется температурой окружающей среды (атмосферного воздуха или охлаждающей воды в конденсаторах паросиловых установок). Максимальная температура подвода теплоты в двигателях ограничена термостойкостью конструкционных материалов, и в подавляющем большинстве двигателей этот максимум уже достигнут.

Как известно, наибольшим значением термического КПД теплового двигателя, работающего в заданном температурном интервале, обладает двигатель Карно, однако конструктивное его осуществление либо чрезвычайно сложно, либо нецелесообразно с практической точки зрения.

Анализ и сравнение термодинамической эффективности двигателей могут осуществляться либо аналитически (при известных выражениях для термических КПД различных двигателей в зависимости от конструктивных и режимных параметров), либо графически (с помощью термодинамических диаграмм). Аналитический метод сравнения является, естественно, наиболее полным и точным, однако обладает весьма малой степенью наглядности, что существенно снижает его результативность даже с применением современной вычислительной техники.

Графический метод анализа и сравнения термодинамической эффективности циклов тепловых двигателей является весьма наглядным и во многих случаях даже не требует изображения циклов двигателей в масштабе. Конечно, наглядности сравнения циклов можно добиться далеко не всегда, но во многих практически важных случаях это возможно.

Графический метод базируется на определении термического КПД двигателя и на представлении количества теплоты в диаграмме T–s площадью под соответствующими процессами подвода и отвода теплоты. В соответствии с этим имеем (см. рис. В.2):

Здесь T1m и T2m – так называемые среднеинтегральные температуры подвода и отвода тепла в цикле, равные по определению

Таким образом, в соответствии с , имеются две возможности сравнения эффективности циклов тепловых двигателей – по площадям и по среднеинтегральным температурам. В одних случаях можно однозначно судить о неравенстве «больше – меньше» в отношении площадей, а в других – в отношении среднеинтегральных температур, а иногда и о том, и о другом одновременно.

Реальные тепловые двигатели весьма сильно различаются по принципу действия, предназначению, способам подвода и отвода тепла, рабочим телам, используемому топливу и т.д. Это разнообразие приводит к необходимости классификации двигателей по различным признакам. Мы здесь ограничимся классификацией, отражающей особенности термодинамического расчёта тепловых двигателей, и не будем рассматривать такие «экзотические» двигатели, как, например, топливные элементы и т.д.

А. Двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Главной особенностью двигателей внутреннего сгорания является то, что в них в качестве рабочего тела используются продукты сгорания топлива и окислителя. Ввиду изменения химического состава рабочего тела в цикле оно с необходимостью должно выводиться из двигателя после каждого цикла. Двигатели внутреннего сгорания классифицируются в свою очередь по принципу действия:

– газотурбинные установки (ГТУ);

– ракетные двигатели (РД).

В свою очередь ДВС каждого из этих видов также классифицируются по способу сгорания топлива, о чём речь будет идти ниже.

В поршневых ДВС и в газотурбинных установках окислителем служит атмосферный воздух, а топливо используется жидкое или газообразное.

Б. Паросиловые установки (ПСУ).

В качестве рабочего тела в паросиловых установках используется вода, испытывающая в цикле фазовые переходы «пар – жидкость». Поскольку вода в случае обычных топлив не может служить окислителем, теплота к ней подводится извне через поверхности нагрева в установках, называемых парогенераторами. В этом смысле паросиловые установки могут называться двигателями внешнего сгорания.

Читать еще:  Греется двигатель камаз что делать

Дата добавления: 2015-12-22 ; просмотров: 3088 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Презентация на тему: Тепловые двигатели 10 класс

Тепловые двигателиАвторский урок физики в 10 класс.Учитель физики высшей категорииРыженко Александра Федоровна. ЧСШ №1. г. Саяногорск 2010 г.

Цели урока: 1.Сформировать понятие о физических принципах действия тепловых двигателей.2.Познакомить учащихся с важнейшими направлениями применения тепловых двигателей в народном хозяйстве.3. Выяснить экологические проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей.

Вращайтесь, мощные колеса,Свистите, длинные ремни,Горите свыше, впрямь и косо,Над взмахами валов, огни!Пуды, бросая, как пригоршню, В своем разлете роковомСпешите, яростные поршни,Бороться с мертвым естеством! Валерий Брюсов

Что такое тепловой двигатель? Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Виды тепловых двигателей:

История создания теплового двигателя. 1690 – пароатмосферная машина Д.Папена1705 — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена для подъема воды из шахты1763-1766 – паровой двигатель И.И.Ползунова1784 – паровой двигатель Дж.Уатта1865 – двигатель внутреннего сгорания Н.Отто1871 – холодильная машина К.Линде1897 – двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (с самовоспламенением)

В апреле 1763 г. Ползунов демонстрировал работу огнедействующей машины«для заводских нужд»

В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена.

Двигатель внутреннего сгорания Н.Отто К 1863 году был готов первый образец атмосферного газового двигателя с поршнем от авиационного мотора и ручным стартером, работавшим на смеси бензина и воздуха.

1878 – 1888 гг. Рудольф Дизель работает над созданием двигателя принципиально новой конструкции. В голову ему приходит создание абсорбционного двигателя, работавшего на аммиаке, а в роли топлива должна была выступать специальная пудра, полученная из каменного угля.

Устройство теплового двигателя Три основных элемента любого теплового двигателя:1.Нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу.2. Рабочее тело (газ или пар), совершающее работу.3.Холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Принцип действия теплового двигателя Принцип действия теплового двигателя основан на свойстве газа или пара при расширении совершать работу.В процессе работы теплового двигателя периодически повторяются расширения и сжатия газа.Расширения газа происходят самопроизвольно, а сжатия под действием внешней силы.

Как работает тепловой двигатель?

КПД теплового двигателя. Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

КПД тепловых двигателей

Карно Никола Леонард Сади (1796-1832 г.)- французский физик и инженер. Свои исследования он изложил в сочинении «размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Он предложил идеальную тепловую машину.

Цикл Карно – самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД. 1 – 2 — изотермическое расширение. А₁₂ = Q₁2 – 3 – адиабатное расширение А ₂₃ = — ∆U₂₃3 – 4 — изотермическое сжатие A₃₄= A сж = Q₂4 – 1 – адиабатное сжатие A₄₁= ∆U₄₁

«Тепловые двигатели наоборот». «Тепловые двигатели наоборот» это : холодильник, кондиционер и тепловой насос.В них происходит передача тепла от более холодного к более нагретому, что требует совершения работы.Работу производит электродвигатель, подключенный к источнику тока.

«Тепловые двигатели наоборот», их принцип действия.

Тепловые двигатели в народном хозяйстве. Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80 % электроэнергии.Без тепловых двигателей (ДД, ДВС) невозможно представить современный транспорт.Паротурбинные двигатели применяются на водном транспорте.Газотурбинные — в авиации.Ракетные двигатели используются в ракетно – космической технике.

Водный транспорт. Первый практически пригодный пароход построен в 1807 году Фультоном. (амер)Первый российский пароход «Елизавета» построен в 1815 году на заводе предпринимателя К.Н.Берда. Его первый рейс был из Петербурга в Кронштадт.

Железнодорожный транспорт. В 1829 году инженер Дж. Стефенсон построил лучший для того времени паровоз «Ракета». Первый тепловоз построен в 1924г. советским ученым Л.М.Таккелем. Тепловоз приводит в движение двигатель внутреннего сгорания

Автомобильный транспорт. Прообразом современного автомобиля считают самодвижущуюся повозку немецких механиков Г.Даймлера и Бенца. В 1883 году легкий ДВС был установлен на обычный конный экипаж.

Авиационный транспорт. 17 декабря 1903 года американские изобретатели Орвил и Уилбур Райт провели испытание первого в мире самолета — аэроплана (планера, снабженного ДВС).Полет продолжался 12 секунд на высоте 3 метра от земли.

Космический транспорт. 17 августа 1933 года в воздух поднялась на высоту около 400 м первая советская жидкостная ракета, сконструированная М.К.Тихомировым.4 октября 1957 года был запущен первый искусственный спутник Земли.

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду.

ДВС и его влияние на окружающую среду. Схема двигателя внутреннего сгорания.1.- камера сгорания; 2- поршень; 3- кривошипно – шатунный механизм;4 – радиатор в системе охлаждения;5 – вентилятор6 – система выпуска газов.

Распределение энергии топлива при движении автомобиля. 80 % — бесполезные потери20 % — полезно затраченная энергия: 3 % — освещение4 % — преодоление сопротивления4 % — работа силы трения колес9 % — движение автомобиля

«Нельзя допустить, чтобы люди направляли на собственное уничтожение те силы природы, которые сумели открыть и покорить»Ф. Жолио – Кюри.

Презентация по физике «Тепловые двигатели и их влияние на окружающую среду»

ФРОЛОВА Н.М. МОБУ СОШ №90 РП. ЧУНСКИЙ

Вращайтесь, мощные колеса, Свистите, длинные ремни, Горите свыше, впрямь и косо, Над взмахами валов, огни! Пуды, бросая, как пригоршню, В своем разлете роковом Спешите, яростные поршни, Бороться с мертвым естеством! Валерий Брюсов

ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ? Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

ВИДЫ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ:

ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ. 1690 – пароатмосферная машина Д.Папена 1705 — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена для подъема воды из шахты 1763-1766 – паровой двигатель И.И.Ползунова 1784 – паровой двигатель Дж.Уатта 1865 – двигатель внутреннего сгорания Н.Отто 1871 – холодильная машина К.Линде 1897 – двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (с самовоспламенением)

В апреле 1763 г. Ползунов демонстрировал работу огнедействующей машины «для заводских нужд»

В 1781 г. Джеймс Уатт получил патент на изобретение второй модели своей машины. В 1782 г. эта замечательная машина, первая универсальная паровая машина «двойного действия», была построена.

К 1863 году был готов первый образец атмосферного газового двигателя с поршнем от авиационного мотора и ручным стартером, работавшим на смеси бензина и воздуха. Двигатель внутреннего сгорания Н.Отто

1878 – 1888 гг. Рудольф Дизель работает над созданием двигателя принципиально новой конструкции. В голову ему приходит создание абсорбционного двигателя, работавшего на аммиаке, а в роли топлива должна была выступать специальная пудра, полученная из каменного угля.

УСТРОЙСТВО ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Три основных элемента любого теплового двигателя: 1.Нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу. 2. Рабочее тело (газ или пар), совершающее работу. 3.Холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.

Читать еще:  Двигатель 6d16 расход топлива

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ Принцип действия теплового двигателя основан на свойстве газа или пара при расширении совершать работу. В процессе работы теплового двигателя периодически повторяются расширения и сжатия газа. Расширения газа происходят самопроизвольно, а сжатия под действием внешней силы.

Нагреватель. T₁ Холодильник. T₂ Рабочее тело Q₁ Q₂ Q₁ — Q₂= A Как работает тепловой двигатель?

КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ. Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ Тепловой двигатель К П Д в % Паровая машина Ползунова Уатта 1 3 -4 Паровая турбина 35 Газовая турбина 45 Двигатель внутреннего сгорания 20 -35 Двигатель Дизеля Первый Тракторный Стационарный 22 28 — 32 34 — 44 Реактивный двигатель 47

Карно Никола Леонард Сади (1796-1832 г.)- французский физик и инженер. Свои исследования он изложил в сочинении «размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Он предложил идеальную тепловую машину.

ЦИКЛ КАРНО – САМЫЙ ЭФФЕКТИВНЫЙ ЦИКЛ, ИМЕЮЩИЙ МАКСИМАЛЬНЫЙ КПД. 1 – 2 — изотермическое расширение. А₁₂ = Q₁ 2 – 3 – адиабатное расширение А ₂₃ = — ∆U₂₃ 3 – 4 — изотермическое сжатие A₃₄= A сж = Q₂ 4 – 1 – адиабатное сжатие A₄₁= ∆U₄₁

ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ В НАРОДНОМ ХОЗЯЙСТВЕ. Тепловые двигатели – необходимый атрибут современной цивилизации. С их помощью вырабатывается около 80 % электроэнергии. Без тепловых двигателей (ДД, ДВС) невозможно представить современный транспорт. Паротурбинные двигатели применяются на водном транспорте. Газотурбинные — в авиации. Ракетные двигатели используются в ракетно – космической технике.

ВЛИЯНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ.

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ТОПЛИВА ПРИ ДВИЖЕНИИ АВТОМОБИЛЯ. 80 % — бесполезные потери 20 % — полезно затраченная энергия: 3 % — освещение 4 % — преодоление сопротивления 4 % — работа силы трения колес 9 % — движение автомобиля

ВОЗДЕЙСТВИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов. Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 тонны свинца.

Выбросы вредных веществ в атмосферу – не единственная сторона воздействия тепловых двигателей на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле.

Методы борьбы с вредными воздействиями тепловых двигателей на окружающую среду *Один из способов уменьшения путей загрязнения окружающей среды связан с использованием в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. *Перспективными являются разработки автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяются электродвигатели или двигатели, использующие в качестве топлива водород.

Другой способ заключается в увеличении КПД тепловых двигателей. *В институте нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН разработаны новейшие технологии превращения углекислого газа в метанол (метиловый спирт) и диметиловый эфир, увеличивающие в 2-3 раза производительность аппаратов при значительном уменьшении электроэнергии. Здесь был создан реактор нового типа, в котором производительность увеличена в 2-3 раза. Введение этих технологий снизит накопление углекислого газа в атмосфере и поможет не только создать альтернативное сырьё для синтеза многих органических соединений, основой для которых сегодня служит нефть, но и решить упомянутые выше экологические проблемы.

«НЕЛЬЗЯ ДОПУСТИТЬ, ЧТОБЫ ЛЮДИ НАПРАВЛЯЛИ НА СОБСТВЕННОЕ УНИЧТОЖЕНИЕ ТЕ СИЛЫ ПРИРОДЫ, КОТОРЫЕ СУМЕЛИ ОТКРЫТЬ И ПОКОРИТЬ» Ф. ЖОЛИО – КЮРИ.

Использование тепловых двигателей дает человеку огромные возможности и одновременно является наиболее сильным фактором разрушения природы.

Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД

Главная > Реферат >Физика

АМУРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА
ФИЛИАЛ ДАЛЬНЕВОСТОЧНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
В г. СВОБОДНОМ

Реферат по теме:

«Тепловые двигатели. Холодильные машины. Цикл Карно и его КПД»

Выполнила: студентка I курса

Проверил: Кравцова Н. А.

г. Свободный 2010

Циклы теплового двигателя

КПД теплового двигателя

Циклы теплового двигателя

КПД теплового двигателя

Список использованной литературы

Ещё в давние времена люди старались использовать энергию топлива для превращения её в механическую. В XVII в. был изобретён тепловой двигатель, который в последующие годы был усовершенствован, но идея осталась той же. Во всех двигателях энергия топлива переходит сначала в энергию газа или пара, а газ (пар) расширяясь, совершает работу и охлаждается, а часть его внутренней энергии при этом превращается в механическую энергию. К сожалению, коэффициент полезного действия не высок.

Двигатель тепловой — это машина для преобразования тепловой энергии в механическую работу. В тепловом двигателе происходит расширение газа, который давит на поршень, заставляя его перемещаться, или на лопатки колеса турбины, сообщая ему вращение. Примерами поршневых двигателей являются паровые машины и двигатели внутреннего сгорания (карбюраторные и дизельные). Турбины двигателей бывают газовые (например, в авиационных турбореактивных двигателях) и паровые.

К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твёрдое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм.

В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа – либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях.

Читать еще:  Что такое экономайзер в двигателе

В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре.

Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.

Теоретически любой газ можно использовать в качестве рабочего тела такого двигателя, однако на практике используется только пар, поскольку он может запасти больше энергии, чем какое-либо иное столь же доступное рабочее тело. Если в качестве рабочего тела применить воздух, то для получения той же мощности его придется разогреть до более высокой температуры. А для этого потребуется более сложный нагреватель, чем паровой котел, и более надежная теплоизоляция всех элементов системы.

В двигателях внутреннего сгорания источником тепла является химическая энергия топлива, а его сгорание происходит внутри двигателя. Поэтому для таких двигателей не требуется котел или какой-то другой внешний нагреватель. Рабочим телом теоретически могут служить многие горючие вещества, однако практически все современные двигатели такого рода работают на бензине или дизельном топливе.

Цель данной работы – рассмотреть тепловые двигатели, Цикл Карно.

Для реализации данной цели в реферате предстоит решить следующие задачи:

— изучить понятие и общие положения о тепловых двигателях;

— рассмотреть коэффициент полезного действия теплового двигателя;

— рассмотреть принцип работы Цикла Карно и его КПД.

Цель и задачи работы обусловили выбор ее структуры. Работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка использованной литературы.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A
при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (Δ U = 0):

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.
Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние

Циклы теплового двигателя

Рабочий цикл любого двигателя внутреннего сгорания имеет четыре стадии: топливовоздушная смесь подается в цилиндр, затем она сжимается, сжигается, и, наконец, отработанные газы удаляются из цилиндра. После этого новый цикл начинается с подачи свежей порции смеси топлива и воздуха. В дизельных двигателях топливо и воздух подаются в рабочий цилиндр раздельно, но в остальном цикл тот же. Существуют два основных цикла работы двигателей: четырехтактный (в котором при каждом ходе поршня вверх или вниз выполняется одна из стадий) и двухтактный (в котором при каждом ходе выполняются две стадии).

Четырехтактный цикл . В четырехтактном цикле впускной клапан открывается, когда поршень находится в верхней точке цилиндра, и свежая порция топлива и воздуха засасывается в цилиндр поршнем, опускающимся вниз и создающим разрежение. Когда поршень достигает нижней точки, впускной клапан закрывается, а поршень, двигаясь вверх, сжимает смесь. Когда поршень достигает верхней точки, смесь воспламеняется, и образующиеся горячие газы, расширяясь, толкают поршень вниз. Когда поршень оказывается в нижней точке, открывается выпускной клапан, а на следующем такте поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы, освобождая цилиндр для новой порции топливовоздушной смеси. Весь процесс совершается за четыре хода поршня (вверх или вниз), т.е. за два оборота коленчатого вала. Во время рабочего хода маховик запасает энергию, чтобы поршень мог совершить три других хода до следующего рабочего. Первый двигатель с этим циклом построил в 1876 в Германии
Н. Отто.

Двухтактный цикл . В двухтактном цикле свежая порция топливной смеси подается в цилиндр, когда поршень находится в нижней точке; затем смесь сжимается при движении поршня вверх и воспламеняется в конце хода сжатия, как и в четырехтактном цикле. В конце рабочего хода вниз отработанные газы выталкиваются из цилиндра свежей порцией смеси. Таким образом, в двухтактном цикле на каждом обороте вала совершается рабочий ход. Когда при ходе сжатия поршень поднимается, вследствие создающегося под ним разрежения в картер засасывается очередная порция топливной смеси. Во время рабочего хода эта смесь сжимается, пока клапаны не откроют доступ свежей смеси в рабочий цилиндр, а отработанным газам – в атмосферу. Можно обойтись и без клапанов, если правильно рассчитать форму поршня и расположение впускных и выпускных отверстий.

КПД теплового двигателя

Назначение теплового двигателя — производить механическую работу. Но только часть теплоты, полученной двигателем, затрачивается на совершение работы. Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия двигателя (к. п. д.).

Рассмотрим вопрос об учете энергии, расходуемой в двигателе. Обычно это энергия смеси: топливо — кислород воздуха. Ее легко оценить, если известны количество топлива и его удельная теплота сгорания, т. е. количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Удельную теплоту сгорания различных сортов топлива определяют, сжигая небольшую порцию топлива в закрытом сосуде, помещенном в калориметр.

Круговые процессы изображаются на диаграмме ( p , V ) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A 1 , равную площади под кривой abc , при сжатии газ совершает отрицательную работу A 2 , равную по модулю площади под кривой cda . Полная работа за цикл A = A 1 + A 2 на диаграмме ( p , V ) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Круговой процесс на диаграмме ( p , V ). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q 2 Q , полученное рабочим телом за цикл, равно

Q = Q 1 + Q 2 = Q 1 – | Q 2 |.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (Δ U = 0). Согласно первому закону термодинамики,

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector