Кузовной ремонт автомобиля

 Покраска в камере, полировка

 Автозапчасти на заказ

Что такое тепловой двигатель


Тепловые двигатели. Виды тепловых двигателей

Тепловой двигатель - это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает тепловую энергию в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая тепловая машина появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга - это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс - это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный расход воды и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как двигатель внутреннего сгорания) - это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без механизма газораспределения. В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи выхлопных газов двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид - это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Тепловой двигатель - Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

В области машиностроения и термодинамики тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим «источником» и холодной «раковиной». Тепло передается от источника через «рабочий орган» двигателя к «раковине», и в этом процессе часть тепла превращается в работу, используя свойства газа или жидкости внутри двигателя.

Существует много видов тепловых двигателей.У каждого есть термодинамический цикл. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикл Карно. Они часто выбирают повседневные названия, такие как бензин / бензин, турбина или паровые двигатели.

Двигатели внутреннего сгорания выделяют тепло внутри самого двигателя. Другие тепловые двигатели могут поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открыты для воздуха или закрыты и закрыты снаружи (это называется открытым или закрытым циклом).

Рисунок 1: Схема теплового двигателя .T H является источником тепла, а T C - теплоотводом. Q H - это тепло, поступающее в двигатель. Q C - это отработанное тепло, идущее в холодную раковину. W - полезная работа, выходящая из двигателя.

Когда ученые изучают тепловые двигатели, они приходят к идеям о двигателях, которые на самом деле невозможно построить. Они называются идеальными двигателями или циклами. Реальные тепловые двигатели часто путают с идеальными двигателями или циклами, которые они пытаются имитировать.

Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель».При описании идеала используется термин «цикл».

Можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя. Можно также сказать, что модель не совсем идеально соответствует механическому двигателю. Тем не менее, большая польза от упрощенных моделей, и идеальные случаи, которые они могут представлять.

В общих чертах, чем больше разница в температуре между горячим источником и холодным радиатором, тем эффективнее цикл или двигатель. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой воздуха в месте, где находится двигатель.

Большая часть усилий по повышению эффективности тепловых двигателей направлена ​​на повышение температуры источника тепла, но при очень высоких температурах металл двигателя начинает становиться мягким.

Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых в настоящее время, варьируется от 3 процентов (97 процентов отработанного тепла) для предложения OTEC для использования энергии океана, до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, до 45 процентов для угольной электростанции сверхкритического давления и до 60 процентов для паровая газовая турбина с водяным охлаждением.Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за падения температуры на них.

Наименее эффективный, OTEC, использует разность температур океанской воды на поверхности и океанской воды с глубины, небольшая разница, возможно, 25 градусов Цельсия, и поэтому эффективность должна быть низкой.

Наиболее эффективная газовая турбина с комбинированным циклом сжигает природный газ для нагревания воздуха почти до 1530 градусов Цельсия, большая разница температур составляет 1500 градусов Цельсия, поэтому эффективность может быть очень большой при добавлении цикла охлаждения паром. [1]

Люди в основном используют тепловые двигатели, тепло которых исходит от огня, который расширяет рабочую жидкость (обычно это вода или воздух), а радиатор - это либо масса воды, либо атмосфера, как в градирне.

Известные, которые используют расширение нагретых газов, включают: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле.

Двигатель Стирлинга встречается гораздо реже, но его можно встретить в небольших моделях, которые могут нагреваться от тепла руки.

Один из видов игрушечных тепловых двигателей - это пьющая птица.

Биметаллическая полоса - это устройство, которое преобразует температуру в механическое движение и используется в термостатах для контроля температуры. Это тепловой двигатель, который не использует жидкость или газ.

  • Kroemer, Herbert; Киттель, Чарльз (1980). Теплофизика (2-е изд.). W.H. Фримен Компания. ISBN 0-7167-1088-9 .
  • Каллен, Герберт Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатистику (2-е изд.). John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8 .
,

Как работают тепловые двигатели?

Реклама

Крис Вудфорд. Последнее обновление: 23 сентября 2019 года.

В наш век топливных элементов и электромобили, паровозы (и даже автомобили с бензиновым двигателем) могут показаться ужасно старой технологией. Но взгляните шире на историю, и вы увидите, что даже самые старые паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были используя инструменты для умножения их мышечной силы на что-то вроде 2.5 миллион лет, но только за последние 300 лет или около того мы усовершенствовались искусство создания "мышц" - машин с приводом от двигателя - которые работают все сами по себе. Говоря иначе: люди были без двигатели для более чем 99,9 процентов нашего существования на Земле!

Теперь у нас есть двигатели, без которых мы, конечно, не могли бы их. Кто мог представить жизнь без машин, грузовиков, кораблей или самолеты - все они приводятся в движение мощными двигателями. И двигатели не просто перемещайте нас по всему миру, они помогают нам радикально изменить его.От мостов и туннелей до небоскребов и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение люди сделали в последние пару веков был построен с помощью двигатели - краны, экскаваторы, самосвалы и бульдозеры среди их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: огромная доля всех наших пищу теперь собирают или транспортируют с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир идти раунд, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит на нашей планете.Давайте внимательнее посмотрим на то, что они и как они работай!

Работа: Основная концепция теплового двигателя: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, переключаясь между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель приводится в действие с помощью топлива (внизу слева) и использует расширяющийся сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

Что такое тепловой двигатель?

Двигатель - это машина, которая вращает энергия заперта в топливе в силу и движение.Угля нет очевидное применение Кто угодно: это грязные, старые, каменистые вещи, похороненные под землей. Сожги это в двигатель, однако, и вы можете выпустить энергию, которую он содержит силовые машины, машины, лодки или локомотивы. То же самое верно других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. поскольку двигатели работают на сжигании топлива для выделения тепла, иногда они под названием тепловых двигателей . Процесс сжигания топлива включает в себя химическая реакция называется сгоранием , где топливо горит в кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар.(Как правило, двигатели загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально.)

Существует два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорание:

  • В двигателе внешнего сгорания топливо горит снаружи и вдали от основного долота двигателя, где сила и движение производятся. Паровой двигатель - хороший пример: угольный пожар на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар.Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещается плотно прилегающий поршень называется поршнем взад и вперед. движущийся поршень работает независимо от того, к чему подключен двигатель (возможно, заводская машина или колеса локомотива). Это внешний двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи, а некоторые расстояние от цилиндра и поршня.
  • В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндр В типичном автомобильном двигателе, например, есть что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин постоянно горит кислородом для выделения тепловой энергии. цилиндры «стреляют» попеременно, чтобы двигатель стабильная подача энергии, которая приводит в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем внешние двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не теряется, передавая тепло от огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

Иллюстрации: В двигателе внешнего сгорания (таком как паровой двигатель) топливо горит снаружи цилиндра, и тепло (обычно в форме горячего пара) должно быть передано по трубам на некоторое расстояние.В двигателе внутреннего сгорания (например, автомобильном двигателе) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо более эффективно.

Как двигатель работает на машине?

Двигатели используют поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят, непрерывное движение вперед-назад, двухтактный или с возвратно-поступательным движением движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на колесах, которые вращаются вокруг и вокруг - другими словами, вращаются движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения движение во вращательное движение (или наоборот).Если вы когда-либо смотрели паровой двигатель бродит, вы заметили, как колеса приводится в движение кривошипом и шатуном: просто рычажная связь, которая соединяет одну сторону колеса с поршнем, так что колесо вращается, поршень качает взад и вперед.

Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение это использовать механизмы. Это то, что гениальный шотландский инженер Джеймс Уотт (1736–1819) решил сделать это в 1781 году, когда он обнаружил кривошипно-шатунный механизм, который он Нужно было использовать в его улучшенной конструкции паровой двигатель, по сути, уже защищен патентом.Дизайн Ватта известен как Солнце и Планета передач) и состоит из двух или более передач колеса, одно из которых (планета) толкается поршнем вверх и вниз стержень, двигаясь вокруг другой шестерни (Солнца) и заставляя его вращаться.


Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное движение: Первое фото: Солнце и планетарный механизм. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни вращаются. Второе фото: проблема преобразования вверх-вниз в круговое движение просто решается на этом токарном станке с ножным приводом.Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (ножную педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это делает вал, к которому прикреплена колонна, чтобы вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Think Tank, музее науки в Бирмингеме, Англия.

Некоторые двигатели и машины должны превратить вращательное движение в возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в обратный путь к коленчатому валу, а именно - кулачок. Камера - это некруглое (обычно яйцевидное) колесо, которое имеет нечто вроде бар отдыхает на нем.Когда ось поворачивает колесо, колесо заставляет бар подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль с колесами яйцевидной формы. По мере движения колеса (кулачки) поворачиваются, как обычно, но кузов автомобиля отскакивает и в то же время вниз - поэтому вращательное движение производит возвратно-поступательное движение (подпрыгивание) у пассажиров!

кулачки работают на всех видах машин. Там есть камера в электрическая зубная щетка, которая делает щетка движется вперед и назад, когда внутри вращается электрический двигатель.

Типы двигателей

Фото: внешнее сгорание: этот стационарный паровой двигатель использовался для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Снимок сделан в Think Tank.

Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают энергию при сжигании топлива:

Двигатели внешнего сгорания

Балочные двигатели (атмосферные двигатели)

Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, которые заполняли целые здания. и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт.Впервые англичанин Томас Ньюкомен (1663 / 4–1729) в начале 18-го века, они имели один цилиндр и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась взад и вперед. Тяжелая балка обычно наклонялась вниз, чтобы поршень находился высоко в цилиндре. Пар был закачан в цилиндр, затем брызнула вода, охладившись пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч отклониться назад Другой способ, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением, но они были слишком большими, медленными и неэффективными для питания заводских машин и поездов.

Artwork: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серого цвета), установленной на башне (черного цвета), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом насосного оборудования, прикрепленного к нему. Водогрейный котел (1) выпускает пар (2) в цилиндр (3). Когда цилиндр полон, из бака (4) поступает холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре.Поскольку атмосферное давление (воздух) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос поднимается вверх, вытягивая воду из шахты (5).

Паровые двигатели

В 1760-х годах Джеймс Уотт значительно улучшил паровой двигатель Newcomen, сделав его меньше, эффективнее, мощнее и эффективнее двигатели в более практичные и доступные машины. Работа Ватта привела к стационарному пару двигатели, которые могут быть использованы на заводах и компактные движущиеся двигатели это может привести в движение паровозы.Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

двигателей Стирлинга

Не все двигатели внешнего сгорания огромны и неэффективны. Шотландский священник Роберт Стерлинг (1790–1878) изобрел очень умного двигатель, который имеет два цилиндра с поршнями, приводящими в действие два шатуна за рулем одного колеса. Один цилиндр постоянно остается горячим (нагревается от внешней энергии источник, который может быть что угодно от угольного огня до геотермальной энергии снабжения), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает шаттл того же объема газа (постоянно запечатанный внутри двигатель) назад и вперед между цилиндрами через устройство под названием регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает КПД двигателя.Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание, хотя они всегда получают питание от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

Фото: машинный зал в Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, построенных в 18 веке. Среди экспонатов - огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. Это не показано на этой фотографии, в основном потому, что она была слишком большой, чтобы фотографировать!

Двигатели внутреннего сгорания

Бензиновые (бензиновые) двигатели

В середине 19 века несколько европейских инженеров, включая Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1900) и немец Николаус Отто (1832–1891) усовершенствованные двигатели внутреннего сгорания, которые горели бензин.Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929) подключить один из этих двигателей к трехколесному перевозки и сделать первый в мире бензиновый автомобиль. Читать далее в нашей статье о автомобильных двигателях.

Фото: мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

Дизельные двигатели

Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель (1858–1913), понял, что он мог сделать гораздо более сильный внутренний двигатель внутреннего сгорания, который может работать на всевозможных видах топлива.В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо в гораздо большей степени он самопроизвольно загорается и выделяет тепловую энергию заперт внутри. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются машинами выбора для вождения тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также множество легковых автомобилей. Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

Роторные двигатели

Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их Мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленвал постоянно в движении.Роторный двигатель - это принципиально другой дизайн двигателя внутреннего сгорания, в котором «цилиндры» (которые не всегда цилиндры образный) вращаться вокруг того, что фактически является неподвижным коленчатым валом. Хотя роторные двигатели датируются 19 веком, возможно, Наиболее известным дизайном является относительно современный роторный двигатель Ванкеля , особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья Википедии о Роторный двигатель Ванкеля хорошее введение с небольшой блестящей анимацией.

Двигатели в теории

Фото: паровые двигатели по своей сути неэффективны.Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе как это должно быть перегрето (так что это выше его обычная температура кипения (100 ° C), а затем позволялось расширяться и охлаждаться в цилиндрах как можно больше, так что он отдает столько энергии, сколько может поршням.

Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые. Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «делателями», а не царапающими голову теоретическими мыслителями. Только в 1824 году появился француз Николя Сади Карно (1796–1832 гг.), То есть более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, была предпринята попытка понять теорию. о том, как работают двигатели и как их можно улучшить с действительно научной точки зрения.Карно был заинтересован в выяснении, как двигатели могут быть сделаны более эффективными (в другими словами, как больше энергии может быть получено из того же количества топлива). Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться улучшить его методом проб и ошибок (такой подход, который Уатт использовал с двигателем Ньюкомена), он сделал сам теоретический двигатель - на бумаге - и вместо этого играл с математикой.

Цикл Карно

Тепловой двигатель Carnot - довольно простая математическая модель о том, как наилучший поршневой и цилиндровый двигатель может работать в теории, бесконечно повторяя четыре шага, теперь называемые циклом Карно .Мы не будем вдаваться в подробности теории или математики (если вам интересно, посмотрите Страница цикла Карно НАСА и отличные «Тепловые двигатели»: страница «Карнотный цикл» Майкла Фаулера, которая имеет превосходную флеш-анимацию).

Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется, охлаждает и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с точно таким же давлением, объемом и температурой, с которых он начинал.Двигатель Карно не теряет энергию на трение или его окружение. Это полностью обратимо - теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

Насколько эффективен двигатель?

Что стоит отметить, так это заключение Карно: КПД двигателя (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, между которыми она работает . С математической точки зрения, эффективность двигателя Карно, работающего между Tmax (его максимальной температурой) и Tmin (его минимальная температура):

(Tmax-Tmin) / Tmax

, где обе температуры измеряются в градусах Кельвина (К).Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположной границе цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективный тепловой двигатель работает при максимально возможной разнице температур. Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax было как можно выше, а Tmin - как можно ниже. Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни, чтобы максимально охлаждать их пар: именно так они могут получать наибольшее количество энергии от пара и вырабатывать наибольшее количество электроэнергии.В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего общего с градирнями, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому повышение Tmax - это то, на чем мы обычно концентрируемся. Реальные двигатели - в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах - работают при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных такие материалы, как сплавы и керамика).

Какая максимальная эффективность двигателя?

Есть ли предел эффективности теплового двигателя? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно согласно нашему уравнению выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax / Tmax = 1, что соответствует 100% эффективности, и большинство настоящие двигатели не приближаются к этому.Если у вас был паровой двигатель, работающий при температуре от 50 ° C до 100 ° C, это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы добиться 100% эффективности, вам нужно охладить пар до абсолютного нуля (-273 ° C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания (0 ° C или 273K), вы все равно сможете управлять только 27-процентной эффективностью.

Диаграмма

: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают между большими перепадами температур. Предполагая постоянную минимальную ледяную температуру (0 ° C или 273K), эффективность медленно повышается, когда мы поднимаем максимальную температуру.Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность уменьшается с каждым разом. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто подняв максимальную температуру.

Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (впервые разработаны такими инженерами, как Ричард Тревитик) и Оливер Эванс) использовал намного более высокое давление пара , чем те, которые производили такие люди, как Томас Ньюкомен. Двигатели высокого давления были меньше, легче и их было легче устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были гораздо более эффективными: при более высоких давлениях вода кипит при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.При двойном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120 ° C (393K), что дает эффективность 30 процентов с минимальной температурой 0 ° С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143 ° С (417 К), а КПД близок к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют действительно высокое давление (более 200-кратное атмосферное давление) это типично). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365 ° C (~ 640 К), что дает максимальную теоретическую эффективность около 56%, если мы также можем охлаждать воду вплоть до замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100% эффективности; реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов. Сделать эффективные тепловые двигатели гораздо сложнее, чем кажется!

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

Один из лучших способов понять движки - это посмотреть их анимацию на работе. Вот два хороших сайта, которые исследуют множество различных движков:

  • Анимированные движки: Этот великолепный сайт охватывает практически все виды движков, о которых вы только можете подумать, с понятными анимациями и очень четкими письменными описаниями.
  • Посмотрите на двигатели в действии: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано с помощью Wayback Machine.)

Книги

Вступительное слово
  • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Пингвин, 1998. Глава 4 - очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).
Более сложный
детские книги

Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие сайты.

Статьи с этого сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США.Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и / или нарушение смежных прав может привести к серьезным гражданским или уголовным наказаниям.

Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

Следуйте за нами

Поделиться этой страницей

Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать об этом друзьям:

Цитировать эту страницу

Вудфорд, Крис.(2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (Введите дату здесь)]

Подробнее на нашем сайте ...

,

тепловых двигателей

тепловых двигателей

Физика профессора Джорджа Смута 10 Класс


Большинство двигателей, используемых в современном обществе, являются тепловыми двигателями. Это включает в себя паровые генераторы электроэнергии, автомобили, грузовики, много локомотивов, рефрижераторы, кондиционеры, тепловые насосы.

Первый зарегистрированный тепловой двигатель был сделан героем Александра в 50 году нашей эры.

Первым важным шагом к механизации общества было изобретение парового двигателя Джеймсом Уаттом в 1765/1769 годах.За прошедшие годы в паровой двигатель были внесены улучшения и модификации, и он стал главной силой в промышленной революции. По мере того, как паровой двигатель развивался, он становился все более надежным, и сильный интерес обращался к его повышению эффективности. Основным фактором стоимости является эффективность использования топлива, и она заняла значительное количество усилий инженеров.

КПД теплового двигателя определяется как выработка, деленная на энергию в.
КПД = (выработать) / (энергия в) = (выработать) / (обогрев)
путем сохранения энергии это также
КПД = (Обогрев - Обогрев) / (Обогрев) = 1 - (Обогрев) / (Обогрев)

В 1824 году французский инженер Сади Карно (1796-1832) написал и опубликовал монографию под названием « Reflexions sur la Puissance motrice du Feu» (Размышления о движущей силе огня).В своем трактате Карно блестяще обосновал общие принципы эффективности тепловых двигателей. В лучших традициях французской картезианской школы (последователи / поклонники Рене Декарта) Карно начал с простого предположения и получил выводы, применимые практически ко всем двигателям.

Предположение Карно: Тепло не может быть поглощено при определенной температуре и преобразовано в работу без каких-либо других изменений в системе окружающей среды.
(Это эквивалентно другим формулировкам второго закона термодинамики, перечисленным ранее.)

Определение двигателя: двигатель работает в замкнутом цикле, периодически возвращаясь в исходное состояние в конце каждого цикла. Это трансформатор энергии, действующий в качестве катализатора. В химической реакции катализатор работает путем объединения с одним из исходных составляющих атомов или молекул и проведения ряда реакций до тех пор, пока не образуется желаемое соединение, и катализатор не высвобождается в своей первоначальной форме, чтобы начать свои действия заново.пыль.

Принципиальная схема стандартного теплового двигателя.

Карно думал о том, какой будет абсолютный максимальный КПД для теплового двигателя. Нужно рассмотреть идеализированный тепловой двигатель. Нам нужно сделать то, что сделал Галилей, когда он думал о движении без трения, начиная понимание движения. Идеализированный тепловой двигатель - это тот, который работает обратимо и не имеет внутреннего трения и неэффективности, но имеет фундаментальное значение. Под обратимым мы подразумеваем, что в системе нет никаких изменений (включая двигатель, две тепловые ванны и рабочую энергию), которые не могут быть отменены только с бесконечно малым изменением.При движении без трения тело с очень слабым движением в одном направлении может изменить свое направление путем приложения очень маленького импульса. У идеального реверсивного теплового двигателя направление его работы может быть изменено только с очень незначительными изменениями.

Принципиальная схема реверсивного теплового двигателя, работающего в прямом и обратном рефрижераторном режимах. По сути, так работает домашний тепловой насос.

Реверсивные тепловые двигатели

A имеют максимальную эффективность

Это доказывается, если предположить, что существует сверхтепловой двигатель с большей эффективностью, и показать, что это противоречит предположению Карно.Рассмотрим случай, когда и реверсивный тепловой двигатель, и супер-тепловой двигатель отводят одинаковое количество тепловой энергии из горячего резервуара. Если реверсивный тепловой двигатель вырабатывает W и отводит тепло Qc = Q - W в более холодном резервуаре, то сверхтепловой двигатель выдает работу Ws = W + DW - дополнительную работу для того же подвода тепла, потому что он более эффективен - и тепла Q = Q - W - DW до холодного резервуара. Обратите внимание, что сверхтепловой двигатель выделяет меньше тепла в холодный резервуар, потому что его большая эффективность превращает большую часть исходного тепла в его дополнительную работу.Теперь, если мы используем реверсивный тепловой двигатель в обратном порядке, отбирая W работы W + DW из супер-теплового двигателя, чтобы работать, отбирая Qc из холодного резервуара и помещая Q в горячий. Совместная работа двух двигателей не приводит к изменению в горячем резервуаре, так как один вытягивает Q, а другой откладывает Q. Тепловая энергия отбирается из холодного резервуара, поскольку реверсивный тепловой двигатель отнимает немного больше, чем сверхтепловой двигатель вставляет, и это проявляется как дополнительная работа. Это забирает тепло из одного резервуара и превращает его в работу без каких-либо других изменений, что противоречит предположению Карно.Таким образом, чтобы оставаться неизменным:
Ни один тепловой двигатель не может иметь КПД выше, чем реверсивный тепловой двигатель.

Все реверсивные тепловые двигатели имеют одинаковую эффективность при работе между одинаковыми двумя температурными резервуарами.

Это доказывается, показывая, что есть противоречие, если они этого не делают. Мы устанавливаем сравниваемые два тепловых двигателя, работающие между одинаковыми двумя тепловыми резервуарами. Предположим, что один более эффективен, чем другой. Запустите менее эффективный задний ход (как холодильник), используя часть работы от более эффективного двигателя, который менее эффективный двигатель будет производить при движении вперед.В этот момент нет чистого теплового потока из горячего резервуара, и разница в работе между двумя двигателями исходит из чистого тепла, извлеченного из холодного теплового резервуара. Это противоречит предположению Карно. Таким образом, чтобы оставаться неизменным:
Каждый реверсивный тепловой двигатель, работающий между одинаковыми двумя резервуарами температуры, имеет одинаковую эффективность. Это означает, что независимо от того, как построен реверсивный тепловой двигатель или какова рабочая жидкость, его эффективность будет такой же, как и у всех других тепловых двигателей, работающих с теми же двумя температурами.

КПД реверсивного теплового двигателя и термодинамическая температурная шкала

Теперь мы можем пройти через набор аргументов, которые показывают, что можно вывести соотношение между эффективностью реверсивных тепловых двигателей, работающих между тремя различными резервуарами температуры. Рассмотрим случай, когда мы подключаем три тепловых двигателя так, чтобы один из них шел непосредственно от резервуара с самой высокой температурой T1 к резервуару с самой холодной температурой T3. Второй тепловой двигатель соединен между самым горячим (T1) и средним (T2) тепловым резервуаром.Третий тепловой двигатель подключен между резервуаром средней (T2) температуры и резервуаром с самой низкой температурой (T3). КПД двух работающих в тандеме должен быть равен КПД первого двигателя. В противном случае можно расположить вещи так, чтобы какая-либо цепочка имела наивысшую эффективность (большая часть работы для заданного тепла из резервуара с самой горячей (T1) температурой идет вперед, чтобы произвести работу, а часть этой работы использовалась для запуска другой в обратном направлении, чтобы поставить тепло в самый горячий резервуар.

Принципиальная схема реверсивных тепловых двигателей, работающих между тремя разными температурными резервуарами.

Таким образом, реверсивная система с двумя тепловыми двигателями, работающая между тремя резервуарами, будет иметь такую ​​же эффективность, как и одна обратимая тепловая машина, работающая между самыми горячими и самыми холодными резервуарами. Если первый и второй двигатель отводят одинаковое тепло Q1 от самого горячего резервуара, то реверсивная система с двумя тепловыми двигателями преобразует одинаковую долю тепла в работу W13 = W12 + W23 и отводит одинаковое тепло Q3 до самой низкой температуры ( Т1) тепловой резервуар.

Теперь мы можем использовать это и сохранение энергии, чтобы определить, сколько тепла отводится и удаляется из среднетемпературного теплового резервуара. Тогда мы сможем получить соотношение между эффективностью тепловых двигателей, работающих между различными температурами.

Подумайте, что происходит, когда мы запускаем третью из реверсивных тепловых двигателей в обратном направлении. Первый реверсивный тепловой двигатель, работающий вперед, плюс третий реверсивный тепловой двигатель, работающий назад, должен быть эквивалентен второму, работающему вперед.Работа W13 от первого теплового двигателя минус работа, необходимая для запуска третьего теплового двигателя назад, должна равняться работе второго теплового двигателя. Сочетание этого с сохранением энергии:
W13 - W32 = (Q1 - Q3) - (Q2 - Q3) = Q1 - Q2 = W12

Теперь у нас есть отношение, чтобы связать тепло, поглощаемое в Т1, с теплом, доставленным в Т2, путем нахождения тепла, доставляемого до третьей температуры Т3. В только что рассмотренном примере: если один обратимый тепловой двигатель поглощает тепло Q1 при температуре T1 и поставляет тепло Q3 при температуре T3, то обратимый тепловой двигатель, который поглощает тепло Q2 при температуре T2, будет передавать такое же тепло Q3 до температуры T3.Мы находим эти соотношения для полного ряда температур - тепло Qi, поглощенное при температуре Ti, будет отдавать такое же тепло Q3 при температуре T3. Нам нужно только определить одну температуру как стандартную температуру и мы можем соотнести тепло, извлекаемое обратимым тепловым двигателем, при любой другой температуре.

Если реверсивный тепловой двигатель поглощает количество тепла Q при температуре T, то он выдает количество Qs при нашей стандартной температуре Ts. Количество, которое он поставляет, определяется его эффективностью по Карно.
КПД = 1 - (Тепловой выход) / (Тепловой вход) = 1 - Qs / Q
или
Qs = (1 - Эффективность) Q
или поскольку мы относим нашу эффективность к стандартной температуре Ts, эффективность может зависеть только от температура T. А для фиксированного ввода тепла в пласт при нашей стандартной температуре Ts тепло, которое извлекается при температуре T, зависит только от этой температуры:
Q = Qs / (1-КПД) = Qs F (T)

Теперь у нас есть то, что необходимо для определения температурной шкалы.Если резервуар более горячий, тогда тепло, извлекаемое обратимым двигателем, будет больше для фиксированного количества тепла, доставляемого до нашей стандартной температуры. Таким образом, F (T) и эффективность увеличивают функции температуры пласта. Лорд Кельвин (Уильям Томсон, 1824-1907) предложил использовать это соотношение для определения новой температурной шкалы, основанной на этом термодинамическом определении, что F (T) = T / Ts, так что
Q = Qs T / Ts или Q / T = Qs / Ts
Деление на Ts позволяет сделать так, чтобы тепло, извлекаемое из Ts, соответствовало теплу, возвращаемому в Ts, поскольку предположение Карно состоит в том, что мы не можем взять тепло из однотемпературной ванны и получить работу без каких-либо других изменений.Мы находим, что для всех реверсивных тепловых двигателей мы имеем отношения что КПД равен единице минус отношение термодинамической температуры холодного резервуара (Тс) и термодинамической температуры горячего резервуара (Th)
КПД = 1 - Тс / тыс.
и
Q1 / T1 = Q2 / T2 = Q3 / T3 = постоянная = S.
Q = S T
Этой константе S дано название энтропия. Энтропия постоянна для обратимого процесса, но не для того, который не является таковым. Энтропия имеет тенденцию к увеличению в необратимых процессах.

Примечательно, что термодинамическая шкала точно соответствует шкале температуры, установленной законом идеального газа. Можно представить себе реверсивный тепловой двигатель, рабочими элементами которого являются идеальный газ и объем поршня без трения. Цикл Карно детально проработан для идеального газа и приводит непосредственно к тем же отношениям
КПД = 1 - (Обогрев) / (Обогрев) = 1 - Tc / Th
, где температуры Tc и Th - это температуры, которые используются в законе об идеальном газе:
PV = N k T

.

Смотрите также


avtovalik.ru © 2013-2020
Карта сайта, XML.