Что такое кпд тепловой машины: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.
КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 313.
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 313.
Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).
Как устроен тепловой двигатель
С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.
Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.
Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.
Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:
Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T1. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).
Чему равен КПД теплового двигателя
Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:
$$η={А\over Q1}$$
Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда
$η ={1 – Q2\over Q1}$
Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).
Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя
В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.
Рис. 2. Цикл Карно:.Напомним:
- 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).
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).Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:
$$ηmax=1-{T2\over T1}$$
Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.
Какие реальные КПД у разных типов двигателей
Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.
Рис. 3. КПД реальных тепловых двигателей:.Что мы узнали?
Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T1 и холодильника Т2, тем больше КПД.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Диана Руслановна
6/10
Каспанов Александр
7/10
Алекс Свояков
8/10
Оценка доклада
4.2
Средняя оценка: 4.2
Всего получено оценок: 313.
А какая ваша оценка?
КПД тепловых машин, циклы — Служебный Дом
Физика > Подготовка к экзаменам > Задание 10. Влажность, теплота, КПД тепловой машины >
КПД тепловой машины связан с количеством теплоты, полученным за цикл от нагревателя, и количеством теплоты, отданным холодильнику, соотношением: КПД — формулаη=Qполезн./Qобщ.*100% КПД равен отношению полезного количества теплоты к полному её количеству. η=A/Qобщ.*100% A — работа. Полезная теплота (энергия) — энергия, израсходованная только на достижение поставленной цели (в общем плане). Полная энергия — общее количество затраченной энергии (то есть с учётом потерь на какие-либо факторы). Полная энергия (для тепловой машины) — сумма полезной энергии и энергии, и энергии, отданной холодильнику: Qполн.=Qполезн.+Qхол. Значит, полезная энергия равна разности полной энергии и энергии, отданной холодильнику: Qполезн.=Qполн.-Qхол. Тепловая машина с КПД выше 100% не может существовать. Если известен процент КПД, то количество теплоты можно рассчитать с помощью пропорций. зная лишь одну из составляющих теплоты и КПД, можно вычислить остальные составляющие. Проценты КПД прямо пропорциональны полезной работе. Например, если КПД тепловой машины равен 10% и эта машина машина совершила работу например в 20 ДЖ за цикл работы, то вся теплота (100%) равна 200 Дж, из которых 180 (90%) отдано холодильнику. Зависимость КПД от температурыТакже КПД зависит от температуры нагревательного элемента и холодильника: η=(Tн-Tх)/Tн — КПД равен отношению разности температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя. Надо учитывать, что температура холодильника не может быть выше температуры нагревателя, иначе тепловая машина не имеет смысла существования. При неизменной температуре холодильника, чем выше температура нагревателя, тем выше КПД, зависимость по гиперболе. При неизменной температуре нагревателя, чем выше температура холодильника, тем ниже КПД (здесь зависимость прямолинейная). Внутренняя энергия газа является функцией состояния газа, то есть зависит только от того, в каком состоянии находится газ. Если газ в результате циклического процесса возвращается в исходное состояние, изменение его внутренней энергии будет равным нулю. Если на диаграмме p-V площадь фигуры, ограниченной линиями циклического процесса отлична от нуля, то газ совершил работу. При циклическом процессе на диаграмме p-V, если газ совершил работу, значит суммарное количество полученной и отданной теплоты равно нулю, так как всё полученное количество теплоты послностью расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы газом. Газ при возвращении в исходное состояние имеет ту же внутреннюю энергию, так как она является функцией состояния, а значит, вся полученная энергия была потрачена на работу. КПД тепловой машины можно увеличить, уменьшив температуру холодильника или увеличив температуру нагревателя. На диаграмме p-V работа газа в результате циклического процесса соответствует площади внутри цикла. После совершения любого циклического процесса газ возвращается в первоначальное состояние. Внутренняя энергия является функцией состояния, а значит в результате совершения циклического процесса её изменение равно нулю. КПД тепловой машины линейно убывает при возрастании температуры холодильника. На диаграмме p-T газ не совершает работу, если прямая графика изменения его состояния проходит через начало координат, так как в этом случае объём не изменяется. Положительное количество теплоты самопроизвольно не может перейти от более холодного тела к более горячему. Нельзя создать циклический тепловой двигатель, с помощью которого можно энергию, полученную от нагревателя, полностью превратить в механическую работу. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что КПД не может равняться 100%. Второе начало термодинамики: КПД тепловой машины не может быть больше или равен 100%. Постулат Клаузиуса: «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тепло самопроизвольно может переходить только от более горячего тела к более холодному.». Постулат Томпсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара». Возможна передача энергии от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой путём совершения работы. Расширяясь, газ совершает положительную работу, а сжимаясь — отрицательную. Внутренняя энергия фиксированного количества одноатомного идеального газа зависит только от температуры: ΔU=(3/2)vRΔT. При адиабатическом процессе теплообмен отсутствует. Цикл Карно состоит из двух адиабат, изотермического сжатия и расширения. Внутренняя энергия газа изменяется на адиабатах, то есть на двух участках этого цикла. |
Новый тепловой двигатель без движущихся частей эффективнее паровой турбины | MIT News
Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловой двигатель без движущихся частей. Их новые демонстрации показывают, что он преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов, что лучше, чем у традиционных паровых турбин.
Тепловая машина представляет собой термофотоэлектрический (TPV) элемент, аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного добела источника тепла и преобразует их в электричество.
Проект команды может генерировать электроэнергию от источника тепла от 1,900 до 2400 градусов по Цельсию или примерно до 4300 градусов по Фаренгейту.
Исследователи планируют включить элемент TPV в тепловую батарею сетевого масштаба. Система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить эту энергию в сильно изолированных банках горячего графита. Когда необходима энергия, например, в пасмурные дни, элементы TPV будут преобразовывать тепло в электричество и передавать энергию в электросеть.
С новой ячейкой TPV команда успешно продемонстрировала основные части системы в отдельных небольших экспериментах. Они работают над интеграцией частей, чтобы продемонстрировать полностью работающую систему. Оттуда они надеются масштабировать систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью обезуглероженную энергосистему, полностью снабжаемую возобновляемой энергией.
«Термофотоэлектрические элементы стали последним важным шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией, — говорит Асегун Генри, профессор Роберта Н.
Нойса по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. «Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети».
Генри и его сотрудники опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature. Соавторами в Массачусетском технологическом институте являются Алина Лапотин, Кайл Бузницкий, Колин Келсолл, Эндрю Роскопф и Эвелин Ванг, профессор инженерии Форда и глава факультета машиностроения, а также Кевин Шульте и сотрудники NREL в Голдене, штат Колорадо.
Преодолеть разрыв
Более 90 процентов электроэнергии в мире производится из таких источников тепла, как уголь, природный газ, ядерная энергия и концентрированная солнечная энергия. В течение столетия паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования таких источников тепла в электричество.
В среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35 процентов тепла в электричество, при этом около 60 процентов представляют собой самый высокий КПД любого теплового двигателя на сегодняшний день.
Но механизм зависит от движущихся частей, температура которых ограничена. Источники тепла с температурой выше 2000 градусов по Цельсию, такие как система тепловых батарей, предложенная Генри, были бы слишком горячими для турбин.
В последние годы ученые изучают твердотельные альтернативы — тепловые двигатели без движущихся частей, которые потенциально могут эффективно работать при более высоких температурах.
«Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, поскольку в них нет движущихся частей», — говорит Генри. «Они просто сидят и надежно генерируют электроэнергию».
Термофотоэлектрические элементы предложили один из путей исследования твердотельных тепловых двигателей. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной шириной запрещенной зоны — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости.
Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может вытолкнуть электрон через запрещенную зону, где электрон затем может провести, и, таким образом, генерировать электричество — без движения роторов или лопастей.
На сегодняшний день эффективность большинства TPV-элементов достигла лишь около 20 процентов, а рекордная — 32 процента, поскольку они были сделаны из материалов с относительно узкой запрещенной зоной, которые преобразуют низкотемпературные фотоны с низкой энергией и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.
Ловля света
В своем новом дизайне TPV Генри и его коллеги стремились захватывать фотоны с более высокой энергией из источника тепла с более высокой температурой, тем самым более эффективно преобразовывая энергию. Новая ячейка команды делает это с материалами с большей шириной запрещенной зоны и несколькими соединениями или слоями материала по сравнению с существующими конструкциями TPV.
Ячейка изготовлена из трех основных областей: сплава с высокой шириной запрещенной зоны, который находится поверх сплава с чуть меньшей шириной запрещенной зоны, под которым находится зеркальный слой золота.
Первый слой захватывает фотоны с самой высокой энергией источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией, проходящие через первый слой, захватываются вторым и преобразуются для добавления к генерируемому напряжению. Любые фотоны, которые проходят через этот второй слой, затем отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, а не поглощаются в виде потерянного тепла.
Команда проверила эффективность ячейки, поместив ее над датчиком теплового потока — устройством, которое напрямую измеряет тепло, поглощаемое ячейкой. Они подвергали клетку воздействию высокотемпературной лампы и концентрировали свет на ячейке. Затем они меняли интенсивность лампы или температуру и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым им теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новый элемент TPV сохранял эффективность около 40 процентов.
«Мы можем добиться высокой эффективности в широком диапазоне температур, характерных для тепловых батарей», — говорит Генри.
Клетка в экспериментах размером около квадратного сантиметра. Генри предполагает, что для системы тепловых батарей масштаба сети ячейки TPV должны будут масштабироваться примерно до 10 000 квадратных футов (около четверти футбольного поля) и будут работать на складах с климат-контролем, чтобы получать энергию от огромных банков хранимых данных. солнечная энергия. Он указывает, что существует инфраструктура для производства крупномасштабных фотоэлектрических элементов, которые также могут быть адаптированы для производства TPV.
Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.
Поделиться этой новостной статьей:
Бумага
Статья: «Теплофотоэлектрическая эффективность 40%»
Упоминания в прессе
Gizmodo
Исследователи из Массачусетского технологического института создали высокоэффективный термофотоэлектрический элемент, который преобразует входящие фотоны в электричество, сообщает Кевин Херлер для Gizmodo.
«Мы разработали эту технологию — тепловые батареи — потому что хранение энергии в виде тепла, а не ее электрохимическое хранение, обходится в 10–100 раз дешевле», — объясняет профессор Асегун Генри.
Полная история через Gizmodo →
Наука
Группа исследователей из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии успешно добилась 30-процентного скачка эффективности термофотоэлектрической (TPV), сообщает Роберт Ф. Сервис для Наука . «[TPV] — это полупроводниковая структура, которая объединяет фотоны, испускаемые источником тепла, в электричество, подобно тому, как солнечный элемент преобразует солнечный свет в энергию», — объясняет Сервис.
Полная история через Science →
Ссылки по теме
- Асегун Генри
- Эвелин Ван
- Факультет машиностроения
- Инженерная школа
Тепловые двигатели
Тепловые двигатели Тепловой двигатель обычно использует энергию, полученную в виде тепла, для выполнения работы, а затем выбрасывает тепло, которое не может быть использовано для выполнения работы.
| Индекс Концепции тепловых двигателей | ||||
| Вернуться |
Термодинамика – это наука о взаимосвязях между теплотой и работой. Первый закон и второй закон термодинамики ограничивают работу тепловой машины. Первый закон представляет собой применение закона сохранения энергии к системе, а второй устанавливает пределы возможного КПД машины и определяет направление потока энергии.| Диаграммы давление-объем (PV) являются основным инструментом визуализации для
изучение тепловых двигателей.
| Индекс Концепции фотоэлектрических диаграмм Концепции тепловых двигателей | ||
| Вернуться |
Поскольку двигатели обычно используют газ в качестве
рабочего вещества, закон идеального газа связывает диаграмму PV с
температуры, так что три существенные переменные состояния газа
можно проследить по циклу двигателя. Так как работа совершается только тогда, когда
объем газа изменяется, диаграмма дает наглядную интерпретацию
работа сделана. Поскольку внутренняя энергия идеального газа зависит от его
температура, диаграмма PV вместе с температурами, рассчитанными по закону идеального газа, определяют изменения внутренней энергии газа
так что количество подведенного тепла можно оценить из первого закона термодинамики. Таким образом, диаграмма PV обеспечивает основу для анализа любой тепловой машины, которая
использует газ в качестве рабочего тела.
Тепловой двигатель обычно использует энергию, полученную в виде тепла, для выполнения работы, а затем выбрасывает тепло, которое не может быть использовано для выполнения работы. Термодинамика – это наука о взаимосвязях между теплотой и работой. Первый закон и второй закон термодинамики ограничивают работу тепловой машины. Первый закон представляет собой применение закона сохранения энергии к системе, а второй устанавливает пределы возможного КПД машины и определяет направление потока энергии. Общие тепловые двигатели могут быть описаны моделью резервуара (слева) или диаграммой PV (справа) | Концепции фотоэлектрических диаграмм Концепции теплового двигателя | |||
|
