Роль тепловых. Роль тепловых машин в жизни человека. В объемных нагнетателях

В настоящее время невозможно назвать ни одну область производственной деятельности человека, где бы ни использовались тепловые установки. Космическая техника, металлургия, станкостроение, транспорт, энергетика, сельское хозяйство, химическая промышленность, производство пищевых продуктов - вот далеко не полный перечень отраслей народного хозяйства, где приходится решать научные и технические вопросы, связанные с тепло установками.

В тепловых двигателях и тепловых установках происходит преобразования теплоты в работу или работы в теплоту.

Паровая турбина-это тепловой двигатель, в котором потенциальная энергия пара превращается в кинетическую, а кинетическая - в механическую энергию вращения ротора. Ротор турбины непосредственно соединяется с валом рабочей машины, который может быть электрогенератор, гребной вент и др.

Применение тепловых двигателей в железнодорожном транспорте особенно велико, т.к. с появление тепловозов на железнодорожных магистралях облегчило перевоз основных масс грузов и пассажиров во всех направлениях. Тепловозы появились на советских железных дорогах более полувека назад по инициативе В.И. Ленина. Дизели приводят в движение тепловоз непосредственно, а с помощью электрической передачи - генераторов электрического тока и электродвигателей. На одном валу с каждым дизелем тепловоза находится генератор постоянного электрического тока. Вырабатываемый генератором электрический ток поступает в тяговые электродвигатели, находящиеся на осях тепловоза. Тепловоз сложнее электровоза и стоит дороже, зато он не требует контактной сети, тяговых подстанций. Тепловоз можно использовать везде, где только уложены железнодорожные пути, и в этом его огромное преимущество. Дизель - экономичный двигатель, запаса нефтетоплива на тепловозе хватает на долгий путь. Для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов построили тяжелые грузовые автомобили, где вместо бензиновых двигателей появились более мощные дизельные двигатели. Такие же двигатели работают на тракторах, комбайнах, судах. Применение этих двигателей намного облегчает работу человека. В 1897 г. немецкий инженер Р. Дизель предложил двигатель с воспламенением от сжатия, который мог бы работать не только на бензине, но и на любом другом топливе: керосине, нефти. Также двигатели назвали дизелями.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Еще две с лишним тысячи лет назад, в 3 веке до н. эры, великим греческим механиком и математиком Архимедом построившим пушку, которая стреляла с помощью пара.

Сегодня в мире насчитывается сотни миллионов тепловых двигателей. Например, двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобили, корабли, тракторы, моторные лодки и т. д. Наблюдение, что изменения температуры тел постоянно сопровождаются изменениями их объемов, относятся уже к отдаленной древности, тем не менее, определение абсолютной величины отношения этих изменений принадлежит только новейшему времени. До изобретения термометров о подобных определениях, разумеется, нельзя было и думать, но зато с развитием термометрии точное исследование этой связи становилось совершенно необходимым. Сверх того, в конце прошлого XVIII и в начале нынешнего XIX века накопилось множество различных явлений, побуждавших заняться тщательными измерениями расширения тел от теплоты; таковы были: необходимость поправок барометрических показаний при определении высот, определение астрономической рефракции, вопрос об упругости газов и паров, постепенно возраставшее применение металлов для научных приборов и технических целей и т. д.

Прежде всего, естественно, обратилась к определению расширения воздуха, которое по своей величине больше всего бросалось в глаза и представлялось наиболее легко измеримым. Множество физиков вскоре получило большое количество результатов, но частично довольно разноречивых. Амонтон для регулирования своего нормального термометра измерил расширение воздуха при нагревании его от 0° до 80° R и сравнительно точно определил его в 0,380 части его объема при 0°. С другой стороны, Нюге в 1705 г. получил при посредстве несколько видоизмененного прибора один раз число, вдвое большее, а другой раз -- число, даже в 16 раз большее. Ла-Гир (1708) тоже получил вместо амонтоновского числа 1,5 и даже 3,5. Гоуксби (1709) нашел число 0,455; Крюкиус (1720) -- 0,411; Полени -- 0,333; Бонн -- 0,462; Мушенбрек -- 0,500; Ламбер («Pyrometrie», стр. 47)--0,375; Делюк -- 0,372; И. Т. Мейер -- 0,3755 и 0,3656; Соссюр -- 0,339; Вандермонд, Бертолле и Монж получили (1786) -- 0,4328. Пристли, получивший для расширения воздуха значительно отклоняющееся от истинного число 0,9375, утверждал, сверх того, что кислород, азот, водород, угольная кислота, пары азотной, соляной, сернистой, плавиковой кислот и аммиака -- все они отличаются по своему расширению от воздуха. Г. Г. Шмидт («Green"s Neues Journ.», IV, стр. 379) получил для расширения воздуха число 0,3574, для кислорода 0,3213, наконец, для водорода, угольной кислоты и азота 0,4400, 0,4352, 0,4787. Морво и Дювернуа примкнули к мнению Пристли, но вообще нашли, что расширение газов не вполне пропорционально изменению температуры.

Теоретический материал

С давних времён человек хотел освободиться от физических усилий или облегчить их при перемещении чего-либо, располагать большей силой, быстротой.

Создавались сказания о коврах самолётах, семимильных сапогах и волшебниках, переносящих человека за тридевять земель мановением жезла. Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь катить легче. Потом они приспособили животных - волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так появились повозки, экипажи. В экипажах люди стремились к комфорту, всё более совершенствуя их.

Стремление людей увеличить скорость ускоряло и смену событий в истории развития транспорта. Из греческого «аутос» - «сам» и латинского «мобилис» - «подвижный» в европейских языках сложилось прилагательное «самодвижущийся», буквально «авто - мобильный».

Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».

Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1>

Основные части теплового двигателя

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3> Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.

Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рисунок 1

На Рисунке 1 изображены графически процессы расширения газа (линия АВ) и сжатия до первоначального объема (линия CD). Работа газа в процессе расширения положительна (AF > 0) и численно равна площади фигуры ABEF. Работа газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника принципиально необходимое условие для непрерывной циклической работы любого теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия тепловой машины

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q1от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q1 -- |Q2|. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть?

Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г.

Цикл Карно.

Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно -- из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V1.

Рисунок 2

Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ).

Рисунок 3

Когда объем газа становится равным некоторому значению V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.

Теперь охлажденный газ можно изотермически сжимать при температуре Т2. Для этого его нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же температуру Т2, т. е. с холодильником, и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе газ не вернется в первоначальное состояние -- температура его будет все время ниже чем Т1.

Поэтому изотермическое сжатие доводят до некоторого промежуточного объема V2">V1 (изотерма CD). При этом газ отдает холодильнику некоторое количество теплоты Q2, равное совершаемой над ним работе сжатия. После этого газ сжимается адиабатно до объема V1, при этом его температура повышается до Т1 (адиабата DA). Теперь газ вернулся в первоначальное состояние, при котором объем его равен V1, температура -- T1, давление -- p1,и цикл можно повторить вновь.

Итак, на участке ABC газ совершает работу (А > 0), а на участке CDA работа совершается над газом (А < 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.

В полезную работу фактически преобразуется только часть количества теплоты QT, полученной от нагревателя, равная QT1- |QT2|. Итак, в цикле Карно полезная работа A = QT1 - |QT2|.

Тепловой двигатель (паровая машина) сыграл и продолжает играть чрезвычайно важную роль в развитии нашей цивилизации. Его изобретение и внедрение в производство, транспорт и другие сферы деятельности человека послужили причиной промышленной революции XVIII столетия, открыли новые горизонты в нашей жизни.

Работа теплового двигателя базируется на действии водяного пара или других газов. Устройства с использованием упругого действия воздуха и водяного пара были известны еще в античном мире. Известнейшие из них сконструировали древнегреческие изобретатели из города Александрии: Ктезибий, Филон и Герон.

Начиная с 80-х годов XVIII столетия, универсальный тепловой двигатель Уатта нашел широкое применение во всех отраслях хозяйства многих стран. Например, в Великобритании создали свыше 300 таких двигателей для текстильной, горной, металлургической, пищевой отраслей. Паровой двигатель стимулировал развитие новых рабочих машин, транспорта.

Так родилась и утвердилась в разных сферах паровая машина. С

того времени тепловой двигатель постоянно совершенствовался, яркими примерами чего является развитие паровозов, двигателей внутреннего сгорания. Но это уже совсем другие истории. И, несмотря на то, что с конца XIX столетия во многих случаях паровая машина была заменена электрическим двигателем, она сыграла особую роль в техническом прогрессе человечества, а сотни мастерских конструкций тепловых двигателей 18-ХХ столетий представляют собой образцы высокого взлета научно-технического и инженерного гения человека.

43. Типы двигателей. Перспективы развития конструкций двигателей.

Дви́гатель , мотор (от лат. motor приводящий в движение) - устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую. Этот термин используется с конца XIX века наряду со словом «мотор», которым с середины XX века чаще называют электродвигатели и двигатели внутреннего сгорания (ДВС).

Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в механическую работу, а ко вторичным - преобразующие энергию, выработанную или накопленную другими источниками.

К первичным двигателям (ПД) относятся ветряное колесо, использующее силу ветра, водяное колесо и гиревой механизм - их приводит в действие сила гравитации(падающая вода и сила притяжения), тепловые двигатели - в них химическая энергия топлива или атомная энергия преобразуются в другие виды энергии. Ко вторичным двигателям (ВД) относятся электродвигатель (электромотор), пневмодвигатель, гидродвигатель (гидромотор).

Поршневые двигатели - камерой сгорания является цилиндр, где химическая энергия топлива превращается в механическую энергию, которая из возвратно-поступательного движения поршня превращается во вращательную с помощью кривошипно-шатунного механизма. ДВС классифицируют: а) По назначению - делятся на транспортные, стационарные и специальные. б) По роду применяемого топлива - легкие жидкие (бензин, газ), тяжелые жидкие (дизельное топливо). в) По способу образования горючей смеси - внешнее (карбюратор) и внутреннее у дизельного ДВС. г) По способу воспламенения либо искра либо сжатие. д) По числу и расположению цилиндров разделяют рядные, горизонтальные, вертикальные, V-образные, оппозитные.

Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин.

Наибольшее значение имеет применение мощных паровых турбин на электростанциях для вращения роторов генераторов. Паровые турбины устанавливают также на атомных электростанциях, где для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

На современном транспорте используются все виды тепловых двигателей. В автомобилях, тракторах, самоходных комбайнах, тепловозах применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в авиации - газовые турбины, на космических ракетах - реактивные двигатели.

Тепловые двигатели оказывают некоторые вредные воздействия на окружающую среду:

КПД тепловых двигателей η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
тепловые электростанции и автомобили выбрасывают вредные для растений, животных и человека продукты сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.);
повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает "парниковый эффект" Земли.

В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Литература

Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 165.

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Тепловые двигатели. К.П.Д. теплового двигателя. Роль тепловых двигателей в народном хозяйстве

2 слайд

Описание слайда:

Тепловой машиной называется устройство, в котором внутренняя энергия превращается в механическую. Примеры тепловых машин: Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) а) карбюраторный двигатель б) дизельный двигатель в) реактивный двигатель Паровые и газовые турбины. Что такое тепловая машина?

3 слайд

Описание слайда:

Первые тепловые двигатели Кто и когда изобрёл? Деви Папин – английский физик, один из изобретателей парового двигателя. 1680г. – Изобрёл паровой котёл 1681г. – Снабдил его предохранительным клапаном 1690г. – Первым использовал пар для поднятия поршня и описал замкнутый термодинамический цикл парового двигателя. 1707г. – Представил описание своего двигателя

4 слайд

Описание слайда:

Кто и когда построил? Конец 18 века – построены первые паровые машины. 1774 год – английским изобретателем Джеймсом Уаттом построена первая универсальная паровая машина. С 1775 по 1785 г. – фирмой Уатта построено 56 паровых машин. С 1785 по 1795г. – той же фирмой поставлено уже 144 такие машины.

5 слайд

Описание слайда:

Первый паровой автомобиль 1770г. Жан Кюньо – французский инженер, построил первую самодвижущуюся тележку, предназначенную для передвижения артиллерийских орудий

6 слайд

Описание слайда:

«Младший брат» - паровоз 1803г. – Английский изобретатель Ричард Тревитик сконструировал первый паровоз. Через 5 лет Тревитик построил новый паровоз. он развивал скорость до 30 км/ч 1816г. – Не имея поддержки, Тревитик разорился и уехал в Южную Америку

7 слайд

Описание слайда:

Решающая роль 1781-1848г. – Английский конструктор и изобретатель Джордж Стефенсон 1814г. – Начал заниматься строительством паровозов. 1823г. – Основал первый в мире паровозостроительный завод 1829г. – На соревновании лучших локомотивов первое место занял паровоз Стефенсона «Ракета». Его мощность составляла 13 л.с., а скорость 47 км/ч.

8 слайд

Описание слайда:

Двигатель внутреннего сгорания 1860г. – Французским механиком Ленуаром был изобретён двигатель внутреннего сгорания 1878г. – Немецким изобретателем Отто сконструирован четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания. 1825г. – Немецким изобретателем Даймлером был создан бензиновый двигатель внутреннего сгорания Примерно в то же время Бензиновый двигатель был разработан Костовичем в России.

9 слайд

Описание слайда:

Двигатели Дизеля 1896г. – Немецкий инженер Рудольф Дизель сконструировал двигатель внутреннего сгорания в котором сжималась не горючая смесь, а воздух. Это наиболее экономичные тепловые двигатели 1)работают на дешёвых видах топлива 2) имеют КПД 31-44% 29 сентября 1913г. Сел на пароход, отправлявшийся в Лондон. Наутро его в каюте не нашли. Считается, что он покончил с собой, бросившись ночью в воды Ла-Манша.

10 слайд

Описание слайда:

Тепловые машины могут быть устроены различным образом, но в любой тепловой машине должно быть рабочее вещество, или тело, которое в рабочей части машины совершает механическую работу, нагреватель, где рабочее вещество получает энергию и холодильник отбирающий у рабочего тела тепло. Рабочим веществом может быть водяной пар или газ.

11 слайд

Описание слайда:

12 слайд

Описание слайда:

КПД теплового двигателя (машины) Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики. Что это такое?

13 слайд

Описание слайда:

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

14 слайд

Описание слайда:

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости. В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

15 слайд

17 слайд

Описание слайда:

Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания). Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца. Экологические последствия работы тепловых двигателей

18 слайд

Описание слайда:

Человек собирается купить автомобиль сроком на три года, но не может выбрать, какой автомобиль приобрести, с дизельным двигателем, который стоит 23 тысячи долларов, либо автомобиль с бензиновым двигателем стоимостью 20 тысяч долларов. Мощности автомобилей одинаковые и равны 100 кВт. За год он на автомобиле планирует проезжать около 10 тысяч километров. Средняя скорость движения 72 км/ч. Какой вариант покупки экономически будет более выгодным? Цена за один литр: дизельное топливо 15 руб., бензин 18 руб. Плотность бензина 710 кг/м3 диз. топливо 820 кг/м3. Удельная теплота сгорания соответственно 156*10^6 Дж./кг, 127*10^6. Дж/кг.