Какие составные части обязательны для работы теплового двигателя

Тест по физике Работа пара и газа при расширении 8 класс

Тест по физике Работа пара и газа при расширении. КПД теплового двигателя для учащихся 8 класса с ответами. Тест состоит из 13 заданий и предназначен для проверки знаний к главе Тепловые явления.

1. Как изменяется внутренняя энергия пара или газа при рас­ширении? Изменение какой физической величины свидетель­ствует об этом?

1) Уменьшается; массы
2) Увеличивается; температуры
3) Уменьшается; температуры
4) Увеличивается; мощности

2. Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращает­ся во внутреннюю энергию газа или пара, а затем в механиче­скую энергию, называют

1) гидравлическими машинами
2) тепловыми двигателями
3) простыми механизмами

3. Какой тепловой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

1) Который имеет внутреннюю камеру сгорания топлива
2) У которого топливо сгорает внутри рабочего цилиндра дви­гателя
3) Для которого используется жидкое топливо, вводимое не­посредственно в двигатель

4. Из последовательности каких четырех тактов состоит каждый цикл работы двигателя внутреннего сгорания?
1) Впуск, расширение, воспламенение, рабочий ход
2) Впуск, сжатие, воспламенение, выпуск
3) Впуск, воспламенение, рабочий ход, выпуск
4) Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск

5. Зачем для работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания нужен маховик на его валу?

1) Чтобы маховик во время рабочего хода запасал энергию, нужную для работы двигателя внутреннего сгорания
2) Чтобы маховик вращал вал двигателя в интервалах време­ни между рабочими ходами
3) Чтобы, получив энергию во время рабочего хода и враща­ясь затем по инерции, маховик поворачивал вал двигателя для осуществления других тактов цикла его работы

6. Паровая (газовая) турбина — вид теплового двигателя

1) приводимого в движение струями пара (газа), давящими на лопатки дисков, находящихся на его валу
2) отличающегося от двигателя внутреннего сгорания тем, что может работать на любом топливе
3) без поршня и системы зажигания топлива
4) для которого характерны все пункты 1, 2, 3

7. Наличие каких составных частей обязательно для работы те­плового двигателя?

1) Рабочего тела — пара или газа
2) Камеры сгорания топлива или парового котла с топкой
3) Отвода отработанного пара или газа
4) Нагревателя, рабочего тела, холодильника

8. Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя?

1) Произведенная двигателем механическая работа
2) Его мощность
3) Коэффициент полезного действия двигателя
4) Количество теплоты, полученное при сгорании топлива

9. Коэффициент полезного действия — это физическая величина равная

1) совершенной двигателем полезной работе
2) отношению произведенной двигателем полезной работы к полученной от нагревателя энергии
3) количеству теплоты, выделенной при сгорании топлива

10. По каким формулам находят коэффициент полезного действия теплового двигателя?

11. Определите КПД двигателя внутреннего сгорания, который производит 46 × 10 6 Дж полезной работы, затрачивая 3 кг бен­зина.

12. Сколько дров придется сжечь в топке парового котла, чтобы турбина, коэффициент полезного действия которой 32%, про­извела 3,2 × 10 8 Дж полезной работы?

1) 10 кг
2) 100 кг
3) 500 кг
4) 1000 кг

13. Почему (указать главную причину) КПД теплового двигателя не может быть равен 100%?

1) Потому что пар (газ) отдает в тепловом двигателе только часть своей внутренней энергии и должен быть отведен в холодильник, чтобы новая порция пара могла произвести работу
2) Потому что всегда существует трение в движущихся деталях двигателя
3) Потому что часть количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, теряется — передается окружающим нагреватель телам

Ответы на тест по физике Работа пара и газа при расширении. КПД теплового двигателя
1-3
2-2
3-2
4-4
5-3
6-4
7-4
8-3
9-2
10-34
11-3
12-2
13-1

Источник

Тепловые машины

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

С учётом соотношения (1) имеем также

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3 ).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Источник