тепловые двигатели охрана окружающей среды

  • 26 февр. 2015 г.
  • 1242 Слова
История
Первой известной тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ веке н. э. в Римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховоеорудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (впоследнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.



рис.1
Тепловым двигателем (тепловой машиной) называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, и т. д.)конструктивно отличаются друг от друга и имеют сложное устройство. Но принципиальная схема тепловой машины (рис.1) достаточно проста, содержит ряд стандартных элементов и позволяет в рамках термодинамики теоретически анализировать процесс превращения теплоты в механическую работу.
Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Вкачестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает тепловую энергию в процессе теплообмена с нагревателем, имеющим температуру Т1. Эта температура является начальной температурой рабочего тела.
Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должносовершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние рабочего тела. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис.2). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулюплощади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Чтобы полная работа за цикл была положительной, необходимо сжимать рабочее тело при более низкой температуре.
Холодильник - элемент тепловой машины, с помощью которого добиваются снижения температуры рабочего тела перед его сжатием. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некотороеколичество теплоты Q1 > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2 < 0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно
Q = Q1 + Q2 = Q1 – |Q2|.
Совершая цикл, рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики, ΔU = Q – A = 0.
Отсюда следует:
A = Q = Q1 – |Q2|.
РаботаA, 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(КПД) η тепловой машины:
.


рис.2



рис.3

Коэффициент полезного действия указывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя,превратилась в полезную работу. Коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше единицы (η < 1).
В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе внутреннего сгорания (1) и в дизельном двигателе (2). В обоих случаях рабочим телом...