можно ли внутреннюю энергию рабочего тела полностью превратить в механическую энергию
Превращение внутренней энергии в механическую
Всего получено оценок: 273.
Всего получено оценок: 273.
Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц, составляющих данное тело. Наличие запаса энергии означает, что данное тело может совершить работу. Под работой обычно понимаются полезные для человека механические операции: перемещение грузов, вращение колес или турбин и т.д., то есть такие действия, в которых затрачивается механическая энергия. Разберемся каким образом может происходить превращение внутренней энергии в механическую.
Первый закон термодинамики
Изменение внутренней энергии тела ΔU, в результате совершенной им работы A, подчиняется первому закону термодинамики:
где Q — количество теплоты, переданное телу. Появление теплоты Q в этом уравнении связано с тем, что в качестве веществ, которые используются для превращения их внутренней энергии в механическую, обычно используются газы или водяной пар (газообразное состояния воды).
Рис. 1. Превращение внутренней энергии в механическую.
Первый закон термодинамики, представленный в виде формулы (1), есть не что иное, как частный случай общего закона сохранения энергии, который гласит, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую или переходит от одного тела к другому.
Тепловые машины
В данном разделе термин “машина” используется в смысле “двигатель”, то есть устройство, выполняющее работу за счет тепловой энергии. Пар в качестве рабочего вещества (тела) применяется в паровых двигателях и паровых турбинах. Другим типом тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип современных двигателей. ДВС работают и на жидком топливе (керосин, бензин, дизтопливо), и на горючем газе, который хранится в сжатом виде металлических баллонах.
В паровых двигателях происходит нагрев пара за счет тепла выделяемого при наружном сжигании горючего топлива (дерево, уголь, мазут, газ). Пар, расширяясь приводит в движение механические детали (поршни, турбины).
В ДВС за счет впрыска топлива внутрь рабочего цилиндра образуется горючая смесь (топлива и кислорода), которая, будучи подожженная электрической искрой, “взрывается” за счет реакции окисления и мгновенно образует газовую смесь с высокой температурой и давлением, что приводит в движение поршни ДВС.
Итак, мы видим, что в обоих случаях происходит превращение внутренней энергии газовой смеси (горячего пара или продуктов горения топлива) в механическую энергию поршней и турбин двигателей.
Рис. 2. Принцип работы парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания.
Еще один вид тепловых двигателей называется реактивным. В этих двигателях происходит выброс с большой скоростью продуктов сгорания наружу через специальное сопло, в результате чего возникает реактивная тяга. Этот тип двигателей устанавливают на реактивных самолетах и ракетах, которые используют либо в военных целях, либо в гражданских — для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и за ее пределы. Понятно, что и в этом случае происходит превращение внутренней энергии топливной смеси в механическую энергию движущегося самолета или ракеты.
Рис. 3. Принцип работы реактивного двигателя.
Необходимо помнить, что максимальный коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя согласно закону Карно, не может превышать значение:
Дополнительные примеры
Можно привести дополнительные примеры превращения внутренней энергии в механическую:
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что превращение внутренней энергии в механическую происходит в тепловых двигателях за счет нагрева рабочего тела (пара или горючей смеси) и последующего расширения. Основные типы тепловых двигателей: паровые поршневые и турбинные), ДВС, реактивные.
Превращение внутренней энергии в механическую – примеры
Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц, составляющих данное тело. Наличие запаса энергии означает, что данное тело может совершить работу. Под работой обычно понимаются полезные для человека механические операции: перемещение грузов, вращение колес или турбин и т.д., то есть такие действия, в которых затрачивается механическая энергия. Разберемся каким образом может происходить превращение внутренней энергии в механическую.
Первый закон термодинамики
Изменение внутренней энергии тела ΔU, в результате совершенной им работы A, подчиняется первому закону термодинамики:
где Q — количество теплоты, переданное телу. Появление теплоты Q в этом уравнении связано с тем, что в качестве веществ, которые используются для превращения их внутренней энергии в механическую, обычно используются газы или водяной пар (газообразное состояния воды).
Напомним, что чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия. Нагретый до высокой температуры газ (или пар), расширяясь, давит на поршень или на лопатки турбины. Таким образом происходит переход внутренней энергии в механическую. Понятно, что без дополнительного нагрева, который значительно увеличивает кинетическую энергию молекул газа, осуществить такой механизм превращения энергии вряд ли было бы возможно.
Рис. 1. Превращение внутренней энергии в механическую.
Первый закон термодинамики, представленный в виде формулы (1), есть не что иное, как частный случай общего закона сохранения энергии, который гласит, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую или переходит от одного тела к другому.
Тепловые машины
В данном разделе термин “машина” используется в смысле “двигатель”, то есть устройство, выполняющее работу за счет тепловой энергии. Пар в качестве рабочего вещества (тела) применяется в паровых двигателях и паровых турбинах. Другим типом тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип современных двигателей. ДВС работают и на жидком топливе (керосин, бензин, дизтопливо), и на горючем газе, который хранится в сжатом виде металлических баллонах.
В паровых двигателях происходит нагрев пара за счет тепла выделяемого при наружном сжигании горючего топлива (дерево, уголь, мазут, газ). Пар, расширяясь приводит в движение механические детали (поршни, турбины).
В ДВС за счет впрыска топлива внутрь рабочего цилиндра образуется горючая смесь (топлива и кислорода), которая, будучи подожженная электрической искрой, “взрывается” за счет реакции окисления и мгновенно образует газовую смесь с высокой температурой и давлением, что приводит в движение поршни ДВС.
Итак, мы видим, что в обоих случаях происходит превращение внутренней энергии газовой смеси (горячего пара или продуктов горения топлива) в механическую энергию поршней и турбин двигателей.
Рис. 2. Принцип работы парового двигателя и двигателя внутреннего сгорания.
Еще один вид тепловых двигателей называется реактивным. В этих двигателях происходит выброс с большой скоростью продуктов сгорания наружу через специальное сопло, в результате чего возникает реактивная тяга. Этот тип двигателей устанавливают на реактивных самолетах и ракетах, которые используют либо в военных целях, либо в гражданских — для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и за ее пределы. Понятно, что и в этом случае происходит превращение внутренней энергии топливной смеси в механическую энергию движущегося самолета или ракеты.
Рис. 3. Принцип работы реактивного двигателя.
Необходимо помнить, что максимальный коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя согласно закону Карно, не может превышать значение:
где: η — к.п.д. двигателя, T1 – температура нагревателя, T2 – температура холодильника. Так как T2 меньше T1, то η всегда меньше единицы.
Дополнительные примеры
Можно привести дополнительные примеры превращения внутренней энергии в механическую:
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что превращение внутренней энергии в механическую происходит в тепловых двигателях за счет нагрева рабочего тела (пара или горючей смеси) и последующего расширения. Основные типы тепловых двигателей: паровые поршневые и турбинные), ДВС, реактивные.