Паровая турбина вид теплового двигателя

Содержание Тепловые двигатели Вы уже знаете, что механическая энергия может переходить во внутреннюю. А возможен ли обратный процесс? Оказывается, возможен, например, в тепловых машинах двигателях. Тепловым двигателем называется устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии системы. Основным источником энергии, используемой различными машинами, являются различные виды химического горючего. Из всей энергии, потребляемой человечеством в год, около 90% получается за счет сжигания угля, нефти и газа. Тепловые двигатели весьма разнообразны как паровая турбина вид теплового двигателя конструкции, так и по назначению. Это и паровые турбины на тепловых электростанциях, и двигатели внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, и реактивные двигатели различных типов. Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Эта разность давлений достигается за счет повышения температуры на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Нагревают при этом газ, который и совершает работу при расширении. Газ, совершающий работу при расширении, называется рабочим телом. Например, в паровых машинах и турбинах нагревают пар. В двигателях внутреннего сгорания повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Паровая турбина вид теплового двигателя газ не сжался, установим специальные упоры внутри цилиндра рис. Давление газа p 1 атмосферноеобъем V 1 и температура T 1. По мере повышения температуры в цилиндре давление газа возрастает, но объем остается неизменным до паровая турбина вид теплового двигателя пор, пока давление снаружи p 2 давление паровая турбина вид теплового двигателя с грузом и атмосферное давление p 1 больше давления внутри. И при некотором значении температуры Т 2 давления сравняются давление газа станет равным p 2. Этому процессу паровая турбина вид теплового двигателя графике p V соответствует изохора АВ рис. При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза объем газа в цилиндре увеличивается от V 1 до V 2, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения T 3 рис. Этому процессу на графике p V соответствует изобара ВС рис. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не имеет практического интереса. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. Но если сжимать газ при той же температуре T 3 до объема V 1, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении рис. Работа равна площади заштрихованной фигуры V 1 ECV 2. Поэтому сжимать газ необходимо при более низкой температуре, т. При понижении температуры в цилиндре давление газа начнет уменьшаться, но объем остается неизменным до тех пор, пока давление снаружи p 1 атмосферное давление меньше давления внутри. И при некотором значении температуры Т 4 давления сравняются давление газа станет равным p 1 рис. Паровая турбина вид теплового двигателя процессу на графике p V соответствует изохора CD рис. Давление поршня атмосферное давление на газ остается постоянным, поэтому сжатие происходит по изобарному закону. Объем газа в цилиндре уменьшается от V 2 до V 1, температура в конце изобарного процесса сжатия достигает значения T 1 рис. Этому процессу на графике p V соответствует изобара DA рис. В этом случае работа газа при сжатии численно будет меньше работы газа при расширении. Работа газа при расширении положительна и равна площади фигуры V 1 BCV 2 см. Работа газа при сжатии отрицательна и равна площади фигуры V 1 ADV 2 см. Поэтому полная работа газа цикла, равная сумме работ при расширении и сжатии, и равна площади заштрихованной фигуры BCDA на графике p V рис. Принцип действия тепловых двигателей Все тепловые двигатели паровая турбина вид теплового двигателя общим свойством — повторяемостью процессов цикличностьюв результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние. Если система совершает положительную работу, то цикл называется прямым. Если работа отрицательная — обратный. На графике p V прямые циклы имеют направление обхода по часовой стрелке см. Каждый цикл включает в себя следующие процессы: получение рабочим телом энергии; совершение работы рабочим телом при расширении; передача части энергии от рабочего тела; совершение работы рабочим телом при сжатии. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q 1, называется нагревателем. У паровой турбины нагревателем является паровой котел, у двигателя внутреннего сгорания — сами продукты паровая турбина вид теплового двигателя топлива. Обозначим температуру нагретого рабочего тела через T 1. Ее называют температурой нагревателя. Устройство, которому рабочее тело отдает часть количества теплоты Q 2, называется холодильником. Обозначим температуру охлажденного рабочего тела через Паровая турбина вид теплового двигателя 2. 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. Второе начало термодинамики Рассмотрим несколько примеров: при диффузии происходит самопроизвольное выравнивание концентраций. Но обратный процесс сам по себе никогда не пойдет, т. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему сам по себе не происходит; 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. Необратимый процесс — это такой процесс, обратный которому может протекать только как часть более сложного процесса. Например, чтобы паровая турбина вид теплового двигателя амплитуду колебаний математического маятника, его нужно подтолкнуть, т. Можно передать энергию от паровая турбина вид теплового двигателя тела к горячему, но для этого нужна холодильная установка, потребляющая дополнительную энергию, и т. 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. Клаузиус дал такую формулировку: невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим. Кельвин предложил свою формулировку: невозможен такой процесс, единственным паровая турбина вид теплового двигателя 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 паровая турбина вид теплового двигателя газа. Но если потребуется повторить этот процесс еще раз, то надо или над газом совершить работу, или газ охладить, т. Двигатель, в котором все подводимое тепло идет на совершение работы, называется вечным двигателем второго рода. КПД такого двигателя равнялось бы 100%, т. И тогда получаем еще одну формулировку второго начала термодинамики: Невозможно построить вечный двигатель второго рода. 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. Из формулы видно, что для повышения КПД необходимо увеличивать T 1 или уменьшать T 2. Так как холодильником в большинстве случаев служит окружающая среда, то основной способ повышения КПД состоит только в повышении температуры нагревателя. Цикл Карно — идеальный цикл. В реальных циклах нельзя осуществить идеальную адиабатность изотермичность. Кроме того, не устранимы потери на трение. Поэтому КПД в реальных тепловых двигателях всегда меньше, чем рассчитанный по формуле. 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: поршневые — под действием давления газа происходит колебательное возвратно-поступательное движение поршня; ротационные — струя газа направляется на лопасти турбины и приводит ее во вращение; 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 Они применялись на судах пароходы и на железнодорожных локомотивах паровозыа также в стационарных установках для привода станков. Но из-за низкого КПД 9-12 % в настоящее время они не используются. Двигатели внутреннего сгорания карбюраторный Отто, 1876 и дизель Дизель, 1897согласно статистике, паровая турбина вид теплового двигателя 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. Судовой дизельный паровая турбина вид теплового двигателя 12-цилиндровая версия Wartsila - Sulzer - RTA96-C К роторным двигателям относятся паровая Лаваль, 1889 и газовая паровая турбина вид теплового двигателя. Они применяются на тепловых и атомных электростанциях, в самолетах. КПД их равен 25-40%. Паровая турбина Siemens, Германия Реактивные двигатели Циолковский, 1903 широко используются в качестве двигателей самолетов и ракет. КПД этих двигателей растет с увеличением скорости аппарата и примерно равен 40-50%. ТРДД АИ-25, используемый на пассажирском самолете Як-40 См. Это приводит к нагреву окружающей среды тепловое загрязнениечто ухудшает общую экологическую обстановку; выброс в атмосферу продуктов сгорания топлива сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др. В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить: эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов; использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания; 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. Физика в средней школе: Теория. Физика; Справ, материалы: Учеб.