Пошук по сайту


С. Кіровка Принцип дії теплових двигунів. Ккд теплових двигунів та способи їх підвищення

С. Кіровка Принцип дії теплових двигунів. Ккд теплових двигунів та способи їх підвищення



Кіровська середня загальноосвітня школа

Матеріали
для повторення і
узагальнення з теми
«Основи термодинаміки.
Теплові двигуни»

Вчитель фізики: Кукса В.О.

с. Кіровка

Принцип дії теплових двигунів.
ККД теплових двигунів та способи їх підвищення

«Коли… техніка в значній мірі залежить від стану науки, то в далеко більшій мірі наука залежить від стану і потреб техніки. Коли у суспільстві виникає технічна потреба, то це просуває науку вперед більшу, ніж десяток університетів».

(Ф.Енгельс.)
Короткі теоретичні відомості
Потреба використання механічної енергії на виробництві привела до появи теплових машин.

Теплова машина (тепловий двигун) – пристрій для перетворення внутрішньої енергії у механічну.
Будь-яка теплова машина має нагрівник, робоче тіло (газ або пара), яке внаслідок нагрівання виконує роботу (приводить в обертання вал турбіни, рухає поршень і т.д.) і холодильник (мал. Принципова схема теплового двигуна).
П
Мал. Принципова схема теплового двигуна
ринцип дії теплових двигунів.
Щоб двигун виконував роботу, потрібна різниця тисків з обох боків поршня двигуна чи лопатей турбіни. В усіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні або тисячі градусів порівняно з температурою навколишнього середовища. У двигунах внутрішнього згоряння (ДВЗ) і газових турбінах підвищення температури відбувається за рахунок згоряння палива всередині самого двигуна. Холодильником є атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження і конденсації відпрацьованої пари.




Цикл (круговий процес) – сукупність змін стану газу, в результаті яких він повертається у вихідний стан (може виконувати роботу).

У
Мал. Графік
циклу Карно
Карно
1824 р. французький фізик Саді Карно показав, що вигідним є цикл (цикл Карно), який складається із двох процесів – ізотермічного і адіабатного (мал. Графік циклу Карно: 1-2 і 3-4 – ізотерми, 2-3 і 4-1 – адіабати)






Саді Карно (повне ім’я Саді Нікола Леонар Карно) (1 червня 1796, Париж — 24 серпня 1832, там же), французький фізик та інженер, один із засновників термодинаміки.




Відповідно до закону збереження енергії, робота, яку виконує двигун, дорівнює:

А=Q1–Q2,

де Q1 – кількість теплоти одержаної від нагрівника, Q2 – кількість теплоти відданої холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А, яку виконує двигун, до кількості теплоти, одержаної від нагрівника:



Закони термодинаміки дають можливість обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна з нагрівником, що має температуру Т1 і холодильником з температурою Т2. У праці «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» (1824 р.) Карно описав ідеальну теплову машину з ідеальним газом, який є робочим тілом. ККД такої машини:



Карно довів, що будь-яка реальна теплова машина, яка працює з нагрівником Т1 і холодильником з температурою Т2 не може мати коефіцієнт корисної дії, який би перевищував ККД ідеальної теплової машини.
Задачі для самостійного розв’язування




Початковий рівень

1. Теплова машина за один цикл одержує від нагрівача кількість теплоти 10 Дж і віддає холодильнику 6 Дж. Який ККД машини? Виберіть правильну відповідь.

A. 60%. Б. 40%. B. 67%.

2. Оцініть максимальне значення ККД, який може мати теплова
машина, з температурою нагрівача 227 °С и температурою холо­дильника 27 °С. Виберіть правильну відповідь.

A. 88%. Б. 60%. B. 40%.

3. Теплова машина за один цикл одержує від нагрівача кількість
теплоти 100 Дж і віддає холодильнику 75 Дж. Який ККД ма­шини? Виберіть правильну відповідь.

A. 75%. Б. 33%. B. 25%.

Середній рівень

  1. Який ККД ідеальної теплової машини, якщо температура нагрі-
    вача дорівнює 140 °С, а температура холодильника 17 °С?

  2. ККД ідеального теплового двигуна 40%. Газ одержав від нагрі-
    вача 5 кДж теплоти. Яка кількість теплоти віддана холодильни­
    ку?

  3. ККД ідеальної парової турбіни 60%, температура нагрівана
    480 °С. Яка температура холодильника і яка частина теплоти,
    одержуваної від нагрівача, йде в холодильник?


Достатній рівень

  1. Газ здійснює цикл Карно. Абсолютна температура нагрівача втричі вища абсолютної температури холодильника. Визначити частку теплоти, яка віддається холодильнику.

  2. Ідеальна теплова машина, для якої навколишнє повітря за нор­мальних умов є холодильником, піднімає вантаж масою 400 кг. Робоче тіло машини одержує від нагрівача з температурою 200 °С кількість теплоти 8 • 104 Дж. На яку максимальну висоту піднімає вантаж теплова машина? Тертям знехтувати.

  3. Автомобіль рухається зі швидкістю 72 км/год. Потужність дви­гуна 600 кВт, його ККД дорівнює 30%. Визначити витрату бен­зину на 1 км шляху.


Високий рівень

  1. Теплова машина, робочим тілом якої є 1 моль ідеального од­ноатомного газу, здійснює цикл, зображений на рисунку. Знайти ККД цієї машини.

  2. Одноатомний ідеальний газ здійснює показаний на рисунку цикл із двох ізохор та двох ізобар. Визначте ККД циклу.

  3. Визначити коефіцієнт корисної дії циклу, який складається з двох адіабат та двох ізохор, здійснюваного ідеальним газом, якщо ві­домо, що в процесі адіабатного розширення абсолютна температуpa газу Т2 = 0,75Т1, а в процесі адіабатного стиснення Т4 = 0,75 Т3.




Мал. до задачі 1 Мал. до задачі 2 Мал. до задачі 3
До задачі 1

До задачі 1



Теплові двигуни та їх застосування
Короткі теоретичні відомості
Д
вигун внутрішнього згоряння (ДВЗ).
Чотиритактний ДВЗ складається з одного чи кількох циліндрів 4, поршня 5, кривошипно-шатунного механізму 6,


впускного 2 і випускного 3 клапанів, свічки 1.
Робочий цикл складається з чотирьох тактів:

1) засмоктування – пальна суміш потрапляє через клапан 2 в циліндр;

2) стискання – обидва клапани закриті;

3) робочий хід – вибухоподібне згоряння пальної суміші;

4) вихлоп – випускання відпрацьованих газів в атмосферу.
Парова турбіна. У паровій турбіні перетворення енергії відбувається за рахунок різниці тисків водяної пари на вході 2 і виході 5.

П
Елементи парової турбіни:

1 – вал турбіни, 2 – парогенератор, 3 – направляюче колесо, 4 – ходове колесо, 5 – конденсатор.
отужності сучасних парових турбін досягають 1300 МВт.
Деякі технічні параметри парової турбіни потужністю 1200 МВт:
Тиск свіжої пари – 23,5 МПа

Температура пари – 540 С

Витрата пари турбіною – 3600 т/год

Частота обертання ротора – 3000 об/хв

Тиск пари в конденсаторі – 3,6 кПа

Довжина турбіни – 47,9 м

Маса турбіни – 1900 т
Завдання. Розгляньте малюнки. Назвіть складові частини установки. Поясніть принцип дії установки.


Г
азова турбіна
складається з повітряного компресора 1, камери згоряння 2 і газової турбіни 3.

Принцип роботи: повітря адіабатно засмоктується в компресор, тому його температура підвищується до 200 С і більше. Стиснене повітря поступає в камеру згоряння, куди одночасно під великим тиском поступає рідке пальне – гас, мазут. При згорянні палива повітря нагрівається до температури 1500-2000 С, розширюється і швидкість його руху зростає. Повітря, яке рухається з великою швидкістю, та продукти згоряння направляються в турбіну. Переходячи від ступені до ступені вони віддають свою кінетичну енергію лопатям турбіни. Частина отриманої турбіною енергії витрачається на обертання компресора, решта – на обертання гвинта літака, гвинта морського корабля або коліс автомобіля.

Крім обертання гвинта літака, теплохода чи ротора електрогенератора газова турбіна може бути використана як реактивний двигун. Повітря і продукти згоряння викидаються з газової турбіни з великою швидкістю. Реактивна тяга, що виникає при цьому, може використовуватись для руху літака, теплоходу, залізничного транспорту. Наприклад, турбогвинтові двигуни мають літаки розроблені в конструкторському бюро ім. О.К.Антонова в м. Києві Ан-24, АН-124 («Руслан»), АН-225 («Мрія»). Так «Мрія» при швидкості польоту 700-850 км/год здатний перевозити 250 т вантажу на відстань майже 15000 км. Це найбільший транспортний літак у світі.
Це варте уваги!
Великий вплив на клімат має стан атмосфери, зокрема, водяної пари та вуглекислого газу. Так зміна вмісту вуглекислого газу спричиняє посилення чи послаблення парникового ефекту, при якому вуглекислий газ частково поглинає тепло, яке Земля випромінює в космос, затримує його в атмосфері й підвищує тим самим температуру поверхні та нижніх шарів атмосфери. Явище парникового ефекту відіграє вирішальну роль у пом’якшенні клімату Землі. За його відсутності середня температура планети була б не +15 С, а нижчою на 30–40.

Зараз у світі існує понад 300 млн. різного виду автомобілів, які створюють більше половини всіх забруднень атмосфери.

За 1 рік в атмосферу з теплових електростанцій України внаслідок спалювання палива виділяється 10–20 тис. тонн оксидів сульфуру, 20–25 тис. тонн оксиду нітрогену, 300 тис. тонн золи, 20–30 млн. тонн оксиду карбону, 3 млн. тонн феонів.

До складу атмосфери входить озон, який захищає все живе на Землі від згубної дії ультрафіолетового проміння.

У 1982 році англійським дослідником Дж. Фарманом над Антарктидою була відкрита «озонова діра» – тимчасове зниження вмісту озону в атмосфері. В момент максимального розвитку озонової діри 7 жовтня 1987 року кількість озону в ній зменшилась в 2 рази.

Озонова діра ймовірно виникла в результаті антропогенних факторів, в тому числі використання в промисловості хлоровмісних хладонів (фреонів), що руйнують озоновий шар. Однак дослідження 1990-х рр. не підтвердили цю точку зору. Швидше за все, поява озонової діри не пов’язана з діяльністю людини і є природним процесом. У 1992 році озонова діра була відкрита і над Арктикою.

Якщо весь атмосферний озон зібрати докупи в шар біля поверхні Землі й згустити його до густини повітря при нормальному атмосферному тиску і температурі 0 С, то товщина озонового щита буде всього-навсього 2–3 мм! Ось і весь «щит».
Подумай
1. Чи може працювати багатоциліндровий двигун, якщо припинити подання пального в частину циліндрів?

2. В які моменти газ всередині теплового двигуна має максимальні і міні-мальні значення внутрішньої енергії?

3. Коли найдоцільніше вводити бензин у циліндр – на початку такту стис-ку, чи в його кінці?

4. Яка труба – вхідна чи вихідна – у паровій турбіні має більший діаметр і чому?

5. Чи залежить ККД автомобільного двигуна від висоти над рівнем моря, на якій його використовують?

6. скільки робочих ходів відбудеться в чотирициліндровому двигуні за один повний оберт колінчастого вала?

7. Діаметр циліндра двигуна становить 120 мм. Чи можна використати в ньому поршень такого самого діаметра?

8. Чому, незважаючи на зниження температури холодильника (навколиш-нього повітря), теплові двигуни автомобілів споживають взимку більше паль-ного, ніж влітку?
Дещо з історії…

Липень 1769 року. В паризькому парку Медон військовий інженер Н.Ж.Кюньйо на «Вогняному возі», який був оснащений двоциліндровим паровим двигуном, проїхав декілька десятків метрів.

1885 рік. Німецький інженер Карл Бенц збудував перший бензиновий чотиритактний триколісний автомобіль Motorwagen потужністю 0,66 кВт (0,88 к.с.) на який 29 січня 1886 р. отримав патент. Швидкість машини досягала 15-18 км/год.

1891 рік. Готліб Даймлер, німецький винахідник, виготовив вантажний візок з двигуном потужністю 2,9 кВт (4 к.с.) від легкового автомобіля. Максимальна швидкість автомобіля досягала 10 км/год, вантажопідйомність у різних моделях становила від 2 до 5 т.

1899 рік. Бельгієць К.Женатці на своєму автомобілі «Жаме контант» – «Завжди невдоволена» вперше подолав 100-кілометровий рубіж швидкості.

Розв’язання задач. Підготовка до тематичної атестації
З метою підготовки до тематичної атестації дайте відповіді на наступні питання:
1. Внутрішня енергія ідеального одноатомного газу.

2. Способи зміни внутрішньої енергії тіла (системи).

3. Робота газу та її геометричне тлумачення.

4. Адіабатний процес.

5. Перший закон термодинаміки.

6. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів.

7. Оборотні і необоротні процеси.

8. Теплові двигуни, їх ККД та застосування в народному господарстві.
Задачі для самостійного розв’язування
Варіант 1
1 (1). За якою формулою можна обчислити кількість теплоти, необхідну для на­грівання тіла?

а) Q=rm б) Q=qm в) Q=cmt г) Q=m
2 (2). Газ одержав кількість теплоти 95 Дж і виконав роботу 35 Дж. На скільки

змінилась внутрішня енергія газу?

а) збільшилась на 130 Дж; б) збільшилась на 60 Дж;
в) зменшилась на 130 Дж; г) зменшилась на 60 Дж.
3 (2). Під час якого процесу внутрішня енергія не змінюється?
а) адіабатного; б) ізохорного; в) ізобарного; г) ізотермічного.
4 (2). За якої температури нагрівача ККД циклу Карно становить 75%, якщо тем­пература холодильника 300 К?
5 (3). Одноатомний газ під час ізобарного розширення виконав роботу 400 кДж.

Яку кількість теплоти одержав газ у цьому процесі?
6 (4). На рисунку показано графік процесу, що від­бувся з одно­атомним ідеальним газом. У скільки разів збільшилася абсо­лютна температура газу? Яку роботу виконав газ?


Варіант 2
1 (1). Адіабатним називається процес, під час якого...
а) не змінюється внутрішня енергія газу; б) відсутній теплообмін;
в) не виконується робота; г) не змінюється температура газу.
2 (2). У процесі ізотермічного стискання зовнішні сили виконали над газом роботу 120 Дж. Яку кількість теплоти одержав чи віддав газ?
а) віддав 120 Дж; б) одержав 120 Дж; в) 0; г) віддав 60 Дж.
3 (2). Для якого процесу робота газу дорівнює нулю?

а) для адіабатного стискання; б) для ізобарного нагрівання;
в) для ізохорного нагрівання; г) для ізотермічного стискання.
4 (2). Яку роботу виконує метан (СН4) масою 320 г під час ізобарного нагрівання на 20 К?
5 (3). На теплоході встановлено дизельний двигун потужністю 120 кВт із ККД

32%. На скільки кілометрів шляху вистачить 4 т дизельного палива на швидкості руху 27 км/год?
6 (4). На рисунку показано графік процесу, що відбувався

з одноатомним ідеальним газом. Яку кількість теплоти

передано газу?

Тематичне оцінювання з теми «Основи термодинаміки»
Виконайте контрольну роботу «Основи термодинаміки»
Варіант 1
1 (1). За якою формулою можна обчислити кількість теплоти, необхідну для перетворення рідини в пару за сталої температури?

а) Q=cmt; б) Q=m; в) Q=rm; г) Q=U+A.
2 (2). У процесі адіабатного розширення газ виконав роботу 20 Дж. На скільки змінилась при цьому внутрішня енергія газу?

а) не змінилась; б) збільшилась на 10 Дж;
в) зменшилась на 20 Дж; г) збільшилась на 20 Дж.
3 (2). У якому з процесів газ виконує додатну роботу?
а) адіабатне стискання; б) ізобарне нагрівання;
в) ізохорне нагрівання; г) ізотермічне стискання.
4 (2). Тепловий двигун, ККД якого 35%, виконав корисну роботу 700 кДж. Яку кількість теплоти двигун передав навколишньому середовищу?
5 (3). Після стискання ідеального одноатомного газу його об’єм зменшився на 30%, а тиск збільшився на 60%. На скільки відсотків змінилась внутрішня енергія газу?
6 (4). На рисунку показано графік циклічного процесу, що відбувався з ідеальним газом. У скільки разів максимальна абсолютна температура газу перевищує мінімальну? Яку повну роботу виконує газ за цикл?
Варіант 2
1 (1). Внутрішня енергія ідеального газу залежить...
а) від температури й об’єму; б) від температури й тиску;
в) тільки від тиску; г) тільки від температури.
2 (2). Яку кількість теплоти одержав чи віддав газ, виконавши роботу 270 Дж, якщо його внутрішня енергія зменшилась на 190 Дж?

а) одержав 80 Дж; б) одержав 460 Дж;
в) віддав 80 Дж; г) віддав 460 Дж.

3 (2). У якому з цих процесів газ виконує роботу без зміни внутрішньої енергії?
а) адіабатне розширення; б) ізобарне охолодження;
в) ізохорне охолодження; г) ізотермічне розширення.
4 (2). За якої температури холодильника ККД циклу Карно становить 40%, якщо температура нагрівача 900 К?
5 (3). Для ізобарного нагрівання 16 моль газу на 180 К йому надали кіль кість теплоти, що дорівнює 60 кДж. Визначте збільшення внутрішньої енергії газу.
6 (4). На рисунку показано графік процесу, що відбувався з одноатомним ідеальним газом. У скільки разів зменшилась абсолютна температура газу? Яку роботу виконано газом?

Варіант 3
1 (1). За якою формулою можна обчислити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла за температури плавлення?

а) Q = U + A; б) Q = rm; в) Q = m; г) Q = cmt.
2 (2). Під час ізотермічного розширення газ виконав роботу 340 Дж. Яку кількість теплоти одержав чи віддав газ?

а) віддав 340 Дж; б) одержав 340 Дж; в) 0; г) віддав 170 Дж.
3 (2). У якому з цих процесів робота зовнішніх сил дорівнює зміні внутрішньої енергії газу?

а) адіабатне стискання; б) ізобарне нагрівання;

в) ізотермічне розширення; г) ізохорне нагрівання.
4 (2). Яку роботу виконує гелій масою 60 г під час ізобарного нагрівання на 50 К?
5 (3). Двигун автомобіля на швидкості 90 км/год витрачає на 100 км шляху 9 кг бензину. Знайдіть ККД двигуна, якщо його корисна потужність у такому русі 25 кВт.
6 (4). На рисунку показано графік процесу, що відбувався з одноатомним ідеальним газом. Яку кількість теплоти газ передав навколишньому середовищу?


Варіант 6
1 (1). Робота виконана газом під час розширення, чисельно дорівнює площі під графіком залежності...
а) об’єму від температури; б) тиску від об’єму;
в) тиску від температури; г) температури від тиску.
2 (2). Під час адіабатного стискання зовнішні сили виконали над газом роботу 80 Дж. На скільки змінилась внутрішня енергія газу?
а) не змінилась; б) збільшилась на 160 Дж;

в) зменшилась на 80 Дж; г) збільшилась на 80 Дж.
3 (2). У якому з цих процесів робота зовнішніх сил над газом є додатною?
а) адіабатне розширення; б) ізобарне охолодження;
в) ізотермічне розширення; г) ізохорне охолодження.
4 (2). Знайдіть ККД теплового двигуна, що виконав корисну роботу 200 кДж, передавши при цьому навколишньому середовищу кількість теплоти 300 кДж.
5 (3). Під розширення ідеального одноатомного газу його об’єм збільшився на 50%, а тиск зменшився на 20%. На скільки відсотків змінилась внутрішня енергія газу?
6 (4). У вертикальному циліндрі під поршнем масою 10 кг міститься газ об’ємом 2 л за температури 300 К. Яку корисну роботу виконає газ під час нагрівання на 150К, якщо площа поршня дорівнює 50 см2, а атмосферний тиск – 100 кПа? Вважайте, що g = 10 м/с2.

Література:


  1. Фізика. Програми для профільних класів.– К.: Педагогічна преса.– 2004.

  2. Гончаренко С.У. Фізика: Підр. для 10 кл. серед. загальноосв. шк.–К.: Освіта, 2002.

  3. Кабардин О.Ф. Физика: Справ. материалы: Учеб. пособие для учащихся.– 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Просвещение, 1988.

  4. Енохович А.С. Справочник по физике.– 2-е изд., перераб. и доп.– М.: Просвещение, 1990.

  5. Кирик Л.А. Фізика-10. Різнорівневі самостійні і контрольні роботи.– Харків: Гімназія, 2004.

  6. Гельфгат І.М. та ін. Фізика. 10 клас. Варіанти завдань для тематичного оцінювання навчальних досягнень учнів.– Харків: Веста: Видавництво «Ранок», 2003.

  7. Корсак К.В. Якісні і графічні задачі з молекулярної фізики та електродинаміки: Посібник для вчителя.– К.: Рад. шк., 1990.

  8. Корсак К.В., Коцаренко М.Я. Озонова діра – сигнал небезпеки.– К.: Т-во «Знання»УРСР, 1990.

  9. Гоголєв Л.Д. Еволюція автомобіля.– К.: Техніка, 1983.

  10. Шарко В.Д. Екологічне виховання учнів під час вивчення фізики.– К.: Рад. шк., 1990.

  11. Электронная энциклопедия Кирилла и Мефодия – 2006.




поділитися в соціальних мережах



Схожі:

Тема : Принцип дії теплових двигунів. Двигун внутрішнього згорання....
Тема: Принцип дії теплових двигунів. Двигун внутрішнього згорання. Парова І газова турбіни. Ккд теплового двигуна. Шляхи підвищення...

Рішенням комітету з конкурсних торгів пат «Укртранснафта» в м. Львів
Ремонт двигунів внутрішнього згорання, паливних насосів, турбокомпресорів, стартерів та іншого устаткування автомобільної будівельної...

Лекція №25 Тема лекції: Суматори: призначення, принцип дії, функціональне...
Тема лекції: Суматори: призначення, принцип дії, функціональне позначення, приклади логічних структур реалізації

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту України Кіровський...
Економіка (від грец оіїсопотіа керування домашнім господарством) -найважливіша сфера суспільних відносин, виробництва, розподілу,...

Тема: Принцип дії радіотелефонного зв’язку. Радіомовлення І телебачення....

Лекція №21 Тема лекції: Загальні відомості. Базові схеми та принцип...
Ю. П. Колонтаєвський „Промислова електроніка та мікросхемотехніка: теорія І практикум” – 2003. ст. 154-156

Виховна година Сторінками життєвого шляху Д.І. Менделєєва Мета
Д.І. Менделєєва; розкрити багатогранність особистості Менделєєва, величезне коло його інтересів, талант І широту наукових досліджень...

Тема: «Методична компетентніть учителя на уроках інформатики»
М. М. Пістрак так характеризував методи: «Методом навчання у найзагальнішому розумінні слова ми називаємо спосіб передачі знань І...

«Способи подолання стресу в період підготовки та здачі дпа, зно» Мета
Дпа, зно;підвищення психологічної грамотності,формування в учнів орієнтації на збереження свого психічного здоров’я, тренування вмінь...

Лікувальна фізкультура при виразковій хворобі
Рух може по своїй дії замінити будь-який засіб, але всі лікувальні засоби миру не можуть замінити дії руху.”



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

l.lekciya.com.ua
Головна сторінка