Машинытермики устройства, способные преобразовывать тепловую энергию в механическая работа. Каждой тепловой машине нужен источник нагревать и рабочего тела, способного изменять свой объем и, следовательно, перемещать какой-либо механизм, такой как клапаны или поршни.
Ты двигатель внутреннего сгорания, как и те, что ездят сегодня на машинах, примеры тепловых машин. Они поглощают тепло, возникающее при сгорании смеси топлива и воздуха, которая периодически впрыскивается в их цилиндры.
Таким образом, часть энергии, которая выделяется во время взрыва, преобразуется в работу через движение поршня - одна из движущихся частей двигателя, используемая для преобразования тепловой энергии в энергию кинетика.
Как работают тепловые машины?
Все термические машины работают по циклтермодинамический, то есть повторяющиеся последовательности термодинамических состояний. Эти циклы имеют разные состояния объема, давления и температуры, которые обычно представлены графиками зависимости давления от объема. Термодинамические циклы разработаны в поисках большей энергоэффективности, то есть всегда требуется производство двигателей, способных выполнять большой объем работы.
В любом термодинамическом цикле возможно рассчитать работу графически. Следовательно, необходимо вычислить площадь внутренней части графика, что может быть сложно выполнить, если рассматриваемый цикл имеет неправильную форму. Кроме того, направление стрелок, по часовой стрелке или против часовой стрелки, указывает, является ли рассматриваемый цикл циклом тепловой машины или холодильника. Проверить:
Цикл по часовой стрелке: Если направление цикла по часовой стрелке, это цикл теплового двигателя, который поглощает тепло и производит работу.
Цикл против часовой стрелки: Если цикл направлен против часовой стрелки, он должен воспринимать механическую работу и выделять тепло, как в случае двигателей холодильников.
Все тепловые машины имеют аналогичную конфигурацию: источниквнагревать (горячий источник), из которого он извлекает энергию, необходимую для его работы, и раковина (источник холода), где часть поглощенного тепла рассеивается. Обратите внимание на следующую схему:
Согласно первый закон термодинамики, тепловым машинам для работы необходимо получать определенное количество тепла. Однако только небольшая часть этого количества тепла, которое является формой энергии, может быть превращается в полезную работу.
Причин этого ограничения по существу две: первая касается технических возможностей производить машину, которая не рассеивает энергии - что невозможно - и второе - ограничение самой природы: согласно 2-му закону термодинамики, никакая тепловая машина не может представить Урожай 100%. Посмотрите, что гласит 2-й закон термодинамики, известный как закон энтропии, согласно заявлению Кельвина:
"Ни одна система при определенной температуре не может поглощать тепло от источника и преобразовывать его. полностью в механической работе, без модификаций этой системы или ее районы ».
Заявление Кельвина касается преобразованиеинтеграл тепла в механической работе, утверждая, что это невозможно без «изменений» в системе. Это изменение относится к эффекту энтропии: при отводе тепла от некоторого горячего источника часть этой энергии распадается на менее полезные формы энергии. Существует множество процессов разрушения энергии: вибрация механических частей, трение между частями и подшипниками, теплоотвод во внешнюю среду, создание слышимых шумов и т. Д.
Смотрите также: Узнайте об истории тепловых машин
Интеллектуальная карта: тепловые машины
* Чтобы скачать интеллектуальную карту в формате PDF, кликните сюда!
Производительность тепловых машин
Эффективность любой тепловой машины можно рассчитать как отношение производимой ею механической работы к количеству тепла, которое она поглощает от какого-либо горячего источника:
η - Представление
τ - Механическая работа (Дж - джоули или лайм - калории)
QQ – Тепло от горячего источника (Дж - джоули или лайм - калории)
Механическая работа, в свою очередь, определяется разницей в количестве тепла. «Горячие» и «холодные», поэтому мы можем записать производительность тепловых машин через эти количество:
QF - тепло от источника холода
Пытаясь определить, какими будут характеристики «идеального» термодинамического цикла, французский физик садиCarnot разработал цикл, который, по крайней мере теоретически, представляет большеэффективностьвозможный для термической машины, работающей при тех же температурах.
Этот цикл, известный как Цикл Карно, в народе называется машина карно, не является реальной машиной, так как до настоящего времени технические и практические возможности не позволяли построить такую машину.
Смотрите также:Что такое скрытое тепло?
Теорема Карно
О теоремавCarnot, провозглашенная в 1824 году, устанавливает, что даже идеальная тепловая машина, которая не рассеивает какое-либо количество энергии из-за трения между его движущиеся части имеют максимальный предел текучести, который зависит от соотношения температур его горячего и холодного источника, указанного в кельвин:
ТQ - Температура горячего источника (K)
ТF - Температура источника холода (K)
Анализируя приведенную выше формулу, можно увидеть, что производительность идеальной тепловой машины определяется исключительно температурами ее источников тепла и холода. Кроме того, для того, чтобы его доходность составляла 100%, необходимо, чтобы TF равнялась нулю, то есть 0 K, температуре абсолютного нуля. Однако, согласно 3-й закон термодинамики, такая температура недостижима.
Приведенная выше формула эффективности действительна только для тепловых машин, работающих по циклу Карно. Кроме того, теорема также показывает, что отношение температур TF и тQ равно отношению количеств тепла QF и QQ:
Смотрите также:Узнать больше о характеристиках термической машины
Цикл Карно
О Цикл Карно это происходит в четыре этапа (или четыре удара). Этот цикл состоит из двух адиабатические превращения это два изотермические превращения. Адиабатические превращения - это те, в которых нет теплообмена, а изотермические превращения - это те, в которых нет колебания температуры и, как следствие, внутренняя энергия рабочего тела, отвечающего за движение теплового двигателя, остается постоянный.
На следующем рисунке представлен цикл Карно и его четыре стадии. Проверить:
I - Изотермическое расширение: На этом этапе рабочее тело расширяется, поддерживая постоянную температуру, совершает работу и получает тепло от горячего источника.
II - Адиабатическое расширение: На этом этапе рабочее тело немного расширяется и работает, не получая тепла.
III - Изотермическое сжатие: На этом этапе объем газа уменьшается, его давление увеличивается, а температура остается постоянной, кроме того, газ отдает тепло источнику холода. На этом этапе ведутся работы на газе.
IV - Адиабатическое сокращение: У газа быстрое повышение давления и небольшое уменьшение объема, но он не обменивается теплом во время процесса.
Цикл Отто
Цикл Отто - это последовательность физических преобразований, которым подвергается какое-либо рабочее вещество, такое как бензин или этанол. Этот цикл широко используется в двигателях внутреннего сгорания, которыми оснащено большинство легковых автомобилей. Хотя на практике он не существует, цикл Отто был разработан, чтобы приблизиться к циклу Карно. На рисунке ниже показаны этапы цикла Отто.
Я - Процесс 0-1: изобарическое допущение: В этом процессе смесь воздуха и бензина попадает в двигатель под постоянным давлением;
II - Процесс 1-2: адиабатическое сжатие - В этом процессе происходит быстрое увеличение давления со стороны поршней двигателя, так что не остается времени для теплообмена;
III - Процесс 2-3-4: горение при постоянном объеме (2-3) и адиабатическое расширение (3-4) - Небольшая искра вызывает контролируемый взрыв в смеси воздуха и бензина, а затем поршень двигатель быстро опускается, вызывая увеличение объема и производя большое количество Работа;
IV - Процесс 4-1-0: изобарическое истощение - Выпускные клапаны открываются и позволяют дыму горящего топлива выходить из двигателя с постоянным давлением.
Шаги, описанные выше, показаны на следующем рисунке, на котором представлены рабочие шаги четырехтактный двигатель, работающий на бензине или спирте. Движение поршня в каждом из показанных положений эквивалентно описанным процессам:
Примеры тепловых машин
Примеры тепловых машин:
Двигатели внутреннего сгорания, например, работающие на спирте, бензине и дизельном топливе;
Паровые двигатели;
Термоэлектрические электростанции.
Тепловые машины и промышленная революция
Тепловые машины сыграли важную роль в технологическом развитии общества. После усовершенствования ДжеймсВатт, паровые тепловые машины позволили произойти промышленной революции, радикально изменившей мир.
Хотите узнать больше по этой теме? Получите доступ к нашему тексту о Индустриальная революция.
Холодильники
Холодильники или холодильные машины - это перевернутые тепловые машины. В этих устройствах необходимо проводить работу под газом внутри двигателя, чтобы он расширялся за счет поглощения тепла из окружающей среды. Примеры холодильников: холодильники, морозильники и кондиционеры.
Если вы хотите узнать больше о том, как работает этот тип машины, посетите наш текст о работа и свойства холодильников.
Упражнения на тепловых машинах
Упражнение 1) Тепловая машина получает 500 Дж тепла от горячего источника за каждый рабочий цикл. Если эта машина отводит 350 Дж тепла в свой холодный сток, какова будет ее энергоэффективность в процентах?
а) 42%
б) 50%
в) 30%
г) 35%
д) 25%
Шаблон: Буква c
разрешение:
Упражнение обеспечивает количество тепла, необходимое машине для работы в течение цикла, поэтому мы можем определить его производительность, используя формулу, которая связывает QQ и QF, Посмотрите:
Приведенный выше расчет показывает, что только 30% тепловой энергии, доступной двигателю в каждом цикле, преобразуется в механическую работу.
Упражнение 2) Машина, работающая по циклу Карно, имеет температуру горячего и холодного источника 600 К и 400 К соответственно. Эта машина отводит 800 Дж тепла к источнику с самой низкой температурой за каждый цикл. Рассчитайте количество горячего тепла, поглощаемого машиной в каждом цикле, и ее КПД в процентах, затем отметьте правильный вариант.
а) 67% и 320 Дж
б) 33% и 1200 Дж
в) 33% и 1900 Дж
г) 62% и 1900 Дж
д) 80% и 900 Дж
Шаблон: Письмо B
разрешение:
Сначала рассчитаем КПД рассматриваемого теплового двигателя. Для этого воспользуемся температурами горячего и холодного источников:
Используя значения температуры, указанные в заявлении, мы должны решить следующий расчет:
Чтобы вычислить количество тепла, которое машина поглощает в каждом цикле, просто, достаточно воспользоваться теоремой Карно:
Чтобы выполнить расчет, просто замените данные упражнения в приведенной выше формуле.
Автор: Рафаэль Хелерброк
Источник: Бразильская школа - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm