Чему равен кпд теплового двигателя: КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах

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.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

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

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

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.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

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

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

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.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

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.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

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).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).

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.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

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.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

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

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

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.

Тепловые двигатели. Второй закон термодинамики

1. Принцип действия и основные элементы теплового двигателя

В курсе физики основной школы вы уже познакомились с различными видами тепловых двигателей и их устройством. Тепловые двигатели сыграли большую роль в истории человечества и сохраняют огромное значение сегодня. Они движут автомобили, вращают турбины тепловых электростанций, разгоняют космические корабли.

Принцип действия теплового двигателя

Тепловые двигатели названы так потому, что в них сжигают топливо (например, газ или бензин) для получения высокой температуры. Она нужна для того, чтобы увеличить давление газа, который совершает работу при расширении (например, двигая поршень, соединенный передаточным механизмом с ведущими колесами автомобиля). Этот газ называют рабочим телом.

При расширении газу передается количество теплоты Q₁. На рисунке 43.1 график зависимости p(V) при расширении газа схематически показан красной линией. Как вы уже знаете, работа Aг, совершенная при этом газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Действие теплового двигателя имеет циклический характер, то есть представляет собой последовательность повторяющихся одинаковых процессов. Поэтому после того, как газ расширился, совершив работу, его надо сжать до прежнего объема, чтобы он снова смог совершить работу при следующем расширении.

Сжимая газ, надо совершать работу над газом. Чтобы двигатель совершал полезную работу, работа по сжатию газа должна быть меньше работы газа при его расширении. Для этого надо сжимать газ при меньшем давлении. А чтобы уменьшить давление газа, надо понизить его температуру, Для этого при сжатии надо охлаждать газ, то есть отбирать у него некоторое количество теплоты Q₂.

График зависимости p(V) при сжатии более холодного газа изображен на графике (рис. 43.2) синей линией. Работа A_внеш внешних сил, совершаемая при этом над газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).

Полезная работа A_пол совершенная двигателем за один цикл, равна разности работы газа A_г и работы внешних сил A_внеш:

A_пол = A_г – A_внеш.     (1)

Из этого соотношения следует, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах p, V. Она закрашена на рисунке 43.3.

? 1. Докажите, что

A_пол = Q₁ – Q₂.      (2)

Подсказка. Воспользуйтесь первым законом термодинамики и тем, что при возвращении в начальное состояние внутренняя энергия газа не изменилась.

Основные элементы теплового двигателя

Итак, тепловой двигатель состоит из следующих основных элементов (рис. 43.4).

• Нагреватель – сжигаемое топливо. Нагреватель имеет высокую температуру T₁ и при контакте с рабочим телом передает ему количество теплоты Q₁.
• Рабочее тело – обычно газ.
• Холодильник – обычно окружающий воздух или вода водоема. Температура T₂ холодильника ниже температуры нагревателя: T₂ < T₁. При контакте с рабочим телом холодильник отбирает у него количество теплоты Q₂.

2. Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя определяется отношением полезной работы двигателя к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Коэффициентом полезного действия η теплового двигателя называют выраженное в процентах отношение полезной работы A_пол, совершенной двигателем, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

η = (A_пол/Q₁) * 100%.     (3)

Из соотношения A_пол = Q₁ – Q₂ следует, что

η = ((Q₁ – Q₂)/Q₁) * 100%.     (4)

Поскольку переданное холодильнику количество теплоты Q₂ > 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.

? 2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?

Максимально возможный КПД теплового двигателя

Исследуя различные циклические процессы, французский ученый С. Карно доказал, что

максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя

η_max = ((T₁ – T₂)/T₁) * 100%.     (5)

В этой формуле T₁ – температура нагревателя, а T₂ – температура холодильника.

Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру T₁ нагревателя и понижая температуру T₂ холодильника. Какой способ более эффективен?

Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника T₂ не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить ее невозможно. Следовательно, единственно возможный путь – повышать насколько возможно температуру T₁ нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.

Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30–40 %.

? 3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 ºС, а температура холодильника 20 ºC?

3. Пример расчета КПД цикла

Вычисление КПД для циклов реальных тепловых двигателей требует использования высшей математики. Мы рассмотрим упрощенный циклический процесс a – b – c – d – a, происходящий с идеальным одноатомным газом (рис. 43.5).

Прежде чем начинать расчеты, проведем качественное рассмотрение.

? 4. В следующей таблице приведены качественные характеристики некоторых этапов указанного циклического процесса. Перенесите таблицу в тетрадь и объясните содержание заполненных ячеек таблицы. Заполните остальные ячейки.

Итак, мы видим, что газ получает от нагревателя некоторое количество теплоты только на этапах a – b и b – c.

Напомним теперь, что коэффициент полезного действия равен отношению полезной работы Aпол к полученному от нагревателя количеству теплоты Q. Мы установили,что это количество теплоты газ получил в процессе a – b – c.

Согласно первому закону термодинамики:

Q = A_г + ∆U,      (6)

где A_г и ∆U – работа газа и изменение его внутренней энергии в процессе a – b – c.

? 5. Чему равна работа газа Aг в процессе a – b – c?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что работа газа численно равна площади фигуры под графиком зависимости p(V).

Для нахождения изменения внутренней энергии газа воспользуемся формулой (§ 42):

U = (3/2)pV.

В состоянии с произведение давления газа на его объем равно 2p₀ * 2V₀ = 4p₀V₀, а в состоянии a это произведение равно p₀V₀. Следовательно,

∆U = 3/2 (4p₀V₀ – p₀V₀) = 9/2 p₀V₀.     (7)

? 6. Чему равно количество теплоты Q, полученное газом от нагревателя за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь формулой (6), результатом задания 4 и формулой (7).

Для нахождения КПД осталось найти полезную работу газа за один цикл.

? 7. Чему равна полезная работа газа за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах (p, V).

Теперь можно найти КПД данного цикла.

? 8. Чему равен КПД данного цикла?
Подсказка. Воспользуйтесь результатами заданий 5–7.

4. Второй закон термодинамики

Обратимые и необратимые процессы и явления Среди происходящих вокруг нас явлений есть такие, которые могут протекать практически одинаково как в прямом, так и в обратном направлении во времени – как в фильме, который показывают в обратном порядке, от конца к началу. Такие явления называют обратимыми.

Явления же, которые могут протекать только в одном направлении, называют необратимыми.

Практически обратимыми являются механические явления, в которых очень мала роль трения: например, колебания груза на нити или на пружине.

Если заснять их, а затем показывать фильм в обратном порядке, зрители не заметят «обращения времени»: им будет казаться, что они наблюдают реальный процесс.

Однако те механические явления, в которых трение играет существенную роль, являются необратимыми: если показывать фильм о таких явлениях в обратном порядке, зрители сразу же это заметят.

Например, при прямом показе фильма катящийся по траве мяч замедляется и останавливается, а при обратном показе лежащий на траве мяч вдруг ни с того ни с сего начинает катиться, причем с возрастающей скоростью.

Среди тепловых явлений также есть обратимые и необратимые. Например, при адиабатном сжатии и расширении газа (то есть при отсутствии теплопередачи) газ ведет себя подобно пружине: если надавить на поршень, под которым находится газ в теплоизолированном цилиндрическом сосуде, а затем отпустить поршень, то он начнет совершать колебания – как груз на пружине.

Однако те тепловые явления, в которых существенную роль играет теплопередача, нельзя рассматривать как обратимые даже приближенно, так как теплопередача направлена всегда в одну сторону – от горячего тела к холодному.

Поскольку трение или теплопередача в той или иной степени присутствуют в любом процессе, все происходящие в природе процессы являются необратимыми. Например, колебания груза, подвешенного на нити или на пружине, могут продолжаться довольно долго, но постепенно они затухают и в конце концов прекращаются.

Второй закон термодинамики

Необратимость процессов обусловлена тем, что более упорядоченное состояние вещества со временем переходит в менее упорядоченное. (Закономерность такого перехода обосновывается с помощью теории вероятностей, но это обоснование выходит за рамки нашего курса.)

Например, вследствие трения кинетическая энергия тела, движущегося как единое целое, превращается в энергию хаотического движения молекул. При теплопередаче упорядоченность также уменьшается: у тел с разной температурой молекулы «рассортированы» по энергиям (средняя энергия молекул одного тела больше средней энергии молекул другого тела), а после выравнивания температур средние энергии молекул обоих тел становятся одинаковыми.

Утверждение о необратимости процессов в природе называют вторым законом термодинамики. Есть несколько равноценных с физической точки зрения формулировок этого закона. Например, немецкий ученый Р. Клаузиус предложил такую формулировку:
невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.

В этой формулировке речь идет о передаче некоторого количества теплоты как единственном результате. Домашний холодильник осуществляет передачу тепла в обратном направлении – от холодных продуктов в морозильной камере к теплому окружающему воздуху, но при этом электродвигатель холодильника потребляет электроэнергию, которая вырабатывается на электростанции. Выработка же электроэнергии сопровождается необратимыми процессами. Поэтому охлаждение продуктов в морозильной камере – не единственный результат всего процесса.

5. Энергетический и экологический кризисы

Энергетический кризис понимают как недостаток энергии для развития промышленного производства. Он является сегодня одной из острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, то как ее может не хватать?
Дело в том, что энергетический кризис состоит прежде всего в недостатке энергии, пригодной для преобразования в механическую. Например, мы видели, что при работе тепловых двигателей происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию, которая затем превращается в энергию хаотического движения частиц. Это преобразование энергии является необратимым.

Запасы топлива на нашей планете неуклонно уменьшаются: например, разведанных запасов нефти при нынешнем темпе ее использования хватит всего на несколько десятилетий. Таким образом, энергетический кризис является следствием необратимости процессов, происходящих в природе и технике.

Не менее серьезной проблемой, стоящей перед человечеством, является экологический кризис.

Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

Во всех тепловых двигателях в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов). В результате происходит повышение температуры окружающей среды, называемое тепловым загрязнением (рис. 43.6).

Оно усугубляется тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. В результате атмосфера не пропускает в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. Из-за этого возникает так называемый парниковый эффект, вследствие которого температура может повыситься еще больше.

Ученые установили, что средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Одной из причин этого может быть работа большого и все возрастающего количества тепловых двигателей – в основном на электростанциях и в автомобилях. Это грозит глобальным потеплением с весьма нежелательными последствиями. К их числу относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется необходимый для жизни атмосферный кислород, а также образуются вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Качество воздуха в больших городах оставляет желать лучшего.

Чтобы смягчить негативные последствия работы тепловых двигателей, стараются максимально повысить их КПД и уменьшить выбросы вредных веществ.

Что такое тепловой двигатель? — Определение, виды, деривация эффективности

• • Классы
    • Класс 1 — 3
    • Класс 4 — 5
    • Класс 6 — 10
    • Класс 11 — 12
  • КОНКУРСЫ
    • BBS
    • 000000000000 Книги
      • NCERT Книги для 5 класса
      • NCERT Книги Класс 6
      • NCERT Книги для 7 класса
      • NCERT Книги для 8 класса
      • NCERT Книги для 9 класса
      • NCERT Книги для 10 класса
      • NCERT Книги для 11 класса
      • NCERT Книги для 12-го класса
    • NCERT Exemplar
      • NCERT Exemplar Class 8
      • NCERT Exemplar Class 9
      • NCERT Exemplar Class 10
      • NCERT Exemplar Class 11
      • NCERT Exemplar Class 12
      9000al Aggar Agard Agard Agard Agard Agulis Class 12
      • Решения RS Aggarwal класса 10
      • Решения RS Aggarwal класса 11
      • Решения RS Aggarwal класса 10
      90 003 Решения RS Aggarwal Class 9
      • Решения RS Aggarwal Class 8
      • Решения RS Aggarwal Class 7
      • Решения RS Aggarwal Class 6
      • Решения RD Sharma
        • Решения RD Sharma класса 9
        • Решения RD Sharma Class 7 Решения RD Sharma Class 8
        • Решения RD Sharma Class 9
        • Решения RD Sharma Class 10
        • Решения RD Sharma Class 11
        • Решения RD Sharma Class 12
      • ФИЗИКА
        • Механика
        • 000000 Электромагнетизм
      • ХИМИЯ
        • Органическая химия
        • Неорганическая химия
        • Периодическая таблица
      • МАТС
        • Теорема Пифагора
        • Отношения и функции
        • Последовательности и серии
        • Таблицы умножения
        • Детерминанты и матрицы
        • Прибыль и убыток
        • Полиномиальные уравнения
        • Делительные дроби
      • 000 ФОРМУЛЫ
        • Математические формулы
        • Алгебровые формулы
        • Тригонометрические формулы
        • Геометрические формулы
      • КАЛЬКУЛЯТОРЫ
        • Математические калькуляторы
        • S000
        • S0003
        • Pегипс Класс 6
        • Образцы документов CBSE для класса 7
        • Образцы документов CBSE для класса 8
        • Образцы документов CBSE для класса 9
        • Образцы документов CBSE для класса 10
        • Образцы документов CBSE для класса 11
        • Образец образца CBSE pers for Class 12
      • CBSE Документ с вопросами о предыдущем году
        • CBSE Документы за предыдущий год Class 10
        • CBSE Вопросы за предыдущий год Class 12
      • HC Verma Solutions
        • HC Verma Solutions Класс 11 Физика
        • Решения HC Verma Class 12 Physics
      • Решения Lakhmir Singh
        • Решения Lakhmir Singh Class 9
        • Решения Lakhmir Singh Class 10
        • Решения Lakhmir Singh Class 8
      • Примечания
      • CBSE
      • Notes
        CBSE Класс 7 Примечания CBSE
        • Класс 8 Примечания CBSE
        • Класс 9 Примечания CBSE
        • Класс 10 Примечания CBSE
        • Класс 11 Примечания CBSE
        • Класс 12 Примечания CBSE
      • Примечания пересмотра
      • CBSE Редакция
      • CBSE
      • CBSE Class 10 Примечания к пересмотру
      • CBSE Class 11 Примечания к пересмотру 9000 4
      • Замечания по пересмотру CBSE класса 12
    • Дополнительные вопросы CBSE
      • Дополнительные вопросы CBSE 8 класса
      • Дополнительные вопросы CBSE 8 по естественным наукам
      • CBSE 9 класса Дополнительные вопросы
      • CBSE 9 дополнительных вопросов по науке CBSE
      9000 Класс 10 Дополнительные вопросы по математике
      • CBSE Класс 10 Дополнительные вопросы по науке
    • Класс CBSE
      • Класс 3
      • Класс 4
      • Класс 5
      • Класс 6
      • Класс 7
      • Класс 8
      • Класс 9
      • Класс 10
      • Класс 11
      • Класс 12
    • Решения для учебников
  • Решения NCERT
    • Решения NCERT для класса 11
      Решения NCERT для физики класса 11
      • Решения NCERT для класса 11 Химия
      Решения для класса 11 Биология
      • NCERT Решения для класса 11 Математика
      9 0003 NCERT Solutions Class 11 Бухгалтерия
      • NCERT Solutions Class 11 Бизнес исследования
      • NCERT Solutions Class 11 Экономика
      • NCERT Solutions Class 11 Статистика
      • NCERT Solutions Class 11 Коммерция
    • NCERT Solutions для класса 12
      • NCERT Solutions для Класс 12 Физика
      • Решения NCERT для 12 класса Химия
      • Решения NCERT для 12 класса Биология
      • Решения NCERT для 12 класса Математика
      • Решения NCERT Класс 12 Бухгалтерский учет
      • Решения NCERT Класс 12 Бизнес исследования
      • Решения NCERT Класс 12 Экономика
      • N

,

Тепловая эффективность — Energy Education

Рисунок 1: Объем работы, выполняемый для данного количества тепла, дает системе ее тепловой КПД. ^[1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловая эффективность выражает долю тепла, которая становится полезной работой. Тепловая эффективность представлена ​​символом [math] \ eta [/ math] и может быть рассчитана с использованием уравнения:

[Математика] \ ETA = \ гидроразрыв {W} {Q_H} [/ математика]

Где:

[математика] W [/ математика] является полезной работой и

[math] Q_H [/ math] — суммарная тепловая энергия, поступающая от горячего источника. ^[2]

Тепловые двигатели часто работают с КПД от 30% до 50% из-за практических ограничений. Для тепловых двигателей невозможно достичь 100% теплового КПД ([математика] \ eta = 1 [/ математика]) в соответствии со Вторым законом термодинамики. Это невозможно, потому что некоторое количество отработанного тепла всегда производится тепловым двигателем, как показано на рисунке 1 термином [math] Q_L [/ math]. Хотя полная эффективность в тепловом двигателе невозможна, существует много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если на вход подается 200 джоулей тепловой энергии в виде тепла ([математика] Q_H [/ математика]), а двигатель выполняет 80 Дж ([математика] Вт [/ математика]), то КПД составляет 80 Дж / 200 Дж, что на 40% эффективнее.

Этот же результат можно получить, измеряя тепловую энергию двигателя. Например, если в двигатель залить 200 Дж и наблюдать 120 Дж отработанного тепла, то должно быть выполнено 80 Дж, что дает эффективность 40%.

Carnot Efficiency

основная статья

Существует максимальный достижимый КПД теплового двигателя, который был получен физиком Сади Карно.Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается

[математика] \ eta_ {max} = 1 — \ frac {T_L} {T_H} [/ математика]

Где

[математика] T_L [/ математика] — температура холодной «раковины» и

[математика] T_H [/ математика] — температура теплового резервуара.

Это описывает эффективность идеализированного двигателя, которого в действительности невозможно достичь. ^[3] Из этого уравнения: чем ниже температура приемника [math] T_L [/ math] или чем выше температура источника [math] T_H [/ math], тем больше работы доступно от теплового двигателя.Энергия для работы исходит из уменьшения общей энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для выполнения работы. ^[4]

для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Рекомендации

1. ↑ Эта фотография была сделана командой энергетического образования.
2. ↑ TPUB Механика двигателя.(4 апреля 2015 г.) Тепловая эффективность [Online]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
3. ↑ Hyperphysics, Carnot Cycle [Online], доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
4. ↑ Р. А. Хинрикс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, ч.4, с.Е., с.115

,

Тепловая эффективность — Простая английская Википедия, бесплатная энциклопедия

Тепловая эффективность ( η T час {\ displaystyle \ eta _ {th} \,} ) представляет собой безразмерную меру производительности теплового устройства, такого как, например, двигатель внутреннего сгорания, бойлер или печь.

Вход, Q я N {\ displaystyle Q_ {in} \,} к устройству относится тепло или теплосодержание топлива, которое потребляется.Желаемый результат — механическая работа, W о U T {\ displaystyle W_ {out} \,} или тепло, Q о U T {\ displaystyle Q_ {out} \,} или, возможно, оба. Поскольку потребляемая теплота обычно имеет реальные финансовые затраты, общее и общее определение теплового КПД составляет ^[1] .

η T час ≡ Вывод вход ,{\ displaystyle \ eta _ {th} \ equ {\ frac {\ text {Output}} {\ text {Input}}}.}

Из первого и второго закона термодинамики, выход не может превышать входной, поэтому

0 ≤ η T час ≤ 1,0. {\ displaystyle 0 \ leq \ eta _ {th} \ leq 1.0.}

Если выражено в процентах, тепловой КПД должен составлять от 0% до 100%.Из-за неэффективности, такой как трение, потеря тепла и другие факторы, тепловая эффективность, как правило, намного меньше, чем 100%. Например, типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД около 25%, а большая электростанция на угольном топливе достигает пика около 36%. В комбинированном цикле тепловая эффективность установки приближается к 60%.

При преобразовании тепловой энергии в механическую энергию тепловая эффективность теплового двигателя — это процент энергии, которая превращается в работу.Тепловая эффективность определяется как

η T час ≡ W о U T Q я N {\ displaystyle \ eta _ {th} \ equ {\ frac {W_ {out}} {Q_ {in}}}} ,

или через первый закон термодинамики, чтобы заменить отработанное тепловое излучение на произведенную работу,

η T час знак равно 1 — Q о U T Q я N {\ displaystyle \ eta _ {th} = 1 — {\ frac {Q_ {out}} {Q_ {in}}}} ,

Например, когда 1000 джоулей тепловой энергии преобразуется в 300 джоулей механической энергии (а оставшиеся 700 джоулей рассеиваются в виде отработанного тепла), тепловой КПД составляет 30%.

Для устройства преобразования энергии, такого как котел или печь, тепловая эффективность

η T час ≡ Q о U T Q я N {\ displaystyle \ eta _ {th} \ equ {\ frac {Q_ {out}} {Q_ {in}}}} ,

Таким образом, для котла, который производит мощность 210 кВт (или 700 000 БТЕ / ч) на каждые 300 кВт (или 1 000 000 БТЕ / ч) тепловой эквивалентной мощности, его тепловая эффективность составляет 210/300 = 0,70, или 70%. Это означает, что 30% энергии теряется для окружающей среды.

Электрический резистивный нагреватель имеет тепловой КПД, равный или очень близкий к 100%, поэтому, например, 1500 Вт тепла вырабатываются для 1500 Вт электрической мощности. При сравнении нагревательных элементов, таких как 100% эффективный электрический нагреватель сопротивления, с 80% эффективной топкой, работающей на природном газе, необходимо сравнить цены на энергию, чтобы найти более низкую стоимость.

Тепловые насосы, холодильники и кондиционеры, например, перемещают тепло, а не преобразуют его, поэтому для описания их тепловых характеристик необходимы другие меры. Общими показателями являются коэффициент эффективности (COP), коэффициент энергоэффективности (EER) и коэффициент сезонной энергоэффективности (SEER).

Эффективность теплового насоса (HP) и холодильников (R) *:
Е ЧАС п знак равно | Q ЧАС | | W | {\ displaystyle E_ {HP} = {\ frac {| Q_ {H} |} {| W |}}}

Е р знак равно | Q L | | W | {\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {| Q_ {L} |} {| W |}}}

Е ЧАС п — Е р знак равно 1 {\ displaystyle \ displaystyle E_ {HP} -E_ {R} = 1}

Если температуры на обоих концах теплового насоса или холодильника постоянны и их процессы обратимы:

Е ЧАС п знак равно T ЧАС T ЧАС — T L {\ displaystyle E_ {HP} = {\ frac {T_ {H}} {T_ {H} -T_ {L}}}}

Е р знак равно T L T ЧАС — T L {\ displaystyle E_ {R} = {\ frac {T_ {L}} {T_ {H} -T_ {L}}}}

 * H = высокая (температура / источник тепла), L = низкая (температура / источник тепла)
 

«Тепловая эффективность» иногда называется энергоэффективностью .В Соединенных Штатах при повседневном использовании SEER является наиболее распространенным показателем энергоэффективности для охлаждающих устройств, а также для тепловых насосов, когда они работают в режиме обогрева. Для нагревательных устройств с преобразованием энергии часто указывается их максимальный стационарный тепловой КПД, например, «эта печь эффективна на 90%», но более подробным показателем сезонной энергоэффективности является Годовая эффективность использования топлива (AFUE). ^[2]

1. × Основы инженерной термодинамики , Хауэлл и Бакиус, Макгроу-Хилл, Нью-Йорк, 1987
2. volume HVAC системы и оборудование том ASHRAE Справочник , ASHRAE, Inc., Атланта, Джорджия, США, 2004

,

Страница не найдена | MIT

Перейти к содержанию ↓

• образование
• Исследовательская работа
• новаторство
• Прием + помощь
• Студенческая жизнь
• Новости
• Alumni
• О MIT
• Больше ↓
  • Прием + помощь
  • Студенческая жизнь
  • Новости
  • Alumni
  • О MIT

Меню ↓ Поиск Меню О, похоже, мы не смогли найти то, что искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще! Что вы ищете? Посмотреть больше результатов

Предложения или отзывы?

,