Какие преобразования энергии происходят в тепловых двигателях

Урок по физике на тему “Принцип действия теплового двигателя”

Курс повышения квалификации за 340 рублей!

Эмоциональное выгорание педагогов. Профилактика и способы преодоления

Принцип действия теплового двигателя. КПД теплового двигателя.

Создать условия для изучения устройства и принципа работы тепловой машины;

Организовать деятельность студентов по изучению и применению знаний в различных ситуациях;

Создать условия для развития у студентов умение выделять главное, умение анализировать условие задачи, ее решение и полученный результат.

Формировать у студентов мотивацию к изучению физики;

Развивать умение логического мышления, полноты и аргументированности высказываний, навыки выделения интегрированной связи физики с другими науками;

Воспитывать у студентов глубокое уважение к природе, науке, друг к другу;

Привить интерес к физике и расширить кругозор студентов.

Межпредметные связи : математика, устройство автомобиля.

Тип урока : урок получения новых знаний.

Применяемые технологии: проблемное обучение, информационно – коммуникационные, здоровьесберегающие.

Материалы и оборудование : модель ДВС, компьютер, проектор, экран, презентация, тест.

Формируемые ОК : ОК1, ОК2, ОК5, ОК6.

1. Организация начала урока – 2мин

2. Актуализация знаний – 5 мин

3. Изучение нового материала – 23 мин

4. Физкультминутка: выполнение гимнастики для глаз – 2 мин

5. Закрепление – 8 мин

6. Рефлексия – 2 мин

7. Подведение итогов – 1 мин

8. Домашнее задание – 2 мин

Организация начала урока.

Проверка списочного состава обучающихся, психологический настрой.

Преподаватель: Прежде, чем мы перейдём к изучению нового материала, давайте вспомним основные понятия, которые помогут нам определиться с темой сегодняшнего урока. Вам поможет кроссворд, ключевое слово которого имеет непосредственное отношение к теме сегодняшнего урока.

Единица измерения энергии (джоуль).

Источник тепловой энергии (топливо).

Кинетическая, потенциальная, внутренняя (энергия).

Дерево даешь – съедает, от воды – умирает (огонь).

Единица измерения мощности (ватт).

Величина, характеризующая степень нагретости тела (температура).

Один из видов теплопередачи (излучение).

Измеряется в паскалях (давление).

Единица измерения термодинамической температуры (Кельвин).

Преподаватель: Итак, ключевое слово «двигатель». Но двигатели бывают разные, т.к. реализуют в своей работе превращение одного из видов энергии в другой. Какой же именно двигатель будем изучать сегодня?

Постановка проблемы. Проведение опыта: В пробирку нальем немного воды, затем плотно закроем ее пробкой и нагреем воду до кипения. Что произойдёт? (Пробка выскочит). Почему это произошло? (Тепловая энергия перешла во внутреннюю энергию пара, а пар совершил работу).

Преподаватель: Итак, тема урока «Тепловые двигатели». Как вы думаете, что мы должны узнать о тепловых двигателях? (Устройство, виды двигателей, принцип работы).

Изучение нового материала

Внутренняя энергия представляет собой один из самых дешёвых видов энергии. Её можно получить, например, сжигая разнообразные виды топлива, чтобы затем за счёт неё совершить полезную работу. Превращение внутренней энергии в механическую очень важно для практической деятельности людей, для развития техники. Осуществляется такое превращение с помощью тепловых машин , называемых иначе тепловыми двигателями .

Тепловыми двигателями называют машины, в которых энергия топлива превращается в механическую энергию и за счёт неё совершается работа.

Существует несколько видов тепловых двигателей.

Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в энергию газа или пара, газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Простейший тепловой двигатель представляет собой металлический цилиндр. К стенкам цилиндра плотно пригнан поршень, который может двигаться вдоль цилиндра. В нём внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня. Такой двигатель был изобретён в конце XVII века и в дальнейшем усовершенствован.
В настоящее время известно множество разнообразных видов тепловых двигателей. Однако все они имеют в основе общий принцип действия.
Во всех двигателях энергия топлива сначала переходит во внутреннюю энергию газа или пара, нагретых до высокой температуры. Расширяясь, газ совершает работу против внешних сил и при этом охлаждается. При этом уменьшается его внутренняя энергия. Это означает, что часть его внутренней энергии превращается в механическую работу, например, по вращению вала турбины, движению поршня или какого-либо механизма. Оставшаяся часть внутренней энергии газа, не превращённая в механическую энергию, передаётся окружающей среде, которая играет роль охладителя и называется холодильником.
Таким образом, в конструкции всех тепловых двигателей можно выделить три основные необходимые части: нагреватель , в котором освобождается энергия топлива; рабочее тело , которым является пар или газ; холодильник , который забирает оставшееся неиспользованное количество теплоты.

Схема действия тепловых двигателей.

Из всех существующих двигателей мы рассмотрим ДВС. Как вы думаете, почему

двигатель называют ДВС?
Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя. ДВС – работает на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.
Рассмотрим модель ДВС в разрезе.

Двигатель состоит из цилиндра1 , в котором, перемешается поршень2, соединенный посредством шатуна 3, с коленчатым валом4. На валу укреплен тяжелый маховик 5, предназначенный для уменьшения неравномерности вращения вала. В верхней части цилиндра имеется два клапана 6 и 7, которые открываются и закрываются механически при помощи распределительного вала, свеча 8. Через впускной клапан поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через выпускной клапан выпускаются отработавшие газы. В таких двигателях постоянно происходит сгорание горючей смеси (пары бензина и воздуха). При сгорании этой смеси образуются газы, температура которых порядка 1600-1800 0 С.
А теперь более подробно рассмотрим схему работы такого двигателя (анимация) https://ekabu.ru/69121-poznavatelnaya-animaciya-mehanizmov-i-ustroystv.html .

1такт – впуск : при повороте вала поршень опускается вниз. Объём над поршнем увеличивается, в цилиндре создается разрежение, впускной клапан открывается и в цилиндр входит горючая смесь. В конце такта цилиндр заполняется горючей смесью и впускной клапан закрывается.

2 такт – сжатие : при дальнейшем повороте вала поршень начинает двигаться вверх и сжимает горючую смесь, когда поршень доходит до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь возгорается от электрической искры и быстро сгорает.

3 такт – рабочий ход : образующиеся при сгорании смеси газы давят на поршень, и он движется вниз. В этом случае двигатель совершает работу. Этот такт называется рабочим ходом. Во 2 и 3 тактах оба клапана закрыты.

4 такт – выпуск : в конце 3 такта выпускной клапан открывается и через него продукты сгорания выходят в атмосферу. В течение такта поршень движется вверх. В конце такта выпускной клапан закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из 4 тактов. Давайте вспомним их ещё раз.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за 4 хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Цикл двигателя:
Впуск. Сжатие. Рабочий ход. Выпуск.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем равна: А’ = Q ₁ – Q ₂ , где Q ₁ – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q ₂ – количество теплоты, отданное холодильнику.
Рассматривая работу теплового двигателя, мы с вами должны понимать эффективность системы, т.е. эффективность устройства машины. Как вы думаете, что является характеристикой эффективности устройства машины? ( КПД).
Коэффициент полезного действия (КПД) обозначается обычно η («эта»).
КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение работы A’ , совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η

Добавляйте авторские материалы и получите призы от Инфоурок

Тепловые двигатели

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

1. Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
2. Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться. Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1% — 2% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь. Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd соответствует полезной работе. Площадь фигуры V₁abcV₂ – это работа прямого хода, площадь V₂cdaV₁ – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*V k = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника T_X = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается КПД=60%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.

Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей

Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей». ВЫ УЗНАЕТЕ: Что такое удельная теплота сгорания топлива. Как вычислить количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива. Что такое тепловые двигатели. Что называют КПД теплового двигателя.

Энергия топлива.
Принципы работы тепловых двигателей

В глубокой древности люди научились разжигать огонь — первый самостоятельно добытый источник энергии. На огне готовят пищу, им обогревают жилище, он горит в топках тепловых электростанций. Для того чтобы огонь горел, необходимо топливо. В качестве топлива могут быть использованы уголь, нефть, торф, дрова, природный газ и др. Технический прогресс во многом зависит от умения человечества использовать огромные запасы внутренней энергии различных видов топлива.

ЭНЕРГИЯ ТОПЛИВА

При сгорании топлива выделяется энергия. Выясним, за счёт чего это происходит.

Горение топлива — это химическая реакция окисления, при которой атомы углерода, содержащиеся в топливе, соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе. В результате образуются молекулы углекислого газа, кинетическая энергия которых оказывается больше, чем у исходных частиц. Поэтому процесс горения сопровождается выделением энергии.

Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется теплотой сгорания топлива.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА СГОРАНИЯ ТОПЛИВА

Как показывают опыты, при сгорании 1 кг сухих берёзовых дров выделяется 1,0 • 10 7 Дж энергии. При сгорании 2 кг сухих дров выделяется 2,0 • 10 7 Дж, т. е. вдвое больше. Следовательно, количество теплоты, выделяемое при сжигании топлива, пропорционально массе топлива.

При сгорании разного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, при сжигании 1 кг нефти можно получить количество теплоты, в 3 раза большее, чем при сжигании той же массы торфа, и в 4 раза большее, чем при сжигании той же массы дров.

Приведённые примеры показывают, что при полном сжигании топлива массой m количество выделенной энергии Q зависит также от вида топлива:
Q = qm, (1)
где q — некоторая величина, характеризующая тепловые свойства топлива и называющаяся удельной теплотой сгорания топлива.

Нетрудно установить физический смысл этой величины. Если массу топлива принять равной единице массы, то согласно формуле (1) величина q будет численно равна количеству теплоты.

Измеряется удельная теплота сгорания топлива в джоулях на килограмм (1 Дж/кг).

ПРОСТЕЙШИЙ ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

Если в пробирку, плотно закрытую пробкой, налить немного воды и нагреть её до кипения, то под давлением образовавшегося пара пробка вылетит из пробирки. Часть энергии топлива перешла во внутреннюю энергию пара, который, расширяясь, совершил работу по перемещению пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

Если заменить пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра, то получится простейший тепловой двигатель. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии топлива в механическую, называют тепловыми двигателями.

Первые тепловые двигатели были созданы Т. Ньюменом, И. Ползуновым и усовершенствованы Д. Уаттом в XVIII в.

Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Газ, получив энергию от нагревателя, расширяется и совершает работу.

Для постоянной работы теплового двигателя необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Для этого газ нужно охладить. Следовательно, нужно иметь холодильник, которому рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты. Роль холодильника может выполнять и окружающий воздух. После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа, т. е. работа теплового двигателя состоит из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.

Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q₁ от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q₂|, отдаёт холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше А = Q₁ – |Q₂|.

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

При сгорании топлива в двигателе только часть энергии идёт на совершение полезной работы. Чем меньше энергии теряется, тем экономичнее тепловой двигатель.

Для характеристики экономичности различных двигателей вводится понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение полезной работы, совершённой двигателем, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя:

У всех тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже 50 %. Это означает, что более половины энергии, содержащейся в топливе, теряется.

Основная причина низкого КПД тепловых двигателей заключается в том, что пар или газ, получив энергию от сгоревшего топлива, не может её полностью превратить в механическую энергию. Часть её неизбежно рассеивается в окружающем пространстве и не может быть использована.

Вы смотрели Конспект по физике для 8 класса «Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей».

Источники:

http://infourok.ru/urok-po-fizike-na-temu-princip-deystviya-teplovogo-dvigatelya-3470883.html
http://fizikatyt.ru/2016/09/24/%D1%82%D0%B5%D0%BF%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B5-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D0%B8/
http://xn--8-8sb3ae5aa.xn--p1ai/jenergija-topliva-principy-raboty-teplovyh-dvigatelej/