Efisiensi Peran mesin kalor dalam perkembangan teknologi. Peran mesin kalor dalam kehidupan manusia Penggunaan mesin kalor dalam perekonomian

Termodinamika teknis. Konsep dasar dan definisi

Kartashevich, A.N., Kostenich, V.G., Pontalev, O.V.

K 27 Teknik termal : mata kuliah perkuliahan. Bagian 1. – Gorki: Akademi Pertanian Negeri Belarusia, 2011. 48 hal.

ISBN 978-985-467-319-6

Parameter dasar dan persamaan keadaan gas ideal, konsep dan jenis kapasitas panas, campuran gas ideal dan metode untuk menentukan parameternya dipertimbangkan. Diberikan rumusan dan ketentuan dasar hukum pertama dan kedua termodinamika, serta analisis proses dasar termodinamika gas ideal.

Untuk siswa spesialisasi 1-74 06 01 – Dukungan teknis proses produksi pertanian, 1‑74 06 04 – Dukungan teknis untuk pekerjaan reklamasi dan pengelolaan air, 1‑74 06 06 – Dukungan logistik untuk kompleks agroindustri.

Tabel 4. Gambar 27. Daftar Pustaka. 12.

Peninjau: A.S. DOBYSHEV, Doktor Teknik. Sains, Profesor, Kepala. Departemen Mekanisasi Peternakan dan Elektrifikasi Produksi Pertanian (EI “BSAHA”); V.G. SAMOSYUK, Ph.D. ekonomi. ilmu pengetahuan, CEO Perusahaan Kesatuan Republik "Pusat Ilmiah dan Praktis dari Akademi Ilmu Pengetahuan Nasional Belarus untuk Mekanisasi Pertanian".

UDC 621.1 (075.8)

BBK 31.3ya73

Panas digunakan di semua bidang aktivitas manusia - untuk menghasilkan listrik, menggerakkan kendaraan dan berbagai mekanisme, memanaskan ruangan, serta untuk kebutuhan teknologi.

Cara utama memperoleh panas saat ini adalah pembakaran bahan bakar fosil - batu bara, minyak dan gas, yang memenuhi sekitar 90% kebutuhan energi manusia. Data konsumsi energi di dunia untuk tahun terakhir dan sebarannya menurut spesies disajikan pada Tabel. 1 .

Tabel 1. Struktur konsumsi energi dunia tahun 1998–2008

Seperti yang bisa dilihat dari tabel. 1 data, konsumsi energi global semakin meningkat dari tahun ke tahun. Jumlah penduduk dan kebutuhan manusia terus bertambah, hal ini menyebabkan peningkatan produksi energi dan laju pertumbuhan konsumsinya.

Namun, cadangan minyak, gas, dan batu bara tidak terbatas dan, menurut perkiraan, sumber daya yang dieksplorasi mungkin cukup: minyak selama 40 tahun, gas selama 60 tahun, batu bara selama 120 tahun. Cadangan uranium alam cukup untuk memenuhi kebutuhan energi dunia selama kurang lebih 85 tahun.

Faktor lain yang membatasi peningkatan produksi energi melalui pembakaran bahan bakar adalah semakin meningkatnya pencemaran lingkungan akibat produk pembakarannya. Yang tidak kalah berbahayanya adalah pencemaran termal terhadap lingkungan, yang menyebabkan pemanasan global dan perubahan iklim, mencairnya gletser dan naiknya permukaan laut.

Dalam energi nuklir, berbagai jenis masalah lingkungan muncul terkait dengan kebutuhan untuk membuang limbah nuklir, yang juga dikaitkan dengan kesulitan besar.

Untuk menentukan cara paling rasional dalam menggunakan panas, menganalisis efisiensi proses kerja instalasi termal dan membuat jenis perangkat termal baru yang lebih canggih, diperlukan pengetahuan landasan teori teknik pemanasan.

PELAJARAN FISIKA DI KELAS 10.
FISIKA MOLEKULER DAN TERMODINAMIKA

DASAR-DASAR TERMODINAMIKA*

Pelajaran #6

Subjek. Peran mesin kalor dalam perekonomian nasional. Masalah ekologi terkait dengan penggunaannya

Tujuan: memperdalam pengetahuan siswa tentang prinsip fisik pengoperasian mesin kalor, kegunaan ekonomisnya, membiasakan mahasiswa dengan capaian ilmu pengetahuan dan teknologi dalam penyempurnaan mesin kalor; mengembangkan kompetensi komunikasi, kemampuan menganalisis dan menarik kesimpulan; membentuk sikap sadar terhadap perlindungan lingkungan, menumbuhkan minat siswa terhadap fisika, merangsang aktivitas kreatif siswa.

Jenis pelajaran: pelajaran generalisasi dan sistematisasi pengetahuan.

Bentuk penyampaiannya: seminar-pelajaran.

Peralatan: kartu dengan tulisan: sejarawan, ahli ekologi, potret fisikawan.

II. Pertunjukan band

Sejarawan. pada tahun 1696, insinyur Inggris Thomas Severi (1650-1715) menemukan pompa uap untuk menaikkan air. Itu digunakan untuk memompa air di tambang timah. Pekerjaannya didasarkan pada pendinginan uap panas, yang ketika dikompresi, menciptakan ruang hampa yang menarik air dari tambang ke dalam pipa.

Pada tahun 1707, pompa Severi dipasang di Taman Musim Panas di St. Mekanik Inggris Thomas Newcomen (1663-1729) menciptakan mesin uap pada tahun 1705 untuk memompa air dari tambang. Pada tahun 1712, dengan menggunakan ide Papin dan Severi, Newcomen membangun sebuah mesin yang digunakan di pertambangan Inggris hingga pertengahan abad ke-18.

Yang pertama praktis beroperasi mesin universal diciptakan oleh penemu Rusia I. Polzunov (1766) dan orang Inggris D. Watt (1774)

Mesin uap Polzunov memiliki tinggi 11 m, volume ketel 7 m3, tinggi silinder 2,8 m, dan tenaga 29 kW. Mesin ini sudah lama bekerja di salah satu pabrik pertambangan di Rusia.

Sejarawan. pada tahun 1765, J. Watt merancang dan kemudian meningkatkan mesin uap tipe baru yang fundamental. Mesinnya tidak hanya mampu memompa air, tetapi juga memberikan pergerakan pada mesin, kapal, dan awaknya. Hingga tahun 1784, pembuatan mesin uap universal hampir selesai, dan menjadi alat utama pembangkit energi dalam produksi industri. Selama tahun 1769-1770, penemu Perancis Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) merancang kereta bertenaga uap, nenek moyang mobil. Itu masih disimpan di Museum Seni dan Kerajinan di Paris.

Robert Fulton dari Amerika (1765-1815) mengarungi kapal uap Clermont, yang ia bangun, di sepanjang Sungai Hudson pada tahun 1807. Pada tanggal 25 Juli 1814, lokomotif penemu Inggris George Stephenson (1781-1848) mengangkut 30 ton kargo dalam 8 gerbong dengan kecepatan 6,4 km/jam di sepanjang rel kereta api sempit. Pada tahun 1823, Stephenson mendirikan pabrik lokomotif uap pertama. Jalur kereta api pertama dari Stockton ke Darlington mulai beroperasi pada tahun 1825, dan pada tahun 1830 jalur kereta api umum mulai beroperasi antara pusat industri Liverpool dan Manchester. James Nesmith (1808-1890) menciptakan palu uap yang sangat kuat pada tahun 1839, yang merevolusi produksi metalurgi. Ia juga mengembangkan beberapa mesin pengerjaan logam baru.

Maka dimulailah berkembangnya industri dan perkeretaapian - pertama di Inggris Raya dan kemudian di negara-negara lain di dunia.

Guru. Mari kita ingat prinsip pengoperasian mesin kalor.

Montir. Mesin kalor adalah mesin yang energi dalamnya diubah menjadi energi mekanik.

Ada beberapa jenis mesin kalor: mesin uap, mesin pembakaran dalam, turbin uap dan gas, mesin jet. Di semua mesin ini, energi bahan bakar diubah terlebih dahulu menjadi energi gas (uap). Saat mengembang, gas (uap) melakukan kerja dan sekaligus mendingin, sebagian energi internalnya diubah menjadi energi mekanik. Oleh karena itu, mesin kalor mempunyai pemanas, fluida kerja, dan lemari es. Ini didirikan pada tahun 1824 oleh ilmuwan Perancis Sadi Carnot. Prinsip pengoperasian mesin tersebut dapat digambarkan dalam diagram (Gbr. 1).

Selain itu, Carnot menetapkan bahwa mesin harus beroperasi dalam siklus tertutup dan yang paling menguntungkan adalah siklus yang terdiri dari dua proses isotermal dan dua proses adiabatik. Ini disebut siklus Carnot dan dapat digambarkan secara grafis (Gbr. 2).

Dari grafik terlihat jelas bahwa fluida kerja melakukan kerja yang berguna, yang secara numerik sama dengan luas yang dijelaskan oleh siklus, yaitu. bidang 1 - 2 - 3 - 4 - 1.

Hukum kekekalan dan transformasi energi pada siklus Carnot adalah energi yang diterima fluida kerja dari lingkungan sama dengan energi yang ditransfer ke fluida tersebut. lingkungan. Mesin kalor melakukan kerja akibat adanya perbedaan tekanan gas pada permukaan piston atau bilah turbin. Perbedaan tekanan ini disebabkan oleh perbedaan suhu. Ini adalah prinsip pengoperasian mesin kalor.

Montir. Salah satu jenis mesin kalor yang paling umum adalah mesin pembakaran internal (ICE), yang kini digunakan di berbagai kendaraan. Mari kita ingat struktur mesin seperti itu: elemen utamanya adalah silinder dengan piston, di dalamnya bahan bakar dibakar.

Silinder memiliki dua katup - saluran masuk dan saluran keluar. Selain itu, pengoperasian mesin dipastikan dengan adanya busi, mekanisme batang penghubung dan poros engkol yang dihubungkan dengan roda mobil. Mesin beroperasi dalam empat langkah (Gbr. 3): Dan langkah adalah pemasukan campuran yang mudah terbakar; Langkah II - kompresi, di mana bahan bakar dinyalakan oleh percikan busi; Langkah III - langkah tenaga, pada langkah ini gas yang dihasilkan dari pembakaran bahan bakar melakukan kerja dengan mendorong piston ke bawah; Langkah IV - buang, ketika gas habis dan didinginkan keluar. Grafik siklus tertutup, yang mencirikan perubahan keadaan gas selama pengoperasian mesin ini, ditunjukkan pada Gambar. 4.

Pekerjaan yang berguna per siklus kira-kira. sama dengan luas gambar 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Penyebaran mesin tersebut karena ringan, kompak, dan memiliki efisiensi yang relatif tinggi (secara teori mencapai 80%, namun dalam praktiknya hanya 30%) . Kerugiannya adalah bahan bakarnya mahal, desainnya rumit, kecepatan putaran poros mesinnya sangat tinggi, dan gas buangnya mencemari atmosfer.

Ahli ekologi. Untuk meningkatkan efisiensi pembakaran mesin bensin (meningkatkan angka oktannya), ditambahkan berbagai zat, terutama cairan etil, yang mengandung timbal tetraetil, yang berperan sebagai zat anti ketukan (sekitar 70% senyawa timbal dilepaskan). ke udara saat mesin hidup). Kehadiran timbal dalam jumlah kecil dalam darah menyebabkan penyakit serius, penurunan kecerdasan, kegembiraan berlebihan, perkembangan agresivitas, kurangnya perhatian, tuli, infertilitas, keterbelakangan pertumbuhan, gangguan vestibular, dll.

Masalah lainnya adalah emisi karbon(II) oksida. Dapat dibayangkan besarnya kerusakan akibat CO jika hanya satu mobil mengeluarkan sekitar 3,65 kg karbon (II) oksida ke udara per hari (tempat parkir mobil melebihi 500 juta, dan kepadatan lalu lintas, misalnya, di jalan raya Kyiv mencapai 50- 100 ribu mobil per hari dengan pelepasan 1800-9000 kg CO ke udara setiap jam!).

Toksisitas CO bagi manusia adalah ketika memasuki darah, ia menghilangkan kemampuan eritrosit (sel darah merah) untuk mengangkut oksigen, yang mengakibatkan kelaparan oksigen, mati lemas, pusing, dan bahkan kematian. Selain itu, mesin pembakaran dalam juga berkontribusi terhadap polusi termal di atmosfer; suhu udara di kota yang terdapat banyak mobil selalu 3-5 °C lebih tinggi daripada suhu di luar kota.

Sejarawan. Pada tahun 1896-1897. Insinyur Jerman G. Diesel mengusulkan mesin yang memiliki efisiensi lebih tinggi dari mesin sebelumnya. Pada tahun 1899, mesin diesel diadaptasi untuk beroperasi dengan bahan bakar cair berat, yang menyebabkan penggunaannya semakin luas.

Guru. Apa perbedaan antara mesin pembakaran dalam diesel dan karburator?

Montir. Mesin diesel tidak kalah distribusinya dengan mesin karburator. Strukturnya hampir sama: silinder, piston, katup masuk dan buang, batang penghubung, poros engkol, roda gila dan busi hilang.

Hal ini disebabkan bahan bakar menyala bukan dari percikan api, melainkan dari suhu tinggi, yang tercipta di atas piston karena kompresi udara secara tiba-tiba. Bahan bakar disuntikkan ke udara panas ini, dan terbakar, membentuk campuran yang berfungsi. Mesin ini bersifat chotiritactic, diagram operasinya ditunjukkan pada Gambar. 5.

Kerja manfaat mesin sama dengan luas gambar 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2. Mesin seperti itu menggunakan bahan bakar murah, efisiensinya sekitar 40%. Kerugian utama adalah pengoperasiannya sangat bergantung pada suhu lingkungan (pada suhu rendah mereka tidak dapat bekerja).

Ahli ekologi. Kemajuan signifikan dalam mesin diesel telah menjadikan mesin ini “lebih bersih” dibandingkan mesin bensin; mereka sudah berhasil digunakan di mobil penumpang.

Gas buang diesel hampir tidak mengandung karbon oksida beracun, karena bahan bakar diesel tidak mengandung timbal tetraetil. Artinya, mesin diesel jauh lebih sedikit mencemari lingkungan dibandingkan mesin karburator.

Sejarawan. Mesin kalor berikutnya yang akan kita bahas adalah turbin uap dan gas. Karena mesin seperti itu digunakan terutama di pembangkit listrik (panas dan nuklir), waktu pengenalannya ke dalam teknologi harus dianggap pada paruh kedua tahun 30-an abad ke-20, meskipun proyek kecil pertama dari unit-unit tersebut dilakukan pada tahun 80-an. abad ke-19. V. M. Makhovsky harus dianggap sebagai perancang turbin gas industri pertama.

Pada tahun 1883, insinyur Swedia G. Dach mengusulkan desain pertama turbin uap satu tahap, dan pada tahun 1884-1885. Orang Inggris C. Parson merancang turbin multi-tahap pertama. Charles Parson menggunakannya di pembangkit listrik tenaga air di Elberfeld (Jerman) pada tahun 1899.

Montir. Pengoperasian turbin didasarkan pada putaran roda dengan bilah di bawah tekanan uap air atau gas. Oleh karena itu, bagian kerja utama adalah rotor turbin - piringan yang dipasang pada poros dengan bilah di sepanjang tepinya. Uap dari ketel uap diarahkan melalui saluran khusus (nozzle) ke sudu-sudu rotor. Di nozel, uap mengembang, tekanannya turun, tetapi laju aliran meningkat, mis. Energi dalam uap diubah menjadi energi kinetik pancaran.

Turbin uap ada dua jenis: turbin aktif, yang putaran rotornya terjadi akibat tumbukan strumini pada sudu-sudu, dan turbin reaktif, yang sudu-sudunya ditempatkan sedemikian rupa sehingga uap keluar dari celah. di antara mereka, menciptakan dorongan jet. Keunggulan turbin uap antara lain kecepatan tinggi, daya yang signifikan, dan kepadatan daya yang tinggi. Efisiensi turbin uap mencapai 25%. Hal ini dapat ditingkatkan jika turbin memiliki beberapa tingkat tekanan yang terdiri dari nozel dan bilah rotor yang bergantian. Kecepatan uap pada turbin tersebut menurun pada sudu kerja, kemudian (setelah melewati nosel) meningkat kembali karena penurunan tekanan. Jadi, dari derajat ke derajat, tekanan uap menurun secara berurutan, dan uap melakukan kerja berulang kali. Pada turbin modern jumlah tahapan mencapai 30.

Kerugian turbin adalah inersia, ketidakmampuan mengatur kecepatan putaran, dan kurangnya gerak mundur.

Ahli ekologi. Penggunaan turbin uap pada pembangkit listrik memerlukan alokasi area yang luas untuk kolam tempat pembuangan uap didinginkan. Dengan peningkatan kapasitas pembangkit listrik, kebutuhan air meningkat tajam; selain itu, sebagai akibat dari pendinginan uap, sejumlah besar panas dilepaskan ke lingkungan, yang sekali lagi menyebabkan eksitasi termal dan peningkatan suhu pembangkit listrik. Bumi.

Sejarawan. Mesin kalor termasuk mesin jet. Teori mesin tersebut direproduksi dalam karya E.K. Tsiolkovsky, yang ditulis pada awal abad ke-20, dan pengenalannya dikaitkan dengan nama penemu Ukraina lainnya - S.P. Secara khusus, di bawah kepemimpinannya, mesin jet pertama yang digunakan pada pesawat terbang diciptakan (1942), dan kemudian (1957) satelit luar angkasa pertama dan satelit berawak pertama. pesawat ruang angkasa(1961). Apa prinsip pengoperasian mesin jet?

Montir. Mesin kalor yang menggunakan tenaga jet dan kebocoran gas disebut mesin jet. Prinsip pengoperasiannya adalah bahan bakar, ketika dibakar, berubah menjadi gas, yang mengalir keluar dari nozel mesin dengan kecepatan tinggi, memaksa pesawat bergerak ke arah yang berlawanan. Mari kita lihat beberapa jenis mesin tersebut.

Salah satu desain paling sederhana adalah mesin ramjet. Ini adalah pipa tempat aliran yang datang memaksa udara, dan bahan bakar cair disuntikkan ke dalamnya dan dinyalakan. Gas panas terbang keluar dari pipa dengan kecepatan tinggi, sehingga menghasilkan daya dorong jet. Kekurangan dari mesin ini adalah untuk menghasilkan daya dorong harus bergerak relatif terhadap udara, yaitu tidak dapat lepas landas sendiri. Kecepatan tertingginya 6000 - 7000 km/jam.

Jika mesin jet mempunyai turbin dan kompresor, maka mesin tersebut disebut turbocompressor. Selama pengoperasian mesin seperti itu, udara memasuki kompresor melalui saluran masuk, kemudian dikompresi dan disuplai ke ruang bakar, tempat bahan bakar disuntikkan. Di sini dinyalakan, produk pembakaran melewati turbin, yang memutar kompresor, dan mengalir keluar melalui nosel, menciptakan daya dorong jet.

Tergantung pada distribusi tenaganya, mesin ini dibagi menjadi turbojet dan turboprop. Yang pertama menghabiskan sebagian besar tenaganya untuk daya dorong jet, sedangkan yang kedua menghabiskan sebagian besar tenaganya untuk memutar turbin gas.

Keuntungan dari mesin ini adalah memiliki tenaga yang lebih besar, sehingga menghasilkan kecepatan tinggi yang diperlukan untuk diangkat ke luar angkasa. Kekurangannya adalah dimensinya yang besar, efisiensinya rendah, dan dampaknya terhadap lingkungan.

Ahli ekologi. Karena mesin jet juga membakar bahan bakar, seperti semua mesin panas, mereka mencemari lingkungan dengan zat berbahaya yang dilepaskan selama pembakaran. Ini adalah karbon dioksida (CO 2), karbon monoksida (CO), senyawa belerang, nitrogen oksida dan lain-lain. Jika selama pengoperasian mesin mobil massa zat-zat ini berjumlah kilogram, sekarang menjadi ton dan sen. Selain itu, penerbangan pesawat di ketinggian, peluncuran roket luar angkasa, dan penerbangan rudal balistik militer berdampak negatif pada lapisan ozon di atmosfer, sehingga menghancurkannya. Diperkirakan seratus peluncuran Pesawat Luar Angkasa secara berturut-turut hampir dapat menghancurkan seluruh lapisan ozon pelindung atmosfer bumi, Guru. Seperti apa seharusnya mesin masa depan? Montir. Kebanyakan ahli percaya bahwa ini adalah mesin hidrogen, yaitu mesin di mana hidrogen bereaksi dengan oksigen, menghasilkan pembentukan air. Perkembangan yang dilakukan ke arah ini memberikan banyak manfaat berbagai desain mesin serupa: dari mesin yang tangkinya diisi dengan gas yang sesuai, hingga mesin yang bahan bakarnya adalah sirup gula. Ada juga desain yang bahan bakarnya adalah minyak, alkohol, dan bahkan limbah biologis. Namun selama ini semua mesin tersebut hanya ada dalam bentuk sampel eksperimental, yang masih jauh dari tahap produksi industri. Namun perkembangan ini pun memberikan harapan bahwa di masa depan kita akan mendapatkan lebih banyak mobil ramah lingkungan dibandingkan mobil modern. Meskipun kami belum berhasil menciptakan mesin kalor yang tidak mencemari lingkungan sama sekali, kami akan berupaya mewujudkannya.

AKU AKU AKU. Pekerjaan rumah

Kerjakan tes pekerjaan rumah Anda

Pilihan 1

1. Tekanan gas di bawah piston adalah 490 kPa. Berapakah usaha yang dilakukan suatu gas jika dipanaskan pada tekanan tetap hingga suhunya dua kali suhu awalnya? Volume gas awal adalah 10 liter.

2. Uap masuk ke turbin pada suhu 500 °C dan keluar pada suhu 30 °C. Dengan asumsi turbin merupakan mesin kalor ideal, hitunglah efisiensinya.

3. Atau apakah udara di dalam ruangan akan menjadi dingin jika pintu lemari es yang terpasang tetap terbuka?

pilihan 2

1. Berapa perubahan energi dalam 200 g helium ketika suhu dinaikkan 20 K?

2. Suhu pemanas mesin yang ideal adalah 117 °C, dan suhu lemari es adalah 27 °C. Banyaknya kalor yang diterima mesin dari pemanas dalam 1 s adalah 60 kJ. Hitung efisiensi mesin, jumlah panas yang dibutuhkan lemari es dalam 1 s, dan daya mesin.

3. Kapan efisiensi mesin kalor lebih tinggi: dalam cuaca dingin atau panas?

Lampiran 1

Mesin uap oleh I. Polzunov

James Watt memperbaiki pompa uap Newcomen, meningkatkan efisiensinya. Mesin uapnya, diproduksi pada tahun 1775, dioperasikan di banyak pabrik di Inggris Raya.

Beberapa detail mesin	Mesin karburator	Mesin diesel
Fluida kerja	Produk pembakaran bensin	Produk pembakaran bahan bakar diesel
		Solar
Tekanan silinder		1,5 106-3,5 106 Pa
Suhu udara terkompresi
Suhu produk pembakaran
	20-25% (hingga 35%)	30-38% (hingga 45%)
Penggunaan	Pada kendaraan bergerak ringan jumlahnya relatif sedikit kekuatan tinggi(mobil, sepeda motor, dll)	Pada truk berkekuatan tinggi, traktor, penggerak mula, lokomotif diesel, pada instalasi pembangkit listrik termal stasioner
Sejarah penciptaan	Pertama kali dipatenkan pada tahun 1860 oleh orang Prancis Lenoir; pada tahun 1878 sebuah mesin dengan efisiensi = 2% dibangun (penemu Jerman Otto dan insinyur Langen)	Dibuat pada tahun 1893 oleh insinyur Jerman R. Diesel

Lampiran 3

Diagram desain mesin jet

Deskripsi presentasi berdasarkan slide individual:

1 slide

Deskripsi slide:

Mesin panas. Efisiensi mesin panas. Peran mesin kalor dalam perekonomian nasional

2 geser

Deskripsi slide:

Mesin kalor adalah suatu alat yang mengubah energi dalam menjadi energi mekanik. Contoh mesin kalor: Mesin pembakaran dalam (ICE) a) Mesin karburator b) Mesin diesel c) Mesin jet Turbin uap dan gas. Apa itu mesin kalor?

3 geser

Deskripsi slide:

Mesin kalor pertama Siapa yang menemukannya dan kapan? Devi Papin adalah seorang fisikawan Inggris, salah satu penemu mesin uap. 1680 – Menemukan ketel uap pada tahun 1681. - Disediakan dia katup pengaman 1690 – Dia adalah orang pertama yang menggunakan uap untuk mengangkat piston dan menggambarkan siklus termodinamika tertutup dari mesin uap. 1707 – Memberikan deskripsi mesin Anda

4 geser

Deskripsi slide:

Siapa yang membangunnya dan kapan? Akhir abad ke-18 - mesin uap pertama dibuat. 1774 - Penemu Inggris James Watt membangun mesin uap universal pertama. Dari tahun 1775 hingga 1785, perusahaan Watt membangun 56 mesin uap. Dari tahun 1785 hingga 1795 – perusahaan yang sama telah memasok 144 mesin tersebut.

5 geser

Deskripsi slide:

Mobil uap pertama tahun 1770 Jean Cugnot - Insinyur Perancis, membuat kereta self-propelled pertama yang dirancang untuk memindahkan artileri

6 geser

Deskripsi slide:

"Adik laki-laki" - lokomotif uap 1803. – Penemu Inggris Richard Trevithick merancang lokomotif uap pertama. Setelah 5 tahun, Trevithick membangun lokomotif baru. mencapai kecepatan hingga 30 km/jam pada tahun 1816. – Karena tidak mendapat dukungan, Trevithick bangkrut dan bangkrut Amerika Selatan

7 geser

Deskripsi slide:

Peran yang menentukan 1781-1848 – Desainer dan penemu Inggris George Stephenson 1814 – Mulai membangun lokomotif uap. 1823 – Mendirikan pabrik lokomotif uap pertama di dunia pada tahun 1829. – Pada kompetisi lokomotif terbaik, lokomotif uap “Rocket” milik Stephenson menempati posisi pertama. Tenaganya 13 hp dan kecepatannya 47 km/jam.

8 geser

Deskripsi slide:

Mesin pembakaran internal 1860 – Mekanik Perancis Lenoir menemukan mesin pembakaran internal pada tahun 1878. – Penemu Jerman Otto merancang mesin pembakaran internal empat langkah. 1825 – Penemu Jerman Daimler menciptakan mesin pembakaran internal berbahan bakar bensin. Sekitar waktu yang sama, mesin bensin dikembangkan oleh Kostovich di Rusia.

Geser 9

Deskripsi slide:

Mesin diesel 1896 – Insinyur Jerman Rudolf Diesel merancang mesin pembakaran internal yang tidak mengompresi campuran yang mudah terbakar, melainkan udara. Ini adalah mesin kalor yang paling irit 1) beroperasi dengan bahan bakar murah 2) memiliki efisiensi 31-44% pada 29 September 1913. Saya menaiki kapal menuju London. Keesokan paginya dia tidak ditemukan di kabin. Dia diyakini bunuh diri dengan melompat ke perairan Selat Inggris pada malam hari.

10 geser

Deskripsi slide:

Mesin kalor dapat dirancang dengan cara yang berbeda-beda, tetapi dalam setiap mesin kalor pasti ada zat yang bekerja, atau benda yang berfungsi pekerjaan mekanis, pemanas tempat zat kerja menerima energi dan lemari es yang menghilangkan panas dari fluida kerja. Zat kerjanya dapat berupa uap air atau gas.

11 geser

Deskripsi slide:

12 geser

Deskripsi slide:

Efisiensi mesin kalor (mesin) Efisiensi mesin kalor (efisiensi) adalah perbandingan kerja yang dilakukan mesin dengan jumlah kalor yang diterima dari pemanas: Efisiensi setiap mesin kalor kurang dari satu dan dinyatakan dalam persentase. Ketidakmungkinan mengubah seluruh jumlah panas yang diterima dari pemanas menjadi kerja mekanis adalah harga yang harus dibayar untuk kebutuhan mengatur proses siklik dan mengikuti hukum kedua termodinamika. Apa itu?

Geser 13

Deskripsi slide:

Siklus Carnot. Efisiensi mesin kalor ideal Efisiensi tertinggi pada suhu tertentu pemanas Theat dan lemari es Tcol memiliki mesin kalor dimana fluida kerjanya memuai dan berkontraksi menurut siklus Carnot, grafiknya terdiri dari dua isoterm (2–3 dan 4 –1) dan dua adiabat (3–4 dan 1–2).

Geser 14

Deskripsi slide:

Dalam mesin kalor nyata, efisiensi ditentukan secara eksperimental kekuatan mekanik N mesin dan jumlah bahan bakar yang terbakar per satuan waktu. Jadi, jika dalam waktu t bahan bakar dengan massa m dan kalor jenis pembakaran q dibakar, maka untuk kendaraan karakteristik acuannya sering kali adalah volume V bahan bakar yang dibakar sepanjang jalur s pada daya mesin mekanis N dan kecepatan. Dalam hal ini, dengan mempertimbangkan massa jenis r bahan bakar, kita dapat menulis rumus untuk menghitung efisiensi:

15 geser

Geser 17

Deskripsi slide:

Efek rumah kaca adalah peningkatan konsentrasi karbon dioksida (produk pembakaran pada pemanas mesin panas) di atmosfer. Karbon dioksida mentransmisikan radiasi tampak dan ultraviolet dari Matahari, tetapi menyerap radiasi infra merah yang masuk ke luar angkasa dari Bumi. Hal ini menyebabkan peningkatan suhu lapisan bawah atmosfer, peningkatan angin topan, dan pencairan es global. Dampak langsung dari gas buang beracun margasatwa(karsinogen, kabut asap, hujan asam dari produk samping pembakaran). Penghancuran lapisan ozon selama penerbangan pesawat dan peluncuran roket. Ozon di bagian atas atmosfer melindungi seluruh kehidupan di bumi dari kelebihan radiasi ultraviolet Matahari. Konsekuensi lingkungan dari mesin panas

18 geser

Deskripsi slide:

Seseorang berencana membeli mobil untuk jangka waktu tiga tahun, tetapi tidak dapat memutuskan apakah akan membeli mobil bermesin diesel yang harganya $23.000, atau mobil bermesin bensin yang berharga $20.000. Kekuatan mobilnya sama dan sama dengan 100 kW. Dalam setahun, ia berencana menempuh jarak sekitar 10 ribu kilometer dengan mobil. Kecepatan rata-rata adalah 72 km/jam. Opsi pembelian mana yang lebih menguntungkan secara ekonomi? Harga per liter: solar 15 rubel, bensin 18 rubel. Massa jenis bensin 710 kg/m3 solar. bahan bakar 820kg/m3. Kalor jenis pembakaran masing-masing adalah 156*10^6 J/kg, 127*10^6. J/kg.

Saat ini, tidak mungkin untuk menyebutkan satu area aktivitas produksi manusia di mana instalasi termal tidak digunakan. Teknologi luar angkasa, metalurgi, pembuatan peralatan mesin, transportasi, energi, Pertanian, industri kimia, produksi produk makanan- ini bukan daftar lengkap sektor perekonomian nasional yang memerlukan penyelesaian masalah ilmiah dan teknis terkait instalasi pemanas.

Pada mesin kalor dan instalasi termal, panas diubah menjadi kerja atau kerja menjadi panas.

Turbin uap adalah mesin kalor yang energi potensial uapnya diubah menjadi energi kinetik, dan energi kinetik menjadi energi mekanik putaran rotor. Rotor turbin dihubungkan langsung dengan poros mesin yang bekerja, dapat berupa generator listrik, baling-baling, dan lain-lain.

Penggunaan mesin kalor dalam transportasi kereta api sangat besar, karena Dengan munculnya lokomotif diesel di perkeretaapian, pengangkutan sebagian besar barang dan penumpang ke segala arah menjadi lebih mudah. Lokomotif diesel muncul di Soviet kereta api lebih dari setengah abad yang lalu, atas inisiatif V.I. Lenin. Mesin diesel menggerakkan lokomotif diesel secara langsung, dan dengan bantuan transmisi listrik, generator arus listrik dan motor listrik. Pada poros yang sama dengan setiap lokomotif diesel terdapat generator arus searah. Dihasilkan oleh generator listrik memasuki motor traksi yang terletak pada poros lokomotif diesel. Lokomotif diesel lebih kompleks daripada lokomotif listrik dan biayanya lebih mahal, namun tidak memerlukan jaringan kontak atau gardu traksi. Lokomotif diesel dapat digunakan di mana pun rel kereta api dipasang, dan ini merupakan keuntungan besar. Diesel adalah mesin yang ekonomis; lokomotif diesel memiliki bahan bakar yang cukup jangka panjang. Untuk mengangkut kargo besar dan berat, truk-truk besar dibangun, sebagai gantinya mesin bensin yang lebih kuat muncul mesin diesel. Mesin yang sama beroperasi pada traktor, mesin gabungan, dan kapal. Penggunaan mesin tersebut sangat memudahkan pekerjaan manusia. Pada tahun 1897, insinyur Jerman R. Diesel mengusulkan mesin pengapian kompresi yang tidak hanya dapat dijalankan dengan bensin, tetapi juga dengan bahan bakar lainnya: minyak tanah, minyak. Mesinnya juga disebut mesin diesel.

Sejarah mesin kalor sudah ada sejak lama. Lebih dari dua ribu tahun yang lalu, pada abad ke-3 SM. era, mekanik dan matematikawan besar Yunani Archimedes membuat meriam yang ditembakkan menggunakan uap.

Ada ratusan juta mesin kalor di dunia saat ini. Misalnya, mesin pembakaran internal dipasang di mobil, kapal, traktor, perahu motor dll. Pengamatan bahwa perubahan suhu benda terus-menerus disertai dengan perubahan volumenya sudah ada sejak zaman dahulu kala, namun penentuan nilai absolut rasio perubahan ini hanya berlaku di zaman modern. Sebelum penemuan termometer, definisi seperti itu, tentu saja, tidak dapat dipikirkan, tetapi dengan berkembangnya termometri, studi yang akurat tentang hubungan ini menjadi mutlak diperlukan. Terlebih lagi, pada akhir abad ke-18 yang lalu dan awal abad ke-19 saat ini, banyak fenomena berbeda terakumulasi yang mendorong dilakukannya pengukuran yang cermat terhadap pemuaian benda akibat panas; hal-hal tersebut adalah: kebutuhan untuk mengoreksi pembacaan barometrik saat menentukan ketinggian, penentuan refraksi astronomi, pertanyaan tentang elastisitas gas dan uap, peningkatan penggunaan logam secara bertahap untuk instrumen ilmiah dan tujuan teknis, dll.

Pertama-tama, tentu saja, saya beralih ke definisi pemuaian udara, yang besarannya paling mencolok dan tampaknya paling mudah diukur. Banyak fisikawan segera menerima sejumlah besar hasil, namun beberapa di antaranya cukup kontradiktif. Amonton, untuk mengatur termometer normalnya, mengukur pemuaian udara ketika dipanaskan dari 0° hingga 80° R dan secara relatif akurat menentukan volume udara pada 0°. Sebaliknya, Nuge pada tahun 1705, dengan menggunakan alat yang sedikit dimodifikasi, pernah memperoleh angka dua kali lebih besar, dan di lain waktu memperoleh angka genap 16 kali lebih besar. La Hire (1708) juga menerima 1,5 dan bahkan 3,5 sebagai pengganti bilangan Amonton. Goakesby (1709) menemukan angka 0,455; Kryukius (1720) -- 0,411; Log -- 0,333; Bonn -- 0,462; Muschenbreck -- 0,500; Lambert (“Pyrometrie”, hal. 47) - 0,375; Delusi -- 0,372; I. T. Meyer - 0,3755 dan 0,3656; Saussure -- 0,339; Vandermonde, Berthollet dan Monge diterima (1786) - 0,4328. Priestley, yang memperoleh angka 0,9375 yang secara signifikan menyimpang dari angka sebenarnya untuk pemuaian udara, terlebih lagi berpendapat bahwa oksigen, nitrogen, hidrogen, asam karbonat, uap nitrat, klorida, sulfat, asam fluorida, dan amonia - semuanya berbeda dalam ekspansi mereka dari udara. G. G. Schmidt (“Green’s Neues Journ.”, IV, p. 379) memperoleh angka 0,3574 untuk pemuaian udara, untuk oksigen 0,3213, dan terakhir, untuk hidrogen, asam karbonat, dan nitrogen 0,4400, 0,4352, 0,4787 Duvernoy berpihak pada pendapat Priestley, namun secara umum berpendapat bahwa pemuaian gas tidak sepenuhnya sebanding dengan perubahan suhu.

Materi teori

Sejak zaman dahulu, manusia ingin terbebas dari upaya fisik atau kemudahan dalam menggerakkan sesuatu, agar memiliki kekuatan dan kecepatan lebih.

Legenda tercipta tentang karpet pesawat, sepatu bot tujuh liga, dan penyihir yang membawa seseorang ke negeri yang jauh dengan lambaian tongkat sihir. Saat membawa beban berat, orang menciptakan gerobak karena lebih mudah untuk digulingkan. Kemudian mereka mengadaptasi hewan - lembu, rusa, anjing, dan yang terpenting kuda. Beginilah munculnya gerobak dan gerbong. Di dalam gerbong, orang-orang mencari kenyamanan, semakin meningkatkannya.

Keinginan masyarakat untuk meningkatkan kecepatan juga mempercepat perubahan peristiwa dalam sejarah perkembangan transportasi. Dari bahasa Yunani "autos" - "self" dan bahasa Latin "mobilis" - "mobile", kata sifat "self-propelled", yang secara harfiah berarti "automobile", dibentuk dalam bahasa-bahasa Eropa.

Ini berlaku untuk jam tangan, boneka otomatis, untuk semua jenis mekanisme, secara umum, untuk segala sesuatu yang berfungsi sebagai semacam tambahan pada “kelanjutan”, “peningkatan” seseorang. Pada abad ke-18, mereka mencoba mengganti tenaga manusia dengan tenaga uap dan menerapkan istilah “mobil” pada kereta tanpa rel.

Mengapa usia mobil dimulai dari “mobil bensin” pertama dengan mesin pembakaran internal, ditemukan dan dibangun pada tahun 1885-1886? Seolah melupakan kru uap dan baterai (listrik). Faktanya adalah mesin pembakaran internal membuat revolusi nyata dalam teknologi transportasi. Untuk waktu yang lama ternyata menjadi yang paling konsisten dengan ide mobil dan karena itu mempertahankan posisi dominannya untuk waktu yang lama. Pangsa kendaraan dengan mesin pembakaran internal saat ini mencakup lebih dari 99,9% transportasi jalan raya global.<Приложение 1>

Bagian utama dari mesin kalor

Dalam teknologi modern, energi mekanik diperoleh terutama dari energi internal bahan bakar. Alat yang mengubah energi dalam menjadi energi mekanik disebut mesin kalor. Untuk melakukan kerja dengan membakar bahan bakar pada alat yang disebut pemanas, dapat digunakan silinder yang gasnya dipanaskan dan dimuai serta menggerakkan piston.<Приложение 3>Gas yang pemuaiannya menyebabkan piston bergerak disebut fluida kerja. Gas memuai karena tekanannya lebih tinggi daripada tekanan luar. Namun saat gas mengembang, tekanannya turun, dan cepat atau lambat tekanannya akan sama dengan tekanan luar. Kemudian pemuaian gas akan berhenti dan berhenti melakukan usaha.

Apa yang harus dilakukan agar pengoperasian mesin kalor tidak terhenti? Agar mesin dapat beroperasi terus menerus, piston, setelah gas mengembang, harus kembali ke posisi semula setiap kali, memampatkan gas ke keadaan semula. Kompresi suatu gas hanya dapat terjadi di bawah pengaruh gaya luar, yang dalam hal ini menghasilkan kerja (gaya tekanan gas dalam hal ini menghasilkan kerja negatif). Setelah itu, proses pemuaian dan kompresi gas dapat terjadi kembali. Artinya pengoperasian mesin kalor harus terdiri dari proses (siklus) ekspansi dan kompresi yang berulang secara berkala.

Gambar 1

Gambar 1 secara grafis menggambarkan proses pemuaian gas (garis AB) dan kompresi hingga volume aslinya (garis CD). Usaha yang dilakukan gas selama proses pemuaian adalah positif (AF > 0) dan secara numerik sama dengan luas gambar ABEF. Kerja gas yang dilakukan selama kompresi adalah negatif (sejak AF< 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).

Kehadiran pemanas, fluida kerja, dan lemari es merupakan kondisi mendasar yang diperlukan untuk pengoperasian siklus berkelanjutan dari setiap mesin kalor.

Efisiensi mesin panas

Fluida kerja, yang menerima sejumlah kalor Q1 dari pemanas, melepaskan sebagian dari jumlah kalor tersebut, sama dengan modulus |Q2|, ke lemari es. Oleh karena itu, usaha yang dilakukan tidak boleh lebih besar dari A = Q1 -- |Q2|. Perbandingan usaha ini dengan jumlah panas yang diterima oleh gas yang mengembang dari pemanas disebut efisiensi mesin kalor:

Efisiensi mesin kalor yang beroperasi dalam siklus tertutup selalu kurang dari satu. Tugas teknik tenaga termal adalah membuat efisiensi setinggi mungkin, yaitu menggunakan sebanyak mungkin panas yang diterima dari pemanas untuk menghasilkan kerja. Bagaimana hal ini dapat dicapai?

Untuk pertama kalinya, proses siklik paling sempurna, yang terdiri dari isoterm dan adiabat, dikemukakan oleh fisikawan dan insinyur Perancis S. Carnot pada tahun 1824.

Siklus Carnot.

Mari kita asumsikan bahwa gas ada di dalam silinder yang dinding dan pistonnya terbuat dari bahan tersebut bahan isolasi termal, dan bagian bawahnya terbuat dari bahan dengan konduktivitas termal yang tinggi. Volume yang ditempati gas sama dengan V1.

Gambar 2

Mari kita bawa silinder ke dalam kontak dengan pemanas (Gambar 2) dan biarkan gas mengembang secara isotermal dan melakukan kerja. Gas menerima sejumlah panas Q1 dari pemanas. Proses ini secara grafis diwakili oleh isoterm (kurva AB).

Gambar 3

Ketika volume gas menjadi sama dengan nilai tertentu V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.

Gas yang didinginkan sekarang dapat dikompresi secara isotermal pada suhu T2. Untuk melakukan ini, gas harus dikontakkan dengan benda yang memiliki suhu T2 yang sama, yaitu dengan lemari es, dan gas harus dikompresi oleh gaya eksternal. Namun, dalam proses ini gas tidak akan kembali ke keadaan semula – suhunya akan selalu lebih rendah dari T1.

Oleh karena itu, kompresi isotermal dibawa ke volume antara tertentu V2">V1 (isoterm CD). Dalam hal ini, gas melepaskan sejumlah panas Q2 ke lemari es, sama dengan kerja kompresi yang dilakukan padanya. Setelah ini , gas dikompresi secara adiabatik hingga volume V1, sedangkan suhunya naik menjadi T1 (DA adiabatik) Sekarang gas telah kembali ke keadaan semula, yaitu volumenya V1, suhu T1, tekanan p1, dan siklusnya dapat menjadi diulangi lagi.

Jadi, pada bagian ABC, gas melakukan usaha (A > 0), dan pada bagian CDA, usaha dilakukan pada gas (A< 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.

Hanya sebagian dari jumlah kalor QT yang diterima dari pemanas, sama dengan QT1- |QT2|, yang sebenarnya diubah menjadi kerja berguna. Jadi, pada siklus Carnot, usaha yang berguna adalah A = QT1 - |QT2|.