Физика тема урока что такое тепловой двигатель

Интегрированный урок (физика + экологи)я по теме: Тепловые двигатели и их влияние на окружающую среду

Тема урока: «Тепловые двигатели и их влияние на окружающую среду»

Цель урока: объяснить учащимся принцип работы тепловых двигателей, дать их классификацию, рассмотреть область их применения и влияние этих устройств на окружающую среду.

Задачи:

• Образовательные:
  • познакомить учащихся с принципом действия тепловых двигателей, используя демонстрационный эксперимент;
  • дать учащимся историческую справку о создании тепловых двигателей, показать взаимосвязь физики и техники;
  • раскрыть роль и значение тепловых двигателей в современной цивилизации;
  • научить учащихся оценивать степень влияния тепловых двигателей на окружающую среду.
• Развивающие:
  • развивать умение работать с дополнительной литературой, ресурсами Интернета, выделять главное, выдвигать гипотезы, делать выводы;
  • развивать познавательную деятельность учащихся, повышать интерес к проектной деятельности.
• Воспитательные:
  • воспитание бережного отношения к школьному имуществу, экологической культуры, патриотизма;
  • развивать интерес учащихся к предмету.

Оборудование: проектор, ПК, экран, ЖК телевизор, DVD плеер.

Демонстрационное обеспечение урока: самодельная модель ДВС, штатив, пробирка с водой, закрытая пробкой, спиртовка, спички, презентация, DVD-диск «Школьный физический эксперимент».

Тип урока: урок изучения нового материала с использованием ИКТ.

Методы урока: рассказ, эвристическая беседа.

Вид урока: интегрированный урок физики и экологии.

Содержание урока:

1. Организационный момент.
2. Повторение материала.
3. Объяснение нового материала.
4. Закрепление нового материала.
5. Рефлексия.
6. Домашнее задание.

Учитель. Урок начинаем с разминки. Два ученика выполняют задание на соответствие у доски. [2] Четыре человека работают письменно по карточкам (задачи на усмотрение учителя). Остальные устно отвечают на вопросы.

Фронтальный опрос

• Что называют внутренней энергией?
• Что является источником энергии, которая используется в промышленности, в с/х, в быту?
• Какие виды топлива вы знаете?
• Откуда берется энергия при сжигании топлива?
• При расчете двигателей инженеру нужно точно знать, какое количество теплоты может выделить сжигаемое топливо. По какой формуле это можно сделать?
• Что такое q? Что означает запись q = 4,6 *10 7 Дж/кг?

Изучение нового материала

Учитель физики. Одна из главных задач человечества — научиться использовать внутреннюю энергию различных видов топлива, приводить за счет нее в действие устройства, способные совершать работу. Цель урока – познакомиться с тепловыми двигателями и принципом их работы, а также рассмотреть их влияние на окружающую среду. Запишите тему урока: «Тепловые двигатели и их влияние на окружающую среду». Чтобы дать определение теплового двигателя, обратимся к опыту: в пробирку нальем немного воды, закроем ее пробкой, нагреем воду до кипения. Пока мы ждем результата опыта, давайте ответим на вопрос: «Почему так важно изучать работу тепловых двигателей?» Дело в том, что наша цивилизация – машинная цивилизация. Большая часть машин – тепловые двигатели разных видов. Без тепловых двигателей наша жизнь резко бы изменилась: не было бы электричества, не ездили бы автомашины, не летали бы самолеты.
Теперь обсудим опыт. Что вы наблюдали? Какие превращения энергии происходили? Попробуйте дать самостоятельно определение теплового двигателя. Сравните его с определением, данным в учебнике. Если заменить стеклянную пробирку прочным цилиндром, а пробку подвижным поршнем, то получим тепловой двигатель.

Ученик. Делает сообщение: «История создания тепловых двигателей», показывает презентацию (Приложение 1).

Учитель физики. Демонстрирует DVD-фильм «Паровая турбина».

Ученик: Далее ученик демонстрирует самодельную модель ДВС, изготовленную совместно с учителем: в пластмассовый цилиндр на некотором расстоянии друг от друга укрепляются два электрода. В цилиндр вливается несколько капель бензина, и цилиндр закрывается пробкой из пенопласта. На электроды подается напряжение от электрофорной машины. [1] Что произошло и почему?

Учитель: На следующем уроке мы будем подробно говорить о ДВС. Где же применяются тепловые двигатели?

Ученик: Сообщение: «Применение тепловых двигателей».

Учитель физики: Таким образом, тепловые двигатели – это великое достижение человеческой культуры, научной мысли людей Земли.

Физкультминутка. Звучит пение птиц (Приложение 2).

Учитель экологии. Но так ли безобидны все наши изобретения?
Использование тепловых машин ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Жизнь на Земле невозможна без газовой оболочки – атмосферы, которая защищает живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения. Наибольшее значение для всех живых организмов имеет относительно постоянный состав атмосферного воздуха.
Давайте с вами вспомним, какие вещества входят в состав воздуха? С развитием промышленности и транспорта кислород стали использовать на процессы горения. Сегодня в России 99% транспорта работает на бензине и дизельном топливе.
Все они являются источниками загрязнения атмосферного воздуха. Рассмотрим конкретное проявление воздействия на экологию каждого вида транспорта. Наибольший вред окружающей среде от выбросов принадлежит автомобилям, далее в порядке убывания на втором месте стоит железнодорожный транспорт, воздушный, морской и внутренний водный.
Крупные мегаполисы, такие как Токио, Париж, Лондон, задыхаются от избытка автомобилей. Число автомобилей на трассах и городах у нас возросло в 5 раз. От этого резко увеличились тепловое нагревание воздуха и его объем от паров автомобильного выхлопа.
Применение бензина вызывает загрязнение атмосферного воздуха, так как содержит токсичные соединения свинца. Один грузовой автомобиль средней грузоподъемности выделяет 2,5-3 кг свинца в год.
Как вы думаете, какой автомобиль будет больше загрязнять атмосферу: тот, который проходит техобслуживание, и владелец постоянно следит за работой карбюратора? Или автомобиль, владелец которого не заботиться о техническом состоянии машины?
Верно, ребята. При нарушении регулировки карбюратора выбросы углекислого газа увеличиваются в 4-5 раз. Все эти выбросы приводят к формированию парникового эффекта.
В крупных городах отработанные газы автомобилей создают смог. Все это ведет к развитию широкого спектра заболеваний. Как вы считаете, какие заболевания могут возникнуть у людей от загрязнения воздуха?
Применение газотурбинных двигательных установок в авиации и ракетостроении огромно. Но выхлопные газы газотурбинных двигательных установок содержат токсичные вещества, такие как оксиды углерода и азота, углеводороды, сажу, альдегиды. При старте и возвращении на Землю ракетные двигатели неблагоприятно воздействуют не только на приземный слой атмосферы, но и на космическое пространство, разрушая озоновый слой Земли.
Морской транспорт является источниками загрязнения атмосферы фреонами (окислами азота), которые разрушают озоновый слой Земли. Ребята, а как вы думаете, какой еще вред наносит транспорт?
Так же перед человечеством стоит проблема шумового загрязнения. Шумовое загрязнение отрицательно воздействует на организм человека, вызывая: повышенную утомляемость, снижение умственной активности, понижение производительности труда, развитие сердечнососудистых и нервных заболеваний. По мнению ученых, шум сокращает продолжительность жизни человека в больших городах на 8 – 12 лет.
Как вы думаете, как же можно защитить окружающую среду от загрязнения?

Ученик: делает сообщение о защите окружающей среды.

Учитель экологии: А теперь рассмотрим экологические задачи: [5]

1. Объясните, почему в крупных городах главные автомобильные магистрали необходимо проектировать параллельно, а не поперек направлению основных ветров.
2. Во льдах Гренландии, датированных 800 г. до н.э., содержится 0,0004 мкг свинца на 1 кг льда. Льды, образовавшиеся в 1753 г., содержат свинца в 25 раз больше; лед, образовавшийся в 1969 г., содержит 0,2 мкг свинца на 1 кг, т.е. в 500 раз больше. Объясните, как свинец попадает в льды Гренландии. Почему содержание свинца во льдах растет?

Закрепление нового материала

На уроке рассмотрели четыре вопроса. Пользуясь обобщающей таблицей (презентация), дать еще раз полные ответы на поставленные вопросы.

Рефлексия

• Что нового узнали на уроке?
• Какая форма работы вам понравилась?

Оценка знаний ребят.

Домашнее задание

§ 21, вопросы, конспект урока, упр. 6.

Литература:

1. Хорошавин С.А. Демонстрационный эксперимент по физике в школах и классах с углубленным изучением предмета: Механика. Молекулярная физика: Книга для учителя. – М.: Просвещение, 1994. – 368 с.
2. Государственная итоговая аттестация выпускников 9 классов в новой форме. Физика. 2009/ФИПИ. – М.: «Интеллект – Центр», 2009. – 128 с.
3. Алексеев С.В. Экология: Учебное пособие для учащихся 9 классов общеобразовательных учреждений разных видов. СПб: СМИО Пресс, 1998. – 352 с.
4. Федорова М.З., Кучменко В.С., Воронина Г.А. Экология человека: Культура здоровья: Учебное пособие для учащихся 8 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Вентана-Граф, 2007. – 144 с.
5. Жигарев И.А. Основы экологии. 10 (11) класс: сборник задач, упражнений и практических работ к учебнику под редакцией Н.М. Черновой «Основы экологии. 10 (11) класс»/ И.А. Жигарев, О.Н. Пономарева, Н.М. Чернова. – 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2007. – 206 с.
6. Неделя экологии в школе/авт.-сост. Г.А. Фадеева. – Волгоград: Учитель, 2007. – 66 с.

§ 5.11. Тепловые двигатели

Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы тепловыми двигателями. Это прямо отражено во втором законе термодинамики в формулировке Кельвина (см. § 5.9).

Простейшая модель тепловой машины

Простейшую тепловую машину можно собрать из стакана с водой, капли анилина и горелки (рис. 5.14). Так как сосуд с водой подогревается снизу, то температура воды Т₂ в верхних слоях, естественно, ниже, чем температура Т₁ внизу.

Плотность анилина и плотность воды по-разному зависят от температуры. При Т₁ плотность анилина меньше плотности воды, а при Т₂ больше. Если влить холодный анилин в воду, то он опустится на дно. После нагревания плотность анилина уменьшается и он всплывает. У поверхности вследствие охлаждения плотность анилина станет больше плотности воды, и капля вновь опустится на дно. Затем весь цикл повторится.

При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения при движении капли в воде. Если каплю внизу «нагружать», а вверху «разгружать», то такая тепловая машина может быть использована для подъема груза.

Если покрыть стакан стеклянной пластинкой, то температура верхних слоев воды увеличится и машина перестанет работать.

В нашей простейшей машине происходят процессы, общие для всех тепловых двигателей. Машина получает от нагревателя (горелки) количество теплоты Q₁ и передает холодильнику (в данном случае атмосфере) количество теплоты Q₂. За счет того, что Q₁ > Q₂, и совершается работа.

Принципы действия тепловых двигателей

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т₂ несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А’ и передает холодильнику количество теплоты |Q₂| 10 кВт. Когда эта мощность достигнет 3 • 10 12 кВт, то средняя температура атмосферы Земли повысится примерно на 1 °С. Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц — сажи, пепла, измельченного топлива. Они изменяют оптические свойства атмосферы, соотношение между поглощенной и отраженной солнечной энергией, увеличивают «парниковый эффект», обусловленный повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Углекислый газ задерживает тепловое излучение Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения: оксиды серы, азота, металлов, угарный газ (СО), канцерогенные вещества — продукты неполного сгорания органических топлив — 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. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобильных двигателей на сжиженный газ в качестве топлива. Обсуждается возможность применения в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода.

Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, экономия ее на производстве и в быту. Нельзя оставлять невыключенными электроприборы, допускать бесполезные потери топлива при обогревании помещений. Примером нерационального использования энергии служат попытки введения в эксплуатацию гражданских сверхзвуковых самолетов, потребляющих в 8 раз больше топлива, чем обычные.

Решение перечисленных проблем жизненно важно для человека. Организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

Большую часть механической и электрической энергии вырабатывают тепловые двигатели. Пока равноценной замены им нет. В то же время тепловые двигатели оказывают отрицательное влияние на окружающую среду и условия существования человека на Земле.

Презентация к уроку Тепловое движение. Внутренняя энергия 8 класс

Автор презентации: Дежкина Лилия Николаевна

Слайд 1ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ. ТЕМПЕРАТУРА. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Слайд 2ПОВТОРИМ И ВСПОМНИМ ИЗ ЧЕГО СОСТОЯТ ВСЕ ВЕЩЕСТВА; КАК ИЗМЕНЯЕТСЯ ОБЪЁМ ТЕЛА ПРИ НАГРЕВАНИИ И ОХЛАЖДЕНИИ; ЯВЛЕНИЕ ДИФФУЗИИ; МОЛЕКУЛЯРНОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТВЁРДЫХ ТЕЛ, ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ.
Слайд 3Движение молекул в разных телах происходит по-разному. Молекулы газов беспорядочно движутся с большими скоростями (сотни м/с) по всему объему газа. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга, изменяя величину и направление скоростей.
Слайд 4Молекулы жидкости колеблются около равновесных положений ( т.к. расположены почти вплотную друг к другу) и сравнительно редко перескакивают из одного равновесного положения в другое. Движение молекул в жидкостях является менее свободным, чем в газах, но более свободным, чем в твердых телах. Движение молекул в разных телах происходит по-разному.
Слайд 5В твердых телах частицы колеблются около положения равновесия. Движение молекул в разных телах происходит по-разному.
Слайд 6МЫ УЗНАЕМ: ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ; ЧТО ХАРАКТЕРИЗУЕТ ТЕМПЕРАТУРА; НА ЧЁМ ОСНОВАНО ДЕЙСТВИЕ ТЕРМОМЕТРОВ; КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ; ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ; КАК СВЯЗАНА ТЕМПЕРАТУРА СО СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ И ИХ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ.
Слайд 7ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Слайд 8РАСШИРЕНИЕ ЖИДКОСТИ ПРИ НАГРЕВАНИИ
Слайд 9ТЕМПЕРАТУРА — величина, которая характеризует тепловое состояние тела или иначе мера «нагретости» тела. Чем выше температура тела, тем большую в среднем энергию имеют его атомы и молекулы. Приборы, служащие для измерения температуры называются термометрами.
Слайд 10ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
Слайд 11 Шкала Цельсия Шкала Фаренгейта Шкала Реомюра Шкала Кельвина КЕМ И КОГДА ВВЕДЕНА А. Цельсий шведский физик 1742 г. Фаренгейт стеклодув из Голландии 1724 г. Реомюр французский физик 1726 г. Томсон (лорд Кельвин) английский физик 1848 г. ОБОЗНАЧЕНИЕ C F R К ОПОРНЫЕ ТОЧКИ 0C – температура таяния льда, 100C – температура кипения воды 32F – температура таяния льда, 212F – температура кипения воды 0R – температура таяния льда, 80R – температура кипения воды 0K – абсолютный нуль, 273К – температура таяния льда Т = t + 273 ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ
Слайд 12Хаотическое движение частиц, из которых состоят тела называют тепловым движением. С ростом температуры скорость частиц увеличивается
Слайд 13ЗНАЕШЬ ЛИ ТЫ ? Самая высокая температура на Земле зарегистрированная в Ливии в 1922 году — +57,8 0 С ; самая низкая температура, зарегистрированная на Земле, — –89,2 0 С ; над головой у человека температура выше температуры окружающей среды на 1 – 1,5 0 С ; средняя температура животных: лошади — 38 0 С, овцы — 40 0 С, курицы — 41 0 С, температура в центре Земли — 20000 0 С ; температура на поверхности Солнца — 6000 К, в центре — 20 млн. град К .
Слайд 14ПОВТОРИМ И ВСПОМНИМ ВИДЫ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ; КАКИЕ ТЕЛА ОБЛАДАЮТ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИЕЙ; КАКИЕ ТЕЛА ОБЛАДАЮТ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ.
Слайд 15МЫ УЗНАЕМ: ЧТО ТАКОЕ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА; ОТ КАКИХ ФАКТОРОВ ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ.
Слайд 16ПРЕВРАЩЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ТЕЛА В ПОТЕНЦИАЛЬНУЮ И КИНЕТИЧЕСКУЮ ЭНЕРГИЮ МОЛЕКУЛ
Слайд 17ЭНЕРГИЮ ДВИЖЕНИЯ И ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ, ИЗ КОТОРЫХ СОСТОЯТ ТЕЛА, НАЗЫВАЮТ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИЕЙ ТЕЛА. U — [U] = [ Дж ]

Слайд 19ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ Тепловые явления Нагревание и охлаждение Таяние льда Кипение воды Плавление металлов ТЕМПЕРАТУРА – величина, характеризующая тепловое состояние тел. Термометр жидкостный: Цельсий – шкала температур (° C ), 0° C, 100° C. Холодная вода Горячая вода сахар Диффузия сахара в горячей воде – быстрее. Молекулы движутся быстрее. Больше промежутки. Вывод: Чем выше температура, тем больше скорость молекул. Интенсивнее тепловое движение молекул (выше кинетическая энергия молекул). Температура – это мера средней кинетической энергии молекул тела. свинец нагрелись Что происходит с механической энергией? (Превратилась во внутреннюю) Внутренняя энергия ( U ) – это энергия движения и взаимодействия молекул тела. Закон сохранения энергии Энергия в природе не исчезает бесследно и не появляется из ничего, она просто превращается из одного вида в другой вид энергии. Р. Майер (нем).
Слайд 20ПОВТОРИМ И ВСПОМНИМ ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ; ЧТО ХАРАКТЕРИЗУЕТ ТЕМПЕРАТУРА; НА ЧЁМ ОСНОВАНО ДЕЙСТВИЕ ТЕРМОМЕТРОВ; КАКОВЫ ОСНОВНЫЕ ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ШКАЛЫ; ЧТО ТАКОЕ ТЕПЛОВОЕ ДВИЖЕНИЕ; КАК СВЯЗАНА ТЕМПЕРАТУРА СО СКОРОСТЬЮ ДВИЖЕНИЯ МОЛЕКУЛ И ИХ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ; ЧТО ТАКОЕ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ ТЕЛА; ОТ КАКИХ ФАКТОРОВ ЗАВИСИТ ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ.
Слайд 21ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ: § 1,2; учить, отвечать на вопросы, выучить определения. Л. № 920, 922

Тепловой двигатель

Теплово́й дви́гатель — тепловая машина, использующая теплоту от внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (в камере сгорания или цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) для преобразования в механическую энергию (поступательное движение либо вращение выходного вала). В соответствии с законами термодинамики, такие двигатели имеют коэффициент полезного действия меньше единицы, что означает неполное преобразование теплоты в механическую энергию. Смотря по конструкции двигателя, от 40 до 80 процентов поступающей (или выделяющейся внутри) энергии покидает машину в виде низкотемпературной теплоты, которая в ряде случаев используется для обогрева салона (наземный транспорт), жилых зданий и сооружений (для неподвижных стационарных двигателей), либо просто выбрасывается в атмосферу (авиационные двигатели, маломощные двигатели ручного инструмента, лодочных моторов и подобные). В таких случаях говорят о коэффициенте использования тепла топлива, который выше КПД самого двигателя [1] .

Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива, а также обусловленное этим загрязнение окружающей среды. Паровые турбины, преобразующие теплоту атомного реактора и солнечные тепловые станции топлива не сжигают, остальные же зависят от имеющихся энергоносителей, которые во многих случаях транспортируются издалека. Совокупность имеющихся в государстве тепловых двигателей (преобразующих энергию для вторичных двигателей, обычно электрическую) мест добычи топлива и транспортной инфраструктуры для его транспортировки называется топливно-энергетическим комплексом. Тепловые двигатели являются первичными, в отличие от вторичных (электрические, гидромоторы, и другие, получающие энергию от первичных) [2] .

Содержание

• 1 Теория
• 2 Циклы тепловых двигателей
• 3 Типы тепловых двигателей
  • 3.1 Двигатель внешнего сгорания
    • 3.1.1 Паровая машина
    • 3.1.2 Паровая турбина
    • 3.1.3 Двигатель Стирлинга
  • 3.2 Двигатель внутреннего сгорания
    • 3.2.1 Поршневой двигатель внутреннего сгорания
    • 3.2.2 Газовая турбина
    • 3.2.3 Реактивный двигатель
    • 3.2.4 Другие типы
  • 3.3 Твёрдотельные двигатели
  • 3.4 Атмосфера и гидросфера Земли
• 4 Примечания
• 5 Ссылки

Теория [ править | править код ]

Работа, совершаемая двигателем, равна:

A = Q H − | Q X | -left|Q_right| >, где:

• Q H >— количество теплоты, полученное от нагревателя,
• Q X >— количество теплоты, отданное охладителю.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя рассчитывается как отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = | Q H | − | Q X | | Q H | = 1 − | Q X | | Q H | right|-left|Q_right|>right|>>=1-right|>right|>>>

Часть теплоты при передаче неизбежно теряется, поэтому КПД двигателя менее 1. Максимально возможным КПД обладает двигатель Карно. КПД двигателя Карно зависит только от абсолютных температур нагревателя( T H > ) и холодильника( T X > ):

η K = T H − T X T H = 1 − T X T H =-T_ over T_>=1- over T_>>

Однако, смотря по устройству двигателя, его теоретический КПД может быть меньше такого для цикла Карно. Так, для наиболее распространённого двигателя Отто, работающего по циклу Отто, теоретический КПД циклла составляет:

η = 1 − 1 n k − 1 >>>, где:

• n = V 1 / V 2 /V_<2>>— степень сжатия,
• k — показатель адиабаты.

Так называемый индикаторный КПД меньше теоретического, что показывает несовершенство осуществляемого цикла (отличие индикаторной диаграммы от теоретической ввиду потерь теплоты в стенки, отличного от нуля времени нагрева газа, наполнения и очистки цилиндра).

В свою очередь, эффективный КПД (учитывающий все потери, до выходного вала) ещё меньше на сумму механических потерь и потерь на привод систем двигателя (масляный насос, системы газораспределения, охлаждения и другие — в зависимости от устройства).

Циклы тепловых двигателей [ править | править код ]

Почти любая спроектированная конструкция теплового двигателя использует термодинамический цикл, показывающий изменение состояния рабочего тела. Это не относится к твердотельным двигателям, у которых меняется состояние конструкции двигателя, а не газа или жидкости внутри него. Наиболее широко известны цикл Ренкина, регенеративный цикл (паровые машины), классический цикл Отто, цикл Дизеля.

Типы тепловых двигателей [ править | править код ]

Двигатель внешнего сгорания [ править | править код ]

Такие двигатели получили распространение раньше, ввиду неприхотливости к виду топлива, более простому устройству, ненужности в ранних вариантах (паровая машина) систем запуска, зажигания, охлаждения. Дали мощный импульс индустриализации, поскольку с их помощью были механизированы шахты, швейные и другие фабрики, затем транспорт (железная дорога). Улучшенные новые схемы таких двигателей обеспечивают мир большей частью вырабатываемой электроэнергии (ТЭС, АЭС, ТЭЦ, солнечные электростанции с нагревом котла). Новейшие модели паровозов до сих пор имеют применение ввиду простоты и потреблению древесной пыли в качестве топлива. Некоторые (двигатель Стирлинга) получили применение в космических кораблях.

Паровая машина [ править | править код ]

Является наиболее старым тепловым двигателем, первые конструкции которого относятся к XVII веку. Использовалась вначале исключительно в стационарном применении (насосы для рудничных вод, привод вагонеток), затем была установлена на транспортные средства: паровоз, пароход, паромобиль. Имеет широкий диапазон рабочих скоростей с умеренным КПД (ранние версии около 4%, наиболее поздние 12..14% [3] .

Паровая турбина [ править | править код ]

Иначе: турбозубчатый агрегат (ТЗА). Получила распространение вначале на военных кораблях, взамен паровых машин. Имея значительно меньшие размеры, турбина позволила улучшить скоростные и уменьшить массогабаритные показатели, при снижении экономичности на частичных нагрузках. В настоящее время имеет широчайшее применение на тепловых и атомных электростанциях, где хороший КПД паровых турбин поддерживается за счёт высоких показателей (температура, давление) пара и режима работы агрегата, близкого к максимальной мощности.

Двигатель Стирлинга [ править | править код ]

Поршневой двигатель с утилизацией внешней теплоты, без потери рабочего тела, которое остаётся внутри двигателя. Имеет наивысший КПД среди двигателей внешнего сгорания, при умеренной единичной мощности и высокой стоимости. Применение: космические аппараты [4] , подводные лодки [5] .

Двигатель внутреннего сгорания [ править | править код ]

Более поздние и сложные конструкции тепловых двигателей, обладающие высокими удельными массовыми показателями, почему получили основное применение на транспорте. В силу интенсивного рабочего процесса имеют меньшую теплопередачу в стенки, и потому более высокий термический КПД. Единственные двигатели, обеспечивающие полёты, включая космические (вывод на орбиту).

Поршневой двигатель внутреннего сгорания [ править | править код ]

Наиболее распространённый (по числу) тепловой двигатель. Устанавливается на многочисленные транспортные средства, также на локомотивы, электростанции умеренной мощности, морские суда и корабли. Особенностью является хороший КПД в широких диапазонах мощности. Требует трансмиссии (кроме дизель-молотов и свободно-поршневых генераторов газа).

Газовая турбина [ править | править код ]

Иначе: газотурбинный двигатель. Имеет сравнительно узкий диапазон мощностей с достаточным КПД, зато более высокие массогабаритные показатели. Отдаёт крутящий момент с достаточно большими оборотами, часто требует редуктора, системы запуска, зажигания, и других. Использовался в турбовинтовых двигателях самолётов, широко применяется в мощных электростанциях, силовых установках кораблей и быстроходных судов (судно на воздушной подушке, глиссер, судно на подводных крыльях).

Реактивный двигатель [ править | править код ]

Одновременно является движителем (отдаёт мощность в виде поступательного движения газа). Применяется в авиации (реактивный самолёт) и космонавтике (химический ракетный двигатель). Способен работать в безвоздушном пространстве (в камеру сгорания подаётся как топливо, так и окислитель).

Другие типы [ править | править код ]

Под классификацию тепловых двигателей внутреннего сгорания попадает огнестрельное оружие [6] , дизель-молот и свободнопоршневой генератор газа.

Твёрдотельные двигатели [ править | править код ]

Такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур. [7]

• Johnson thermoelectric energy converter (JTEC) — использует электрохимическое окисление и восстановление водорода в паре ячеек, реализует тепловой цикл, приближенный к циклуДжона Эрикссона[8]
• металлические двигатели, использующие изменение формы различных твердых сплавов из-за температуры, например составов с памятью формы или теплового расширения твердых тел [9]

Атмосфера и гидросфера Земли [ править | править код ]

Эти оболочки планеты в свою очередь являются грандиозными тепловыми двигателями, работающими на перепаде температур по высоте атмосферы, глубине воды, и широте местности. Получаемая механическая работа при движении воздуха и воды, в свою очередь, переходит в тепло и рассеивается, хотя ничтожная часть её используется для привода многочисленных ветроэлектростанций и станций, работающих на температурном градиенте воды.