Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. Охрана окружающей среды

Невозможен тепловой вечный двигатель второго рода, т.е. двигатель, совершающий механическую работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.

Необратимость тепловых процессов.

Второй закон термодинамики.

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых процессах остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны.

Закон сохранения энергии не запрещает, процессы, которые на опыте не происходят:

- нагревание более нагретого тела более холодным;

- самопроизвольное раскачивание маятника из состояния покоя;

- собирание песка в камень и т.д.

Процессы в природе имеют определенную направленность. В обратном направлении самопроизвольно они протекать не могут.

Все процессы в природе необратимы ( старение и смерть организмов).

Необратимым процессом может быть назван такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса.

Самопроизвольными называются такие процессы, которые происходят без воздействия внешних тел, а значит, без изменений в этих телах.

Процессы перехода системы из одного состояния в другое, которые можно провести в обратном направлении через ту же последовательность промежуточных равновесных состояний, называются обратимыми.

При этом сама система и окружающие тела полностью возвращаются к исходному состоянию.

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Формулировка Р. Клаузиуса: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.

Формулировка У. Кельвина: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счет теплоты, взятой от одного источника.

Машины, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу называют тепловыми двигателями
На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.
Хронология изобретений: 1690 - пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) 1698 - пароатмосферная машина Т.Севери (Англия) 1705 - пароатмосферная машина Т.Ньюкомена (Англия) 1763 - паровая машина И.Ползунова (Россия) 1774 - паровая машина Д.Уатта (Англия) 1860 - двигатель внутреннего сгорания Ленуара (Франция) 1865 - двигатель внутреннего сгорания Н.Отто (Германия) 1871 - холодильная машина К.Линде (Германия) 1887 - паровая турбина К.Лаваля (Швеция) 1897 - двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (Германия)
Круговой (циклический) процесс - если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл. А1а2>А1б2 - по модулю (из сравнения площадей). А1а2>0 А1б2<0 Суммарная работа за циклический процесс численно равна площади, ограниченной линией процесса. Из второго з-на термодинамики: ни один тепловой двигатель не может иметь кпд равный единице (100%). , где А - работа двигателя за цикл, Q - количество теплоты, полученное двигателем за цикл.
Принцип работы теплового двигателя: Q = A' + ΔU - количество теплоты, переданное системе расходуется на совершение этой системой механической работы и на увеличение ее внутренней энергии (т.е. система должно отдать тепло в окружающее пространство) - 1-й з-н термодинамики.	Q = A' + ΔU
Нагреватель передает тепло рабочему телу при температуре Т1. Рабочее тело совершает полезную механическую работу A'. Холодильник (охладитель) получает часть тепла, обеспечивая циклический процесс. A' = Q1 - Q2 Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
Кпд реальных двигателей: турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%, дизельный - 35-45%. 0 - 1 - впуск горючей смеси (изобара) 1 - 2 - сжатие (адиабата) 2 - загорание горючей смеси 2 -3 -резкое возрастание давления (изохора) 3 -4 - рабочий ход (адиабата) 4 - 0 - выпуск
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815). Машина работает на идеальном газе. 1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически. 2 - 3 - газ расширяется адиабатно. После контакта с холодильником: 3 - 4 - изотермическое сжатие; 4 - 1 - адиабатное сжатие.
КПД идеальной машины: η является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива.
Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.
Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу наз. холодильной машиной.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Неуклонный рост энергетических мощностей приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы. Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту. Альтернативные двигатели: · 1. Электрические · 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра

Раздел 3. Электродинамика

Дата добавления: 2014-01-06