Принцип дії теплового двигуна. Холодильна машина. Розв'язування задач


Переглянути відео, презентацію.
Зробити відповідні записи в зошитах. 
Опрацьовиний матеріал  підручника  §39. Вправа 39, завдання 1 (усно) 
та задачі:

(1. Знайти витрати пального на 100 км‚ для автомобіля  «Волга»  при швидкості  90 км/год‚ якщо ККД  двигуна дорівнює 27 %‚ а потужність‚ яку розвиває автомобіль становить 28‚8  кВт.


2. ККД двигуна внутрішнього згоряння становить 28 % при температурі згоряння 927 °С, температура відхідних газів 44 7 °С . На скільки ККД двигуна менший від ККД ідеальної машини?).
 надіслати на поштову скриньку вчителя: hlibkolove@gmail.com чи у Viber:Тел. 0957838538







Пригадаємо:
1.Що називають теплообміном?
- процес передачі енергії від більш нагрітого до менш нагрітого тіла.
2.Внаслідок чого змінюється внутрішня енергія при ізохорному процесі?
- внаслідок теплообміну.
3.Куди витрачається вся підведена кількість теплоти при ізотермічному процесі?
- на роботу здійснювану газом проти зовнішнього тиску.
3.Як формулюється перший закон термодинаміки?
- зміна внутрішньої енергії системи  дорівнює сумі наданої їй кількості теплоти і роботи , виконаної над системою зовнішніми силами.
5.У вигляді якої кривої, на координатній площині PV, зображується адіабатний процес?
- адіабати. 
6.Чи є ідеальними або реальними адіабатний і ізотермічний процеси?
- ці процеси ідеальні. Ідеальний тепло-провідник – ізотерма, ідеальний тепло-ізолятор – адіабата.
   
Тепловий двигун з’явився на початку ХVIII ст. У Росії він був запропонований І.І.Ползуновим (1765). Першу парову машину у 1769 р. створив французський інженер Кюньо. Людину яка керувала машиною і одночасно топила паровий котел,  називали шофером. Ця машина розвивала швидкість 7 км/год.
   Запатентував універсальний паровий двигун у 1784 р. Дж. Уатт.
   С. Карно  у 1824 р. запропонував цикл ідеальної теплової машини.

На попередніх уроках ми вивчали 4 термодинамічні процеси:
Ізотермічний, ізохорний, ізобарний і адіабатний.
Максимальна робота здійснюватися  під час ізотермічного та адіабатного. В першому процесі розширення газу відбувається за постійної температури, а в другому – газ розширюється без теплообміну з навколишніми тілами.
Енергія, яка виділяється під час згоряння палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширюючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і надає руху механізму. 
Отже, запишемо в зошити означення


Тепловий двигун – це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива у механічну.
А зараз розглянемо основні частини теплового двигуна. 

Отримавши, в процесі розширення від тіла з температурою Т1,(нагрівач) деяку кількість теплоти Q1 газ у результаті стискання неодмінно віддає кількість теплоти Q2 тілу з більш низькою температурою Т2  (холодильник). Отже на роботу перетворюється лише частина кількості теплоти Q, отриманої від нагрівача, яка дорівнює Q1-Q2Після завершення кожного циклу робоче тіло вертається в початковий стан‚ тобто його внутрішня енергія набуває колишнього значення. Отже, з першого закону термодинаміки випливає, що корисна робота Ак, яку здійснює тепловий двигун, дорівнює різниці кількості теплоти Q1 отриманої робочим тілом, і кількості теплоти Q‚ відданої робочим тілом холодильнику:
Ак=Q1 -Q2 .
Нехай ідеальний газ об’ємом V1 міститься у закритому циліндрі з поршнем під тиском р1.
 
Поставимо циліндр на нагрівник‚ температура якого Т1 підтримується сталою. Ми будемо спостерігати ізотермічний процес‚ що супроводжується зміною об’єму і тиску газу відповідно V2‚ p2 та виконанням роботи А1 за рахунок кількості теплоти Q1‚ одержаної від нагрівника. Відповідно до графіка в системі координат pV процес відобразимо ізотермою 1-2. Припустимо‚ що далі газ буде розширюватися адіабатно‚ тобто без теплообміну з навколишнім середовищем.  Газ виконає додатну роботу розширення А2 за рахунок внутрішньої енергії‚ змінивши стан з об’ємом V2 і тиском p2  на стан зоб’ємом V3 і тиском р3. При цьому буде відбуватися охолодження‚ яке супроводжується зміною температури від Т1 до Т2. На графіку цьому процесу буде відповідати адіабата 2-3. Після цього поставимо циліндр на холодильник‚ температура якого Тпідтримується сталою . Будемо спостерігати ізотермічний процес‚ при якому газ зі стану  зоб’ємомV3 і тиском р3 буде переходити до стану зоб’ємомV4 і тиском р4. . При стисканні газу зовнішні сили виконують від’ємну роботу(-А3)‚ і щоб температура газу не змінилася‚ вона повинна відповідати кількості теплоти‚ відданої холодильнику Q23.
На графіку  цей процес відповідатиме ізотермі 3-4. Проте станV4‚ p4 добиратимемо так‚ щоб подальше адіабатне стискання газу при досягненні температури Т1 привело до замикання циклу‚ тобто до об’єму V1.Нарешті в точціV4‚ p4  знову без теплообміну за допомогою адіабатного  стискання повернемо газ у вихідний стан‚ приводячи до збільшення його внутрішньої енергії і підвищення температури до Т1. На графіку цьому процесу відповідає адіабата 4-1. Цикл ‚ який ми отримали‚ складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів;  він дістав назву циклу Карно і становить один цикл роботи ідеальної теплової машини.Під час розширення робоче тіло виконує роботу‚ а під час стискання роботу над тілом виконують зовнішні сили. Після кожного циклу робоче тіло повертається в попереднє положення.
Для характеристики ефективності циклу перетворення внутрішньої енергії у механічну‚ а значить‚ і теплової машини‚ вводиться коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу‚ або машини.
 
Він визначається відношенням роботи А13‚ що використовується у даному циклі‚ до роботи А1‚ яку можна було б одержати внаслідок повного перетворення у неї кількості теплоти Q1‚ підведеної до газу: Ƞ =   
або    Ƞ=
За  умови ідеального процесу перетворення  внутрішньої енергії в механічну‚ найвищий тепловий ККД матиме вигляд:
Ƞmax = Вимірюється у відсотках.Запишіть  дані формули в зошити. Т1 –максимальна температура робочого тіла(газу‚ пари)‚ Т– мінімальна температура‚ за якої робоче тіло віддає частину внутрішньої енергії холодильнику. Оскільки Т2 – температура холодильника або відпрацьованих продуктів горіння – не може дорівнювати абсолютному нулю‚ то максимальний тепловий ККД машини не може дорівнювати одиниці(100%). 
З наведеної формули видно‚   що для підвищення ККД  потрібно зменшувати відношення  .
Цього можна досягти‚ або знижуючи температуру холодильника‚ або  підвіщуючи температуру  нагрівника‚ або роблячи й те‚ і інше.
Максимальний ККД міг би мати ідеальний тепловий двигун‚ у якому відсутнє тертя‚ а також відсутні втрати тепла. Однак будь-якому реальному двигуні є й тертя‚ і втрати тепла‚ тому реальний тепловий двигун має‚ на жаль‚ набагато менший ККД‚ ніж максимально можливий. Наприклад для двигуна внутрішнього згоряння  Ƞmax =82%‚ а реальний ККД – лише близько 20%. Подивимося на таблицю в якій наведено ККД різних теплових машин. Як бачимо‚ ККД реальних машин значно нижчий‚ ніж максимально можливі їх теоретичні значення. 
Види теплових машин:
    1.Парова і газова турбіни.
    2.Парові машини.
   3.Поршневі двигуни внутрішнього згоряння:
     а) карбюраторні;
     б) дизелі.
 4.Безпоршневі двигуни внутрішнього згоряння (реактивні двигуни).
     
В школі на уроках фізики 8 класу ви вивчали принцип дії бензинового двигуна внутрішнього згоряння. Повторимо даний матеріал і дещо доповнимо його. 

Двигун внутрішнього згоряння 

Чотиритактний ДВЗ складається з одного чи кількох циліндрів. Розглянемо дію найпростішого одноциліндрового чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. В середині кожного циліндра переміщається поршень‚ з’єднаний з кривошитно - шатунним механізмом ‚ на колінчатий вал якого насаджено маховик. Розподільний пристрій у відповідні моменти відкриває і закриває клапани - впускний 1‚ через який в циліндр засмоктується пальна суміш‚ і випускний 2‚ з’єднаний з атмосферою. Для запалювання пальної суміші на електроди свічки С‚ встановленої в циліндр‚ подається висока напруга‚ і між ними проскакує велика іскра. В першому такті в результаті руху поршня вниз відбувається всмоктування через відкритий впускний клапан пальної суміші‚ випускний клапан закритий. Здійснюючи зворотний рух‚ поршень у другому такті стискає(обидва клапани закриті) пальну суміш‚ яка при цьому нагрівається. Коли поршень піднімається до крайнього верхнього положення‚ стиснута пальна суміш загорається від електричної іскри. Розжарені гази – продукти згоряння пальної суміші – тиснуть на поршень і штовхають його вниз. Рух поршня передається шатуну‚ а  через нього колінчастому валу з маховиком‚ і поршень виконує корисну роботу. Діставши сильний поштовх‚ маховик продовжує обертання за інерцією і переміщає з’єднаний з ним поршень під час наступних тактів. Таким чином‚ третій такт є одним робочим тактом із чотирьох. До моменту‚ коли поршень досягає крайнього нижнього положення‚ гази сильно охолоджуються під час розширення і тиск в циліндрі падає до (2-3)*105 Па. Обидва клапани протягом третього такту залишаються закритими. В четвертому такті поршень повертається в крайнє верхнє положення‚ виштовхуючи відпрацьовані гази через випускний клапан‚ який в цей час відкривається (впускний клапан закритий).

1 — привод на мастилонасос ; 2 — розподільний вал; 3 — водяний насос; 4 — поршень; 5 — запальнасвічка; 6 — радіатор; 7 — паливний бак; 8-   карбюратор, 9 — вихлопна труба; 10 — магнето (генератор високої
напруги). 
Широке розповсюдження таких двигунів зумовили мала маса‚ компактність‚ порівняновисокий ККД (близько 30%).  Але вони мають ряд недоліків: працюють  на дорогому високоякісному паливі ‚ складні за конструкцією‚ маютьдужевеликушвидкістьобертання вала двигуна‚ їх вихлопні гази забруднюють атмосферу.

Дизельний двигун


Дизельний двигун є економнішим‚ він працює на  дешевших сортах  рідкого палива  і позабавленный більшості названих недоліків.
Його будова:1 — поршень; 2 — паливний насос; 3 — паливний бак; 4 — повітряний фільтр ; 5 —  клапани, 6 — вихлопний патрубок; 7 — розподільний  вал; 8 — привод мастило насоса; 9 — водяний насос; 10 — радіатор.
Особливості його роботи такі. 
Під час ходу поршня вниз через впускний клапан в робочий циліндр засмоктується не пальна суміш‚ а атмосферне повітря. При дальшому обертанні маховика поршень під час зворотнього руху вгору адіабатно стискає повітря в циліндрі (впускний клапан закритий) до тиску 1‚2*106 Па‚ що веде до підвищення його температури в кінці його такту до 500-700 . У стиснуте й розжарене повітря впорскується за допомогою паливного насоса і форсунки дизельне паливо, воно загоряється і горить значно довше за бензин. Гази‚ які утворюються при цьому, тиснуть на поршень і виконують корисну роботу протягом всього руху поршня вниз. Тиск газу під час розширення підтримується приблизно сталим. Після закінчення горіння вприснутої порції палива відбувається розширення газу‚ і‚ нарешті‚ відкривається випускний клапан. За час зворотнього руху поршень виштовхує (вихлоп) продукти згоряння в атмосферу.  Дизельні двигуни встановлюють на тракторах і автомобілях‚ тепловозах‚ електростанціях невеликої потужності.

Парова турбіна


Головною частиною турбіни є ротор – закріплений на валу диск  з лопатками по його ободу. Пара від парового котла спрямовується через спеціальні канали (сопла) на лопатки ротора. В соплах пара розширюється‚ тиск її падає‚ але зростає швидкість витікання‚ тобто відбувається перетворення внутрішньої енергії пари в кінетичну енергію струмини.  Турбіна активної дії зображена на слайдові. Вона складається з насадженого на вал - 1 одного ротора - 2 і тому називається одноступеневою. Проти зігнутих стальних лопаток - 3 розміщене одне (або кілька) сопло - 4. Корпус - 5 турбіни забезпечений випускним патрубком - 6. Одноступеневі турбіни мають низький ККД‚ їх будують лише малої потужності для приведення в рух невеликих машин. Сучасні потужні турбіни роблять багатоступеневими‚ тобторотори таких турбін мають кілька рядів робочих лопаток‚ розділених нерухомими перегородками. До позитивних якостей слід віднести швидкохідність‚ компактність‚ значну потужність і велику питому потужність (потужність‚ яка припадає на одиницю маси двигуна). Недоліками їх є інерційність (значний час для пуску й зупинки)‚ неможливість регулювання швидкості обертання в широких межах‚ відсутність зворотнього ходу.

Учень 4. Перспективним двигуном є – газова турбіна. Працює вона аналогічно паровій‚ але робочим тілом в ній служить розжарений газ. Оскільки його температура значно вища за температуру пари‚ ККД газової турбіни значно перевищує ККД парової‚ досягаючи 60-65%. Великою перевагою газових турбін перед паровими є відсутність громіздкої котельної установки‚ що дає змогу застосовувати їх не тільки для вироблення електроенергії на теплових і атомних електростанціях‚ а й на транспорті. Як двигуни турбіни встановлюються на автобусах і в потягах (газотурбовоз)‚ на кораблях. Особливо широко застосовуються газотурбінні двигуни в авіації. Теплові двигуни‚ які використовують реактивну тягу витікаючих газів‚ називають реактивними. 

Реактивний двигун
 Один з найпростіших – прямоточний повітряно-реактивний двигун. Він є трубою‚ в яку зустрічний потік нагнітає повітря‚ а рідке паливо впорскується в неї і підпалюється. Розжарені гази вилітають із труби з великою швидкістю‚ надаючи їй реактивної тяги. Недоліком цього двигуна є те‚ що для створення тяги він має рухатися відносно повітря‚ тобто  самостійно злетіти він не може‚ його треба спочатку розігнати за допомогою двигуна іншого типу.  Даний двигун ефективно працює на швидкостях порядку 2000-3000 км/год‚ а найбільшу силу тяги розвиває за швидкості 6000-7000 км/год.

Проте машину можна примусити працювати і за оборотним циклом Карно‚ коли внаслідок виконаної роботи від системи віднімається деяка кількість теплоти‚ цьому разі охолодження досягається за рахунок виконання роботи‚ теплота примусово переходитиме від менш нагрітого тіла до більш нагрітого‚ а теплова машина перетвориться на холодильну машину.
  
У процесі ізотермічного розширення‚ що відбувається за температури холодильної камери Т2‚ робоче тіло здійснює роботу  і поглинає при цьому від холодильної камери кількість теплотиQ2. Під час ізотермічного стискання робочого тіла‚ що відбувається за більш високої температури Т1 нагрівача(атмосфери)‚ останньому передається кількість теплоти Q1. Це відбувається за рахунок зовнішніх сил. Таким чином‚ нагрівачу передається більша кількість теплоти‚ ніж відбирається від холодильної камери:
QQ2+А. Отже‚ температура холодильної камери Т2  ще більше знижується‚ а температура нагрівника Т1 ще більше підвищується. Холодильна установка – пристрій, що працює циклічно і підтримує в холодильній камері  температуру більш низьку, ніж у навколишньому середовищі (холодильник, кондиціонер). Робочим тілом  у холодильнику є пари легкокиплячих рідин  аміаку, фреону та ін. Енергія підводиться від електричної мережі. Нагрівник - радіатор, холодильник – морозильна камера.
 Ефективність роботи холодильної машини характеризують холодильним коефіцієнтом    ԑ
Напрям перебігу теплових процесів встановлює другий закон термодинаміки. У природі неможливий процес‚ під час якого теплота довільно переходила б від менш нагрітих до більш нагрітих тіл.
Отже‚ які переваги  теплових машин?

Теплові машини мають такі переваги  – широке застосування:тепловози, теплоходи, автомобілі,літаки, вертольоти, космічні кораблі і станції, трактори, комбайни, насосністанції, теплові і атомні електростанції.

Які недоліки мають теплові машини?
Теплові машини мають такий недолік - енергетичні установки викидають в атмосферу  щороку 200 – 250 млн. т. золи і близько 600 млн. т. оксиду сульфуру.
Як знижують забруднення повітря?
Уч
У автомобілях  встановлюють фільтри, опрацьовують зразки газотурбінних, роторних і парових двигунів.
Випробовують автомобілі з електричними і водневими двигунами.

А тепер закріпимо вивчений матеріал. Розв'язування задач.
1. Двигун внутрішнього згоряння має ККД  28% при температурі згорання палива
927 і температурі вихлопних газів 447. На скільки ККД двигуна менше
ККД  ідеальної машини?
Дано:
СІ
Формула
Розв’язання
t1=927
t2=447
Ƞ=28%
T1=1200K
T2=720K
 Ƞ=28%



Ƞ max = ;
Ƞ= Ƞmax- Ƞ

Ƞmax==40
Ƞ=(40-28)=12
Відповідь: ККД двигуна меньше ККД ідеальної теплової машини на 12%.

Ƞ

2. Визначте масу бензину‚ яку споживає двигун мопеда потужністю 0‚88 кВт
протягом 0‚5 год ‚ якщо ККД  двигуна становить 19%.

Дано:
СІ
Формула
Розв’язання
N=0‚88 кВт
t=0‚5 год
Ƞ=19%
q=46Дж/кг

N=0‚8810Вт
t=1800 с
Ƞ=0‚19
q=466Дж/кг

m=;
Q=;
=N
m=
m= =
=0‚18 кг.
Відповідь: m=0‚18 кг.

m -?

3. На яку відстань розрахована місткість паливного баку автомобіля
«ВАЗ 2104»(42 л)‚  якщо швидкість руху дорівнює 85 км/год‚ ККД двигуна
становить 25%‚  а потужність ‚ яку розвиває автомобіль дорівнює  19‚25 кВт.

Дано:
СІ
Формула
Розв’язання
V=42 л
км/год
q=466Дж/кг
ρ=700кг/м3
Ƞ=25%
N=19‚25 кВт

V=42-3м3
q=466
Дж/кг
ρ=700кг/м3
Ƞ=0‚25
N=19‚253 Вт
S=t
t=;
A= Ƞ;
Q=mq;
m=Vρ;
S=

S=

= 414502 м=415 км.

Відповідь: 415 км.
S-?

4. Знайти ККД двигуна автомобіля ‚ який спалює 10 л бензину на 100 км шляху при середній швидкості 54км/год. Потужність ‚ яку розвиває автомобіль дорівнює 12‚08кВт.

Дано:
СІ
Формула
Розв’язання

V=10 л
q=466 Дж/кг
ρ=700кг/м3
S=100 км
N=12‚08 кВт



V=10-3м3
q=466 Дж/кг ρ=700кг/м3
S=105м
N=12‚083 Вт
Ƞ=
A=N
t=;
Q=mq;
m=V;
Ƞ=

Ƞ=
=25%
Відповідь: 25%
Ƞ-?











Немає коментарів:

Дописати коментар