Презентация - "Презентация по физике 10 кл. "Тепловые двигатели ""

УРОК ФИЗИКИ В 10 КЛАССЕ
Разработала
учитель физики

МБОУ «Вечерняя (сменная) общеобразовательная школа №1»
Коршунова Ирина Аркадьевна

Тепловые двигатели
Машины , преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую , называются тепловыми двигателями .

Тепловые машины и развитие техники
Развитие энергетики является одной из важнейших предпосылок научно – технического прогресса. Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и усовершенствованием первого теплового двигателя-паровой машины. Создание паровых, а затем и газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания полностью преобразовало всю энергетику, позволило создать крупные морские суда, автомобильный и воздушный транспорт, создать космические ракеты, построить тепловые электростанции и на этой основе реорганизовать всю промышленность.

Виды тепловых двигателей
и их применение








турбины
реактивные
карбюраторные
паровая
газовая
ракетные
воздушно-реактивные
дизельные
На тепловых и атомных
электростанциях
двигатели самолетов
ракет
Двигатели на легковых
и грузовых автомобилях,
мотоциклах,
водном
и железнодорожном
транспорте, в быту
Привод стационарных
силовых установок,
тепловозы, дизелевозы,
тракторы, асфальтовые катки, скреперы

Кто и когда ?
1698 г.- англичанин Т. Севери
1763 г.- русский И. И. Ползунов
1764 г.- англичанин Дж. Уатт
1707 г. – француз Д. Папен
1860 г. - француз Ленуар
1876 г. – немец Н.Отто
1889 г. - швед К. Лаваль
ПД
Д В С
ТУРБИНА
ПАРОВАЯ

Поршневой и карбюраторный двигатель внутреннего сгорания
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Э.Ленуаром. Этот двигатель не имел трубы, топки и котла, но в основном конструктивно не отличался от паровой машины. Вместо пара в цилиндр при движении поршня засасывалась смесь светильного газа и воздуха. КПД этого двигателя был 3,3%. Однако новые двигатели вскоре были значительно усовершенствованы. В 1862 г. французским инженером Б. Роше. Им было предложено использовать в ДВС четырехтактный цикл: всасывание, сжатие, горение и расширение, выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый ДВС. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Развитие нефтяной промышленности в конце 19 века дало новые виды топлива – керосин, бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях – карбюраторах. Воздушно – бензиновую смесь называют горючей смесью.
Чтобы повысить КПД ДВС немецкий инженер Р. Дизель в 1892 г. предложил использовать очень большую степень сжатия рабочего тела и расширение при постоянном давлении.
Современные дизели имеют степень сжатия 16 – 21 и КПД около 40%.

Первые автомобили с двигателем внутреннего сгорания
а) автомобиль Даймлера
б) автомобиль Бенца
в) автомобиль Форда

Д В С

Паровая турбина
Попытки сконструировать паровую турбину, способную конкурировать с паровой машиной, до середины 19 в. были безуспешными, так как в механическую энергию вращения турбины удавалось преобразовать лишь незначительную часть кинетической энергии струи пара. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Г. Лавалем в 1889 г.Ее мощность была меньше 4 кВт при частоте вращения ротора 500 об/с.При конструировании паровой турбины надо решить две проблемы: добиться, чтобы внутренняя энергия пара максимально превращалась в кинетическую энергию струи, вырывающейся из сопла, а так же ,чтобы кинетическая энергия струи в максимальной степени передавалась лопаткам ротора турбины. Обе эти задачи Лаваль решил.
КПД современных паровых турбин достигает 40%.Поэтому электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами.
Паротурбинные двигатели нашли широкое применение на водном транспорте.

Газовая турбина

Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора, камер сгорания, газовой турбины и выпускного сопла. Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.
Цикл работы газовой турбины аналогичен циклу поршневого ДВС. Разница лишь в том, что в поршневом ДВС его четыре такта происходят последовательно во времени в одном месте – цилиндре, а в газовой турбине те же такты происходят одновременно в разных участках: всасывание и сжатие воздуха – в компрессоре, сжигание топлива – в камере сгорания, рабочий ход –в турбине и выпуск – в выпускном сопле.
КПД газотурбинных установок достигает 25 - 30%. Первая практически важная область применения – авиация.
Самолеты с винтом, насаженным на вал газотурбинного двигателя, появились в 1944 г.Турбовинтовые двигатели имеют такие самолеты, как Ил – 18, Ан – 22, Ан - 124«Руслан».

Газовые турбины

Турбореактивный двигатель

Газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного состава.
Успешное применение турбореактивных двигателей в авиации началось в 40-х годах созданием реактивных истребителей, а первый в нашей стране реактивный пассажирский самолет Ту-104 вышел на линию Москва- Иркутск в 1965 г.Турбореактивными двигателями оборудованы самолеты Ил- 62, Ту- 154, Ил- 86.

В турбореактивном двигателе газовая турбина используется только для приведения в действие воздушного компрессора и отнимает у газовой струи, выходящей из камеры сгорания, лишь небольшую часть энергии. В результате газовая струя имеет на выходе из сопла большую скорость и создает реактивную силу.

Ядерная энергия

F


нагреватель
Т1
холодильник
Т2
Q1
Q2
A
Тепловые двигатели - устройства,
превращающие внутреннюю
энергию топлива в механическую


Устройство
рабочее
тело


Необходимое условие
работы двигателя
Разность давлений по обе
стороны поршня (лопастей)
достигается
повышением температуры
рабочего тела
по сравнению с температурой окружающей среды
Т1 – температура нагревателя
Т2 – температура холодильника
Холодильником является
атмосфера (чаще)
конденсаторы
и принцип действия

Q1 > A


Очевидно:




холодильник
нагреватель
Q2
невозможно
Невозможно перевести тепло
от более холодной системы к более
горячей при отсутствии других одновременных изменений в системах или окружающих телах



по закону сохранения энергии
Q1 = A + Q2

A = Q1 - Q2


η
КПД ( ) – отношение работы, совершенной двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя



η
=
A
Q1
η
=1-
Q2
Q1

Идеальный цикл Сади Карно


1
2
3
4
p
V
+ Q12
Q23= 0
- Q34
Q41 = 0


рабочее тело –
идеальный газ
Т1
Т2
η
Т1 – температура
нагревателя
Т2 – температура
холодильника
=
Т1 – Т2
Т1

8
при
Т1
Т2
0
η
1


Т1
8
(теплостойкость
материала ограничена)



Т2
0
( практически не может быть ниже tокр.среды )
ДОКАЗАНО:
η
реал.
η
идеал
<
+ Q12
Т1
1-2 изотермическое
расширение
при температуре Т1
V1
V2

V2

2-3: адиабатное
расширение
Q23= 0

V3
т2
Т2
3-4: изотермическое
сжатие
при температуре Т2
- Q34
V3
V4
Т2
V4

V1
т2
4-1: адиабатное
сжатие
Q41= 0

т1

К П Д теплового двигателя
К П Д = A / Q 1
К П Д = ( Q 1 – Q 2) / Q1 =1 – Q 2 / Q 1
К П Д = ( T 1 – T 2 ) / T 1 = 1 – T 2 / T 1

Повышение КПД установок
Важнейшая характеристика энергетических установок-их КПД. Максимальный КПД тепловой электростанции не превышает 40-42%, а у других теплоустановок он еще ниже: у лучших карбюраторных ДВС около 30%, у дизельных около 40%. Столь низкий КПД теплоэнергетики связан с целым рядом причин. Одна из главных-отсутствие жаропрочных материалов, способных выдерживать в течение долгого времени высокие давления и температуры.

 ! ! !  
Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастает потребление угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды.
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы и его содержание в воздухе постепенно уменьшается.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. До периода бурного развития энергетики и транспорта количество углекислого газа, поглощаемого из атмосферы при фотосинтезе растениями и растворяемого в океане, было равно количеству углекислого, выделяемого при дыхании и гниении. В последние десятилетия этот баланс стал нарушаться. В настоящее время за счет сжигания угля, нефти и газа в атмосферу Земли ежегодно поступает дополнительно около 20 млрд. т углекислого газа. Это приводит к повышению его концентрации в атмосфере Земли. Молекулы оксида углерода способны поглощать инфракрасное излучение и изменяют ее прозрачность. Это может привести к повышению температуры атмосферы («парникового эффекта«).
В- третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.

Пути повышения КПД




Уменьшение трения частей
двигателя
Снижение потерь вследствие
неполного сгорания топлива


Двигатели и окружающая среда




Проблема:
Тепловое загрязнение
окружающей среды,
выполняющей роль
«холодильника»
(парниковый эффект)
Проблема:
Химическое загрязнение
окружающей среды
продуктами сгорания
топлива.
Снижение содержания
кислорода в атмосфере



Пути решения проблем
Строительство очистных сооружений, ограничение
использования соединений тяжелых металлов для топлива,
использование водорода в качестве топлива,
создание электромобилей и.т.д.

вопросы


1. Из каких основных частей состоит любой тепловой двигатель ?








2.Газ расширяется самопроизвольно. Может ли происходить
самопроизвольное сжатие газа?
3.Станет ли КПД двигателя равным 100%, если исчезнет трение
между частями двигателя?
4.Как понизить температуру газа перед сжатием, не допуская при
этом теплопередачи?
5. Как влияют тепловые двигатели на окружающую среду?

Задача
Температура нагревателя тепловой машины
1500 С , а холодильника 250 С , машина получила от нагревателя 4х104 Дж энергии.
Как велика работа, совершенная машиной?
Дано:
Т1 = 1500С = 423 К
Т2 = 250С = 298 К
Q1= 4Х104 Дж
А - ?
Решение:
η
=
Т1-Т2
Т1
С другой стороны,
η
=
А
Q1
Приравнивая правые части равенств, получим:
Т1-Т2
Т1
=
А
Q1
Выражая неизвестную величину, получим:
А =
(Т1-Т2 ) Q1

Т1
=
( 423 К – 298 К ) х 4х104 Дж
423 К
= 1х104 Дж
Ответ : 1х104 Дж

Домашнее задание

§ 82