Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

ДЕПАРТАМЕНТ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЕМЕРОВСКОЙ ОБЛАСТИ

Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Кемеровский профессионально-технический техникум

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Подготовил: студент группы ОПУ-141

Корнатовская Ольга

Под руководством: преподавателя физики

Барсукова Юлия Николаевна

г. Кемерово 2015 г.

Работа, совершаемая двигателем. Совершение механической работы в современных машинах и механизмах в основном происходит за счет внут­ренней энергии веществ. Примером такого меха­низма может служить тепловой двигатель.

Тепловой двигатель — устройство, преобра­зующее внутреннюю энергию топлива в ме­ханическую энергию.

Невозможно представить себе современную цивилизацию без тепловых двигателей.

Механическая работа в двигателе совершает­ся при расширении рабочего вещества, переме­щающего поршень в цилиндре. Для цикличной, непрерывной работы двигателя необходимо воз­вращение поршня в первоначальное положение, г. е. сжатие рабочего вещества. Легко сжимае­мым является вещество в газообразном состоя­нии, поэтому в качестве рабочего вещества в тепловых двигателях используется газ или пар. Работа теплового двигателя состоит из периодиче­ски повторяющихся процессов расширения и жития газа. Сжатие газа не может быть самопроизвольным, оно происходит только под действием и внешней силы, например за счет энергии, запасенной маховиком двигателя при расширении газа.

Полная механическая работа А складывается из работы расширения газа А_расш и работы А_сж, со­вершаемой силами давления газа при его сжатии. Так как при сжатии ΔV 0, то А_сж = — 0, по­этому —

Для получения положительной полной меха­нической работы (А 0) необходимо, чтобы рабо­та сжатия газа была меньше работы расширения.

Тогда

Изменение объема ΔV газа при расширении и сжатии должно быть одинаковым из-за циклич­ности работы двигателя. Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расшире­нии. При одном и том же объеме давление газа тем меньше, чем ниже его температура, поэтому перед сжатием газ должен быть охлаж­ден, т. е. приведен в контакт с холодильником — телом, имеющий более низкую температуру. Для получения механической работы в тепловом дви­гателе при циклическом процессе расширение га­за должно происходить при более высокой темпе­ратуре, чем сжатие.

Необходимое условие для циклического полу­чения механической работы в тепловом двига­теле — наличие нагревателя и холодильника.

КПД замкнутого цикла. Для непрерывного совершения механической работы термодинами­ческий цикл должен быть замкнутым.

Замкнутый процесс (цикл) — совокуп­ность термодинамических процессов, в ре­зультате которых система возвращается в исходное состояние.

Замкнутые (круговые) процессы используют­ся при работе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин, холодильных машин. Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в меха­ническую работу, совершаемую за цикл, вводится коэффициент полезного действия.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) — отношение работы, со­вершаемой двигателем за цикл, к количест­ву теплоты, полученному от нагревателя: В циклическом тепловом двигателе нельзя пре­образовать в механическую работу все количество теплоты Q₁, получаемое от нагревателя. Некото­рое количество теплоты |Q₂| отдается холодильни­ку, поэтому работа, совершаемая двигателем за цикл, не может быть больше

Учитывая полученное равенство, выражение для КПД можно записать в виде Используя данное соотношение, можно найти максимальное значение КПД тепловых двигате­лей, соответствующее циклу Карно.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы.

Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника, т. е. при Q₂ = 0.

Цикл Карно. Французский инженер Сади Карно, выясняя, при каком замкнутом процессе теп­ловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из двух изотермических и двух адиабатных процессов. Вы­бор именно этих процессов обусловлен тем, что ра­бота газа при изотермическом расширении соверша­ется за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, ис­ключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный (из всех возможных) цикл, имеющий максимальный КПД.

Рассмотрим последовательно термодинамиче­ские процессы этого цикла (рис. 1). В процессе изотермического расширения (1—2) при темпера­туре Т₁ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подведения к газу количества теплоты Q₁:

A₁₂ = Q₁.

Охлаждение газа (перед сжатием 3—4) проис­ходит при адиабатном расширении 2—3. Все изме­нение внутренней энергии ΔU₂₃ при таком процес­се (Q = 0) преобразуется в механическую работу:

A₂₃ = -ΔU₂₃.

Температура газа в результате адиабатного рас­ширения 2—3 понижается до температуры холо­дильника Т_{2 1}. В процессе 3—4 газ изотерми­чески сжимается, передавая холодильнику коли­чество теплоты Q₂: