Avtonova37.ru

Авто мастер
3 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

В идеальном тепловом двигателе абсолютная температура нагревателя 1200 к

О тепловой энергии простым языком!

Человечеству известно немного видов энергии – механическая энергия (кинетическая и потенциальная), внутренняя энергия (тепловая), энергия полей (гравитационная, электромагнитная и ядерная), химическая. Отдельно стоит выделить энергию взрыва.

. энергию вакуума и еще существующую только в теории – темную энергию. В этой статье, первой в рубрике «Теплотехника», я попытаюсь на простом и доступном языке, используя практический пример, рассказать о важнейшем виде энергии в жизни людей — о тепловой энергии и о рождающей ее во времени тепловой мощности.

Несколько слов для понимания места теплотехники, как раздела науки о получении, передаче и применении тепловой энергии. Современная теплотехника выделилась из общей термодинамики, которая в свою очередь является одним из разделов физики. Термодинамика – это дословно «теплый» плюс «силовой». Таким образом, термодинамика – это наука об «изменении температуры» системы.

Воздействие на систему извне, при котором изменяется ее внутренняя энергия, может являться результатом теплообмена. Тепловая энергия, которая приобретается или теряется системой в результате такого взаимодействия с окружающей средой, называется количеством теплоты и измеряется в системе СИ в Джоулях.

Если вы не инженер-теплотехник, и ежедневно не занимаетесь теплотехническими вопросами, то вам, столкнувшись с ними, иногда без опыта бывает очень трудно быстро в них разобраться. Трудно без наличия опыта представить даже размерность искомых значений количества теплоты и тепловой мощности. Сколько Джоулей энергии необходимо чтобы нагреть 1000 метров кубических воздуха от температуры -37˚С до +18˚С. Какая нужна мощность источника тепла, чтобы сделать это за 1 час. На эти не самые сложные вопросы способны сегодня ответить «сходу» далеко не все инженеры. Иногда специалисты даже помнят формулы, но применить их на практике могут лишь единицы!

Прочитав до конца эту статью, вы сможете легко решать реальные производственные и бытовые задачи, связанные с нагревом и охлаждением различных материалов. Понимание физической сути процессов теплопередачи и знание простых основных формул – это главные блоки в фундаменте знаний по теплотехнике!

Понятие абсолютного нуля

Абсолютный ноль температуры по сути понимание того, сколько энергии доступно от молекул газа в законе идеального газа.

Степень нагревания должна быть измерена в абсолютном масштабе (как Кельвин), чтобы закон идеального газа имел смысл. Идеальный газ – отсутствуют силы межмолекулярного воздействия. Кроме того, идея абсолютного нуля играет важную роль в физике излучения абсолютно черного тела (сколько энергии излучает объект при определенной температуре) и максимально возможный КПД теплового двигателя (так называемый КПД Карно).

Понятие абсолютный ноль температуры также является частью физики изменения климата.

Средняя температура Земли, которая составляет около 15°C, будет 288 K. Если парниковые газы увеличат температуру планеты на 1%, то она не поднимется на 0,15 градуса, она поднимется на 2,88 градуса. Кельвин и Цельсий имеют одинаковое приращение степени, но Кельвин-абсолютная шкала (что означает, что нулевая точка действительно равна нулю), а Цельсий – относительная шкала (нулевая точка произвольна – она была выбрана ученым). Вот почему температура будет увеличиваться на 2,88 градуса вместо 0,15 градуса. Понимание того, как эти небольшие процентные изменения температуры Земли могут привести к радикальным последствиям для планеты, является важной частью климатологии.

Термодинамика показала, что добраться до абсолютного нуля температуры невозможно, но физики подобрались достаточно близко. Используя лазерное охлаждение и магнитную ловушку, экспериментально ученые смогли охладить атомы до температуры нескольких нK (10 -9 K), чтобы сформировать конденсаты Бозе-Эйнштейна. В неидеальных условиях самая низкая возможная температура из-за воздействия звезд 2,725 градусов Кельвина, -270,425 градусов Цельсия.

Температура – это показания термометра, который измеряет, насколько горячее или холодное вещество. На микроскопическом уровне она характеризует среднюю кинетическую энергию молекул внутри материала или системы. Это измеримое физическое свойство объекта и может рассматриваться с другими измеримыми физическими свойствами, такими как скорость, масса и плотность и т.п.

Читать еще:  Что лучше лить из присадок в двигатель

Обратимые и необратимые процессы

Первый закон термодинамики показывает количественную связь между теплотой, полученной системой, изменением её внутренней энергии и работой, произведённой системой над внешними телами. Но он не рассматривает направление передачи теплоты. И можно предположить, что теплота может передаваться как от горячего тела к холодному, так и наоборот. Между тем, в действительности это не так. Если два тела находятся в контакте, то теплота всегда передаётся от более нагретого тела к менее нагретому. Причём этот процесс происходит сам по себе. При этом во внешних телах, окружающих контактирующие тела, никаких изменений не возникает. Такой процесс, который происходит без совершения работы извне (без вмешательства внешних сил), называется самопроизвольным. Он может быть обратимым и необратимым.

Самопроизвольно остывая, горячее тело передаёт свою теплоту окружающим его более холодным телам. И никогда само собой холодное тело не станет горячим. Термодинамическая система в этом случае не может возвратиться в первоначальное состояние. Такой процесс называется необратимым. Необратимые процессы протекают только в одном направлении. Практически все самопроизвольные процессы в природе необратимы, как необратимо время.

Обратимым называется термодинамический процесс, при котором система переходит из одного состояния в другое, но может вернуться в исходное состояние, пройдя в обратной последовательности через промежуточные равновесные состояния. При этом все параметры системы восстанавливаются до первоначального состояния. Обратимые процессы дают наибольшую работу. Однако в реальности их нельзя осуществить, к ним можно только приблизиться, так как протекают они бесконечно медленно. На практике такой процесс состоит из непрерывных последовательных состояний равновесия и называется квазистатическим. Все квазистатические процессы являются обратимыми.

10. Топливные элементы

Топливный элемент, который принимает водород и кислород в качестве входных данных

Теплопередача: зависит от типа топливного элемента

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые преобразуют химическую энергию топлива и окислителя в электрическую энергию. При работе топливного элемента значительная часть входной энергии используется для выработки электрической энергии, а оставшаяся часть преобразуется в тепловую энергию в зависимости от типа топливного элемента.

Тепло, получаемое в ходе этого процесса, используется для повышения энергоэффективности. Теоретически топливные элементы являются гораздо более энергоэффективными, чем обычные процессы: если отработанное тепло улавливается в когенерационной схеме, эффективность может достигать 90%.

Что произошло в Рубцовске

В Рубцовске предельная цена тепловой энергии для абонентов «Рубцовского теплоэнергетического комплекса» пересмотрена решением управления края по госрегулированию цен и тарифов № 84 от 1 сентября.

Ранее было установлено: с 1 июля по 31 декабря «предельник» составит 2229,56 рублей за гигу. Но документ , который ввел эти параметры , утратил силу. И с 1 октября действует новая предельная цена: 2425,76 рублей за гигу ( для абонентов , получающих тепло от «Южной тепловой станции»).

Информацию о том , сколько будут платить рубцовчане по факту цена , мы сообщим позже.

Расчет спирали из нихрома и фехраля

Существует несколько способов расчета греющих спиралей, рассмотрим для начала более простой метод, учитывающий только сопротивление материала, а потом включим в расчет еще и изменение сопротивления под воздействием темепературы.

Способ расчета спирали по сопротивлению материала

В данном способе все довольно просто. Нам нужны первоначальные данные, на основе которых мы будем проводить вычисления. Они включают в себя:

Мощность нагревательного элемента, который хотите получить

Напряжение, при котором спираль будет работать

Диаметр и тип проволоки, который имеется в наличии

Предположим, у нас имеется электроприбор, который должен работать с мощностью 12 Вт под напряжением 24 В. При этом мы используем проволоку из нихрома с сечением 0,2 мм.

Читать еще:  Что может звенеть в двигателе форд 2

Для вычислений нам потребуется самая элементарная формула из общеобразовательного курса физики:

Мощность (Р) = Напряжение (U) * Сила тока (I)

І = Р: U = 12 : 24 = 0,5 А

Теперь воспользуемся законом Ома для определения сопротивления:

Сопротивление (R ) = Напряжение (U) * Сила тока (I) = 24/0,5 = 48 Ом

Теперь нам нужна формула для определения длины проводника:

Длина (L) = Площадь сечения (S) * Сопротивление (R) / Плотность материала (ρ)

Как же узнать сопротивление нихромовой проволоки? Помочь в решении данной задачи нам помогут таблицы плотности материалов или формулы для вычисления значения. Итак, если у нас проволока имеет диаметр 0,2, значит площадь сечения по формуле будет 0,0314 мм2, сопротивление смотрим по таблице и получаем длину проволоки 1,3 м.

Но это все чисто теоретически, ведь мы не знаем, сможет ли выдержать проволока данного диаметра такой ток. Посмотрим таблицу, в ней указаны максимальные значения тока для проволоки определенного диаметра. В нашем случае это 0,65, значит наше значение 0,5 лежит в допустимых пределах.

Также не забывайте учесть среду, в которой будет работать нагреватель. Если вы греете жидкость, можно смело увеличивать силу тока вдвое, а если замкнутое пространство – наоборот, уменьшать.

Способ расчета спирали по температуре

Тот, способ, который мы описывали выше, является не очень точным по той причине, что нами не было взято в расчет изменение сопротивления резистивной проволоки при росте температуры. Поэтому его можно применять только для не слишком высоких температур до 200-250 градусов. Для высокотемпературных печей данный расчет будет совсем неточным, поэтому рассмотрим второй метод.

Возьмем муфельную печь отжига и определим объем камеры и нужную мощность. Помогут с вычислениями нам такие два правила.

Если объем печи меньше 50 литров, то подбираем мощность 100 Вт на литр

Если же объем печи больше 100 литров, мощность рассчитывается как 50-70 Вт на литр

Допустим, наша печь отжига имеет объем 50 литров, мощность тогда будет 5 кВт. Если напряжение в сети должно быть стандартные 220 В, то сила тока и сопротивление будет равны:

І = 5000:220 = 22,7 А

R = 220:22,7 = 9,7 Ом

Подключение звездой при напряжении 380 В потребует деления мощности на 3 фазы, тогда наша мощность для одной фазы будет равна 5кВт / 3 = 1,66 кВт

Подключение звездой предполагает, что на каждую из фаз будет подаваться напряжение питания 220 В, следовательно значения сопротивления и силы тока будет такими:

І = 1660/220 = 7,54 А

R = 220/7,54 = 29,1 Ом

Второй тип подключения ТЭНов для напряжения в 380 В «треугольник» предполагает подачу линейного напряжения в 380 В, поэтому мы получим:

І = 1660/380 = 4,36 А

R = 380/4,36 = 87,1 Ом

При помощи ниже указанных таблиц мы можем найти удельную поверхностную мощность нагревательного элемента и вычислить на его основе длину проволоки.

Поверхностная мощность = βэф*α(коэффициент эффективности)

В итоге, чтобы наша печь нагрелась до 1000 С, нагревательный элемент должен производить температуру в 1100 градусов. Возьмем таблицы и выберем соответствующие значения. Тогда получим:

Поверхностная мощность (Вдоп)=4,3∙0,2=0,86Вт/см2=8600 Вт/м2

Диаметр определяется по формуле d= 3 √((4*Rt*P 2 )/(π 2 *U 2 *Вдоп))

Rt — удельное сопротивление материала при нужной температуре берем из таблицы

Если наша спираль изготовлена из нихрома марки Х80Н20, Rt будет равняться 1,025. Значит Рт=1,13 * 10 6 * 1,025 = 1,15 * 10 6 Ом на мм

При подключении типа «звезда»: диаметр равен 1,23 мм, длина = 42 м

Если же мы проверим результат по упрощенной формуле L=R/(p*k)

Получим 29,1/(0,82*1,033)= 34 м

Из этого мы видим, что не учитывая температуру мы получаем совсем другое значение длины проволоки и более правильным является выбор второго метода.

Читать еще:  Что может произойти с двигателем если зажигание слишком позднее

ФИЗИКА

  • Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу.

Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Необратимость процессов в природе налагает определенные ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы тепловыми двигателями. Это прямо отражено во втором законе термодинамики в формулировке Кельвина (см. § 5.9).

Простейшая модель тепловой машины

Простейшую тепловую машину можно собрать из стакана с водой, капли анилина и горелки (рис. 5.14). Так как сосуд с водой подогревается снизу, то температура воды Т2 в верхних слоях, естественно, ниже, чем температура Т1 внизу.

Плотность анилина и плотность воды по-разному зависят от температуры. При Т1 плотность анилина меньше плотности воды, а при Т2 больше. Если влить холодный анилин в воду, то он опустится на дно. После нагревания плотность анилина уменьшается и он всплывает. У поверхности вследствие охлаждения плотность анилина станет больше плотности воды, и капля вновь опустится на дно. Затем весь цикл повторится.

При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения при движении капли в воде. Если каплю внизу «нагружать», а вверху «разгружать», то такая тепловая машина может быть использована для подъема груза.

Если покрыть стакан стеклянной пластинкой, то температура верхних слоев воды увеличится и машина перестанет работать.

В нашей простейшей машине происходят процессы, общие для всех тепловых двигателей. Машина получает от нагревателя (горелки) количество теплоты Q1 и передает холодильнику (в данном случае атмосфере) количество теплоты Q2. За счет того, что Q1 > Q2, и совершается работа.

Принципы действия тепловых двигателей

Чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ (см. § 3.11), который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector