Раэдел 1.Молекулярная физика.
Тема 1.2.3. Принцип действия тепловых машин. Тепловые двигатели.КПД тепловых двигателей.
Экологические проблемы использования тепловых машин
Решение задач по теме: «КПД тепловых двигателей »
План
1. Принцип действия тепловых машин.
2. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей.
3. Экологические проблемы использования тепловых машин.
4. Решение задач по теме: «КПД тепловых двигателей
Принцип действия тепловых машин.
Тепловые машины освободили человека от тяжелого физического труда в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Они выполняют работу в сотни и тысячи раз больше той, которую мог бы выполнить человек без машин, способствуя повышению материального благосостояния человека.Основное назначение большинства применяемых в современной технике тепловых машин заключается в превращении внутренней энергии топлива в механическую энергию. Механическая энергия далее может превращаться в электрическую энергию и любые другие виды энергии.
Основные части тепловой машины. Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической работы A' за счет количества теплоты Q, полученного при сжигании топлива. Обычно в тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называется рабочим телом. Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары.Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q, называется нагревателем.
Тепловые двигатели.Кпд тепловых двигателей.
Рассмотрим упрощенную модель тепловой машины, состоящую из цилиндра, заполненного воздухом, и поршня .
Рис. 1. Модель тепловой машины.
Поместим на поршень тело массой m, предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специальные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня). Расположим под цилиндром на греватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем остается неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры T2 давление не достигнет значения p2, при котором вес поршня с грузом mg и сила атмосферного давления, равная p1S, уравниваются с силой давления газа на поршень p2S. Этому процессу на диаграмме p, V соответствует изохора АВ .
Рис. 2. Диаграмма работы тепловой машины.
При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза на высоту h объем газа в цилиндре увеличивается от V1 до V2, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения T3. Этому процессу на диаграмме p, V соответствует изобара ВС.
Когда поршень коснется ограничителя в верхней части цилиндра, снимем груз и прекратим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при температуре T3 до объема V1, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы за счет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины. Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давлении p1, меньшем p2, и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемая холодильником.
Рабочий цикл тепловой машины. Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет значения p1 при температуре T4. Этому процессу на диаграмме соответствует изохора CD.
Для возвращения газа в исходное состояние, характеризуемое давлением p1, объемом V1 и температурой T1, необходимо продолжить его охлаждение до температуры T1. Этому процессу соответствует изобара DA. Процессы, в результате совершения которых газ возвращается в исходное состояние, называют круговыми или циклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, образующих на диаграмме p, V прямоугольник ABCD.
Работа тепловой машины за цикл. Покажем, что полезная работа, произведенная машиной в результате совершения рабочего цикла, пропорциональна площади цикла на диаграмме p, V. Если при работе тепловой машины изменение состояния рабочего тела происходит по замкнутому циклу, то полезную работу за один цикл можно найти как сумму работ при расширении и при сжатии газа. Пусть изменение состояния газа за цикл представлено диаграммой в координатных осях p, V . Работа газа при расширении положительна и пропорциональна площади фигуры ABCDE. Работа газа при сжатии отрицательна и пропорциональна площади фигуры ABC'DE. Поэтому полная работа газа, равная сумме работ при расширении и сжатии, оказывается пропорциональной площади фигуры BCDC'B цикла на диаграмме в координатных осях p, V.
Рис. 3. Диаграмма работы тепловой машины за цикл