Тепловой двигатель и его КПД

Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.

Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов:

1. рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе;

2. нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы;

3. холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства .

Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx.

В реальных тепловых двигателях работа, совершаемая тепловым двигателем меньше, чем разность (Qн-Qx), т.к. есть потери энергии в окружающую среду. В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии.

Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД):

Для реального теплового двигателя КПД обычно не превышает 30-40 % , т.к. потери энергии в процессе его работы велики. Даже для идеального теплового двигателя КПД не будет равно 100%.

Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.

Характеристика жидкостей.

Вещество в жидком состоянии сохраняет свой объем, но принимает форму того сосуда , в котором находится. Расстояние между молекулами жидкости значительно меньше, чем между молекулами газа и между молекулами жидкости действуют силы притяжения, но действуют они только на ближайших соседей данной молекулы. Эти силы притяжения удерживают молекулу около временного положения равновесия примерно в течение 10^-12 - 10^-10 секунд, после чего они перескакивают из одного положения равновесия в другое. Время между двумя перескоками молекул из одного положения равновесия в другое называется временем оседлой жизни. В течение времени оседлой жизни большинство молекул удерживается в положениях равновесия, за более длительный срок большинство молекул успевает переменить местоположение, поэтому жидкости обладают текучестью.

Если в жидкости выделить малый объем, то в течение времени оседлой жизни в нем существует упорядоченное расположение молекул, подобное расположению в кристаллической решетке. Затем оно распадается и возникает в другом месте. В небольшом объеме жидкости наблюдается упорядоченное расположение ее молекул, а в большом объеме оно оказывается хаотическим. Говорят, что в жидкостях существует ближний порядок в расположении частиц. Ближний порядок – это способность молекул взеимодействовать только с ближайшими соседями.

Жидкость может обнаруживать механические свойства твердого тела, если время взаимодействия мало (меньше времени оседлой жизни) - камень отскакивает от поверхности воды. палка при ударе о воду может сломаться и т.п.

Поверхностное натяжение :

Молекулы поверхностного слоя испытывают притяжение со стороны молекул внутри жидкости и стремятся уйти вглубь , поэтому на поверхности остается минимальное число молекул. Сила, действующая вдоль поверхности жидкости и стремящаяся сократить ее до минимума называется силой поверхностного натяжения.

F _п.н. = s l

Где l - длина границы между жидкостью и твердым телом , а σ - коэффициент поверхностного натяжения.

Поверхностный слой всегда находится в состоянии натяжения

Смачивание:

Если молекулы жидкости притягиваются друг к другу слабее , чем к молекулам твердого тела, то такую жидкость называют смачивающей данное вещество.

Если молекул в жидкости притягиваются друг к другу сильнее, чем к молекулам вещества, то такую жидкость называют не смачивающей. Смачивает жидкость вещество или нет можно обнаружить по форме капельки жидкости на поверхности этого вещества : если капелька имеет шарообразную (чуть приплюснутую форму) , то жидкость не смачивает твердое тело. Если капелька растекается по поверхности жидкости, то жидкость смачивает твердое тело. Поверхности жидкости в сосудах искривляются: смачивающие имеют вогнутую поверхность, а не смачивающие - выпуклую.

Из за разного давления, оказываемого вогнутой или выпуклой поверхностью смачивающие жидкости в тоненьких трубочках ( капиллярах) поднимаются вверх, а не смачивающие опускаются вниз.

Высота подъема(опускания) жидкости в капилляре

2 σ

h = ρ g r

Капиллярные явления играют большую роль в природе и технике. Много капилляров в растениях. По капиллярам в растениях вода поднимается вверх. В почве находятся капилляры, по ним вода поднимается вверх и испаряется. Большое значение имеют капилляры в технике - чтобы кирпичная стена не сырела, между фундаментом дома и кирпичной стеной делают прокладку в которой нет капилляров.

Влажность воздуха.

Благодаря процессам испарения и кипения в воздухе содержится некоторое количество водяного пара.

Насыщенным паром называется пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью. Динамическое равновесие- это процесс, при котором за одно и то же время число молекул, переходящих из жидкости в пар, и число молекул, возвращающихся из пара в жидкость , одинаково.

Насыщенный пар обладает следующими свойствами :

1. При данной температуре плотность и давление насыщенного пара величины постоянные;

2. Давление и плотность насыщенного пара - максимально возможные при данной температуре;

3. С повышением температуры давление и плотность насыщенного пара увеличиваются;

4. Давление и плотность насыщенного пара максимальные при температуре кипения;

Непрерывно происходят процессы испарения воды с поверхности морей и океанов, но не смотря на них водяной пар в атмосфере остается ненасыщенным. Это объясняется непрерывными процессами конденсации его в отдельных областях атмосферы и выпадением в виде осадков.

Влажность воздуха.

Абсолютная влажность воздуха - это количество водяных паров, содержащихся в единице объема воздуха r_а =m _в.п / V измеряется абсолютная влажность в кг/м³

Относительная влажность - это величина, показывающая на сколько воздух насыщен водяными парами. Она обозначается В и измеряется в %.

В =(r_а / r_н ) 100%

Точка росы - это температура , при которой водяные пары, находящиеся в атмосфере, становятся насыщенными и в результате выпадает роса.

Приборы для определения влажности ( вспомнить лабораторную работу – психрометр гигрометрический)

Свойства твердых тел.

Твердые тела - это тела , сохраняющие объем и форму при отсутствии внешних воздействий. Твердые тела могут быть аморфными и кристаллическими.

Аморфные тела- это тела, свойства которых по всем направлениям одинаковы. Аморфные тела похожи на жидкости, поэтому их часто называют «застывшие жидкости». Эти тела не имеют определенного порядка в расположении частиц, не имеют постоянной температуры плавления, они постепенно размягчаются при нагревании (пластилин, стекло).

Кристаллические тела - это твердые тела, имеющие кристаллическую решетку, т.е. упорядоченное расположение частиц. Точки в кристаллической решетке, соответствующие наиболее устойчивому положению равновесия частиц, называются узлами кристаллической решетки. Узлы решетки имеют правильное расположение, которое периодически повторяется внутри кристалла.

Правильное расположение частиц в узлах решетки кристалла называется дальним порядком в расположении частиц. Обычно рассматривая твердые тела имеют в виду кристаллические тела.

При внешнем воздействии твердые тела могут деформироваться. Деформация – это изменение формы или объема тела при внешних воздействиях.

Причиной деформации может стать сила или тепловое действие.

При механическом действии силы тело обычно изменяет свою форму, при тепловом – объем.

Изменение длины тела- называют линейной деформацией.