• Коробка пердач
• Двигун
• Двигун
• Рідини
• Коробка пердач

Конспект уроку "Принцип дії теплових двигунів. ККД". Тепловий двигун. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна

Тепловий двигун - це пристрій, що перетворює теплову енергію на механічну роботу.

Іноді дається таке визначення:

Тепловий двигун перетворює внутрішню енергію робочого тіла на механічну.

Отже, для теплового двигуна необхідне робоче тіло (газ чи пара), нагрівач. Крім того, в системі має бути різниця температур, щоб робоче тіло, після виконання роботи, могло віддати теплоту; тобто крім нагрівача, потрібний холодильник.

Класифікація теплових двигунів

Відмінність між теплотою і внутрішньою енергією умовно, вона прийнята в термодинаміці, відображає специфіку об'єктів, що розглядаються цією наукою. Якщо пара в котлі нагрівається зовнішнім джерелом, або система охолоджується, віддаючи тепло в навколишнє середовище, то говорять про зовні, що надходить, або віддається в навколишнє середовище теплоті. Якщо в циліндрі запалюється бензин, і газ, що розширюється, штовхає поршень, то говорять про перетворення внутрішньої енергіїробочого тіла.

У зв'язку з цим термодинаміки прийнято класифікацію пристроїв:

1. Двигуни зовнішнього згоряння, що перетворюють зовнішню теплоту (парова машина, парова турбіна)
2. Двигуни внутрішнього згоряння, що перетворюють внутрішню енергію палива (ДВЗ, реактивний двигун)

Перший двигун зовнішнього згоряння був винайдений у Стародавньому Римі. Пара, спрямована по вигнутих трубах зі сфери з киплячою водою, змушувала її обертатися. Це був просто ефектний експеримент, іграшка, яку не використовували для роботи. Виробництво машин та застосування їх у промисловості не було актуальним при рабовласництві, воно почалося тоді, коли стало економічно вигідним.
Зазначимо, що до теплових двигунів належать пристрої з принциповими відмінностями в конструкції та логіці роботи: турбіна, реактивний двигун та циклічні двигуни.

Термодинаміка, як наука, сформувалася у процесі роботи над циклічними двигунами. У наступному розділі йтиметься про циклічні двигуни, їх ККД, а також про другий початок термодинаміки.

Перетворення енергії у теплових двигунах

Створення парового двигуна ознаменувало початок науково-технічної революції, але самі парові двигуни спочатку недосконалі. Вони розвивали велику потужність, але споживали надто багато палива.

Якщо порівняти роботу перших двигунів з тягловою силою коня, то виявиться, що кінь набагато ефективніше використовує пальне - овес і сіно. Вчені зазначали, що організм «спалює» їжу: адже людина та тварини вдихають кисень, а видихають вуглекислий газ та водяну пару; так само надходить топка з дровами, що горять.

Саме тоді навчилися рахувати калорії. Енергію їжі оцінили за кількістю теплоти, яка виділиться при її спалюванні. За шкалою «калорійності» можна порівнювати овес, вугілля та бензин. І за цією шкалою перші парові двигуни були вкрай неефективні: лише 1% — 2% калорій, що згоріли, перетворювалися на корисну роботу.

Робилися спроби вдосконалити машини, іноді вони давали найкращий ефект, іноді гірший; була потрібна теоретична база для того, щоб досягти найкращого варіанту.

Основоположники термодинаміки перш за все вирішували питання: чи може вся теплота, що передається паровій машині, перетворитись на роботу? У механіці перетворення потенційної енергії на кінетичну може відбуватися з дуже малими втратами. Здебільшого заважає тертя, але у багатьох завданнях тертям можна знехтувати. Уявимо, що ми так само зведемо до нуля тертя поршня об циліндр, непродуктивні втрати теплової енергії. Чи можна уявити ідеальний циклічний двигун, у якому вся теплота переходить у роботу?

По першому початку термодинаміки, теплота витрачається на роботу та збільшення внутрішньої енергії:

Q = A + DU

Нехай DU = 0. Теплота змусила пару розширюватися, пара привела в рух поршень, той здійснив роботу. При цьому температура пари та її внутрішня енергія не змінилася, Нехтуємо втратами і припустимо, що вся теплота перейшла в механічну роботу: Q = A

Але ми розглядаємо циклічний двигун. Поршень перемістився, зробивши роботу; тепер його треба повернути у вихідний стан.

Якщо переміщати поршень, стискаючи пару, то доведеться зробити роботу не меншу, ніж А. Але це означає, що нікого виграшу не відбулося, і коефіцієнт корисної дії нульовий, навіть за відсутності втрат!

Щоб зменшити роботу щодо зворотного переміщення поршня, дозволимо внутрішньої енергії змінюватися. Якщо пара охолодити, її тиск зменшиться, і робота з переміщення поршня буде меншою, ніж досконала в робочому циклі.

Ось ця різниця робіт і буде корисною віддачею двигуна.

На графіці p(v) прямий та зворотний хід поршня показаний лініями abc і cda, що утворюють замкнуту фігуру. Площа замкнутої фігури abcd відповідає корисній роботі. Площа фігури V 1 abcV 2 – це робота прямого ходу, площа V 2 cdaV 1 – відповідає роботі зворотного ходу.

Отже, тепловому двигуну потрібен як нагрівач, а й холодильник; найчастіше в ролі холодильника виступає навколишнє середовище, якому передаються залишки тепла

В ідеальному випадку виконана за цикл робота відповідає різниці між теплотою, що мало нагріте робоче тіло, і тією теплотою, що залишилася у робочого тіла після охолодження:

А = Q 1 - | Q 2 |

Коефіцієнт корисної дії ідеального двигуна дорівнює відношенню роботи до отриманої від нагрівача теплоті:

Ця формула показує межу ККД, яка не може бути перевищена тепловим двигуном при певних параметрах нагрівача та холодильника. Реальний ККД двигуна залежить від його конструкції, і він завжди менший за ідеальне значення.

Отже, ККД двигуна завжди менше одиниці, оскільки частина теплової енергії має віддаватися холодильнику. Це є відображенням другого початку термодинаміки

Одне з формулювань другого початку термодинаміки:

Неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виконання роботи за рахунок охолодження теплового резервуара. (Такий процес називається процесом Томсона).

Адіабатний процес та цикл Карно

При конструюванні теплового двигуна значної ролі зіграло розуміння адіабатного процесу.

Адіабатний процес в ідеальному газі відбувається без обміну теплотою з довкіллям.

Математична формула адіабатного процесу:

p * V k = const

де p – тиск, V – об'єм, k – показник адіабати, що дорівнює відношенню теплоємності газу при постійному тиску до теплоємності при постійному обсязі.

Розглянемо, як застосовується адіабатний процес у термодинаміці.

Завдання конструкторів під час розробки двигуна – наблизитися до ідеального значення ККД. Для цього потрібно визначити найкращий термічний цикл теплової машини та конструкцію, що відповідає двигуну з таким циклом.

Правило для теплових машин сформулював у 1824 році Санді Карно, французький вчений. У своїй теоретичній моделі він використав властивості ідеального газу.

Його ідея полягала в тому, щоб розширення газу при прямому ході йшло ізотермічно, без зміни температури, і так само ізотермічно, але при зниженій температурі відбувалося стиснення газу при зворотному ході.

Для переходу між верхньою та нижньою ізотермами Карно запропонував використовувати адіабатичне розширення та адіабатичний стиск.

Найбільш наочно цикл Карно зображується на TS діаграмі, за якою можна оцінити зміну ентропії системи та її температури:

Зміна об'єму та тиску при циклі Карно можна бачити на PS діаграмі:

Зображення циклу на TS діаграмі показує залежність ККД від абсолютних значень температури нагрівача та холодильника:

Остання формула дозволяє зробити важливий висновок: ККД двигуна залежить від абсолютної температури холодильника і найбільший ККД=1 може бути досягнутий тільки при температурі холодильника T X = 0°K, або t= -273°C.

Реальний тепловий двигун має менший ККД, ніж ідеальний двигун Карно, оскільки забезпечити повністю адіабатний процес без теплообміну з навколишнім середовищем неможливо. Крім того, ізотермічне розширення та стиснення реального газу можливе лише за досить повільних процесів, а їх прискорення призводить до зміни температури.

Теорія та практика

Як позначилися роботи теоретиків як парові двигуни? Почався швидкий процес удосконалення цієї техніки. У сімдесяті роки ХІХ століття паровози відчайдушно диміли і мали ККД = 3%, а 1910 року паровози диміли щонайменше, але мали ККД = 7-9%. Це великий прогрес, але піднятися вище під час розробки парових машин не вдалося.

На зміну паровозам прийшли двигуни внутрішнього згоряння: їхній ККД одразу ж перевищив парові двигуни, склав 25%. Сучасні дизельні двигуни з електронною системою управління мають ККД=40%.

Чи є це межею? Для двигунів внутрішнього згоряння, мабуть, є. Але є продуктивніші теплові машини: це турбіни. Нагрітий газ, безперервним струменем вириваючись із сопла, обертає турбіну; це не циклічний, а постійний процес, і за його реалізації без особливих труднощів досягається ККД=60%. Недарма зараз активно розробляють турбодвигуни.

Роботу багатьох видів машин характеризує такий важливий показник, як ККД теплового двигуна. Інженери з кожним роком прагнуть створювати досконалішу техніку, яка при менших давала б максимальний результат від його використання.

Пристрій теплового двигуна

Перш ніж розбиратися в тому, що таке необхідно зрозуміти, як працює цей механізм. Без знання принципів його дії не можна з'ясувати суть цього показника. Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює роботу завдяки використанню внутрішньої енергії. Будь-яка теплова машина, що перетворює на механічну, використовує теплове розширення речовин у разі підвищення температури. У твердотільних двигунах можлива не лише зміна об'єму речовини, а й форми тіла. Дія такого двигуна підпорядкована законам термодинаміки.

Принцип функціонування

Для того щоб зрозуміти, як працює тепловий двигун, необхідно розглянути основи його конструкції. Для функціонування приладу необхідні два тіла: гаряче (нагрівач) та холодне (холодильник, охолоджувач). Принцип дії теплових двигунів (ККД теплових двигунів) залежить від їхнього виду. Найчастіше холодильником виступає конденсатор пари, а нагрівачем будь-який вид палива, що згорає в топці. ККД ідеального теплового двигуна знаходиться за такою формулою:

ККД = (нагрів. - Тхолод.) / Тнагрів. х 100%.

При цьому ККД реального двигуна ніколи не зможе перевищити значення, отриманого згідно з цією формулою. Також цей показник ніколи не перевищить вищезазначеного значення. Щоб підвищити ККД, найчастіше збільшують температуру нагрівача та зменшують температуру холодильника. Обидва ці процеси будуть обмежені реальними умовами роботи устаткування.

При функціонуванні теплового двигуна відбувається робота, у міру якої газ починає втрачати енергію і охолоджується до певної температури. Остання, як правило, на кілька градусів вище за навколишню атмосферу. Це температура холодильника. Такий спеціальний пристрій призначений для охолодження з наступною конденсацією відпрацьованої пари. Там, де є конденсатори, температура холодильника іноді нижче температури навколишнього середовища.

У тепловому двигуні тіло при нагріванні та розширенні не здатне віддати всю свою внутрішню енергію для виконання роботи. Якась частина теплоти буде передана холодильнику разом із або парою. Ця частина теплової неминуче губиться. Робоче тіло при згорянні палива одержує від нагрівача певну кількість теплоти Q 1 . При цьому воно ще виконує роботу A, під час якої передає холодильнику частину теплової енергії: Q 2

ККД характеризує ефективність двигуна у сфері перетворення та передачі енергії. Цей показник часто вимірюється у відсотках. Формула ККД:

η*A/Qx100 %, де Q - витрачена енергія, А - корисна робота.

Виходячи із закону збереження енергії, можна дійти невтішного висновку, що ККД буде завжди менше одиниці. Іншими словами, корисної роботи ніколи не буде більше, ніж на неї витрачено енергію.

ККД двигуна – це відношення корисної роботи до енергії, повідомленої нагрівачем. Його можна подати у вигляді такої формули:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , де Q 1 - Тепло, отримана від нагрівача, а Q 2 - Віддана холодильнику.

Робота теплового двигуна

Робота, що здійснюється тепловим двигуном, розраховується за такою формулою:

A = | Q H | - |Q X |, де А - робота, Q H - кількість теплоти, що отримується від нагрівача, Q X - кількість теплоти, що віддається охолоджувачу.

|Q H | - | Q X |) / | Q H | = 1 - | Q X | / | Q H |

Він дорівнює відношенню роботи, яку здійснює двигун, до кількості отриманої теплоти. Частина теплової енергії при цій передачі губиться.

Двигун Карно

Максимальне КПД теплового двигуна відзначається у приладу Карно. Це зумовлено тим, що у зазначеній системі він залежить тільки від абсолютної температури нагрівача (Тн) та охолоджувача (Тх). ККД теплового двигуна, що працює по визначається за такою формулою:

(Тн - Тх) / Тн = - Тх - Тн.

Закони термодинаміки дозволили вирахувати максимальний ККД, який можливий. Вперше цей показник вирахував французький вчений та інженер Саді Карно. Він вигадав теплову машину, яка функціонувала на ідеальному газі. Вона працює за циклом з 2 ізотерм та 2 адіабат. Принцип її роботи досить простий: до посудини з газом підводять контакт нагрівача, унаслідок чого робоче тіло розширюється ізотермічно. При цьому воно функціонує та отримує певну кількість теплоти. Після посудини теплоізолюють. Попри це газ продовжує розширюватися, але вже адіабатно (без теплообміну з навколишнім середовищем). Саме тоді його температура знижується до показників холодильника. У цей момент газ контактує з холодильником, внаслідок чого віддає певну кількість теплоти при ізометричному стиску. Потім посудину знову теплоізолюють. При цьому газ адіабатно стискається до початкового обсягу та стану.

Різновиди

В наш час існує багато типів теплових двигунів, які працюють за різними принципами та на різному паливі. Усі мають свій ККД. До них належать такі:

Двигун внутрішнього згоряння (поршневий), що є механізмом, де частина хімічної енергії згоряючого палива переходить в механічну енергію. Такі прилади можуть бути газовими та рідинними. Розрізняють 2- та 4-тактні двигуни. У них може бути робочий цикл безперервної дії. За методом приготування суміші палива такі двигуни бувають карбюраторними (із зовнішнім сумішоутворенням) та дизельними (з внутрішнім). За видами перетворювача енергії їх поділяють поршневі, реактивні, турбінні, комбіновані. ККД таких машин не перевищує показника 0,5.

Двигун Стірлінга – прилад, в якому робоче тіло знаходиться у замкнутому просторі. Він є різновидом двигуна зовнішнього згоряння. Принцип його дії ґрунтується на періодичному охолодженні/нагріві тіла з отриманням енергії внаслідок зміни його об'єму. Це один із найефективніших двигунів.

Турбінний (роторний) двигун із зовнішнім згорянням палива. Такі установки найчастіше трапляються на теплових електричних станціях.

Турбінний (роторний) ДВЗ використовується на теплових електричних станціях у піковому режимі. Не дуже поширений, як інші.

Турбіногвинтовий двигун за рахунок гвинта створює деяку частину тяги. Решту він одержує за рахунок вихлопних газів. Його конструкція є роторним двигуном на вал якого насаджують повітряний гвинт.

Інші види теплових двигунів

Ракетні, турбореактивні та які отримують тягу за рахунок віддачі вихлопних газів.

Твердотільні двигуни використовують як паливо тверде тіло. Працюючи змінюється не його обсяг, а форма. Під час експлуатації обладнання використовується гранично малий перепад температури.

Як можна підвищити ККД

Чи можливе підвищення ККД теплового двигуна? Відповідь потрібно шукати у термодинаміці. Вона вивчає взаємні перетворення різних видів енергії. Встановлено, що не можна всю наявну механічну тощо. При цьому перетворення їх на теплову відбувається без будь-яких обмежень. Це можливо через те, що природа теплової енергії ґрунтується на невпорядкованому (хаотичному) русі частинок.

Чим сильніше розігрівається тіло, тим швидше рухатимуться його молекули. Рух частинок стане ще безладнішим. Поряд із цим усі знають, що порядок можна легко перетворити на хаос, який дуже важко впорядкувати.

Щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків з обох боків поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тиску досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.

Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ (див. § 3.11), який виконує роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через Т 1 . Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пари в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння та газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива всередині самого двигуна. Температуру Т 1 називають температурою нагрівача.

Роль холодильника

У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т 2 . Ця температура не може бути нижче температури навколишнього середовища, оскільки в іншому випадку тиск газу стане меншим за атмосферний і двигун не зможе працювати. Зазвичай температура Т 2 трохи більше температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є ​​атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження та конденсації відпрацьованої пари – конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути дещо нижчою за температуру атмосфери.

Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина енергії неминуче передається атмосфері (холодильнику) разом із відпрацьованим парою чи вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін. Ця частина внутрішньої енергії безповоротно губиться. Саме про це і говорить другий закон термодинаміки у формулюванні Кельвіна.

Принципова схема теплового двигуна зображено малюнку 5.15. Робоче тіло двигуна отримує при згорянні палива кількість теплоти Q 1 , здійснює роботу А"та передає холодильнику кількість теплоти | Q 2 | <| Q 1 |.

ККД теплового двигуна

Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює

(5.11.1)

де Q 1 - кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q 2 - кількість теплоти, віддана холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А",скоєної двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

(5.11.2)

У парової турбіни нагрівачем є паровий котел, а двигуни внутрішнього згоряння - самі продукти згоряння палива.

Так як у всіх двигунів деяка кількість теплоти передається холодильнику, то η< 1.

Застосування теплових двигунів

Найбільше значення має використання теплових двигунів (в основному потужних парових турбін) на теплових електростанціях, де вони надають руху ротори генераторів електричного струму. Близько 80% всієї електроенергії нашій країні виробляється теплових електростанціях.

Теплові двигуни (парові турбіни) встановлюють також атомних електростанціях. На цих станціях для одержання пари високої температури використовується енергія атомних ядер.

На всіх основних видах сучасного транспорту використовуються теплові двигуни. На автомобілях застосовують поршневі двигуни внутрішнього згоряння із зовнішнім утворенням горючої суміші (карбюраторні двигуни) та двигуни з утворенням горючої суміші безпосередньо всередині циліндрів (дизелі). Ці ж двигуни встановлюються на тракторах.

На залізничному транспорті до середини ХХ ст. основним двигуном була парова машина. Тепер же головним чином використовують тепловози з дизельними установками та електровози. Але й електровози одержують енергію від теплових двигунів електростанцій.

На водному транспорті використовуються як двигуни внутрішнього згоряння, і потужні турбіни для великих суден.

В авіації на легких літаках встановлюють поршневі двигуни, а на величезних лайнерах - турбогвинтові та реактивні двигуни, які також належать до теплових двигунів. Реактивні двигуни використовуються і на космічних ракетах.

Без теплових двигунів сучасна цивілізація немислима. Ми не мали б дешевої електроенергії і були б позбавлені всіх видів сучасного швидкісного транспорту.

Темою поточного уроку буде розгляд процесів, що відбуваються у цілком конкретних, а не абстрактних, як у попередніх уроках, пристроях – теплових двигунах. Ми дамо визначення таким машинам, опишемо їх основні складові та принцип дії. Також під час цього уроку буде розглянуто питання про знаходження ККД – коефіцієнта корисної дії теплових машин, як реального, так і максимально можливого.

Тема: Основи термодинаміки
Урок: Принцип дії теплового двигуна

Темою минулого уроку був перший закон термодинаміки, який задавав зв'язок між деякою кількістю теплоти, яка була передана порції газу, та роботою, яку здійснював цей газ при розширенні. І тепер настав час сказати, що ця формула викликає інтерес не тільки при деяких теоретичних розрахунках, а й у цілком практичному застосуванні, адже робота газу є не що інше, як корисна робота, яку ми вилучаємо при використанні теплових двигунів.

Визначення. Тепловий двигун- пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну роботу (рис. 1).

Мал. 1. Різні приклади теплових двигунів (), ()

Як видно з малюнка, тепловими двигунами є будь-які пристрої, що працюють за вищевказаним принципом, і вони варіюються від неймовірно простих до складних по конструкції.

Усі без винятку теплові двигуни функціонально поділяються на три складові (див. рис. 2):

• Нагрівач
• Робоче тіло
• Холодильник

Мал. 2. Функціональна схема теплового двигуна ()

Нагрівачем є процес згоряння палива, яке при згорянні передає велику кількість теплоти газу, нагріваючи той до високих температур. Гарячий газ, який є робочим тілом, внаслідок підвищення температури, а отже, і тиску, розширюється, роблячи роботу . Звичайно ж, так як завжди існує теплопередача з корпусом двигуна, навколишнім повітрям і т. д., робота не буде чисельно дорівнювати переданої теплоті - частина енергії йде на холодильник, яким, як правило, є навколишнє середовище.

Найпростіше можна уявити процес, що відбувається в простому циліндрі під рухомим поршнем (наприклад, циліндр двигуна внутрішнього згоряння). Звичайно, щоб двигун працював і в ньому був сенс, процес повинен відбуватися циклічно, а не разово. Тобто після кожного розширення газ має повертатись у початкове положення (рис. 3).

Мал. 3. Приклад циклічної роботи теплового двигуна ()

Для того, щоб газ повертався в початкове положення, над ним необхідно виконати якусь роботу (робота зовнішніх сил). А оскільки робота газу дорівнює роботі над газом з протилежним знаком, щоб за весь цикл газ виконав сумарно позитивну роботу (інакше в двигуні не було б сенсу), необхідно, щоб робота зовнішніх сил була меншою за роботу газу. Тобто графік циклічного процесу в координатах P-V повинен мати вигляд: замкнутий контур з обходом за годинниковою стрілкою. За цієї умови робота газу (на тій ділянці графіка, де обсяг зростає) більше роботи над газом (на тій ділянці, де об'єм зменшується) (рис. 4).

Мал. 4. Приклад графіка процесу, що протікає в тепловому двигуні

Раз ми говоримо про якийсь механізм, обов'язково треба сказати, яким є його ККД.

Визначення. ККД (Коефіцієнт корисної дії) теплового двигуна- Відношення корисної роботи, виконаної робочим тілом, до кількості теплоти, переданої тілу від нагрівача.

Якщо ж врахувати збереження енергії: енергія, що відійшла від нагрівача, нікуди не зникає - частина відводиться у вигляді роботи, решта приходить на холодильник:

Отримуємо:

Це вираз для ККД у частинах, за необхідності отримати значення ККД у відсотках необхідно помножити отримане число на 100. ККД у системі виміру СІ - безрозмірна величина і, як видно з формули, не може бути більше одного (або 100).

Слід також сказати, що цей вираз називається реальним ККД або ККД реальної теплової машини (теплового двигуна). Якщо ж припустити, що нам якимось чином вдасться повністю позбутися недоліків конструкції двигуна, ми отримаємо ідеальний двигун, і його ККД буде обчислюватися за формулою ККД ідеальної теплової машини. Цю формулу отримав французький інженер Саді Карно (рис. 5):