Siltumdzinēja teorētiskajā modelī tiek ņemti vērā trīs ķermeņi: sildītājs, darba šķidrums Un ledusskapis.

Sildītājs – siltuma rezervuārs (liels korpuss), kura temperatūra ir nemainīga.

Katrā dzinēja darbības ciklā darba šķidrums saņem noteiktu siltuma daudzumu no sildītāja, izplešas un veic mehānisku darbu. Daļa no sildītāja saņemtās enerģijas ir jāpārnes uz ledusskapi, lai darba šķidrums atgrieztos sākotnējā stāvoklī.

Tā kā modelī pieņemts, ka sildītāja un ledusskapja temperatūra siltumdzinēja darbības laikā nemainās, tad cikla beigās: sildīšana-izplešanās-dzesēšana-darba šķidruma saspiešana, tiek uzskatīts, ka iekārta atgriežas. sākotnējā stāvoklī.

Katram ciklam, pamatojoties uz pirmo termodinamikas likumu, mēs varam rakstīt, ka siltuma daudzums J siltums, kas saņemts no sildītāja, siltuma daudzums | J auksts|. iedots ledusskapim, un darbs, ko veic darba organisms A ir savstarpēji saistīti ar attiecību:

A = J siltums – | J auksts|.

Reāli tehniskās ierīces, ko sauc par siltumdzinējiem, darba šķidrums tiek uzkarsēts, pateicoties siltumam, kas izdalās degvielas sadegšanas laikā. Tādējādi spēkstacijas tvaika turbīnā sildītājs ir krāsns ar karstām oglēm. Iekšdedzes dzinējā (ICE) sadegšanas produktus var uzskatīt par sildītāju, un lieko gaisu var uzskatīt par darba šķidrumu. Viņi izmanto atmosfēras gaisu vai ūdeni no dabīgiem avotiem kā ledusskapi.

Siltumdzinēja (mašīnas) efektivitāte

Siltuma dzinēja efektivitāte (efektivitāte) ir dzinēja veiktā darba attiecība pret siltuma daudzumu, kas saņemts no sildītāja:

Jebkura siltumdzinēja efektivitāte ir mazāka par vienību un tiek izteikta procentos. No otrā termodinamikas likuma izriet neiespējamība visu no sildītāja saņemto siltuma daudzumu pārveidot mehāniskajā darbā.

Reālos siltumdzinējos efektivitāti nosaka eksperimentālā mehāniskā jauda N dzinējs un sadedzinātās degvielas daudzums laika vienībā. Tātad, ja laikā t sadedzinātās degvielas masa m un īpatnējais sadegšanas siltums q, Tas

Transportlīdzekļiem atsauces raksturlielums bieži ir tilpums V pa ceļam dega degviela s pie mehāniskā dzinēja jaudas N un ātrumā. Šajā gadījumā, ņemot vērā degvielas blīvumu r, mēs varam uzrakstīt formulu efektivitātes aprēķināšanai:

Otrais termodinamikas likums

Ir vairāki formulējumi otrais termodinamikas likums. Viens no tiem saka, ka nevar būt siltumdzinējs, kas strādātu tikai pateicoties siltuma avotam, t.i. nav ledusskapja. Pasaules okeāni viņam varētu kalpot kā praktiski neizsmeļams iekšējās enerģijas avots (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Citi otrā termodinamikas likuma formulējumi ir līdzvērtīgi šim.

Klausiusa formulējums(1850): process, kurā siltums spontāni pārietu no mazāk apsildāmiem ķermeņiem uz vairāk sakarsušiem ķermeņiem, nav iespējams.

Tomsona formulējums(1851): nav iespējams apļveida process, kura vienīgais rezultāts būtu darba ražošana, samazinot siltuma rezervuāra iekšējo enerģiju.

Klausiusa formulējums(1865): visi spontānie procesi slēgtā nelīdzsvarotā sistēmā notiek virzienā, kurā palielinās sistēmas entropija; termiskā līdzsvara stāvoklī tas ir maksimālais un nemainīgs.

Bolcmana formulējums(1877): slēgta daudzu daļiņu sistēma spontāni pāriet no sakārtotāka stāvokļa uz mazāk sakārtotu. Sistēma nevar spontāni atstāt savu līdzsvara stāvokli. Bolcmans ieviesa kvantitatīvu traucējumu mērījumu sistēmā, kas sastāv no daudziem ķermeņiem - entropija.

Siltumdzinēja efektivitāte ar ideālu gāzi kā darba šķidrumu

Ja ir dots darba šķidruma modelis siltumdzinējā (piemēram, ideāla gāze), tad ir iespējams aprēķināt darba šķidruma termodinamisko parametru izmaiņas izplešanās un saspiešanas laikā. Tas ļauj aprēķināt siltumdzinēja efektivitāti, pamatojoties uz termodinamikas likumiem.

Attēlā parādīti cikli, kuriem var aprēķināt efektivitāti, ja darba šķidrums ir ideāla gāze un parametri ir norādīti viena termodinamiskā procesa pārejas punktos uz citu.

	Izobāriski-izohorisks
	Izohoriski-adiabātisks
	Izobāriski-adiabātisks
	Izobāriski-izohoriski-izotermiski
	Izobāriski-izohoriski-lineāri

Carnot cikls. Ideāla siltumdzinēja efektivitāte

Augstākā efektivitāte noteiktā sildītāja temperatūrā T sildītājs un ledusskapis T hallē ir siltumdzinējs, kurā darba šķidrums izplešas un saraujas atbilstoši Carnot cikls(2. att.), kuras grafiks sastāv no divām izotermām (2–3 un 4–1) un diviem adiabātiem (3–4 un 1–2).

Karno teorēma pierāda, ka šāda dzinēja efektivitāte nav atkarīga no izmantotā darba šķidruma, tāpēc to var aprēķināt, izmantojot ideālas gāzes termodinamiskās attiecības:

Siltumdzinēju ietekme uz vidi

Siltumdzinēju intensīva izmantošana transportā un enerģētikā (siltuma un atomelektrostacijās) būtiski ietekmē Zemes biosfēru. Lai gan pastāv zinātniski strīdi par cilvēka darbības ietekmes mehānismiem uz Zemes klimatu, daudzi zinātnieki atzīmē faktorus, kuru dēļ šāda ietekme var rasties:

1. Siltumnīcas efekts ir oglekļa dioksīda (sadegšanas produkts siltumdzinēju sildītājos) koncentrācijas palielināšanās atmosfērā. Oglekļa dioksīds pārraida redzamo un ultravioleto starojumu no Saules, bet absorbē infrasarkano starojumu, kas kosmosā nonāk no Zemes. Tas izraisa atmosfēras apakšējo slāņu temperatūras paaugstināšanos, viesuļvētru vēju palielināšanos un globālu ledus kušanu.
2. Toksisko izplūdes gāzu tiešā ietekme uz savvaļas dzīvniekiem(kancerogēni, smogs, skābie lietus no blakusprodukti degšana).
3. Ozona slāņa iznīcināšana lidmašīnu lidojumu un raķešu palaišanas laikā. Ozons augšējos atmosfēras slāņos pasargā visu dzīvību uz Zemes no pārmērīga saules ultravioletā starojuma.

Izeja no topošās vides krīzes ir siltumdzinēju efektivitātes palielināšana (moderno siltumdzinēju efektivitāte reti pārsniedz 30%); izmantojot izmantojamus dzinējus un kaitīgus izplūdes gāzu neitralizatorus; alternatīvu enerģijas avotu izmantošana ( saules paneļi un sildītāji) un alternatīviem transporta līdzekļiem (velosipēdiem utt.).

Efektivitātes koeficients (efektivitāte) ir sistēmas veiktspējas raksturlielums attiecībā uz enerģijas pārveidošanu vai pārnešanu, ko nosaka izmantotās lietderīgās enerģijas attiecība pret kopējo sistēmā saņemto enerģiju.

Efektivitāte- bezizmēra daudzums, ko parasti izsaka procentos:

Siltumdzinēja veiktspējas (lietderības) koeficientu nosaka pēc formulas: , kur A = Q1Q2. Siltumdzinēja efektivitāte vienmēr ir mazāka par 1.

Carnot cikls ir atgriezenisks cirkulārs gāzes process, kas sastāv no diviem secīgi stāvošiem izotermiskiem un diviem adiabātiskiem procesiem, kas tiek veikti ar darba šķidrumu.

Apļveida cikls, kas ietver divas izotermas un divus adiabātus, atbilst maksimālajai efektivitātei.

Franču inženieris Sadi Karno 1824. gadā atvasināja ideāla siltumdzinēja maksimālās efektivitātes formulu, kur darba šķidrums ir ideāla gāze, kuras cikls sastāvēja no divām izotermām un diviem adiabātiem, t.i., Karno cikls. Karno cikls ir reālais siltuma dzinēja darba cikls, kas veic darbu, pateicoties siltumam, kas tiek piegādāts darba šķidrumam izotermiskā procesā.

Karno cikla efektivitātes formula, t.i., siltumdzinēja maksimālā efektivitāte, ir šāda: , kur T1 ir sildītāja absolūtā temperatūra, T2 ir ledusskapja absolūtā temperatūra.

Siltuma dzinēji- tās ir struktūras, kurās siltumenerģija tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā.

Siltumdzinēji ir dažādi gan pēc konstrukcijas, gan pēc mērķa. Tie ietver tvaika dzinēji, tvaika turbīnas, iekšdedzes dzinēji, reaktīvie dzinēji.

Tomēr, neskatoties uz daudzveidību, principā dažādu siltumdzinēju darbībai ir kopīgas iezīmes. Katra siltumdzinēja galvenās sastāvdaļas ir:

• sildītājs;
• darba šķidrums;
• ledusskapis.

Sildītājs atbrīvo siltumenerģiju, sildot darba šķidrumu, kas atrodas motora darba kamerā. Darba šķidrums var būt tvaiks vai gāze.

Pieņemot siltuma daudzumu, gāze izplešas, jo tā spiediens ir lielāks par ārējo spiedienu un pārvieto virzuli, radot pozitīvu darbu. Tajā pašā laikā tā spiediens pazeminās un tilpums palielinās.

Ja mēs saspiežam gāzi, ejot cauri tiem pašiem stāvokļiem, bet pretējā virzienā, tad mēs veiksim to pašu absolūto vērtību, bet negatīvu darbu. Rezultātā viss darbs vienā ciklā būs nulle.

Lai siltumdzinēja darbs atšķirtos no nulles, gāzes saspiešanas darbam jābūt mazākam par izplešanās darbu.

Lai saspiešanas darbs kļūtu mazāks par izplešanās darbu, ir nepieciešams, lai saspiešanas process notiktu zemākā temperatūrā, darba šķidrums ir jāatdzesē, tāpēc konstrukcijā ir iekļauts ledusskapis no siltumdzinēja. Darba šķidrums, saskaroties ar to, pārnes siltumu uz ledusskapi.

Siltuma dzinējs – ierīce, kas sadegušās degvielas iekšējo enerģiju pārvērš mehāniskajā enerģijā. Siltumdzinēju veidi : 1) iekšdedzes dzinēji: a) dīzelis, b) karburators; 2) tvaika dzinēji; 3) turbīnas: a) gāze, b) tvaiks.

Visiem nosauktajiem siltumdzinējiem ir atšķirīgs dizains, taču tie sastāv no trīs galvenās daļas Kabīne: sildītājs, darba šķidrums un ledusskapis. Sildītājs nodrošina dzinējam siltumu. Darba šķidrums daļu no saņemtā siltuma pārvērš mehāniskā darbā. Ledusskapis atņem daļu siltuma no darba šķidruma.

T 1– sildītāja temperatūra;

T 2– ledusskapja temperatūra;

1. jautājums– saņemtais siltums

no sildītāja;

2. jautājums- dots siltums

ledusskapis;

A"- padarīts darbs

dzinējs.

Jebkura siltuma dzinēja darbība sastāv no ciklisku procesu atkārtošanās - cikliem. Cikls ir termodinamisko procesu secība, kuras rezultātā sistēma atgriežas sākotnējā stāvoklī.

Efektivitātes koeficients (efektivitāte) Siltumdzinējs ir dzinēja veiktā darba attiecība pret siltuma daudzumu, kas saņemts no sildītāja: .

Franču inženieris Sadi Carnot apsvēra ideāls siltuma dzinējs ar ideālu gāzi kā darba šķidrumu. Viņš atrada optimālo ideālo siltumdzinēja ciklu, kas sastāv no diviem izotermiskiem un diviem adiabātiskiem atgriezeniskiem procesiem - Carnot cikls . Šāda siltumdzinēja efektivitāte ar sildītāju temperatūrā un ledusskapi temperatūrā: . Neatkarīgi no siltuma dzinēja konstrukcijas, darba šķidruma izvēles un procesu veida, tā efektivitāte nevar būt lielāka par siltuma dzinēja efektivitāti, kas darbojas pēc Kārno cikla un kura sildītāja un ledusskapja temperatūra ir tāda pati kā dotajam siltumdzinējam.

Siltumdzinēju efektivitāte ir zema, tāpēc svarīgākais tehniskais uzdevums ir to palielināt. Siltuma dzinējiem ir divi būtiski trūkumi. Pirmkārt, lielākā daļa siltuma dzinēju izmanto fosilo kurināmo, kuru ieguve strauji noplicina planētas resursus. Otrkārt, degvielas sadegšanas rezultātā vidē nonāk milzīgs daudzums degvielas. kaitīgās vielas, kas rada būtiskas vides problēmas.

Siltumdzinēju maksimālās efektivitātes jautājuma izpēte ir saistīta ar vācu fiziķa R. Klasiusa atklājumu 1850. gadā. otrais termodinamikas likums : process, kurā siltums spontāni pārietu no aukstākiem ķermeņiem uz karstākiem ķermeņiem, nav iespējams.

Fiziskie daudzumi un to mērvienības:

Nosaukuma vērtība	Apzīmējums	Mērvienība	Formula
Relatīvā molekulmasa	Mr(umm)	bezizmēra daudzums
Vienas molekulas (atoma) masa	m 0	kg
Svars	m	kg
Molārā masa	M
Vielas daudzums	ν (pliks)	kurmis(mol)	;
Daļiņu skaits	N(lv)	bezizmēra daudzums
Spiediens	lpp(peh)	Pa(paskāls)
Koncentrēšanās	n(lv)
Skaļums	V(ve)
Molekulas translācijas kustības vidējā kinētiskā enerģija		Dž(džouls)
Temperatūra pēc Celsija	t	°C
Kelvina temperatūra	T	UZ(kelvins)
Molekulu vidējais kvadrātiskais ātrums
Virsmas spraigums	σ (sigma)
Absolūtais mitrums	ρ (ro)
Relatīvais mitrums	φ (fi)	%
Iekšējā enerģija	U(y)	Dž(džouls)
Darbs	A(A)	Dž(džouls)
Siltuma daudzums	J(ku)	Dž(džouls)

Mērķis: iepazīties ar siltumdzinējiem, kas tiek izmantoti mūsdienu pasaulē.

Darba gaitā mēs centāmies atbildēt uz šādiem jautājumiem:

• 
  Kas ir siltumdzinējs?
• 
  Kāds ir tā darbības princips?
• 
  Siltuma dzinēja efektivitāte?
• 
  Kādi siltumdzinēju veidi pastāv?
• 
  Kur tās izmanto?

Termiskais dzinējs.

Iekšējās enerģijas rezerves zemes garozā un okeānos var uzskatīt par praktiski neierobežotām. Bet ar enerģijas rezervēm nepietiek. Ir jāprot izmantot enerģiju, lai iedarbinātu darbgaldus rūpnīcās un rūpnīcās, transportlīdzekļus, traktorus un citas mašīnas, rotētu elektriskās strāvas ģeneratoru rotorus utt.. Cilvēcei ir vajadzīgi dzinēji - ierīces, kas spēj veikt darbu. Lielākā daļa dzinēju uz Zemes ir siltumdzinēji.

Vienkāršākajā eksperimentā, kas sastāv no ūdens ieliešanas mēģenē un uzkarsēšanas līdz vārīšanās temperatūrai (mēģene sākotnēji ir aizvērta ar aizbāzni), aizbāznis zem iegūtā tvaika spiediena paceļas uz augšu un izlec ārā. Citiem vārdiem sakot, degvielas enerģija tiek pārvērsta tvaika iekšējā enerģijā, un tvaiks, izplešoties, darbojas, izsitot kontaktdakšu. Tātad iekšējā enerģija tvaiks tiek pārvērsts kontaktdakšas kinētiskajā enerģijā.

Ja mēģeni nomaina ar spēcīgu metāla cilindru, bet aizbāzni ar virzuli, kas cieši pieguļ cilindra sieniņām un brīvi pārvietojas pa tām, tad iegūsit vienkāršāko siltuma dzinēju.

Siltumdzinēji ir mašīnas, kurās degvielas iekšējā enerģija tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā.

Siltumdzinēju darbības principi.

Lai dzinējs darbotos, abās dzinēja virzuļa vai turbīnas lāpstiņu pusēs ir jābūt spiediena starpībai. Visos siltumdzinējos šī spiediena starpība tiek panākta, paaugstinot darba šķidruma temperatūru par simtiem vai tūkstošiem grādu salīdzinājumā ar temperatūru vidi. Šis temperatūras pieaugums notiek, degot degvielai.

Visu siltumdzinēju darba šķidrums ir gāze, kas darbojas izplešanās laikā. Darba šķidruma (gāzes) sākotnējo temperatūru apzīmēsim ar T 1 . Šo temperatūru tvaika turbīnās vai iekārtās panāk ar tvaiku tvaika katlā.

Iekšdedzes dzinējos un gāzes turbīnās temperatūras paaugstināšanās notiek, degvielai sadegot pašā dzinējā. Temperatūra T 1 sauc par sildītāja temperatūru.

Darba gaitā gāze zaudē enerģiju un neizbēgami atdziest līdz noteiktai temperatūrai T2. Šī temperatūra nevar būt zemāka par apkārtējās vides temperatūru, jo pretējā gadījumā gāzes spiediens kļūs mazāks par atmosfēras temperatūru un dzinējs nespēs strādāt. Parasti temperatūra T2 ir nedaudz augstāka par apkārtējās vides temperatūru. To sauc par ledusskapja temperatūru. Ledusskapis ir atmosfēra vai īpašas ierīces atkritumu tvaika dzesēšanai un kondensēšanai - kondensatori. IN pēdējais gadījums Ledusskapja temperatūra var būt zemāka par atmosfēras temperatūru.

Tādējādi dzinējā darba šķidrums izplešanās laikā nevar atdot visu savu iekšējo enerģiju, lai veiktu darbu. Daļa siltuma neizbēgami tiek pārnesta uz ledusskapi (atmosfēru) kopā ar tvaiku vai izplūdes gāzēm no iekšdedzes dzinējiem un gāzes turbīnām. Šī iekšējās enerģijas daļa tiek zaudēta.

Siltumdzinējs darbojas, izmantojot darba šķidruma iekšējo enerģiju. Turklāt šajā procesā siltums tiek pārnests no karstākiem ķermeņiem (uzsilst) uz aukstākiem (ledusskapi).

P
Shematiskā diagramma ir parādīta attēlā.

Siltumdzinēja veiktspējas (efektivitātes) koeficients.

Neiespējamība pilnībā pārvērst gāzes iekšējo enerģiju siltumdzinēju darbā ir saistīta ar procesu neatgriezeniskumu dabā. Ja siltumu varētu spontāni atgriezt no ledusskapja uz sildītāju, tad iekšējo enerģiju varētu pilnībā pārvērst lietderīgā darbā jebkurš siltumdzinējs.

Siltumdzinēja lietderības koeficients η ir dzinēja veiktā lietderīgā darba A p procentuālā attiecība pret siltuma daudzumu Q 1, kas saņemts no sildītāja.

Formula:

Tā kā visi dzinēji nodod kādu siltuma daudzumu ledusskapī, tad η

Maksimālā efektivitātes vērtība

Z Termodinamikas likumi ļauj aprēķināt siltumdzinēja maksimālo iespējamo efektivitāti. Pirmo reizi to izdarīja franču inženieris un zinātnieks Sadi Carnot (1796-1832) savā darbā “Pārdomas par uguns dzinējspēku un mašīnām, kas spēj attīstīt šo spēku” (1824).

UZ
Arno izdomāja ideālu siltumdzinēju ar ideālu gāzi kā darba šķidrumu. Viņš ieguva šādu šīs mašīnas efektivitātes vērtību:

T 1 – sildītāja temperatūra

T 2 – ledusskapja temperatūra

Šīs formulas galvenā nozīme ir tāda, ka, kā pierādīja Kārno, jebkura reāls siltumdzinējs, kas darbojas ar sildītāju ar temperatūru T 1 , un ledusskapis ar temperatūru T 2 , efektivitāte nevar pārsniegt ideāla siltuma dzinēja efektivitāti.

Formula dod teorētisko robežu siltumdzinēju maksimālās efektivitātes vērtībai. Tas parāda, ka jo augstāka ir sildītāja un zemāka ledusskapja temperatūra, jo efektīvāks ir siltuma dzinējs.

Bet ledusskapja temperatūra nedrīkst būt zemāka par apkārtējās vides temperatūru. Jūs varat paaugstināt sildītāja temperatūru. Tomēr jebkuram materiālam (cietam korpusam) ir ierobežota karstumizturība vai karstumizturība. Sildot, tas pamazām zaudē savas elastīgās īpašības, un pietiekami augstā temperatūrā kūst.

Tagad galvenie inženieru centieni ir vērsti uz dzinēju efektivitātes paaugstināšanu, samazinot to detaļu berzi, degvielas zudumus nepilnīgas sadegšanas dēļ utt. Reālas iespējas palielināt efektivitāti šeit joprojām ir lielas.

Iekšdedzes dzinējs

Iekšdedzes dzinējs ir siltuma dzinējs, kas kā darba šķidrumu izmanto gāzes augsta temperatūra, kas veidojas šķidrās vai gāzveida degvielas sadegšanas laikā tieši virzuļdzinēja kamerā.

Četrtaktu automobiļa dzinēja uzbūve.

• 
  cilindrs,
• 
  sadegšanas kamera,
• 
  virzulis,
• 
  ieplūdes vārsts;
• 
  izplūdes vārsts,
• 
  svece;
• 
  savienojošais stienis;
• 
  spararata.

Daža informācija par dzinējiem	Dzinēja tips
	Karburators	Dīzelis
Darba šķidrums	Ar benzīna tvaikiem piesātināts gaiss	Gaiss
Degviela	Benzīns	Mazuts, eļļa
Maksimālais spiediens kamerā	610 5 Pa	1,510 6 - 3,510 6 Pa
Darba šķidruma saspiešanas laikā sasniegtā temperatūra	360-400 ºС	500-700 ºС
Degvielas sadegšanas produktu temperatūra	1800 ºС	1900 ºС
Efektivitāte: sērijveida iekārtām labākajiem paraugiem

Dzinēja darbība

1 bārs- "iesūkšanas" virzulis virzās uz leju, degkamerā caur ieplūdes vārstu tiek iesūkts degošs benzīna tvaiku un gaisa maisījums. Gājiena beigās iesūkšanas vārsts aizveras;

2 pasākums- "saspiešana" - virzulis paceļas uz augšu, saspiežot degošo maisījumu. Sitiena beigās svecē ielec dzirkstele un degmaisījums aizdegas;

3 pasākums- “spēka gājiens” - gāzveida sadegšanas produkti sasniedz augstu temperatūru un spiedienu, ar lielu spēku nospiež virzuli, kas iet uz leju, un ar klaņa un kloķa palīdzību liek kloķvārpstai griezties;

4 pasākums- “izplūdes gāze” - virzulis paceļas uz augšu un caur izplūdes vārstu izspiež izplūdes gāzes atmosfērā. Izdalīto gāzu temperatūra 500 0

IN Automašīnās visbiežāk tiek izmantoti četru cilindru dzinēji. Cilindru darbība ir saskaņota tā, ka katrā no tiem pēc kārtas notiek darba gājiens un kloķvārpsta vienmēr saņem enerģiju no kāda no virzuļiem. Ir pieejami arī astoņu cilindru dzinēji. Daudzcilindru dzinēji nodrošina labāku vārpstas rotācijas vienmērīgumu un lielāku jaudu.

Karburatora dzinēji tiek izmantoti vieglajās automašīnās ar salīdzinoši mazu jaudu. Dīzelis - smagākos, lieljaudas transportlīdzekļos (traktori, kravas traktori, dīzeļlokomotīves),
uz dažāda veida kuģiem.

Tvaika turbīna

5– vārpsta, 4 – disks, 3 – tvaiks, 2 – asmeņi,

1 – lāpstiņas.

P Tvaika turbīna ir galvenā tvaika spēkstacijas daļa. Tvaika elektrostacijā pārkarsēti ūdens tvaiki ar temperatūru aptuveni 300-500 0 C un spiedienu 17-23 MPa no katla iziet tvaika līnijā. Tvaiks virza tvaika turbīnas rotoru, kas darbina elektriskā ģeneratora rotoru, radot elektriskā strāva. Atkritumu tvaiki nonāk kondensatorā, kur tiek sašķidrināti, iegūtais ūdens ar sūkņa palīdzību tiek ievadīts tvaika katlā un tiek pārvērsts atpakaļ tvaikā.

Izsmidzinātais šķidrais vai cietais kurināmais sadeg kurtuvē, sildot katlu.

Turbīnas struktūra

• 
  Bungas ar sprauslu sistēmu - īpašas konfigurācijas izplešanās caurules;
• 
  rotors - rotējošs disks ar asmeņu sistēmu.

Darbības princips

Tvaika strūklas, ar milzīgs ātrums(600-800 m/s), kas izplūst no sprauslām, tiek novirzītas uz turbīnas rotora lāpstiņām, izdarot uz tām spiedienu un izraisot rotora griešanos lielā ātrumā (50 apgr./s). Tvaika iekšējā enerģija tiek pārveidota par turbīnas rotora rotācijas mehānisko enerģiju. Tvaiks, kas izplešas, izejot no sprauslas, darbojas un atdziest. Izplūdes tvaiki iziet tvaika līnijā, tā temperatūra šajā brīdī kļūst nedaudz virs 100 ° C, pēc tam tvaiks nonāk kondensatorā, kura spiediens ir vairākas reizes mazāks par atmosfēras spiedienu. Kondensatoru atdzesē ar aukstu ūdeni.

Pirmo tvaika turbīnu, kas atrada praktisku pielietojumu, izgatavoja G. Lavals 1889. gadā.

Izmantotais kurināmais: cietais - ogles, slāneklis, kūdra; šķidrums - eļļa, mazuts. Dabasgāze.

Turbīnas tiek uzstādītas termoelektrostacijās un atomelektrostacijās. Tie saražo vairāk nekā 80% elektroenerģijas. Uz lieliem kuģiem tiek uzstādītas jaudīgas tvaika turbīnas.

Gāzes turbīna

Šīs turbīnas svarīga priekšrocība ir vienkāršota gāzes iekšējās enerģijas pārvēršana vārpstas rotācijas kustībā.

Darbības princips

Gāzes turbīnas sadegšanas kamerā ar kompresoru tiek ievadīts saspiests gaiss aptuveni 200°C temperatūrā un zem augsta spiediena tiek iesmidzināta šķidrā degviela (petroleja, mazuts). Degvielas sadegšanas laikā gaiss un sadegšanas produkti tiek uzkarsēti līdz 1500-2200°C temperatūrai. Gāze, kas pārvietojas lielā ātrumā, tiek novirzīta uz turbīnas lāpstiņām. Pārejot no viena turbīnas rotora uz otru, gāze atdod savu iekšējo enerģiju, liekot rotoram griezties.

Kad gāze tiek izvadīta no gāzes turbīnas, tās temperatūra ir 400-500 0 C.

Iegūtā mehāniskā enerģija tiek izmantota, piemēram, lidmašīnas propellera vai elektriskā ģeneratora rotoru rotēšanai.

Gāzes turbīnas ir dzinēji ar lielu jaudu, tāpēc tos izmanto aviācijā

Reaktīvie dzinēji

Darbības princips

Degkamerā deg raķešu degviela (piemēram, pulvera lādiņš), un radušās gāzes ar lielu spēku spiež kameras sienas. Vienā kameras pusē ir uzgalis, caur kuru sadegšanas produkti izplūst apkārtējā telpā. No otras puses, izplešanās gāzes rada spiedienu uz raķeti, piemēram, virzuli, un virza to uz priekšu.

P Riekstu raķetes ir cietā kurināmā dzinēji. Tie vienmēr ir gatavi darbam, viegli iedarbināmi, taču šādu dzinēju nav iespējams apturēt vai vadīt.

Šķidruma raķešu dzinēji, kuru degvielas padevi var regulēt, ir daudz uzticamāki kontrolēt.

1903. gadā K. E. Ciolkovskis ierosināja šādas raķetes dizainu.

Kosmosa raķetēs izmanto reaktīvos dzinējus. Milzīgas lidmašīnas ir aprīkotas ar turboreaktīvo un reaktīvo dzinēju.

Izmantotie resursi

• 
  Fizika. Skolēnu rokasgrāmata. Zinātniskā attīstība un T. Feščenko, V. Vožegovas apkopojums: M.: Filoloģijas biedrība “Slovo”, Uzņēmums “Klyuch-S”, 1995.g. – 576 lpp.
• 
  G.Ya. Mjakiševs, B.B. Bukhovcevs. Fizika: mācību grāmata. 10. klasei vid. skola – 2. izd. – M.: Izglītība, 1992. – 222 lpp.: ill.
• 
  VIŅŠ. Baranova. Krievu Izglītības izglītības centra padziļināto kursu studenta noslēguma darbs programmā “Interneta tehnoloģijas priekšmetu skolotājiem”. Prezentācija “Siltumdzinēji”, 2005.g
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - dzinēju modeļi un animēti attēli
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Pedagoģisko ideju festivāls “Atvērtā stunda 2004-2005” L.V. Samoilova

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Fizika 7-8-9 Grāmata skolotājam A.A. Fadejeva, A.V. Skrūve

Šīs nodarbības tēma būs ļoti konkrētos, nevis abstraktos, kā iepriekšējās nodarbībās notiekošo procesu aplūkošana ierīcēs - siltumdzinējos. Mēs definēsim šādas mašīnas, aprakstīsim to galvenās sastāvdaļas un darbības principu. Arī šīs nodarbības laikā aplūkosim jautājumu par lietderības atrašanu - siltumdzinēju lietderības koeficientu, gan reālo, gan maksimāli iespējamo.

Tēma: Termodinamikas pamati
Nodarbība: Kā darbojas siltumdzinējs

Pēdējās nodarbības tēma bija pirmais termodinamikas likums, kas precizēja saistību starp noteiktu siltuma daudzumu, kas tika nodots kādai gāzes daļai, un šīs gāzes veikto darbu izplešanās laikā. Un tagad ir pienācis laiks teikt, ka šī formula interesē ne tikai dažus teorētiskus aprēķinus, bet arī diezgan praktisku pielietojumu, jo gāzes darbs nav nekas vairāk kā lietderīgs darbs, ko mēs iegūstam, izmantojot siltumdzinējus.

Definīcija. Siltuma dzinējs- ierīce, kurā degvielas iekšējā enerģija tiek pārvērsta mehāniskā darbā (1. att.).

Rīsi. 1. Dažādi piemēri siltumdzinēji (), ()

Kā redzams attēlā, siltumdzinēji ir jebkura ierīce, kas darbojas pēc iepriekš minētā principa, un to dizains ir no neticami vienkāršas līdz ļoti sarežģītai.

Bez izņēmuma visi siltumdzinēji funkcionāli ir sadalīti trīs komponentos (skat. 2. att.):

• Sildītājs
• Darba šķidrums
• Ledusskapis

Rīsi. 2. Siltumdzinēja funkcionālā diagramma ()

Sildītājs ir degvielas sadegšanas process, kas, sadedzinot, tiek pārraidīts liels skaits siltumu gāzei, uzkarsējot to līdz augstām temperatūrām. Karstā gāze, kas ir darba šķidrums, izplešas, palielinoties temperatūrai un līdz ar to arī spiedienam, veicot darbu. Protams, tā kā vienmēr notiek siltuma pārnese ar dzinēja korpusu, apkārtējo gaisu utt., tad darbs skaitliski nebūs vienāds ar nodoto siltumu - daļa enerģijas nonāk ledusskapī, kas, kā likums, ir vide .

Vienkāršākais veids, kā iedomāties procesu, kas notiek vienkāršā cilindrā zem kustīga virzuļa (piemēram, iekšdedzes dzinēja cilindrā). Protams, lai dzinējs darbotos un būtu jēga, procesam jānotiek cikliski, nevis vienreizēji. Tas ir, pēc katras izplešanās gāzei jāatgriežas sākotnējā stāvoklī (3. att.).

Rīsi. 3. Siltumdzinēja cikliskās darbības piemērs ()

Lai gāze atgrieztos sākotnējā stāvoklī, ar to ir jāveic daži darbi (darbs ārējie spēki). Un tā kā gāzes darbs ir vienāds ar darbu pie gāzes ar pretējo zīmi, lai gāze veiktu kopējo pozitīvu darbu visā ciklā (pretējā gadījumā motoram nebūtu jēgas), ir nepieciešams ka ārējo spēku darbs ir mazāks par gāzes darbu. Tas ir, cikliskā procesa grafiks iekšā P-V koordinātas vajadzētu izskatīties šādi: slēgta cilpa ar apvedceļu pulksteņrādītāja virzienā. Pie šī nosacījuma gāzes veiktais darbs (grafikas sadaļā, kur palielinās tilpums) ir lielāks nekā darbs pie gāzes (sadaļā, kur tilpums samazinās) (4. att.).

Rīsi. 4. Siltumdzinējā notiekoša procesa grafika piemērs

Tā kā mēs runājam par noteiktu mehānismu, ir obligāti jāpasaka, kāda ir tā efektivitāte.

Definīcija. Siltumdzinēja efektivitāte (veiktspējas koeficients).- darba šķidruma veiktā lietderīgā darba attiecība pret siltuma daudzumu, kas no sildītāja tiek nodots ķermenim.

Ja ņemam vērā enerģijas saglabāšanu: enerģija, kas iziet no sildītāja, nekur nepazūd - daļa tiek noņemta darba veidā, pārējais nonāk ledusskapī:

Mēs iegūstam:

Šī ir efektivitātes izteiksme daļās, ja jums ir nepieciešams iegūt lietderības vērtību procentos, iegūtais skaitlis jāreizina ar 100. Efektivitāte SI mērīšanas sistēmā ir bezdimensiju lielums, un, kā redzams no formulas, to nevar; jābūt vairāk nekā vienam (vai 100).

Jāsaka arī, ka šo izteicienu sauc par reālo efektivitāti vai reāla siltumdzinēja (siltuma dzinēja) efektivitāti. Ja pieņemsim, ka mums kaut kā izdosies pilnībā atbrīvoties no dzinēja konstrukcijas nepilnībām, tad iegūsim ideālu dzinēju, kura efektivitāte tiks aprēķināta, izmantojot ideāla siltumdzinēja efektivitātes formulu. Šo formulu ieguva franču inženieris Sadi Carnot (5. att.):