В тепловом двигателе внутренняя энергия газа или пара частично превращается в механическую энергию

Обновлено: 02.05.2024

Условия, необходимые для работы теплового двигателя

Тепловым двигателем называется машина, в которой происходит превращение энергии, полученной при сгорании топлива, в механическую энергию.

Вещество, производящее работу в тепловых двигателях, называется рабочим телом или рабочим веществом. В паровых двигателях таким рабочим веществом является пар, а в двигателях внутреннего сгорания – газ.

Установим общие условия (относящиеся ко всем тепловым двигателям), которые необходимы, чтобы преобразовать энергию топлива в энергию движения машин и механизмов. Эти условия мы выясним на примере работы паросиловой установки, схема которой изображена на рисунке.

Одна из частей паросиловой установки – топка с паровым котлом С. В котле образуется пар, который под давлением направляется по трубе М в цилиндр паровой машины Е. Здесь пар расширяется и, двигая поршень, совершает работу. Посредством передающего механизма А возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение маховика, который приводит в движение рабочие части станков, сельскохозяйственных машин, генераторов тока и т. д.

Отработавший и вследствие этого охладившийся пар выталкивается в особое устройство К, называемое конденсатором, где он, проходя через трубы, охлаждаемые проточной водой, теряет ещё часть своей внутренней энергии и превращается в воду. Эта вода идёт сначала в питательный бак P, где очищается, а из него насосом N подаётся обратно в котел.

Итак, основные части паросиловой установки следующие: нагреватель (котёл с топкой), цилиндр с рабочим веществом (паром) и холодильник (конденсатор).

Особенность работы тепловых двигателей состоит в том, что часть энергии, которую получает рабочее вещество от нагревателя, обязательно отдаётся холодильнику (конденсатору).

Пусть рабочее тело получило от нагревателя количество теплоты Q₁ калорий. Часть этого количества теплоты в двигателе превращается в механическую энергию, а остальная часть, пусть это будет Q₂ калорий, переходит от рабочего тела к холодильнику. Работа производится лишь за счёт разности энергии Q₁ – Q₂.

Во всяком тепловом двигателе не всё количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, превращается в механическую энергию. Часть количества теплоты обязательно поглощается холодильником. В этом заключается важнейшая особенность работы теплового двигателя.

Механическая энергия движущихся тел при всех превращениях полностью переходит во внутреннюю энергию тел.

Иначе обстоит дело, когда, наоборот, внутренняя энергия тела превращается в механическую энергию. Практика показала, например, что внутренняя энергия газа или пара лишь частично превращается в энергию движения механизмов.

Причину этого нетрудно понять, если вспомнить, что внутренняя энергия тел складывается из кинетической и потенциальной энергии атомов и молекул, которые находятся в состоянии хаотического движения. Как, например, можно было бы произвести полное превращение внутренней энергии порции пара в кинетическую энергию движения поршня паровой машины? Для этого многие миллиарды беспорядочно мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и передать ему весь свой запас кинетической энергии.

Даже если бы такой процесс был возможен, то всё равно при этом сохранится часть внутренней энергии пара в виде потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Итак, внутренняя энергия тел не может полностью переходить в механическую энергию движения механизмов. Этот вывод имеет огромное практическое значение, так как он связан с проблемой повышения коэффициента полезного действия двигателей.

Начиная с 17-го века широко используется свойство газа совершать работу при расширении. Устройства, которые преобразуют внутреннюю энергию газа в механическую работу, называются тепловыми машинами. Труд таких известных инженеров и ученых, как Ползунов, Ньюкомен, Джеймс Уатт, Шарль, Мариотт, Авогадро, Бойль, Дальтон, Карно, Клапейрон и, другие, позволил изобрести различные виды тепловых машин. Благодаря экскаваторам, подъемным кранам, станкам и другим механическим устройствам, снабженным тепловыми машинами, за короткое время мы можем выполнить большие объемы работы.

Расширение и работа газа

Газ, расширяясь, может совершать работу. От кастрюльки с кипящей водой, накрытой крышкой, слышен звук постукивающей крышки. Звук возникает благодаря тому, что кипящая вода бурно испаряется. Пар поднимается над водой, занимая пространство между поверхностью воды и крышкой. Расширяясь, пар приподнимает крышку (рис. 1).

Часть пара покидает кастрюльку через образовавшуюся под крышкой щель. И крышка опускается. Этот процесс будет повторяться до тех пор, пока мы не прекратим подогревать кастрюльку.

Главным здесь является то, что нагретый пар (газ), расширяясь, может совершать работу, сдвигая крышку.

Джеймс Уатт в конце 17-го века придумал способ увеличить эффективность использования этого свойства нагретого пара. Он изобрел конденсатор пара, благодаря ему усовершенствовал паровую машину Ньюкомена. Это позволило увеличить ее эффективность в 3 раза.

Четыре вида тепловых двигателей

На сегодня известны такие типы тепловых двигателей (рис. 2):

двигатель внутреннего сгорания,
паровая турбина и газовая турбина,
паровая машина,
реактивный двигатель.

Превращение энергии в тепловом двигателе

В любом тепловом двигателе по цепочке происходят такие превращения энергии (рис. 3):

тепловая энергия топлива преобразуется во внутреннюю энергию газа;
нагретый газ расширяется, и совершает работу, охлаждаясь при этом;
часть внутренней энергии газа переходит в механическую энергию.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Чтобы представить простой тепловой двигатель, кастрюльку заменим цилиндром, а крышку – металлическим поршнем. Поршень должен плотно прилегать к стенкам отполированного цилиндра, так, чтобы двигаться по нему с минимальным трением. Если в пространство под поршнем поместить газ, то нагреваясь и расширяясь, он сможет сдвинуть поршень. Полученное устройство называется тепловым двигателем.

Поступательное движение поршня с помощью дополнительных механических частей можно преобразовать во вращательное движение рабочего вала.

На сегодняшний день ДВС – это самый распространенный вид тепловых двигателей. В таких двигателях используется жидкое или газообразное топливо – бензин, керосин, спирт, нефть, горючий газ. Топливо в таком двигателе сгорает внутри цилиндра, поэтому его назвали двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Примечание: Паровая машина и, к примеру, двигатель Стирлинга, относятся к двигателям внешнего сгорания. Топливо в таких машинах сгорает за пределами рабочего цилиндра.

Существуют одноцилиндровые и многоцилиндровые двигатели внутреннего сгорания.

По количеству тактов работы двигателя, умещающихся в рабочий цикл, выделяют

двухтактные и
четырехтактные двигатели.

Как устроен одноцилиндровый ДВС

Рассмотрим, какие части включает в себя одноцилиндровый двигатель (рис. 4).

Основными частями являются цилиндр и поршень, который может двигаться внутри цилиндра поступательно. Над рабочей поверхностью поршня располагается свеча. В пространство между поршнем и свечой помещаются смесь паров топлива и воздуха. Такой газ называют рабочим телом. Электрическая свеча зажигания вызывает процесс горения топливовоздушной смеси.

Впуск воздуха и паров топлива и выпуск сгоревших газов осуществляется двумя клапанами, которые так и называют – впускным и выпускным.

А шатун соединяет поршень и коленчатый вал. С помощью такого соединения возвратно-поступательное движение поршня преобразовывается во вращательное движение коленчатого вала.

Для эффективной работы двигателя необходимо открывать и закрывать каждый клапан и подавать электричество к свече в нужные моменты времени. Поэтому, клапаны, поршень и свеча работают согласованно. Согласованность их работы реализована с помощью кулачкового механизма и различных датчиков, которые на рисунке не показаны.

Что такое мертвая точка и ход поршня

Вначале познакомимся с понятиями мертвых точек и рабочего хода. Это поможет разобраться, из каких частей состоит рабочий цикл двигателя.

Что происходит внутри цилиндра при работе ДВС

При работе двигателя в цилиндре периодически происходит сгорание смеси топлива и воздуха, а, так же, производится выброс отработанных газов.

Сжатые поршнем газы загораются от электрической искры. Температура горения поднимается до 1800 градусов Цельсия. Поэтому, каждый двигатель внутреннего сгорания дополнительно содержит систему охлаждения.

Раскаленные газы расширяются, давление на поршень и стенки цилиндра резко возрастает. Это давление с силой толкает поршень, приводя его в движение. Усилие передается с поршня на шатун и далее на коленчатый вал, вращая его.

Примечание: Раскаленные газы обладают большим запасом внутренней энергии. Расширяясь, газы охлаждаются, при этом часть их внутренней энергии переходит в механическую работу.

Таким образом, энергия топлива преобразуется во вращение коленчатого вала.

Этапы работы четырехтактного ДВС

Первый такт – впрыск топлива

Сначала поршень движется вниз (рис. 6а). При этом между поршнем и клапанами создается область пониженного давления. Поэтому, когда открывается впускной клапан, пары топлива и воздух засасываются внутрь цилиндра. Сдвигаясь, поршень через шатун приводит во вращение коленчатый вал, снабженный утяжеляющим его маховиком. Первый такт заканчивается в момент достижения поршнем нижней мертвой точки.

Второй такт – сжатие топливовоздушной смеси

Коленчатый вал продолжает вращение по инерции и увлекает поршень с помощью шатуна. Теперь поршень движется вверх (рис. 6б). Он сжимает смесь топлива и воздуха, находящуюся в объеме над ним. Давление над поршнем повышается и газ разогревается. Процесс сжатия заканчивается в верхней мертвой точке.

Третий такт – рабочий ход

В момент, когда поршень проходит верхнюю мертвую точку и начинает движение вниз (рис. 6в), на свечу зажигания подается высокое электрическое напряжение. Между рабочими электродами свечи проскакивает искра. Эта искра поджигает смесь паров топлива и воздуха. Температура газов поднимается почти до двух тысяч градусов. Давление раскаленного газа на стенки цилиндра и поршень возрастает в тысячи раз. Сила давления толкает поршень, он движется к нижней мертвой точке. Раскаленные газы расширяются и охлаждаются. При этом, они двигают поршень вниз, то есть, совершают механическую работу. Отсюда и название такта – рабочий ход.

Четвертый такт – выброс отработавших газов в окружающую среду

В момент, когда поршень минует нижнюю мертвую точку и, вращение коленчатого вала с помощью шатуна увлекает его вверх (рис. 6г), открывается выпускной клапан. Отработанные газы покидают цилиндр. Это продолжается до момента, когда поршень достигнет верхней мертвой точки. В этот момент полный цикл работы завершается. Двигатель готов к началу нового четырехтактного процесса.

Во время второго и третьего тактов впускной и выпускной клапаны закрыты. Впускной клапан открыт во время первого такта, выпускной – во время четвертого.

Двухтактные ДВС и их особенности

Двигатель называют двухтактным, когда полный цикл его работы совершается за два хода поршня – такта. Пока поршень совершает два хода, коленчатый вал совершает один оборот.

Сжатие и рабочий ход происходят аналогично четырехтактному двигателю. Отличие заключается в процессах впрыска и выпуска отработанных газов. Эти процессы происходят совместно и в течение короткого времени, покуда поршень проходит нижнюю мертвую точку.

Впрыск топливовоздушной смеси и выпуск отработанных газов называется продувкой цилиндра.

Количество нерабочих ходов поршня в два раза меньше, по сравнению с четырехтактным двигателем. Поэтому потери на трение сократились в два раза.

Но главное преимущество двухтактного двигателя в том, что он обладает в полтора раза большей мощностью при одинаковых с четырехтактным двигателем объемом цилиндра и оборотах двигателя.

Благодаря этому двухтактные двигатели используются на средних и тяжелых морских судах и в авиации. Вал двигателя с валом гребного винта, или воздушным винтом, соединяется без редуктора. В судостроении используют тяжелые малооборотные двигатели. А в конструкциях самолетов, в основном двухтактные роторные двигатели.

Некоторые модели мотоциклов, малолитражных автомобилей, грузовиков и автобусов, так же, оснащаются двухтактными двигателями внутреннего сгорания.

Основной недостаток таких двигателей заключается в том, что их детали работают при более высоких температурах. Это вызывает сокращение срока службы. А в мощных двигателях требует дополнительного охлаждения поршней.

Еще один недостаток заключается в одновременном впрыске топлива и выпуска отработанных газов. При этом пары топлива смешиваются с отработанными газами, полностью исключить такое смешивание не получается. Из-за этого снижается эффективность сжигания топлива в цилиндрах таких двигателей.

Преимущества многоцилиндровых двигателей и их устройство

В многоцилиндровых двигателях топливо воспламеняется в различные моменты времени последовательно в нескольких цилиндрах. При этом рабочий вал двигателя вращается более равномерно, ему передается больше энергии. Это позволяет повысить мощность двигателя.

В мопедах и скутерах чаще всего используют одноцилиндровые двигатели (рис. 7).

Рабочий вал многоцилиндрового двигателя вращается более равномерно и получает энергию от нескольких поршней. Поэтому многоцилиндровые двигатели имеют повышенную мощность.

В сложных двигателях цилиндры располагают, поворачивая один относительно другого на различные углы (рис. 8).

Имеются такие конструкции двигателей:

V-образные, в которых цилиндры располагаются в виде латинской буквы V;
рядные, когда несколько цилиндров располагают в ряд один за другим;
оппозитные, в которых одни цилиндры развернуты на 180 градусов по отношению к другим цилиндрам и поршни одновременно проходят либо верхнюю, либо нижнюю мертвую точку, двигаясь в противоположные стороны;
роторные, несколько цилиндров в них располагаются в виде многолучевой звезды, такие двигатели применяются в авиации.

Примечания:

Паровая турбина

Турбина от двигателя внутреннего сгорания отличается более простым устройством. Основная сложность при изготовлении турбин заключается в создании легких, прочных и эффективных лопаток, приводящих в движение диски и рабочий вал.

Тепловой двигатель, в котором вал двигателя вращается без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала, называется паровой турбиной.

Устройство турбины отличается простой конструкцией (рис. 9).

На вал насажен диск, содержащий на ободе лопатки. На эти лопатки направлены сопла, из них под большим давлением в сторону лопаток подается горячий газ или пар, который вращает лопасти и приводит в движение диск турбины и вал двигателя.

Современные турбины содержат несколько дисков с лопастями, находящихся на общем валу. Пар последовательно проходит лопатки нескольких дисков и каждому передает часть своей энергии. Это повышает эффективность турбины.

В качестве двигателей турбины применяются на больших судах.

Частота вращения турбин может достигать нескольких тысяч оборотов в минуту. На электростанциях вал турбины соединяется с генератором тока, благодаря чему механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую энергию.

Изменение внутренней энергии тела ΔU, в результате совершенной им работы A, подчиняется первому закону термодинамики:

где Q — количество теплоты, переданное телу. Появление теплоты Q в этом уравнении связано с тем, что в качестве веществ, которые используются для превращения их внутренней энергии в механическую, обычно используются газы или водяной пар (газообразное состояния воды).

Рис. 1. Превращение внутренней энергии в механическую.

Первый закон термодинамики, представленный в виде формулы (1), есть не что иное, как частный случай общего закона сохранения энергии, который гласит, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую или переходит от одного тела к другому.

Тепловые машины

В паровых двигателях происходит нагрев пара за счет тепла выделяемого при наружном сжигании горючего топлива (дерево, уголь, мазут, газ). Пар, расширяясь приводит в движение механические детали (поршни, турбины).

Итак, мы видим, что в обоих случаях происходит превращение внутренней энергии газовой смеси (горячего пара или продуктов горения топлива) в механическую энергию поршней и турбин двигателей.

Рис. 2. Принцип работы парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания.

Еще один вид тепловых двигателей называется реактивным. В этих двигателях происходит выброс с большой скоростью продуктов сгорания наружу через специальное сопло, в результате чего возникает реактивная тяга. Этот тип двигателей устанавливают на реактивных самолетах и ракетах, которые используют либо в военных целях, либо в гражданских — для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и за ее пределы. Понятно, что и в этом случае происходит превращение внутренней энергии топливной смеси в механическую энергию движущегося самолета или ракеты.

Рис. 3. Принцип работы реактивного двигателя.

Необходимо помнить, что максимальный коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя согласно закону Карно, не может превышать значение:

Дополнительные примеры

Можно привести дополнительные примеры превращения внутренней энергии в механическую:

Внутренняя энергия сжатого газа переходит в механическую энергию дроби, пули или снаряда при стрельбе из ружей и пушек. Часть энергии также переходит в механическую энергию оружия, которую ощущает охотник в виде отдачи приклада;
В кастрюле с закипевшей на плите водой давление горячего пара приподнимает крышку;
Из бутылок с газированными напитками часто вылетают пробки под давлением газов, выделившихся из жидкого напитка;
Предохранители и автоматы отключения в электрических цепях размыкают цепь с током, когда он превышает допустимое значение и разогревает предохранительный контакт, который при превышении определенной температуры от нагрева деформируется (выгибается) и размыкает цепь;
На атомных электростанциях в качестве исходного топлива используется энергия, выделяемая при делении или синтезе атомных ядер. Выделяемое при этом большое количество тепловой энергии используется для нагрева вода, с последующим образованием пара, вращающего турбину электрического генератора. На этом примере мы видим цепочку энергетических превращений: потенциальная энергия ядер сначала преобразуется во внутреннюю энергию тепловых носителей (вода, пар), затем в механическую энергию вращения турбины, которая далее превращается в электрическую энергию.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что превращение внутренней энергии в механическую происходит в тепловых двигателях за счет нагрева рабочего тела (пара или горючей смеси) и последующего расширения. Основные типы тепловых двигателей: паровые поршневые и турбинные), ДВС, реактивные.

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,

Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q₁, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия η тепловой машины:

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от «горячего» теплового резервуара, превратилась в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «бесполезно» передана холодильнику. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема тепловой машины изображена на рис. 3.11.2.

Энергетическая схема тепловой машины: 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело, совершающее круговой процесс. Q₁ > 0, A > 0, Q₂ < 0; T₁ > T₂

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q₁ = A₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T₂ < T₁. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A₃₄ < 0 и отдает тепло Q₂ < 0, равное произведенной работе A₃₄. Внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения T₁, газ совершает работу A₄₁ < 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

На диаграмме (p, V) эта работа равна площади цикла.

Процессы на всех участках цикла Карно предполагаются квазистатическими. В частности, оба изотермических участка (1–2 и 3–4) проводятся при бесконечно малой разности температур между рабочим телом (газом) и тепловым резервуаром (нагревателем или холодильником).

Как следует из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (или сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. Для 1 моля газа

где T₁ и T₂ – начальная и конечная температуры газа.

Отсюда следует, что работы, совершенные газом на двух адиабатических участках цикла Карно, одинаковы по модулю и противоположны по знакам

По определению, коэффициент полезного действия η цикла Карно есть

С. Карно выразил коэффициент полезного действия цикла через температуры нагревателя T₁ и холодильника T₂:

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазиравновесным, т. е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника:

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

В реальных холодильных машинах используются различные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q₂| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении β_х может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q₁| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность β_Т теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

следовательно, β_Т всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Чтобы приготовить чай или кофе, мы кипятим воду, но что, если бы нужно было кипятить воду каждый раз, когда вы хотите, что-то сделать? Что, если бы для зарядки вашего телефона, просмотра телевизора или чистки вашего ковра, нужно было получить водяной пар? Это звучит безумно, но это не так уж и далеко от истины. Если вы не используете возобновляемые источники энергии из чего-то вроде солнечной панели или ветряной турбины, практически каждая энергия, потребляемая вами, поступает от электростанции, которая генерирует электричество от кипячения, шипящего, быстро расширяющегося пара! Возможно, мы не будем использовать поршневые паровые двигатели, но мы все еще используем их современные эквиваленты - паровые турбины. Что это и как они работают? Давайте поближе посмотрим!

Почему пар содержит столько энергии?

Если вы когда-либо обжигались паром, вы поймете, что это невероятно болезненно - и последствия намного больше, чем от обычной горячей вода. Если вода и пар находятся при одной и той же температуре, почему пар обжигает сильнее? Просто потому, что он содержит гораздо больше энергии. Чтобы превратить 1 кг воды при 100 ° C в 1 кг пара при той же температуре, вам нужно около 2257 килоджоулей энергии или примерно в 1000 раз больше, чем потребляет электрический чайник или тостер за одну секунду. Это огромное количество энергии! Это то, что мы называем удельной теплотой испарения воды: это энергия, которую вы должны передать воде, чтобы ее молекулы разбежались достаточно далеко друг от друга, чтобы превратить кипящую горячую жидкость в горячий газ.

Так почему же пар обжигает сильнее? Если 100 ° C кипящая вода поражает ваше тело, она остывает и отдает тепло; это энергия, которая обжигает вас. Если пар 100 ° C поражает ваше тело, он сначала превращается в воду (при этом выделяет столько же энергии, сколько потратили на испарение), а затем остывает, обжигает вас так же, как горячая вода. Это лишняя массивная доза тепловой энергии, которая делает парный ожог гораздо более серьезным и болезненным, чем ожог горячей водой. С положительной стороны эта скрытая энергия пара полезна в паровых двигателях и паровых турбинах!

Как использовать энергию пара?

Если вы когда-либо видели старомодный паровоз, вы понимаете, насколько мощным может быть пар. Паровоз построен вокруг парового двигателя - сложной машины, основанной на простой идее: вы можете сжигать топливо (уголь), чтобы выпустить энергию, хранящуюся внутри него. В паровом двигателе уголь горит в печи и выделяет тепло , которое кипятит воду, как чайник, и образует пар высокого давления. Пар подается через трубу в цилиндр с плотно прилегающим поршнем , который может двигаться. Когда пар расширяется,заполняя цилиндр, он остывает, теряет давление и отдает свою энергию поршню. Поршень толкает колеса локомотива, потом возвращаться обратно, чтобы весь процесс можно было повторить. Пар не является источником энергии: он транспортирует ее, помогает преобразовать энергию, запертую внутри угля, в механическую энергию, которая продвигает поезд.

Что такое турбина?

Турбина - это вращающееся колесо, которое получает энергию от проходящего мимо газа или жидкости. Ветряная мельница или ветряная турбина берет энергию от ветра, в то время как водяное колесо или водяная турбина обычно движутся рекой, протекающей над, под или вокруг нее. Мы не можем производить энергию из воздуха: основной закон физики, называемый сохранением энергии, говорит нам, что газ или жидкость всегда замедляются или меняются в направлении, когда текут мимо турбины, теряя по меньшей мере столько энергии, сколько передается турбине.

Что такое паровая турбина?

Как следует из названия, паровая турбина питается энергией горячего газообразного пара и работает как винт ветряной или водяной мельницы. Как и у ветряной турбины, у паровой есть вращающиеся лопасти, которые движутся, когда пар пролетает мимо них; как у водяной турбины, лопасти плотно прилегают к герметичному наружному контейнеру, так что пар проталкивается мимо них со скоростью. Паровые турбины используют пар высокого давления для движения ротора генератора электроэнергии на невероятно высоких скоростях, поэтому они вращаются намного быстрее, чем ветряные или водяные турбины. Типовая паровая турбина электростанции вращается со скоростью 1800-3600 об/мин - примерно в 100-200 раз быстрее, чем лопасти вращаются на типичной ветряной турбине, которая должна использовать редуктор для быстрого привода генератора, чтобы производить электричество. Как и в паровом двигателе, пар расширяется и охлаждается, когда он течет мимо лопаток паровой турбины, то отдает часть от максимально возможной энергии, изначально содержащейся. Но, в отличие от парового двигателя, поток пара постоянно вращает лопасти: нет толкающего действия или ожидания, пока поршень вернется в определенное положение в цилиндре, потому что пар все время толкает лопасти. Паровая турбина также намного компактнее паровой машины: вращающиеся лопасти позволяют расширять пар и управлять машиной в гораздо меньшем пространстве, чем потребует устройство с поршневым цилиндром. Это одна из причин, почему паровые турбины были быстро применены на кораблях, где пространство было очень ограниченным.

Части паровой турбины

Все паровые турбины имеют одни и те же основные части, хотя есть много вариантов в том, как они устроены.

Центр турбины — это прочная ось, называемая ротором, а это то, что передает энергию от турбины до генератора электроэнергии (или что-то еще, что движет турбина). Лопатки являются наиболее важной частью турбины: их конструкция имеет решающее значение для захвата как можно большего количества энергии из пара и превращения его во вращательную энергию путем вращения ротора вокруг своей оси. Все турбины имеют набор вращающихся лопастей, прикрепленных к ротору, и вращают его, когда пар попадает на них. Лопасти и ротор полностью закрыты в очень прочном внешнем корпусе из легированной стали (способном выдерживать высокие давления и температуры)

Помимо ротора и его лопастей, турбине также требуется некоторый вход для пара (обычно это набор сопел, которые направляют пар на неподвижные или вращающиеся лопасти).

Паровые турбины также нуждаются в некотором виде механизма управления, который регулирует их скорость, поэтому они генерируют столько или меньше энергии, сколько необходимо в любой конкретный момент времени. Большинство паровых турбин находятся на огромных электростанциях, имеющих огромные печи, где нелегко уменьшить количество теплоты, которое они производят. С другой стороны, спрос (нагрузка) на электростанцию - сколько электроэнергии она должна производить - может сильно и относительно быстро варьироваться. Таким образом, паровые турбины должны справляться с плавающим выходом, даже если вход пара может быть относительно постоянным. Самый простой способ регулирования скорости - использовать клапаны, выпускающие часть пара, которая в противном случае проходила бы через турбину паровые турбины.

Реальные паровые турбины

На практике паровые турбины немного сложнее, чем мы предполагали до сих пор. Вместо одного набора лезвий на роторе, как правило, существует множество различных наборов, каждый из которых помогает извлекать немного больше энергии из пара, прежде чем она будет исчерпана. Каждый комплект лопастей называется ступенью и работает либо импульсом, либо реакцией, и типичная турбина может иметь смесь импульсных и реакционных ступеней, все они установлены на одной и той же оси ротора и одновременно поворачивают генератор. Часто импульсные ступени идут первыми и извлекают энергию из пара, когда он находится под высоким давлением; этапы реакции приходят позже и удаляют дополнительную энергию из пара, когда он расширяется до большего объема и более низкого давления с использованием более длинных и больших лопастей. Многоступенчатый подход, изобретенный Чарльзом Парсонсом, означает, что каждая ступень замедляет или уменьшает давление пара лишь относительно небольшим количеством, что уменьшает силы на лопастях (важное соображение для машины, которую, возможно, придется эксплуатировать много лет без остановки) и значительно улучшает общую выходную мощность турбины.

Особенности

Турбины также различаются тем, как они охлаждают пар, который проходит через них. Конденсационные турбины (используемые на больших электростанциях для выработки электроэнергии) превращают пар, по крайней мере частично, в воду с использованием конденсаторов и гигантских бетонных градирен. Это позволяет пару расширяться больше и помогает турбине извлекать из нее максимальную энергию, делая процесс генерации электроэнергии более эффективным. Для конденсации пара требуется большой запас холодной воды, поэтому электростанции с конденсаторными турбинами часто строятся рядом с большими реками. Неконденсирующие турбины так сильно не охлаждают пар, а используют оставшееся в нем тепло, чтобы сделать горячей воду в системе, а затем горячую воду отправляют в дома для обогрева (ТЭЦ).

Практические паровые турбины бывают всех форм и размеров и производят мощность в диапазоне от одного или двух мегаватт (примерно такой же выход, что и один ветрогенератор) до 1000 мегаватт или более (выход с большой электростанции, эквивалентной 1000 или около того ветрогенераторов). В крупнейших турбинах на крупных электростанциях с ископаемым топливом давление пара может достигать 20-30 МПа (примерно в 200-270 раз больше атмосферного давления). Небольшая паровая турбина мощностью 10 мегаватт примерно такая же, как и небольшой пассажирский автобус.

Презентация на тему: " Пар или газ, расширяясь, может совершить работу. При этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию. Устройства, в которых внутренняя." — Транскрипт:

2 Пар или газ, расширяясь, может совершить работу. При этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию. Устройства, в которых внутренняя энергия пара или газа (рабочего тела) превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

4 При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру

5 Две с лишним тысячи лет тому назад, в 3 веке до нашей эры, великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунки пушки Архимеда были найдены позднее в рукописях Леонардо да Винчи. При стрельбе один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась, и пар, расширяясь с силой и грохотом выбрасывал ядро. Ствол пушки представлял собой, как бы цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

6 ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ( четырехтактный ) Двигатель состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень

7 Сгорание топлива происходит внутри двигателя. Двигатель работает на жидком топливе. Повторяющийся рабочий цикл двигателя состоит из четырех процессов (тактов): а) впуск, б) сжатие, в) рабочий ход, г) выпуск.

8 Первые авто Транспортное средство Ленуара (1863) (Франция) Автомобиль Маркуса ( ) (Австрия) Деламар -Дебутвилль (1884) (Франция) Автомобиль по патенту Бенца (1886) (Германия)

9 горючее, а в первых ракетах это был пороховой заряд, сгорает в камере сгорания, и образовавшиеся газы с большой скоростью вылетают из отверстия - сопла. Вылет газов сопровождается отдачей. В результате этой отдачи возникает сила, приложенная к двигателю и направленная противоположно направлению вылета газовой струи. Развитие реактивных двигателей началось в 40-вых годах 20 века. Первое применение они нашли в военной технике: в гвардейских минометах "Катюша", в немецких ракетах ФАУ, затем в реактивных самолетах. Принцип действия ракетного двигателя состоит в следующем:

10 ИНТЕРЕСНО. что на автомобилях ставят глушители, а если их нет, то выпуск отработанных газов происходит с большим шумом. Дело в том, что отработанные газы при выпуске из цилиндра имеют значительно большее давление, чем атмосферный воздух. Расширяясь с большой скоростью, они создают шум. Смысл работы глушителя состоит в уменьшении скорости выхода газа из цилиндра двигателя.

12 Самый дорогой авто (Шведский супер-кар) Максимальная скорость км/ч Разгон с места до 100 км/ч с двигатель V8, объём 5.0 л Цена Euro

13 Самый мощный авто Bugatti Veyron л.с. Максимальная скорость 405 км/ч Разгон с места до 100 км/ч - 2,9 с Двигатель W16, объем л Привод полный Снаряженная масса 1950 кг Цена $ Самые мощные авто.

Тест по физике Работа пара и газа при расширении. КПД теплового двигателя для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 13 заданий и предназначен для проверки знаний к главе Тепловые явления.

1. Как изменяется внутренняя энергия пара или газа при расширении? Изменение какой физической величины свидетельствует об этом?

1) Уменьшается; массы
2) Увеличивается; температуры
3) Уменьшается; температуры
4) Увеличивается; мощности

2. Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается во внутреннюю энергию газа или пара, а затем в механическую энергию, называют

1) гидравлическими машинами
2) тепловыми двигателями
3) простыми механизмами

3. Какой тепловой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

1) Который имеет внутреннюю камеру сгорания топлива
2) У которого топливо сгорает внутри рабочего цилиндра двигателя
3) Для которого используется жидкое топливо, вводимое непосредственно в двигатель

4. Из последовательности каких четырех тактов состоит каждый цикл работы двигателя внутреннего сгорания?
1) Впуск, расширение, воспламенение, рабочий ход
2) Впуск, сжатие, воспламенение, выпуск
3) Впуск, воспламенение, рабочий ход, выпуск
4) Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск

5. Зачем для работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания нужен маховик на его валу?

1) Чтобы маховик во время рабочего хода запасал энергию, нужную для работы двигателя внутреннего сгорания
2) Чтобы маховик вращал вал двигателя в интервалах времени между рабочими ходами
3) Чтобы, получив энергию во время рабочего хода и вращаясь затем по инерции, маховик поворачивал вал двигателя для осуществления других тактов цикла его работы

1) приводимого в движение струями пара (газа), давящими на лопатки дисков, находящихся на его валу
2) отличающегося от двигателя внутреннего сгорания тем, что может работать на любом топливе
3) без поршня и системы зажигания топлива
4) для которого характерны все пункты 1, 2, 3

7. Наличие каких составных частей обязательно для работы теплового двигателя?

8. Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя?

1) Произведенная двигателем механическая работа
2) Его мощность
3) Коэффициент полезного действия двигателя
4) Количество теплоты, полученное при сгорании топлива

1) совершенной двигателем полезной работе
2) отношению произведенной двигателем полезной работы к полученной от нагревателя энергии
3) количеству теплоты, выделенной при сгорании топлива

10. По каким формулам находят коэффициент полезного действия теплового двигателя?

11. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания, который производит 46 × 10 6 Дж полезной работы, затрачивая 3 кг бензина.

12. Сколько дров придется сжечь в топке парового котла, чтобы турбина, коэффициент полезного действия которой 32%, произвела 3,2 × 10 8 Дж полезной работы?

1) 10 кг
2) 100 кг
3) 500 кг
4) 1000 кг

13. Почему (указать главную причину) КПД теплового двигателя не может быть равен 100%?

Ответы на тест по физике Работа пара и газа при расширении. КПД теплового двигателя
1-3
2-2
3-2
4-4
5-3
6-4
7-4
8-3
9-2
10-34
11-3
12-2
13-1

1. Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения).

2. При решении задачи в предыдущем параграфе получено, что количество теплоты $ Q_1 $ , отданное горячей водой, равно количеству теплоты $ Q_2 $ , полученному холодной водой, т.е.: $ Q_1=Q_2 $ .

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса. Оно связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более. Например, если в стакан с горячим чаем опустить ложку, то в теплообмене будут участвовать стакан и чай (отдают энергию), и ложка и окружающий воздух (получают энергию). Как уже указывалось, в конкретных задачах мы можем пренебречь количеством теплоты, получаемым или отдаваемым некоторыми телами при теплообмене.

3. Уравнение теплового баланса даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

Задача. Определите удельную теплоёмкость алюминия, если при опускании в стакан, содержащий 92 г воды при 75 °С, алюминиевой ложки массой 42 г при температуре 20 °С в стакане установилась температура 70 °С. Потерями энергии на нагревание воздуха, а также энергией, отдаваемой стаканом, пренебречь.

Анализ задачи. В теплообмене участвуют два тела: горячая вода и алюминиевая ложка. Вода отдаёт количество теплоты $ Q_1 $ и остывает от 75 до 70 °С. Алюминиевая ложка получает количество теплоты $ Q_2 $ и нагревается от 20 до 70 °С. Количество теплоты $ Q_1 $ , отданное горячей водой, равно количеству теплоты $ Q_2 $ , полученному ложкой.

Решение задачи в общем виде: уравнение теплового баланса: $ Q_1=Q_2 $ ; количество теплоты, отданное горячей водой: $ Q_1=c_1m_1(t_1-t) $ ; количество теплоты, полученное алюминиевой ложкой: $ Q_2=c_2m_2(t-t_2) $ . С учётом этого уравнение теплового баланса: $ c_1m_1(t_1-t)=c_2m_2(t-t_2) $ . Откуда: $ c_2=c_1m_1(t_1-t)/m_2(t-t_2) $ .

4. Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) СO₂. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания топлива обозначается буквой $ q $ , её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Удельная теплота сгорания, например, нефти — 4,4·10 7 Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4·10 7 Дж.

В общем случае, если масса топлива равна $ m $ , то количество теплоты $ Q $ , выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива $ q $ на его массу $ m $ :

5. Предположим, что внутреннюю энергию тела $ U $ изменили, совершив над ним работу $ A $ и сообщив ему некоторое количество теплоты $ Q $ . В этом случае изменение внутренней энергии $ U $ равно сумме работы $ A $ , совершённой над телом, и переданного ему количества теплоты $ Q $ :

Записанное выражение представляет собой первый закон термодинамики 1 , который является обобщением закона сохранения энергии. Он формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы, совершённой над системой внешними силами, и количества теплоты, переданного системе.

1 Термодинамика — учение о тепловых процессах.

6. Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис. 72). В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты $ (Q_1) $ , и его внутренняя энергия увеличивается, за счет этой внутренней энергии совершается механическая работа $ (A) $ , затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику $ (Q_2) $ и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы $ (A) $ к количеству теплоты, полученному им от нагревателя $ (Q_1) $ :

Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах.

7. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая
смесь готовится в самом двигателе.

ДВС (рис. 73) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (5); в цилиндре имеются два клапана (2, 3), через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма (6, 7) соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой (4).

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт (рис. 73 а). В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются (рис. 73 б). При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300—350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу (рис. 73 в). Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа (рис. 73 г). В конце этого такта клапан закрывается.

8. Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется, При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.

ПРИМЕРЫ ЗАДАНИИ

Часть 1

Для определения удельной теплоты сгорания топлива необходимо знать

1) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, его объём и начальную температуру
2) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его массу
3) энергию, выделившуюся при полном сгорании топлива, и его плотность
4) удельную теплоёмкость вещества, его массу, начальную и конечную температуры

2. В сосуд налили 1 кг воды при температуре 90 °С. Чему равна масса воды, взятой при 30 °С, которую нужно налить в сосуд, чтобы в нём установилась температура воды, равная 50 °С? Потерями энергии на нагревание сосуда и окружающего воздуха пренебречь.

1) 1 кг
2) 1,8 кг
3) 2 кг
4) 3 кг

3. В воду, взятую при температуре 20 °С, добавили 1 л воды при температуре 100 °С. Температура смеси оказалась равной 40 °С. Чему равна масса холодной воды? Теплообменом с окружающей средой пренебречь.

1) 1 кг
2) 2 кг
3) 3 кг
4) 4 кг

4. В толстостенной трубке быстро сжимают воздух. При этом внутренняя энергия воздуха

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается
4) сначала увеличивается, потом не изменяется

5. Газ получил количество теплоты 300 Дж и совершил работу 100 Дж. Внутренняя энергия газа при этом

1) увеличилась на 400 Дж
2) увеличилась на 200 Дж
3) уменьшилась на 400 Дж
4) уменьшилась на 200 Дж

6. В двигателе внутреннего сгорания

1) внутренняя энергия рабочего тела преобразуется в механическую энергию
2) поршень перемещается за счёт переданного ему количества теплоты
3) механическая энергия поршня превращается во внутреннюю энергию рабочего тела
4) механическая работа совершается за счёт энергии рабочего тела и переданного поршню количества теплоты

7. Двигатель внутреннего сгорания совершает полезную работу при

1) сжатии рабочего тела
2) выпуске отработанного газа из цилиндра
3) впуске рабочего тела в цилиндр
4) расширении рабочего тела в цилиндре

8. Рабочим телом в автомобильном двигателя внутреннего сгорания является

1) воздух
2) бензин
3) горючая смесь, состоящая из воздуха и паров бензина
4) керосин

9. Тепловой двигатель получает за цикл работы от нагревателя количество теплоты 200 Дж и передаёт холодильнику количество теплоты 80 Дж. Чему равен КПД двигателя?

10. Двигатель получает от нагревателя количество теплоты 100 Дж и совершает полезную работу 200 Дж. Чему равен КПД такого двигателя?

1) 200%
2) 50%
3) 20%
4) такой двигатель невозможен

11. Установите соответствие между физическими величинами и их единицами в СИ. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) количество теплоты
Б) удельная теплоёмкость
B) удельная теплота сгорания

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ
1) Дж/кг
2) Дж
3) Дж/кг °С

12. Установите соответствие между физическими величинами и их возможными изменениями, анализируя следующую ситуацию: «При постоянном давлении газ некоторой массы быстро расширяется. Как при этом изменяются температура газа, его концентрация и внутренняя энергия?» Цифры в ответе могу повторяться. К каждой позиции левого столбца подберите соответствующую позицию левого столбца и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A) температура газа
Б) концентрация
B) внутренняя энергия

ЕДИНИЦА ВЕЛИЧИНЫ
1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

13. Ударная часть молота массой 10 т свободно падает на стальную деталь массой 200 кг. С какой высоты падает ударная часть молота, если после 32 ударов деталь нагрелась на 20 °С? На нагревание расходуется 25% энергии молота.

Читайте также: