Плюсы и минусы использования тепловых двигателей

Плюсы и минусы использования тепловых двигателей

Сложно себе представить современный мир без достижений науки и техники. Прогресс достиг небывалых высот. Особое место в развитии человечества занимает создание теплового двигателя. Вместе с ним человечество вошло в новую эпоху, в эпоху машин и электричества. Зародившись еще в XVIII веке, он и по сей день имеет огромное значение для нас.

Конечно, за это время наука шагнула вперед. Были изобретены новые разновидности двигателей, усовершенствованы старые, но основные принципы, применяющиеся в конструкции, остались неизменными. Существует множество разновидностей тепловых машин. Несмотря на это, можно выделить общие особенности работы, характерные для всех типов.

Движение создается за счет нагревание газов или жидкостей, что приводит к изменению их объема. Расширяясь или сужаясь, продукты теплового воздействия осуществляют давление на поршень или турбину, которые таким образом приводятся в движение.

Разновидностей тепловых двигателей

Двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стерлинга. Основной принцип заключается в процессе нагревания и охлаждения вещества в замкнутом пространстве при помощи внешних источников тепла.
2. Паровые машины. Используется сила давления пара, образующегося при нагревании воды. При этом камера для сгорания топлива находится отдельно от рабочей камеры.

Двигатели внутреннего сгорания:

1. Поршневой. Способом получения механической энергии является процесс сгорания топлива внутри рабочей камеры. В результате этого приводятся в движение поршни. Основное место применения – современные автомобили.
2. Роторный. В отличие от поршневого двигателя воздействие оказывается на ротор. Применяется в конструкции электростанций, а также в некоторых автомобилях.
3. Реактивный двигатель. Используется принцип тяги, возникающий при выбросе отработанных газов в процессе сгорания топлива. Применяется в ракетостроении.

Тепловые двигатели имеют как преимущества, так и недостатки.

Преимущества использования тепловых двигателей

• Простота. Работа тепловых механизмов основана на простых и понятных принципах. Используются физические явления, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни: процессы охлаждения и нагревания жидкостей, газов, что приводит к уменьшению или увеличению их объема. Как известно, чем проще механизм, тем он надежней, и, что немаловажно, его легче ремонтировать.
• Автономность. Одним из наиважнейших преимуществ является автономность. При помощи транспортных средств человек может не ограничивать себя в передвижении. Это возможно благодаря тому, что двигатель может быть установлен на любой платформе. Он самодостаточен и не требует постоянной связи с какими-либо дополнительными источниками энергии.
• Эффективность. На сегодняшний день это одна из самых эффективных разновидностей двигателей. Поэтому применение очень обширно: начиная с газонокосилки или бензопилы, и заканчивая современными автомобилями, электростанциями, космическими ракетами.
• Источник энергии. Тепловые машины используются в качестве источника электроэнергии. Это могут быть как маленькие генераторы, обеспечивающие электричеством отдельно взятый дом, так и большие электростанции, которые снабжают целые города. Поэтому можно сказать, что другие типы двигателей, например электродвигатели, в какой-то степени зависят от тепловых.
• Компактность. Благодаря высокой эффективности тепловые двигатели, при относительно небольших габаритах, обладают хорошими характеристиками. Это также послужило причиной их широкого распространения во всех сферах человеческой жизни.

Недостатки тепловых двигателей

Помимо плюсов тепловые машины имеют и недостатки.

Низкий КПД

Конструкция двигателей такого типа предполагает использование внутренней энергии топлива. Часть этой энергии переходит в механическое действие, то есть совершает полезную работу. Но большая часть расходуется впустую.

Отношение энергии потраченной в пустую к энергии совершающей полезную работу и называют коэффициентом полезного действия.

Это приводит к тому, что топливо не может расходоваться максимально эффективно.

Загрязнение окружающей среды

Одним из самых больших недостатков в настоящее время является загрязнение окружающей среды. В процессе горения выделяются вредные вещества: азот, сера. Вместе с ними в атмосферу попадают и другие вредные вещества, а также металлы, которые добавляются в топливо, чтобы улучшить его качество.

Стоит обратить внимание и на то, что происходит выделение большого количества тепла. Это сильно влияет на изменение климата планеты. Такие изменения принято называть глобальным потеплением. К сожалению, глобальное потепление может грозить тяжелыми последствиями для экологии.

Немаловажно и то, что для своего функционирования двигатели поглощают большие объемы кислорода, взамен возвращая углекислый газ.

Если учесть, насколько тепловые машины распространены в мире, становится понятно как велико их негативное влияние на глобальную экологическую обстановку.

Для сохранения экологии начинают приниматься меры по ограничению применения тепловых двигателей. Например, в некоторых странах ограничивается использование автомобилей на определенных территориях. Ужесточаются требования к уровню экологического загрязнения теми или иными двигателями.

Вывод

В наши дни огромные усилия тратятся на то, чтобы улучшить положительные моменты и уменьшить негативное влияние тепловых машин. Несмотря на несовершенство конструкции, они по сей день остаются незаменимыми для нас, и останутся такими еще на долгое время.

Тепловые двигатели. 8-й класс

Разделы: Физика

Класс: 8

Цель урока: изучение устройства, принципа действия и назначения тепловых машин на примере двигателя внутреннего сгорания.

Задачи:

• Образовательные:
  • выявить возможность превращения внутренней энергии в механическую в процессе решения поставленной ситуации;
  • дать определение теплового двигателя;
  • выяснить принцип действия теплового двигателя;
  • познакомиться с устройством теплового двигателя;
  • выяснить назначение теплового двигателя.
• Развивающие:
  • развитие логического мышления; умения анализировать, сравнивать, систематизировать информацию;
• Воспитательные:
  • способствовать формированию культуры умственного труда;
  • формировать ответственность в выполнении учебной задачи.

Предметные результаты: понимание физических основ устройства и принципа действия теплового двигателя.

Метапредметные результаты: анализ учебного текстового материала; составление схемы теплового двигателя.

Личностные результаты: представление о роли теплового двигателя в жизни человека, понимание важности охраны окружающей среды.

Оборудование: компьютер, интерактивная доска, мультимедийный проектор, Приложение 1 (презентация в программе Power Point), Приложение 2 (флеш-анимации в программе Smart notebook), модель теплового двигателя.

1. Организационный момент

Взаимодействуют с учителем

2. Актуализация темы (постановка учебной проблемы)

Ситуация. Что произойдет, если нагревать пробирку с водой, плотно закрытую пробкой?
Эксперимент 1.
Постановка цели урока

Выдвигают гипотезы, включаются в диалог с учителем по формированию учебной проблемы

3. Изучение нового материала

Каким образом сконструировать машину, которая могла бы совершать полезную работу?
Эксперимент 2.
Вводится понятие теплового двигателя.
Рассматривается принцип действия и устройство теплового двигателя. Разновидности тепловых двигателей.
Вводится понятие КПД теплового двигателя. Сравниваются эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Учащиеся наблюдают, выдвигают гипотезы, делают выводы.

Работают с конспектом.

Учащиеся слушают и записывают в тетрадь

4. Первичное закрепление нового материала (решение качественных и расчетных задач)

Какие устройства называют ТД?
Можно ли огнестрельное оружие отнести к ТД?
Можно ли организм человека отнести к ТД?
КПД = 45% ? Что это значит?
Задача №1140 (Лукашик В.И.)

Отвечают на вопросы, обсуждают, доказывают.

5. Первичная проверка знаний

Выполнение компьютерного теста (на интерактивной доске)

6. Итог. Рефлексия

Что изучали на уроке?
Что вас удивило?
Что больше всего понравилось?
Какое открытие вы сегодня сделали?
Выставление оценок. Благодарность учащимся за работу.

Анализируют свою деятельность на уроке

7. Организация работы дома

1. §21-24.
2. Подготовить сообщения об истории создания ТД.
3. Экологические проблемы, связанные с применением тепловых двигателей.

Записывают домашнее задание

1. Организационный момент

2. Актуализация темы (постановка учебной проблемы).

Ситуация. Что произойдет, если нагревать пробирку с водой, плотно закрытую пробкой?
Учащиеся выдвигают гипотезы.

Эксперимент 1. Укрепляем на подставке пробирку. Наливаем в неё воды и плотно заткнём пробкой. Под пробиркой зажигаем горелку. Вода закипает и вышибает пробку. При горении выделяется теплота. Эта теплота израсходуется на повышение температуры воды в пробирке до температуры кипения воды и на её испарение. Пар давит на пробку, при этом внутренняя энергия пара превращается в механическую энергию пробки. Делаем вывод; тепловая энергия превращается в механическую энергию (Приложение 1, слайд 1). Приведите примеры ситуаций, когда внутренняя энергия переходит в механическую и наоборот.

Учитель. На этом принципе основана работа оружия. Например, пушка Архимеда. А каким образом сконструировать машину, которая могла бы совершать полезную работу, например, перевозить груз?
В ходе эвристической беседы приходим к выводу, что пробирку можно заменить цилиндром, а пробку – поршнем. Таким образом, мы приходим к понятию теплового двигателя. Вместе с учащимися формулируется цель урока – изучение машины, которая могла бы совершать полезную работу за счет внутренней энергии.

3. Изучение нового материала

Тепловым двигателем называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Учитель. Что можно сказать о длительности процесса в рассмотренном примере? (кратковременный)
Что нужно сделать, чтобы движение продолжалось? (повторять процесс перехода внутренней энергии в механическую энергию, т.е. всю систему нужно перевести в исходное состояние).

Эксперимент 2. Демонстрируется опыт или отрывок учебного фильма (создан совместно с учащимися 8 класса). При нагревании колбы в горячей воде, воздух расширяется и выталкивает воду из U – образной трубки и поплавок поднимается. Если опустить колбу в холодную воду, то воздух снова сжимается. Процесс можно повторить. Сделаем вывод: для того, чтобы вернуть систему в исходное состояние, ее необходимо охлаждать, т.е. чтобы процесс мог повториться всю систему нужно перевести в исходное состояние Рассмотренный принцип используется в тепловых двигателях (слайд 2).

Учитель. Рассмотрим принцип работы теплового двигателя на модели двигателя внутреннего сгорания. Отмечаем, что в двигателе внутреннего сгорания топливо быстро сгорает непосредственно внутри цилиндра. При этом горячие газы производят большое давление как на стенки цилиндра, так и на подвижный поршень.

Учащиеся работают в тетрадях, изображают принцип работы теплового двигателя (слайд 3). Тепловой двигатель состоит из нагревателя (устройства, где сгорает топливо), рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты (Q1). Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу (Ап) за счет своей внутренней энергии. Часть энергии (Q2) передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.
После этого с помощью интерактивной модели (Приложение 2) изучаем четыре такта ДВС (слайд 4). Подчеркивается роль рабочего хода и роль маховика в накоплении энергии для осуществления последующих ходов поршня.

1 такт – впуск. Поршень опускается вниз, при этом в камере создается разреженное пространство, в это время открывается первый клапан и в цилиндр поступает горючая смесь.
2 такт – сжатие. Клапан закрывается. Поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта горючая смесь воспламеняется от электрической искры и сгорает.
3 такт – рабочий ход. Образующиеся при сгорании газы расширяются и толкают при этом поршень. Поршень совершает работу.
4 такт – выпуск. Поршень по инерции поднимается вверх, открывается второй клапан, через который выходят отработанные газы.

В автомобилях используются 4-х цилиндровые двигатели внутреннего сгорания. Цилиндры отрегулированы так, что в них поочередно происходит рабочий ход, и вал все время получает энергию от одного из поршней.
Учащиеся работают с учебником, знакомятся с устройством теплового двигателя: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана (впуск и выпуск), свеча. 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.

Учитель. Тепловые двигатели имеют широкое применение. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. Они приводят в движение самолеты, ракеты, тепловозы, паровозы, наземный и водный транспорт. Рассматривается классификация тепловых двигателей (слайд 5). На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Учитель. Для описания тепловых процессов мы используем понятие «энергия». На данный момент, с физической точки зрения, почти все процессы изучены и поставлены на службу человеку. Сегодня мы говорим о превращениях энергии. Давайте повторим, какие превращения энергии мы сегодня уже рассматривали? Как называются машины, предназначенные для этих превращений энергии? Известно, что никогда невозможно достичь условия полного превращения или преобразования одного вида энергии в другой. Почему? Какая физическая величина определяет долю пользы от затрат в любых процессах?
Вводится понятие КПД теплового двигателя (слайд 6):

Где А_п– полезная работа, Q₁ – количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику.

Что является неотъемлемой частью любого теплового двигателя

1. Область применения паровых турбин

Во всем мире паровые турбины нашли широкое применение в качестве теплового двигателя в различных сферах деятельности человека. Паровая турбина прежде всего является основным элементом тепловой (ТЭС) и атомной (АЭС) электрических станций. В данном модуле будет рассмотрена энергетическая область применения паровых турбин. В настоящее время паровая турбина — это основной тепловой двигатель для получения электроэнергии и замены в ближайшем обозримом будущем не предвидится.

Паровая турбина является основным двигателем по преобразованию тепловой энергии в механическую на ТЭС, АЭС, СЭС, ГеоТЭС, ОТЭС, а также является неотъемлемой частью на ТЭС с ПГУ, энергоблоке с МГД-установкой.

Тепловые электрические станции с паротурбинными агрегатами (ГРЭС — государственная районная электрическая станция, ТЭЦ — теплоэлектроцентраль) являются преобладающими для нашей страны энергетическими объектами по производству электрической и тепловой энергии.

Выработка энергии на ТЭС, сжигающих органическое топливо, составляет 80% всего производства электроэнергии.

Выработка энергии на тепловых электростанциях, сжигающих органическое топливо, составляет более 80% всего производства электроэнергии.

Тепловая электрическая станция — это промышленное предприятие, сырьем для которой служит органическое топливо (газ, мазут, уголь и т.д.), а готовой продукцией — электрическая и тепловая энергии.

Отходы ТЭС, поступающие в окружающую среду, превышают массу использованного топлива при сжигании природного газа в 5 раз, а антрацита в 4 раза.

В системе энергетики России используется около 60% всего потребляемого в стране топлива.

В силу второго закона термодинамики более 50% энергии сжигаемого топлива «возвращается» природе в виде тепла слабоподогретой воды, прошедшей через конденсаторы турбин.

В комплексе экологических проблем промышленности энергетика занимает одно из главных мест.

В России работают сотни тепловых электростанций, сжигающих органическое топливо, и вносящих весомый вклад в загрязнение атмосферы и водоемов.

Однако в ближайшие годы доля ТЭС в энергобалансе страны также будет преобладающей.

Атомная энергетика от традиционной теплоэнергетики на органическом топливе отличается источником получения тепловой энергии, которым служит ядерный реактор.

Ядерный реактор — это установка, которая служит для преобразования ядерной энергии, выделяющейся при делении ядер трансурановых элементов в тепловую энергию.

Вещество, вступающее в цепную реакцию деления, называется делимым ядерным веществом. Это, прежде всего 233U, 235U, 239Рu. Материал, содержащий делимое вещество и помещенный в реактор для осуществления цепной ядерной реакции, называется ядерным топливом.

По ядерно-физическим процессам, протекающим в активной зоне реактора, реакторы разделяют на два типа:

— реакторы на тепловых нейтронах,

— реакторы на быстрых нейтронах.

Атомные электростанции (АЭС) классифицируют по числу контуров: одноконтурные, двухконтурные, трехконтурные.

В системе любой АЭС различают теплоноситель и рабочее тело.

Рабочее тело — это вещество, с помощью которого происходит преобразование тепловой энергии в механическую. Монопольное положение рабочего тела в тепловой и атомной энергетике занимает вода и водяной пар.

Назначение теплоносителя на АЭС — отводить теплоту, выделяющуюся в реакторе.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела совпадают, то АЭС называют одноконтурной. В одноконтурных АЭС все оборудование работает в радиоактивных условиях, в том числе и паротурбинная установка.

По одноконтурной схеме в России работают Ленинградская, Курская, Смоленская и Билибинская АЭС.

Если контуры теплоносителя и рабочего тела разделены, то АЭС называют двухконтурной. Контур теплоносителя называют первым, он находится под воздействием радиации. Второй контур включает в себя оборудование, работающее в отсутствии радиационной активности. Это упрощает эксплуатацию станции.

По двухконтурной схеме в России работают Нововоронежская, Балаковская, Кольская, Калининская АЭС.

Реакторы одно- и двухконтурных АЭС работают на тепловых нейтронах. У них есть ряд общих черт, а именно:

паровая турбина работает на насыщенном паре средних параметров .

Это определяет особенности конструкций и обслуживания паротурбинных установок.

В настоящее время успешно эксплуатируются и трехконтурные АЭС — на быстрых нейтронах. Первый контур — радиоактивный. Теплоносителем в нем является жидкий натрий. Третий контур паровой и нерадиоактивен. Чтобы, даже в аварийных ситуациях избежать контакта радиоактивного натрия первого контура с водой третьего контура — вводят промежуточный (второй) контур, также натриевый.

На АЭС, работающих по трехконтурной схеме, параметры пара перед турбиной практически такие же, как у обычных ТЭС на высокие параметры пара. Поэтому здесь применяются обычные турбины перегретого пара.

По трехконтурной схеме работает третий блок Белоярской АЭС.

В 1991 году на АЭС России выработано 11.5% электроэнергии.

К 1994 году планируется следующая структура выработки электроэнергии:

Атомная энергетика имеет ряд преимуществ перед традиционной тепловой на органическом топливе:

1. Себестоимость выработанной на АЭС электроэнергии меньше, чем на ТЭС.

2. Увеличение доли АЭС в энергетическом балансе страны позволяет высвободить органическое топливо и использовать его как сырье для различных отраслей промышленности, в частности химической.

3. Высокая экологическая чистота производства электроэнергии. На АЭС нет выбросов в атмосферу радия, урана, тория, содержащихся в золовой пыли, а также окислов азота, серы и углерода. Нет расходования кислорода воздуха на обеспечение процесса «горения» топлива.

Естественно, атомная энергетика имеет и ряд проблем. Назовем основные:

1. Обеспечение высокой надежности и безопасности эксплуатации АЭС.

2. Консервация отслужившего свой срок реакторного оборудования, обладающего длительное время остаточной радиоактивностью.

Гелиостаты (зеркальные модули) отслеживают положение Солнца и отражают его лучи на коллектор солнечного излучения (парогенератор). Солнечное излучение фокусируется и нагревает теплоноситель.

При высокоточной ориентации гелиостатов на Солнце (в пределах 1°) температура достигает 600°. Это позволяет получать в коллекторе высокоперегретый пар.

Дальнейшее преобразование энергии происходит по схеме, используемой на обычной ТЭС.

Потенциальные возможности солнечной энергетики чрезвычайно велики.

Однако, даже при наилучших атмосферных условиях (южные широты, чистое небо) плотность потока солнечного излучения в среднем в течение года составляет не более 250 Вт/кв.м.

Поэтому, чтобы коллекторы собирали достаточное количество энергии, гелиостаты должны занимать огромные площади.

Кроме того, солнечная энергетика относится к наиболее материалоемким видам производства энергии. Так, например, согласно расчетам изготовление зеркальных модулей площадью 1 кв. км требует приблизительно 10000 тонн алюминия.

Поэтому, широко бытующее утверждение об экологической «чистоте» солнечной энергетики является заблуждением.

В процессе добычи огромного количества сырья, его переработки и других операций будет происходить существенное загрязнение окружающей среды токсичными соединениями отходов перерабатывающей промышленности.

В Крыму, в 1985 году пущена опытная солнечная электростанция (СЭС-5) мощностью 5 МВт.

Рассматриваются проекты СЭС мощностью 200-300 Мвт. Однако затраты на них превышают во много раз затраты на строительство ТЭС на традиционных видах топлива.

Поэтому во всем мире пока приняты решения не сооружать новых СЭС такого типа.

Геотермальная теплота обязана своим происхождением горячей магме, которая проникает из недр Земли и подходит близко к поверхности. Магма нагревает вышележащую пористую (водоносную) породу.

В большинстве районов мира на геотермальных станциях из недр поступает не чистый пар, а смесь пара, горячей воды и большого количества растворенных химических веществ — в сущности, горячий рассол. Кроме того, извлекаемая из недр Земли среда богато насыщена различными газами.

При эксплуатации геотермальных станций возникает ряд трудностей технического и экономического характера.

Например, что делать с высокоминерализованным рассолом, содержащим, как правило, исключительно агрессивные вещества (щелочные металлы, соединения ртути и т.д.). Переработка их экономически невыгодна, а сброс рассола без переработки представляет серьезную опасность для окружающей среды.

Основная причина, по которой ГеоТЭС не нашли широкого применения — это

экономическая. Из этих соображений геотермальное тепло должно залегать не глубже 2,5 км, в противном случае экономические затраты на бурение скважин и их обслуживание не оправдываются.

В России ГеоТЭС мощностью 11 Мвт работает с 1967 г. на Камчатке (Паужетская). Проектируется еще несколько ГеоТЭС.

Принцип действия достаточно прост. Теплая вода с поверхности океана при помощи насоса подается в испаритель, содержащий жидкое рабочее тело, которое нагревается и закипает при низкой температуре. Образовавшиеся пары, например фреона или аммиака, проходят через турбину, вращающую электрогенератор. Конденсатор охлаждается водой, подаваемой с глубины 500-1000 м.

Существующие океанические ТЭС не могут конкурировать с обычными ТЭС на органическом или ядерном топливе, т.к. их мощность не превышает на настоящее время 10-100 Квт.

Дело в том, что тепловая энергия Мирового океана низкопотенциальна, температура воды невысока. Стоимость ОТЭС и стоимость вырабатываемой энергии больше, чем ТЭС и АЭС.

Опытные ОТЭС мощностью 10-100 КВт уже созданы в США и Японии. В США и Японии есть ряд проектов ОТЭС мощностью 10-400 Мвт. В России создается действующая модель ОТЭС для нужд труднодоступных районов Крайнего Севера.

В парогазовых установках в качестве рабочего тела газовой турбины являются продукты сгорания топлива в камере сгорания. После газовой турбины продукты сгорания поступают в парогенератор для получения водяного пара.

Рабочим телом паротурбинной части ТЭС с ПГУ является вода и водяной пар.

Использование ПГУ улучшает экономичность тепловой электростанции и значительно снижает капитальные затраты на их строительство.

ПГУ получили широкое применение в США, Японии, Германии, Франции.

В России ТЭС с ПГУ успешно эксплуатируется в Невинномысске (Невинномысская ТЭС).

В настоящее время интерес к ТЭС с ПГУ повысился и в ближайшие годы следует ожидать строительства ряда таких ТЭС.

Энергоблок с МГД-установкой

Пылеугольное топливо или природный газ поступает в камеру сгорания.

Воздух (окислитель) подается компрессором (Р=10 ата), предварительно подогреваясь (до 2030°) отходящими газами МГД-установки.

В камере сгорания температура газов достигает 2930-3030°. С этой температурой газы поступают в МГД-канал. Для получения достаточно высоких значений электропроводимости в газы добавляют ионизирующие присадки.

В МГД-генераторе происходит прямое преобразование тепловой энергии ионизированного потока газа в электроэнергию. В МГД-генераторе газы расширяются до атмосферного давления со снижением температуры до 2400°. Высокотемпературный газ после МГД-установки используется как в обычной ТЭС с паротурбинной установкой.

Однако, если бы на практике казалось все так просто, то МГД-генераторы бесспорно использовались во всем мире уже сегодня.

Главное, как показали первые опытные испытания, предстоит много сделать в области разработки новых материалов. Используемые конструкционные материалы не позволяют рассчитывать на необходимые температуры газа. А при пониженных температурах электропроводность газа, даже при наличии ионизирующих присадок, слишком низка. Это делает эксплуатацию МГД-установки невыгодной.

К настоящему времени построено несколько экспериментальных установок (мощностью 50-200 МВт), на которых ведутся научные исследования.

Второй Закон Термодинамики. Тепловой Двигатель

Второй Закон Термодинамики. Тепловой Двигатель

Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений. Английский физик У. Томсон в 1851 г. сформулировал закон: в природе невозможен процесс, единственным результатом которого была бы механическая работа, полученная за счет охлаждения теплового резервуара . Эта формулировка показывает, что взаимное превращение тепла и работы неравноценно: работу можно полностью «превратить» в тепло (путем трения, нагрева электрическим током и другими способами), а тепло полностью превратить в работу нельзя.

Чуть раньше У. Томсона формулировку второго закона в 1850 г. дал немецкий физик Р. Клаузиус (1822-1888): «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Эта формулировка подчеркивает односторонность реальных процессов.

Р. Клаузиус решил вопрос о направлении самопроизвольных процессов в 1865 г., когда ввел новую функцию — энтропию , установив ее важнейшую особенность: в нетеп-лоизолированных системах самопроизвольно процессы идут в сторону увеличения энтропии; в состоянии теплового равновесия энтропия достигает максимума. Эта функция является мерой беспорядка в системе. Таким образом, самопроизвольные процессы идут в сторону увеличения беспорядка.

Необратимые процессы — процессы, которые могут самопроизвольно протекать только в одном направлении. Систему, в которой происходят необратимые процессы, нельзя вернуть в исходное состояние без того, чтобы в окружающей среде не осталось каких-либо изменений.

Тепловой двигатель — устройство, в котором осуществляется преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель содержит три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Общая блок-схема теплового двигателя представлена на рис. 32. Чаще всего рабочими телами, совершающими работу в тепловых двигателях, являются газ или пар.

За один цикл работы рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q 1 . Расширяясь, оно совершает работу А` и часть количества теплоты Q 2 передает холодильнику: Q 1 = А` + Q 2 .

Охладителем у большинства тепловых двигателей является окружающая среда (атмосфера).

Тепло, полученное от нагревателя, рабочее тело не может полностью превратить в механическую энергию путем совершения работы. Если бы Q 1 = А`, то тогда температура рабочего тела упала до О К, а это, как говорилось выше, невозможно. Если бы температура рабочего тела оказалась ниже температуры окружающей среды, то давление газа (пара) было бы меньше атмосферного и двигатель не смог бы совершать работу.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один цикл, к количеству теплоты Q 1 , полученной от нагревателя:

Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником, имеющим температуру Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины, определяемый соотношением :

Из этой формулы следует, что чем больше разность температур нагревателя и холодильника (т. е. чем дальше в координатах Р-V отстоят друг от друга изотермы), тем больше n мах . Но КПД всегда меньше 1 ( n нах 2 > О.

Тепловые Двигатели и Охрана Природы

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду заключается в следующем:

1. Выделение в окружающую среду большого количества тепла, которое должно привести к постепенному повышению температуры на Земле.
2. Работа тепловых двигателей сопровождается сжиганием большого количества угля, нефти и газа. Углекислый газ в атмосфере наряду с парами воды приводит к «парниковому эффекту», что ведет к увеличению температуры Земли.
3. Топки электростанций, двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, окиси углерода и др.
4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.
5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).