Топлинна машина: цикъл, работа, ефективност. Екологични проблеми на термичните машини. Каква е идеалната термична машина?

Необходимост от употреба механична енергия

Устройството за термични машини

Термична машина (термодвигател) е устройство за преобразуване на вътрешната енергия в механична енергия.

Всяка термична машина има нагревател, работно тяло (газ или пара), което в резултат на нагряването извършва работа (върти турбинния вал, движи буталото и т.н.) и хладилника. Фигурата по-долу показва схемата на топлинния двигател.

Основите на действието на топлинните двигатели

Всяка термична машина се управлява от двигателя. За да изпълни задачата, той трябва да има разлика в налягането от двете страни на буталото на двигателя или от остриетата на турбината. Тази разлика се постига във всички термични двигатели, както следва: температурата на работния флуид се повишава със стотици или хиляди градуси в сравнение с температурата на околната среда. В газови турбини и при двигатели с вътрешно горене (ICE), температурата се повишава поради факта, че горивото гори в самия двигател. Хладилникът може да бъде атмосфера или устройство със специално предназначение за кондензиране и охлаждане на използваната пара.

Цикълът Carnot

Цикълът (кръгов процес) е набор от промени в състоянието на газа, в резултат на което той се връща в първоначалното си състояние (може да работи). През 1824 г. френският физик Сади Карно показал, че е изгодно да цикъл топлинен двигател (Carnot цикъл), който се състои от два процеса - изотермичен и адиабатичен. Фигурата по-долу показва графика на цикъла Carnot: 1-2 и 3-4 - изотерми, 2-3 и 4-1 - адиабати.

Съгласно закона за опазване на енергията, работата на термичните машини, извършвани от двигателя, е:

А = Q₁- Q₂,

където Q₁ - количеството топлина, което се получава от нагревателя, и Q₂ - количеството топлина, което се дава на хладилника.
Ефективността на топлинния двигател е съотношението на работата А, извършена от двигателя, до количеството топлина, което се получава от нагревателя:

етанол = А / Q = (Q₁- Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁.

В "Мисли за двигателната сила на огъня и за машини, които са в състояние да развие тази сила" (1824), описани по-Карно топлинен двигател под името "идеален топлинен двигател с идеален газ, който е работен орган." Благодарение на законите на термодинамиката е възможно да се изчисли ефективността (най-високата възможна) на топлинен двигател с нагревател, който има температура Т₁, и хладилник с температура Т₂. Топлинната машина Carnot има ефективност:

eta-_макс = (Т₁ - Т.₂) / T₁ = 1 - Т₂/ Т_1.

Сади Карно доказа, че всяка термична машина е реална, която работи с нагревател с температура Т₁ и хладилник с температура Т₂ не е в състояние да има ефективност, която би превишила ефективността на термичната машина (идеална).

Двигателят с вътрешно горене (ICE)

Четиритактовата ICE се състои от един или няколко цилиндъра, бутало, колянов механизъм, всмукателен и изпускателен клапан и свещ.

Работният цикъл се състои от четири цикъла:

1) всмукване - горимата смес влиза през клапана в цилиндър-
2) компресия - и двата клапана са затворени -
3) работен ход - експлозивно изгаряне на горима смес -
4) отработилите газове в атмосферата.

Парна турбина

В парна турбина преобразуването на енергията възниква поради разликата в налягането на водните пари при входа и изхода.
Мощностите на съвременните парни турбини достигат 1300 MW.

Някои технически параметри на парна турбина с мощност 1200 MW

• Налягането на парите (пресни) е 23,5 МРа.
• Температурата на парата е 540 ° С.
• Дебитът на парата на турбината е 3600 т / час.
• Скоростта на ротора е 3000 оборота в минута.
• Налягането на парите в кондензатора е 3,6 kPa.
• Дължината на турбината е 47.9 м.
• Масата на турбината е 1900 тона.

Топлинният двигател се състои от въздушен компресор, горивна камера и газовата турбина. Принцип на работа: в компресора въздух се адиабатично засмуква, така че температурата му се повишава до 200 ° C или повече. Следващия път сгъстен въздух пада в горивната камера, където едновременно с голямо натоварване течното гориво навлиза в керосина, фотогеновото гориво. При изгаряне на горивото въздухът се загрява до температура 1500-2000 ° C, разширява се и се увеличава неговата скорост. Въздухът се движи с висока скорост и продуктите от горенето се изпращат до турбината. След прехода от сцената към сцената, продуктите на изгаряне дават на своите турбинни лопатки своята кинетична енергия. Част от енергията, получена от турбината, отива към въртенето на компресора - останалата част се изразходва за въртене на ротора на електрически генератор, витло на самолет или морски кораб и колелата на колата.

Газовата турбина може да се използва, освен въртене равнина и колелата на превозното средство или витлата на кораба, като реактивен двигател. Въздушни и горивни газове се изхвърлят при висока скорост от газовата турбина, така тяга на струята, който възниква в този процес може да се използва да се движат въздухоплавателно средство (самолет) и вода (кораб) кораби, железопътния транспорт. Например, турбовитлови двигатели имат An-24, An-124 (Ruslan), An-225 (Dream). По този начин "Dream" при скорост на полет 700-850 км / ч е в състояние да транспортира 250 тона товари на разстояние от почти 15 000 км. Това е най-големият транспортен самолет в света.

Екологични проблеми на термичните машини

Голямо влияние върху климата оказва състоянието на атмосферата, по-специално наличието на въглероден диоксид и водни пари. Следователно, промяната на съдържанието на въглероден диоксид води до увеличаване или намаляване на парниковия ефект, в които въглероден диоксид абсорбира част от топлината, която се излъчва в пространството земята, забавяне на увеличенията на атмосферата и по този начин температурата на повърхността и долната атмосферата. Феноменът на парниковия ефект играе решаваща роля за смекчаването на климата. При негово отсъствие средната температура на планетата не би била + 15 ° С, а по-ниска с 30-40 ° С.

Сега в света има повече от 300 милиона различни видове автомобили, които създават повече от половината от замърсяването на атмосферата.

Над 1 година в атмосферата от топлинна енергия от изгарянето на гориво се разпределя 150 милиона тона на серни оксиди, 50 милиона тона азотен оксид, 50 милиона тона пепел, 200 милиона тона въглероден окис, 3 милиона тона Feona.

Съставът на атмосферата включва озон, който защитава целия живот на земята от вредните ефекти на ултравиолетовите лъчи. През 1982 г. д-р Фарман, английски изследовател открил озонова дупка над Антарктида - временно намаляване на озона в атмосферата. По време на максималното развитие на озоновата дупка на 7 октомври 1987 г. количеството озон в него се е понижило 2 пъти. Озоновата дупка вероятно е възникнала в резултат на антропогенни фактори, включително употребата на хлорони (фреони), съдържащи хлор в индустрията, които разрушават озоновия слой. Въпреки това, проучванията от 90-те години. не потвърди тази гледна точка. Най-вероятно появата на озоновата дупка не е свързана с човешката дейност и е естествен процес. През 1992 г. и над Арктика бе открита озонова дупка.

Ако целият атмосферен озон се събере в слой близо до повърхността на Земята и се сгъсти до плътност на въздуха при нормално атмосферно налягане и 0 ° C, дебелината на озоновия щит ще бъде само 2-3 mm! Това е целият щит.

Малко история ...

• Юли 1769 г. В парка "Меудън" в Париж военният инженер Н. Дж. Куну на "огнена количка", оборудвана с двуцилиндров парен двигател, измина няколко десетки метра.
• 1885 година. Карл Бенц, немски инженер, построи първия бензинов четиритактов триколесен мотор с мощност от 0.66 kW, който на 29 януари 1886 г. получи патент. Скоростта на автомобила достига 15-18 км / ч.
• 1891 година. Gottlieb Daimler, немският изобретател, произвежда кола с 2,9 кВт (4 конски сили) от колата. Максимална скорост Колата достига 10 км / ч, капацитетът на носене в различни модели варира от 2 до 5 тона.
• 1899 година. Белгийският К. Женади в колата си "Jame Contant" ("Винаги недоволен") за пръв път преодоля 100 километровата скорост.

Примери за решаване на проблеми

Задача 1. Температурата на нагревателя е идеална топлинна машина, равна на 2000 K, а температурата на хладилника е 100 ° C. Определете ефективността.

Решението:
Формулата, която определя ефективността на термичната машина (максимум):

ŋ = T₁-T₂/ Т_1.
ŋ = (2000К-373К) / 2000К = 0.81.

отговори на: Ефективността на двигателя е 81%.

Задача 2.В топлинния двигател от изгарянето на горивото се получава 200 kJ топлина, а в хладилника се прехвърлят 120 kJ топлина. Каква е ефективността на двигателя?

решение:
Формулата за определяне на ефективността е, както следва:

ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2middot-10⁵ J-1,2middot-10⁵ J) / 2middot-10⁵ J = 0.4.

отговори на: Ефективността на термичния двигател е 40%.

Задача 3. Каква е ефективността на топлинния двигател, ако работната среда след топлинното количество от 1,6 MJ от нагревателя е извършила 400 kJ? Колко топлина е прехвърлена в хладилника?

решение:
Ефективността може да се определи по формулата

ŋ = A / Q_1.

ŋ = 0,4middot-10⁶ J / 1,6middot-10⁶ J = 0.25.

Количеството топлина, прехвърлено в хладилника, може да бъде определено от формулата

Q₁ - А = Q_2.
Q₂ = 1.6 милимола-10⁶ J = 0.4 mddot-10⁶ J = l, 2middot-10⁶ J ..
отговори на: топлинната машина има ефективност от 25% - количеството топлина, прехвърлено в хладилника - 1,2middot-10⁶ J ..