Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема
Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.
Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.
Особенности теплового двигателя
Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.
Алгоритм действия
Каков принцип действия теплового двигателя? 10 класс рассматривает данный вопрос на уроках физики. Тепловыми машинами ребята называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.
Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.
Изменения температур
У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.
Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.
Некоторые факты
Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.
КПД тепловых машин
Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.
Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.
Изобретение тепловой машины
Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.
Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.
Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.
Двигатель внутреннего сгорания
Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.
Заключение
В настоящее время используют различные виды автомобильных двигателей: дизельный, карбюраторный. Несмотря на отличия в применяемом топливе, они имеют сходный принцип действия. За счет тепловой энергии, вырабатываемой в процессе сгорания бензина, происходит превращение тепловой энергии в другой вид.
На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.
Разработка урока «Тепловые двигатели»
Разделы: Физика
Цель: формирование знаний о принципе действия тепловых двигателей.
Задачи
- образовательные: сформировать представление о принципе действия тепловых двигателей и их основных характеристиках,
- развивающая: находить связь между законами, явлениями, изучаемыми в физике, развивать систему взглядов о единстве природы,
- воспитательная: воспитание мотивов учения, положительного отношения к знаниям.
Тип учебного занятия: изучения нового материала.
Методы
- обучения: диалогический, алгоритмический.
- преподавания: объяснительный, побуждающий, инструктивный, организация практической работы с учебными материалами.
- учения: исполнительский, частично-поисковый, воспроизведение, решение индивидуальных и фронтальных заданий.
- воспитания: беседа, поощрение.
Средства обучения:
- дидактические: раздаточный материал, презентация;
- технические: проектор, компьютер.
Ход учебного занятия №11
1 Организационно-мотивационный этап. (5 мин)
1.1 Мотивация.
1.2 Предварительное определение уровня знаний обучающихся (лист с заданием 11.1).
2 Организация самостоятельной работы обучающихся по вопросам темы учебного занятия (учебный материал 11, закрепляющий материал – лист с заданием 11.2). (32 мин)
2.1 Принцип действия теплового двигателя.
2.2 Цикл Карно.
2.3 КПД теплового двигателя.
3 Подведение итогов учебного занятия. (8 мин)
3.1 Проверка степени усвоения материала (лист с заданием 11.3).
3.2 Проверка средств обучения и деятельности педагога (заполнение дневника урока).
3.3 Домашнее задание. №676 Задачник «Физика 10-11 классы». Автор А.П. Рымкевич.
Лист с заданием 11.1
Предварительное определение уровня знаний
- Назовите возможные предпосылки создания тепловых двигателей.
- Опишите современную жизнь без тепловых двигателей.
- В каких устройствах встречаются тепловые двигатели?
- Что вам известно о принципе работы теплового двигателя?
Мотивация
Тепловые двигатели появились в начале XVIII в. в период интенсивного развития металлургической и текстильной промышленности, в России паровой двигатель был создан И.И.Ползуновым (1765). В 1784 г. английский изобретатель Дж. Уатт получил патент на универсальный паровой двигатель. В годы жизни французского физика С.Карно (1796-1832) наилучшие паровые машины имели КПД 5%. Это навело ученого на мысль исследовать причины несовершенства тепловых машин и найти пути повышения их КПД. В 1824 г. С.Карно издал работу «Размышления о движущей силе огня, и о машинах, способных развивать эту силу». Эта работа вошла в сокровищницу мировой науки и поставила ее автора в ряды основоположника термодинамики. В ней был предложен цикл идеальной тепловой машины.
Благодаря неравнодушным ученым и конструкторам, усовершенствовавшим первые паровые двигатели, современное общество имеет высокоразвитую структуру транспорта и энергетики, а мы имеем возможность изучить принцип действия теплового двигателя и его характеристики.
Учебный материал 11
Тепловые двигатели
Принцип действия теплового двигателя
Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Энергия в тепловом двигателе, выделяющаяся при сгорании топлива, путем теплообмена передается газу. Газ, расширяясь, совершает работу против внешних сил, приводя в движение механизм. Схема теплового двигателя показана на рис. 1.
Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника.
Рабочее тело (газ или пар) при расширении совершает работу, получая от нагревателя некоторое количество теплоты Q1. Температура нагревателя Т1 остается постоянной за счет сгорания топлива. При сжатии рабочее тело передаёт некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, имеющему температуру Т2 o С, а холодильника 37 o С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя, равно 60 кДж. Вычислить КПД машины и количество теплоты, отдаваемое холодильнику.
Лист с заданием 11.3
Проверка степени усвоения материала
Выполните задания теста, выбрав к каждому вопросу по одному правильному ответу.
1. Выберите верное определение. Тепловые двигатели это…
a) устройства, преобразующее механическую работу во внутреннюю энергию газа;
b) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в тепловую энергию;
c) устройства, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу;
d) устройства, преобразующее тепловую энергию во внутреннюю энергию топлива.
2. К основным элементам теплового двигателя не относится
b) идеальный газ;
3. Рабочим телом теплового двигателя могут быть
c) твердое топливо и воздух;
4. Цикл Карно не содержит
b) адиабатного расширения;
c) изотермического сжатия;
5. КПД теплового двигателя определяется по формуле
6. Для повышения КПД тепловой машины не нужно
a) увеличивать температуру нагревателя и уменьшать температуру холодильника;
b) уменьшать трения частей машины;
c) увеличивать температуру холодильника и уменьшать температуру нагревателя;
d) уменьшать потери топлива.
Эталон ответа: 1-с, 2-b, 3-a, 4-d, 5-a, 6-c.
Методическая модель учебного занятия
| Этап |
