Тепловой двигатель

<

081714 2058 1 Тепловой двигатель Тепловой двигатель — паровой двигатель, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель или иное устройство, позволяющее превращать внутреннюю энергию в механическую в процессе перехода теплоты от более нагретых тел более холодным.

Тепловой двигатель работает по прямому циклу и состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.

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.

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.

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

 

081714 2058 2 Тепловой двигатель

081714 2058 3 Тепловой двигательКоэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1).

В применяемых в технике двигателях используются различные круговые процессы.

Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия КПД. Поскольку в тепловом двигателе совершенная работа есть разница между теплотой, полученной от нагревателя и теплотой, отданной охладителю, то:

h=(Q1-Q2)/Q1,

<

где Q1 — теплота, полученная рабочим веществом от нагревателя, Q2 — теплота, отданная рабочим веществом охладителю.

В 1824 году француз Сади Карно решил общую задачу об определении КПД любой тепловой машины, использующей произвольный цикл. Конкретный цикл, проанализированный Карно и названный его именем, выглядит следующим образом.

081714 2058 4 Тепловой двигательИдеальный газ находится в цилиндре, закрытом поршнем. На первом этапе металлическая стенка цилиндра приводится в контакт с нагревателем. Поршню разрешается передвигаться настолько медленно, чтобы температура газа равнялась температуре нагревателя Т1. Это изотермический процесс (рис. а). Полученное тепло Q1 превращается в работу A1, равную площади под графиком.

081714 2058 5 Тепловой двигательНа втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A2 (заштрихованная площадь на рис. б). Поскольку притока тепла нет, работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела (газа) и его температура снижается от Т1 до Т2.

Далее, для того, чтобы выдвинутый поршень вернуть в первоначальное положение, на третьем этапе цилиндр вводится в контакт с находящимся при низкой температуре радиатором. Количество отданной теплоты Q2 будет равно совершенной над поршнем работе А3 (заштрихованная площадь на рис. в). Газ при этом будет изотермически сжиматься при температуре Т2.

Последняя стадия — вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А4, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т2 до Т1 (рис. г).

081714 2058 6 Тепловой двигатель      081714 2058 7 Тепловой двигатель

Итак, общая полезная работа

А=А1234.

По закону сохранения энергии, А=Q1-Q2 Можно доказать, что для цикла Карно КПД определяется следующим образом:

h=(T1-T2)/T1,

То есть он будет приближаться к единице, если температура холодильника T2 будет стремиться к абсолютному нулю.

Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу.

  По роду топлива Д. в. с. разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые. По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха — на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием. К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В Д. в. с. с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой. В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры.

  Газовые Д. в. с. работают большей частью па природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива. Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта.

Максимальный эффективный кпд наиболее совершенных Д. в. с. около 44%.

  Основным преимуществом Д. в. с., так же как и др. тепловых двигателей (например, реактивных двигателей), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные Д. в. с., могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение Д. в. с. на транспортных средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.).

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

  1. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Курс физики. М., 2008.
  2. Мустафаев Р.А., Кривцов В.Г. Физика. М., 2006.

 

 

 


 

<

Комментирование закрыто.

WordPress: 21.47MB | MySQL:115 | 1,627sec