Какие три составные части обязательно входят в состав тепловой машины
Естествознание. Базовый уровень. 11 класс (6 стр.)
1. Какие три составные части обязательно входят в состав тепловой машины?
2. В чём заключается значение исследований Джоуля?
3. Кто обосновал и сформулировал закон сохранения энергии?
Прочитайте эпиграф к параграфу. Почему, по мнению Вальтера Нернста, карпы «находятся в термодинамическом равновесии с окружающей средой»? Каких ещё животных мог бы разводить автор третьего начала термодинамики, чтобы не «обогревать на свои деньги мировое пространство»?
§ 6 Законы термодинамики
Термодинамика строится на нескольких основных законах, называемых началами термодинамики. Из трёх существующих начал термодинамики мы познакомимся с двумя. Первое начало термодинамики представляет собой по существу уже известный нам закон сохранения энергии. Сегодня понятие энергии прочно вошло в нашу жизнь, и нам очень трудно представить, какие интеллектуальные усилия потребовались создателям термодинамики для того, чтобы сформулировать это понятие. Впрочем, тему сохранения энергии мы уже обсуждали раньше и не будем к ней возвращаться, а сосредоточим своё внимание на вопросе свободной и связанной энергии.
Эти понятия рассматривают в связи со вторым началом термодинамики, которое определяет необратимость происходящих в природе естественных процессов. Второе начало имеет много формулировок, одной из которых, самой простой и доступной пониманию, является формулировка, предложенная Р. Клаузиусом: «Невозможен самопроизвольный переход теплоты от менее нагретого тела к более нагретому». Проявление этого закона в повседневной жизни достаточно очевидно. Если поставить на стол чайник с кипятком, то вода в нём будет остывать, отдавая тепло окружающему воздуху, который при этом будет немного нагреваться. Передача теплоты будет продолжаться до тех пор, пока температуры воды в чайнике и воздуха в комнате не сравняются, после чего теплообмен прекратится. Однако невозможно представить, чтобы вода в чайнике закипела только за счёт того, что окружающий воздух немного охладился. При этом второе начало не утверждает, что переход теплоты от более холодного тела к более нагретому вообще невозможен, оно говорит только о том, что этот процесс не может происходить самопроизвольно. Возьмём обычный домашний холодильник. Его работа заключается именно в том, что он забирает теплоту из внутренней камеры и отдаёт её более тёплому окружающему воздуху. Но для того, чтобы это сделать, он должен получать энергию из внешнего источника – электрической сети. Перестаньте подавать в холодильник электроэнергию, и, как бы ни хороша была его теплоизоляция, рано или поздно температура в его камере сравняется с температурой воздуха в комнате.
Представим себе, что существует тепловая машина, состоящая из нагревателя, холодильника и рабочего тела. Машина является изолированной системой, т. е. ниоткуда не получает энергию и не отдаёт её внешней среде. Теплота переходит от нагревателя к холодильнику, заставляя рабочее тело совершать работу. Но в процессе этой работы количество теплоты в нагревателе, а следовательно, и его температура уменьшаются, а в холодильнике соответственно увеличиваются. Когда они сравняются, теплообмен прекратится, и работа в машине станет невозможна. Куда израсходовалась энергия, с помощью которой совершалась работа? Поскольку система изолирована, она никуда не могла исчезнуть, её количество осталось прежним, но она перешла из свободного состояния в связанное. Почему так получилось?
Рис. 13. Тепловая электростанция
Потому что в системе исчезла разница температур. Средняя кинетическая энергия молекул рабочего тела осталась прежней, но, поскольку температуры нагревателя и холодильника сравнялись, в движении молекул исчезла всякая направленность, оно стало беспорядочным, хаотичным. А между хаотичностью движения молекул и связанностью энергии существует прямая связь. Для того чтобы обладать свободной энергией, молекулы должны двигаться преимущественно в одном направлении, а для этого между частями системы должно существовать какое-либо различие. Чем больше это различие, тем эффективнее работает машина. При любом процессе часть свободной энергии передаётся окружающим молекулам и вызывает их хаотическое тепловое движение. Поэтому вся имеющаяся в машине свободная энергия не может быть превращена в полезную работу – часть её перейдёт в беспорядочное движение молекул и будет навсегда потеряна для практических целей. Степень этой потери определяется коэффициентом полезного действия (КПД) машины, который выражает отношение полезной работы к затраченной энергии. Этот коэффициент, даже теоретически, в идеальных машинах, не может достичь 100 %, а в реально существующих механизмах он значительно меньше. Так, КПД современных тепловых электростанций и двигателей внутреннего сгорания не превышает 50 % (рис. 13). В самых эффективных из существующих двигателей – мощных динамомашинах (генераторах), где электрическая энергия производится непосредственно из механической и где почти не происходит тепловых потерь, КПД может достигать 95 % (рис. 14).
Поэтому второе начало термодинамики в формулировке Кельвина выглядит так: «Невозможен процесс, единственный результат которого состоял бы в поглощении теплоты от нагревателя и полного преобразования этой теплоты в работу».
Рис. 14. Генератор постоянного тока (Музей электрических станций. Джорджтаун, Вашингтон) (автор фото Дж. Мейбл)
Теплоту невозможно просто отобрать у нагревателя, какое-то её количество надо обязательно передать холодильнику. А это значит, что холодильник должен получить свою долю энергии и именно на эту долю энергии уменьшится совершаемая работа. Из этого ни в коем случае не следует, что невозможен обратный процесс – полное преобразование других видов энергии в теплоту. При торможении автомобиля его кинетическая энергия полностью переходит в теплоту, что проявляется в нагревании покрышек, тормозных колодок и дороги при скольжении на тормозном пути. Однако заставить автомобиль двигаться, охладив все эти разогретые предметы, невозможно. Процесс рассеивания энергии протекает только в одном направлении. Таким образом, второе начало термодинамики утверждает, что в природе существует фундаментальная асимметрия: все природные процессы приводят к увеличению теплового движения молекул, т. е. к постепенному переходу энергии из свободного состояния в связанное. Обратный самопроизвольный процесс невозможен, и, для того чтобы увеличить в системе запас свободной энергии, требуется подвести её откуда-либо извне, допустим, из некой системы X, т. е. совершить над нашей системой работу. Однако в процессе извлечения работы из системы Х часть её свободной энергии превратится в энергию хаотического движения молекул, т. е. опять станет связанной энергией. В результате суммарная свободная энергия нашей системы и системы Х уменьшится, а их общая связанная энергия возрастёт. Мы можем добавлять последовательно новые источники свободной энергии – «систему Y», «систему Z» и т. д. – результат будет тот же: суммарная свободная энергия этих систем будет уменьшаться, а их связанная энергия – возрастать. Поэтому можно сказать, что второе начало термодинамики утверждает, что все природные процессы постепенно переходят из упорядоченного состояния к хаотическому.
Если первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, запрещает существование вечных двигателей первого рода, то второе – доказывает невозможность существования вечных двигателей второго рода. Идея вечных двигателей второго рода строится на том, чтобы забирать теплоту у холодных объектов и с её помощью согревать более тёплые объекты. Например, почему бы не отапливать дома, отнимая какое-то количество теплоты у атмосферы? Температура воздуха на улице при этом снизится на доли градуса, зато в жилище станет заметно теплее. Почему не использовать теплоту, содержащуюся в Мировом океане? При его огромных размерах можно будет снабжать всё человечество теплом, снизив температуру воды всего на несколько десятых градуса. Закону сохранения энергии такие идеи не противоречат: общее количество энергии останется постоянным, мы просто переведём часть связанной энергии в свободную. Ведь если бы удалось запустить такой процесс, то потом можно было бы пустить его в обратном порядке, используя нагретый в доме воздух в качестве нагревателя, а остуженный воздух атмосферы – в качестве холодильника. При этом мы могли бы получить работу, как это и делается во всех тепловых машинах. Когда же температуры внутри и снаружи вернутся к своим первоначальным значениям, мы снова начнём откачивать тепло из холодной атмосферы, затем будем бесконечно повторять этот процесс, получая работу «из ничего». Однако все эти проекты потерпели неудачу, так как наталкивались на непреодолимость второго начала термодинамики, согласно которому свободная энергия не может увеличиваться исключительно за счёт уменьшения связанной.
Принцип работы теплового двигателя
Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.
Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:
1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема
Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.
Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.
Особенности теплового двигателя
Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.
Алгоритм действия
Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.
Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.
Изменения температур
У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.
Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Некоторые факты
Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.
КПД тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Изобретение тепловой машины
Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.
Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.
Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.
Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.
Двигатель внутреннего сгорания
Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.
На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.
Принципы действия тепловых машин
КПД тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Как работают тепловые двигатели
Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.
Инструкция
Видео по теме
Как устроены и как работают тепловые двигатели
Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?
Понятие и виды тепловых двигателей
Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.
Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.
Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).
Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.
Структурная схема работы теплового двигателя
Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.
В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.
Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.
Физика. 10 класс
Конспект урока
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;
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).
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.
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 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.
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания 
Q2 – 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 Т1, и холодильником с температурой Т2, 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
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%?
Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:
Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:
Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:
Учитывая всё это, мы можем записать:
Время работы двигателя можно найти по формуле:
Из формулы КПД выразим среднюю мощность:
.
Подставим числовые значения величин:
После вычислений получаем, что N=60375 Вт.
2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?
Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.
= 
– это количество теплоты, отданное холодильнику