Лекция по физике "Принцип действия тепловой машины. КПД теплового двигателя. Второе начало термодинамики. Термодинамическая шкала температур"

Лекция 12. Принцип действия тепловой машины. КПД теплового двигателя. Второе начало термодинамики.

Термодинамическая шкала температур.

1.                 Изучить материал Лекция 12.  Принцип действия тепловой машины. КПД теплового двигателя. Второе начало термодинамики. Термодинамическая шкала температур, [3] (стр.228-241).

2.                 Посмотреть видеоурок по ссылке https://ya.ru/video/preview/13508016661136881812.

3.      Сделать краткий конспект лекции в рабочей тетради и записать решенную задачу.

4.                 Ответить на вопросы для самоконтроля.

5.                 Ответить на вопросы онлайн-теста по ссылке https://onlinetestpad.com/ru/testview/23728-229-principy-dejstviya-teplovykh-mashin-kpd.

6.                 Ответы, фото конспекта выслать на почту преподавателя slehekha@yandex.ru или телеграмм группу.

Лекция 12. Принцип действия тепловой машины. КПД теплового двигателя. Второе начало термодинамики.

Термодинамическая шкала температур.

Цели:

образовательные: раскрыть физические принципы действия тепловых двигателей, ознакомить обучающихся с различными видами тепловых двигателей, с историей их изобретения, показать их применение на транспорте, в энергетике, в промышленности и сельском хозяйстве. Показать достоинства и недостатки различных двигателей, пути повышения КПД, рассмотреть вопросы охраны окружающей среды.

развивающие: организовать процесс познания обучающихся как самостоятельную деятельность познающего, развивать их умения работы с дополнительной литературой и ИКТ, коммуникативные умения: сотрудничество при работе в группе, культуру ведения дискуссии, презентации результатов.

воспитательные: формировать целостное представление обучающихся о мире (природе, обществе и самом себе), о роли и месте физики в системе наук.

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).

Рабочее тело - тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

План

1.                 Тепловые машины.

2.                 КПД тепловых машин.

3.                 Второе начало термодинамики.

4.                 Цикл Карно.

5.                 Роль тепловых двигателей

6.                 Экологические проблемы

1.                 Тепловые машины.

Все тепловые двигатели обладают общим свойством — повторяемостью процессов (цикличностью), в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние.

Если система совершает положительную работу, то цикл называется прямым. Если работа отрицательная — обратный.

Каждый цикл включает в себя следующие процессы:

1.                 получение рабочим телом энергии;

2.                 совершение работы рабочим телом при расширении;

3.                 передача части энергии от рабочего тела;

4.                 совершение работы рабочим телом при сжатии.

§     Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q₁, называется нагревателем.

У паровой турбины нагревателем является паровой котел, у двигателя внутреннего сгорания — сами продукты сгорания топлива.

Обозначим температуру нагретого рабочего тела через T₁. Ее называют температурой нагревателя.

§     Устройство, которому рабочее тело отдает часть количества теплоты Q₂, называется холодильником.

Обозначим температуру охлажденного рабочего тела через T₂. Ее называют температурой холодильника.

Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара.

Таким образом, любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника (рис. 1).

Рис. 1. Схема  тепловой машины

2.                 КПД теплового двигателя

Рабочее тело (пар или газ) получает некоторое количество теплоты Q₁ от нагревателя. При этом газ расширяется и совершает работу A₁ (A₁ >0). Часть количества теплоты Q₂ рабочее тело отдает холодильнику и при сжатии совершает работу A₂ (A₂ <0). Полная работа A рабочего тела равна сумме работ при расширении A₁ и сжатии A₂, и равна разности полученного Q₁ и отданного Q₂ количества теплоты:

Отношение совершенной машиной работы A к количеству теплоты Q₁, полученному от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД):

КПД характеризует эффективность работы тепловой машины, т.е. какая часть полученной энергии преобразуется в механическую.

Из формулы видно, что, так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику (Q₂ ≠ 0), то КПД η < 1.

3.                 Второе начало термодинамики

Рассмотрим несколько примеров:

1.                 при диффузии происходит самопроизвольное выравнивание концентраций. Но обратный процесс сам по себе никогда не пойдет, т.е. смесь газов не разделится на составляющие ее компоненты;

2.                 в результате теплообмена энергия передается самопроизвольно от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе не происходит;

3.                 механическая энергия может полностью переходить во внутреннюю энергию, например, при неупругом ударе или при трении. Но самопроизвольный обратный переход не наблюдается.

Подобные примеры говорят о том, что реальные тепловые процессы всегда происходят только в одном направлении. В обратном направлении они не могут протекать самопроизвольно, т.е. все процессы в природе необратимы.

§     Необратимый процесс — это такой процесс, обратный которому может протекать только как часть более сложного процесса.

Например, чтобы увеличить амплитуду колебаний математического маятника, его нужно подтолкнуть, т.е. это будет результат другого процесса. Можно передать энергию от холодного тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая дополнительную энергию, и т.п.

Ни закон сохранения энергии, ни первое начало термодинамики не запрещают обратные процессы.

Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым началом термодинамики. Это постулат, который установлен путем обобщения опытных фактов. Есть несколько формулировок второго начала термодинамики.

В 1850 г. немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку:

§     невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим.

В 1851 г. английский физик Томсон (У. Кельвин) предложил свою формулировку:

§     невозможен такой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, полученной от нагревателя.

Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса. Система может все подведенное извне количество теплоты преобразовать в работу, например, при изотермическом расширении газа. Но если потребуется повторить этот процесс еще раз, то надо или над газом совершить работу, или газ охладить, т.е. совершить еще несколько процессов.

§     Двигатель, в котором все подводимое тепло идет на совершение работы, называется вечным двигателем второго рода.

§     КПД такого двигателя равнялось бы 100%, т.к. Q₂ = 0.

И тогда получаем еще одну формулировку второго начала термодинамики:

§     Невозможно построить вечный двигатель второго рода.

4.                 Цикл Карно

Французский инженер Сади Карно (1796-1832) исследовал основные закономерности работы тепловых двигателей. Изучая обратимые циклические процессы, он установил, что наиболее эффективный (обладающий максимальным КПД) цикл работы теплового двигателя должен состоять из двух изотерм и двух адиабат (рис. 13):

§     процесс 1-2 — изотермическое расширение при температуре T₁;

§     процесс 2-3 — адиабатное расширение с понижением температуры до T₂;

§     процесс 3-4 — изотермическое сжатие при температуре T₂;

§     процесс 4-1 — адиабатное сжатие с повышением температуры до T₁.

Рис. 2.

КПД такого цикла можно рассчитать по формуле:

,

где T₁ — температура нагревателя, T₂ — температура холодильника.

Из формулы видно, что для повышения КПД необходимо увеличивать T₁ или уменьшать T₂. Так как холодильником в большинстве случаев служит окружающая среда, то основной способ повышения КПД состоит только в повышении температуры нагревателя.

КПД был бы η = 1, если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю: T₂ = 0 К, что не достижимо.

Цикл Карно — идеальный цикл. В реальных циклах нельзя осуществить идеальную адиабатность и изотермичность. Кроме того, не устранимы потери на трение. Поэтому КПД в реальных тепловых двигателях всегда меньше, чем рассчитанный по формуле.

5.                 Роль тепловых двигателей

Тепловые двигатели являются основными преобразователями энергии топлива в другие виды энергии. Развитие современной цивилизации без них было бы невозможным. Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин.

Все тепловые двигатели можно разделить на три группы:

1.                 поршневые — под действием давления газа происходит колебательное (возвратно-поступательное) движение поршня;

2.                 ротационные — струя газа направляется на лопасти турбины и приводит ее во вращение;

3.                 реактивные — газообразные продукты сгорания выбрасываются из рабочей камеры с большой скоростью и приводит двигатель в движение.

К поршневым двигателям относятся паровые машины и двигатели внутреннего сгорания.

Паровые машины — это первые тепловые машины. Они были созданы И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.). Они применялись на судах (пароходы) и на железнодорожных локомотивах (паровозы), а также в стационарных установках для привода станков. Но из-за низкого КПД (9-12 %) в настоящее время они не используются.

Двигатели внутреннего сгорания (карбюраторный (Н. Отто, 1876) и дизель (Р.Дизель, 1897)), согласно статистике, самый распространенный тип теплового двигателя. Они используются в основном на транспорте: автомобили, теплоходы, трактора, тепловозы. КПД этих двигателей равен от 20-35% (карбюраторные) до 30-45 % (дизель).

6.                 Экологические проблемы

Тепловые двигатели оказывают вредные воздействия на окружающую среду:

1.                 КПД тепловых двигателей η < 50 %, поэтому большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве. Это приводит к нагреву окружающей среды (тепловое загрязнение), что ухудшает общую экологическую обстановку;

2.                 выброс в атмосферу продуктов сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.), вредные для растений, животных и человека;

3.                 повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает "парниковый эффект" Земли.

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

1.                 эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;

2.                 использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;

3.                 повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

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

Решение задач

1.                 Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 27,6 МДж потребовалось 2 кг бензина.

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.

Найти: Q₁.

Решение

  = 

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Вопросы для самоконтроля

1.                 В чем заключается принцип действия тепловой машины?

2.                 Как определить КПД тепловой машины?

3.                 Приведите формулировки второго начала термодинамики.

4.                 Почему невозможен вечный двигатель второго рода?

5.                 Изобразите цикл Карно в координатах P-V. Как можно повысить КПД тепловой машины?

Опорный конспект

Скачано с www.znanio.ru