Что такое тепловой двигатель
Перейти к содержимому

Что такое тепловой двигатель

  • автор:

Физика. 10 класс

§ 15. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Люди давно заметили, что при совершении механической работы внутренняя энергия тел может изменяться, и научились это использовать. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больший промежуток времени понадобился человечеству, чтобы научиться использовать убыль внутренней энергии тел для совершения механической работы. Только во второй половине ХVIII в., сравнительно недавно по историческим меркам, появились первые практически полезные универсальные устройства для осуществления этой цели — паровые машины. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых убыль внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.

Необратимость процессов в природе. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. Как вы не раз убеждались на практике, всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай–ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой во всех частях системы.

Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г., о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, получило название второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым.

Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Интересно знать

В холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника.

Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно использование изменения не только объёма, но и формы рабочего тела, как это делается в твёрдотельных двигателях, где в качестве рабочего тела используется вещество в твёрдой фазе.) Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие топлива. Это возможно при нагревании рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем и охладителем.

История

Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι ?) веке н. эры в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени (например, тогда ещё не был изобретён подшипник).

Теория

Работа, совершаемая двигателем, равна:

 A = \left|Q_H\right| - \left|Q_X\right| , где:

  • Q_H— количество теплоты, полученное от нагревателя,
  • Q_X— количество теплоты, отданное охладителю.

 \eta = \frac<\left|Q_H\right| - \left|Q_X\right|></p>
<p><b>Коэффициент полезного действия</b> (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:  <\left|Q_H\right|>= 1 — \frac<\left|Q_X\right|> <\left|Q_H\right|>» width=»» height=»» /></p><div class='code-block code-block-4' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 4alcompany -->
<script src=

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя( T_H ) и холодильника( T_X ):

 \eta_K = <T_H - T_X \over T_H></p>
<p> = 1 — <T_X\over T_H>» width=»» height=»» /></p><div class='code-block code-block-5' style='margin: 8px 0; clear: both;'>
<!-- 5alcompany -->
<script src=

Типы тепловых двигателей

Двигатель Стирлинга

Дви́гатель Сти́рлинга — тепловая машина, в которой жидкое или газообразное рабочее тело движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочего тела с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, тепловой двигатель, в котором часть химической энергии топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую энергию. По роду топлива различают жидкостные и газовые; по рабочему циклу непрерывного действия, 2- и 4-тактные; по способу приготовления горючей смеси с внешним (напр., карбюраторные) и внутренним (напр., дизели) смесеобразованием; по виду преобразователя энергии поршневые, турбинные, реактивные и комбинированные. Коэффициент полезного действия 0,4-0,5. Первый двигатель внутреннего сгорания сконструирован Э. Ленуаром в 1860. В наше время чаще встречается автомобильный транспорт, который работает на тепловом двигателе внутреннего сгорания, работающем на жидком топливе. Рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, за четыре такта. Поэтому такой двигатель и называется четырёхтактным. Цикл двигателя состоит из следующих четырёх тактов: 1.впуск, 2.сжатие, 3.рабочий ход, 4.выпуск.

Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия. Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско-ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту не приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще. Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания

Примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно-реактивные двигатели.

Реактивные и ракетные двигатели

Твёрдотельные двигатели

(источник журнал “Техника молодёжи“)== == Здесь в качестве рабочего тела используется твёрдое тело. Здесь изменяется не объём рабочего тела, а его форма. Позволяет использовать рекордно малый перепад температур.

  • Термодинамика
  • Двигатели
  • Тепловая машина

Wikimedia Foundation . 2010 .

Тепловой двигатель

cover image

Тепловой двигатель — тепловая машина, использующая теплоту от внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (в камере сгорания или цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) для преобразования в механическую энергию (поступательное движение либо вращение выходного вала).

В соответствии с законами термодинамики , такие двигатели имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, что означает неполное преобразование теплоты в механическую энергию. Смотря по конструкции двигателя, от 40 % до 80 процентов поступающей (или выделяющейся внутри) энергии покидает машину в виде низкотемпературной теплоты, которая в ряде случаев используется для обогрева салона (наземный транспорт — автомобили с водяным охлаждением двигателя и автобусы), жилых зданий и сооружений (для неподвижных стационарных двигателей или же для ТЭЦ и АТЭЦ), либо просто выбрасывается в окружающую среду (авиационные двигатели, маломощные двигатели мотоинструмента (бензопилы, газонокосилки, триммеры, путевые шуруповёрты, виброплиты, культиваторы, мотоблоки), двигатели мотоциклов, скутеров, мопедов, квадроциклов, гидроциклов, лодочных моторов, автомобилей с воздушным охлаждением (ЗАЗ-965, Volkswagen Beetle) и подобные, конденсационные электростанции, АЭС), возможна и тригенерация, как на газопоршневых электростанциях в комбинации с абсорбционной холодильной машиной. В таких случаях говорят о коэффициенте использования тепла топлива, который выше КПД самого двигателя [1] .

Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива, а также обусловленное этим загрязнение окружающей среды. Паросиловые установки (тепловые двигатели, работающие по циклу Ренкина), преобразующие теплоту атомного реактора (или использующие геотермальную энергию), термодинамические радиоизотопные генераторы (использующие двигатель Стирлинга или также цикл Ренкина, и получающие теплоту от радиоактивного источника, обладающего очень большой активностью) и солнечные электростанции термодинамического типа топлива не сжигают, остальные же зависят от имеющихся энергоносителей, которые во многих случаях транспортируются издалека. Совокупность имеющихся в государстве тепловых двигателей (преобразующих энергию для вторичных двигателей, обычно электрическую) мест добычи топлива и транспортной инфраструктуры для его транспортировки называется топливно-энергетическим комплексом. Тепловые двигатели являются первичными, в отличие от вторичных (электрические, гидромоторы, и другие, получающие энергию от первичных) [2] .

Oops something went wrong:

Тепловые двигатели: основные принципы работы и применение

Тепловые двигатели – это устройства, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу, и они находят широкое применение в различных сферах, от автомобильной промышленности до производства электроэнергии.

Тепловые двигатели: основные принципы работы и применение обновлено: 2 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Добро пожаловать на лекцию по тепловым двигателям! Сегодня мы будем изучать основные принципы работы и свойства этих устройств. Тепловые двигатели являются важной частью нашей современной технологии и находят широкое применение в различных областях, от автомобилей до энергетики. Давайте начнем и разберемся, как они работают и какие у них особенности!

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение тепловых двигателей

Тепловой двигатель – это устройство, которое преобразует тепловую энергию, полученную от сжигания топлива или других источников, в механическую работу. Он основан на принципе термодинамического цикла, в котором рабочее вещество подвергается последовательным процессам нагрева, расширения, охлаждения и сжатия.

Тепловые двигатели широко используются в различных областях, включая автомобильную промышленность, энергетику, производство и транспорт. Они являются основой для работы автомобильных двигателей, электростанций, паровых и газовых турбин, а также других механизмов, которые требуют преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Принцип работы тепловых двигателей

Тепловые двигатели работают на основе принципа термодинамического цикла, который включает несколько последовательных процессов. Основные компоненты теплового двигателя включают источник тепла, рабочее вещество, рабочий цилиндр и поршень.

Процесс нагрева

В начале цикла теплового двигателя, рабочее вещество (обычно газ или пар) находится в рабочем цилиндре и нагревается с помощью источника тепла, такого как сгорание топлива. В результате нагрева, температура и давление рабочего вещества увеличиваются.

Процесс расширения

После нагрева, рабочее вещество расширяется, что приводит к движению поршня внутри цилиндра. Это движение поршня создает механическую работу, которая может быть использована для привода механизмов или генерации электричества.

Процесс охлаждения

После расширения, рабочее вещество охлаждается, что приводит к снижению его температуры и давления. Этот процесс обычно осуществляется с помощью системы охлаждения, которая отводит избыточное тепло.

Процесс сжатия

После охлаждения, рабочее вещество сжимается обратно в исходное состояние, что приводит к возвращению поршня в исходное положение. Этот процесс требует затраты энергии и может быть осуществлен с помощью внешнего источника энергии, такого как электрический двигатель.

Таким образом, тепловые двигатели работают путем циклического преобразования тепловой энергии в механическую работу. Они являются важным компонентом многих систем и механизмов, которые используются в различных отраслях промышленности и транспорта.

Типы тепловых двигателей

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенным типом тепловых двигателей. Они работают на основе сгорания топлива внутри цилиндра, что приводит к расширению рабочего вещества и созданию механической работы. Примерами двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием (бензиновые двигатели) и двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением (дизельные двигатели).

Паровые двигатели

Паровые двигатели используют пар в качестве рабочего вещества. Они работают на основе нагрева воды до ее перехода в пар, который затем расширяется в цилиндре, создавая механическую работу. Паровые двигатели были широко использованы в прошлом, особенно в паровых машинах и паровых локомотивах, но сейчас их применение ограничено.

Газовые турбины

Газовые турбины работают на основе принципа расширения газа через турбину. Воздух или другой газ под высоким давлением поступает в турбину, где его энергия расширяется, вызывая вращение турбины. Это вращение может быть использовано для привода генератора электричества или других механизмов. Газовые турбины широко применяются в энергетике и авиации.

Паровые турбины

Паровые турбины работают на основе принципа расширения пара через турбину. Пар, полученный из нагревателя, поступает в турбину, где его энергия расширяется, вызывая вращение турбины. Паровые турбины широко используются в энергетике для привода генераторов электричества.

Это основные типы тепловых двигателей, которые используются в различных отраслях промышленности и транспорта. Каждый из них имеет свои особенности и применение в зависимости от конкретных требований и условий эксплуатации.

Основные свойства тепловых двигателей

Тепловые двигатели – это устройства, которые преобразуют тепловую энергию, полученную от сжигания топлива или других источников, в механическую работу. Они играют важную роль в различных отраслях промышленности и транспорта. Вот некоторые основные свойства тепловых двигателей:

КПД (Коэффициент полезного действия)

КПД теплового двигателя – это отношение механической работы, которую он выполняет, к количеству теплоты, которую он получает. Чем выше КПД, тем более эффективно используется тепловая энергия и тем меньше теплоты теряется в виде потерь.

Рабочий цикл

Рабочий цикл теплового двигателя – это последовательность процессов, которые происходят внутри двигателя для преобразования теплоты в работу. Он включает в себя такие процессы, как сжатие рабочего вещества, нагрев, расширение и охлаждение. Рабочий цикл может быть различным для разных типов тепловых двигателей.

Мощность

Мощность теплового двигателя – это количество работы, которую он может выполнить за определенное время. Она измеряется в ваттах или лошадиных силах. Мощность зависит от КПД двигателя и его скорости вращения.

Тепловая эффективность

Тепловая эффективность теплового двигателя – это отношение полезной работы, которую он выполняет, к количеству теплоты, которую он получает. Она показывает, насколько эффективно двигатель использует тепловую энергию. Чем выше тепловая эффективность, тем меньше теплоты теряется в виде потерь.

Максимальная температура

Максимальная температура, которую может выдержать тепловой двигатель, определяет его эффективность и производительность. Высокая максимальная температура позволяет более полно использовать тепловую энергию и повышает КПД двигателя.

Это основные свойства тепловых двигателей, которые определяют их работу и эффективность. Понимание этих свойств помогает в выборе и использовании тепловых двигателей в различных приложениях.

Применение тепловых двигателей

Тепловые двигатели широко применяются в различных отраслях промышленности и транспорта. Они обеспечивают преобразование тепловой энергии в механическую работу, что позволяет использовать их для различных целей. Вот некоторые области, где применяются тепловые двигатели:

Автомобильная промышленность

Тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания, являются основным источником энергии для автомобилей. Они преобразуют теплоту, полученную от сжигания топлива, в механическую работу, которая приводит в движение автомобиль. Также в автомобильной промышленности применяются турбины и турбокомпрессоры, которые увеличивают мощность двигателя.

Энергетика

Тепловые двигатели играют важную роль в производстве электроэнергии. Главным образом, это касается электростанций, работающих на основе сжигания угля, нефти или газа. Тепловая энергия, полученная от сжигания топлива, используется для нагрева воды и преобразования ее в пар, который затем приводит в движение турбину, связанную с генератором электроэнергии.

Морская и железнодорожная транспортировка

Тепловые двигатели также широко применяются в морской и железнодорожной транспортировке. Дизельные двигатели, работающие на основе сжигания дизельного топлива, используются в судах и поездах для привода движителей. Они обеспечивают надежную и эффективную работу в условиях длительных поездок.

Промышленность

В промышленности тепловые двигатели применяются для привода различных механизмов и оборудования. Они используются в насосах, компрессорах, генераторах и других устройствах, которые требуют механической работы. Также тепловые двигатели используются в процессах нагрева и охлаждения, например, в системах отопления и кондиционирования воздуха.

Аэрокосмическая промышленность

В аэрокосмической промышленности тепловые двигатели играют важную роль в приводе самолетов и ракет. Турбореактивные двигатели и ракетные двигатели используются для создания тяги и обеспечения полета. Они преобразуют теплоту, полученную от сжигания топлива, в высокоскоростной поток газов, который создает реактивную силу.

Это лишь некоторые примеры применения тепловых двигателей. Они являются неотъемлемой частью современной технологии и играют важную роль в различных отраслях промышленности и транспорта.

Таблица сравнения тепловых двигателей

Тип теплового двигателя Описание Принцип работы Преимущества Недостатки
Паровой двигатель Использует пару воды для преобразования тепловой энергии в механическую Пар, полученный от нагревания воды, расширяется в цилиндре, двигая поршень Высокая эффективность, возможность использования различных источников тепла Требует больших размеров и сложной системы управления
Дизельный двигатель Внутреннее сгорание топлива в цилиндре для преобразования тепловой энергии в механическую Топливо впрыскивается в цилиндр, где происходит самовозгорание и расширение газов Высокая мощность, эффективность и долговечность Высокая стоимость, высокий уровень шума и выбросов
Турбореактивный двигатель Использует сжатый воздух и топливо для создания тяги Воздух сжимается в компрессоре, смешивается с топливом и сгорает в камере сгорания, создавая высокоскоростные газы Высокая скорость и тяга, применяется в авиации Высокая стоимость, сложность конструкции и высокий расход топлива

Заключение

Тепловые двигатели являются важным элементом современной технологии и науки. Они преобразуют тепловую энергию в механическую работу, что позволяет использовать ее в различных областях, включая производство электроэнергии, автомобильную промышленность и другие. Понимание принципов работы и свойств тепловых двигателей помогает нам разрабатывать более эффективные и экологически чистые системы.

Тепловые двигатели: основные принципы работы и применение обновлено: 2 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *