Принцип дії і ККД теплових двигунів. Фізика. 10 клас.

1. Коментарі викладача Принцип дії теплового двигуна Темою минулого уроку був перший закон термодинаміки,...

Коментарі викладача

Принцип дії теплового двигуна

Темою минулого уроку був перший закон термодинаміки, який ставив зв'язок між деякою кількістю теплоти, яке було передано порції газу, і роботою, яку здійснюють цим газом при розширенні. І тепер настав час сказати, що ця формула викликає інтерес не тільки при деяких теоретичних розрахунках, а й у цілком практичне застосування, адже робота газу є не що інше як корисна робота, яку ми здобуваємо при використанні теплових двигунів.

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

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

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

Всі без винятку теплові двигуни функціонально діляться на три складові (див. Рис. 2):

• нагрівач
• робоче тіло
• холодильник

Мал. 2. Функціональна схема теплового двигуна ( джерело )

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

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

Мал. 3. Приклад циклічної роботи теплового двигуна ( джерело )

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

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

Раз ми говоримо про якийсь механізм, обов'язково потрібно сказати, який його ККД.

У сучасній техніці широко застосовують інший тип теплового двигуна. У ньому пар або нагріте до високої температури газ обертає вал двигуна без допомоги поршня, шатуна і колінчастого вала. Такі двигуни називають турбінами.

Ротор парової турбіни

Схема пристрою найпростішої парової турбіни приведена на малюнку 28. На вал 5 насаджений диск 4, по обіду якого закріплені лопатки 2. Близько лопаток розташовані труби - сопла 1, в які надходить пар 3 з котла. Струмені пари, що вириваються з сопел, роблять значний тиск на лопатки і призводять диск турбіни в швидке обертальний рух.

Схема парової турбіни

У сучасних турбінах застосовують не один, а кілька дисків, насаджених на загальний вал. Пар послідовно проходить через лопатки всіх дисків, віддаючи кожному з них частину своєї енергії.

На електростанціях з турбіною з'єднаний генератор електричного струму. Частота обертання валу турбін досягає 3000 оборотів в хвилину, що є дуже зручним для приведення в рух генераторів електричного струму.

У нашій країні будують парові турбіни потужністю від декількох кіловат до 1 200 000 кВт.

Застосовують турбіни на теплових електростанціях і на кораблях.

Поступово знаходять все більш широке застосування газові турбіни, в яких замість пара використовуються продукти згоряння газу.

Будь теплової двигун перетворює в механічну енергію тільки незначну частину енергії, яка виділяється паливом. Велика частина енергії палива не використовується корисно, а втрачається в навколишньому просторі.

Тепловий двигун складається з нагрівача, робочого тіла і холодильника. Газ або пар, який є робочим тілом, отримує від нагрівача деяку кількість теплоти. Робоче тіло, нагріваючись, розширюється і робить роботу за рахунок своєї внутрішньої енергії. Частина енергії передається атмосфері - холодильника - разом з відпрацьованою парою або вихлопними газами.

Дуже важливо знати, яку частину енергії, що виділяється паливом, теплової двигун перетворює в корисну роботу. Чим більше ця частина енергії, тим двигун економічніше.

Для характеристики економічності різних двигунів введено поняття коефіцієнта корисної дії двигуна - ККД.

Ставлення досконалої корисної роботи двигуна до енергії, отриманої від нагрівача, називають коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна.

Коефіцієнт корисної дії позначають η (грец. Буква «ця»).

ККД теплового двигуна визначають за формулою

де Ап - корисна робота, Q1 - кількість теплоти, отримана від нагрівача, Q2 - кількість теплоти, віддане холодильника, Q1 - Q2 - кількість теплоти, яке пішло на здійснення роботи. ККД виражається у відсотках.

Наприклад, двигун з усієї енергії, що виділилася при згоранні палива, витрачає на вчинення корисної роботи тільки одну четверту частину. Тоді коефіцієнт корисної дії двигуна дорівнює ¼, або 25%.

ККД двигуна зазвичай виражають у відсотках. Він завжди менше одиниці, т. Е. Менше 100%. Наприклад, ККД двигунів внутрішнього згоряння 20-40%, парових турбін - трохи вище 30%.

Домашня робота

Завдання 1. Відповісти на питання.

1. Які теплові двигуни називають паровими турбінами?
2. У чому відмінність в пристрої турбін і поршневих машин?
3. З яких частин складається парова турбіна і як вона працює?
4. Чому в теплових двигунах тільки частина енергії палива перетворюється в механічну енергію?
5. Що називають ККД теплового двигуна?
6. Чому ККД двигуна не може бути не тільки більше 100%, але і дорівнює 100%?

Завдання 2. Вирішити завдання.
☝ При рівномірному переміщенні вантажу масою 30 кг по похилій площині була прикладена сила 80 Н. Обчисли ККД площині, якщо її довжина 3,6 м, а висота - 60 см.
��� Яка довжина похилій площині, якщо при переміщенні вантажу масою 1 кг була прикладена сила 5 Н? Висота похилій площині 0,2 м, а ККД 80%.
☝ Вантаж масою 300 кг підняли за допомогою важеля на висоту 0,5 м. При цьому до довгого плеча важеля була прикладена сила 500 Н, а точка прикладання сили опустилася на 4 м. Обчисліть ККД важеля.
��� Яка сила була прикладена до довгого плеча важеля з ККД 40%, якщо вантаж масою 100 кг був піднятий на висоту 10 см, а довге плече важеля опустилося на 50 см?

ЦІКАВО

1. Потужні механізми призводять в рух не паровими поршневими машинами, а паровими турбінами. Адже поршневі машини при тій же потужності мають великі розміри і вага і менший ККД. У ряді випадків це технічно незручно і економічно невигідно.

2. Щоб підняти ККД парового двигуна стінки парового котла краще робити із заліза або міді.
Ці метали поліпшать теплопровідність котла і цим піднімуть його ККД. До речі, шар накипу погіршує теплопровідність котла і призводить до появи на ньому тріщин і, врешті-решт, до псування котла, тому-то так необхідно очищати котел від накипу.

До заняття прикріплений файл «Винахід і поширення парових турбін.». Ви можете завантажити файл в будь-який зручний для вас час.

Використані джерела:

• http://interneturok.ru/ru/school/physics/10-klass/
• http://www.youtube.com/watch?v=AMFRpRQnMRM
• http://www.youtube.com/watch?v=iDDGCf9eyes
• http://www.youtube.com/watch?v=Ny2YDArHerY
• http://www.youtube.com/watch?v=G3RtYsmE_Jw