Учебник по физике для поступающих в ВУЗ /Экзаменационные вопросы по физике (2006-2007)/

Двигатель внутреннего сгорания, как пример теплового двигателя (уч.8кл.стр.53)

Паровая турбина, как пример теплового двигателя (уч.8кл.стр.55)

Тепловой двигатель – это многократно действующее устройство, преобразующие тепловую энергию (внутреннюю энергию топлива) в механическую энергию.

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Некоторые виды тепловых двигателей:

-         паровая машина;

-         паровая турбина;

-         двигатель внутреннего сгорания;

-         реактивный двигатель.

Во всех двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа или пра. Газ, расширяясь, совершает работу и при этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Любой тепловой двигатель , независимо от его конструктивных особенностей, состоит из трех основных частей:

- рабочее тело (газ или пар), совершающее работу

- нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу

- холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ или пар, который совершает работу при расширении, получая от нагревателя некоторое количество теплоты.

Обозначим через Т1 начальную температуру рабочего тела, называемую температурой нагревателя.

Это температура газа или пара. Чаще всего повышение температуры происходит за счет сгорания топлива внутри самого двигателя.

По мере совершения работы газ теряет энергию и охлаждается до некоторой температуры Т2. Эта температура не может быть значительно ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет ниже атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника.

Рабочее тело при расширении не может отдать всю внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается рабочим телом холодильнику.

Холодильником может служить окружающая среда или специальное устройство для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсатор. В последнем случае его температура может быть несколько ниже температуры окружающей среды за счет принудительного внешнего охлаждения.

Давление газа при сжатии ниже, чем при расширении, и это обеспечивает полезную работу двигателя.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику).

Полная механическая работа складывается из работы расширения газа и работы сжатия, совершаемой силами давления газа при его сжатии.

Так как при сжатии ∆V < 0, то работа сжатия отрицательна.

A = Aрасш - Aсж

Для получения положительной полной механической работы (A>0) необходимо, чтобы работа сжатия газа была меньше работы расширения.

Работа совершаемая газом при расширении:

A = (pрасш-pсж) ∆V

∆V = const из-за цикличности работы двигателя

Следовательно, давление газа при сжатии должно быть меньше его давления при расширении. При одном и том же объеме давление газа тем меньше, чем ниже его температура. Поэтому перед сжатием газ должен быть охлажден при помощи «холодильника»

Для получения полной механической работы в тепловом двигателе при циклическом процессе расширения газа должно происходить при более высокой температуре, чем сжатие.

Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.

Согласно закону сохранения энергии работа совершаемая двигателем : А = Qнагр - Qхол

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя - отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

См.ниже «КПД теплового двигателя и Цикл Карно»

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Очень распространенный вид теплового двигателя.

Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри двигателя. Отсюда и название.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть, солярка) или на горючем газе.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом. Шатун преобразует поступательное движение поршня во вращательное движение коленчатого вала.

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты в зависимости от положения поршня в цилиндре.

Через один клапан в цилиндр поступает горючая смесь (топливо с воздухом), через второй клапан выпускаются отработанные газы.

Горючая смесь топлива и воздуха внутри цилиндра воспламеняется при помощи электрической свечи или за счет резкого сжатия поршнем (в дизелях)

Образующиеся при сгорании горючей смеси газы с высокой температурой (1600-1800оС) и давлением, расширяясь давит на поршень, заставляя его двигаться вниз и вращать коленчатый вал, совершая механическую работу. При этом газы охлаждаются, так как часть их внутренней энергии превращается в механическую.

Крайние положения поршня в цилиндре называются верхняя и нижняя мертвые точки.

Расстояние, проходимое поршнем между мертвыми точками называется ходом поршня.

Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или, как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

Один ход поршня, или один такт, совершается за один оборот коленчатого вала.

1. Поршень движется вниз. Объем камеры сгорания увеличивается, в цилиндре создается разряжение. Открывается клапан и в цилиндр подается горючая смесь.

К концу первого такта цилиндр заполнен горючей смесью и клапан ее подачи закрыт.

2. При дальнейшем повороте вала поршень идет вверх и сжимает горючую смесь.

В конце второго такта, когда поршень дойдет до верхней мертвой точки, сжатая горючая смесь воспламеняется от электрической искры или от сжатия (в дизелях), и быстро сгорает с образованием газов высокой температуры и давления.

3. Газы давят на поршень и толкают его вниз, передавая движение через шатун на коленчатый вал. Двигатель совершает полезную работу. Поэтому этот такт называют рабочим ходом двигателя.

В конце третьего такта открывается выхлопной клапан и продукты сгорания выводятся из двигателя.

4. Благодаря массе поршня и маховика двигатель вращается по инерции. Поршень движется вверх. Идет выпуск продуктов сгорания и вентилирование камеры сгорания.

В конце четвертого такта выхлопной клапан закрывается. Поршень достигает верхней мертвой точки.

Цикл двигателя состоит из следующих тактов:

впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

В реальных двигателях несколько цилиндров, которые поочередно вращают коленчатый вал. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Паровая или газовая турбина

Пар или нагретый до высокой температуры газ под высоким давлением вращает вал без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала.

На вал насажено колесо с лопатками по ободу, называемое рабочим колесом. На лопатки через специальные сопла подается пар (перегретый пар 200оС) из котла или газ под давлением (20-40 атм), приводя турбину во вращение.

В современных турбинах применяют не один, а много дисков с несколькими рядами лопаток каждый, насаженными на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому часть своей энергии.

На электростанциях турбины соединяют с генераторами. Частота вращения турбин достигает 10000-15000 оборотов, что является весьма удобным для генерации электрического тока.

Широкое применение находят газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания топлива или газа.

КПД ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ. ЦИКЛ КАРНО(уч.10кл.стр.275-280 )

Определение и работа теплового двигателя (см.выше уч.10кл.)

Определение замкнутого цикла термодинамического процесса

Определение понятия КПД и его физический смысл

Формула. Единицы измерения

КПД всегда меньше 1.

Цикл Сади Карно. График и физический смысл на примере поршня

Термодинамические процессы цикла Карно (по графику)

Максимально значение КПД из цикла Карно

Пути повышения КПД теплового двигателя

Тепловым двигателем называется двигатель, который производит механическую работу за счет энергии, выделившейся при сгорании топлива.

Некоторые виды тепловых двигателей:

-         паровая машина;

-         паровая турбина;

-         двигатель внутреннего сгорания;

-         реактивный двигатель.

Физические основы работы всех тепловых двигателей одинаковы.

Тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

- рабочее тело (газ или пар), совершающее работу

- нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу

- холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела

Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.

Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым.

Замкнутый процесс (цикл) – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия.

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному им от нагревателя:

η =

Процесс работы теплового двигателя:

Рабочее тело приводят в контакт с нагревателем , поэтому рабочее тело получает от нагревателя .

За счет этого количества теплоты рабочее тело совершает механическую работу.

Затем рабочее тело приводят в контакт с холодильником , поэтому рабочее тело отдает тепло холодильнику.

Таким образом возвращается в исходное состояние.

Теперь рабочее тело приводят в контакт с нагревателем и все происходит сначала.

В циклическом тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты Qн, получаемое он нагревателя. Некоторое количество теплоты Qх отдается холодильнику. Поэтому работа за цикл не может быть больше:

A = Qн– Qх

Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы

η =  =  = 1 -

Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника. Qх=0.

Цикл Карно

В начале XIX века французский инженер Сади Карно исследовал пути повышения КПД тепловых двигателей. Он предложил цикл, который должен совершать идеальный газ в некоторой тепловой машине, такой, что при этом получается максимально возможный КПД.

Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа.

В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно – самый эффективный из всех возможных циклов, имеющий максимальный КПД,

Идеальный газ приводят в контакт с нагревателем и предоставляют ему возможность расширяться изотермически, то есть при температуре нагревателя.

Когда расширившийся газ перейдет в состояние 2, его теплоизолируют от нагревателя и дают ему возможность расширяться адиабатически, то есть газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

Расширяясь адиабатически газ охлаждается до тех пор, пока его температура не будет равна температуре холодильника (состояние 3).

Теперь газ приводят в контакт с холодильником сжимают изотермически. Газ отдает холодильнику . Газ переходит в состояние 4.

Затем газ теплоизолируют от холодильника и сжимают адиабатически. При этом температура газа увеличивается и достигает температуры нагревателя. Процесс повторяется сначала.

В процессе изотермического расширения 1-2 при температуре Т1 работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т.е. за счет подводимого к газу количества тепла

A12 = Q1

Охлаждение газа перед сжатием происходит при адиабатном расширении 2-3. Все изменение внутренней энергии при таком процессе (Q=0) преобразуется в механическую работу

A23 = - ∆U23

Температура газа в результате адиабатного расширения 2-3 понижается до температуры холодильника T2<T1.

В процессе 3-4 газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты Q2.

A34 = Aсж = Q2

Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4-1 (Q=0), при котором газ нагревается до температуры Т1.

Максимальный КПД теплового двигателя Карно

ηmax = =

Q1 – подводимое количество теплоты

Q2 – отводимое количество теплоты

Карно показал, что КПД любой другой тепловой машины (то есть с другим рабочим телом или работающей по другому циклу) будет меньше, чем КПД цикла Карно.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Для повышения КПД теплового двигателя следует понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя.

Понижать температуру холодильника искусственно невыгодно, так как это требует дополнительных затрат энергии.

Повышать температуру нагревателя можно тоже до определенного предела, так как различные материалы обладают различной жаропрочностью при высоких температурах.

Однако формула Карно показала, что существуют неиспользованные резервы повышения КПД, так как практический КПД очень сильно отличается от КПД цикла Карно.

Действительное значение КПД приблизительно равно 40%.

Двигатели Дизеля 20-40%, паровые турбины –выше 30%.

ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ (уч.10кл.стр.222,229- )

Определение идеального газа, как модели(уч.10кл.стр.222)

Условия идеального газа.

Энергия молекул идеального газа

Статистические методы в модели идеального газа (уч.10кл.стр.229)

Распределение молекул идеального газа в пространстве

Микроскопические и макроскопические параметры идеального газа

Микроскопическое и макроскопическое состояние идеального газа

Распределение молекул идеального газа по скоростям (уч.10кл.стр.235)

Опыт Штерна

У разреженного газа расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае взаимодействие между молекулами пренебрежимо мало и кинетическая энергия молекул много больше потенциальной энергии их взаимодействия.

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель - идеальный газ.

В модели идеального газа предполагается:

-         расстояние между молекулами чуть больше их диаметра;

-         молекулы – упругие шарики;

-         между молекулами не действуют силы притяжения;

-         соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда абсолютно упругое;

-         движения молекул подчиняется законам механики.

Идеальный газ – это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало.

Принимается, что при соударениях между собой и со стенками сосуда молекулы такого газа ведут себя как абсолютно упругие шарики конечных, но весьма малых размеров.

Эти соударения происходят по законам, справедливым для абсолютно упругого удара.

Модель идеального газа можно использовать при выполнении трех условий идеального газа:

1.      Диаметр молекул много меньше среднего расстояния между ними D << l
Собственный объем молекул пренебрежимо мал по сравнению с объемом газа.

2.      Средняя кинетическая энергия молекул больше средней потенциальной энергии их взаимодействия на расстоянии большем диаметра молекул.

Это означает, что между столкновениями молекулы движутся практически по прямолинейным траекториям.

3.      Столкновения молекул газа между собой и со стенками сосуда – абсолютно упругие.
Следовательно структура электронных оболочек молекул не нарушается в результате столкновений.

Время столкновения молекул в идеальном газе значительно меньше времени их свободного пробега.

Существующие в действительности газы при не слишком низких температурах и достаточно малых давлениях.

Разреженные газы – по своим свойствам близки к идеальному газу.

СВЯЗЬ МЕЖДУ ДАВЛЕНИЕМ И СРЕДНЕЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ МОЛЕКУЛ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА(уч.10кл.стр.243-248)

Давление идеального газа.(Опыт с Магдебургскими полушариями)

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Его вывод и смысл.

Закон Дальтона – давление смеси идеальных газов

Молекулы газа, двигаясь со сверхзвуковыми скоростями и сталкиваясь оказывают давление на препятствия.

Давление идеального газа заключается в том, что молекулы при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела.

Найдем давление газа, находящегося в цилиндрическом сосуде, на поршень площадью S.

p =

Fx – результирующая сила ударов молекул о поршень

F1 – сила удара одной молекулы

∆N – полное число ударов молекул о поршень

Fx =  (среднее значение)

Найдем силу удара о поршень одной молекулы.

По второму закону Ньютона на молекулу со стороны поршня действует сила

 , где ∆v – изменение скорости молекулы за время удара ∆t

По третьему закону Ньютона на поршень со стороны молекулы действует сила:

 ; F1 = ma

При упругом ударе составляющая скорости vy не изменяется (см.рис)

∆v = = 2vx

За промежуток ∆t с поршнем сталкиваются только молекулы, которые успевают долететь до него за это время – в объеме ∆V на расстоянии не больше vx∆t от него

Следовательно, полное число ударов молекул о поршень равно числу этих молекул:

∆N = n ∆V = n S vx∆t

n – концентрация частиц (число частиц в единице объема)

½ - множитель введен так как их всех молекул лишь половина движется в положительном направлении оси Х.

p = Þ p = = n ma

Вследствие хаотического теплового движения молекул их направления движения равновероятны и средние квадраты скоростей по осям равны:

v2 = vx2+ vy2 +vz2 Þ

Скорости молекул беспорядочно меняются, но средний квадрат скорости вполне определенная величина.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа:

 p = n ma = n ma

где как было показано выше

n – концентрация частиц (число частиц в единице объема)

Основное уравнение МКТ позволяет вычислить давление газа, если известны масса молекулы, среднее значение квадрата скорости и концентрация молекул.

Макроскопическая величина p с помощью модели идеального газа определяется через микроскопические параметры (массу молекул, концентрацию молекул и средний квадрат скорости их хаотического движения)

Еще одна форма записи основного уравнения молекулярно-кинетической теории:

Давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.

p = n maÞ p = n

где - средняя кинетическая энергия молекул

Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул.

Концентрация частиц характеризует число ударов молекул о поршень, а средняя кинетическая энергия молекул определяет интенсивность одного удара

Закон Дальтона:

Давление смеси идеальных газов равно сумме парциальных давлений входящих в нее газов.

Если газ состоит из смеси газов, то молекулы каждого газа ударяют о поршень независимо друг от друга. В соответствии с принципом суперпозиции сил давление газов, составляющих смесь (парциальные давления), суммируются.

СВЯЗЬ ТЕМПЕРАТУРЫ СО СРЕДНЕЙ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ЧАСТИЦ ГАЗА(уч.10кл.стр.239-243)

Определение температуры как меры кинетической энергии. Формула

Постоянная Больцмана, ее смысл и единицы измерения

Абсолютный нуль температуры и энергия молекул при нем

Скорость теплового движения молекул

Молярная газовая постоянная. Смысл и единицы измерения

Средняя квадратичная скорость молекул

Величины, характеризующие состояние макроскопических тел без учета молекулярного строения тел (p, V, t) называют макроскопическими параметрами.

Объем и давление являются механическими величинами, описывающими состояние газа. Температура описывает внутреннее состояние газа.

Основное уравнение МКТ(см.выше) для идеального газа устанавливает связь легко измеряемого макроскопического параметра – давления – с такими микроскопическими параметрами газа, как средняя кинетическая энергия и концентрация молекул. Но, измерив только давление, мы не можем узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужны измерения еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул.

Такой величиной является температура.

В результате большого числа столкновений между молекулами газа устанавливается стационарное равновесное состояние – состояние, при котором число молекул в заданном интервале скоростей остается постоянным.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Тепловое равновесие – это такое состояние, при котором все макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными.

Это означает, что в системе не меняются объем и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения веществ.

Микроскопические процессы не прекращаются и в состоянии теплового равновесия.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43