Принцип действия тепловых машин. КПД тепловой машины

Тепловые двигатели - понятие, виды

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо еще уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Виды тепловых двигателей

Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает ра­боту А' и передает холодильнику количество теплоты Q₂,

Q₂ < Q_l

КПД теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии работа, совершае­мая двигателем, равна:

A' = Q₁ - Q₂

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

или

Так как у всех двигателей некоторое количество тепло­ты передается холодильнику, то η < 1.

Идеальная тепловая машина Карно

Законы термодинамики позволяют вычислить максималь­но возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796—1832).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат. Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т₁, при этом он получает количество теплоты Q₁.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т₂. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдает холодильнику количество теплоты Q₂, сжимаясь до объема V₄ < V₃. Затем сосуд снова термоизолируют, газ сжимается адиабатно до объема V₁ и возвращается в первоначальное состояние.

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Цикл С. Карно

Т₁ - температура нагревания  

Т₂  - температура холодильника

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Примеры решения задач:

Задача 1. Температура нагревателя идеальной тепловой ма­шины 117 °С, а холодильника 27 °С. Количество теплоты, по­лучаемое машиной от нагревателя за 1 с, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины, количество теплоты, отдаваемое холо­дильнику в 1 с, и мощность машины.

Задача 2. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4МДж потребовалось 8 кг бензина

Задача 3. На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 80 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 20 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

Задача 4. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • 10⁶ Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

Задачи для самостоятельного решения:

1. Определить КПД нагревателя, в котором израсходовано 80 г керосина для нагревания 3л воды на 90 градусов.

2. В идеальной тепловой машине за счет каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины и температуру нагревателя, если температура холодильника 280 К.

3. Найти КПД двигателя автобуса, расходовавшего 63 кг лигроина за 2,5 час работы при средней мощности 70 кВт.

 Домашнее задание:

Контрольные вопросы:

1. Какое устройство называют тепловым двигателем?

2. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?

3. Что называется коэффициентом полезного действия двигателя?

4. Чему равно максимальное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя?

Задача:

Какую среднюю мощность развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 108 км/ч расход бен­зина составляет 3,7 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?