Научные основы тепловых двигателей

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

=

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Источник

Основы теплотехники

История создания тепловых двигателей

Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Читайте также:  Рестайлинг hyundai solaris 2014

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.
Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых «игрушек», а преобразование теплоты в полезную работу.

паровая машина Ползунова

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать «огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».
Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.
В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.
Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.
Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.
Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г.г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.
Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.
Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.
Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.
Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

Двигатель Папена

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее «вспыльчивое» топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

Двигатель Ленуара

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто ( нем. Andreas Otto ) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.
Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

двигатель Отто

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой «Отто и Компания». Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.
Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Читайте также:  Ремонт коробок перемены передач

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.
Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.
Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.
Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.
Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.
Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

Двигатель Дизеля

Двигатель Дизеля

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.
Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.
Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.
Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.
В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Двигатель Тринклера

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Источник

Конференция «Научные основы работы тепловых двигателей и охрана окружающей среды»

Главная > Урок

Информация о документе
Дата добавления:
Размер:
Доступные форматы для скачивания:

«Научные основы работы тепловых двигателей и охрана окружающей среды»

Цель: раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей и показать их влияние на экологическую обстановку окружающей среды и пришкольной территории.

Введение. Тема и цель урока.

Целый мир, охватив от Земли до небес,

Всполошив не одно поколение,

По планете шагает научный прогресс.

Что несет нам его проявление?

Слово “Историкам” – об истории возникновения и развития тепловых двигателей.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Примерно три столетия спустя в сочинениях Герона Александрийского были описаны различные машины и механизмы, которые явились прообразами современных реактивных двигателей.

Через 15 столетий в рукописях Леонардо да Винчи были обнаружены несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня.

В 17-18 веках над изобретением паровой машины трудились англичане Томас Севери (1650-1715), Томас Ньюкомен (1663-1729), француз Дени Папен (1647-1714), русский ученый Иван Иванович Ползунов (1728-1766), английский механик Джеймс Уатт (1736-1819).

В двигателе Уатта применен так называемый кривошипно-шатунный механизм, преобразовывающий возвратно-поступательное движение поршня во вращательное движение колеса. Первый дизель, выпущенный в 1897 г имел коэффициент полезного: η = 22%. Паровая машина Уатта – 1768 – η = 3-4%.

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей – двигатель внутреннего сгорания (ДВС). На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели:

на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания;

на водном ДВС и паровые турбины (для крупных судов);

на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками;

в авиации – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.

Все выше, и выше, и выше

К вершинам наук мы идем.

И если в пути не взорвемся

То к цели заветной придем.

Двигатели внутреннего сгорания существуют в двух вариантах: в виде бензинового ДВС и дизеля.

Модель ДВС. Наибольшее распространение в технике получил четырёхтактный ДВС.

внутри цилиндра движется поршень – металлический стакан, опоясанный пружинами кольцами, которые не пропускают газы, образовавшиеся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень соединён металлическим стержнем с шатуном, он с коленчатым валом. Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя клапанами.

Первый клапан – впускной – через него подаётся горючая смесь.

Второй клапан – выпускной – через него удаляются продукты сгорания.

В верхней части цилиндра находится свеча – приспособление для зажигания горючей смеси посредством электрической искры. Принцип работы 4-x тактного ДВС.

Первый такт – впуск. Открывается впускной клапан. Поршень, двигаясь вниз, (засасывает) впускает в цилиндр горючую смесь.

Второй такт – сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

Третий такт – рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскалённых продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передаётся коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, давление в цилиндре падает почти до атмосферного.

Четвёртый такт – выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу.

Двигатель снабжает маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию), за счёт которого коленчатый вал вращается в течение 1, 2 и 4 тактов.

Рассмотрим физические принципы работы теплового двигателя.

Основными частями любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело – это вещество, внутренняя энергия которого используется для преобразования в механическую энергию. Положительную работу рабочее тело совершает при увеличении объёма вследствие нагревания или расширения, поэтому наиболее удобным рабочим телом является газ или пар, способные значительно изменять свой объём;

2) нагреватель – совокупность частей, обеспечивающих увеличение температуры рабочего тела;

3) холодильник – совокупность устройств, служащих для охлаждения рабочего тела.

Для непрерывной работы двигателя необходимо рабочее тело периодически возвращать в начальное состояние, т.е. осуществляет круговой процесс.

Для того чтобы двигатель в результате замкнутого цикла совершил положительную работу, необходимо, чтобы работа при расширении рабочего тела была больше, чем работа при его сжатии, т.е. расширение протекло при более высоких давлениях, чем сжатие.

Читайте также:  Подшипник коробки передач газ

Возможность такого замкнутого цикла рассмотрим на модели теплового двигателя.


Она состоит из V-образной стеклянной трубочки, до половины наполненной водой, одно колено соединено резиновым шлангом с теплоприемником. Если теплоприемник поместить в сосуд с горячей водой, то воздух, расширяясь, будет оказывать давление на воду и уровень ее в первом колене, соединенном с теплоприемником, будет понижаться, а во втором колене – повышаться, поднимая поплавок. При охлаждении теплоприемника в холодной воде поплавок будет опускаться вниз. Цикл повторять многократно.

В данном опыте нагреватель – горячая вода, рабочее тело – воздух в теплоприемнике, холодильник – холодная вода.

Демонстрация принципа действия тепловой машины.

Возьмите высокий тонкостенный стакан, сначала налейте в него слой анилина толщиной 1-2 см, а затем заполните его водой. Нагревайте стакан снизу на спиртовке. При этом капли анилина поднимаются вверх, а через некоторое время вновь опускаются вниз. Такое явление наблюдается до тех пор, пока не прогреются верхние слои воды. Объясните явление.

На опыте наблюдается принцип действия тепловой машины. Мы имеем нагреватель, рабочее тело (анилин) и холодильник. Рабочее тело получает энергию от нагревателя и за счет части ее совершает работу по преодолению силы тяжести и силы трения. Другую часть энергии рабочее тело отдает холодильнику (верхним слоям воды и окружающей среде).

При нагревании анилина плотность его уменьшается и становится меньше плотности воды при той же температуре, поэтому он поднимается. Вверху анилин охлаждается, плотность его увеличивается и становится больше плотности воды, поэтому он опускается.

Над горящей электролампой поместить бумажную вертушку. Она приходит во вращение. Что является нагревателем, рабочим телом и холодильником в данной машине? Где поток воздуха имеет большую температуру: под вертушкой или над ней и почему?

Нагреватель – лампа, рабочее тело – воздух, вращающий вертушку, а холодильник – воздух над вертушкой. Над вертушкой поток воздуха имеет меньшую температуру, так как часть его энергии идет на совершение механической работы.

КПД тепловой твой друг и попутчик,

Вместе с друзьями его рассчитай.

Если от знаний тебя распирает,

Ты свои знанья другим передай.

При работе всех тепловых машин: двигателей внутреннего сгорания, паровых и газовых турбин – используются замкнутые (круговые) процессы.

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

Для оценки эффективности преобразования внутренней энергии газа в механическую работу вводится коэффициент полезного действия. Он равен отношению полезной работы совершаемой за цикл, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = А / Q 1.

Используя цикл двигателя внутреннего сгорания, ответьте на следующие вопросы:

1. Какой процесс описывает каждый участок графика.

2. Как подсчитать работу за один цикл.

Все выше, и выше, и выше

Летит эта гарь к небесам

И кто этой гарью подышит

Туда же отправится сам.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используют тепловые двигатели. Без них современная цивилизация немыслима.

В то же время повсеместное использование тепловых двигателей связано с отрицательным воздействием на окружающую среду.

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа, способного поглощать тепловое инфракрасное излучение поверхности Земли.

Рост концентрации углекислого газа в атмосфере, приводит к повышению ее температуры (парниковый эффект.)

Ежегодно температура атмосферы Земли повышается на 0,05 градусов. Этот эффект может создать угрозу таяния ледников и катастрофическое повышение уровня Мирового океана.

Продукты сгорания топлива существенно загрязняют окружающую среду. Углеводороды, вступая в реакцию с озоном, находящимся в атмосфере, образуют химические соединения, не благоприятно воздействующие на жизнедеятельность животных и человека. Велик вред и растениям. В результате диффузии и поглощения газов клеточным соком они попадают внутрь клеток и нарушают их нормальную жизнедеятельность. Под влиянием ядовитых газов подавляется фотосинтез и нарушается водообмен. Например, при остром поражении сернистым газом у большинства растений через 1-2 часа буреют и гибнут листья. Потребление кислорода при горении топлива уменьшает его содержание в атмосфере.

«Роль тепловых двигателей в современной цивилизации и охрана окружающей среды».

Цель: изучить влияние автомобильного транспорта на состояние экосистемы района школы.

Выявить уровень загруженности автотранспортом дорог, прилегающих к школе № 1018, а так же автотрассы Боровское шоссе в различное время суток.

Составить графики загруженности (единиц автомобильной техники / час на протяжении суток).

Провести сравнительный анализ загруженности автодорог и удаленность от зеленых насаждений.

По результатам исследований сделать выводы и рекомендации.

Большое влияние на состав выхлопных газов оказывает техническое состояние двигателя. Дефекты поршневых колец, гильз цилиндров, загрязнение свечей зажигания и другие неисправности являются причиной повышения токсичности выхлопных газов.

Профессии в различных видах транспорта, от которых зависит нормальная работа тепловых двигателей при эксплуатации и экологическая безопасность страны.

В автомобильном транспорте: водитель, слесарь по ремонту, механик.

В воздушном транспорте: пилот, бортинженер, авиационный техник.

Железнодорожный транспорт: машинист локомотива, помощник машиниста, техник-путеец.

В водном транспорте: матрос, судовой техник, моторист, штурман.

В жизни всему уделяется место,

Рядом с добром уживается зло.

Кто инженером хоть раз побывает,

Может считать, что ему повезло

Слово «Инженерам» – они расскажут, чем вызвано отрицательное влияние тепловых машин и о том, какие меры следует предпринять, чтобы остановить загрязнение атмосферы.

Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду вызвано действием различных факторов: при сжигании топлива используется кислород их атмосферы, вследствие чего содержание его в воздухе постепенно уменьшается.

Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Сгорание горючей смеси в камере сгорания происходит при высоком давлении и температуре. В результате этого образуются сложные газообразные соединения, из которых, например, СО; SO 3 ; NO 2 токсичны.

Под влияние выхлопных газов в атмосфере идут сложные и многообразные фотохимические реакции с образованием новых продуктов, к которым относятся озон, органические пераксиды, свободные радикалы, а они могут оказывать на организм общетоксическое действие. Быстрому развитию автомобильного транспорта – главного источника загрязнения атмосферы, присущ ряд особенностей: численность автомашин в крупных городах растет очень быстро, следовательно, растет выброс вредных веществ в атмосферу; автомобиль – движущийся источник, его сложно отделить, как предприятие, санитарно-защитной зоной; автомобильные газы представляют собой сложную смесь токсичных компонентов, их рассеивание в атмосфере затруднено.

Для охраны окружающей среды необходимо:

широко использовать фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ;

резко ограничить использование соединений тяжелых металлов, добавляемых в топливо, особенно соединение свинца;

завершить разработку двигателей, использующих водород в качестве горючего (выхлопные газы состоят из безвредных паров воды);

начать серийный выпуск электромобилей и автомобилей, использующих солнечную энергию;

добиваться повышение КПД тепловых двигателей, за счет уменьшения потерь энергии на трение, потерь топлива вследствие неполного его сгорания и т.д.

Ведущий

Мы сегодня стоим перед проблемой проблем,

Проступившей так четко и явственно.

Видно время серьезно задуматься всем

Над вопросом – «Наука и нравственность».

Ощутив себя господином природы, человек – вольно или невольно – стал применять в отношении к ней давний признак всех поработителей «разделяй и властвуй».

Но к чему это привело. Общий результат техногенеза: уменьшение количества кислорода и азота, рост содержания углекислого газа, метана, окиси углерода, аэрозолей, пыли.

Первичная (архейская) атмосфера, как принято считать, состояла из метана, аммиака, углекислого газа, водяного пара. В числе микропримесей находился кислород.

Следовательно, началось ПОПЯТНОЕ развитие атмосферы – к первичному ее составу. Техногенные процессы сдвигают достигнутое динамическое равновесие газов биосферы в обратную сторону.

Регресс вместо прогресса!

Противодействовать этому может только разумная, сознательная деятельность человека, а может и «бездеятельность» его там, где это необходимо для сохранения биосферы.

Источник