Как можно повысить кпд тепловых двигателей: Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

Содержание

Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

Как повысить кпд двигателя внутреннего сгорания

Повышение КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС) интересует многих автолюбителей. Дело в том, что какую бы машину Вы не купили, всегда хочется иметь более мощный двигатель и ездить быстрее.

Как ни странно, но эти мечты осуществимы. Мощность двигателя можно увеличить. Кроме того можно изменить расход топлива и экологический класс вашего автомобиля.

Но начнём с простого. У бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) для воспламенения топливно-воздушной смеси используется свеча зажигания. У дизельного двигателя применяется форсунка.

Чтобы они более эффективно работали, обеспечивая хорошее воспламенение смеси, необходимо подавать на них высокую энергию.

Для дизельной форсунки важна не только конструкция (а конструктив важен и для свечи зажигания), но и давление питающего ее насоса. Для свечи бензинового ДВС важно напряжение, коммутируемое на первичную обмотку катушки зажигания. Поэтому насосы с повышенным давлением для дизельных форсунок и системы тиристорного зажигания для свечного поджига бензиновых моторов, повышают КПД и мощность двигателя.

ПОВЫШЕНИЕ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Если так просто повысить КПД двигателя, то почему этим не пользуются авто производители? Пользуются! Но только для коммерческих грузовиков и генераторов. Ведь у них КПД превышает 80%, при 60% у обычных. Стоя рядом с работающим грузовым автомобилем Volvo или Iveco, ощущается запах озона, а не дизельной гари. То же и с дизельными генераторами ведущих фирм.

Что касается автомобилей некоммерческих, тут есть две причины – обе, правда, коммерческие.

Первое – это очевидный корпоративный сговор о том, что легковой автомобиль не должен быть слишком экономичным. Ведь нефть нужно продавать. И если применяются технологии, снижающие расход топлива, то конечный потребитель сильно переплачивает за них в соответствии с ценой автомобиля.

Второе – это усложнение конструкции, которое также отражается на стоимости автомобиля, а последняя – на конкурентных качествах. Апологетами можно назвать Ford Mondeo (класс “C”) и Ford Ka (класс “A”), которые ухитрялись расходовать одинаковое количество бензина – 8 литров на 100 километров пробега. Как говорится, “почувствуйте разницу”. На “хитрые решения” наподобие повышения давления на насосе впрыска или тиристорного зажигания фирмы не идут по совокупности описанных двух факторов.

Итак, переходим к самому интересному: полезные хитрости. Естественно, что их применение требует дополнительных мер безопасности! Все должно делаться “правильными” руками, иначе возрастает риск возгорания автомобиля.

КАК ПОВЫСИТЬ КПД ДВИГАТЕЛЯ

Подгонка ТНВД- топливного насоса высокого давления. Он есть даже в системах с электронным управлением впрыска. С помощью установки нагнетающего насоса от бензиновой системы впрыска стоимостью около $100 можно получить до 10-16 Бар на входе в насос высокого давления.

Для профилактики преждевременного износа шестерен и плунжеров этого дорогостоящего агрегата стоит поставить насос подкачки с генератором тока. Обычная 20 Вт лампочка соединенная последовательно с мотором насоса дает ограничение давления на выходе 1 Бар. Это предотвращает сухое трение в вакуумных пузырях топлива при засорении топливного фильтра грязью или парафином.
Такая хитрость позволяет продлить срок жизни ТНВД, в особенности – там, где холодные зимы. Дело в том, что моторчик подкачки еще и подогревает солярку.

Существуют некоторые опасности при неправильной настройке. Это прорыв магистрали от насоса к входному фильтру ТНВД, так как рассчитана она на вакуумирование, а не на высокое давление. Соединения могут пропускать, а то и рассоединяться.

Кстати, наибольшее количество “убитых” ТНВД и плохого запуска дизельного двигателя, как раз и приходится на “подсос” воздуха во всасывающей магистрали топлива. А это даже в напорных трубопроводах при фланцевых соединениях имеет место быть (форвакуумный, или инжекторный эффект).

ЗАЖИГАНИЕ

По тиристорному зажиганию пишут много неправды про то, что искра сильнее, но короче. Это не так. Если на первичную обмотку катушки зажигания подаётся 300 вольт вместо 15, то вполне естественно, что при том же токе потребления в 5 ампер то же количество энергии будет израсходовано примерно за 1/20. На самом деле – около 1/10-1/5, в зависимости от конструкции LC контура и величины зазора.

Но никто же не ограничивает в мощности накачки в разумных пределах! И 15, и даже 30 ампер большинство электро систем автомобиля выдерживают: при 80 амперных генераторах можно себе позволить. Свечи, конечно, будут изнашиваться быстрее, но обычная толсто электродная свеча будет жить как высокотехнологичная.
Кстати, на двух электродных катушках зажигания она работает всего 5000 километров при условии смены полярности – электрод распыляется на одном полюсе катушки. И в качестве бонуса – 30% экономии топлива!

Почему важна продолжительная искра? Что происходит, если укоротить искру? Машина попросту не едет: сняли конденсатор с катушки зажигания, и мотор “не тянет”. Заводится, крутится вхолостую, а тяги нету даже чтобы тронуться. В цилиндрах происходит эффект вакуумной бомбы: один импульс поджигает небольшой шарик объема топлива, а дальше идёт процесс горения, а не фронтового воспламенения… “Бомба маленькая была”.

После ее подрыва вернувшаяся назад волна с уплотненным фронтом (эффект укладывания обломков в кучку на месте взрыва) не встречает дружественно поджигающей искры. Этот вариант аналогичен тому, когда дизельная форсунка не распыляет топливо. Крупные капли плохо горят.

ТЕРИСТОРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Поэтому было придумано много искровое тиристорное зажигание. В нем количество искр определяется количеством периодов накачивающего генератора в отведенный промежуток времени для поджига. Подбирать нужно к конструкции системы зажигания, объему цилиндра и конструкции поршня.

У BMW – купольные поршни, что является наилучшим вариантом. Отсюда и любовь владельцев “москвичей” к тиристорным системам зажигания. О обратный фронт очень быстро возвращается, и искра может быть короткой. Это – один из факторов “вечной жизни” свечей в старых моторах BMW.

Относительно обычного транзисторного зажигания, система получается намного сложнее и опаснее. Мало того, что такая искра способна ударить током, так и 300 вольт, подаваемые на первичную обмотку катушки зажигания, способны убить горе-специалиста автосервиса (а там, похоже, только такие остались).

Тем не менее, система зажиганию Common Rail по цене намного дороже и конструктивно сложнее. Вдобавок, эта система как правило сильно изнашивает поршневую. Но зато, это в духе современной коммерции: платите в кассы! А мы за это продадим вам призрачное преимущество – большую мощность двигателя при том же объеме. Неужели просто объем больше нельзя поставить, загнав его в нужный режим по крутящему моменту компьютером, как у BMW?

Чип тюнинг двигателя

Кроме того, что мы Вам рассказали, есть и самый простой способ повысить КПД двигателя. Увеличить мощность мотора любого автомобиля можно не только на бензиновом но и дизельном силовом агрегате. С этой целью используется Чип Тюнинг двигателя.

В обычном бензиновом двигателе, без турбо наддува, чип тюнингом можно добиться большего нагнетания горючей смеси в цилиндры. Изменить режимы работы различных систем. Можно экспериментировать с установкой более высоких углов опережения системы зажигания. Менять показатель ограничения количества оборотов и многое другое.

У турбированных моторах можно изменять максимальное давление и настройку момента запуска турбо наддува.

Чип тюнинг увеличивает мощность и крутящий момент бензинового атмосферного двигателя на 5–10 %. Это относится и к атмосферным дизельным моторам. Стоит заметить, что чип тюнинг турбированного дизельного двигателя позволяет увеличить его мощность на 20–25 %. Кроме того крутящий момент увеличивается до 30%.

Источник

Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q₂

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т₁, при этом он получает количество теплоты Q₁.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т₂. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q₂, сжимаясь до объёма V₄

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины:

Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т₁ — 800 К и Т₂ — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Источник

КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Великобритании и Израиля построили первый квантовый тепловой двигатель, эффективность которого превышает максимальную эффективность классического теплового двигателя. В качестве рабочего тела такого двигателя выступают два когерентных энергетических уровня NV-центра с наименьшей энергией, а в качестве тепловых резервуаров — возбужденные уровни. Работу, совершаемую двигателем, ученые измеряли с помощью микроволновых импульсов. Статья опубликована в

Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Классический тепловой двигатель превращает тепло в работу, периодически нагревая и охлаждая рабочее тело. В рамках классической термодинамики можно показать, что максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) среди тепловых двигателей обладает двигатель Карно, цикл которого состоит из периодов изотермического и адиабатического расширения и сжатия. На практике эффективность тепловых двигателей, работающих при сравнимых температурах нагревателя и холодильника, значительно ниже, чем у двигателя Карно. В частности, КПД паровых машин примерно в два раза меньше максимального достижимого КПД.

Теоретически эффективность теплового двигателя можно повысить за счет квантовых эффектов, которые не учитывает классическая термодинамика. Первыми такую возможность рассмотрели около шестидесяти лет назад физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), которые связали эффективность трехуровневого мазера с эффективностью цикла Карно. А в 2015 году группа физиков под руководством Раама Уздина (Raam Uzdin) наконец разработала схему квантового двигателя, эффективность которого превышает эффективность цикла Карно. Для этого ученые рассмотрели двигатель, который работает в так называемом режиме малого действия (small-action limit), то есть совершает за цикл работу, малую по сравнению с постоянной Планка. В этом режиме корреляции между энергетическими уровнями двигателя играют важную роль, а потому могут существенно повысить его эффективность. Впрочем, подтвердить это предположение на практике физики не смогли.

Группа ученых под руководством Джеймса Клатцова (James Klatzow) наконец проверила предположение группы Уздина и построила квантовый двигатель, эффективность которого превышает эффективность классического двигателя, работающего в тех же условиях. Чтобы построить такой двигатель, физики использовали NV-центры — точечные дефекты алмаза, которые возникают при замещении атома углерода атомом азота. С одной стороны, такой центр ведет себя как водородоподобный атом; с другой стороны, заселенность его энергетических уровней удобно контролировать и измерять с помощью вспышек лазера. Во внешнем магнитном поле NV-центр можно рассматривать как когерентный магнитный двигатель, в котором два уровня с самой низкой энергией выступают в качестве рабочего тела, а возбужденные уровни моделируют тепловые резервуары с разными температурами. Чтобы связать рабочее тело с тепловыми резервуарами и извлечь из него работу, ученые светили на NV-центр оптическим и микроволновым лазером. Кроме того, ученые контролировали когерентность двух квантовых состояний рабочего тела в начале каждого цикла, изменяя продолжительность «теплового» лазерного импульса.

Схема эксперимента (a) и фотография установки (b)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Схема квантового теплового двигателя, основанного не NV-центре во внешнем магнитном поле

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

В этой схеме ученые реализовали три типа квантовых тепловых двигателей: непрерывный, двухфазный и четырехфазный. В двигателе первого типа передача тепла и связь с тепловыми резервуарами происходит одновременно и непрерывно; этот режим больше всего напоминает квантовый двигатель Сковила-Шульца. В двигателе второго типа извлечение работы отделено от передачи тепла, однако связь с холодным и горячим резервуарами происходит в одно и то же время. Наконец, в двигателе третьего типа все операции производятся последовательно (как в двигателе Карно). В классическом пределе это устройство переходит в двигатель Отто. Все три двигателя работали в режиме малого действия, то есть произведение продолжительности цикла и средней работы, которая в течение него производилась, было много меньше постоянной Планка.

Схема непрерывного, двухфазного и четырехфазного двигателей. Красные и синие стрелки обозначают связь с «горячим» и «холодным» тепловым резервуаром, оператор U — извлечению работы

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Наконец, физики измерили мощность квантовых двигателей и среднее количество работы, которое они совершали за один цикл. Оказалось, что в режиме малого действия и когерентных энергетических уровней рабочего тела все три двигателя были термодинамически эквивалентны, то есть совершали одинаковое количество работы. Более того, их эффективность превышала предельную эффективность классического теплового двигателя, который работал в тех же условиях. По оценкам ученых, расхождение между КПД, измеренном в этом режиме, и «максимальным» КПД составляло 2,4 сигма (p-value

Мощность когерентного двухфазного двигателя (a) и средняя работа, совершаемая за цикл (b), в зависимости от длины «тепловой» фазы, разрушающей когерентное состояние. Красными точками отмечены данные эксперимента, красной линией — теоретическая зависимость. Для сравнения приведены теоретические ограничения на аналогичные параметры классического теплового двигателя (синяя линия)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Авторы статьи замечают, что построенный ими квантовый тепловой двигатель пока еще очень сложно применять на практике. В частности, потому, что совершаемая им работа «пропадает впустую» и измеряется только косвенно. Тем не менее, физики надеются, что их работа заинтересует других исследователей, которые построят более совершенные квантовые тепловые двигатели. Кроме того, ученые надеются, что их статья поможет разобраться, как работают природные микроскопические тепловые двигатели, например фотосинтетический аппарат.

Стоит отметить, что на архив электронных препринтов физики выложили работу еще в октябре 2017 года. Поэтому, несмотря на то, что до рецензируемого журнала она добралась только на этой неделе, ее уже успели процитировать в 13 новых статьях.

В ноябре 2017 года физики из Бразилии и Германии обнаружили, что корреляции между квантовыми состояниями могут «нарушить» второй закон термодинамики. Для этого ученые скоррелировали спины двух атомов, находящихся в тепловых состояниях с разными температурами, и показали, что в такой системе тепло течет от «холодного» атома к «горячему», а энтропия системы уменьшается. Впрочем, второй закон термодинамики это не нарушает, поскольку взаимная информация атомов в ходе процесса уменьшается, а «суммарная разупорядоченность» в целом растет.

Дмитрий Трунин

Принципы действия тепловых маших. КПД тепловых машин

Цели урока:

Расширить представления учащихся о коэффициенте полезного действия, способы его определения для идеальной и реальной тепловых машин, пути его повышения.
Экологические аспекты применения тепловых машин.
Расширить представления о разных видах тепловых машин.

Оборудование к уроку: LCD проектор, компьютер, таблица с циклом Карно.

Учащиеся заранее получают задания по подготовке электронных презентаций о С. Карно и по разным видам тепловых двигателей: внутреннего сгорания, дизельного, паровой турбины, турбореактивного двигателя и т.д.

Ход урока

Актуализация знаний учащихся в виде устного фронтального опроса.

В чем состоит 1 закон термодинамики?

В чем смысл 2 закона термодинамики?

Из каких основных частей состоит любая тепловая машина? Охарактеризуйте роль каждой из этих частей?

Какие виды тепловых машин вы знаете?

Что называется коэффициентом полезного действия и что он характеризует?

Объяснение нового материала:

Любая машина, устройство можно характеризовать такой величиной как коэффициент полезного действия. Как можно определить эту величину для тепловой машины? Какова полезная работа в тепловой машине? Для этого можно вспомнить геометрический смысл работы.

Это площадь фигуры под графиком в системе координат (р,V). За один замкнутый цикл полезная работа будет численно равна площади фигуры, ограничивающей заданный цикл. Чем больше будет площадь этой фигуры, тем больше будет полезная работа. Что же затрачивается в этом случае? Это количество теплоты, полученное газом от нагревателя Qн. Тогда коэффициент полезного действия будет равен:

; .

Для реальных тепловых двигателей коэффициент полезного действия равен из-за разного рода энергетических потерь приблизительно равен 40%, Максимальный КПД — около 44%-имеет двигатели внутреннего сгорания. Можно ли повысить коэффициент полезного действия? Из-за того, что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД не может равняться единице. Чему же может быть равен максимально возможный КПД теплового двигателя с температурой нагревателя Т1 и температурой холодильника Т2? Ответ на этот вопрос дал французский инженер и ученый Сади Карно. ( презентация о С. Карно). Им была предложена тепловая машина, в которой осуществляется замкнутый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, проводимый с идеальным газом. Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1, получая при этом от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре Т2. Газ отдает при этом процессе холодильнику количество теплоты Q2. Далее газ сжимается адиабатно и возвращается в исходное состояние. Работа, совершаемая газом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины:

Эта формула дает теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД будет равен 1.

Температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышение температуры нагревателя ограничивается теплостойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливают цилиндры и поршни двигателей. Пути повышения КПД инженеры видят в уменьшении трения в частях двигателей и потерь топлива вследствие его неполного сгорания. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Основные проблемы, связанные с использованием тепловых машин:

Постепенное уменьшение кислорода в атмосфере.
Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли и, как следствие повышение температуры атмосферы (парниковый эффект)
Загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека, флоры и фауны.

Проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей, являются глобальными для всей планеты. Для их решения необходимо проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобилей на сжиженный газ в качестве топлива, а для бензиновых двигателей разрабатывается переход на топливо стандарта «Евро 4» и «Евро 5». Обсуждается возможность использования в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода. В настоящее время практически все мировые автопроизводители разработали машины с электрическими двигателями, которые возможно в будущем заменят тепловые двигатели.

Закрепление.

Тепловой двигатель произвел работу, равную 700 Дж. При сжигании топлива в нем выделилось количество теплоты 3000 Дж. Чему равен коэффициент полезного действия этого двигателя?
А. 7%; Б. 23%; В. 30%; Г. 11,5%.
Тепловая машина с КПД 4% выполняет полезную работу 3кДж. Какое количество теплоты машина получает от нагревателя?
А. 0,75 кДж; Б. 7,5 кДж; В. 75 кДж; Г. 750 кДж.
В камере сгорания ракетного двигателя температура равна 3000 К. Коэффициент полезного действия такого двигателя теоретически может достигнуть значения 70%. Определите температуру струи газа, вытекающей из сопла двигателя.
А. 10000 К; Б. 2100 К; В. 900 К; Г. 4300 К.
При разработке нового автомобиля необходимо решать экологическую проблему…
А. увеличения мощности двигателя;
Б. уменьшения токсичности выхлопных газов;
В. Улучшения комфортности салона;
Г. уменьшения мощности двигателей.
Ответы: 1. Б; 2. В; 3. В; 4.Б.

Домашнее задание: п. 84, упр.15(15,16)

Презентация.

Что такое эффективность. Какой КПД электродвигателя? Как повысить эффективность электродвигателя

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

«Физика — 10 класс»

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя .

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 .

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А» = Q 1 — |Q 2 | , (13.15)

где Q 1 — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А», совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма V 4

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 — 800 К и Т 2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

– это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Подробнее о потерях

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

У какого двигателя самый большой КПД?

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

О топливной эффективности дизеля

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

Решетникова Любовь Владимировна, преподаватель физики ГАОУ СПО «Еланский аграрный колледж» Волгоградской области

Принципы действия тепловых двигателей. Двигатель внутреннего сгорания.

Цели урока:

Образовательные:

1.Изучить принцип действия тепловых двигателей.

2.Выяснить способы увеличения КПД теплового двигателя.

3.Рассмотреть практическое применение ДВС.

4.Сформировать умение решать задачи с практической направленностью.

Развивающие:

1.Развивать познавательную активность, логическое мышление, исследовательские навыки, интерес к предмету.

2.Уметь применять теоретические знания в решении нестандартных задач с практической направленностью.

Воспитательные:

1.Воспитание чувства ответственности, трудолюбия в процессе решения задач.

2.Развивать умение работать с дополнительной литературой.

3.Способствоватьразвитию умения самостоятельной работы с учебником.

Оборудование:

Компьютер, мультимедийный проектор, экран, модель ДВС, плакат «Устройство ДВС», презентация « Тепловые двигатели, ДВС», справочник по физике и технике.

Методы обучения: объяснительно-иллюстративный, с элементами проблемного изучения и использованием ИКТ.

Тип урока: комбинированный урок изучения нового материала.

Ход урока.

1. Организационный момент (приветствие, положительный настрой на изучение темы).

2. Актуализация знаний.

Для достижения цели урока нам необходимо вспомнить пройденный материал.

Фронтальная беседа.

— Вспомните закон сохранения энергии.

—Приведите примеры перехода одного вида энергии в другой.

-дайте определение внутренней энергии системы.

-От чего зависит внутренняя энергия идеального газа

-сформулируйте первый закон термодинамики.

3.Мотивация и целепологание.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели- устройства, способные совершать работу.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Тема сегодняшнего урока: «Принципы действия тепловых двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания». (Слайд 1)

Вы узнаете:

-принцип действия ДВС

-устройство ДВС

-применение ДВС

-достоинства и недостатки ДВС

-способы повышения КПД тепловых двигателей.

4.Изучение нового материала.

Для совершения двигателем работы, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя, которая достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Таким образом тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника (Слайд 2)

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2 впервые вычислил французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1892). Он придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела и получил для КПД этой машины.

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1 и холодильником Т2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины (Слайд 3)

Из формулы видно, что КПД зависит от Т1 – температуры нагревателя (но любой материал обладает ограниченной теплостойкостью или жаропрочностью) и Т2 – температуры холодильника (но она не может быть ниже температуры окружающего воздуха).

Важнейшей задачей науки и техники является повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному.

В настоящее время усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т.д.

Устройство и рабочий цикл четырехтактного ДВС (Слайд 4,)

Рассмотрим четырехтактный цикл карбюраторного двигателя:

— первый такт- всасывание (впуск рабочей смеси)

— второй такт- сжатие

— третий такт- рабочий ход (искра запальной свечи воспламеняет смесь, давление газа резко возрастает)

— четвертый такт- выхлоп (выпуск), продукты сгорания через выхлопную трубу выбрасываются в окружающую среду.

На практике КПД двигателя внутреннего сгорания достигает 20-30%.

Как можно повысить КПД этого двигателя ? Опыт и расчеты показывают, что для этого нужно добиться большой степени сжатия смеси. Однако в двигателях карбюраторного типа очень сильно сжимать горючую смесь нельзя, так как она, сильно нагреваясь, будет преждевременно нагреваться.

Дизельный двигатель позволяет избежать эти затруднения и повысить КПД.

Степень сжатия в дизелях достигает большой величины, вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. КПД дизеля достигает 40%. Он может развивать значительную мощность и работать на дешевых сортах жидкого топлива. (Слайд 5,6)

Примерами тепловых двигателей могут служить паровые турбины,

двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели. (Слайд 7)

Применение тепловых двигателей: (Слайд 8,9)

В сельском хозяйстве весьма распространенным видом теплового двигателя является двигатель внутреннего сгорания. Такие двигатели стоят на тракторах и, комбайнах, автомобилях, на машинах, выполняющие дорожные работы (бульдозерах, скреперах, экскаваторах), на стационарных установках (электростанциях), в ремонтных мастерских и т. п (Слайд 10)

Из двигателей внутреннего сгорания самое широкое применение получили дизели. Они поставлены на тракторах, на мощных грузовых машинах, на стационарных установках.

Дизели имеют более высокий КПД, чем карбюраторные двигатели, работают на тяжелом, недорогом, жидком топливе.

Мощные дизельные тракторы: К-700 («Кировец»), К-700А, К-701, К-702.

Вместимость топливного бака 640 л. Такой запас топлива позволяет машине работать весь световой день, что особенно важно в напряженные периоды сельскохозяйственных работ.

Дизели по сравнению с карбюраторными двигателями более экономичны и вследствие высокой степени сжатия в них расходуется на 25% меньше топлива (на единицу работы). Они работают на топливе, которое менее опасно в пожарном отношении.

Основные показатели работы двигателя – КПД, мощность, экономичность (Слайд 11,12)

Рассмотрим достоинства и недостатки тепловых двигателей. (Слайд 13)

5. Закрепление материала.

Решение исследовательских задач, с практической направленностью.

1) Почему при втором такте – сжатии – двигатель не разрывается, ведь на самом деле здесь происходит взрыв?

(Ответ: добавляют соли оксида свинца в топливо для уменьшения октанового числа, вызывающего детонацию).

2) Укажите возможные пути экономии топлива при работе тепловых машин.

(Ответ: уменьшение силы трения частот двигателя, уменьшение потерь топлива вследствие его полного сгорания).

3) Можно ли количество теплоты, которое передается ДВС холодильнику, использовать для теплофикации?

(Ответ: можно, если поставить теплообменник).

4) Станет ли к.п.д. тепловых машин равным 100%, если трение в частях свести к нулю?

(Ответ: нет, низкий к.п.д. тепловых машин объясняется не столько трением в механизмах, сколько необходимостью отводить большое количество теплоты в холодильник).

5) Почему в тепловых двигателях в качестве рабочего тела используется газ или пар, а не жидкость или твердое тело?

(Ответ: высокая степень сжатия газов).

6) Наносит ли ущерб природе работа тепловых двигателей?

( Повсеместное применение тепловых двигателей отрицательно влияет на окружающую среду. Это ставит ряд серьезных поблеем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить мероприятия по охране окружающей среды).

7) Что нового внесено в конструкции дизелей для увеличения мощности и экономичности двигателей?

Решение вычислительных задач.

1) Междугородный автобус прошел путь 80 км за 1 час. Двигатель при этом развивал среднюю мощность 70 кВт при КПД, равном 25%. Сколько дизельного топлива, плотность которого 800 кг/м³, сэкономил водитель в рейсе, если норма расхода горючего 40 л на 100 км пути?

2) Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 455° С, А температура холодильника 273° С ?

6. Домашнее задание.

Заполнить таблицу.(Приложение)

Вопросы	Название теплового двигателя
Вопросы	Паровая или газовая турбина	ДВС	Реактивный двигатель
1. Вид топлива
2. Рабочее тело
3. Нагреватель
4. Холодильник
5. КПД
6. Достоинства
7. Недостатки
8. Применение
9. Перспективы использования

Задача.

Выясните по справочнику, сколько топлива расходует в час современные автомобили «ВАЗ», «Ока», «Волга» и др. и по этим данным определите мощность их двигателей. Сделайте вывод.

7. Рефлексия

-Что заинтересовало вас сегодня на уроке более всего?

-Как вы усвоили новый материал?

-Пригодятся ли вам знания полученные на уроке?

— Какие были трудности? Удалось ли их преодолеть?

-Ваше отношение к уроку ?

8 .Итоги урока. Оценки за урок.

Литература

1. Голованов Я. Этюды об ученых. М. Молодая гвардия. 2002.

2. Дмитриева В.Ф. . Физика для профессий и специальностей технического профиля. М. :Издательский центр «Академия».2012

3. Демкович В.П. Сборник задач по физике. М.Дрофа. 2001.

4. Куприн М.Я. Физика в сельском хозяйстве. М.Просвещение. 2001

5. Крылов. К.Р. Элементы сельскохозяйственной техники в преподавании физики. М. Просвещение. 2004.

6. Кочуров Ф.И.Сборник задач и упражнений по физике для средних сельских профессиональных училищ. М. Высшая школа. 2004.

7. Мякишев Г.Я. Физика.10класс – М.Просвещение.-2011.

8. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. М. Просвещение. 2001.

9. Родичев В.А. Тракторы. М. ПрофОбрИздат. 2001

10. Тульчинский М.Е. Качественные задачи по физике в средней школе. М.Просвещение. 1972.

Что понимают под кпд теплового двигателя. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Задачи и вопросы на цикл Карно

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Двигатель Карно

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Разновидности

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока :

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику .

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1 . Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Класс: 10

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания учащихся по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки работы с презентацией.

Воспитательные: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.

Ход урока
1. Оргмомент
2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока: “Тепловые двигатели”. (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах связанных с их массовым применением. (Слайд 2)

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой? Как это происходит? (При адиабатических процессах.) (Слайд 3)

– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0 , Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)

4. Изучение нового материала

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания Q 1 >Q 2

Q 2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2

A / = Q 1 – |Q 2 | – работа совершаемая двигателем за цикл?

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T 1 – температура нагревания.

Т 2 – температура холодильника.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента. (Слайд 11)

Работа четырехтактного ДВС.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.
Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%
Паровая турбина – 40%
Газовая турбина – 25-30%
Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
Дизельный двигатель – 40– 44%
Реактивный двигатель – 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. (Слайд 14)

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

1. Электрические
2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

Использование альтернативного топлива.

Использование альтернативных двигателей.

Оздоровление окружающей среды.

Воспитание экологической культуры. (Слайд 16)

5. Закрепление материала

Всем вам предстоит всего лишь через год сдавать единый государственный экзамен. Предлагаю вам решить несколько задач из части А демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

6. Подведение итогов урока

С момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:
§ 82 (Мякишев Г.Я.), упр. 15 (11, 12) (Слайд 17) 8. Рефлексия

Прежде чем покинуть класс просьба заполнить таблицу.

КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших затратах топлива давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое КПД (коэффициент полезного действия), необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая тепловую энергию в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

КПД теплового двигателя (формула)

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q₁. При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q₂<Q₁.

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

η = (Q₁-Q₂)/ Q₁, где Q₁ — теплота, полученная от нагревателя, а Q₂ — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q_H| — |Q_X|, где А — работа, Q_H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q_X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

КПД теплового двигателя (формула):

|Q_H| — |Q_X|)/|Q_H| = 1 — |Q_X|/|Q_H|

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Разновидности

• Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

• Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

• Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

• Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

• Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель (газовая турбина), на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

• Ракетные, турбореактивные и реактивные двигатели, которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

• Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Какие факторы снижают КПД теплового двигателя от идеального значения? — MVOrganizing

Какие факторы снижают КПД теплового двигателя от идеального значения?

У определенных типов двигателей есть более низкие пределы их эффективности из-за неотъемлемой необратимости цикла двигателя, который они используют. Неидеальное поведение реальных двигателей, такое как механическое трение и потери в процессе сгорания, приводит к дальнейшим потерям эффективности.

Что из перечисленного может снизить эффективность теплового двигателя?

Понижение рабочей температуры сделает тепловой двигатель менее эффективным.Это потому, что для работы тепловой двигатель должен быть горячим и поддерживать эту температуру.

Какое изменение увеличит максимальный теоретический КПД теплового двигателя?

, чтобы повысить эффективность двигателя, следует снизить температуру холодного резервуара и, таким образом, повысить температуру горячего резервуара. Итак, уменьшите соотношение Tc / TH.

Что из перечисленного имеет наивысшую эффективность при вступлении в экзамен Examveda?

Лазерная сварка

От какого фактора зависит КПД двигателя Карно?

КПД двигателя Карно зависит исключительно от температуры горячего и холодного резервуаров.Теорема Карно утверждает, что все тепловые машины между двумя тепловыми резервуарами менее эффективны, чем тепловая машина Карно, работающая между теми же резервуарами.

Каковы две основные особенности идеального теплового двигателя Карно?

Ответ. 1-Он должен иметь источник бесконечной тепловой мощности. 2-Он должен иметь раковину бесконечной теплоемкости.

От какого фактора зависит температура двигателя?

Понятно, что КПД двигателя Карно зависит от температуры источника тепла и температуры источника холода, или мы можем сказать, что он зависит от температуры источника тепла и поглотителя.

От какого фактора зависит температура двигателя *?

От какого фактора зависит температура двигателя? Пояснение: Степень сжатия — это отношение объема цилиндра в конце такта всасывания к объему в конце такта сжатия поршня. Скорость окисления зависит от температуры.

Эффективность цикла Карно — обзор

P6.1

Объясните, почему эффективность цикла Карно нереально высока для реального двигателя.Представляя концепцию внешней необратимости, оцените эффективность нереверсивного двигателя при максимальной выходной мощности.

Рассмотрим тепловой двигатель, подключенный к высокотемпературному резервуару при T _H = 1200 K и низкотемпературный двигатель при T _C = 300 K. Если теплопроводность от резервуаров к двигателю равна в соотношении ( UA ) _H / ( UA ) _C = C _H/ C _C = 2, оцените следующее:

1.: максимальная эффективность цикла Карно;
2.: объем работы цикла Карно;
3.: КПД двигателя при максимальной выходной мощности;
4.: максимальная выходная мощность, Вт˙ / ч и
5.: максимальная и минимальная температуры рабочей жидкости при максимальной выходной мощности.

Выведите все необходимые уравнения, но с учетом эффективности Карно: η = 1− T _C/ T _H.

[0,75; 0; 0,5; 100; 1000 К; 500 K]

P6.2

Тепловая машина работает между двумя конечными резервуарами , первоначально при 800 и 200 K соответственно. Температура горячего резервуара понижается на 1 К на каждый извлеченный из него 1 кДж, в то время как температура холодного резервуара повышается на 1 К на каждый добавленный 1 кДж. Какова максимальная мощность двигателя при выравнивании температур в резервуаре? Температура выравнивания для максимальной работы является верхним или нижним пределом температуры выравнивания?

[200 кДж; нижний]

P6.3

Газовые турбины замкнутого цикла работают на внутренне обратимом цикле Джоуля с КПД

ηДжоуль = 1−1rp (κ − 1) / κ

, где r _p = степень перепада давлений турбина и κ = соотношение удельных теплоемкостей, c _p/ c _v = 1,4.

Это уравнение значительно переоценивает эффективность цикла, когда учитываются внешние необратимости .На рис. P6.3 показана диаграмма T — s для газовой турбины замкнутого цикла, получающей энергию из высокотемпературного резервуара при T _H = 1200 K и отбрасывающей энергию в низкотемпературный резервуар. при T _C = 400 K.

Рисунок P6.3. Диаграмма температуры-энтропии для джоулевого цила.

1.: Оцените КПД Карно и сравните его с КПД Джоуля; объясните, почему коэффициент Джоуля ниже.
2.: Рассчитайте отношение работы цикла газовой турбины к энергии, доставляемой из высокотемпературного резервуара ( Q _H для цикла Карно). Это соотношение меньше, чем эффективность в Джоулях — объясните почему с точки зрения недоступной энергии.
3.: Вычислите внешние необратимости и опишите, как они могут быть уменьшены для достижения джоулевой эффективности.
4.: Каковы средние температуры присоединения и отвода энергии в цикле Джоуля? Какова была бы термическая эффективность цикла Карно на основе этих средних температур?; [0.667; 0,508; 0,4212; I _H/ c _p = 79,9; 994 К; 489 K]

P6.4

Объясните, почему цикл Карно переоценивает тепловой КПД, достигаемый двигателем, производящим выходную мощность. Обсудите, почему внешняя необратимость снижает эффективный температурный коэффициент эндореверсивного двигателя.

Покажите, что тепловой КПД при максимальной выходной мощности реверсивного двигателя, выполняющего цикл Отто, составляет

ηth = 1- (TCTH) 1/2

, где T _H = максимальная температура цикла и T _C = минимальная температура цикла.

P6.5

Рабочие процессы двигателя с искровым зажиганием могут быть представлены циклом Отто, который является внутренне обратимым и дает тепловой КПД

ηOtto = 1−1r (κ − 1 ),

где r = степень объемного сжатия; κ = соотношение удельных теплоемкостей, c _p/ c _v.

Цикл Отто изображен на рис. P6.5, а температуры двух резервуаров, связанных с циклом, показаны как T _H и T _C.Тепловой КПД цикла Карно, работающего между этими двумя резервуарами, составляет η = 1− T _C/ T _H. Это значение значительно выше, чем у цикла Отто, работающего между теми же коллекторами. Покажите отношение чистого выхода работы для цикла Отто к энергии, переданной из высокотемпературного резервуара для цикла Карно, Q _H, составляет

η = (1−1r (κ − 1)) T3− T2T3ln (T3 / T2),

, где T ₂ и T ₃ определены на рис.P6.5.

Рисунок 6.5. Диаграмма температуры-энтропии для цикла Отто.

Объясните, почему это значение η отличается от значения цикла Отто, и обсудите значение члена T3-T2T3ln (T3 / T2). Оцените изменение энтропии, необходимое в высокотемпературном резервуаре для обеспечения цикла Отто, с точки зрения диапазона энтропии, с ₃ — с ₂ цикла Отто.

[ΔsH = cvT2 (eΔs / cv − 1) / TH]

P6.6

Требуется указать идеальную газовую турбину с замкнутым циклом для производства электроэнергии для технологической установки.Первая спецификация требует, чтобы турбина производила максимально возможную работу между пиковой температурой (1200 K) и температурой на входе (300 K). Тогда заказчик считает, что эффективность турбины может быть повышена за счет включения теплообменника

1.: ;
2.: введение повторного нагрева в турбину путем разделения степени давления турбины таким образом, чтобы степень давления каждой ступени была квадратным корнем из степени сжатия компрессора.

Оцените эффективность основного цикла, а затем отдельно оцените влияние теплообменника и повторного нагрева. Если эти подходы не увеличили эффективность, предложите другой метод, с помощью которого можно было бы улучшить характеристики газовой турбины (в пределах тех же температурных пределов), без снижения производительности; оценить тепловой КПД предлагаемой установки. Отношение удельных теплоемкостей можно принять равным κ = 1,4.

[0,5; 0,4233; 0,5731]

heat_engine

Тепловой двигатель — это физическое или теоретическое устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую мощность.Механическая мощность называется работой, а подвод тепловой энергии — теплом. Тепловые двигатели обычно работают по определенному термодинамическому циклу. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, которым они моделируются. Они часто выбирают альтернативные названия, такие как бензин / бензин, турбина или паровые двигатели. Тепловые двигатели могут генерировать тепло внутри самого двигателя или поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открытыми для атмосферного воздуха или закрытыми и закрытыми снаружи (открытый или закрытый цикл).

В технике и термодинамике тепловая машина выполняет преобразование тепловой энергии в механическую работу, используя температурный градиент между горячим «источником» и холодным «стоком». Тепло передается от источника через «рабочее тело» двигателя к поглотителю, и в этом процессе часть тепла преобразуется в работу за счет использования свойств рабочего вещества (обычно газа или жидкости).

Обзор

Тепловые двигатели часто путают с циклами, которые они пытаются имитировать.Обычно при описании физического устройства используется термин «двигатель». При описании модели используется термин «цикл».

В термодинамике тепловые двигатели часто моделируются с использованием стандартной инженерной модели, такой как цикл Отто. Теоретическая модель может быть уточнена и дополнена фактическими данными от работающего двигателя с помощью таких инструментов, как индикаторная диаграмма. Поскольку очень мало реальных реализаций тепловых двигателей в точности соответствуют своим термодинамическим циклам, можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя.В любом случае, полное понимание двигателя и его эффективности требует хорошего понимания (возможно, упрощенной или идеализированной) теоретической модели, практических нюансов реального механического двигателя и различий между ними.

В общих чертах, чем больше разница температур между горячим источником и холодным стоком, тем больше потенциальный тепловой КПД цикла. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена до температуры, близкой к температуре окружающей среды или не намного ниже 300 кельвинов, поэтому большинство усилий по повышению термодинамической эффективности различных тепловых двигателей сосредоточено на повышении температуры источника. , в пределах материала.

Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, колеблется от 3 процентов ^[1] (97 процентов отходящего тепла) для предложения OTEC по производству энергии океана до 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, до 45 процентов для сверхкритических угольных электростанций. примерно до 60 процентов для газовой турбины комбинированного цикла с паровым охлаждением. Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за перепада температуры на них.

OTEC использует разницу температур океанской воды на поверхности и океанской воды с глубины, небольшую разницу, возможно, в 25 градусов Цельсия, поэтому эффективность должна быть низкой.В газовых турбинах с комбинированным циклом используются горелки, работающие на природном газе, для нагрева воздуха примерно до 1530 градусов по Цельсию, что составляет большую разницу в 1500 градусов по Цельсию, и поэтому эффективность может быть большой при добавлении цикла парового охлаждения. ^[2]

Примеры на каждый день

Примеры повседневных тепловых двигателей: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый (бензиновый) двигатель в автомобиле. Распространенная игрушка, которая также является тепловым двигателем, — это пьющая птица. Все эти знакомые тепловые двигатели работают за счет расширения нагретых газов.Основное окружение — это радиатор, обеспечивающий относительно холодные газы, которые при нагревании быстро расширяются, приводя в движение двигатель.

Примеры тепловых двигателей

Важно отметить, что хотя некоторые циклы имеют типичное место сгорания (внутреннее внешнее), они часто могут быть реализованы как другой цикл сгорания. Например, Джон Эрикссон разработал двигатель с внешним подогревом, работающий по циклу, очень похожему на предыдущий дизельный цикл.Кроме того, двигатели с внешним подогревом часто могут быть реализованы с открытым или закрытым циклом.

Это сводится к тому, что существуют термодинамические циклы и большое количество способов их реализации с помощью механических устройств, называемых двигателями.

Циклы смены фаз

В этих циклах и двигателях рабочими жидкостями являются газы и жидкости. Двигатель преобразует рабочую жидкость из газа в жидкость.

цикл Ренкина (классический паровой двигатель)
Регенеративный цикл (паровой двигатель более эффективен, чем цикл Ренкина)
Цикл от пара к жидкости (поилка, инжектор)
Цикл от жидкости к твердому телу (Морозное пучение — вода, переходящая из льда в жидкость и обратно, может поднимать породу на высоту до 60 м.)
Цикл от твердого тела к газу (Пушка с сухим льдом — сухой лед сублимируется в газ).

Циклы только на газе

В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда как газ:

Циклы только для жидкости

В этих циклах и двигателях рабочая жидкость всегда как жидкость:

Электронные циклы

Магнитные циклы

Термомагнитный двигатель (Тесла)

Циклы, используемые для охлаждения

Холодильник — это тепловой насос: тепловая машина наоборот.Работа используется для создания дифференциала тепла. Многие циклы могут выполняться в обратном порядке, чтобы переместить тепло с холодной стороны на горячую, делая холодную сторону более прохладной, а горячую сторону более горячей. Варианты этих циклов для двигателей внутреннего сгорания по своей природе необратимы.

Испарительные тепловые двигатели

Испарительный двигатель Бартона — это тепловой двигатель, основанный на цикле выработки энергии и охлаждения влажного воздуха в результате испарения воды в горячий сухой воздух.

Эффективность

КПД теплового двигателя определяет, сколько полезной мощности вырабатывается при заданном количестве подводимой тепловой энергии.

Из законов термодинамики:

где

d W = — P d V — это работа, производимая двигателем. (Это отрицательно, так как работы выполняет двигатель.)

d Q _h = T _h d S _h — это тепловая энергия, забираемая из высокотемпературной системы.(Это отрицательно, поскольку тепло извлекается из источника, следовательно (- d Q _h) положительно.)

d Q _c = T _c d S _c — это тепловая энергия, доставляемая в холодную систему. (Это положительно, поскольку в раковину добавляется тепло.)

Другими словами, тепловой двигатель поглощает тепловую энергию от высокотемпературного источника тепла, преобразовывая часть ее в полезную работу и доставляя остальную часть в холодный радиатор.

В общем, эффективность данного процесса теплопередачи (будь то холодильник, тепловой насос или двигатель) неформально определяется соотношением «то, что вы получаете», к «тому, что вы вкладываете».

В случае двигателя требуется извлечение работы и передача тепла.

Теоретическая максимальная эффективность любого теплового двигателя зависит только от температур, между которыми он работает. Эта эффективность обычно достигается с использованием идеального воображаемого теплового двигателя, такого как тепловой двигатель Карно, хотя другие двигатели, использующие другие циклы, также могут достичь максимальной эффективности.Математически это происходит потому, что в обратимых процессах изменение энтропии холодного резервуара является отрицательным по сравнению с изменением энтропии горячего резервуара (т.е. d S _c = — d S _h), сохраняя полное изменение энтропии равным нулю. Таким образом:

, где T _h — абсолютная температура горячего источника, а T _c — температура холодного стока, обычно измеряемая в кельвинах.Обратите внимание, что d S _c положительно, а d S _h отрицательно; в любом обратимом процессе извлечения работы энтропия в целом не увеличивается, а скорее перемещается из горячей (высокоэнтропийной) системы в холодную (низкоэнтропийную), уменьшая энтропию источника тепла и увеличивая энтропию тепла. раковина.

Причина, по которой это максимальная эффективность , состоит в следующем. Сначала предполагается, что если возможен более эффективный тепловой двигатель, чем двигатель Карно, то он может работать в обратном направлении как тепловой насос.Математический анализ может быть использован, чтобы показать, что эта предполагаемая комбинация приведет к чистому снижению энтропии. Поскольку согласно второму закону термодинамики это запрещено, эффективность Карно является теоретической верхней границей эффективности любого процесса .

Эмпирическим путем ни один двигатель не работал с большей эффективностью, чем тепловой двигатель с циклом Карно.

Вот два графика, Рисунок 2 и Рисунок 3, для эффективности цикла Карно. Один график показывает, как эффективность цикла изменяется с увеличением температуры подвода тепла при постоянной температуре на входе в компрессор, а другой показывает, как эффективность цикла изменяется с увеличением температуры отвода тепла при постоянной температуре на входе в турбину.

Прочие критерии работоспособности теплового двигателя

Одна проблема с идеальным КПД Карно как критерием производительности теплового двигателя заключается в том, что по своей природе любой максимально эффективный цикл Карно должен работать при бесконечно малом градиенте температуры. Это потому, что любая передача тепла между двумя телами при разных температурах необратима, и поэтому выражение эффективности Карно применимо только в бесконечно малом пределе. Основная проблема заключается в том, что целью большинства тепловых двигателей является выдача некоторой мощности, а бесконечно малую мощность обычно не ищут.

Другой показатель эффективности теплового двигателя дается эндореверсивным процессом , который идентичен циклу Карно, за исключением того, что два процесса теплопередачи не являются обратимыми . Согласно выводам Каллена (1985), эффективность такого процесса определяется выражением:

(Примечание: единицы K или ° R)

(Примечание: это уравнение довольно часто восходит к статье Ф.Л. Керзона и Б.Алборна, American Journal of Physics, vol.43, стр. 22-24 (1975). Книга Герберта Каллена, вероятно, скопирована с этой бумаги. В обзорной статье 1996 года Адриана Бежана (J. Appl. Phys., Том 79, стр. 1191-1218, 1 февраля 1996 г.) Адриан Бежан указал, что это уравнение также было выведено П. Чамбадалом и И.И. Новикова раньше Керзона и Альборна в 1950-х годах. Вероятно, это уравнение было заново открыто Керзоном и Альборном в 1975 году. Поэтому некоторые ученые называют эту эффективность эффективностью Чамбадала-Новикова-Керзона-Альборна.)

Эта модель лучше справляется с прогнозированием того, насколько хорошо могут работать реальные тепловые двигатели, что можно увидеть в следующей таблице (Callen):

(Примечание: эта таблица появилась в статье Ф.Л. Керзон и Б. Альборн, Американский журнал физики, вып. 43, стр. 22-24 (1975). Книга Герберта Каллена, вероятно, скопирована с этой статьи.)

906 Наблюдаемый)

**КПД электростанций**
Электростанция	T _c (° C)	T _h (° C)	η (Карно)	η (с возможностью реверсирования 24)
Угольная электростанция Вест Террок (Великобритания)	25	565	0.64	0,40	0,36
CANDU (Канада) атомная электростанция	25	300	0,48	0,28	0,30
Геотермальная электростанция Лардерелло (Италия)	80	250	0,33	0,178	0,16

Как показано, обратимая эффективность гораздо более точно моделирует наблюдаемые данные.

Усовершенствования теплового двигателя

Инженеры

тщательно изучили различные циклы тепловых двигателей, пытаясь улучшить объем полезной работы, которую они могут извлечь из данного источника энергии.Предел цикла Карно не может быть достигнут ни с одним газовым циклом, но инженеры разработали по крайней мере два способа обойти этот предел и один способ повысить эффективность без нарушения каких-либо правил.

1) Увеличьте разницу температур в тепловом двигателе. Самый простой способ сделать это — повысить температуру горячей стороны, и этот подход используется в современных газовых турбинах с комбинированным циклом. К сожалению, производство NOx и ограничения на материалы (плавление лопаток турбины) жестко ограничивают то, насколько горячим можно сделать работоспособный тепловой двигатель.Современные газовые турбины настолько горячие, насколько это возможно, и при этом поддерживают приемлемый уровень загрязнения NOx. Другой способ повышения эффективности — снижение выходной температуры. Один из новых методов — использовать смешанные химические рабочие жидкости, а затем использовать изменяющееся поведение смесей. Одним из самых известных является так называемый цикл Калины, в котором в качестве рабочей жидкости используется смесь аммиака и воды в соотношении 70/30. Эта смесь позволяет циклу генерировать полезную мощность при значительно более низких температурах, чем в большинстве других процессов.

2) Используйте физические свойства рабочей жидкости. Наиболее распространенный такой способ использования — это использование воды выше так называемой критической точки или так называемого сверхкритического пара. Поведение жидкостей выше их критической точки радикально меняется, и с такими материалами, как вода и углекислый газ, можно использовать эти изменения в поведении для получения большей термодинамической эффективности от теплового двигателя, даже если он использует довольно обычные модели Брайтона или Ренкина. цикл. Более новый и очень многообещающий материал для таких приложений — CO ₂.SO ₂ и ксенон также рассматривались для таких применений, хотя SO ₂ для большинства из них мало токсичен.

3) Используйте химические свойства рабочей жидкости. Довольно новый и новый прием — использование экзотических рабочих жидкостей с выгодными химическими свойствами. Одним из них является диоксид азота (NO ₂), токсичный компонент смога, который имеет природный димер в виде тетраоксида азота (N ₂ O ₄). При низкой температуре N ₂ O ₄ сжимают, а затем нагревают.Повышение температуры заставляет каждую молекулу N ₂ O ₄ распадаться на две молекулы NO ₂. Это снижает молекулярную массу рабочего тела, что резко увеличивает эффективность цикла. После того, как NO ₂ расширился через турбину, он охлаждается радиатором, что заставляет его рекомбинировать в N ₂ O ₄. Затем он возвращается в компрессор для другого цикла. Такие соединения, как бромид алюминия (Al ₂ Br ₆), NOCl и Ga ₂ I ₆, были исследованы на предмет такого использования.На сегодняшний день их недостатки не оправдывают их использования, несмотря на возможное повышение эффективности. ^[3]

Процессы с тепловым двигателем


Цикл / процесс	Сжатие	Добавление тепла	Расширение	Отвод тепла
Энергетические циклы в обычном режиме с внешним сгоранием
Карно	изоэнтропический	изотермический	изоэнтропический	изотермический
Стирлинг	изотермический	изометрический	изотермический	изометрический
Эрикссон	изотермический	изобарный	изотермический	изобарный
Ренкин (Steam)	адиабатический	изобарный	адиабатический	изобарный
Стоддард	адиабатический	изобарный	адиабатический	изобарный
Энергетические циклы в обычном режиме с внутренним сгоранием
Otto (Бензин)	адиабатический	изометрический	адиабатический	изометрический
Дизель	адиабатический	изобарный	адиабатический	изометрический
Брайтон (Джет)	адиабатический	изобарный	адиабатический	изобарный

Каждый процесс является одним из следующих:

изотермический (при постоянной температуре, поддерживаемой с добавлением или отводом тепла от источника тепла или поглотителя)
изобарический (при постоянном давлении)
изометрический / изохорный (при постоянном объеме)
адиабатический (во время адиабатического процесса тепло не добавляется и не удаляется из системы)

Список литературы

^ Ocean_thermal_energy_conversion
^ U. Концепции ядерных реакторов и термодинамические циклы

Кремер, Герберт; Киттель, Чарльз (1980). Тепловая физика , 2-е изд., W. H. Freeman Company. ISBN 0-7167-1088-9 .
Каллен, Герберт Б. (1985). Термодинамика и введение в термостатистику , 2-е изд., John Wiley & Sons, Inc. ISBN 0-471-86256-8 .

См. Также

Типы / конфигурации тепловых двигателей с использованием термодинамических циклов (энергетических циклов)
Число тактов и разделение тактов	Шеститактный двигатель Crower · Четырехтактный цикл · Однотактный цикл · Двигатель с разделенным циклом · Шеститактный двигатель · Двухтактный цикл
Различные типы рабочего объема (вкл.безпоршневый роторный двигатель)	Роторный двигатель Britalus · Камера сгорания · Управляемый двигатель внутреннего сгорания · Реактивный двигатель · Орбитальный двигатель · Поршневой двигатель · Квазитурбина · Ракетный двигатель · Поворотно-поршневой двигатель · Тороидальный двигатель · Трохильный двигатель · Двигатель Чуди · Двигатель Ванкеля
Порты с различным рабочим объемом и основные формы	Присоединение головки блока цилиндров · Золотник D · Клапаны четырехтактного двигателя · Коллектор · Многоклапанный · Поршневой клапан · Тарельчатый клапан · Форсунки ракетного двигателя · Рукавный клапан
Различные компоновки поршней	Двигатель Бурка · Двигатель Delta · Цилиндр двойного действия / дифференциал · Двигатель с оппозитными поршнями · Радиальный двигатель · Роторный двигатель · Одноцилиндровый двигатель · Двигатель Штельцера · Прямой двигатель
Различные основные вращательные движения механизмов или дуги к (или даже почти ) поршням вперед-назад.	Кулачок · Шатун · Роторный двигатель Coomber [9] · Заменитель кривошипа [10] · Коленчатый вал · Тяга Эванса [11] · Параллельное движение · Тяга Peaucellier-Lipkin · Шток поршня · QRMC Stirling / HydraLink [12] · Поворотный цилиндр двигатель · ромбический привод · кулисная вилка · прямолинейный рычажный механизм секторов [13] · наклонная шайба · двигатель наклонной шайбы · рычажный механизм Ватта
односторонняя остановка и движение, как вращательные механизмы движения для вращения.	Тороидальный двигатель · Трохильный двигатель

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 энтропию , потому что мы можем показать, что энтропия , потерянная горячим резервуаром, в точности равна приросту энтропии 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 уравновешен 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 отношений $ T_C / T_H $, является следствием того факта, что $ Q_C $ мала по сравнению с $ Q_H $.Это , а не , следствие того факта, что в данном случае генерация энтропии мала, потому что 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 $$ \ mathrm dS = \ mathrm dS_ \ text {hot} + \ mathrm dS_ \ text {sys} \ geq0, $$ причем 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 выталкивает 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 чистое изменение энтропии холодного резервуара во время цикла, и, следовательно, чистое изменение энтропии вселенной 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 выше, это должен быть максимальный КПД 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} $, являющаяся разницей между тепловыми потоками, должна 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.

границ | Работа экстрактора и производительность коллоидных тепловых двигателей в вязкоупругих ваннах

1. Введение

Исторически изучение тепловых двигателей играло фундаментальную роль в общем понимании обмена энергией в макроскопических системах. Например, концепция хорошо известного цикла Карно почти два столетия назад была мотивирована разработкой эффективных двигателей, способных выполнять механическую работу за счет извлечения энергии из горячего резервуара и передачи тепла в холодный резервуар, что в конечном итоге привело к формулировке второго начала термодинамики.Теорема Карно устанавливает универсальную оценку максимальной эффективности, которая может быть в идеале достигнута любой тепловой машиной, работающей обратимо в квазистатическом пределе. С тех пор были получены дальнейшие теоретические результаты по эффективности необратимых тепловых двигателей при термодинамических циклах с конечным временем и ненулевой выходной мощностью [1–6], которые оказались важными для практических приложений.

В последние годы достижения в области технологий миниатюризации позволили исследователям как в фундаментальной, так и в прикладной науке разработать конструкцию машин микронных и субмикронных размеров, способных выполнять определенные задачи в мезоскопической сфере, например.g., контролируемая транспортировка грузов через микроканалы и нанопоры, in situ, манипуляции с клетками, сборка функциональных микроструктур, микронасос, ректификация микропотоков, микроперемешивание жидкостей и искусственное движение с биовдохновением [7–9]. Это вызвало растущий интерес к исследованию энергетики и характеристик мезоскопических тепловых двигателей, которые, подобно своим макроскопическим аналогам, должны иметь возможность эффективно преобразовывать энергию, поглощаемую из окружающей среды, в полезную работу [10, 11].Важный вопрос, возникающий при теоретическом описании и реализации таких устройств, заключается в том, что они должны работать в сильно неравновесных условиях с выраженными тепловыми флуктуациями, что создает важные концептуальные и практические проблемы [12]. Значительный прогресс в теоретическом анализе мезоскопических тепловых машин был достигнут за последние два десятилетия с появлением стохастической термодинамики, которая расширяет концепции классической термодинамики, такие как производство тепла, работы и энтропии, до уровня единичных стохастических траекторий для обоих равновесных состояний. и ведомые системы [13–16].В рамках этой теоретической основы можно провести всесторонний анализ характеристик стохастических тепловых машин на основе броуновских частиц, подверженных периодически зависящим от времени потенциалам и температурам [17–21]. Точно так же методы оптических микроманипуляций облегчили в течение последнего десятилетия экспериментальную реализацию простых коллоидных тепловых двигателей, которые состоят из единственной коллоидной частицы в качестве рабочего вещества, заключенной в воде в качестве резервуара тепла, претерпевая термодинамические циклы, контролируемые гармонический оптический потенциал [22–26].В таких коллоидных системах расширения и сжатия во время циклов Стирлинга и Карно достигаются за счет уменьшения и увеличения жесткости ловушки, соответственно, в то время как горячий резервуар реализуется либо за счет фактического увеличения локальной температуры вокруг частицы, либо за счет добавление синтетического шума нетеплового происхождения. Эти эксперименты проложили путь к исследованию стохастических моделей коллоидных тепловых двигателей в более сложных и реалистичных ситуациях, таких как пассивные броуновские двигатели, работающие в контакте с активными ваннами [27–32], броуновские двигатели с самоходной частицей как работающие. вещество в контакте с вязкой жидкостью [32–35] или в суспензии пассивных броуновских частиц [36] в качестве тепловой ванны, а также реализация коллоидного двигателя Стирлинга в бактериальных ваннах с регулируемой активностью [37].

Следует отметить, что в большинстве ситуаций, предусмотренных для биологических и технологических применений, жидкая среда коллоидного теплового двигателя не является совершенно ньютоновской с постоянной вязкостью, но обладает сложной вязкоупругой микроструктурой из-за присутствия макромолекул, например, биомолекулярные цепи, полимеры и червеобразные мицеллы или коллоиды, суспендированные в растворителе, таким образом проявляя свойства текучести, зависящие от времени [38]. Следовательно, движение коллоидной частицы в таких материалах не имеет четкого разделения от временных масштабов окружающей среды, что приводит к эффектам памяти с большими временами релаксации.Все эти особенности порождают множество интересных переходных эффектов, которые заметно проявляются, когда зависящие от времени движущие силы действуют на внедренную частицу [39–44], и отсутствуют в случае чисто вязких жидкостей. Хотя всем этим условиям удовлетворяет коллоидный тепловой двигатель, работающий в сложной жидкости, насколько нам известно, они никогда не исследовались в контексте стохастических термодинамических циклов. Поэтому чрезвычайно важно оценить роль вязкоупругости в характеристиках двигателей этого типа, поскольку возникающее в результате частотно-зависимое трение, испытываемое коллоидной частицей, может значительно повлиять на скорость, с которой энергия рассеивается в вязкоупругой ванне [45 –48].

Здесь мы исследуем модель, основанную на обобщенном уравнении Ланжевена для работы стохастического двигателя Стирлинга, состоящего из броуновской частицы, внедренной в ванну с вязкоупругой жидкостью, которая включает ядро памяти и цветной шум для учета эффектов замедленного трения и тепловых флуктуаций. среды от движения частицы. Путем численного решения соответствующего немарковского уравнения движения мы анализируем влияние характерного времени релаксации жидкости на производительность двигателя при конечных циклах Стирлинга и сравниваем наши результаты с результатами, полученными в случае броуновской частицы. в марковской бане.Мы обнаружили значительное увеличение выходной мощности и эффективности двигателя, работающего в вязкоупругой среде, по сравнению с соответствующими значениями в вязкой ванне при заданном времени цикла. Более того, с увеличением времени релаксации текучей среды сходимость к квазистатической эффективности Стирлинга смещается к монотонно уменьшающимся значениям периода цикла, тем самым расширяя интервал, в котором двигатель может эффективно выдавать положительную мощность.

2.Модель

Мы рассматриваем стохастический тепловой двигатель, состоящий из броуновской частицы, погруженной в вязкоупругую жидкость, как термостат, движение которого ограничено гармоническим потенциалом. И кривизна ограничивающего потенциала, и температура системы могут изменяться во времени в соответствии с четко определенным периодическим протоколом, который имитирует макроскопический термодинамический цикл. Следовательно, необходима стохастическая модель динамики частиц, которая учитывает временные изменения температуры.Основываясь на новаторской работе Zwanzig [49], Brey et al. [50] и Romero-Salazar et al. В [51] получены простейшие уравнения движения броуновской частицы, связанной с термостатом, с изменяющейся во времени температурой. Их подход включает в себя линейные диссипативные члены в уравнениях движения окружающих частиц ванны, которые учитывают непрерывное охлаждение или нагрев системы, управляемый каким-либо внешним механизмом таким образом, что частицы ванны всегда находятся в каноническом равновесии в скважине. поведение температуры зависит от времени.В частности, в одном измерении обобщенное уравнение Ланжевена для положения x ( t ) во время t > 0 броуновской частицы с учетом потенциала U ( x ( t ), t ), говорится в [50, 51].

md2x (t) dt2 = -∫0tdsK (t-s) dds [T (t) T (s) x (s)] — dU (x (t), t) dx + ζ (t), (1)
, где м, — масса частицы, T ( с ) — температура системы в момент времени 0 ≤ с ≤ t и K ( t — с ) является ядром памяти, которое взвешивает влияние предыдущей истории движения частицы в момент времени s на ее текущую силу сопротивления в момент времени t из-за временных корреляций, индуцированных окружающей средой.Кроме того, в уравнении (1) ζ ( t ) представляет собой гауссову стохастическую силу, которая учитывает тепловые флуктуации в системе и удовлетворяет условию
〈Ζ (t)〉 = 0, 〈ζ (t) ζ (s)〉 = kBT (t) T (s) K (| t-s |). (2)
Расширения уравнения (1) на трехмерный случай, r = ( x, y, z ), которые актуальны во многих экспериментальных ситуациях с использованием методов оптического захвата [52], возможны при правильном выборе потенциал U ( r, t ) и тензорная форма ядра памяти для частиц произвольной формы [53].Здесь для простоты мы сосредоточимся на динамике одной координаты сферической частицы радиусом a , которая ограничена гармоническим потенциалом U (x, t) = 12κ (t) x (t) 2, где κ ( t ) — жесткость в момент времени t соответствующей восстанавливающей силы. Кроме того, мы предполагаем, что ванна с жидкостью несжимаема, а изменение во времени κ ( t ) и T ( t ) таково, что ее реологические свойства остаются в линейном вязкоупругом режиме, который полностью характеризуется модуль релаксации напряжений G ( t ) или, что эквивалентно, комплексным динамическим модулем сдвига при частоте ω> 0, G ^* (ω) = iωη ^* (ω), где i = -1 и η ^* (ω) — комплексная вязкость, заданная преобразованием Фурье G ( t ), т.е.(ω) = 6πaη * (ω) [58], что дает простое соотношение K ( t ) = 6π aG ( t ) посредством обращения Фурье. Это приводит к следующему уравнению Ланжевена для положения броуновской тепловой машины в пределе сверхдемпфирования
6πa∫0tdsG (t-s) dds [T (t) T (s) x (s)] = — κ (t) x (t) + ζ (t). (4)
Далее мы сосредоточимся на модуле релаксации жидкости, состоящем из дельта-функции Дирака и экспоненциального затухания.
G (t) = 2η∞δ (t) + η0-η∞τ0exp (-tτ0), t≥0, (5)
, который моделирует реологический отклик нескольких вязкоупругих жидкостей, таких как червеобразные мицеллы [42, 59, 60], некоторые растворы полимеров [61, 62], и, в значительной степени, линейную вязкоупругость в определенных временных интервалах внутриклеточных жидкостей [63 , 64], блок-сополимеры [65] и ДНК λ-фага [42, 66], где τ ₀ — время релаксации их упругой микроструктуры, тогда как η ₀ и η _∞ представляют собой нулевой сдвиг. вязкость и вязкость фонового растворителя соответственно.* (ω) = γ0 + γ∞ω2τ021 + ω2τ02 + i (γ0-γ∞) ωτ01 + ω2τ02. (7)
В уравнениях (6) и (7) γ _∞ = 6π rη _∞ и γ ₀ = 6π rη ₀ ≥ γ _∞ — коэффициенты трения, характеризующие диссипацию при коротком и длинном соответственно, тогда как упругие эффекты количественно выражаются как (γ ₀ — γ _∞) τ ₀. Следовательно, в этом случае уравнение (4) принимает вид
γ∞dx (t) dx + γ0-γ∞τ0∫0tdsexp (-t-sτ0) dds [T (t) T (s) x (s)] = — κ (t) x (t) + ζ (t ).(8)
Примечательно, что при постоянной температуре T и отсутствии потенциала захвата среднеквадратичное смещение частицы, движение которой описывается уравнением (8), составляет
〈Δx (t) 2〉 = 2kBTγ0 {t + (1-γ∞γ0) τ0 [1-exp (-γ0γ∞τ0t)]}, (9)
, из которого следует, что в долгосрочной перспективе, t ≫ γ _∞ τ ₀ / γ ₀, он будет выполнять свободную диффузию, как в ньютоновской жидкости с постоянной вязкостью η ₀ [67–69 ], т.е., 〈Δx (t) 2〉 ≈2kBTγ0t. Это обеспечивает четкий критерий для прямого сравнения характеристик броуновского двигателя в ванне с вязкоупругой жидкостью с характеристиками в вязкой среде той же вязкости без сдвига, т. Е. Η = η ₀, при идентичных изменениях, зависящих от времени. κ ( т ) и т ( т ). Кроме того, введем безразмерный параметр
α = γ0γ∞-1≥0, (10)
таким образом, что для α = 0 или τ ₀ → 0 ядро памяти становится K ( t ) = 2γδ ( t ), с постоянным коэффициентом трения γ = γ ₀ = γ _∞.Следовательно, в этих случаях уравнение (4) сводится к
γdx (t) dt = -κ (t) x (t) + ζ (t), (11)
, где тепловой шум ζ ( t ) просто удовлетворяет [50].
〈Ζ (t)〉 = 0, 〈ζ (t) ζ (s)〉 = 2kBT (t) γδ (t-s), (12)
Уравнение (11) описывает движение броуновской частицы, связанной с ванной с вязким теплом с зависящей от времени температурой T ( t ) через силу трения -γdx (t) dt и тепловую стохастическую силу, подлежащую восстановлению. сила −κ ( т ) x ( т ).Следует отметить, что данная ситуация подробно рассматривалась во многих описанных в литературе моделях одночастичных тепловых машин [18, 20, 27, 28, 31–35].
Мы отмечаем, что реологические свойства вязкоупругих жидкостей обычно зависят от их температуры, которая в рамках термодинамического цикла также будет зависеть от времени. Включение таких тепловых эффектов в минимальную модель Ланжевена (8) нетривиально, и даже феноменологическое описание с помощью дополнительных реологических параметров и временных масштабов сделало бы его мало полезным для четкой интерпретации эффектов памяти частотно-зависимого трения в производительность броуновского двигателя.Поэтому аналогично упрощениям, сделанным в большинстве одночастичных моделей тепловых двигателей, работающих в чисто вязких жидкостях, в первом приближении мы предполагаем, что η ₀, η _∞ и τ ₀ остаются постоянными во времени. Влияние температурной зависимости этих параметров выходит за рамки данной статьи и будет предметом дальнейших исследований.
Работа броуновского двигателя во время цикла Стирлинга продолжительностью τ изображена на рисунке 1A, где жесткость ловушки и температура меняются во времени t согласно следующим протоколам
κ (t) = {κM-2τδκt, 0≤t≤τ2, κm-δκ (1-2τt), τ2 и
T (t) = {Th, 0≤t <τ2, Tc, τ2≤t <τ, Th, t = τ, (14)
соответственно, где δκ = κ _M — κ _m> 0 и T _h> T _c.Более конкретно, полный цикл состоит из последовательности из четырех шагов:
1 → 2: Для 0 ≤ t <τ / 2 коллоидный двигатель подвергается изотермическому расширению при высокой температуре T _h за счет линейного уменьшения жесткости ловушки с κ _M до κ _м.
2 → 3: При t = τ / 2 температура внезапно снижается до T _c, при сохранении жесткости ловушки на κ ( t = τ / 2) = κ _м, что соответствует изохорному процессу.
3 → 4: Для τ / 2 < t <τ двигатель подвергается изотермическому сжатию при низкой температуре T _c путем линейного увеличения жесткости ловушки с κ _м до κ _M.
4 → 1: При t = τ температура внезапно повышается до T _h, при сохранении жесткости ловушки на κ ( t = τ) = κ _M, i .е., изохорный процесс, завершающий полный цикл.
Рис. 1. (A) Схематическое изображение цикла Стирлинга периода τ, выполняемого коллоидным тепловым двигателем, погруженным в вязкоупругую жидкость, посредством изменения во времени жесткости κ ( t ) улавливающей гармоники. потенциала U (x, t) = 12κ (t) x (t) 2 и температуры ванны T ( t ). В момент времени 0 ≤ t <τ / 2 жесткость ловушки линейно уменьшается с κ _M до κ _м <κ _M при сохранении температуры окружающей среды на высоком уровне T _h (шаг 1 → 2).При t = τ / 2 температура внезапно снижается до T _c < T _h (шаг 2 → 3) и сохраняется на этом значении для τ / 2 < t <τ, при линейном увеличении жесткости ловушки от κ _м до κ _M (шаг 3 → 4). Цикл завершается при t = τ, при котором температура снова повышается до T _h (шаг 4 → 1).Для данной реализации цикла положение частицы x ( t ) кодирует информацию о стохастическом обмене энергией между частицей и окружающей жидкостью, как показано траекторией с шумом, полученной путем численного моделирования уравнения (8). . (B) Схематическое изображение броуновского цикла Стирлинга на диаграмме 〈 x ²〉 -κ ⁻¹, аналогичной диаграмме давление-объем газа.
Затем цикл повторяется до тех пор, пока система не достигнет периодического во времени устойчивого состояния, которое становится независимым от выбора начального состояния x ( t = 0) = x ₀.Обратите внимание, что по аналогии с макроскопическим циклом Стирлинга газа как рабочего вещества, здесь обратная жесткость ловушки и дисперсия положения частицы играют роль объема и давления соответственно, как показано на рисунке 1B.
Согласно стохастической термодинамике [14], работа, выполняемая над системой путем изменения оптической ловушки во времени за одну стохастическую реализацию ( n +1) -го цикла, начиная с t _n = nτ , при n = 0, 1, 2,…, равно
Wτ = 12∫tntn + τdtdκ (t) dtx (t) 2, = δκτ [-∫tntn + τ2dtx (t) 2 + ∫tn + τ2tn + τdtx (t) 2], (15)
, тогда как тепло, рассеиваемое в ванне в течение первой половины цикла, равно
. Qτ / 2 = Wτ / 2-ΔUτ / 2 = -δκτ∫tntn + τ2dtx (t) 2-12 [κmx (tn + τ2) 2-κMx (tn) 2].(16)
В уравнении (16) W _{τ / 2} — это работа, выполненная в течение первой половины цикла, а Δ U _{τ / 2} — соответствующее изменение потенциальной энергии в ловушке гармоник, U ( x, t ), в соответствии со стохастическим расширением первого закона термодинамики. Положительные и отрицательные значения W _τ соответствуют работе, совершенной над частицей, и работе, выполняемой частицей, соответственно, тогда как положительные и отрицательные значения Q _{τ / 2} представляют тепло, передаваемое от частицы к ванне. и тепло, поглощаемое частицей, соответственно.Следует отметить, что средние установившиеся значения двух стохастических переменных, заданные уравнениями (15) и (16), будут обозначены как 〈 W _τ〉 и 〈 Q _{τ / 2} 〉, Соответственно, необходимы для расчета КПД теплового двигателя Стирлинга [17]. Они включают дисперсию положения частицы в произвольный момент времени t ≥ 0, 〈 x ( t ) ²〉, при t = 0 время, определяющее начальное условие, вычисленное по ансамблю независимые реализации цветного шума ζ ( t ), определенного уравнениями (2).Аналитическое рассмотрение этой проблемы требует явного решения обобщенного уравнения Ланжевена (8), которое нетривиально даже в более простом случае постоянной жесткости ловушки и постоянной температуры [48]. Поэтому для решения проблемы производительности броуновского теплового двигателя Стирлинга, описываемого уравнениями (2), (8), (13) и (14), мы выбираем численное моделирование соответствующей стохастической динамики.
2.1. Численное решение
Чтобы вычислить вероятностные распределения работы и тепла, определенные в уравнениях (15) и (16), а также их соответствующие средние значения, немарковское уравнение Ланжевена (8) должно быть решено численно.С этой целью мы выражаем его в эквивалентной марковской форме, вводя вспомогательную стохастическую переменную z ( t ), определяемую как
z (t) = 1τ0∫0tdsexp (-t-sτ0) T (t) T (s) [x (s) + τ02∆ (s) ξz (s)], (17)
где
Δ (s) = kBT (s) γ0-γ∞, (18)
представляет собой коэффициент диффузии, связанный с эффективным трением γ ₀ — γ _∞, который зависит от мгновенного значения температуры в момент времени с , T ( с ) и ξ _z ( s ) — гауссов шум, удовлетворяющий
〈Ξz (s)〉 = 0, 〈ξz (s) ξz (s ′)〉 = δ (s-s ′). * (ω) = γ∞, см. Уравнение (7) , при температуре T ( t ), и определяется как
D∞ (t) = kBT (t) γ∞, (22)
, тогда как ξ _x ( t ) — это гауссов шум, который удовлетворяет
〈Ξx (t)〉 = 0, 〈ξx (t) ξx (s)〉 = δ (t-s), (23)
Отметим, что кроме ступенчатых изменений при t = t _n и t = tn + τ2, T ( t ) остается постоянным.Соответственно, скорость изменения зависящей от времени температуры в уравнении (20) исчезает в течение каждой половины цикла Стирлинга, то есть ddt [ln T (t)] = 0.
Чтобы вычислить распределения вероятностей W _τ и Q _{τ / 2}, мы проводим численное моделирование случайного процесса [ x ( t ), z ( t ) ], начиная с начального условия [ x ( t = 0) = 0, z ( t = 0) = 0] с общей длиной 2 × 10 ⁴ раз больше периода τ.Чтобы гарантировать, что система всегда находится в периодическом по времени неравновесном установившемся состоянии независимо от выбора начального состояния, первые 10 ⁴ циклов не учитываются, а начало отсчета времени смещается в начало периода (10 ⁴ + 1) −й цикл. Кроме того, не умаляя общности, мы выбираем постоянные значения низкочастотной и высокочастотной вязкостей, которые типичны для вязкоупругих жидкостей, приготовленных в водном растворе в полуразведенных режимах [42, 62, 66, 70, 71]: η ₀ = 0.040 Па · с и η _∞ = 0,004 Па · с, что соответствует α = 9. Диаметр коллоидной частицы установлен равным · = 0,5 мкм, а максимальное и минимальное значения жесткости ловушки во время цикла Стирлинга выбраны как κM = 5 пН мкм-1 и κm = 1 пН мкм-1, соответственно, которые легко доступны с помощью оптического пинцета [52]. Температуры резервуара во время горячей и холодной части цикла составляют T _c = 5 ° C и T _h = 90 ° C, которые выбираются таким образом, чтобы они находятся в диапазоне температур, в котором вода, которая является обычным компонентом растворителя многих вязкоупругих жидкостей, остается жидкой.С другой стороны, для изучения влияния времени релаксации жидкости на работу коллоидного двигателя Стирлинга τ ₀ варьируется в диапазоне 0,01–100 с, что также охватывает характерные значения в реальных экспериментальных системах. Мы решаем уравнения (20) с помощью схемы Эйлера – Кромера с шагом по времени δ t = 10 ⁻⁴ с, что примерно в 75 раз меньше, чем наименьшее время релаксации системы, γ _∞ / κ _М. В случае теплового двигателя Стирлинга в вязкой ньютоновской жидкости мы численно решаем уравнение (11) с постоянным коэффициентом трения γ = 6π aη , где η = η ₀ = 0.040 Па с и остальные задействованные параметры, а именно κ _м, κ _M, a , T _c, T _h, и δ t , выбираются с теми же значениями, которые описаны ранее для вязкоупругого случая для прямого сравнения между обеими системами. Мы также исследуем различные значения периода цикла, 0,01 с ≤ τ ≤ 50 с, что позволяет нам исследовать приближение вычисленных величин к квазистатическим значениям τ → ∞.Отметим, что τ _κ ≡ γ ₀ / κ _m представляет собой самый медленный временной масштаб диссипации системы [26] и явно появляется в аналитических выражениях для дисперсии броуновской частицы, испытывающей конечное -временной цикл Стирлинга в контакте с ванной с вязким теплом [34]. Следовательно, в обоих случаях анализируемых здесь вязких и вязкоупругих ванн все временные шкалы нормированы на τ _κ, тогда как энергии нормированы на k _B T _c.
3. Результаты и обсуждение
Поскольку W _τ и Q _{τ / 2} являются стохастическими переменными, мы сначала представляем результаты для их распределения вероятностей, ϱ ( W _τ) и ϱ ( Q _{τ / 2}) соответственно для разных значений шкал времени τ и τ ₀. На рисунках 2A, B мы построили такие распределения для значения времени релаксации жидкости, которое сравнимо с масштабом времени наибольшей диссипации системы: τ ₀ = 2.65τ _κ, при котором должны быть важны эффекты памяти из-за частотно-зависимого трения. В таком случае мы наблюдаем, что для быстрых циклов Стирлинга с периодом τ меньше или сравнимым с τ _κ распределение работы асимметрично относительно своего максимума и демонстрирует ярко выраженные экспоненциальные хвосты, как показано на вставке к рис. 2A. Кроме того, большие положительные флуктуации работы происходят при малых τ, что указывает на существование редких событий, когда работа совершается над частицей во время цикла, таким образом эффективно потребляя энергию в качестве теплового насоса.При увеличении τ экспоненциальные хвосты и их асимметрия исчезают, что приводит к более узкой гауссовской форме для τ ≫ τ _k. Это показывает, что вероятность обнаружения положительных рабочих флуктуаций уменьшается при увеличении τ, то есть броуновская частица ведет себя все больше и больше как макроскопический двигатель Стирлинга, который в среднем способен преобразовывать тепло, поглощенное из вязкоупругой ванны, в работу. Напротив, распределение тепла существенно не меняется со временем цикла τ, как показано на рисунке 2B.В этом случае четкие экспоненциальные хвосты остаются даже при больших значениях τ, как показано на вставке к рис. 2B. где вероятность возникновения отрицательных тепловых колебаний выше, чем положительных. Следовательно, независимо от периода цикла τ более вероятно, что тепло поглощается частицей, чем рассеивается в ванне во время изотермического расширения при температуре T _h.
Рисунок 2. (A) Функция плотности вероятности работы W _τ и (B) тепла Q _{τ / 2}, для броуновского двигателя Стирлинга, контактирующего с вязкоупругой жидкостью. ванна с временем релаксации τ ₀ = 2.65τ _κ, для разных значений времени цикла τ. (C) Функция плотности вероятности работы W _τ и (D) тепла Q _{τ / 2}, для броуновского двигателя Стирлинга в течение цикла продолжительностью τ = τ _κ, в контакте с вязкоупругими жидкостными ваннами с той же вязкостью при нулевом сдвиге η ₀ = 0,040 Па a, и различными временами релаксации τ ₀, охватывающими 5 порядков величины (сплошные линии). (E) Функция плотности вероятности работы W _τ и (F) тепла Q _{τ / 2}, для броуновского двигателя Стирлинга в течение цикла продолжительностью τ = 10τ _κ, в контакте с вязкоупругими жидкостными ваннами с такой же вязкостью при нулевом сдвиге η ₀ = 0.040 Па с и отчетливое время релаксации τ ₀, охватывающее 5 порядков (сплошные линии). В (C – F) пунктирные линии представляют соответствующие кривые для броуновского двигателя в ньютоновской жидкости (τ ₀ = 0) с постоянной вязкостью η ₀ = 0,040 Па · с. На вставках представлены полулогарифмические изображения основных сюжетов.
На рисунках 2C, D мы анализируем зависимость от времени релаксации жидкости τ ₀ распределения работы и тепла, соответственно, для циклов Стирлинга с периодом τ = τ _κ, т.е.е., аналогично самой большой шкале времени вязкой диссипации системы. Для сравнения мы также изображаем пунктирными линиями соответствующие распределения вероятностей для коллоидного двигателя в жидкости с постоянной вязкостью η = η ₀, для которой τ ₀ = 0. Примечательно, что мы находим, что вязкоупругость жидкости через параметр τ ₀, оказывает сильное влияние на результирующую форму распределений. Для вязкой ванны работа имеет большие экспоненциальные хвосты с сильно асимметричной формой.Аналогичная форма наблюдается для вязкоупругой ванны при достаточно малых τ ₀, но ширина и асимметрия распределения постепенно уменьшаются по мере увеличения τ ₀, а затем сходятся к единственной предельной кривой с довольно симметричным профилем для достаточно больших Значения времени релаксации жидкости τ ₀ ≳ τ _κ, как показано на вставке на рис. 2C. Кроме того, распределение тепла также имеет экспоненциальные хвосты с шириной, которая не сильно зависит от времени релаксации жидкости τ ₀, но положение максимума немного смещается в сторону все более отрицательных значений Q _{τ / 2} с увеличением τ ₀, как показано на рисунке 2D.Наконец, для значений длительности цикла τ больше, чем τ _κ, форма ϱ ( W _τ) изменяется от довольно симметричного экспоненциально-хвостового распределения до предельной гауссовой кривой с увеличением τ ₀, тогда как ϱ ( Q _{τ / 2}) демонстрирует симметричный профиль с экспоненциальными хвостами с максимумом при отрицательном значении Q _{τ / 2}, на который не влияет τ ₀, как соответственно показано на рисунках 2E, F для τ = 10τ _κ.Важно понимать, что при τ> τ _κ распределение работы броуновского двигателя в вязкоупругой ванне уже по сравнению с таковым в вязкой ванне с такой же вязкостью без сдвига. Это можно объяснить упругим откликом в первом случае, который предотвращает большие мгновенные потери тепла в ванну за счет вязкого рассеяния, что приводит к более эффективному преобразованию в работу энергии, извлеченной из окружающей среды. Это наблюдение подчеркивает важность ядра памяти трения движения частицы в вязкоупругой жидкости, которое становится сильно зависимым от частоты, налагаемой циклом Стирлинга.Таким образом, при достаточно малых τ ₀ <τ _κ обмен энергией между броуновской частицей и вязкоупругой ванной не должен сильно отличаться от тех, которые происходят в вязкой жидкости, в то время как для достаточно больших τ ₀> τ _{κ Должны иметь место} значительных отклонений, как показано на рисунках 2C, E для τ ₀ = 0,0265τ _κ и τ ₀ = 265τ _κ, соответственно.
Чтобы исследовать характеристики броуновского двигателя, работающего в вязкоупругой ванне, на рисунке 3А мы наносим на график среднюю работу , совершаемую броуновским двигателем за цикл, т.е.е., — 〈 W _τ〉. В ньютоновской жидкости — 〈 W _τ〉 положительно при достаточно большом τ и монотонно насыщается до постоянного положительного значения в квазистатическом пределе τ → ∞ [34].
— 〈Wτ → ∞〉 = 12kB (Th-Tc) ln (κMκm), (24)
, тогда как он становится отрицательным при малых значениях τ и стремится к нулю при τ → 0 согласно уравнению (15), таким образом подразумевая, что он имеет минимум при определенном значении τ. Это подтверждается на рисунке 3A, где пунктирными и пунктирными линиями нанесены кривые, соответствующие работе, совершаемой частицей в вязких жидкостях с постоянной вязкостью η = η ₀ = 0.040 Па · с и η = η _∞ = 0,004 Па · с соответственно, т.е. равны вязкости, характеризующие длительную и кратковременную диссипацию вязкоупругой жидкости. Местоположение минимума, которое показано стрелками, зависит от конкретного значения η, но общая форма кривой в линейно-логарифмическом представлении такая же, как показано на рисунке 3A. Интересно, что в случае вязкоупругих жидкостей с ненулевыми значениями τ ₀ работа, совершаемая частицей, демонстрирует промежуточное поведение между этими двумя кривыми.Например, для τ ₀ = 0,0265τ _κ ≪ τ _κ зависимость — 〈 W _τ〉 от τ очень похожа на таковую в ньютоновской жидкости с вязкостью η = η ₀, с единственным минимумом в том же месте (τ ≈ τ _κ) и лишь небольшими отклонениями соответствующих значений по вертикальной оси. Тем не менее, по мере увеличения τ ₀ появляется второй локальный минимум при τ ≈ 0,1τ _κ, т. Е. В месте минимума кривой, соответствующей ньютоновской жидкости с вязкостью η = η _∞, как наблюдалось. на рисунке 3А для τ ₀ = 0.084τ _κ. Такой второй минимум становится все более очевидным с увеличением τ ₀, тогда как первый минимум при τ ≈ τ _κ становится все менее и менее доминирующим, как видно для τ ₀ ≥ 0,265τ _κ. Неожиданно для τ ₀ ≫ τ _κ кривые для вязкоупругого случая сходятся к кривым для ньютоновской жидкости с вязкостью η = η _∞. Эти наблюдения показывают, что, в зависимости от конкретных значений времени релаксации жидкости и времени цикла относительно τ _κ, имеют место различные механизмы диссипации, чтобы частица преобразовывала энергию, взятую из ванны, в работу посредством применяемый термодинамический цикл.
Рис. 3. (A) Средняя работа, выполняемая броуновским двигателем Стирлинга в течение цикла, — 〈 W _τ〉, как функция времени цикла τ, для различных значений времени релаксации жидкости τ ₀ (сплошные линии). Пунктирные и пунктирные линии представляют собой среднюю выходную мощность броуновского двигателя Стирлинга в ньютоновских жидкостях с постоянной вязкостью η = η ₀ и η = (1 + α) -1η0 = η∞ соответственно. Стрелки показывают расположение соответствующих минимумов. (B) Средняя выходная мощность за цикл коллоидного двигателя Стирлинга, P _τ, как функция продолжительности цикла τ, для различных значений времени релаксации жидкости τ ₀ (сплошные линии). Пунктирные и пунктирные линии представляют собой среднюю выходную мощность броуновского двигателя Стирлинга в ньютоновских жидкостях с постоянной вязкостью η = η ₀ и η = (1 + α) -1η0 = η∞ соответственно. Тот же цветовой код, что и в (A) . На вставке: время остановки двигателя, определенное в уравнении (26), τ ^*, как функция времени релаксации жидкости, τ ₀ (жирная линия).Тонкая линия представляет значение τ ^* для двигателя, работающего в ньютоновской жидкости с постоянной вязкостью η = η _∞.
Затем мы вычисляем среднюю мощность, производимую двигателем в течение цикла
Pτ = — 〈Wτ〉 τ, (25)
, зависимость которого от времени цикла τ изображена сплошными линиями на фиг. 3B для некоторых примерных значений времени релаксации жидкости τ ₀. Кроме того, мы также наносим на рис. 3B пунктирной линией среднюю мощность для броуновского двигателя в ванне с ньютоновской жидкостью с вязкостью η = η ₀.Важно отметить, что для всех значений τ ₀, P _τ демонстрирует немонотонное поведение в зависимости от τ, которое постепенно отклоняется от поведения в ньютоновской жидкости с вязкостью η = η ₀ при увеличении τ ₀. Это результат ярко выраженной немонотонной зависимости — 〈 W _τ〉 от τ, показанной на рисунке 3A. В частности, P _τ имеет максимум, который возникает из-за компромисса между высоким рассеянием энергии при малых временах цикла τ (высокочастотный режим) и большим τ (медленный режим), при котором чистая работа создается двигателем. с низкой диссипацией.Кроме того, общая форма всех кривых мощности отображает три различных режима работы. Для достаточно медленных циклов Стирлинга (большое τ) двигатель способен выдавать полезную мощность в среднем ( P _τ> 0), где необратимое рассеяние энергии в ванну становится незначительным. С другой стороны, существует определенное значение времени цикла, при котором двигатель глохнет, т. Е. Как средняя работа, так и выходная мощность равны нулю: 〈 Вт _τ〉 = 0, P _τ = 0 [17].Наконец, для достаточно быстрых циклов (малых τ) двигатель поглощает энергию ( P _τ <0), а не передает ее, таким образом, ведет себя как тепловой насос. Этот режим является следствием большого количества необратимо рассеиваемой энергии, когда частица быстро приводится в движение за счет периодического изменения κ ( t ) и T ( t ). Интересно, что на рисунке 3B мы показываем, что значение времени релаксации жидкости τ ₀ оказывает значительное влияние на среднюю выходную мощность и, в частности, на значение времени цикла, при котором броуновский двигатель глохнет, что мы обозначим как τ ^*
Например, в случае ньютоновской жидкости (τ ₀ = 0) с η = η ₀, мы находим τ * = 6.15τκ, а для вязкоупругой жидкости (τ ₀> 0) τ ^* меньше и уменьшается с увеличением τ ₀. На вставке к рисунку 3B мы построили зависимость τ ^* от τ ₀, где мы можем видеть, что для достаточно коротких времен релаксации жидкости время остановки близко к таковому для ванны с ньютоновской жидкостью (τ * = 6.15τκ) и монотонно убывает с ростом τ ₀. В этом режиме с коротким τ ₀ рабочие характеристики двигателя очень чувствительны к конкретному значению τ ₀, как показано сильным изменением формы кривых мощности, построенных на Рисунке 3B для τ ₀. = 0.0265τ _κ, 0,084τ _κ, 0,265τ _κ, 0,84τ _κ. В районе τ ₀ = τ _κ происходит заметное изменение зависимости от τ ₀ работы двигателя. Действительно, по мере увеличения τ ₀ время простоя приближается к постоянному значению τ * = 0,52τκ, что подтверждено на вставке на рис. 3A для τ ₀> τ _κ. Монотонное уменьшение τ ^* означает, что интервал времени цикла, при котором двигатель может эффективно выдавать положительную выходную мощность, увеличивается с увеличением τ ₀.Более того, с увеличением времени релаксации жидкости τ ₀> τ _κ, что согласуется со все более выраженным вязкоупругим поведением ванны, кривые выходной мощности сходятся к предельной кривой, как показано на рисунке 3B для τ ₀ = 2.65τ _κ, 8.4τ _κ, 26.5τ _κ, 84τ _κ, 265τ _κ. Примечательно, что такая ограничивающая кривая соответствует кривой мощности броуновского двигателя Стирлинга в ньютоновской ванне с вязкостью, равной высокочастотному значению η = η _∞ = 0.004 Па · с, то есть вязкость компонента растворителя в вязкоупругой жидкости, которая представлена пунктирной линией на рисунке 3B. Как следствие, предел времени остановки двигателя, работающего в вязкоупругой жидкости, при увеличении τ ₀ соответствует времени остановки броуновского двигателя, работающего в ньютоновском двигателе с постоянной вязкостью η = η _∞, τ * = 0,52τκ, как показано на вставке рисунка 3B, см. Сплошную горизонтальную линию. Кроме того, на рисунке 3B мы проверяем, что для заданного цикла конечной продолжительности τ средняя выходная мощность двигателя, работающего в вязкоупругой жидкости, увеличивается с увеличением значений τ ₀ по отношению к выходной мощности в ньютоновских единицах. жидкость той же вязкости при нулевом сдвиге.Мы также обнаружили, что положение глобального максимума каждой выходной мощности смещается в сторону все меньших и меньших значений τ с увеличением τ ₀, тогда как значение P _τ в максимуме увеличивается с увеличением τ ₀ из-за уменьшения необратимой диссипации, имеющей место в жидкости с ярко выраженным вязкоупругим поведением.
Эти данные позволяют нам раскрыть основной механизм влияния вязкоупругости жидкости на работу двигателя.В ньютоновской жидкости с постоянной вязкостью η ₀ наибольшая шкала времени, связанная с вязкой диссипацией из-за временных изменений жесткости ловушки, точно равна τ _κ, что пропорционально η ₀ и представляет наибольшую релаксацию. время в системе. В этом случае вязкая ванна просто действует как механически инертный элемент двигателя, который мгновенно уравновешивается в ответ на движение частиц при изменении жесткости ловушки.С другой стороны, когда ванна представляет собой вязкоупругую жидкость, скрытые степени свободы ее эластичной микроструктуры, например, запутанные мицеллы, полимеры, взаимодействующие коллоиды и т. Д., Также играют роль в динамике и механически реагируют в течение характерного времени. τ ₀> 0 к временным изменениям, периодически накладываемым на частицу. Следовательно, взаимодействие между τ _κ и τ ₀ определяет результирующее энергетическое поведение системы:
• Если τ ₀ ≪ τ _κ, микроструктура жидкости полностью релаксирует до того, как происходит рассеяние энергии в ванну в масштабе времени τ _κ.* (ω) нельзя пренебречь. Таким образом, величина τ ₀ ≈ τ _κ отмечает качественное изменение энергообмена между частицей и термостатом.
• Если τ ₀> τ _κ, эластичная микроструктура жидкости не успевает механически релаксировать к временным изменениям цикла, что предотвращает длительное трение частицы, характеризуемое коэффициентом γ ₀. * (ω → ∞) = γ∞ = 6πaη∞ для τ ₀ ≫ τ _κ согласно уравнению (7).Как следствие, в этом пределе соответствующая шкала времени рассеяния составляет γ _∞ / κ _м, что обычно меньше, чем τ _κ, поскольку η∞ = η0 (1 + α) -1≤η0. Например, для численных значений, выбранных в представленных здесь расчетах, γ _∞ / κ _м = 0,1τ _κ. Соответственно, менее необратимая диссипация должна происходить в вязкоупругой жидкости при ограниченных по времени циклах Стирлинга, таким образом увеличивая полезную выходную мощность двигателя при заданном времени цикла τ по сравнению с таковой в ньютоновской жидкости с той же вязкостью при нулевом сдвиге η ₀.
Чтобы подтвердить ранее описанный механизм накопления и рассеивания энергии во время цикла Стирлинга, на рисунке 4A мы построили график среднего количества тепла, поглощенного частицей во время горячей стадии цикла, — 〈 Q _{τ / 2}〉, как функция общей продолжительности полного цикла τ. Находим, что для всех значений τ и времени релаксации жидкости τ ₀, — 〈 Q _{τ / 2}〉 ≥ 0, что означает, что частица поглощает тепло в среднем в течение первой половины цикла. .В частности, для данного τ ₀ среднее поглощенное тепло монотонно возрастает от значения — 〈 Q _{τ = 0}〉 = 0 и насыщается до постоянного значения, соответствующего квазистатическому процессу, при τ → ∞ . Для сравнения на рис. 4A мы также изображаем пунктирной линией среднее количество тепла, поглощаемого броуновским двигателем при работе в ньютоновской жидкости с вязкостью η = η ₀. В таком случае из уравнения (16) легко продемонстрировать, что — 〈 Q _{τ / 2}〉 фактически приближается к квазистатическому значению, которое явно задается формулой [34]
— 〈Q (τ → ∞) / 2〉 = 12kB (Th-Tc) + 12kBThln (κMκm,) (27)
Для численных значений исследуемых параметров — 〈 Q _{(τ → ∞) / 2}〉 = 1.203 k _B T _c, см. Горизонтальную тонкую пунктирную линию на рисунке 4A. Мы наблюдаем, что, независимо от τ ₀, все тепловые кривые сходятся к такому значению для τ ≫ τ _κ, но в зависимости от конкретного значения времени релаксации жидкости различное поведение наблюдается при коротких и промежуточных длительностях цикла. И снова мы находим, что с увеличением τ ₀ кривые среднего тепловыделения постепенно отклоняются от поведения в ньютоновской жидкости с вязкостью η = η ₀, а для τ ₀ ≫ τ _κ они сходятся к что в ньютоновской жидкости с η = η _∞, см. пунктирную линию на рисунке 4A.Это еще одно свидетельство того, что при увеличении τ ₀ рассеяние энергии двигателя, работающего в вязкоупругой жидкости, в основном определяется трением с растворителем.
Рис. 4. (A) Среднее количество тепла, поглощаемое броуновским двигателем Стирлинга во время изотермического расширения при высокой температуре, — 〈 Q _{τ / 2}〉, как функция времени цикла τ, для различных значений время релаксации жидкости τ ₀ (сплошные линии). Пунктирная и штриховая линии соответствуют среднему количеству тепла, поглощаемому коллоидным двигателем в ньютоновских жидкостях с постоянной вязкостью η = η ₀ и η = (1 + α) -1η0 = η∞ соответственно.Горизонтальная тонкая пунктирная линия представляет квазистатическое значение, определяемое уравнением (27). (B) Средняя скорость поглощения тепла коллоидным двигателем во время изотермического расширения при высокой температуре, Дж _τ, как функция продолжительности цикла τ, для различных значений времени релаксации жидкости τ ₀ (сплошные линии). Тот же цветовой код, что и в (A) . Пунктирная и штриховая линии соответствуют средней скорости поглощения тепла в ньютоновских жидкостях с постоянной вязкостью η = η ₀ и η = η _∞ соответственно.Стрелками показано расположение соответствующих максимумов. Пунктирная линия показывает поведение ~ τ ⁻¹.
На рис. 4B в виде линий твердых тел изображена средняя скорость поглощения тепла двигателем из ванны во время изотермического расширения при температуре T _h
Jτ = — 〈Qτ / 2〉 τ, (28)
как функция продолжительности цикла τ для некоторых репрезентативных значений τ ₀> 0. Соответствующие кривые для частицы в ньютоновских жидкостях с η = η ₀ и η = η _∞ показаны пунктирными и штриховыми линиями. линии соответственно.В таких случаях мы обнаруживаем, что J _τ демонстрирует максимум, который приблизительно соответствует положению минимумов в — 〈 W _τ〉, показанном на рисунке 3A. При τ ≲ τ _κ наблюдается заметная зависимость от времени релаксации жидкости, если τ ₀ ≲ τ _κ, а при τ ≫ τ _κ возникает зависимость Jτ ~ τ-1 от времени цикла Стирлинга. для всех значений τ ₀, что указывает на начало квазистатического термодинамического поведения.
Предыдущие результаты показывают, что, в отличие от характеристик броуновских тепловых двигателей в ньютоновской среде с единственной релевантной шкалой времени рассеяния энергии γ ₀ / κ _m, в ванне с вязкоупругой жидкостью низкочастотные и высокочастотные значения трения, γ ₀ и γ _∞, порождают две значимые шкалы времени диссипации, а именно: τ _κ = γ ₀ / κ _м и явно скрытое время -масштаб (1 + α) -1τκ = γ∞ / κm из-за трения частицы о растворитель.Когда время цикла Стирлинга τ сравнимо с одним из таких масштабов времени, соответствующий канал необратимой диссипации сильно активируется. Это, в свою очередь, приводит к большому количеству энергии, поглощаемой частицей из термостата с очень высокой скоростью, о чем свидетельствуют минимумы и максимумы, показанные стрелками на рисунках 3A, 4B, соответственно. Для произвольного времени цикла взаимодействие между двумя каналами необратимого рассеивания вместе с переходным накоплением энергии за счет упругой микроструктуры жидкости определяет результирующие характеристики броуновского двигателя.
Наконец, мы определяем эффективность броуновского двигателя Стирлинга, определяемую как
ϵτ = — 〈Wτ〉 — 〈Qτ / 2〉, (29)
как функция времени цикла τ и времени релаксации вязкоупругой жидкости τ ₀. Результаты представлены в виде двухмерной цветовой карты на фиг. 5A, с некоторыми кривыми эффективности, построенными на фиг. 5B в зависимости от τ для примерных значений τ ₀. Кроме того, на рисунке 5A мы также изображаем время остановки τ ^*, определенное в уравнении (26), как функцию времени релаксации жидкости.Как следствие обмена энергией с вязкоупругой ванной, обсуждавшейся в предыдущих параграфах, τ ^* делит диаграмму эффективности на две области. При τ <τ ^* броуновская частица ведет себя как тепловой насос, где ϵ _τ <0 демонстрирует довольно сложную зависимость от τ ₀ и τ из-за конкуренции между различными каналами накопления и рассеивания энергии ванны, что приводит в среднем к чистому поглощению энергии из ванны. С другой стороны, при τ> τ ^* КПД положительный, ϵ _τ> 0, т.е.е., броуновская частица ведет себя как тепловая машина с положительной выходной мощностью. В этом случае КПД является монотонно возрастающей функцией как от τ, так и от τ ₀. Отметим, что для исследованных значений времени цикла τ интервал, в котором двигатель имеет положительный КПД, довольно узок для малых времен релаксации жидкости τ ₀ <τ _κ, поскольку для большого значения нулевого сдвига Если вязкость учитывалась при моделировании (η ₀ = 0,040 Па · с, типичная для биологических жидкостей), даже при сравнительно медленных циклах Стирлинга происходит рассеивание большого количества тепла.Однако, когда значение τ ₀ аналогично или больше, чем τ _κ, упругий отклик жидкости вступает в силу, следовательно, уменьшение диссипации энергии с последующим расширением интервала времен цикла на один порядок величины для что ϵ _τ> 0.
Рис. 5. (A) Цветная двухмерная карта , показывающая эффективность коллоидного двигателя Стирлинга, ϵ _τ, как функцию времени релаксации жидкости, τ ₀, и продолжительности цикла Стирлинга, τ .Пунктирная линия соответствует времени простоя τ ^*, которое отделяет значения параметров τ ₀ и τ, при которых система работает как тепловая машина (ϵ _τ> 0), от тех, для которых она ведет себя как тепловой насос (ϵ _τ <0). (B) Примеры кривых эффективности как функции продолжительности цикла Стирлинга, τ, для некоторых конкретных значений времени релаксации жидкости (сплошные линии). Пунктирные и пунктирные линии представляют кривые эффективности броуновского двигателя Стирлинга в ньютоновских жидкостях с постоянной вязкостью η = η ₀ и η = η _∞ соответственно.Пунктирная линия показывает квазистатическое значение эффективности Стирлинга, _{τ → ∞}, определяемое уравнением (30).
Поскольку в модели (4) мы предполагаем, что единственным источником стохастичности системы являются тепловые флуктуации жидкости, кроме движущего потенциала гармонической ловушки нет других источников энергии, которые влияют на производительность системы. Броуновский двигатель. Следовательно, ожидается, что квазистатическая эффективность Стирлинга
ϵτ → ∞ = ϵC1 + ϵCln (κMκm), (30)
, которое может быть определено из соотношения Уравнений (24) и (27), никогда не превышается при конечном τ независимо от времени релаксации вязкоупругой жидкости.В уравнении (30) ϵC = 1-TcTh соответствует эффективности двигателя Карно, работающего квазистатически между двумя резервуарами при температурах T _c и T _h. Для численных значений параметров, характеризующих рассматриваемый цикл Стирлинга, находим _{τ → ∞} = 0,2043. На рисунке 5B мы демонстрируем, что, действительно, все кривые эффективности ограничены таким значением и приближаются к нему по мере увеличения времени цикла τ.Типичное значение периода цикла, при котором достигается такая эффективность, сильно зависит от τ ₀. В то время как для броуновского двигателя в ньютоновской жидкости с вязкостью η ₀ сходимость очень медленная, квазистатическая эффективность Стирлинга может быть достигнута в вязкоупругой ванне для типичных экспериментальных значений параметров системы, как показано на рисунке 5B. для τ ₀> τ _κ.
Чтобы сравнить характеристики броуновского двигателя Стирлинга в вязкоупругой ванне с другими ситуациями, представляющими практический интерес, мы сначала определим его эффективность при максимальной мощности в ванне с ньютоновской жидкостью с той же вязкостью без сдвига η = η ₀.Хотя и не такой общий, как КПД Карно, при некоторых обстоятельствах так называемый КПД Керзона-Альборна [1, 2] представляет собой хорошее приближение для верхней границы КПД стохастических тепловых двигателей, работающих на максимальной мощности [4, 6, 17 , 19]. Для значений параметров, исследованных в данной работе, находим, что выходная мощность P _τ в чисто вязкой жидкости достигает максимального значения PτMP = 0,00679kBTcτκ-1 за время цикла τ _MP = 18.6τ _κ, при котором КПД η _{τ _MP} = 0,1218. Это значение хорошо согласуется с КПД Керзона-Альборна, CA = 1-TcTh = 0,1248, и составляет примерно 60% от КПД Карно η _C = 0,2043. В таблице 1 мы перечисляем некоторые примерные значения средней выходной мощности за цикл, P _{τ = _τ _MP}, и соответствующие значения КПД броуновского двигателя ϵ _{τ = _τ _MP}, работающие при одинаковом времени цикла Стирлинга τ _MP = 18.6τ _κ в ваннах вязкоупругой жидкости с различными значениями их времени релаксации τ ₀. Мы проверяем, что с увеличением τ ₀ как абсолютная мощность, выдаваемая двигателем, так и его эффективность повышаются по сравнению с таковой в ньютоновской жидкости. В частности, эффективность при τ _MP = 18,6τ _κ сходится примерно к 93% эффективности Карно для τ ₀ ≫ τ _κ.
Таблица 1 .Средняя выходная мощность, производимая броуновским двигателем Стирлинга в течение цикла τ = τ _MP = 18,6τ _κ и соответствующая эффективность для различных значений времени релаксации жидкости τ ₀.
4. Резюме и заключительные замечания
В этой работе мы исследовали стохастическую модель, основанную на обобщенном уравнении Ланжевена, для броуновского двигателя Стирлинга, находящегося в контакте с вязкоупругой жидкой ванной. Медленное реологическое поведение жидкости учитывается в модели с помощью экспоненциально затухающего ядра памяти, которое фиксирует основные особенности линейного вязкоупругого поведения многих неньютоновских жидкостей.Наши результаты показывают, что трение памяти, оказываемое окружающей жидкостью, оказывает огромное влияние на производительность теплового двигателя по сравнению с его работой в вязкой среде с такой же вязкостью при нулевом сдвиге. В частности, заметное повышение выходной мощности и эффективности двигателя происходит в результате частотно-зависимого отклика жидкости при ограниченных по времени циклах Стирлинга, таким образом сходясь к предельным кривым, определяемым высокочастотной составляющей трения. частицы с увеличением времени релаксации жидкости.Более того, минимальное значение продолжительности цикла Стирлинга, при котором броуновский двигатель может преобразовывать энергию из среды в работу, становится монотонно короче с увеличением времени релаксации жидкости, что расширяет интервал возможных значений продолжительности цикла Стирлинга, в течение которого двигатель способен эффективно передавать положительную энергию. В более широком плане наши результаты подчеркивают важность неравновесной переходной природы трения частиц во временных циклах конечной продолжительности.Мы отмечаем, что, хотя и в другом контексте, качественно аналогичные эффекты обсуждались в системах с частотно-зависимыми свойствами из-за их взаимодействия с немарковскими ваннами, такими как броуновские частицы, переведенные в периодические неравновесные стационарные состояния [72] и квантовые холодильники Отто [73]. Кроме того, связь между трением, зависящим от частоты, и корреляциями шума ванны, в свою очередь, является важным вопросом для правильной интерпретации эффективности стохастических тепловых двигателей, работающих в неравновесных ваннах, как недавно исследовалось в случае слабозатухающих активных броуновских ванн. частицы [74].
Насколько нам известно, наша работа представляет собой первое исследование влияния трения памяти на работу броуновского двигателя Стирлинга при контакте с вязкоупругим резервуаром жидкости. Таким образом, мы ожидаем, что результаты, представленные в этой статье, будут способствовать лучшему пониманию и потенциальному применению эффективного извлечения работы и рассеивания тепла в других типах мезоскопических двигателей, работающих в сложных жидкостях. Дальнейшие шаги нашей работы направлены на устранение эффектов долговременной памяти во время стохастических термодинамических циклов с конечным периодом, описываемых растянутыми экспонентами [75], степенными ядрами и дробным броуновским шумом [76–79], которые описывают механический отклик разнообразные системы мягкой материи, такие как стекла и биологические материалы [80, 81].Еще один аспект, который может быть исследован в будущем, — это влияние временных изменений параметров жидкости, поскольку хорошо известно, что реологические свойства вязкоупругих жидкостей зависят от их температуры, которая в условиях термодинамического цикла станет зависимой от времени. . Мы хотели бы отметить, что, поскольку параметры, характеризующие работу теплового двигателя, представленные в этой статье, являются типичными для систем с мягкой материей, мы ожидаем, что этот процесс может быть реализован простым способом с помощью оптического пинцета [52] .Подобные идеи могут быть распространены на броуновские частицы в нелинейных потенциалах [82] и активные броуновские тепловые машины [32], функционирующие в сложных жидкостях, которые могут быть реализованы с помощью активируемых светом коллоидов в неньютоновских жидкостях [69, 83]. –86] и горячие броуновские частицы [87–89].
Заявление о доступности данных
Необработанные данные, подтверждающие выводы этой статьи, будут предоставлены авторами без излишних оговорок.
Авторские взносы
JG-S разработал модель, провел численное моделирование, проанализировал результаты и написал рукопись.
Финансирование
Работа поддержана UNAM-PAPIIT IA103320.
Конфликт интересов
Автор заявляет, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могут быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Список литературы
1. Новиков И.И. Эффективность атомных электростанций (обзор). Дж Ядерная энергия . (1958). 7: 125–28. DOI: 10.1016 / 0891-3919 (58) -4
CrossRef Полный текст | Google Scholar
2.Керзон Ф.Л., Альборн Б. КПД двигателя Карно при максимальной выходной мощности. Am J Phys . (1975) 43: 22–4. DOI: 10.1119 / 1.10023
CrossRef Полный текст | Google Scholar
3. Leff HS. Тепловая эффективность при максимальной производительности: новые результаты для старых тепловых двигателей. Am J Phys . (1987) 55: 602–10. DOI: 10.1119 / 1.15071
CrossRef Полный текст | Google Scholar
4. Ван ден Брок К. Термодинамический КПД при максимальной мощности. Phys Rev Lett .(2005) 95: 1. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.95.1
CrossRef Полный текст | Google Scholar
5. Изумида Ю., Окуда К. Молекулярно-кинетический анализ конечного цикла Карно. Еврофизиология . (2008) 83: 60003. DOI: 10.1209 / 0295-5075 / 83/60003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
7. Озин Г.А., Маннерс И., Фурнье-Бидоз С., Арсено А. Наномашины мечты. Дополнительные материалы . (2005) 17: 3011–8. DOI: 10.1002 / adma.200501767
CrossRef Полный текст | Google Scholar
8.Hänggi P, Marchesoni F. Искусственные броуновские двигатели: управление транспортом в наномасштабе. Ред. Мод. Phys . (2009) 81: 387–442. DOI: 10.1103 / RevModPhys.81.387
CrossRef Полный текст | Google Scholar
10. Мартинес И.А., Ролдан Д., Динис Л., Рика Р.А. Коллоидные тепловые двигатели: обзор. Мягкое вещество . (2017). 13: 22–36. DOI: 10.1039 / C6SM00923A
CrossRef Полный текст | Google Scholar
11. Pietzonka P, Fodor E, Lohrmann C, Cates ME, Seifert U.Автономные двигатели на активном веществе: энергетика и принципы конструкции. Физическая редакция X . (2019) 9: 041032. DOI: 10.1103 / PhysRevX.9.041032
CrossRef Полный текст | Google Scholar
12. Силиберто С., Гомес-Солано Р., Петросян А. Флуктуации, линейный отклик и токи в неравновесных системах. Анну Рев Конд Маттер Физ . (2013) 4: 235–61. DOI: 10.1146 / annurev-conmatphys-030212-184240
CrossRef Полный текст | Google Scholar
16.Чилиберто С. Эксперименты в стохастической термодинамике: краткая история и перспективы. Физическая редакция X . (2017) 7: 021051. DOI: 10.1103 / PhysRevX.7.021051
CrossRef Полный текст | Google Scholar
17. Шмидл Т., Зайферт У. Эффективность при максимальной мощности: аналитически решаемая модель для стохастических тепловых двигателей. Europhys. Lett . (2007) 81: 20003. DOI: 10.1209 / 0295-5075 / 81/20003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
19. Голубец В.Точно решаемая модель стохастической тепловой машины: оптимизация мощности, колебаний мощности и КПД. J Stat Mech Theory Exp . (2014) 2014: P05022. DOI: 10.1088 / 1742-5468 / 2014/05 / P05022
CrossRef Полный текст | Google Scholar
21. Бауэр М., Бранднер К., Зайферт У. Оптимальные характеристики периодически приводимых стохастических тепловых двигателей при ограниченном управлении. Phys Rev E . (2016) 93: 042112. DOI: 10.1103 / PhysRevE.93.042112
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
22.Бликл В., Бехингер С. Реализация стохастического теплового двигателя микрометрового размера. Нат Физика . (2012) 8: 143–46. DOI: 10.1038 / nphys2163
CrossRef Полный текст | Google Scholar
23. Quinto-Su PA. Микроскопический паровой двигатель, воплощенный в оптическом пинцете. Нац Коммуна . (2014) 5: 5889. DOI: 10.1038 / ncomms6889
CrossRef Полный текст | Google Scholar
24. Мартинес И.А., Ролдан Динис Л., Петров Д., Паррондо Ю.М.Р., Рика Р.А. Броуновский двигатель Карно. Нат Физика . (2016) 12: 67–70. DOI: 10.1038 / nphys3518
CrossRef Полный текст | Google Scholar
25. Аргун А., Сони Дж., Дабелоу Л., Бо С., Пеше Г., Эйххорн Р. и др. Экспериментальная реализация минимального микроскопического теплового двигателя. Phys Rev E . (2017) 96: 052106. DOI: 10.1103 / PhysRevE.96.052106
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
27. Закин Р., Солон А., Гингрич Т., Ван Вейланд Ф. Стохастический двигатель Стирлинга, работающий в контакте с активными ваннами. Энтропия . (2017) 19: 193. DOI: 10.3390 / e193
CrossRef Полный текст | Google Scholar
28. Саха А., Марат Р., Пал П.С., Джаяннавар А.М. Стохастический тепловой двигатель с активным рассеиванием. J Stat Mech Theory Exp . (2018) 2018: 113203. DOI: 10.1088 / 1742-5468 / aae84a
CrossRef Полный текст | Google Scholar
29. Чаки С., Чакрабарти Р. Производство энтропии и отношения флуктуации работы для отдельной частицы в активной ванне. Phys A Stat Mech Appl .(2018) 511: 302–15. DOI: 10.1016 / j.physa.2018.07.055
CrossRef Полный текст | Google Scholar
30. Чаки С., Чакрабарти Р. Влияние активных колебаний на энергетику коллоидной частицы: супердиффузия, диссипация и производство энтропии. Phys A Stat Mech Appl . (2019) 530: 121574. DOI: 10.1016 / j.physa.2019.121574
CrossRef Полный текст | Google Scholar
31. Саха А., Марат Р. Стохастическое извлечение работы в коллоидном тепловом двигателе при наличии цветного шума. J Stat Mech Theory Exp . (2019) 2019: 094012. DOI: 10.1088 / 1742-5468 / ab39d4
CrossRef Полный текст | Google Scholar
32. Голубец В., Штеффенони С., Фаласко Г., Крой К. Активные броуновские тепловые двигатели. Физика Исследования . (2020) 2: 043262. DOI: 10.1103 / PhysRevResearch.2.043262
CrossRef Полный текст | Google Scholar
33. Эке Т., Кейтс М.Э., Фодор Э. Термодинамические циклы с активным веществом. Phys Rev E . (2020) 102: 010101.DOI: 10.1103 / PhysRevE.102.010101
CrossRef Полный текст | Google Scholar
35. Шамель Г. Двигатель с одной активной частицей, использующий невзаимную связь между положением частицы и самодвижением. Phys Rev E . (2020) 102: 042605. DOI: 10.1103 / PhysRevE.102.042605
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
36. Мартин Д., Нардини С., Кейтс М.Э., Фодор Э. Получение максимальной мощности от активных коллоидных тепловых двигателей. Еврофизиология .(2018) 121: 60005. DOI: 10.1209 / 0295-5075 / 121/60005
CrossRef Полный текст | Google Scholar
37. Кришнамурти С., Гош С., Чаттерджи Д., Ганапати Р., Суд А. К.. Тепловой двигатель микрометрового размера, работающий между резервуарами с бактериями. Нат Физика . (2016) 12: 1134–8. DOI: 10.1038 / nphys3870
CrossRef Полный текст | Google Scholar
38. Ларсон Р.Г. Структура и реология сложных жидкостей . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета (1999).
39. Уилсон Л.Г., Харрисон А.В., Пун В.К., Пуэртас А.М. Микрореология и флуктуационная теорема в плотных коллоидах. Еврофизиология . (2011) 93: 58007. DOI: 10.1209 / 0295-5075 / 93/58007
CrossRef Полный текст | Google Scholar
40. Демери В., Бенишу О., Жакен Х. Обобщенные уравнения Ланжевена для ведомого индикатора в плотных мягких коллоидах: построение и приложения. Н. Дж. Phys . (2014) 16: 053032. DOI: 10.1088 / 1367-2630 / 16/5/053032
CrossRef Полный текст | Google Scholar
41.Гомес-Солано Дж. Р., Бечингер К. Исследование линейной и нелинейной микрореологии вязкоупругих жидкостей. Еврофизиология . (2014) 108: 54008. DOI: 10.1209 / 0295-5075 / 108/54008
CrossRef Полный текст | Google Scholar
42. Гомес-Солано Дж. Р., Бечингер С. Переходная динамика коллоидной частицы, движущейся через вязкоупругую жидкость. Н. Дж. Phys . (2015) 17: 103032. DOI: 10.1088 / 1367-2630 / 17/10/103032
CrossRef Полный текст | Google Scholar
43.Бернер Дж., Мюллер Б., Гомес-Солано Дж. Р., Крюгер М., Бехингер С. Колебательные режимы ведомых коллоидов в сверхдемпфированных системах. Нац Коммуна . (2018) 9: 999. DOI: 10.1038 / s41467-018-03345-2
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
44. Моханти Р.П., Зия Р.Н. Переходная нелинейная микрореология в гидродинамически взаимодействующих коллоидных дисперсиях: прекращение течения. Дж. Механизм подачи жидкости . (2020) 884: A14. DOI: 10.1017 / jfm.2019.912
CrossRef Полный текст | Google Scholar
46.Vishen AS. Скорость тепловыделения в неравновесной вязкоупругой среде. J Stat Mech Theory Exp . (2020) 2020: 063201. DOI: 10.1088 / 1742-5468 / ab7e2f
CrossRef Полный текст | Google Scholar
47. Ди Терлицци И., Байеси М. Зависимость термодинамической неопределенности для системы с памятью. Дж. Физика Математика. Теория . (2020) 53: 474002. DOI: 10.1088 / 1751-8121 / abbc7d
CrossRef Полный текст | Google Scholar
48. Di Terlizzi I, Ritort F, Baiesi M.Явное решение обобщенного уравнения Ланжевена. Дж. Стат. Физика . (2020) 181: 1609–35. DOI: 10.1007 / s10955-020-02639-4
CrossRef Полный текст | Google Scholar
50. Брей Дж. Дж., Касадо Дж. Обобщенные уравнения Ланжевена с температурой, зависящей от времени. Дж. Стат. Физика . (1990) 61: 713–22. DOI: 10.1007 / BF01027298
CrossRef Полный текст | Google Scholar
51. Ромеро-Салазар Л., Веласко, РМ. Обобщенное уравнение Фоккера-Планка с температурой, зависящей от времени. Revista Mexicana de Fisica . (1995) 41: 358–64.
Google Scholar
52. Gieseler J, Gomez-Solano JR, Magazzù A, Castillo IP, García LP, Gironella-Torrent M, et al. Оптический пинцет: подробное руководство от калибровки до приложений. Appl Opt Photon . (2021) 13: 74–241. DOI: 10.1364 / AOP.394888
CrossRef Полный текст | Google Scholar
53. Сквайрс Т.М., Мейсон Т.Г. Тензорное обобщенное соотношение Стокса-Эйнштейна для микрореологии анизотропного зонда. Реол Акта . (2010) 49: 1165–77. DOI: 10.1007 / s00397-010-0490-5
CrossRef Полный текст | Google Scholar
54. Берд Р., Армстронг Р., Хассагер О. Динамика полимерных жидкостей, Том 1: Механика жидкости . 2-е изд. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: Wiley (1987).
Google Scholar
57. Сюй К., Форест М.Г., Клаппер И. О соответствии между ползущими потоками вязкой и вязкоупругой жидкости. J Механизм неньютоновской жидкости . (2007). 145: 150–72.DOI: 10.1016 / j.jnnfm.2007.06.003
CrossRef Полный текст | Google Scholar
58. Cordoba A, Indei T, Schieber JD. Устранение инерции из обобщенного уравнения Ланжевена: приложения для моделирования реологии микрошариков и анализа данных. Дж. Реол . (2012) 56: 185–212. DOI: 10.1122 / 1.3675625
CrossRef Полный текст | Google Scholar
59. Фишер П., Регаге Х. Реологические эталонные кривые вязкоупругих растворов поверхностно-активных веществ путем изменения вязкости и температуры растворителя. Ленгмюр . (1997) 13: 7012–20. DOI: 10.1021 / la970571d
CrossRef Полный текст | Google Scholar
61. Пол С., Кунду А., Банерджи А. Активная микрореология для определения вязкоупругих параметров жидкостей Стокса-Олдройда B с использованием оптического пинцета. Журнал Физики Сообщества . (2019) 3: 035002. DOI: 10.1088 / 2399-6528 / ab0833
CrossRef Полный текст | Google Scholar
62. Пол С., Нариндер Н., Банерджи А., Наяк К.Р., Стейндл Дж., Бечингер К. Байесовский вывод вязкоупругих свойств жидкости Джеффри с использованием оптического пинцета. Научная репутация . (2021) 11: 2023. DOI: 10.1038 / s41598-021-81094-x
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
63. Wilhelm C, Gazeau F, Bacri JC. Вращательная магнитная микрореология эндосом: вязкоупругая архитектура внутри живых клеток. Phys Rev E . (2003) 67: 061908. DOI: 10.1103 / PhysRevE.67.061908
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
64. Вайппулли Р., Рамануджан В., Баджпай С., Рой Б. Измерение вязкоупругих свойств клеточной цитоплазмы с использованием оптически захваченных броуновских зондов. Дж. Phys Cond Matter . (2020) 32: 235101. DOI: 10.1088 / 1361-648X / ab76ac
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
65. Raspaud E, Lairez D, Adam M, Carton JP. Триблок-сополимеры в селективном растворителе. 2. Полуразбавленные растворы. Макромолекулы . (1996) 29: 1269–77. DOI: 10.1021 / ma951172x
CrossRef Полный текст | Google Scholar
67. Беллор М., Скури М., Мунк Дж. П., Эбро П. Броуновское движение частиц, погруженных в раствор гигантских мицелл. Eur Phys J E . (2002) 8: 431–6. DOI: 10.1140 / epje / i2002-10026-0
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
68. Гримм М., Джени С., Франош Т. Броуновское движение в жидкости Максвелла. Мягкое вещество . (2011) 7: 2076–84. DOI: 10.1039 / c0sm00636j
CrossRef Полный текст | Google Scholar
69. Нариндер Н., Гомес-Солано Дж. Р., Бечингер С. Активные частицы в вязкоупругих жидкостях с геометрическим ограничением. Н. Дж. Phys .(2019) 21: 0. DOI: 10.1088 / 1367-2630 / ab40e0
CrossRef Полный текст | Google Scholar
70. Хандзи Н.З., Бельмонте А. Колебательный подъем пузырьков в червеобразных мицеллярных жидкостях с различной микроструктурой. Phys Rev Lett . (2004) 92: 124501. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.92.124501
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
71. Chapman CD, Робертсон-Андерсон RM. Нелинейная микрореология показывает вязкоупругость концентрированной ДНК на молекулярном уровне. Phys Rev Lett . (2014) 113: 098303. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.113.098303
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
72. Wulfert R, Oechsle M, Speck T, Seifert U. Управляемая броуновская частица как парадигма неравновесной термостата: эффективная температура и циклическая работа экстракции. Phys Rev E . (2017) 95: 050103. DOI: 10.1103 / PhysRevE.95.050103
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
73.Камати, Пенсильвания, Сантос, JFG, Серра, РМ. Использование немарковских эффектов для улучшения характеристик квантового холодильника Отто. Phys Ред. A . (2020) 102: 012217. DOI: 10.1103 / PhysRevA.102.012217
CrossRef Полный текст | Google Scholar
75. Цуй Б., Ян Дж., Цяо Дж., Цзян М., Дай Л., Ван Й. Дж. И др. Атомная теория вязкоупругого отклика и эффектов памяти в металлических стеклах. Phys Rev B . (2017) 96: 094203. DOI: 10.1103 / PhysRevB.96.094203
CrossRef Полный текст | Google Scholar
76.Цянь Х. Дробное броуновское движение и дробный гауссов шум. В: Рангараджан Г., Дин М., редакторы. Процессы с дальнодействующими корреляциями: теория и приложения . Берлин; Гейдельберг: Springer-Verlag (2003) стр. 22–33. DOI: 10.1007 / 3-540-44832-2_2
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
77. Родригес Р.Ф., Фуджиока Дж., Салинас-Родригес Э. Дробные корреляционные функции в простых вязкоупругих жидкостях. Phys A Stat Mech Appl . (2015) 427: 326–40.DOI: 10.1016 / j.physa.2015.01.060
CrossRef Полный текст | Google Scholar
79. Gomez-Solano JR, Sevilla FJ. Активные частицы с фракционным вращательным броуновским движением. J Stat Mech Theory Exp . (2020) 2020: 063213. DOI: 10.1088 / 1742-5468 / ab8553
CrossRef Полный текст | Google Scholar
80. Балланд М., Деспра Н., Икард Д., Ферреоль С., Аснасиос А., Брауэйс Дж. И др. Степенные законы в микрореологических экспериментах на живых клетках: сравнительный анализ и моделирование. Phys Rev E . (2006) 74: 021911. DOI: 10.1103 / PhysRevE.74.021911
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
81. Кобаяси Ю., Цукуне М., Мияшита Т., Фуджи М.Г. Простая эмпирическая модель для определения реологических свойств мягких биологических тканей. Phys Rev E . (2017) 95: 022418. DOI: 10.1103 / PhysRevE.95.022418
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
82. Феррер Б.Р., Гомес-Солано-младший, Арзола А.В.Вязкоупругость жидкости запускает быстрые переходы броуновской частицы в двухъямный оптический потенциал. Phys Rev Lett . (2021) 126: 108001. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.126.108001
CrossRef Полный текст | Google Scholar
83. Гомес-Солано Дж. Р., Самин С., Лозано С., Руэдас-Батуекас П., ван Рой Р., Бехингер К. Настройка подвижности и направленности самоходных коллоидов. Нац Коммуна . (2017) 7: 14891. DOI: 10.1038 / s41598-017-14126-0
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
84.Гомес-Солано Дж. Р., Рой С., Араки Т., Дитрих С., Мациолек А. Переходное укрупнение и подвижность оптически нагретых коллоидов Януса в бинарной жидкой смеси. Мягкое вещество . (2020) 16: 8359–71. DOI: 10.1039 / D0SM00964D
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
85. Нариндер Н., Бехингер С., Гомес-Солано-младший. Индуцированный памятью переход от постоянного случайного блуждания к круговому движению для ахиральных микропловцов. Phys Rev Lett . (2018) 121: 078003.DOI: 10.1103 / PhysRevLett.121.078003
PubMed Аннотация | CrossRef Полный текст | Google Scholar
87. Rings D, Schachoff R, Selmke M, Cichos F, Kroy K. Горячее броуновское движение. Phys Rev Lett . (2010) 105: 0
. DOI: 10.1103 / PhysRevLett.105.0
CrossRef Полный текст | Google Scholar
88. Кольца Д., Чакраборти Д., Крой К. Вращательное горячее броуновское движение. Н. Дж. Phys . (2012) 14: 053012. DOI: 10.1088 / 1367-2630 / 14/5/053012
CrossRef Полный текст | Google Scholar
89.Кумар С., Кумар А., Гунасилан М., Вайппулли Р., Чакраборти Д., Сентилсельван Дж. И др. Ловушка в неравновесном стационарном состоянии: горячее броуновское движение в оптически захваченных повышающих преобразованиях наночастицах. Передняя Физика . (2020) 8: 429. DOI: 10.3389 / fphy.2020.570842
CrossRef Полный текст | Google Scholar
Эпизод 606: Тепловые двигатели и тепловая эффективность
Второй закон термодинамики
Энергия и теплофизика
Эпизод 606: Тепловые двигатели и тепловая эффективность
Урок для 16-19
Время активности 65 минут
Уровень Передовой
Этот материал имеет отношение только к некоторым спецификациям, поэтому внимательно проверьте его, прежде чем покрывать его.
Краткое содержание урока
Обсуждение и демонстрация: Паровые двигатели (10 минут)
Деятельность учащихся: выяснение термической эффективности (20 минут)
Обсуждение: Второй закон и эффективность (15 минут)
Рабочие примеры и вопросы учащихся: Расчет эффективности (20 минут)
Обсуждение и демонстрации: Паровые машины
Если у вас есть модель парового двигателя, было бы здорово показать это и рассмотреть изменения в способах хранения энергии при ее использовании.Подчеркните, что энергия рассеивается ( потрачено впустую ), когда, например, пар, выходящий из дымохода, нагревает окружающую среду. Если у вас нет парового двигателя, попробуйте найти видео или другие ресурсы, касающиеся электростанции. Во всех случаях в топливе (и кислороде) должна храниться энергия, которая (обычно) генерирует пар.
Пар приводит в движение турбину, затем конденсируется и возвращается в котел. Значительная часть тепловой энергии, накопленной в паре, не передается турбинам, и тогда она тратится зря, нагревает хладагент в конденсаторе.Этот хладагент может затем сам использоваться в качестве источника энергии (на теплоэлектроцентралях), повышая общий КПД электростанции.
Деятельность учащихся: Узнаем о тепловом КПД
Используйте Интернет или печатную информацию от энергетических компаний, чтобы узнать об эффективности различных типов электростанций. Используйте их, чтобы обсудить значение определения КПД = полезная энергия Общая энергия в × 100 & percnt ;.
Ясно, что без слова полезно эффективность будет 100% во всех системах.(Почему? Потому что энергии сохраняется )
Могут ли студенты придумать систему, которая на 100% эффективна? Если нет, заставьте их задуматься о системах, в которых отопление является предполагаемым изменением, например, радиатор или электрический огонь. Чем отличается угольный пожар (потеря энергии в дымоходе)?
Могут ли они составить количественную диаграмму Санки для электростанции?
Эпизод 606-1: Эффективность электростанции (Word, 30 КБ)
Эпизод 606-2: Диаграммы Санки (Word, 158 КБ)
Обсуждение: второй закон термодинамики и эффективности
В конечном счете, обоснование Второго закона термодинамики основывается на понимании энтропии.Без полномасштабного математического доказательства, которое неприемлемо на этом уровне, необходимо полагаться на утверждение и обоснование разумом. Простое утверждение Второго закона состоит в том, что у вас не может быть процесса, единственный эффект которого заключается в использовании накопленной тепловой энергии для выполнения работы. Если бы вы могли, вы могли бы построить автомобиль, который извлекал бы энергию из воздуха и ехал бы без бензина. Это ограничение является фундаментальным, а не просто практическим.
На электростанции рабочая жидкость (вода или пар) может расширяться через турбины и, таким образом, приводить их в движение.После этого расширенный пар необходимо вернуть при низком давлении путем охлаждения, чтобы завершить цикл — вернуть его таким, каким он был до того, как он попал в котел. Отсюда необходимость охлаждения пара в конденсаторе. Эта энергия бесполезна. Таким образом, хотя мы можем использовать некоторое количество энергии, накопленной в тепловом виде, для выполнения работы, мы не можем извлечь все энергии.
Рассмотрение циклов, подобных тем, что используются на электростанции (тепловая машина ), показывает, что максимальная эффективность такого устройства определяется соотношением T _{горячий}— T _{холодный} T _{горячий}.В этом уравнении T выражается в K, абсолютная температура — .
Наконец, вам может понадобиться упомянуть тепловой насос. Это просто тепловой двигатель, работающий в обратном направлении. Работа сдвигает энергию, тепловую накопленную в холодном резервуаре, на энергию, хранящуюся термически в горячем. Детали не нужны, но пример — холодильник. Тепловые насосы иногда используются для обогрева домов в холодном климате. Они могут быть очень эффективными.
Рабочие примеры: Расчет КПД
1 Рассчитайте максимальный теоретический тепловой КПД угольной электростанции, которая нагревает пар до 510 ° C и охлаждает его в конденсаторе до 30 ° C.
Ответ:
Максимальный КПД = T _{горячий} — T _{холодный} T _{горячий}
Максимальный КПД = (510 + 273) K — (30 + 273) K (510 + 273) K
Максимальный КПД = 0,61 или 61%.
2 Температура газов в двигателе автомобиля при сгорании составляет 1800 ° C. Выхлопные газы выводятся при 80 ° C.
Рассчитайте максимальный теоретический тепловой КПД двигателя.
Ответ:
Максимальный теоретический КПД = T _{горячий} — T _{холодный} T _{горячий}
Максимальный теоретический КПД = (1800 + 273) K — (80 + 273) K (1800 + 273) K
Максимальный КПД = 0,83 или 83%.
Конечно, в обоих случаях реальный КПД будет меньше. Студенты должны подумать, почему.
Эпизод 606-3: Вопросы студентов; расчет эффективности (Word, 27 КБ)
12.4 Применение термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники — физика
Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники
В этом разделе мы исследуем, как тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники работают с точки зрения законов термодинамики.
Одна из самых важных вещей, которые мы можем сделать с теплом, — это использовать его для работы за нас. Тепловой двигатель делает именно это — он использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электричество, — все это примеры тепловых двигателей.
На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии для работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передает тепло по газу в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действительно воздействует на внешний мир, поскольку эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача энергии газу в баллоне приводит к выполнению работы.
Рис. 12.13 (a) Передача тепла газу в баллоне увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. (b) Сила, действующая на подвижный цилиндр, действительно работает, когда газ расширяется. Давление и температура газа снижаются во время расширения, указывая на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась по мере его работы. (c) Теплопередача энергии в окружающую среду дополнительно снижает давление в газе, так что поршень может более легко вернуться в исходное положение.
Чтобы повторить этот процесс, поршень необходимо вернуть в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа снижается, и окружающая среда оказывает силу, толкающую поршень назад на некоторое расстояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.
Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, передаваемую теплом от какого-либо источника.Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), и работа, выполняемая объектом двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может принимать или выводить неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара — Th, Th, а температура холодного резервуара — TcTc.
Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. (б) Тепловой двигатель, обозначенный здесь кружком, использует часть энергии, передаваемой теплом, для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Q _h — это тепло из горячего резервуара, W — это рабочая мощность, а Q _c — неиспользованное тепло в холодный резервуар.
Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0ΔU = 0 . Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q − W, ΔU = Q − W, где Q — это чистая передача тепла во время цикла, а W — чистая работа , выполненная системой. Чистая теплопередача — это энергия, передаваемая за счет тепла из горячего резервуара, за вычетом количества, которое передается в холодный резервуар (Q = Qh-QcQ = Qh-Qc).Поскольку нет изменения внутренней энергии для полного цикла (ΔU = 0ΔU = 0 ) имеем
, так что
Следовательно, чистая работа, выполненная системой, равна чистому теплу, поступающему в систему, или
для циклического процесса.
Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, а это энергоемкий процесс, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, мы хотим, чтобы Вт и равнялись QhQh, и чтобы не было тепла в окружающую среду (то есть Qc = 0Qc = 0).К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования тепла в работу. Вспомните, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также количество энергии, недоступной для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы общая энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc, Qc, зависит от эффективности теплового двигателя.Чем меньше прирост энтропии, ΔSΔS , чем меньше значение QcQc, тем больше тепловой энергии доступно для выполнения работы.
Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло передает энергию QcQc из холодного резервуара и передает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется ввод работы, W , которая производит передачу энергии за счет тепла. Таким образом, общая теплоотдача к горячему резервуару составляет
Назначение теплового насоса — передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой.Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в вашем доме, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос подает Qh = Qc + WQh = Qc + W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха даже при температуре ниже нуля в помещение. Вы платите только за W и получаете дополнительную теплоотдачу QcQc извне бесплатно. Во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все.Недостатком теплового насоса является то, что входная работа (требуемая вторым законом термодинамики) иногда бывает дороже, чем просто сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.
Основные компоненты теплового насоса показаны на рисунке 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителе) тепло QcQc поступает в рабочую жидкость из холодного наружного воздуха, превращая ее в газ.
Рисунок 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испаритель, (2) компрессор, (3) конденсатор и (4) расширительный клапан.В режиме отопления тепло передает QcQc рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, тепло передает энергию от газа к комнате, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (4) к змеевикам испарителя наружного блока.
Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, тепло передает энергию в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (понижающий давление) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается к змеевикам испарителя наружного блока для возобновления цикла.
О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое пространство (QhQh) по сравнению с тем, сколько требуется входной работы ( W ).
Поддержка учителей
Поддержка учителей
Предупреждение о неправильном представлении
Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холода. Они просто передают тепло изнутри наружу.
Вернемся к закону идеального газа, законам термодинамики и энтропии.Используйте их, чтобы понять, как работают кондиционеры и холодильники. Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкой фазы в газообразную и обратно. Химическое вещество присутствует в замкнутом контуре трубопровода. Изначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор сжимает частицы газа, являющиеся химическим веществом, ближе друг к другу, создавая высокое давление. Следуя закону идеального газа, с увеличением давления увеличивается и температура.Этот горячий плотный газ распространяется по небольшим трубкам или ребрам конденсатора, который расположен на внешней стороне кондиционера (и на задней стороне холодильника). Ребра контактируют с наружным воздухом, который холоднее сжатого химического вещества, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора к относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и конденсируется в жидкость. Затем эта жидкость попадает в испаритель через крошечное узкое отверстие.По другую сторону отверстия газ расширяется (энтропия увеличивается), а его давление падает. Следовательно, согласно закону идеального газа, его температура также понижается. Вентилятор обдувает этот уже остывший испаритель в комнату или в холодильник (рис. 12.16).
Рисунок 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом.
Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии посредством тепла QcQc из прохладной среды в более теплую, где тепло QhQh отдается. В случае холодильника тепло отводится из внутренней части холодильника в окружающую комнату. Для кондиционера тепло передается на улицу из дома. Тепловые насосы также часто используются в реверсивном режиме для охлаждения помещений летом.
Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к теплу требуется вводимая работа.О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии отводится теплом QcQc из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько требуется работы, W .

Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

Как повысить кпд двигателя внутреннего сгорания

ПОВЫШЕНИЕ КПД ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

КАК ПОВЫСИТЬ КПД ДВИГАТЕЛЯ

ЗАЖИГАНИЕ

ТЕРИСТОРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ

Чип тюнинг двигателя

Что нужно сделать чтобы повысить кпд теплового двигателя

КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя

Принципы действия тепловых маших. КПД тепловых машин

Ход урока

Что такое эффективность. Какой КПД электродвигателя? Как повысить эффективность электродвигателя

Работа теплового двигателя

Двигатель Карно

Разновидности

Другие виды тепловых двигателей

Как можно повысить КПД

Решетникова Любовь Владимировна, преподаватель физики ГАОУ СПО «Еланский аграрный колледж» Волгоградской области

Работа теплового двигателя

Двигатель Карно

Разновидности

Другие виды тепловых двигателей

Как можно повысить КПД

Ход урока

1. Оргмомент

2. Организация внимания учащихся

3. Актуализация опорных знаний

4. Изучение нового материала

5. Закрепление материала

6. Подведение итогов урока

7. Домашнее задание:

8. Рефлексия

КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя

Устройство теплового двигателя

Принцип функционирования

КПД теплового двигателя (формула)

Работа теплового двигателя

Двигатель Карно

Разновидности

Другие виды тепловых двигателей

Как можно повысить КПД

Какие факторы снижают КПД теплового двигателя от идеального значения? — MVOrganizing

Какие факторы снижают КПД теплового двигателя от идеального значения?

Что из перечисленного может снизить эффективность теплового двигателя?

Какое изменение увеличит максимальный теоретический КПД теплового двигателя?

Что из перечисленного имеет наивысшую эффективность при вступлении в экзамен Examveda?

От какого фактора зависит КПД двигателя Карно?

Каковы две основные особенности идеального теплового двигателя Карно?

От какого фактора зависит температура двигателя?

От какого фактора зависит температура двигателя *?

Эффективность цикла Карно — обзор

heat_engine

Рекомендуемые дополнительные знания

Обзор

Примеры на каждый день

Примеры тепловых двигателей

Циклы смены фаз

Циклы только на газе

Циклы только для жидкости

Электронные циклы

Магнитные циклы

Циклы, используемые для охлаждения

Испарительные тепловые двигатели

Эффективность

Прочие критерии работоспособности теплового двигателя

Усовершенствования теплового двигателя

Процессы с тепловым двигателем

Список литературы

См. Также

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

границ | Работа экстрактора и производительность коллоидных тепловых двигателей в вязкоупругих ваннах

1. Введение

2.Модель

2.1. Численное решение

3. Результаты и обсуждение

4. Резюме и заключительные замечания

Заявление о доступности данных

Авторские взносы

Финансирование

Конфликт интересов