Тепловые двигатели

Что можно сказать о значении дроби (меньше 1)

Значит, КПД всегда меньше 1, а если его выразить в процентах, то меньше 100%.

Задача: Чему равен КПД теплового двигателя, если в полезную работу превращается четверть энергии топлива? (25%)

Первые паровые машины имели КПД=0,3%. В последствии Дж. Уатт, усовершенствовав паровую машину, добился повышения КПД до 2,8%.

Устройство двигателя внутреннего сгорания.

Рассмотрим подробнее устройство и принцип действия двигателя внутреннего сгорания, так как такой тип теплового двигателя обычно устанавливают на большинстве автомобилей. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя. Отсюда и происходит название этого двигателя.

Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом, на котором находится маховик.

В верхней части цилиндра имеется два клапана, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи, а через клапан выпускаются отработавшие газы.

??? На каком топливе работают двигатели внутреннего сгорания? (бензине, керосине, нефти или на горючем газе)

Из чего состоит горючая смесь, поступающая в цилиндр? (из паров бензина и воздуха)

Принцип работы ДВС

Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точками. Расстояние, проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня. Один ход поршня, или один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

Первый такт – ВПУСК.

При повороте вала двигателя в начале первого такта (впуска) поршень движется вниз. Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разрежение. В это время открывается впускной клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 6 закрывается.

Второй такт – СЖАТИЕ.

При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь. В конце второго такта (сжатия), когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

Третий такт – РАБОЧИЙ ХОД.

Образующиеся при сгорании газы (температура продуктов сгорания достигает 1600—1800°С) давят на поршень и толкают его вниз. Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом. Движение поршня передается шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок, маховик затем продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах. Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.

В конце третьего такта открывается выпускной клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.

Четвертый такт – ВЫПУСК.

Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течение четвертого такта (выпуска), когда поршень движется вверх. В конце четвертого такта выпускной клапан закрывается.

Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска. Поэтому такие двигатели называют четырехтактными.

В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход, и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней.

Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

Турбина

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нем пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигателя называют турбинами.

Модель устройства Турбины

На вал насажен диск, по ободу которого закреплены лопатки. Около лопаток расположены тубы – сопла, в которые поступает пар из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение.

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар или отработанный газ (выхлоп ДВС) проходя через лопатки турбины, отдает часть своей энергии (тепловая энергия превращается в механическую или электрическую).

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть тепловой энергии, которая выделяется при сгорании топлива. В бензиновых и дизельных двигателях внутреннего сгорания для увеличения мощности и экономии совершаемой работы чаще всего используют турбину. То есть повышают КПД (коэффициент полезного действия) двигателя.

Применение тепловых двигателей.

Применение тепловых двигателей чрезвычайно разнообразно.

Двигатели внутреннего сгорания приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы, их устанавливают на речных и морских судах.

Паровые и газовые турбины нашли широкое применение на тепловых электростанциях, в качестве судовых двигателей, газовые турбины широко применяются в авиационных двигателях. Реактивные двигатели применяются в авиации, ракетостроении.

Экологические проблемы.

Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. В атмосфере Земли в настоящее время содержится около 2600 млрд. тонн углекислого газа (около 0,033%). До периода бурного развития энергетики и транспорта количество углекислого газа, поглощаемого из атмосферы при фотосинтезе растениями и растворяемого в океане, было равно количеству углекислого газа, выделяемого при дыхании и гниении. В последние десятилетия этот баланс все в большей степени стал нарушаться. В настоящее время за счет сжигания угля, нефти, и газа в атмосферу Земли ежегодно поступает дополнительно около 20 млрд. тонн углекислого газа. Это приводит к повышению концентрации углекислого газа в атмосфере Земли. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры ("парниковый эффект").

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. Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2-3 млн. тонн свинца.

Автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема их усовершенствования представляет одну из наиболее актуальных научно- технических задач. Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды - использование в автомобилях вместо карбюраторных бензиновых двигателей дизелей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей применяют электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов, или двигатели, использующие в качестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода, но и здесь возникает масса технических проблем. Вопросы окружающей среды становятся все более определяющими для дальнейшего развития теплоэнергетики. Организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе всего земного шара.

ПРИМЕР 1: Для полного сжигания 1 кг бензина необходимо 15 кг воздуха.

ПРИМЕР 2: Один легковой автомобиль поглощает ежегодно из атмосферы в среднем больше 4 т кислорода, выбрасывая с выхлопными газами примерно 800 кг окиси углерода, около 40 кг окислов азота и почти 200 кг различных углеводородов.

ПРИМЕР 3: При сжигании 1 кг угля: СО₂ – 1 кг, зола – 600 г, сернистый газ – 30 г, оксид азота – 10 г, пыль 10 г.Кажется, цифры невелики, но это на первый взгляд. А если подумать, сколько угля сгорает на ТЭС, то цифры будут колоссальными. Для горения 1 лампочки в 100 Вт по 1 ч в сутки нужно за 1 год потратить 24 кг угля.

Как вы думаете, что нужно сделать для того, чтобы избежать экологических проблем? (посадка лесов и сокращение их вырубки; установка фильтров на двигатели; переход на экологически чистые виды топлива; создание электромобилей или автомобилей, работающих на солнечных батареях и т.д.)

3. Закрепление изученного материала.

Ну, а сейчас давайте ещё раз коротко повторим то, с чем мы познакомились на сегодняшнем уроке.

• Какие машины называют тепловыми двигателями?

• Какие виды тепловых двигателей вы знаете?

• Что является нагревателем двигателя внутреннего сгорания?

• Что является холодильником двигателя внутреннего сгорания?

• Из скольких тактов состоит цикл двигателя внутреннего сгорания?

• Какой такт изображен на рисунке 27 учебника?

Качественные задачи:

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? (Нет. КПД теплового двигателя не может быть больше 100% или равен 100%)

2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число? (45% энергии идет на совершение полезной работы, а 55% энергии тратится впустую на обогрев атмосферы, самого двигателя и т.д.)

3. Может ли КПД теплового двигателя быть равен 1,8; 50; 4; 90; 100%? (КПД теплового двигателя всегда меньше 100%)

4. Задача для любителей биологии:

В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.

КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы тратят впустую.)

Расчетные задачи

1. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (20%)

2. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? (30%)

4. Домашнее задание.

Рус. § 50 – 51.

Укр. § 42 – 43.

Творческое задание: 1) найти информацию об истории создания тепловых двигателей;

2) составить кроссворд по данной теме.

3) составить постер по преодолению экологических проблем.

Шкатулка фактов.

1. Роберт Фултон – изобретатель парохода – в поисках средств для строительства своего детища, обратился к императору Наполеону. Последний выгнал просителя со словами: «Он убеждает меня, что можно двигать суда при помощи кипятка!»

2. Первый автомобиль весил 33 т и ездил на дровах. Был создан во Франции в 1769 г Никола Коньо. На носу была обычная топка. Слово «шофер» в переводе с французского означает кочегар.