Сгорание топлива. Тепловые двигатели и их коэффициент полезного действия (КПД)
Удельная теплота сгорания топлива. Принцип действия теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС), паровая и газовая турбины. КПД теплового двигателя.
Для получения тепла в энергетике, транспорте и быту используют органическое топливо (уголь, природный газ, нефть, бензин, торф, дрова). При горении атомы углерода и водорода соединяются с кислородом воздуха с образованием CO₂ и H₂O, при этом выделяется колоссальная химическая энергия.
Удельная теплота сгорания топлива (q) — физическая величина, численно равная количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании 1 кг твердого (или жидкого) топлива:
В СИ удельная теплота сгорания измеряется в Дж/кг (для газов — в Дж/м³). Например, для сухого водорода q = 120 МДж/кг, для природного газа q = 44 МДж/кг, для бензина q = 46 МДж/кг, для каменного угля q = 27 МДж/кг, для сухих дров q = 10 МДж/кг.
Тепловыми двигателями называют машины, преобразующие внутреннюю энергию сгорающего топлива в механическую работу движения.
Любой тепловой двигатель циклически взаимодействует с тремя обязательными элементами:
1. Нагреватель (камера сгорания, котел): передает рабочему телу количество теплоты Q₁ при высокой температуре T₁.
2. Рабочее тело (газ или водяной пар): расширяется при высоком давлении и совершает полезную механическую работу A = Q₁ - Q₂.
3. Холодильник (окружающая среда, радиатор, конденсатор): принимает остаточное тепло Q₂ при более низкой температуре T₂.
Второй закон термодинамики (закон Карно): теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему; невозможно создать тепловой двигатель без передачи части тепла холодильнику (вечный двигатель второго рода невозможен!).
Анимированная модель: Идеальная тепловая машина и цикл Карно
Источник тепла (Q₁)
Газ / пар
Сброс тепла (Q₂)
Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тепловой двигатель на автомобильном и железнодорожном транспорте. Топливо в нем сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра.
Четыре такта работы карбюраторного ДВС за два оборота коленвала:
1. Впуск: поршень опускается вниз, впускной клапан открыт, цилиндр заполняется горючей смесью бензина и воздуха.
2. Сжатие: оба клапана закрыты, поршень идет вверх, адиабатно сжимая и нагревая смесь.
3. Рабочий ход (сгорание и расширение): электрическая свеча дает искру, смесь мгновенно воспламеняется. Раскаленные газы под огромным давлением толкают поршень вниз, совершая полезную работу!
4. Выпуск: выпускной клапан открывается, поршень поднимается вверх и выталкивает отработанные газы в выхлопную трубу.
Заполнение смесью
Подготовка к взрыву
Совершение работы
Очистка цилиндра
1. Паровая турбина — непрерывно действующий роторный тепловой двигатель. Пар сверхвысокого давления (до 25 МПа и 550 °C) из парогенератора разгоняется в сужающихся соплах и с колоссальной скоростью бьет по криволинейным лопаткам насаженного на вал колеса. Паровые турбины вращают роторы электрогенераторов на всех тепловых (ТЭС) и атомных электростанциях (АЭС) мира, вырабатывая свыше 80% всей мировой электроэнергии.
2. Газовые турбины и воздушно-реактивные двигатели приводят в движение современную гражданскую и военную авиацию, создавая мощную реактивную тягу за счет истечения струи раскаленных газов из сопла.
Основа энергетики
Авиация и космос
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя показывает, какая доля теплоты, выделенной топливом, превращается в полезную механическую работу:
η = (Aпол / Q₁) · 100% = ((Q₁ - Q₂) / Q₁) · 100%.
Теоретический предел КПД идеальной тепловой машины (цикл Сади Карно):
ηmax = (T₁ - T₂) / T₁ · 100%.
Реальные КПД тепловых двигателей:
• Паровозы XIX века: 5–8%
• Бензиновые ДВС: 25–35%
• Дизельные двигатели: 40–45%
• Современные комбинированные парогазовые установки: до 60%.
Экологические проблемы: выбросы парникового газа CO₂, оксидов серы и азота (кислотные дожди), сажи и тепловое загрязнение атмосферы и водоемов требуют перехода на альтернативную и зеленую энергетику.
- 1. Топливо и удельная теплота сгорания топлива (q)~5 мин
- 2. Принцип действия теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело, холодильник~5 мин
- 3. Двигатель внутреннего сгорания: четырехтактный цикл ДВС~5 мин
- 4. Паровая турбина и реактивный двигатель в современной энергетике~5 мин
- 5. Коэффициент полезного действия теплового двигателя и экология~5 мин
