Чему равен кпд теплового двигателя: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Второй закон термодинамики. Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Второе начало термодинамики – физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).

Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения.

Существуют несколько эквивалентных формулировок второго начала термодинамики:

• Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему» (такой процесс называется процессом Клаузиуса).

• Постулат Томсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара» (такой процесс называется процессом Томсона).

Эквивалентность этих формулировок легко показать. В самом деле, допустим, что постулат Клаузиуса неверен, то есть существует процесс, единственным результатом которого была бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тогда возьмем два тела с различной температурой (нагреватель и холодильник) и проведем несколько циклов тепловой машины, забрав тепло \(Q_1\) у нагревателя, отдав \(Q_2\) холодильнику и совершив при этом работу \(A=Q_1-Q_2\). После этого воспользуемся процессом Клаузиуса и вернем тепло \(Q_2\) от холодильника нагревателю. В результате получается, что мы совершили работу только за счет отъема теплоты от нагревателя, то есть постулат Томсона тоже неверен.

С другой стороны, предположим, что неверен постулат Томсона. Тогда можно отнять часть тепла у более холодного тела и превратить в механическую работу. Эту работу можно превратить в тепло, например, с помощью трения, нагрев более горячее тело. Значит, из неверности постулата Томсона следует неверность постулата Клаузиуса.

Таким образом, постулаты Клаузиуса и Томсона эквивалентны.

Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:

• «Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).

Такая формулировка основывается на представлении об энтропии как о функции состояния системы, что также должно быть постулировано.

Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно \(\eta\) («эта»). \(\eta= \frac{W_{пол}}{W_{cyм}}\). КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах. Математически определение КПД может быть записано в виде:

\(\eta = \frac AQ \cdot 100\%\), где А – полезная работа, а \(Q\) – затраченная энергия. В силу закона сохранения энергии КПД всегда меньше единицы или равен ей, то есть невозможно получить полезной работы больше, чем затрачено энергии.

КПД теплово́го дви́гателя – отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле:

\(\eta = \frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\cdot 100\%\),

где \(Q_1\) – количество теплоты, полученное от нагревателя, \(Q_2\) – количество теплоты, отданное холодильнику.

Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах горячего источника \(T_1\) и холодного \(T_2\), обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен

\(\eta =\frac {T_1-T_2}{T_1}.\)

Тест по физике Тепловые двигатели для 10 класса

Тест по физике Тепловые двигатели для 10 класса с ответами. Тест включает в себя 2 варианта. В каждом варианте по 5 заданий.

1 вариант

1. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и от дает холодильнику энер­гию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя?

А. 80%
Б. 72%
В. 20%

2. Чему равно максимальное значение КПД, которое мо­жет иметь идеальный тепловой двигатель с температурой нагревателя 527 °С и температурой холодильника 27 °С?

А. 95%
Б. 62,5%
В. 37,5%

3. На рисунке 32 изображен замкнутый процесс, совершенный с некоторой мас­сой идеального газа. Укажите, на каких стадиях процесса газ получал тепло.

А.1-2, 4-1
Б. 2-3, 3-4
В. 1-2, 3-4

4. В идеальном тепловом двигателе тем­пература нагревателя в 3 раза выше температуры холо­дильника. Нагреватель передал газу 40 кДж теплоты. Какую работу совершил газ?

А. 27 кДж
Б. 270 кДж
В. 2,7 кДж

5. Температуру нагревателя и холодильника теплового двигателя повысили на одинаковое число градусов. Как изменился при этом КПД двигателя?

А. Увеличился
Б. Уменьшился
В. Ответ неоднозначен

2 вариант

1. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энер­гию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя?

А. 70%
Б. 25%
В. 30%

2. Чему равно максимальное значение КПД, которое мо­жет иметь идеальный тепловой двигатель с температурой нагревателя 727 °С и температурой холодильника 27 °С?

А. 30%
Б. 70%
В. 96%

3. На рисунке 33 изображен замкнутый процесс, совершенный с некоторой мас­сой идеального газа. Укажите, на каких стадиях процесса газ отдавал тепло.

А.1-2, 4-1
Б. 2-3, 3-4
В. 1-2, 3-4

4. Температура нагревателя теплового двигателя 150 °С, а холодильника 25 °С. Определите работу, совершенную тепловым двигателем, если от нагревателя он получил 40 кДж энергии.

А. 11 кДж
Б. 24 кДж
В. 20 кДж

5. Температуру нагревателя и холодильника теплового двигателя понизили на одинаковое число градусов. Как изменился при этом КПД двигателя?

А. Увеличился
Б. Уменьшился
В. Ответ неоднозначен

Ответы на тест по физике Тепловые двигатели для 10 класса
1 вариант
1-В
2-Б
3-А
4-А
5-Б
2 вариант
1-В
2-Б
3-Б
4-А
5-А

Самостоятельная работа по теме: «КПД теплового двигателя»

Зная мощность и массу топлива, расходуемого за определенное время найти КПД тракторного двигателя, который развивает мощность 95 кВт и расходует за 2 часа 50 кг дизельного топлива.

Зная мощность и массу топлива, расходуемого за определенное время найти КПД всех двигателей реактивного самолета ИЛ 62, которые развивают мощность 30 МВт, если полного запаса топлива ТС-1 массой 82,5 т хватает на 10 часов непрерывного полета.

Зная мощность и массу топлива, расходуемого за определенное время найти КПД паровой турбины мощностью 500 МВт, которая за 0,5 часа расходует 87 т дизельного топлива.

Зная мощность и массу топлива, расходуемого за определенное время найти КПД карбюраторного двигателя автомобиля ЗИЛ-130, если удельный расход топлива равен 326 г/(кВт ч).

Зная мощность и массу топлива, расходуемого за определенное время найти КПД дизельного двигателя автомобиля КАМАЗ 5320, у которого удельный расход топлива равен 224 г/(кВт ч).

КПД идеального теплового двигателя 40%. Газ получил от нагревателя 5 КДж теплоты. Какое количество теплоты отдано холодильнику?

КПД идеального теплового двигателя 45%. Какова температура нагревателя, если температура холодильника 2 С?

КПД идеального теплового двигателя 35%. Газ получил от нагревателя 70 КДж теплоты. Какое количество теплоты отдано холодильнику?

КПД идеального теплового двигателя 25%. Какова температура нагревателя, если температура холодильника 22 С?

КПД идеального теплового двигателя 30%. Газ получил от нагревателя 10 КДж теплоты. Какое количество теплоты отдано холодильнику?

Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты 1000 Дж и отдает холодильнику 600 Дж. Чему равен КПД тепловой машины?

Каков КПД идеальной тепловой машины, если температура нагревателя равна 377 С, а температура холодильника 27 С?

Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты 200 Дж и отдает холодильнику 150 Дж. Чему равен КПД тепловой машины?

Каков КПД идеальной тепловой машины, если температура нагревателя 577 С, а температура холодильника 37 С?

Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты 400 Дж и отдает холодильнику 200 Дж. Чему равен КПД тепловой машины?

формула, чему равен термический, кратко и понятно

Что такое КПД 

Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика эффективности механизма преобразующего энергию. КПД обычно обозначается символом η, и представляет собой отношение полезной работы к полной работе.

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

Полезная работа — это та работа, которая требуется от данного механизма.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя подразумевает отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

В науку и технику определение КПД двигателя ввёл в 1824 году французский инженер Сади Карно. 

Понятие максимального значения

В силу закона сохранения энергии часть теплоты при передаче неизбежно теряется. Также часть энергии всегда отдается холодильнику. Вывод: невозможно получить полезной работы больше или столько же, сколько затрачено энергии.

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

Как устроен тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

• рабочего тела;
• нагревателя;
• холодильника.

В основе работы двигателя лежит циклический процесс.

Нагреватель с помощью, например, сгорания топливной смеси выделяет большое количество теплоты и передает ее рабочему телу.

Рабочее тело, например пар, газ или жидкость, при нагревании расширяется и совершает работу, к примеру, вращает турбину или перемещает поршень.

Холодильник нужен, чтобы вернуть рабочее тело в начальное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Таким образом обеспечивается цикличность, и тепловой двигатель работает непрерывно.

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно разработал французский физик С. Карно. 

Рабочая часть двигателя Карно — поршень в заполненном газом цилиндре. Двигатель Карно — идеальная машина, она возможна только в теории. Поэтому в ней силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю.

Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. При адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет контакта тел с разной температурой, поэтому исключена теплопередача без совершения работы. Такой цикл называют циклом Карно.

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0).

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q=A).

Функционирует двигатель Карно следующим образом:

1. Цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара тепло.
2. Цилиндр окружается теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется. Газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается. Газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией. Газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется, и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Примечание

Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД двигателя Карно.

Расчет коэффициента полезного действия

Формула для расчета КПД теплового двигателя:

\(ɳ=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\)

Где Q₁ — количество энергии, которую дает нагреватель; A — работу совершаемую рабочим телом; Q₂ — количество энергии, которая отдается холодильнику.

Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула приобретает следующий вид:

\(Elzrtln_k=\frac{T_1-T_2}{T_1}\)

Где T₁ — температура нагревателя; T₂ — температура холодильника.

Примечание

Формула Карно позволяет вычислить предельный (максимально возможный) КПД теплового двигателя.

Построение графика КПД теплового двигателя

Работа, которую производит рабочее тело, в циклическом процессе численно равна площади цикла на графике зависимости давления от объема. Если цикл проходит по часовой стрелке, работа численно равна со знаком «+», если против часовой, то со знаком «-».

Для построения такого графика необходимо:

1. Отложить объем рабочего тела (V) по оси абсцисс.
2. Отложить давление рабочего тела (p) по оси ординат.
3. Расположить на графике точки изотермы и адиабаты.

Для цикла Карно график будет выглядеть следующим образом:

Пример решения задачи

Задача № 1

Рассчитать КПД идеального теплового двигателя с температурой нагревания 1000º K и температурой холодильника равной 500° K.

Решение:

Применим формулу измерения КПД для идеального теплового двигателя: 

\(Elzrtln_k=\frac{T_1-T_2}{T_1}\)

T₁ = 1000

T₂ = 500

\(Elzrtln_k=\frac{1000-500}{1000}\)

\(Elzrtln_k=0,5\)

Ответ: КПД = 0,5

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.

КПД теплового двигателя — Технарь

Всякий тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, так как газ или пар, совершив работу, выходит из двигателя, обладая еще энергией.

Для оценки теплового двигателя очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, он превращает в полезную работу. Чем эта часть больше, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя (КПД).

Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, но всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Например, если двигатель из всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть, то говорят, что коэффициент полезного действия двигателя равен 1/4 или 25%, так как КПД обычно выражают в процентах.

КПД двигателя всегда меньше единицы, т. е. меньше 100%. Это следует из закона сохранения энергии. Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — около 30%.

Увеличение числа автомашин, особенно в городах, приводит к сильному загрязнению атмосферы выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Эти газы вредны для живых организмов, кроме того, они вызывают порчу ценных архитектурных сооружений.

Борьба с загрязнением атмосферы в настоящее время является серьезной государственной задачей.

Наиболее эффективный способ борьбы — замена двигателей внутреннего сгорания электрическими двигателями. Необходимые для этих машин источники тока должны обладать большими запасами энергии, над созданием таких источников тока работают ученые.

Чтобы, существующие автомашины меньше загрязняли воздух, их двигатели должны быть всегда исправны и работать на том виде топлива, на которое они изготовлены. За этим всем нам следует тщательно следить.

Вопросы.

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
2. Что называют КПД теплового двигателя?
3. Может ли двигатель иметь КПД, равный 100%? Почему?
4. Назовите коэффициенты полезного действия современных тепловых двигателей.

Задание.

Приготовьте доклады на темы:

1. История изобретения паровых машин.
2. История изобретения турбин.
3. Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
4. Достижения советской науки и техники в строительстве паровых турбин.
5. Использование энергии Солнца на Земле (прочтите об этом параграф в конце учебника).

КПД тепловых двигателей — online presentation

1. КПД тепловых двигателей

2. История ДВС

«Прадед» — Героновый
шар около 200 г. до н. э.
Пароход
1878 г.
«Отец» — паровая машина
Джеймса Уатта 1784 г.
Первый ДВС
1878 г.
Дизель
1897 г.
«Дед» — паровая машина
Ивана Ползунова-
Паровоз
1814 г.
Самолёт
1903 г.
Паровая
турбина
1887 г.
2. Какие устройства называются тепловыми двигателями?
3. Можно ли огнестрельное оружие отнести к тепловым
двигателям?
4. Можно ли человеческий организм отнести к тепловым
двигателям?
5. Почему ДВС не используются в подводных лодках
при подводном плавании?
6. Изменяется ли температура пара в турбине?
7. Все ли тепловые двигатели одинаково рентабельны?

4. Физический словарик.

Коэффициент (от лат.
coefficientis) обычно постоянная или
известная величина – множитель при
переменной или известной величине.
= (А / Q ) 100%
Физическая величина,
показывающая, какую долю
составляет совершаемая
двигателем работа от энергии,
полученной при сгорании
топлива, называется
коэффициентом полезного
действия теплового двигателя

6. КПД теплового двигателя

= (А / Q ) 100%
= А п/ Аз
= Qп/ Qз
ВСЕГДА!
Почему?
= Nп/ Nз
00%

7. Характеристики тепловых двигателей

Двигатели
Мощность, кВт
КПД, %
ДВС:
карбюраторный
дизельный
1 – 200
15 — 2200
25
35
Турбины:
паровые
газовые
3 105
12 105
30
27
Реактивный
3 107
80

8. Применение тепловых машин и проблемы охраны окружающей среды

•При сжигании топлива в тепловых машинах требуется
большое количество кислорода. На сгорание разнообразного
топлива расходуется от 10 до 25% кислорода, производимого
зелёными растениями.
•Тепловые машины не только сжигают кислород, но и
выбрасывают в атмосферу эквивалентные количества
двуокиси углерода (углекислого газа). Сгорание топлива в
топках промышленных предприятий и тепловых
электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому
происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи.
Сейчас во всём мире обычные энергетические установки
выбрасывают в атмосферу ежегодно 200 – 250 млн. т золы и
около 60 млн. т диоксида серы.
•Кроме промышленности воздух загрязняет и транспорт,
прежде всего автомобильный (жители больших городов
задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей).
Качественные задачи:
1. Один из учеников при решении получил ответ, что
КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли
решил ученик задачу?
2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это
число?
3. Может ли КПД теплового двигателя быть равен
1,8; 50; 4; 90; 100%?

10. Задача для любителей биологии

В организме человека насчитывается около 600
мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они
вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т.
считается, что при нормальных условиях работы человек
может развивать мощность 70 – 80 Вт, однако возможна
моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как
толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения
показали, что при прыжках в высоту с одновременным
отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины
развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700
Вт, а женщины – 2600 Вт.
КПД мышц человека равен 20%. Что это значит?
Какую часть энергии мышцы тратят впустую?
1.Тепловой двигатель за цикл
получает от нагревателя энергию,
равную 1000 Дж, и отдаёт
холодильнику энергию 800 Дж. Чему
равен КПД теплового двигателя?
2.Тепловой двигатель за цикл
получает от нагревателя энергию,
равную 1000 Дж, и отдаёт
холодильнику энергию 700 Дж. Чему
равен КПД теплового двигателя?

12. КПД теплового двигателя

= (А / Q ) 100%
= А п/ Аз
= Qп/ Qз
ВСЕГДА!
= Nп/ Nз
00%

Тепловая эффективность — Energy Education

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

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая превращается в полезную работу. Тепловой КПД представлен символом [math] \ eta [/ math] и может быть рассчитан с помощью уравнения:

[математика] \ eta = \ frac {W} {Q_H} [/ математика]

Где:

[математика] W [/ математика] — полезная работа и

[math] Q_H [/ math] — это общий подвод тепловой энергии от горячего источника. ^[2]

Тепловые двигатели часто работают с КПД от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% теплового КПД ([math] \ eta = 1 [/ math]) согласно Второму закону термодинамики. Это невозможно, потому что некоторое количество отработанного тепла всегда вырабатывается в тепловом двигателе, что показано на рисунке 1 термином [math] Q_L [/ math]. Хотя полная эффективность теплового двигателя невозможна, есть много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 джоулей тепловой энергии в качестве тепла ([math] Q_H [/ math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math] W [/ math]), то эффективность составляет 80J / 200J, что эффективность 40%.

Тот же результат может быть получен путем измерения отходящего тепла двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж, а отходящее тепло составляет 120 Дж, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основная статья

Физик Сади Карно определил максимально достижимую эффективность теплового двигателя.Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается

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

Где

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

[math] T_H [/ math] — это температура теплового резервуара.

Это описывает эффективность идеализированного двигателя, которая в действительности недостижима. ^[3] Из этого уравнения, чем ниже температура стока [math] T_L [/ math] или чем выше температура источника [math] T_H [/ math], тем больше работы доступно от теплового двигателя.Энергия для работы исходит от 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:

Список литературы

1. ↑ Это изображение было сделано командой Energy Education.
2. ↑ ТПУБ «Механика двигателей». (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
3. ↑ Hyperphysics, Cycle Carnot [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, глава 4, раздел E, стр 115

Произошла ошибка: SQLSTATE [42S22]: Столбец не найден: 1054 Неизвестный столбец «rev_user» в «списке полей»

термодинамика — Какова эффективность реальных тепловых двигателей?

Самые эффективные тепловые двигатели неизменно самые большие и самые медленные.Для паровой турбины «самая медленная работа» означает наличие множества ступеней турбины, так что работа извлекается из пара, поскольку он «медленно» расширяется на многих ступенях, выполняя небольшой объем работы против многих ступеней турбины. Высокая термическая стабильность очень большой системы означает, что может поддерживаться большая разница между верхней и нижней пластовыми температурами и, следовательно, высокий потенциальный КПД Карно. Эффективность поршневого двигателя обычно повышается, если он работает очень медленно: максимум один или два герца.

На странице Wiki Паровая Электростанция указана фактическая эффективность больших паровых электростанций от 33% до 48%. Предполагая, что паровая турбина может выпускаться при, скажем, 100 ° C (373K), если бы 48% были близки к КПД Карно, это означало бы верхнюю температуру резервуара $ T_ {max} $, определяемую как:

$$ 1- \ frac {T_ {min}} {T_ {max}} = \ eta \ Leftrightarrow T_ {max} = \ frac {T_ {min}} {1- \ eta} = \ frac {373} {1 -0,48} = 720 тыс. $$

Это несколько ниже того, до чего современные технологии могут перегреть пар; из статьи:

В Ганапати, «Пароперегреватели: конструкция и производительность», переработка углеводородов, июль 2001 г.

По моим оценкам, приблизительная температура 1300K (2000F) находится в пределах досягаемости лучистого перегревателя.Это означало бы эффективность Карно

.

$$ \ eta = 1- \ frac {T_ {min}} {T_ {max}} = 1- \ frac {373} {1300} = 71 \% $$

Таким образом, может показаться, что даже при такой высокой эффективности мы работаем несколько ниже эффективности Карно. На данном этапе было бы хорошо получить мнение энергетика, чтобы подтвердить некоторые из этих цифр.

Самый большой двигатель внутреннего сгорания на Земле — это Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, двухтактный четырнадцатицилиндровый монстр мощностью 750 МВт, который использовался для питания корабля Emma Maersk.В спецификациях производителя указывается термический КПД более 50%, который они явно определяют как результат работы, деленный на свободную энергию реакции горения топлива. Как мы видели выше, это означало бы верхнюю температуру резервуара порядка $ 700 тыс., Если бы она достигала КПД Карно, что все же несколько ниже, чем вероятная начальная температура продуктов сгорания.

Более внимательное прочтение цитированной выше ссылки на Ганапати и некоторые дополнительные размышления по этому интересному вопросу приводят к следующим комментариям.o {\ rm F} $), и это должна быть цифра, которую мы принимаем в качестве нашей верхней пластовой температуры. Я принимал температуру верхнего резервуара за температуру излучения в перегревателе ($ 1300 {\ rm K} $), полагая, что разница между температурой газа и температуры излучения является неэффективностью, которую необходимо учитывать. Однако, по-видимому, мы можем рассматривать печь как систему, которая закрыта, если не считать ввода тепла и выхода пара, и что никакая другая или немного другая энергия не теряется из системы печи.По совпадению, 850 $ {\ rm K} $ — это также температура, которую современные нержавеющие стали, используемые в лопатках турбин, могут выдерживать длительное время без ползучести (см. o {\ rm C} $: они герметизированы, и их более поздние ступени работают на ниже атмосферного давления .o {\ rm C} $: допустим, 300 тысяч долларов.

С этими цифрами потенциальный КПД нашей турбины по Карно составит:

$$ \ eta = 1- \ frac {T_ {min}} {T_ {max}} = 1- \ frac {300} {850} = 65 \% $$

, что для системы, находящейся на верхнем конце шкалы [оценок Википедии от $ 33 \% $ до $ 48 \% $] ((http://en.wikipedia.org/wiki/Steam-electric_power_station), подразумевает рабочая эффективность (производительность по сравнению с КПД Карно)

$$ 0,5 / 0,65 = 77 \% $$

Итак, я бы предположил, что это довольно хороший ответ и наиболее близок к тому ответу, который вы собираетесь получить на этом форуме, если мы не получим ответа от энергетика.Так что паровые турбины неплохо себя чувствуют. Интересно, что если мы воспользуемся «экспериментальной» формулой Новикова, которую вы процитировали, мы предсказываем эффективность в этих условиях

.

$$ 1- \ sqrt {\ frac {300} {850}} = 41 \% $$

, так что это немного пессимистично для современной паровой турбины, которая является образцом современного КПД в тепловых двигателях, с большим количеством исследований, которые используются для сложного компьютерного управления сверхкритическими перегревателями и печами.

термодинамика — Как эффективность теплового двигателя связана с энтропией, производимой в процессе?

Как эффективность теплового двигателя связана с энтропией, производимой в процессе?

Максимальный КПД для любого теплового двигателя, работающего между двумя температурами $ T_H $ и $ T_C $ — это КПД Карно, определяемый по формуле $$ e_C = 1 — \ frac {T_C} {T_H}.

$

Такой тепловой двигатель не производит энтропии , потому что мы можем показать, что энтропия , потерянная горячим резервуаром, в точности равна энтропии прироста холодного резервуара, и, конечно, энтропия системы в сети не соответствует не изменится, потому что система проходит цикл.

Любая тепловая машина, работающая между теми же двумя температурами, эффективность которой на меньше , чем $ e_C $, обязательно увеличивает энтропию Вселенной; в частности, должна увеличиваться общая энтропия резервуаров.Это увеличение энтропии резервуаров называется генерацией энтропии.

Наконец, КПД идеального двигателя обязательно меньше единицы, потому что энтропийный «поток» в систему из горячего резервуара должен быть по крайней мере , точно уравновешенный энтропийным «потоком» из системы в холодный. резервуар (потому что чистое изменение энтропии системы должно быть равно нулю в цикле), и это требует отвода тепла из системы в холодный резервуар. Тот факт, что $ e_C $ стремится к единице в пределе малых соотношений $ T_C / T_H $, является следствием того факта, что $ Q_C $ мало по сравнению с $ Q_H $.Это , а не , следствие того факта, что в данном случае генерация энтропии мала, поскольку генерация энтропии уже равна нулю для цикла Карно.

Давайте сначала сконцентрируемся на взаимодействии между системой и горячим резервуаром. Количество $ \ delta Q_H $ энергии поступает в систему из горячего резервуара, что означает, что энтропия системы изменяется на $$ \ mathrm dS_ \ text {sys} = \ frac {\ delta Q_H} {T_ \ text {sys}}, $$ и соответственно энтропия резервуара изменяется на $$ \ mathrm dS_ \ text {hot} = — \ frac {\ delta Q_H} {T_ {H}}.$$ Тогда несложно показать, что полное изменение энтропии системы плюс окружающая среда удовлетворяет $$ \ mathrm dS = \ mathrm dS_ \ text {hot} + \ mathrm dS_ \ text {sys} \ geq0, $$ равенство выполняется тогда и только тогда, когда система и окружающая среда обмениваются энергией посредством нагрева, когда они имеют равные температуры, $ T_ \ text {sys} = T_H $.

Как следствие, чтобы минимизировать производство энтропии (и фактически полностью обнулить ее) во время этого процесса, нам нужно $ T_ \ text {sys} = T_H $, и чистое изменение энтропии системы во время этого процесса может тогда быть написано как $$ \ Delta S_ \ text {sys} = \ int \ frac {\ delta Q_H} {T_ \ text {sys}} = \ frac {Q_H} {T_ {H}}, $$ поскольку мы предполагаем, что температура резервуара вообще не меняется во время цикла.

Теперь, поскольку система работает в термодинамическом цикле, и поскольку энтропия системы $ S_ \ text {sys} $ является переменной состояния (функция состояния / $ dS $ является точным дифференциалом и т. Д.), Должно быть верно, что $$ \ mathrm dS_ \ text {sys, cycle} = 0. $$ Следовательно, должен быть какой-то другой процесс, во время которого система выбрасывает количество энергии $ Q_C $ в какой-то другой резервуар посредством нагрева таким образом, чтобы изменение энтропии системы во время этого нового процесса было отрицательным по отношению к изменению энтропии системы, которое мы рассчитывали раньше.По тому же аргументу, что и выше, должно быть, что это изменение энтропии $$ \ Delta S_2 = — \ frac {Q_C} {T_C}, $$ где $ T_C $ — температура холодного резервуара.

Наконец, так как энтропия системы является переменной состояния, $$ 0 = \ Delta S + \ Delta S_2 = \ frac {Q_H} {T_H} — \ frac {Q_C} {T_C}. $$ Другой способ взглянуть на это уравнение состоит в том, что чистое изменение энтропии горячего резервуара отрицательно по сравнению с чистым изменением энтропии холодного резервуара во время цикла, и, следовательно, чистое изменение энтропии вселенной на равно нулю во время цикла. .

Теперь, похоже, ничто из этого не связано с тем фактом, что эффективность достигает 1, когда отношение $ T_C $ к $ T_H $ стремится к нулю. Это происходит следующим образом. Во-первых, чистый объем работы за один цикл равен $$ W_ \ text {out} = Q_H-Q_C, $$ и, следовательно, эффективность только что созданного двигателя составляет $$ e = \ frac {W_ \ text {out}} {Q_H} = 1 — \ frac {T_C} {T_H}, $$ после некоторой алгебры. Основываясь на наших расчетах, приведенных выше, это должен быть максимальный КПД для любого двигателя, работающего между этими двумя температурами.Однако, если мы изменим температуру, то мы сможем изменить эффективность. Причина, по которой эффективность повышается при понижении температурного отношения, заключается в том, что $ W_ \ text {out} $, являющийся разницей между тепловыми потоками, должен увеличиваться, если, скажем, мы понижаем $ T_C $ (потому что тогда $ Q_C $ понижается. вниз) или если мы поднимем $ T_H $ (потому что тогда $ Q_H $ поднимется).

В некотором смысле эта часть вообще не имеет ничего общего с энтропией, потому что с термодинамической точки зрения производство энтропии (то есть увеличение энтропии изолированной системы) является мерой того, сколько работы мы могли бы сделали бы , если бы мы сделали процесс обратимым, но мы уже разработали идеальный двигатель, работающий между этими двумя конкретными температурами, указанными выше, поэтому энтропия не может больше сказать.

КПД и тепловые двигатели

КПД и тепловые двигатели Тепловые двигатели Что такое тепловая машина? Это любое устройство, преобразующее тепло в полезную работу. Например, часть химической энергии угля выделяется при его сжигании на воздухе. Тепло от процесса сгорания можно использовать для нагрева воды в котле и привода турбины. Это, в свою очередь, заставляет генератор производить электричество. Передача энергии от химической энергии к электричеству не совсем эффективна.Некоторая энергия теряется на каждом этапе из-за потери тепла из системы. На схеме выше: Газы, выходящие из дымовой трубы, горячее, чем воздух, всасываемый системой. Вода для охлаждения конденсатора, сброшенная в реку, горячее, чем речная вода, поступающая в электростанцию, Все компоненты установки нагреваются и выделяют избыточное тепло за счет излучения. Любой двигатель, преобразующий тепловую энергию в работу, можно представить на схеме ниже.Максимальный объем работы — это тепло, отводимое двигателем. Это разница между произведенным теплом (Q h ) и отходящим теплом (Q c ). Если бы не было отработанного тепла, работа была бы равна произведенному теплу, а КПД, Вт / Q ч , был бы равен 1 или 100%. Максимальный КПД всегда меньше этого из-за второго закона. Разделив обе части приведенного выше уравнения на Q h , мы получим выражение для максимальной эффективности теплового двигателя: Мы можем связать эффективность с теплотой, производимой в двигателе, T h , и теплом, выделяемым в выхлопе, T c .Поскольку энтропия (Q / T) увеличивается Q c / T c > Q h / T h и Q c / Q h > T c / T h Итак, эффективность тепловой машины связана с температурой котла и температурой конденсатора на типичной электростанции (или любом другом типе тепловой машины). Вт / Q ч c / T h Типичный КПД тепловых двигателей Основываясь на приведенном выше уравнении, мы можем рассчитать максимальный КПД типовых электростанций и других тепловых двигателей, если мы знаем температуру двигателя / котла и температуру выделяемого газа или жидкого хладагента. угольная турбина, 40% Атомная турбина, 30% газовая турбина + паровая турбина, 80% двигатель внутреннего сгорания, 18-20% Назад Компас Таблицы Показатель Вступление Следующий

Тепловые двигатели и эффективность — стенограмма видео и урока

Эффективность теплового двигателя

Чтобы тепловой двигатель работал и продолжал работать, вы должны поддерживать горячий резервуар в хорошем состоянии. Это требует много энергии.Поэтому очень важно, чтобы тепловые двигатели были как можно более эффективными. Совершенно эффективный тепловой двигатель — это такой, в котором вся тепловая энергия, которую вы вкладываете для поддержания горячего резервуара, полностью передается на работу, а холодный резервуар вообще не поглощает энергию. Оказывается, в реальном мире этого не может быть. Некоторая тепловая энергия всегда теряется, и ни один процесс не является идеально эффективным.

Если мы хотим рассчитать КПД теплового двигателя, нам нужно выяснить, какая часть тепловой энергии, которую мы вкладываем в горячий резервуар, уходит на работу.Итак, это будет работа, Вт, , разделить на QH , тепло, которое мы вложили в тепловую машину. Если бы 100% энергии, которую мы вложили, ушло на работу, это было бы на 100% эффективным, и Вт было бы равно QH . Это означает, что W разделить на QH будет равно 1. Это десятичное число, поэтому 1 означает 100%. Если вам нужен процент, вы можете просто умножить его на 100.

Но что, если мы не знаем, сколько работы было извлечено? Что, если все, что мы знаем, — это сколько тепла было помещено в горячий резервуар и сколько тепла осталось в холодном резервуаре? В этом случае нам понадобится другое уравнение эффективности.Из-за сохранения энергии мы знаем, что энергия, которая поступает в тепловую машину, должна равняться энергии, которая уходит. Таким образом, QH должно быть равно W + QC . Если мы изменим это уравнение, чтобы сделать W объектом, мы увидим, что W (работа) равна QH — QC . Это имеет смысл, потому что в нем говорится, что работа, извлекаемая из теплового двигателя, равна разнице между энергией, поступающей из горячего резервуара, и энергией, которая выходит через холодный резервуар.Какая бы ни была разница между этими двумя числами, это энергия, которая была извлечена как работа.

Мы можем заменить QH — QC в наше предыдущее уравнение эффективности, и тогда мы увидим, что эффективность теплового двигателя также равна QH — QC , деленному на QH . Итак, в зависимости от того, какая информация нам предоставлена, мы можем использовать любое из этих двух уравнений для определения эффективности теплового двигателя.

Пример расчета

Хорошо, давайте рассмотрим пример.Допустим, вы пытаетесь выяснить, насколько эффективен двигатель вашего автомобиля. Вы измеряете, сколько газа используется, чтобы добраться до Гранд-Каньона, и сколько энергии в Джоулях; получается 2,4 миллиона джоулей. Затем вы измеряете тепло, выделяемое двигателем. Установив датчики с каждой стороны двигателя, вы оцените, что около 1,8 миллиона Джоулей тепла вышло из двигателя. Итак, теперь вам нужно использовать уравнение для расчета эффективности двигателя. У нас уже есть QH и QC , энергия, вложенная в тепловой двигатель, и потраченная впустую энергия, которая попадает в холодный резервуар (который в данном случае является просто окружающей средой).Итак, мы должны использовать второе уравнение. Нам просто нужно вставить наши числа и решить. Таким образом, мы получим 2,4 миллиона джоулей минус 1,8 миллиона джоулей, разделенных на 2,4 миллиона джоулей. Введите все это в калькулятор, и вы получите коэффициент полезного действия 0,25. Или, если вы хотите получить это в процентах, просто умножьте на 100, чтобы получить 25%.

Резюме урока

Второй закон термодинамики говорит нам, что тепло только самопроизвольно переходит из горячих мест в холодные, а не наоборот.Тепловой двигатель — это общий термин для любого двигателя, который использует эту передачу тепла для извлечения полезной работы; в большинстве случаев для создания физического движения. Так работают автомобильные двигатели, реактивные двигатели и оригинальные паровые двигатели.

Стандартная диаграмма теплового двигателя показывает нам этот процесс, а также некоторые элементы алгебры, которые мы используем для тепловых двигателей. Это хороший справочник при рассмотрении уравнений.

Сегодня мы узнали уравнения эффективности теплового двигателя. 100% эффективность будет означать, что все тепло, которое вы вложили, пошло на работу, а никакое не было отправлено в холодный резервуар, что невозможно в реальной жизни.Таким образом, уравнение эффективности представляет собой работу, Вт, , измеренную в Джоулях, деленную на вложенную энергию, QH , также измеренную в Джоулях. Если W = QH , то это дает вам 100% эффективность.

Сохранение энергии говорит, что энергия не создается и не разрушается; он только перемещается с одного места на другое. Это означает, что QH должно быть равно сумме W и QC . Или, другими словами, работа, извлекаемая тепловым двигателем, также равна разнице между QH и QC .Мы используем это, чтобы получить наше второе уравнение для эффективности теплового двигателя, которое составляет QH (измеряется в Джоулях) минус QC (измеряется в Джоулях), деленное на QH (также измеряется в Джоулях).

В зависимости от того, какую информацию нам дают в вопросе, мы можем использовать любое из этих уравнений для расчета эффективности теплового двигателя. Ответ будет десятичным, но если вы хотите процентную эффективность, просто умножьте на 100.

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

• Вспомните второй закон термодинамики
• Опишите, что такое тепловая машина
• Объясните, как работает тепловая машина
• Рассчитайте КПД теплового двигателя, используя уравнение КПД

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Чтобы преобразовать тепло в работу, нужно как минимум два места с разными температурами.Если взять в Q _{максимум} при температура T _{высокая} вы должны сбросить не менее Q _low при температура T _низкая . Объем работы, которую вы получаете от тепловой двигатель W = Q _{высокий} — Q _низкий . Максимальный объем работы, которую вы можете получить тепловой двигатель — это сумма, которую вы получаете из реверсивного двигателя.

W _макс = (Q _{высокий} — Q _низкий ) _{двусторонний} = Q _{высокий} — Q _{высокий} T _низкий / T _{высокий} = Q _{высокий} (1 — T _низкий / T _{высокий} ).

W положительно, если T _high больше, чем T _low .

КПД тепловой машины это отношение полученной работы к вложенной тепловой энергии при высоком температура, e = W / Q _high . Максимально возможное КПД е _макс такого двигателя

e _макс = W _макс / Q _{высокий} = (1 — T _низкий / T _{высокий} ) = (T _{высокий} — T _низкий ) / T _{высокий} .

---

Паровые двигатели

Паровая машина — это разновидность тепловой машины. Отнимает тепло от горячий пар преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает отдыхать в более холодном окружающем воздухе. Максимальная доля тепла которые можно превратить в работу, можно найти с помощью законов термодинамики, и она увеличивается с разницей температур между горячий пар и окружающий воздух. Чем горячее пар и чем холоднее воздух, тем эффективнее паровой двигатель перерабатывает тепло в работу.

В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри цилиндр. Горячий пар высокого давления вырабатывается в котле, и этот пар поступает в цилиндр через клапан. Оказавшись внутри цилиндр, пар выталкивается наружу на всех поверхностях, включая поршень. Поршень движется. Пар выполняет механическую работу на поршень и поршень выполняют механическую работу с прикрепленным оборудованием к нему. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии на это оборудование, поэтому пар становится холоднее во время работы оборудования.

Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха. В поршень может легко вернуться в исходное положение. Во многих случаях пар может введите другой конец цилиндра, чтобы пар толкал поршень обратно в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение начальная точка, клапан снова пропускает пар высокого давления в цилиндр и весь цикл повторяется.В целом тепло течет от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и некоторой части этого тепла превращается в механическую работу движущимся поршнем. В максимальный КПД паровой машины e _max = (T _пар — Т _воздух ) / Т _пар . Фактическая эффективность обычно намного ниже.

Ссылка: Паровоз (Youtube)

Задача:

Какой максимум возможный КПД паровой машины, забирающей тепло при 100 ^o C и сбросить его при комнатной температуре примерно 20 ^o ° C?

Решение:

• Рассуждение:
  Максимальный КПД любого теплового двигателя — это двигатель Карно.e _макс = (T _{высокий} — T _низкий ) / T _{высокий} .
• Детали расчета:
  100 ^o C = 373 K и 20 ^o C = 293 К. максимально возможный КПД
  (T _{высокий} — T _низкий ) / T _{высокий} = (373 — 293) / 373 = 0,21 = 21%.

---

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха. Самый распространенный тип — четырехтактный двигатель. Поршень скользит внутрь и из цилиндра. Два или более клапана позволяют подавать топливо и воздух поступает в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад внутри цилиндра объем, который могут занимать газы, изменяется кардинально.

Процесс преобразования тепла в работу начинается, когда поршень вытащили из цилиндра, расширив замкнутое пространство и позволив топливо и воздух поступают в это пространство через клапан.Это движение называется тактом впуска или ходом впуска . Далее топливо и воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в цилиндр. Это называется сжатием . ход . В конце такта сжатия с топливо и воздушная смесь сжимаются максимально плотно, свеча зажигания на запечатанном конце цилиндра загорается и воспламеняется смесь. Горячее горючее оказывает огромное давление и толкает поршень. из цилиндра.Этот рабочий ход обеспечивает мощность двигателя и связанного с ним оборудования. Наконец, сгоревший газ выдавливается из баллона через другой клапан в выпускном такте . Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там всегда по крайней мере один цилиндр проходит рабочий такт, и он может нести другие цилиндры посредством несильных ходов.В максимальный КПД такого двигателя e _max = (T _{зажигание} — Т _воздух ) / Т _{зажигание} где Т _{зажигание} — температура топливовоздушной смеси после воспламенения. К максимизировать топливную экономичность, вы должны создать максимально горячий топливно-воздушная смесь после зажигания. Наивысшая эффективность, имеющая достигнуто составляет примерно 50% от e _max .

Ссылка: интегральное сгорание двигатель (Youtube)

Задача:

Тепловой двигатель поглощает 360 Дж тепловой энергии и выполняет 25 Дж работы в каждый цикл.Найти
(а) КПД двигателя и
(б) тепловая энергия, выделяемая в каждом цикле.

Решение:

• Рассуждение:
  Объем работы, который вы получаете от теплового двигателя, составляет W = Q _{высокий} — Q _низкий .
  КПД e = W / Q _{высокий} .
• Детали расчета:
  Q _{высокий} = 360 Дж. W = 25 Дж. Q _низкий = Q _{высокий} — W = 335 Дж.
  (a) КПД e = W / Q _high = 6,9%.
  (b) Выбрасываемая тепловая энергия Q _low = 335 Дж.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Физика профессора Джорджа Смута 10 Class

---

Большинство двигателей, используемых в современном обществе, являются тепловыми двигателями. Сюда входят парогенераторы, автомобили, грузовики, многие локомотивы, холодильники, кондиционеры, тепловые насосы.

Первая зарегистрированная тепловая машина была сделана Героем Александра в 50 году нашей эры.

Первым крупным шагом на пути к механизации общества было изобретение паровой машины Джеймсом Ваттом в 1765/1769 году. С годами в паровой двигатель были внесены усовершенствования и модификации, и он стал главной движущей силой промышленной революции. По мере того, как паровая машина развивалась, становилась все более надежной и могущественной, интерес обратился к тому, чтобы сделать ее более эффективной. Важнейшим фактором стоимости является топливная экономичность, на которую инженеры потратили немало усилий.

Эффективность теплового двигателя определяется как выработка, деленная на затраченную энергию.
Эффективность = (Тренировка) / (Энергия на входе) = (Тренировка) / (Тепло на входе)
за счет сохранения энергии, это тоже
Эффективность = (Тепло на входе — Тепло на выходе) / (Энергия на входе) = 1 — (Тепло вых) / (вход тепла)

В 1824 году французский инженер Сади Карно (1796-1832) написал и опубликовал монографию под названием « Reflexions sur la Puissance motrice du Feu» (Размышления о движущей силе огня). В своем трактате Карно блестяще обосновал общие принципы эффективности тепловых двигателей.В лучших традициях французской картезианской школы (последователи / почитатели Рене Декарта) Карно исходил из простого предположения и вывел выводы, применимые практически ко всем двигателям.

Допущение Карно: Тепло не может быть получено при определенной температуре и преобразовано в работу без каких-либо других изменений в системе окружающей среды.
(Это эквивалентно другим формулировкам второго закона термодинамики, перечисленным ранее.)

Определение двигателя: двигатель работает в замкнутом цикле, периодически возвращаясь в исходное состояние в конце каждого цикла.Это преобразователь энергии, действующий как катализатор. В химической реакции катализатор работает, объединяясь с одним из начальных составляющих атомов или молекул и подвергаясь серии реакций, пока не образуется желаемое соединение и катализатор не высвобождается в своей исходной форме, чтобы начать свои действия заново. пыли.

Принципиальная схема стандартного теплового двигателя.

Карно подумал о том, каков будет абсолютный максимальный КПД теплового двигателя. Необходимо рассмотреть идеализированный тепловой двигатель.Нам нужно сделать то, что сделал Галилей, когда он подумал о движении без трения, положив начало пониманию движения. Идеализированный тепловой двигатель — это двигатель, который работает обратимо и не имеет внутреннего трения и неэффективности, кроме тех, которые являются фундаментальными. Под обратимым мы подразумеваем отсутствие изменений в системе (включая двигатель, две тепловые ванны и рабочую энергию), которые не могут быть отменены только бесконечно малым изменением. При движении без трения тело, которое очень слабо движется в одном направлении, может изменить свое направление на противоположное, приложив очень небольшой импульс.В идеальном реверсивном тепловом двигателе направление работы может быть изменено на противоположное с очень незначительными изменениями.

Принципиальная схема реверсивного теплового двигателя, работающего в прямом и реверсивном режимах охлаждения. По сути, так работает домашний тепловой насос.

Реверсивные тепловые двигатели

A имеют максимальный КПД

Это доказывается предположением, что существует сверхтепловой двигатель с большей эффективностью, и показом, что это противоречит предположению Карно.Рассмотрим случай, когда и реверсивный тепловой двигатель, и сверхтепловой двигатель отбирают одинаковое количество тепловой энергии из горячего резервуара. Если обратимый тепловой двигатель обеспечивает выработку W и отводит тепло Qc = Q — W в более холодный резервуар, то супертепловой двигатель выполняет работу Ws = W + DW — дополнительную работу для того же тепловложения, потому что он более эффективен — и нагревает Q = Q — W — DW в холодный резервуар. Обратите внимание, что сверхтепловой двигатель направляет меньше тепла в холодный резервуар, потому что его более высокая эффективность превращает больше исходного тепла в его дополнительную работу.Теперь, если мы запустим обратимый тепловой двигатель в обратном направлении, взяв W работы W + DW от сверхтеплового двигателя, чтобы он работал, вынимая Qc из холодного резервуара и помещая Q в горячий. Комбинированная работа двух двигателей не приводит к изменениям в горячем резервуаре, так как один забирает Q, а другой возвращает Q. Тепловая энергия забирается из холодного резервуара, поскольку реверсивный тепловой двигатель потребляет немного больше, чем супер-тепловой двигатель. вставляет, и это проявляется как дополнительная работа. Это получение тепла от единственного резервуара и включение его в работу без каких-либо других изменений противоречит предположению Карно.Таким образом, чтобы оставаться последовательным:
Ни один тепловой двигатель не может иметь КПД выше, чем реверсивный тепловой двигатель.

Все реверсивные тепловые двигатели имеют одинаковую эффективность при работе между двумя одинаковыми резервуарами температуры.

Это доказывается показом противоречия, если это не так. Мы настроили две тепловые машины для сравнения, работающие между одними и теми же двумя тепловыми резервуарами. Предположим, что один из них более эффективен, чем другой. Запустите менее эффективный двигатель задним ходом (как холодильник), используя часть работы более эффективного двигателя, которую менее эффективный двигатель мог бы производить при движении вперед.В этот момент чистый тепловой поток из горячего резервуара равен нулю, а разница в работе двух двигателей возникает из-за чистого тепла, отводимого из холодного теплового резервуара. Это противоречит предположению Карно. Таким образом, чтобы оставаться последовательным:
Каждый реверсивный тепловой двигатель, работающий между двумя одинаковыми температурными резервуарами, имеет одинаковую эффективность. Это означает, что независимо от того, как устроен реверсивный тепловой двигатель или какая рабочая жидкость, его эффективность такая же, как и у всех других тепловых двигателей, работающих при тех же двух температурах.

Эффективность реверсивной тепловой машины и термодинамическая шкала температур

Теперь мы можем пройти ряд аргументов, показывающих, что можно вывести взаимосвязь между эффективностью реверсивных тепловых двигателей, работающих между тремя различными температурными резервуарами. Рассмотрим случай, когда мы подключаем три тепловых двигателя, так что одна идет напрямую от резервуара T1 с самой высокой температурой к резервуару T3 с самой холодной температурой. Вторая тепловая машина подключается между тепловым резервуаром с самой горячей (T1) и средней (T2) температурой.Третий тепловой двигатель подключен между резервуаром средней (T2) температуры и резервуаром самой холодной температуры (T3). КПД двух работающих в тандеме должен быть равен КПД первого двигателя. В противном случае можно было бы организовать вещи так, чтобы какая-либо цепь имела наивысший КПД (большая часть работы для данного тепла, поступающего из самого горячего (T1) температурного резервуара, запускалась вперед, чтобы произвести работу, а часть этой работы использовалась для запуска другой цепи в обратном направлении, чтобы положить тепло в самый горячий резервуар.

Принципиальная схема реверсивных тепловых двигателей, работающих между тремя тепловыми резервуарами с разной температурой.

Таким образом, реверсивная система с двумя тепловыми двигателями, работающая между тремя резервуарами, будет иметь такой же КПД, как и один реверсивный тепловой двигатель, работающий между самым горячим и самым холодным резервуарами. Если первый и второй двигатель получают одинаковое тепло Q1 из самого горячего резервуара, то система с двумя реверсивными тепловыми двигателями преобразует ту же часть тепла в работу W13 = W12 + W23 и будет отклонять такое же тепло Q3 до самой низкой температуры ( Т1) тепловой резервуар.

Теперь мы можем использовать это и сохранение энергии, чтобы определить, сколько тепла отводится и удаляется из резервуара тепла средней температуры. Тогда мы сможем получить соотношение между эффективностями тепловых двигателей, работающих между различными температурами.

Подумайте, что происходит, когда мы запускаем третью обратимую тепловую машину в обратном направлении. Первый реверсивный тепловой двигатель, работающий вперед, плюс третий реверсивный тепловой двигатель, работающий назад, должны быть эквивалентны второму, работающему вперед.Работа W13 от первого теплового двигателя за вычетом работы, необходимой для запуска третьего теплового двигателя в обратном направлении, должна равняться работе второго теплового двигателя. В сочетании с сохранением энергии:
W13 — W32 = (Q1 — Q3) — (Q2 — Q3) = Q1 — Q2 = W12

Теперь у нас есть связь, позволяющая связать тепло, поглощаемое в точке T1, с теплом, передаваемым в точке T2, путем нахождения тепла, переданного до третьей температуры T3. В примере, который мы только что рассмотрели, если один реверсивный тепловой двигатель поглощает тепло Q1 при температуре T1 и доставляет тепло Q3 при температуре T3, то обратимый тепловой двигатель, который поглощает тепло Q2 при температуре T2, будет передавать такое же тепло Q3 до температуры T3.Мы находим эти отношения для полного ряда температур — тепло Qi, поглощенное при температуре Ti, будет отдавать такое же тепло Q3 при температуре T3. Нам нужно определить только одну температуру как стандартную. и мы можем соотнести тепло, отводимое обратимым тепловым двигателем, при любой другой температуре.

Если обратимый тепловой двигатель поглощает количество тепла Q при температуре T, то он доставляет количество Qs при нашей стандартной температуре Ts. Количество, которое он доставляет, определяется его эффективностью Карно.
КПД = 1 — (На выходе) / (На входе) = 1 — Qs / Q
или
Qs = (1 — КПД) Q
или, поскольку мы относим нашу эффективность к стандартной температуре Ts, КПД может зависеть только от температура T. А при фиксированном подводе тепла в резервуар при нашей стандартной температуре Ts тепло, выделяемое при температуре T, зависит только от этой температуры:
Q = Qs / (1-эффективность) = Qs F (T)

Теперь у нас есть все необходимое для определения шкалы температур.Если резервуар более горячий, то тепло, отводимое реверсивным двигателем, будет больше для фиксированного количества тепла, доставляемого до нашей стандартной температуры. Таким образом, F (T) и эффективность являются возрастающими функциями от температуры пласта. Лорд Кельвин (Уильям Томсон 1824-1907) предложил использовать это соотношение для определения новой шкалы температур на основе этого термодинамического определения, что F (T) = T / Ts, так что
Q = Qs T / Ts или Q / T = Qs / Ts
Деление на Ts приводит к тому, что тепло, отводимое от Ts, совпадает с теплом, возвращаемым обратно в Ts, поскольку предположение Карно состоит в том, что мы не можем отобрать тепло от одной температурной ванны и получить работу без каких-либо других изменений.Мы обнаружили, что для всех реверсивных тепловых двигателей существует соотношение что КПД равен единице минус отношение термодинамической температуры холодного резервуара (Tc) к термодинамической температуре горячего резервуара (Th)
КПД = 1 — Tc / Th
и
Q1 / T1 = Q2 / T2 = Q3 / T3 = константа = S.
Q = S T
Эта константа S получила название энтропия. Энтропия постоянна для обратимого процесса, но не для того, который не является.