Тепловая машина это устройство которое

§6. Тепловые машины

Тепловая машина — устройство, предназначенное для совершения положительной работы над внешними силами за счет полученного от источника энергии некоторого количества теплоты (на практике, чаще всего при сгорании топлива).

Циклический (круговой) процесс (цикл) — процесс, при кото-

ром термодинамическая система возвращается в исходное состояние.

Циклическая тепловая машина — тепловая машина, которая после совершения ряда процессов возвращается в первоначальное (исходное) состояние.

Тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя с температурой T н , рабочего тела (в большинстве случаев газа или пара), температура которого T рт меньше T н , и холодильника с температурой T х меньше T рт . Рабочее тело, например газ, при получении от нагревателя некоторого количества теплоты Q н расширяется и совершает работу A г расш > 0. При сжатии газ передает коли-

чество теплоты Q х (Q х < 0) холодильнику, при этом работа газа от-

рицательна (A г сж < 0).

ниже, чем при расширении, что

обеспечивает полезную A п рабо-

ту тепловой машины за цикл.

Работа газа численно равна

площади фигуры, ограниченной

при расширении (кривая а) и

сжатии (кривая б) газа, показан-

ных на рисунке 6.1.

действия тепловой машины η — величина, равная отношению по-

лезной работы A п тепловой машины к количеству теплоты, полу-

ченному рабочим телом от нагревателя за цикл:

Обратимый процесс — термодинамический процесс, после которого система может вернуться в начальное состояние через все промежуточные состояния первоначального перехода без остаточных изменений в системе и окружающей среде. Обратимым может быть только равновесный процесс.

Неравновесные процессы являются необратимыми. Все реальные процессы протекают не бесконечно медленно; они сопровождаются трением и теплообменом при конечной разности температур системы и внешней среды, поэтому они в той или иной степени являются необратимыми.

Обратимые тепловые машины — тепловые машины, рабо-

тающие по циклу, состоящему из обратимых процессов.

КПД всех обратимых тепловых машин, работающих с одними и теми же нагревателем и холодильником, одинаковы.

Идеальная тепловая машина (машина Карно) — обратимая тепловая машина, работающая по циклу Карно.

Цикл Карно состоит из двух изотерм (кривые a, c) и двух адиа-

бат (кривые b, d) идеального газа (рис. 6.2). При работе тепловой машины он совершается по часовой стрелке.

p Для цикла Карно выполняется равенство:

КПД идеальной тепловой машины

КПД необратимой тепловой машины не может превышать КПД обратимой тепловой машины, работающей с такими же нагревателем и холодильником.

Второй закон термодинамики

Первая формулировка ( Клаузиуса ) : невозможен процесс, един-

ственным результатом которого является переход некоторого количества теплоты от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой.

Вторая формулировка ( Томсона ) : невозможен периодический

процесс, единственным результатом которого является превращение некоторого количества теплоты, полученного от нагревателя, в равную этому количеству теплоты работу.

Обе формулировки закона эквивалентны друг другу. Холодильная машина — устройство, предназначенное для от-

вода теплоты из холодильника приемнику за счет положительной работы внешних сил.

Холодильная машина состоит из холодильной камеры, температура которой T х , рабочего тела, температура которого T рт > T х , и приемника теплоты (например, окружающей среды), температура

которого T пр < T рт .

Холодильная машина работает по циклу (например, по циклу представленному на рис 6.1), происходящему против часовой стрелки (расширение газа по кривой b и сжатие по кривой а).

Рабочее тело, например газ, расширяется, получая от холо-

дильника некоторое количества теплоты Q х (Q х > 0). При сжатии (под большими давлением и температурой) газ передает количество теплоты Q пр приемнику, при этом внешний источник энергии совершает положительную работу над рабочим телом А ист .

Холодильный коэффициент (эффективность) — величина,

равная отношению количества теплоты, отведенной от холодильника, к работе, совершенной внешним источником за цикл:

Тепловые машины: что это такое, достоинства, недостатки и многое другое

Тематические машины — это устройства, преобразующие тепловую энергию в механическую работу. У каждого типа машин есть свои особенности. Однако все они требуют источника тепла и вещества, которое может различаться по объему. В этом посте вы увидите, что они из себя представляют, как работают, доход и многое другое.

• Что
• как они работают
• Представление
• Примеры
• Важность
• Преимущества и недостатки
• Видео уроки

Что такое тепловые машины

Тепловые машины — это устройства, преобразующие энергию. В частности, эти устройства преобразуют тепло в механическую энергию. Для этого они должны работать циклически, и их параметры должны возвращаться в исходное состояние в конце каждого цикла.

Кроме того, важно подчеркнуть, что ни один тепловой двигатель не идеален. То есть ни у одного из них не будет доходности равной 100%. Это происходит потому, что часть тепловой энергии рассеивается в других формах энергии. То есть не все тепло превращается в работу.

Как работают тепловые машины

Для работы такого устройства есть необходимые элементы. Например, должен быть горячий источник и рабочее вещество. Обычно эти вещества представляют собой газ или пар, которые термически расширяются.

Таким образом, тепло от горячего источника воздействует на газ, который преобразует эту тепловую энергию в механическую работу. Однако часть тепла рассеивается, обычно эту часть называют источником холода.

Чем больше разница между горячим источником и холодным источником, тем выше эффективность машины. Однако температура источника холода ограничена температурой окружающей среды. Из-за этого значительная часть усилий по повышению эффективности термодинамических машин заключается в повышении температуры горячего источника в пределах материалов.

Урожайность

КПД тепловой машины никогда не будет 100%. Это происходит по нескольким причинам. Одна из них — это то, что часть энергии теряется в окружающей среде. Кроме того, этот факт присутствует в одном из положений второго закона Термодинамика . Это:

Ни одна система не может при определенной температуре поглощать тепло от источника и преобразовывать его. полностью в механической работе, без модификаций этой системы или ее окрестности.

Это заявление Кельвина. Таким образом, для расчета КПД тепловой машины можно использовать следующее соотношение:

• η: Урожай
• Q_ж: тепло в источнике холода (Дж)
• Q_Какие: тепло в горячем источнике (Дж)

Важно подчеркнуть, что доходность — безразмерная величина. Другими словами, в нем нет единицы измерения и меры. Таким образом, он всегда будет между 0 и 1. Это значение относится к проценту энергии, используемой рассматриваемой машиной.

Цикл Карно

Цикл Карно — идеальный термодинамический цикл. Другими словами, это теоретическое приближение, машина которого имеет полную эффективность. В этом случае машина Карно работает с двумя изотермическими и двумя адиабатическими превращениями. То есть адиабатическое расширение, изотермическое расширение, адиабатическое сжатие и изотермическое сжатие.

Цикл Карно на диаграмме Клапейрона. Источник: Викимедиа

Обратите внимание, что в этом случае конечные и начальные условия термодинамического цикла совпадают. Это означает, что в цикле Карно нет диссипации энергии.

Примеры тепловых машин

Эти устройства были основополагающими для упрочения образа жизни современного человека. По этой причине в повседневной жизни можно встретить множество примеров машин этого типа. Посмотрите пять из них:

• Паровой двигатель: их еще называют двигателями внешнего сгорания. Они работают за счет расширения газа, находящегося вне двигателя. Например, двигатель Стирлинга.
• Двигатель внутреннего сгорания: обычно заправляют автомобили и мотоциклы. Они используют газы от сгорания легковоспламеняющейся жидкости для привода вала двигателя.
• Холодильник: процесс охлаждения представляет собой тепловой цикл. В системе охлаждения газ подвергается расширению и сжатию.
• Турбина: турбина может преобразовывать различные виды энергии в электрическую. Это можно сделать, например, за счет расширения газа.
• Атомная электростанция: тепло, генерируемое в процессе производства ядерной энергии, преобразуется в электрическую энергию посредством термодинамического цикла

Как можно было видеть, тепловые машины несколько раз присутствуют в жизни современного человека. Можете ли вы перечислить еще какие-нибудь примеры из вашего социального контекста?

Важность тепловых машин

Важность этих устройств во многом определяется той ролью, которую они сыграли в развитии современного общества. Таким образом, паровые машины были одним из устройств, которые сделали возможной промышленную революцию. Этот факт коренным образом изменил мир и жизнь человека.

Преимущества и недостатки тепловых машин

Как и многие устройства, у тепловых машин есть достоинства и недостатки. Итак, рассмотрим пять плюсов и пять минусов этого фундаментального объекта современной жизни.

Преимущества

• Увеличение производства;
• Революция в транспортных средствах;
• Консервация продуктов питания;
• Акклиматизация окружающей среды;
• Производство электроэнергии.

Недостатки

• Снижение предложения о работе;
• Повышенный поиск дешевой рабочей силы;
• Загрязнение;
• Использование невозобновляемых источников энергии;
• Производство ядерных отходов.

Как видите, эти устройства сыграли важную роль в консолидации капиталистической экономической системы. Следовательно, необходимо взвесить его преимущества и недостатки, чтобы решить, что лучше всего для современной жизни.

Видео о тепловых машинах

Знание теоретических и экспериментальных аспектов машин важно для понимания устройства, которое помогло изменить образ жизни людей. Таким образом, в выбранных видеороликах вы сможете углубить свои знания в этих двух аспектах. Проверить!

Теория тепловых машин

Профессор Марсело Боаро объясняет теоретические аспекты тепловых машин. Для этого учитель определяет, что такое тепловая машина и термодинамический цикл. На протяжении всего видео Боаро математически объясняет, о чем каждый аспект этого устройства. В конце урока учитель решает прикладное упражнение.

Эксперимент по второму началу термодинамики

Паровая машина была одной из причин промышленной революции. Кроме того, он также помог закрепить второй закон термодинамики. Поэтому профессора Клаудио Фурукава и Жиль Маркес проводят эксперимент по этой теме. Используемый аппарат коммерческий. Другими словами, он был куплен в готовом виде, и воспроизвести его в ролике одинаково непросто.

Как сделать двигатель Стирлинга

Хорошим примером паровой машины является двигатель Стирлинга. Он состоит из паровой камеры, которая перемещает ось. Есть несколько коммерческих моделей этого двигателя. Однако обычно они труднодоступны. По этой причине канал Manual do Mundo учит, как собрать паровой двигатель из недорогих материалов. Это позволяет тиражировать этот эксперимент на научных выставках.

Тепловые машины — очень важные устройства для истории человечества. В конце концов, с ее развитием и пониманием промышленная революция возможна. Кроме того, изучение этих устройств привело к новой физической концепции, которая заключается в второй закон термодинамики .

Тепловая машина

Теплова́я маши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.

Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной тепловой машины описывается циклом Карно.

При работе часть тепла Q1 передается от нагревателя к рабочему телу, а затем часть энергии Q2 передается холодильнику, который охлаждает машину. КПД тепловой машины считается по формуле ((Q1-Q2)/Q1)х100.

Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной.

• Дополнить статью (статья слишком короткая либо содержит лишь словарное определение).
• Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное.

• Тепловая машина

Wikimedia Foundation . 2010 .

Полезное

Смотреть что такое «Тепловая машина» в других словарях:

ТЕПЛОВАЯ МАШИНА — машина (тепловой двигатель, тепловой насос и др.), в которой внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию, которая далее может превращаться в электрическую и любые др. виды энергии, а также машина, преобразующая работу в… … Большая политехническая энциклопедия

ТЕПЛОВАЯ МАШИНА — машина (тепловой двигатель, тепловой насос и др.), в которой осуществляется преобразование теплоты в работу или работы в теплоту. В основе действия тепловой машины лежит круговой процесс (цикл термодинамический), совершаемый рабочим телом (газом … Большой Энциклопедический словарь

ТЕПЛОВАЯ МАШИНА — ТЕПЛОВАЯ МАШИНА, устройство, в котором осуществляется преобразование теплоты в работу (тепловой двигатель) или наоборот работы в теплоту (холодильник). В основе действия тепловой машины лежит цикл термодинамический, совершаемый рабочим телом… … Современная энциклопедия

тепловая машина — машина (тепловой двигатель, тепловой насос и др.), в которой осуществляется преобразование теплоты в работу или работы в теплоту. В основе действия тепловой машины лежит круговой процесс (цикл термодинамический), совершаемый рабочим телом (газом … Энциклопедический словарь

тепловая машина — šiluminė mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. heat engine vok. Wärmekraftmaschine, f rus. тепловая машина, f pranc. machine thermique, f … Fizikos terminų žodynas

Тепловая машина специальной обработки техники — комплект специального оборудования, смонтированного на шасси автомобиля повышенной проходимости. Ее специальное оборудование состоит из следующих основных систем и агрегатов: турбореактивного двигателя, поворотного устройства, кабины оператора,… … Словарь черезвычайных ситуаций

тепловая машина специальной обработки — šiluminė specialiojo švarinimo mašina statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Specialiojo švarinimo įrenginys, kuriame naudojamas aviacinis reaktyvinis variklis; švarinama dujų ir lašų arba tiktai dujų srautu. Gali būti… … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas

Идеальная тепловая машина — Тепловая машина устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счет изменения внутренней энергии рабочего тела на практике… … Википедия

Тепловая машина: цикл, работа, КПД. Экологические проблемы тепловых машин. Какая она — идеальная тепловая машина?

Потребность использования механической энергии на производстве привело к появлению тепловых машин.

Устройство тепловых машин

Тепловая машина (тепловой двигатель) — устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.

Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.

Основы действия тепловых двигателей

Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В газовых турбинах и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Цикл Карно

Цикл (круговой процесс) — совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов — изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 — изотермы, 2-3 и 4-1 — адиабаты.

В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:

где Q₁ — количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q₂ — количество теплоты, которое предано холодильнику.
КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:

В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием «идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело». Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂. Тепловая машина Карно имеет КПД:

Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т₁ и холодильником с температурой Т₂ не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.

1) засасывания — горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;
2) сжатия — оба клапана закрыты;
3) рабочий ход — взрывное сгорание горючей смеси;
4) выхлоп — выпуск отработанных газов в атмосферу.

Паровая турбина

В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.
Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.

Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт

• Давление пара (свежего) — 23,5 МПа.
• Температура пара — 540 °С.
• Расход пара турбиной — 3600 т/ч.
• Частота вращения ротора — 3000 об/мин.
• Давление пара в конденсаторе — 3,6 кПа.
• Длина турбины — 47,9 м.
• Масса турбины — 1900 т.

Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины. Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее сжатый воздух попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо — керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.

Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и винтов самолета или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.

Экологические проблемы тепловых машин

Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.

Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.

В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра — временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.

Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.

Немного из истории.

• Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
• 1885 год. Карл Бенц, немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
• 1891 год. Готлиб Даймлер, немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. Максимальная скорость автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
• 1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.

Примеры решения задач

Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника — 100 °С. Определить КПД.

Решение:
Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):

Ответ: КПД двигателя — 81 %.

Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?

Решение:
Формула для определения КПД имеет такой вид:

ŋ = Q1 — Q2 / Q1.
ŋ = (2·10 5 Дж — 1,2·10 5 Дж) / 2·10 5 Дж = 0,4.

Ответ: КПД теплового двигателя — 40 %.

Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?

Решение:
КПД можно определить по формуле

ŋ = 0,4·10 6 Дж / 1,6·10 6 Дж = 0,25.

Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле

Q₁ — А = Q_2.
Q₂ = 1,6·10 6 Дж — 0,4·10 6 Дж = 1,2·10 6 Дж.
Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты — 1,2·10 6 Дж.