Теплова машина: цикл, робота, ККД. Екологічні проблеми теплових машин. Яка вона - ідеальна теплова машина?
Потреба використання механічної енергії на виробництві призвело до появи теплових машин.
Пристрій теплових машин
Теплова машина (тепловий двигун) - пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічну.
Будь-яка теплова машина має нагрівач, робочетіло (газ або пар), яке в результаті нагрівання виконує роботу (приводить в обертання вал турбіни, рухає поршень і так далі) і холодильник. На малюнку нижче зображено схема теплового двигуна.
Основи дії теплових двигунів
Кожна теплова машина функціонує завдякидвигуну. Для виконання роботи йому потрібно, щоб по той і інший бік поршня двигуна або лопатей турбіни була різниця тисків. Досягається ця різниця у всіх теплових двигунах так: температура робочого тіла підвищується на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. У газових турбінах і в двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) відбувається підвищення температури за рахунок того, що паливо згорає всередині самого двигуна. Холодильником може виступати атмосфера або спеціального призначення пристрою для конденсації і охолодження відпрацьованого пара.
цикл Карно
Цикл (круговий процес) - сукупність змінстану газу, в результаті яких він повертається в початковий стан (може виконувати роботу). У 1824 році французький фізик Саді Карно показав, що вигідним є цикл теплової машини (цикл Карно), який складається з двох процесів - ізотермічного і адиабатного. На малюнку нижче зображено графік циклу Карно: 1-2 і 3-4 - ізотерми, 2-3 і 4-1 - адіабати.
Відповідно до закону збереження енергії робота теплових машин, яку виконує двигун, дорівнює:
А = Q1- Q2,
де Q1 - кількість теплоти, яке отримано від нагрівача, а Q2 - кількість теплоти, яке віддане холодильника.
ККД теплової машини називається відношення роботи А, яку виконує двигун, до кількості теплоти, яке отримано від нагрівача:
η = А / Q = (Q1- Q2) / Q1 = 1 - Q2/ Q1.
У роботі «Думки про рушійну силу вогню і про машини,які здатні розвивати цю силу »(1824) Карно описав теплову машину під назвою" ідеальна теплова машина з ідеальним газом, який представляє собою робоче тіло ". Завдяки законам термодинаміки можна обчислити ККД (максимально можливий) теплового двигуна з нагрівачем, який має температуру Т1, І холодильником з температурою Т2. Теплова машина Карно має ККД:
ηmax = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2/ T1.
Сади Карно довів, що яка завгодно теплова машина реальна, яка працює з нагрівачем з температурою Т1 і холодильником з температурою Т2 не здатна мати ККД, який би перевищував ККД теплової машини (ідеальною).
Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)
Чотиритактний ДВС складається з одного або декількох циліндрів, поршня, кривошипно-шатунного механізму, впускного і випускного клапанів, свічки.
Робочий цикл складається з чотирьох тактів:
1) засмоктування - горюча суміш потрапляє через клапан в циліндр;
2) стиснення - обидва клапана закриті;
3) робочий хід - вибухове згоряння горючої суміші;
4) вихлоп - випуск відпрацьованих газів в атмосферу.
Парова турбіна
У паровій турбіні перетворення енергії відбувається за рахунок різниці тисків водяної пари на вході і виході.
Потужності сучасних парових турбін сягає 1300 МВт.
Деякі технічні параметри парової турбіни потужністю 1200 МВт
- Тиск пара (свіжого) - 23,5 МПа.
- Температура пара - 540 ° С.
- Витрата пара турбіною - 3600 т / ч.
- Частота обертання ротора - 3000 об / хв.
- Тиск пара в конденсаторі - 3,6 кПа.
- Довжина турбіни - 47,9 м.
- Маса турбіни - 1900 т.
Теплова машина складається з повітряногокомпресора, камери згоряння і газової турбіни. Принцип роботи: повітря адіабатно засмоктується в компресор, тому його температура підвищується до 200 ° С і більше. Далі стиснене повітря потрапляє в камеру згоряння, куди одночасно під великим тиском надходить рідке паливо - гас, гас, мазут. При згорянні палива повітря нагрівається до температури 1500-2000 ° С, розширюється, і швидкість його руху зростає. Повітря рухається з великою швидкістю, і продукти згоряння спрямовуються в турбіну. Після переходу від щабля до щабля продукти згоряння віддають лопатей турбіни свою кінетичну енергію. Частина енергії, отриманої турбіною, йде на обертання компресора; решта витрачається на обертання ротора електрогенератора, гвинта літака або морського судна, коліс автомобіля.
Газову турбіну можна використовувати, крімобертання коліс автомобіля і гвинтів літака або теплохода, як реактивного двигуна. Повітря і продукти згоряння з великою швидкістю викидаються з газової турбіни, тому реактивна тяга, яка виникає при цьому процесі, може використовуватися для ходу повітряних (літак) і водних (теплохід) судів, залізничного транспорту. Наприклад, турбогвинтові двигуни мають літаки Ан-24, Ан-124 ( «Руслан»), Ан-225 ( «Мрія»). Так, «Мрія» при швидкості польоту 700-850 км / ч здатна перевозити 250 тонн вантажу на відстань майже 15 000 км. Це найбільший транспортний літак у світі.
Екологічні проблеми теплових машин
Великий вплив на клімат має станатмосфери, зокрема наявність вуглекислого газу і водяної пари. Так, зміна вмісту вуглекислого газу призводить до посилення або ослаблення парникового ефекту, при якому вуглекислий газ частково поглинає тепло, яке Земля випромінює в космос, затримує його в атмосфері і підвищує тим самим температуру поверхні і нижніх шарів атмосфери. Явище парникового ефекту відіграє вирішальну роль у пом'якшенні клімату. При його відсутності середня температура планети була б не +15 ° С, а нижче на 30-40 ° С.
Зараз в світі існує більше 300 млн різного виду автомобілів, які створюють більше половини всіх забруднень атмосфери.
До складу атмосфери входить озон, який захищаєвсе живе на землі від згубної дії ультрафіолетових променів. У 1982 році Дж. Фарманом, англійським дослідником, над Антарктидою було встановлено озонову діру - тимчасове зниження вмісту озону в атмосфері. У момент максимального розвитку озонової діри 7 жовтня 1987 кількість озону в ній зменшилася в 2 рази. Озонова діра, ймовірно, виникла в результаті антропогенних факторів, в тому числі використання в промисловості хлорвмісних хладонов (фреонів), що руйнують озоновий шар. Однак дослідження 1990 рр. не підтвердили цю точку зору. Швидше за все, поява озонової діри не пов'язане з діяльністю людини і є природним процесом. У 1992 році і над Арктикою було встановлено озонову діру.
Якщо весь атмосферний озон зібрати в шар уповерхні Землі і згустити його до щільності повітря при нормальному атмосферному тиску і температурі 0 ° С, то товщина озонового щита буде всього лише 2-3 мм! Ось і весь щит.
Трохи з історії...
- Липень 1769 року. У паризькому парку Медоне військовий інженер Н. Ж. Кюньйо на «вогненної возі», яка була оснащена двоциліндровим паровим двигуном, проїхав кілька десятків метрів.
- 1885 рік. Карл Бенц, німецький інженер, побудував перший бензиновий чотиритактний триколісний автомобіль Motorwagen потужністю 0,66 кВт, на який 29 січня 1886 року одержав патент. Швидкість машини досягала 15-18 км / ч.
- 1891 рік. Готліб Даймлер, німецький винахідник, виготовив вантажний візок з двигуном потужністю 2,9 кВт (4 кінські сили) від легкового автомобіля. Максимальна швидкість автомобіля досягала 10 км / ч, вантажопідйомність в різних моделях становила від 2 до 5 тонн.
- Кінці 1899 року. Бельгієць К. Женатци на своєму автомобілі «Жаме Контант» ( «Завжди незадоволена») вперше подолав 100-кілометровий рубіж швидкості.
Приклади розв'язання задач
Завдання 1. Температуру нагрівача ідеальна теплова машина має рівну 2000 К, а температуру холодильника - 100 ° С. Визначити ККД.
Рішення:
Формула, яка визначає ККД теплової машини (максимальний):
ŋ = Т1-Т2/ Т1.
ŋ = (2000К - 373К) / 2000 К = 0,81.
відповідь: ККД двигуна - 81%.
Завдання 2. В тепловому двигуні при згорянні палива було отримано 200 кДж теплоти, а холодильника передано 120 кДж теплоти. Який ККД двигуна?
Рішення:
Формула для визначення ККД має такий вигляд:
ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2 · 105 Дж - 1,2 · 105 Дж) / 2 · 105 Дж = 0,4.
відповідь: ККД теплового двигуна - 40%.
Завдання 3. Який ККД теплової машини, якщо робоче тіло після отримання від нагрівача кількості теплоти 1,6 МДж виконало роботу 400 кДж? Яка кількість теплоти було передано холодильника?
Рішення:
ККД можна визначити за формулою
ŋ = А / Q1.
ŋ = 0,4 · 106 Дж / 1,6 · 106 Дж = 0,25.
Передане холодильника кількість теплоти можна визначити за формулою
Q1 - А = Q2.
Q2 = 1,6 · 106 Дж - 0,4 · 106 Дж = 1,2 · 106 Дж.
відповідь: теплова машина має ККД 25%; передане холодильнику кількість теплоти - 1,2 · 106 Дж.
