§ 5.11. термические движки — учебник для углубленного исследования физики

Припасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать фактически неограниченными. Но располагать припасами энергии еще недостаточно. Нужно уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, крутить роторы генераторов электронного тока. Населению земли необходимы движки — устройства, способные совершать работу.

Большая часть движков на Земле — это термические движки, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию горючего в механическую энергию.

Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы термическими движками. Это прямо отражено во 2-м законе термодинамики в формулировке Кельвина (см. § 5.9).

^ Простая модель термический машины

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

Рис. 5.14

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

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

Если покрыть стакан стеклянной пластинкой, то температура верхних слоев воды возрастет и машина закончит работать.

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

Принципы деяния термических движков

Чтоб двигатель совершал работу, нужна разность давлений по обе стороны поршня мотора либо лопастей турбины. Во всех термических движках эта разность давлений получается из-за увеличения температуры рабочего тела на сотки градусов по сопоставлению с температурой среды. Такое увеличение температуры происходит при сгорании горючего.

Рабочим телом у всех термических движков является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим исходную температуру рабочего тела (газа) через Т1. Эту температуру в паровых турбинах либо машинах приобретает пар в паровом котле. В движках внутреннего сгорания и газовых турбинах увеличение температуры происходит при сгорании горючего снутри самого мотора. Температуру Т1 именуют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и безизбежно охлаждается до некой температуры Т2. Эта температура не может быть ниже температуры среды, потому что в неприятном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сумеет работать. Обычно температура Т2 несколько больше температуры среды. Ее именуют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера либо особые устройства для остывания и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким макаром, в движке рабочее тело при расширении не может дать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии безизбежно передается атмосфере (холодильнику) совместно с отработанным паром либо выхлопными газами движков внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии невозвратно пропадает. Конкретно об этом и гласит 2-ой закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Принципная схема термического мотора изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело мотора получает при сгорании горючего количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передает холодильнику количество теплоты |Q2| <|Q1|. Рис. 5.15
КПД термического мотора

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая движком, равна

(5.11.1)

где Q1 — количество теплоты, приобретенное от нагревателя, a Q2 — количество теплоты,
отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного деяния термического мотора именуют отношение работы А’, совершаемой движком, к количеству теплоты, приобретенному от нагревателя:

(5.11.2)

У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у движков внутреннего сгорания — сами продукты сгорания горючего.

Потому что у всех движков некое количество теплоты передается холодильнику, то ? < 1.
^ Применение термических движков

Наибольшее значение имеет внедрение термических движков (в главном массивных паровых турбин) на термических электрических станциях, где они приводят в движение роторы генераторов электронного тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на термических электрических станциях.

Термические движки (паровые турбины) устанавливают также на атомных электрических станциях. На этих станциях для получения пара высочайшей температуры употребляется энергия атомных ядер.

На всех главных видах современного транспорта в большей степени употребляются термические движки. На автомобилях используют поршневые движки внутреннего сгорания с наружным образованием горючей консистенции (карбюраторные движки) и движки с образованием горючей консистенции конкретно снутри цилиндров (дизели). Эти же движки инсталлируются на тракторах.

На жд транспорте до середины XX в. главным движком была паровая машина. Сейчас же приемущественно употребляют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Да и электровозы получают энергию от термических движков электрических станций.

На аква транспорте употребляются как движки внутреннего сгорания, так и массивные турбины для больших судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые движки, а на большущих лайнерах — турбовинтовые и реактивные движки, которые также относятся к термическим движкам. Реактивные движки используются и на галлактических ракетах.

Без термических движков современная цивилизация невообразима. Мы не имели бы дешевенькую электроэнергию и могли быть лишены всех видов современного высокоскоростного транспорта.

^ Термические движки и охрана природы

Неуклонный рост энергетических мощностей, все большее распространение укрощенного огня — в топках и котлах термических электрических станций, фабрик и заводов, котельных городов и сел, в движках внутреннего сгорания, в ракетах и авиационных движках — приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сравнимым с другими компонентами термического баланса в атмосфере. Это не может не приводить к увеличению средней температуры на Земле. На данный момент мощность движков составляет приблизительно 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет 3·1012кВт, то средняя температура атмосферы Земли повысится приблизительно на 1 °С. Предстоящее увеличение температуры может сделать опасность таяния ледников и чертовского увеличения уровня Мирового океана. Но этим далековато не исчерпываются нехорошие последствия внедрения термических движков. Вырастает выброс в атмосферу микроскопичных частиц — сажи, пепла, размельченного горючего. Они изменяют оптические характеристики атмосферы, соотношение меж поглощенной и отраженной солнечной энергией, наращивают «парниковый эффект», обусловленный увеличением концентрации углекислого газа в течение долгого промежутка времени. Углекислый газ задерживает термическое излучение Земли, что приводит к увеличению температуры атмосферы.

Выкидываемые в атмосферу токсические продукты горения: оксиды серы, азота, металлов, угарный газ (СО), канцерогенные вещества — продукты неполного сгорания органических топлив — оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Необыкновенную опасность тут представляют авто, число которых угрожающе вырастает, а чистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд суровых заморочек перед обществом. Вместе с важной задачей увеличения КПД термических движков требуется проводить ряд мероприятий по охране среды. Нужно увеличивать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания горючего в авто движках. Уже на данный момент не допускаются к эксплуатации авто с завышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод авто движков на сжиженный газ в качестве горючего. Дискуссируется возможность внедрения в качестве горючего водорода, в итоге сгорания которого появляется вода.
< br /> Другое направление прилагаемых усилий — это повышение эффективности использования энергии, экономия ее на производстве и в быту. Нельзя оставлять невыключенными электроприборы, допускать никчемные утраты горючего при обогревании помещений. Примером нерационального использования энергии служат пробы введения в эксплуатацию штатских сверхзвуковых самолетов, потребляющих в 8 раз больше горючего, чем обыденные.

Решение перечисленных заморочек актуально принципиально для человека. Организация охраны среды просит усилий в масштабе земного шара.

Огромную часть механической и электронной энергии вырабатывают термические движки. Пока равноценной замены- им нет. В то же время термические движки оказывают отрицательное воздействие на окружающую среду и условия существования человека на Земле.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *