Как найти кпд двигателя формула: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Задачи на КПД теплового двигателя с решениями

У нас уже была внутренняя энергия и первое начало термодинамики, а сегодня разберемся с задачами на КПД теплового двигателя. Что поделать: праздники праздниками, но сессию ведь никто не отменял.

Присоединяйтесь к нам в телеграме и получайте полезную рассылку каждый день. А приступая к практике, не забывайте держать под рукой памятку по задачам и полезные формулы.

Задачи по физике на КПД теплового двигателя

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1

Условие

Вода массой 175 г подогревается на спиртовке. Пока вода нагрелась от t1=15 до t2=75 градусов Цельсия, масса спиртовки уменьшилась с 163 до 157 г Вычислите КПД установки.

Решение

Коэффициент полезного действия можно вычислить как отношение полезной работы и полного количества теплоты, выделенного спиртовкой:

Полезная работа в данном случае – это эквивалент количества теплоты, которое пошло исключительно на нагрев. Его можно вычислить по известной формуле:

Полное количество теплоты вычисляем, зная массу сгоревшего спирта и его удельную теплоту сгорания.

Подставляем значения и вычисляем:

Ответ: 27%

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2

Условие

Старый двигатель совершил работу 220,8 МДж, при этом израсходовав 16 килограмм бензина. Вычислите КПД двигателя.

Решение

Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:

Теперь можно рассчитать КПД:

Или, умножая на 100, получаем значение КПД в процентах:

Ответ: 30%.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3

Условие

Тепловая машина работает по циклу Карно, при этом 80% теплоты, полученной от нагревателя, передается холодильнику. За один цикл рабочее тело получает от нагревателя 6,3 Дж теплоты. Найдите работу и КПД цикла.

Решение

КПД идеальной тепловой машины:

По условию:

Вычислим сначала работу, а затем КПД:

Ответ: 20%; 1,26 Дж.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4

Условие

На диаграмме изображен цикл дизельного двигателя, состоящий из адиабат 1–2 и 3–4, изобары 2–3 и изохоры 4–1. Температуры газа в точках 1, 2, 3, 4 равны T1 , T2 , T3 , T4 соответственно. Найдите КПД цикла.

Решение

Проанализируем цикл, а КПД будем вычислять через подведенное и отведенное количество теплоты. На адиабатах тепло не подводится и не отводится. На изобаре 2 – 3 тепло подводится, объем растет и, соответственно, растет температура. На изохоре 4 – 1 тепло отводится, а давление и температура падают.

Аналогично:

Получим результат:

Ответ: См. выше.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5

Условие

Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 = 13,4 кДж. Найдите КПД цикла.

Решение

Запишем формулу для КПД:

Отсюда:

Ответ: 18%

Вопросы на тему тепловые двигатели

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

Ответ. Тепловой двигатель – это машина, которая совершает работу за счет энергии, поступающей к ней в процессе теплопередачи. Основные части теплового двигателя: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

Ответ. Первыми тепловыми двигателями, получившими широкое распространение, были паровые машины. Примерами современного теплового двигателя могут служить:

ракетный двигатель;
авиационный двигатель;
газовая турбина.

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

Ответ. Нет. КПД всегда меньше единицы (или меньше 100%). Существование двигателя с КПД равным единице противоречит первому началу термодинамики.

КПД реальных двигателей редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое КПД?

Ответ. КПД (коэффициент полезного действия) – отношение работы, которую совершает двигатель, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?

Ответ. Удельная теплота сгорания q – физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива массой 1 кг. При решении задач КПД можно определять по мощности двигателя N и сжигаемому за единицу времени количеству топлива.

Задачи и вопросы на цикл Карно

Затрагивая тему тепловых двигателей, невозможно оставить в стороне цикл Карно – пожалуй, самый знаменитый цикл работы тепловой машины в физике. Приведем дополнительно несколько задач и вопросов на цикл Карно с решением.

Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).

Задача на цикл Карно №1

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 73,5 кДж. Температура нагревателя t1 =100° С, температура холодильника t2 = 0° С. Найти КПД цикла, количество теплоты, получаемое машиной за один цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику.

Решение

Рассчитаем КПД цикла:

С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:

Количество теплоты, отданное холодильнику, будет равно разности общего количества теплоты и полезной работы:

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А=2,94 кДж и отдает за один цикл холодильнику количество теплоты Q2=13,4 кДж. Найти КПД цикла.

Решение

Формула для КПД цикла Карно:

Здесь A – совершенная работа, а Q1 – количество теплоты, которое понадобилось, чтобы ее совершить. Количество теплоты, которое идеальная машина отдает холодильнику, равно разности двух этих величин. Зная это, найдем:

Ответ: 17%.

Задача на цикл Карно №3

Условие

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Решение

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

1-2. Изотермическое расширение, рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1;
2-3. Адиабатическое расширение, тепло не подводится;
3-4. Изотермическое сжатие, в ходе которого тепло передается холодильнику;

4-1. Адиабатическое сжатие.

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

Ответ. Первая теорема Карно гласит: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела.

Вопрос на цикл Карно №2

Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?

Ответ. Нет. КПД цикла карно будет равен 100% только в случае, если температура холодильника будет равна абсолютному нулю, а это невозможно.

Если у вас остались вопросы по теме тепловых двигателей и цикла Карно, вы можете смело задавать их в комментариях. А если нужна помощь в решении задач или других примеров и заданий, обращайтесь в профессиональный студенческий сервис.

Определение КПД электродвигателя и его мощности

КПД и мощность электродвигателя

КПД и мощность — это то, на что в первую очередь стоит обратить внимание при выборе асинхронного электродвигателя АИР. Суть работы любого эл двигателя заключается в том, что электрическая энергия, с сопутствующими преобразованию потерями, превращается в механическую. Чем меньше потери при протекании данного процесса, тем выше его КПД и тем эффективнее эл двигатель.
Но, при всей важности коэффициента полезного действия, не стоит забывать о мощности мотора. Ведь даже при чрезвычайно высоком КПД и выдаваемой им мощности может быть недостаточно для решения необходимых вам задач. Поэтому при покупке очень важно знать не только, чему равен КПД электродвигателя, но и какую полезную мощность он сможет выдать на своем валу. Оба эти значения должны быть указаны производителем. Порой бывает и такое, что нет доступа к паспорту мотора (например, если вы покупаете его “с рук”, что крайне не рекомендуется делать) и приходится самостоятельно вычислять столь важные параметры.
Для начала стоит определить: что такое коэффициент полезного действия, или попросту КПД. И так, это отношение полезной работы к затраченной энергии.

Определение КПД электродвигателя

Получается, для того чтобы определить этот параметр необходимо сравнить выдаваемую им энергию с энергией, необходимой ему чтобы функционировать. Вычисляется КПД с помощью выражения:

η=P2/P1
где η — КПД

P2- полезная механическая мощность электромотора, Вт
P1- потребляемая двигателем электрическая мощность, Вт;

Коэффициент полезного действия это величина, находящаяся в диапазоне от 0 до 1, чем ближе ее значение к единице, тем лучше. Соответственно, если КПД имеет значение 0,95 — это показывает, что 95 процентов электрической энергии будут преобразованы им в механическую и лишь 5 процентов составят потери. Стоит отметить, что КПД не является постоянной величиной, он может меняться в зависимости от нагрузки, а своего максимума он достигает при нагрузках в районе 80 процентов от номинальной мощности, то есть от той, которую заявил производитель мотора. Современные асинхронные электродвигатели имеют номинальный КПД (заявленные производителем) 0,75 — 0,95.
Потери при работе двигателя в основном обусловлены нагревом мотора (часть потребляемой энергии выделяется в виде тепловой энергии), реактивными токами, трением подшипников и другими негативными факторами.
Под мощностью мотора понимают механическую мощь, которую он выдает на своем валу. В целом же мощность — это параметр, который показывает, какую работу совершает механизм за определенную единицу времени.

КПД электродвигателя это очень важный параметр определяющий, прежде всего эффективность использования энергоресурсов предприятия. Как известно КПД электродвигателя значительно снижается после его ремонта, об этом мы писали в этой статье. При уменьшении коэффициента полезного действия будут соответственно увеличены потери электроэнергии. В последнее время набирают популярность энергоэффективные электродвигатели разных производителей, в России популярны моторы производства ОАО «Владимирский электромоторный завод». Любые асинхронные электродвигатели представлены в каталоге продукции. Дополнительную полезную информацию Вы можете посмотреть в каталоге статей.

Электродвигатель АИР характеристики

Тип двигателя	Р, кВт	Номинальная частота вращения, об/мин	кпд,*	COS ф	1п/1н	Мп/Мн	Мmах/Мн	1н, А	Масса, кг
Купить АИР56А2	0,18	2840	68,0	0,78	5,0	2,2	2,2	0,52	3,4
Купить АИР56В2	0,25	2840	68,0	0,698	5,0	2,2	2,2	0,52	3,9
Купить АИР56А4	0,12	1390	63,0	0,66	5,0	2,1	2,2	0,44	3,4
Купить АИР56В4	0,18	1390	64,0	0,68	5,0	2,1	2,2	0,65	3,9
Купить АИР63А2	0,37	2840	72,0	0,86	5,0	2,2	2,2	0,91	4,7
Купить АИР63В2	0,55	2840	75,0	0,85	5,0	2,2	2,3	1,31	5,5
Купить АИР63А4	0,25	1390	68,0	0,67	5,0	2,1	2,2	0,83	4,7
Купить АИР63В4	0,37	1390	68,0	0,7	5,0	2,1	2,2	1,18	5,6
Купить АИР63А6	0,18	880	56,0	0,62	4,0	1,9	2	0,79	4,6
Купить АИР63В6	0,25	880	59,0	0,62	4,0	1,9	2	1,04	5,4
Купить АИР71А2	0,75	2840	75,0	0,83	6,1	2,2	2,3	1,77	8,7
Купить АИР71В2	1,1	2840	76,2	0,84	6,9	2,2	2,3	2,6	10,5
Купить АИР71А4	0,55	1390	71,0	0,75	5,2	2,4	2,3	1,57	8,4
Купить АИР71В4	0,75	1390	73,0	0,76	6,0	2,3	2,3	2,05	10
Купить АИР71А6	0,37	880	62,0	0,70	4,7	1,9	2,0	1,3	8,4
Купить АИР71В6	0,55	880	65,0	0,72	4,7	1,9	2,1	1,8	10
Купить АИР71А8	0,25	645	54,0	0,61	4,7	1,8	1,9	1,1	9
Купить АИР71В8	0,25	645	54,0	0,61	4,7	1,8	1,9	1,1	9
Купить АИР80А2	1,5	2850	78,5	0,84	7,0	2,2	2,3	3,46	13
Купить АИР80А2ЖУ2	1,5	2850	78,5	0,84	7,0	2,2	2,3	3,46	13
Купить АИР80В2	2,2	2855	81,0	0,85	7,0	2,2	2,3	4,85	15
Купить АИР80В2ЖУ2	2,2	2855	81,0	0,85	7,0	2,2	2,3	4,85	15
Купить АИР80А4	1,1	1390	76,2	0,77	6,0	2,3	2,3	2,85	14
Купить АИР80В4	1,5	1400	78,5	0,78	6,0	2,3	2,3	3,72	16
Купить АИР80А6	0,75	905	69,0	0,72	5,3	2,0	2,1	2,3	14
Купить АИР80В6	1,1	905	72,0	0,73	5,5	2,0	2,1	3,2	16
Купить АИР80А8	0,37	675	62,0	0,61	4,0	1,8	1,9	1,49	15
Купить АИР80В8	0,55	680	63,0	0,61	4,0	1,8	2,0	2,17	18
Купить АИР90L2	3,0	2860	82,6	0,87	7,5	2,2	2,3	6,34	17
Купить АИР90L2ЖУ2	3,0	2860	82,6	0,87	7,5	2,2	2,3	6,34	17
Купить АИР90L4	2,2	1410	80,0	0,81	7,0	2,3	2,3	5,1	17
Купить АИР90L6	1,5	920	76,0	0,75	5,5	2,0	2,1	4,0	18
Купить АИР90LA8	0,75	680	70,0	0,67	4,0	1,8	2,0	2,43	23
Купить АИР90LB8	1,1	680	72,0	0,69	5,0	1,8	2,0	3,36	28
Купить АИР100S2	4,0	2880	84,2	0,88	7,5	2,2	2,3	8,2	20,5
Купить АИР100S2ЖУ2	4,0	2880	84,2	0,88	7,5	2,2	2,3	8,2	20,5
Купить АИР100L2	5,5	2900	85,7	0,88	7,5	2,2	2,3	11,1	28
Купить АИР100L2ЖУ2	5,5	2900	85,7	0,88	7,5	2,2	2,3	11,1	28
Купить АИР100S4	3,0	1410	82,6	0,82	7,0	2,3	2,3	6,8	21
Купить АИР100L4	4,0	1435	84,2	0,82	7,0	2,3	2,3	8,8	37
Купить АИР100L6	2,2	935	79,0	0,76	6,5	2,0	2,1	5,6	33,5
Купить АИР100L8	1,5	690	74,0	0,70	5,0	1,8	2,0	4,4	33,5
Купить АИР112M2	7,5	2895	87,0	0,88	7,5	2,2	2,3	14,9	49
Купить АИР112М2ЖУ2	7,5	2895	87,0	0,88	7,5	2,2	2,3	14,9	49
Купить АИР112М4	5,5	1440	85,7	0,83	7,0	2,3	2,3	11,7	45
Купить АИР112MA6	3,0	960	81,0	0,73	6,5	2,1	2,1	7,4	41
Купить АИР112MB6	4,0	860	82,0	0,76	6,5	2,1	2,1	9,75	50
Купить АИР112MA8	2,2	710	79,0	0,71	6,0	1,8	2,0	6,0	46
Купить АИР112MB8	3,0	710	80,0	0,73	6,0	1,8	2,0	7,8	53
Купить АИР132M2	11	2900	88,4	0,89	7,5	2,2	2,3	21,2	54
Купить АИР132М2ЖУ2	11	2900	88,4	0,89	7,5	2,2	2,3	21,2	54
Купить АИР132S4	7,5	1460	87,0	0,84	7,0	2,3	2,3	15,6	52
Купить АИР132M4	11	1450	88,4	0,84	7,0	2,2	2,3	22,5	60
Купить АИР132S6	5,5	960	84,0	0,77	6,5	2,1	2,1	12,9	56
Купить АИР132M6	7,5	970	86,0	0,77	6,5	2,0	2,1	17,2	61
Купить АИР132S8	4,0	720	81,0	0,73	6,0	1,9	2,0	10,3	70
Купить АИР132M8	5,5	720	83,0	0,74	6,0	1,9	2,0	13,6	86
Купить АИР160S2	15	2930	89,4	0,89	7,5	2,2	2,3	28,6	116
Купить АИР160S2ЖУ2	15	2930	89,4	0,89	7,5	2,2	2,3	28,6	116
Купить АИР160M2	18,5	2930	90,0	0,90	7,5	2,0	2,3	34,7	130
Купить АИР160М2ЖУ2	18,5	2930	90,0	0,90	7,5	2,0	2,3	34,7	130
Купить АИР160S4	15	1460	89,4	0,85	7,5	2,2	2,3	30,0	125
Купить АИР160S4ЖУ2	15	1460	89,4	0,85	7,5	2,2	2,3	30,0	125
Купить АИР160M4	18,5	1470	90,0	0,86	7,5	2,2	2,3	36,3	142
Купить АИР160S6	11	970	87,5	0,78	6,5	2,0	2,1	24,5	125
Купить АИР160M6	15	970	89,0	0,81	7,0	2,0	2,1	31,6	155
Купить АИР160S8	7,5	720	85,5	0,75	6,0	1,9	2,0	17,8	125
Купить АИР160M8	11	730	87,5	0,75	6,5	2,0	2,0	25,5	150
Купить АИР180S2	22	2940	90,5	0,90	7,5	2,0	2,3	41,0	150
Купить АИР180S2ЖУ2	22	2940	90,5	0,90	7,5	2,0	2,3	41,0	150
Купить АИР180M2	30	2950	91,4	0,90	7,5	2,0	2,3	55,4	170
Купить АИР180М2ЖУ2	30	2950	91,4	0,90	7,5	2,0	2,3	55,4	170
Купить АИР180S4	22	1470	90,5	0,86	7,5	2,2	2,3	43,2	160
Купить АИР180S4ЖУ2	22	1470	90,5	0,86	7,5	2,2	2,3	43,2	160
Купить АИР180M4	30	1470	91,4	0,86	7,2	2,2	2,3	57,6	190
Купить АИР180М4ЖУ2	30	1470	91,4	0,86	7,2	2,2	2,3	57,6	190
Купить АИР180M6	18,5	980	90,0	0,81	7,0	2,1	2,1	38,6	160
Купить АИР180M8	15	730	88,0	0,76	6,6	2,0	2,0	34,1	172
Купить АИР200M2	37	2950	92,0	0,88	7,5	2,0	2,3	67,9	230
Купить АИР200М2ЖУ2	37	2950	92,0	0,88	7,5	2,0	2,3	67,9	230
Купить АИР200L2	45	2960	92,5	0,90	7,5	2,0	2,3	82,1	255
Купить АИР200L2ЖУ2	45	2960	92,5	0,90	7,5	2,0	2,3	82,1	255
Купить АИР200M4	37	1475	92,0	0,87	7,2	2,2	2,3	70,2	230
Купить АИР200L4	45	1475	92,5	0,87	7,2	2,2	2,3	84,9	260
Купить АИР200M6	22	980	90,0	0,83	7,0	2,0	2,1	44,7	195
Купить АИР200L6	30	980	91,5	0,84	7,0	2,0	2,1	59,3	225
Купить АИР200M8	18,5	730	90,0	0,76	6,6	1,9	2,0	41,1	210
Купить АИР200L8	22	730	90,5	0,78	6,6	1,9	2,0	48,9	225
Купить АИР225M2	55	2970	93,0	0,90	7,5	2,0	2,3	100	320
Купить АИР225M4	55	1480	93,0	0,87	7,2	2,2	2,3	103	325
Купить АИР225M6	37	980	92,0	0,86	7,0	2,1	2,1	71,0	360
Купить АИР225M8	30	735	91,0	0,79	6,5	1,9	2,0	63	360
Купить АИР250S2	75	2975	93,6	0,90	7,0	2,0	2,3	135	450
Купить АИР250M2	90	2975	93,9	0,91	7,1	2,0	2,3	160	530
Купить АИР250S4	75	1480	93,6	0,88	6,8	2,2	2,3	138,3	450
Купить АИР250M4	90	1480	93,9	0,88	6,8	2,2	2,3	165,5	495
Купить АИР250S6	45	980	92,5	0,86	7,0	2,1	2,0	86,0	465
Купить АИР250M6	55	980	92,8	0,86	7,0	2,1	2,0	104	520
Купить АИР250S8	37	740	91,5	0,79	6,6	1,9	2,0	78	465
Купить АИР250M8	45	740	92,0	0,79	6,6	1,9	2,0	94	520
Купить АИР280S2	110	2975	94,0	0,91	7,1	1,8	2,2	195	650
Купить АИР280M2	132	2975	94,5	0,91	7,1	1,8	2,2	233	700
Купить АИР280S4	110	1480	94,5	0,88	6,9	2,1	2,2	201	650
Купить АИР280M4	132	1480	94,8	0,88	6,9	2,1	2,2	240	700
Купить АИР280S6	75	985	93,5	0,86	6,7	2,0	2,0	142	690
Купить АИР280M6	90	985	93,8	0,86	6,7	2,0	2,0	169	800
Купить АИР280S8	55	740	92,8	0,81	6,6	1,8	2,0	111	690
Купить АИР280M8	75	740	93,5	0,81	6,2	1,8	2,0	150	800
Купить АИР315S2	160	2975	94,6	0,92	7,1	1,8	2,2	279	1170
Купить АИР315M2	200	2975	94,8	0,92	7,1	1,8	2,2	248	1460
Купить АИР315МВ2	250	2975	94,8	0,92	7,1	1,8	2,2	248	1460
Купить АИР315S4	160	1480	94,9	0,89	6,9	2,1	2,2	288	1000
Купить АИР315M4	200	1480	94,9	0,89	6,9	2,1	2,2	360	1200
Купить АИР315S6	110	985	94,0	0,86	6,7	2,0	2,0	207	880
Купить АИР315М(А)6	132	985	94,2	0,87	6,7	2,0	2,0	245	1050
Купить АИР315MВ6	160	985	94,2	0,87	6,7	2,0	2,0	300	1200
Купить АИР315S8	90	740	93,8	0,82	6,4	1,8	2,0	178	880
Купить АИР315М(А)8	110	740	94,0	0,82	6,4	1,8	2,0	217	1050
Купить АИР315MВ8	132	740	94,0	0,82	6,4	1,8	2,0	260	1200
Купить АИР355S2	250	2980	95,5	0,92	6,5	1.6	2,3	432,3	1700
Купить АИР355M2	315	2980	95,6	0,92	7,1	1,6	2,2	544	1790
Купить АИР355S4	250	1490	95,6	0,90	6,2	1,9	2,9	441	1700
Купить АИР355M4	315	1480	95,6	0,90	6,9	2,1	2,2	556	1860
Купить АИР355MА6	200	990	94,5	0,88	6,7	1,9	2,0	292	1550
Купить АИР355S6	160	990	95,1	0,88	6,3	1,6	2,8	291	1550
Купить АИР355МВ6	250	990	94,9	0,88	6,7	1,9	2,0	454,8	1934
Купить АИР355L6	315	990	94,5	0,88	6,7	1,9	2,0	457	1700
Купить АИР355S8	132	740	94,3	0,82	6,4	1,9	2,7	259,4	1800
Купить АИР355MА8	160	740	93,7	0,82	6,4	1,8	2,0	261	2000
Купить АИР355MВ8	200	740	94,2	0,82	6,4	1,8	2,0	315	2150
Купить АИР355L8	132	740	94,5	0,82	6,4	1,8	2,0	387	2250

Тепловые двигатели, цикл Карно, коэффициент полезного действия, прямой и обратный цикл теплового двигателя

Тестирование онлайн

Тепловые двигатели. Основные понятия
Тепловые двигатели, КПД

Тепловой двигатель

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q₂, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q₁-Q₂, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q₁ и передает нагревателю большее количество теплоты Q₂.

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q₁ и изотермически расширяется при температуре T₁
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T₂
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q₂
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T₁.
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

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

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

КПД теплового двигателя

В этой статье разобраны задачи на КПД тепловой машины. Статья пригодится как школьникам 8-го, так и школьникам 11-го классов при подготовке к ЕГЭ по физике.

Задача 1. На спиртовке нагревают воду. Взяли 175 г воды и нагрели от С до С. При этом масса спиртовки уменьшилась с 163 г до 157 г. Найти КПД тепловой установки.

Запишем формулу, по которой определяется КПД:

Определим «полезное» тепло. Это то тепло, которое пошло на нагрев воды ( Дж/(кг К) – удельная теплоемкость воды, табличная величина):

Теперь определим, сколько энергии было на это потрачено. Эта энергия выделилась при сгорании спирта ( Дж/кг – удельная теплота сгорания спирта, табличная величина):

Определяем КПД:

Ответ: 27 %

Задача 2. Тепловой двигатель совершил полезную работу 23000 кДж и израсходовал при этом 2 кг бензина. Найти КПД теплового двигателя.

Задача эта похожа на предыдущую, только проще. Здесь уже определена полезная работа, поэтому нам осталось определить затраченную (сколько джоулей получили при сгорании бензина):

Удельную теплоту сгорания бензина посмотрим в таблице – она равна 46 МДж/кг, поэтому

Определяем КПД:

Ответ: 25 %

Задача 3. Тепловой двигатель совершает за цикл работу 800 Дж. При этом холодильнику передается количество теплоты 1000 Дж. Определите количество теплоты, получаемое от нагревателя за один цикл и КПД двигателя.

КПД двигателя можно найти как отношение работы к полученному количеству теплоты:

При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:

Тогда КПД машины:

Ответ: Дж, .

Задача 4. КПД теплового двигателя равно 40 %. Какое количество теплоты получает этот двигатель от нагревателя за один цикл, если холодильнику при этом передается количество теплоты 400 Дж? Какую работу совершает двигатель за цикл?

КПД двигателя можно найти, как отношение разности полученного и отданного количеств теплоты к полученному количеству теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:

Тогда работа машины:

Ответ: Дж, .

Задача 5. Вычислите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1,5 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Тогда

По условию

Откуда

Тогда КПД машины:

Ответ: , .

Задача 6. Определите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл, в 1,6 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Тогда

По условию

Тогда КПД машины:

Ответ: Дж, .

Задача 7. Нагревателем тепловой машины является насыщенный водяной пар при температуре С, а холодильником —лед при температуре С. Найдите КПД этой машины, если за один цикл ее работы конденсируется 10 г пара в нагревателе и плавится 50 г льда в холодильнике. Удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/кг, удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг.

При конденсации пара выделяется теплота. Это количество теплоты, полученное тепловым двигателем. Таяние льда, наоборот, требует передачи льду теплоты. Это – отданное машиной тепло. Найдем обе эти составляющие.

Тогда КПД машины

Ответ: .

Задача 8.Вычислите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику, в 1,2 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение – точно такое же, как у задачи 5. Приведу только ответ: 45%.

Задача 9. Определите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл, в 1,4 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение простое, похоже на задачу 6. Приведу только ответ: , 240 Дж.

Задача 10.Тепловой двигатель с КПД, равным 20 %, совершил работу 400 Дж. Какое количество теплоты при этом было передано холодильнику и какое – получено от нагревателя?

При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти отданное двигателем количество теплоты:

Ответ:

Дж, Дж.

Задача 11. Существует некая цепочка из 5-ти двигателей, КПД каждого из которых 90%. 1-й двигатель получает от нагревателя 2 кДж, а все последующие двигатели потребляют полезную работу предыдущего. Будет ли такая цепочка эффективнее, чем один двигатель с КПД 60%, получающий то же количество теплоты от нагревателя?

Рассчитаем полезную работу первого двигателя:

Теперь рассчитаем работу цепочки двигателей.

Первый:

Второй:

Третий:

Четвертый:

Пятый:

Ответ: нет, не будет: Дж.

Коэффициент полезного действия реальной тепловой машины формула. Максимальный кпд тепловых машин (теорема Карно)

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 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.

И полезные формулы .

Задачи по физике на КПД теплового двигателя

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1

Условие

Решение

Полное количество теплоты вычисляем, зная массу сгоревшего спирта и его удельную теплоту сгорания.

Подставляем значения и вычисляем:

Ответ: 27%

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2

Условие

Старый двигатель совершил работу 220,8 МДж, при этом израсходовав 16 килограмм бензина. Вычислите КПД двигателя.

Решение

Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:

Или, умножая на 100, получаем значение КПД в процентах:

Ответ: 30%.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3

Условие

Решение

КПД идеальной тепловой машины:

По условию:

Вычислим сначала работу, а затем КПД:

Ответ: 20%; 1,26 Дж.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4

Условие

Решение

Аналогично:

Получим результат:

Ответ: См. выше.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5

Условие

Решение

Запишем формулу для КПД:

Ответ: 18%

Вопросы на тему тепловые двигатели

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

ракетный двигатель;
авиационный двигатель;
газовая турбина.

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

КПД реальных двигателей редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое КПД?

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?

Задачи и вопросы на цикл Карно

Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).

Задача на цикл Карно №1

Условие

Решение

Рассчитаем КПД цикла:

С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Условие

Решение

Формула для КПД цикла Карно:

Ответ: 17%.

Задача на цикл Карно №3

Условие

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Решение

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

1-2. Изотермическое расширение, рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1;
2-3. Адиабатическое расширение, тепло не подводится;
3-4. Изотермическое сжатие, в ходе которого тепло передается холодильнику;
4-1. Адиабатическое сжатие.

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

Вопрос на цикл Карно №2

Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?

«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 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.

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 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

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 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.

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: 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.

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.

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.

Урок физики в 8-м классе по теме «КПД теплового двигателя»

Цели:

Образовательная:
Привитие интереса к предмету.
Демонстрация применимости в жизни знаний, получаемых на различных уроках.
Вовлечение каждого ученика в активный познавательный процесс.
Выработка предметных компетенций.
Воспитательная: воспитание внимательного, доброжелательного отношения к ответам одноклассников.
Развивающая:
развитие умений и способностей учащихся работать самостоятельно;
расширение кругозора;
повышение эрудиции;
Развивать умения творчески подходить к решению задач;
Развитие умений выступления перед аудиторией.

Структура урока:

Постановка учебной цели.
Повторение пройденного материала.
Изучение нового материала.
Закрепление изученного.
Домашнее задание.

Оборудование:

мультимедиа;
презентация PowerPoint

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Повторение пройденного материала.

На прошлом уроке мы с вами разобрали понятия тепловых машин, их виды и краткую историю развития. Давайте вкратце повторим пройденный материал, но сначала послушаем сообщения, которые вы подготовили.

История ДВС (Презентация. Слайд 1). Сообщение учащегося “Первые тепловые машины”.

Слайд 2

Какие устройства называются тепловыми двигателями? (Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.)
Можно ли огнестрельное оружие отнести к тепловым двигателям? (Да. Энергия сгоревшего пороха переходит в механическую энергию снаряда.)
Можно ли человеческий организм отнести к тепловым двигателям? (Да.)
Почему ДВС не используются в подводных лодках при подводном плавании? (Под водой для работы двигателя внутреннего сгорания необходим воздух, а его там нет, либо необходимо брать сжиженный воздух, но это нерентабельно и усложняет процесс.)
Изменяется ли температура пара в турбине? (Да, она уменьшается.)
Все ли тепловые двигатели одинаково рентабельны? (Нет, не все, есть более экономичные, например дизельный двигатель.)

III. Изучение нового материала.

Обычно, рентабельность двигателей определяется их КПД. (Коэффициентом полезного действия.)

Слайд 3

Физический словарик.

Коэффициент (от лат coefficientis) обычно постоянная или известная величина – множитель при переменной или известной величине./

??? Что мы называли коэффициентом полезного действия при изучении механики? (Отношение полезной работы к работе затраченной.)

(h = А _п/ А_з записать формулу на доске).

При работе тепловых двигателей механическая работа совершается за счет превращения внутренней энергии горения топлива в механическую энергию.

Т.е. то, производя математические преобразования основной формулы ή получим новые формулы для расчета КПД теплового двигателя: (учащиеся на местах, а затем у доски производят необходимые преобразования).

Совершая работу, тепловой двигатель использует лишь некоторую часть той энергии, которая выделяется при сгорании топлива.

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя находят по формуле

где Q – количество теплоты, полученное в результате сгорания топлива; А – работа, совершаемая двигателем.

Задание: стр. 56–57 учебника, найти определение и формулу для расчета КПД теплового двигателя. В чем сходство или отличие данных понятий?

Кроме того КПД теплового двигателя можно вычислять по формулам:

Слайд 4

_{Рассмотрим характеристики некоторых, наиболее используемых тепловых
двигателей
Характеристики тепловых двигателей (Слайд 5)
Двигатели Мощность, кВт КПД, %
ДВС:
карбюраторный
дизельный 1 – 200
15 – 2200 ~ 25 ~ 35
Турбины:
паровые
газовые 3 ×
10⁵
12 × 10⁵ ~ 30 ~ 27
Реактивный 3 × 10⁷ ~ 80
??? Как вы думаете, на что тратится большая часть внутренней энергии
тепловых двигателей?
??? Безопасны ли тепловые двигатели с точки зрения экологии?
Вы правы и это хорошо видно из следующих данных:
Применение тепловых машин и проблемы охраны
окружающей среды (Слайд 6)
При сжигании топлива в тепловых машинах требуется большое количество
кислорода. На сгорание разнообразного топлива расходуется от 10 до 25% кислорода,
производимого зелеными растениями.
Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу
эквивалентные количества двуокиси углерода (углекислого газа). Сгорание топлива
в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не
бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи.
Сейчас во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу
ежегодно 200–250 млн. т золы и около 60 млн. т диоксида
серы.
Кроме промышленности воздух загрязняет и транспорт, прежде всего
автомобильный (жители больших городов задыхаются от выхлопных газов
автомобильных двигателей).
IV. Закрепление.
Качественные задачи: (Слайд 7)
1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД
теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? (Нет.
КПД теплового двигателя не может быть больше 100% или равен 100%)
2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число? (45% энергии идет на совершение полезной работы, а 55% энергии тратится
впустую на обогрев атмосферы, самого двигателя и т.д.)
3. Может ли КПД теплового двигателя быть равен 1,8;
50; 4; 90; 100%? (КПД теплового двигателя всегда меньше 100%)
4. Задача для любителей биологии: (Слайд 8)
В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека
напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что
при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако
возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или
прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным
отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю
мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.
КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят
впустую? (20% энергии тратится на полезную работу; 80% энергии мышцы
тратят впустую.)
5. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя
энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД
теплового двигателя? (20%)
Попробуйте решить данную задачу самостоятельно, а в помощь я напомню вам
общую схему теплового двигателя. (Затем разобрать решение у доски).
(схему заранее заготовить с обратной стороны на доске)

6. Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя
энергию, равную 1000 Дж, и отдает холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД
теплового двигателя? (30%) (Решить самостоятельно.)
V. Итог урока (повторить основные понятия и формулы).
VI. Д/З
§ 24; вопросы на с.57; индивидуальные карточки с задачами; всем желающим –
составить ребус или кроссворд по изученной теме.
Индивидуальные карточки домашнего задания:
К – 1.
Какое количество теплоты потребуется , чтобы расплавить 500 г льда,
взятого при температуре -10 ºС, полученную воду довести до кипения и
испарить 100 г воды? (620,5кДж)
Чему равен КПД плавильной печи, в которой на плавление 1 кг меди, взятой
при температуре 85 ºС, расходуется 400 г каменного угля? (≈ 5,7%)

К – 2.
На нагревание и плавление меди израсходовано 1276 кДж теплоты.
Определить массу меди, если ее начальная температура 15 ºС. (2 кг)
Какую массу антрацита надо сжечь в котле с КПД 40%, чтобы 1 т воды,
поступающей в него при 20 ºС, нагреть до 100 ºС и половину превратить в пар
при 100 ºС? (≈ 124 кг)

Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия теплового двигателя
Данная
тема посвящена решению задач на тепловые двигатели и коэффициент полезного
действия тепловых двигателей.
Задача
1.
В идеальном тепловом двигателе абсолютная температура холодильника вдвое меньше
температуры нагревателя. Если, не меняя температуры нагревателя, температуру
холодильника понизить второе, то во сколько раз увеличится КПД двигателя?
ДАНО:

РЕШЕНИЕ
КПД
идеального теплового двигателя определяется по формуле

Применим
данную формулу к рассматриваемому тепловому двигателю для двух случаев

Тогда
искомое соотношение

Ответ: КПД двигателя
увеличится в 1,7 раза.
Задача
2.
В цилиндре двигателя автомобиля при сгорании топлива образуются газы,
температура которых 1000 К, температура отработанных газов 373 К. Определить
путь, пройденный автомобилем, имеющим в баке 40 л топлива, удельная теплота
сгорания которого 3,2 ∙ 10¹⁰ Дж/м³. Сила
сопротивления движению автомобиля 1,7 ∙
10³ Н. Двигатель считать идеальным.
ДАНО:

РЕШЕНИЕ
КПД
теплового двигателя

Полезная
работа двигателя

Количество
теплоты полученное двигателем

Тогда

КПД
идеального теплового двигателя

Тогда

Ответ:
автомобиль проехал 472 км.
Задача
3.
В
калориметр, содержащий 0,5 кг воды и 0,1 кг льда при температуре 273 К,
поместили электрический нагреватель при такой же температуре. Общая
теплоемкость калориметра и нагревателя 100 Дж/К. Сколько времени необходимо
пропускать ток через нагреватель, чтобы вода в калориметре нагрелась до 373 К и
0,2 кг ее обратились в пар? Нагреватель потребляет мощность 500 Вт, а КПД —
90%.
ДАНО:

РЕШЕНИЕ
Запишем
формулу, по которой можно рассчитать коэффициент полезного действия
рассматриваемой установки

Количество
теплоты, выделяемое нагревателем

Количество
теплоты для
плавления
льда:

нагревания
воды:

нагревания
калориметра и нагревателя:

парообразования:

Тогда
КПД установки

Тогда

Проверим
размерности

Ответ: ток необходимо
пропускать 27,6 мин.
Задача
4.
Абсолютная температура нагревателя идеального теплового двигателя в 3 раза выше
температуры холодильника. Если за один цикл двигатель поднимает поршень массой
5 кг на высоту 20 м и сжимает при этом пружину жесткостью 625 кН/м на 8
см, то какое количество теплоты получает рабочее тело от нагревателя за один
цикл?
ДАНО:

РЕШЕНИЕ
КПД
идеального теплового двигателя

Полезная
работа двигателя представляет собой сумму работы силы
тяжести поршня, при его подъеме на заданную высоту, и работы силы упругости
пружины при ее сжатии

Тогда

Искомое
количество теплоты

Ответ: рабочее тело за один
цикл получает 4,5 кДж теплоты.
Задача
5.
Кожух станкового пулемета наполнен 4 кг воды при температуре 0 ^оС.
Скорость стрельбы 10 выстрелов в секунду. Заряд пороха в патроне 3,2 г. За
какое время выкипит половина воды в кожухе при непрерывной стрельбе? Считать,
что на нагревание ствола идет 30% теплоты, выделенной при сгорании топлива.
Какова начальная скорость пули, если ее масса 9,6 г, а КПД пулемета 20%?
ДАНО:

СИ

РЕШЕНИЕ
Изменение
внутренней энергии сгораемого топлива:

Количество
теплоты, выделяемое при сгорании топлива

Тогда
изменение внутренней энергии

КПД
процесса при теплообмене с учетом закона сохранения энергии

Количество
теплоты, полученное водой

Тогда

Тогда
время, за которое выкипит половина воды

КПД
пулемета

Работа
расширения пороховых газов

Тогда
скорость движения пули

Проверим
размерности

Ответ: 1700 с; 712 м/с.
(PDF) Расчет КПД двигателя с помощью уравнения общего цикла
Расчет КПД двигателя с помощью уравнения общего цикла
Эрнест Роджерс • 4 мая 2020 г.
Введение
В данном случае термодинамический цикл представляет собой последовательность изменений в условия газа; последний этап
возвращает газ в исходное состояние. Общий цикл будет описан в терминах обратимых изменений
идеального газа. Большинство тепловых двигателей можно проанализировать с помощью такого «идеального» цикла.Включены только основные шаги
— например, при представлении четырехтактного двигателя два хода для замены
газа будут проигнорированы.
Общий цикл получил это название, потому что он способен представлять наиболее часто используемые двигатели внутреннего сгорания
, такие как карбюраторные бензиновые двигатели, двигатели Аткинсона, дизели и даже газотурбинные двигатели
. Предполагая, что свойства газа — удельная теплоемкость и удельная теплоемкость — равны
константам, можно получить очень простую формулу для эффективности теплового двигателя.Эта простая формула
чрезвычайно точна при прогнозировании эффективности реальных двигателей, когда 1,35 используется для «постоянного»
значения удельной теплоемкости и разумно применен коэффициент потерь энергии. (Анализ приводит к
формула для обратимого цикла без потерь тепла или трения.)
Можно спросить, зачем нужна эта формула для эффективности? Ответ заключается в том, что это учебное пособие
, которое показывает нам, как разрабатывать более эффективные двигатели.
Описание цикла
Шаги цикла показаны на диаграмме P – V ниже. Цикл состоит из следующих этапов:
I. Начиная с точки 1, газ сжимается адиабатически (без передачи тепла) от V1 к V2. Степень сжатия
составляет RC = V1 / V2. Давление увеличивается от P1 до P2.
Работа сжатия от 1 до 2, W12, отрицательная.
II. При первом вводе тепла (топлива) Q1 давление повышается с P2 до P3 при постоянном объеме.Это P3 — максимальное давление
. Никакая работа не выполняется и V3 = V2.
III. Второй подвод тепла Q2 добавляется при постоянном давлении, когда поршень начинает двигаться наружу от
V3 к V4. (Топливо начало гореть в точке 2, а сжигание завершено в точке 4.) Общее количество подводимого тепла
равно QIN = Q1 + Q2. Работа с 3 по 4 — это W34.
IV. Газ расширяется адиабатически от точки 4 до точки 5. Рабочий ход заканчивается в точке 5. Степень расширения
RE = V5 / V2 превышает степень сжатия на коэффициент A = V5 / V1.A — коэффициент Аткинсона
. Работа на этом шаге с 4 по 5 — это W45.
В. Тепло отводится при постоянном объеме. Давление понижается с P5 до P1, начального давления.
VI. Газ сжимается, а тепло отводится при постоянном давлении. Объем уменьшается с V5
до V1, начального объема, и температура возвращается к исходной температуре T1. Работа
от 6 до 1, W61, отрицательная.
Цикл завершен.Общее тепло, отведенное на этапах V и VI, представляет собой отклоненное тепло, QOUT. Общее количество
работы, доступной из цикла, составляет W = W12 + W34 + W45 + W61. В идеальном цикле W = QIN — QOUT. В реальном двигателе
процесс немного отличается от этого идеального цикла — шаги не будут так четко определены.
Ожидается, что настоящий двигатель будет иметь клапаны; например: клапаны открываются в точке 5 для удаления выхлопных газов.
Входит свежий воздух, и поршень возвращается в 1, начальную точку.Затем клапаны закрываются и
начинается новый цикл. Открытие клапанов в части цикла может привести к потере работы, так как работа в атмосфере
.
Как рассчитать объемный КПД двигателя внутреннего сгорания — x-engineer.org
Для теплового двигателя процесс сгорания зависит от соотношения воздух-топливо внутри цилиндра. Чем больше воздуха мы можем попасть в камеру сгорания, тем больше топлива мы можем сжечь, тем выше выходной крутящий момент и мощность двигателя.
Поскольку воздух имеет массу, он инерционен. Кроме того, впускной коллектор, клапаны и дроссельная заслонка ограничивают поток воздуха в цилиндры. По объему мы измеряем способность двигателя заполнить доступный геометрический объем двигателя воздухом. Его можно рассматривать как соотношение между объемом воздуха, втягиваемого в цилиндр (реальным), и геометрическим объемом цилиндра (теоретическим).
Большинство двигателей внутреннего сгорания, используемых в настоящее время на дорожных транспортных средствах, имеют фиксированный объемный объем (рабочий объем), определяемый геометрией цилиндра и кривошипно-шатунного механизма.Строго говоря, общий объем двигателя V _t [m ³] вычисляется функцией общего количества цилиндров n _c [-] и объема одного цилиндра V _cyl [m ³] .
\ [V_t = n_c \ cdot V_ {cyl} \ tag {1} \] Общий объем цилиндра — это сумма смещенного (рабочего) объема V _d [m ³] и зазор V _c [м ³] .
\ [V_ {cyl} = V_d + V_c \ tag {2} \] Объем зазора очень мал по сравнению с объемом вытеснения (например, соотношение 1:12), поэтому им можно пренебречь при расчете объемной эффективности двигатель.
Изображение: Основные геометрические параметры поршня и цилиндра двигателей внутреннего сгорания
где:
IV — впускной клапан
EV — выпускной клапан
ВМТ — верхняя мертвая точка
НМТ — нижняя мертвая точка
B — отверстие цилиндра
S — поршень ход
r — длина шатуна
a — радиус кривошипа (смещение)
x — расстояние между осью кривошипа и осью поршневого пальца
θ — угол поворота кривошипа
Vd — смещенный (стреловидный) объем
Vc — объемный зазор
объемный КПД η _v [-] определяется как отношение между фактическим (измеренным) объемом всасываемого воздуха V _a [м ³] , всасываемого в цилиндр / двигатель, и теоретическим объемом двигатель / цилиндр V _d [m ³] во время впускного цикла двигателя.
\ [\ eta_v = \ frac {V_a} {V_d} \ tag {3} \] Объемный КПД можно рассматривать также как КПД двигателя внутреннего сгорания по заполнению цилиндров всасываемым воздухом. Чем выше объемный КПД, тем больше объем всасываемого воздуха в двигатель.
В двигателях с непрямым впрыском топлива (в основном, бензиновых) всасываемый воздух смешивается с топливом. Поскольку количество топлива относительно невелико (соотношение 1: 14,7) по сравнению с количеством воздуха, мы можем пренебречь массой топлива для расчета объемного КПД.
Фактический объем всасываемого воздуха можно рассчитать как функцию массы воздуха м _a [кг] и плотности воздуха ρ _a [кг / м ³] :
\ [V_a = \ frac {m_a } {\ rho_a} \ tag {4} \] Замена (4) в (3) дает объемный КПД, равный:
\ [\ eta_v = \ frac {m_a} {\ rho_a \ cdot V_d} \ tag {5 } \] Обычно на динамометрическом стенде двигателя массовый расход всасываемого воздуха измеряется [кг / с] вместо массы воздуха [кг] . Следовательно, нам нужно использовать массовый расход воздуха для расчета объемного КПД.
\ [\ dot {m} _a = \ frac {m_a \ cdot N_e} {n_r} \ tag {6} \] где:
N _e [rot / s] — частота вращения двигателя
n _r [-] — количество оборотов коленчатого вала для полного цикла двигателя (для 4-тактного двигателя n _r = 2 )
Из уравнения (6) мы можем записать массу всасываемого воздуха как:
\ [m_a = \ frac {\ dot {m} _a \ cdot n_r} {N_e} \ tag {7} \] Замена (7) в (5) дает объемный КПД, равный:
\ [\ bbox [# FFFF9D] {\ eta_v = \ frac {\ dot {m} _a \ cdot n_r} {\ rho_a \ cdot V_d \ cdot N_e}} \ tag {8} \] Объемный КПД максимален 1.00 (или 100%). При этом значении двигатель способен всасывать весь теоретический объем воздуха, доступного в двигатель. Есть особые случаи, когда двигатель специально разработан для одной рабочей точки, для которой объемный КПД может быть немного выше 100%.
Если давление всасываемого воздуха p _a [Па] и температура T _a [K] измеряются во впускном коллекторе, плотность всасываемого воздуха может быть рассчитана как:
\ [\ rho_a = \ frac {p_a} {R_a \ cdot T_a} \ tag {9} \] где:
ρ _a [кг / м ³] — плотность всасываемого воздуха
p _a [Па] — давление всасываемого воздуха
T _a [K] — температура всасываемого воздуха
R _a [Дж / кгK] — газовая постоянная для сухого воздуха (равна 286.{-3} \ cdot \ frac {1000} {60}} = 0.70
= 70.91 \ text {%} \]
Объем двигателя был преобразован с л на м ³ , а частота вращения — с об / мин. От до об / с .
Изображение: Функция объемного КПД давления всасываемого воздуха и частоты вращения двигателя
Объемный КПД двигателя внутреннего сгорания зависит от нескольких факторов, таких как:
геометрия впускного коллектора
давление всасываемого воздуха
всасываемый воздух температура
массовый расход всасываемого воздуха (который зависит от частоты вращения двигателя)
Обычно двигатели рассчитаны на максимальный объемный КПД при средних / высоких оборотах двигателя и нагрузке.
Вы также можете проверить свои результаты с помощью калькулятора ниже.
Калькулятор объемного КПД
Для любых вопросов или замечаний относительно этого руководства, пожалуйста, используйте форму комментариев ниже.
Не забывайте ставить лайки, делиться и подписываться!
Калькулятор КПД Карно
Если вас интересует термодинамика, вам обязательно стоит попробовать этот калькулятор КПД Карно. Это удобный инструмент, который поможет вам определить тепловой КПД двигателя, работающего по циклу Карно.Продолжайте читать, чтобы узнать, что такое цикл Карно, как решить уравнение эффективности Карно и почему вы не должны использовать этот тип двигателя в своем автомобиле.
Что такое тепловой двигатель Карно?
Тепловая машина Карно работает по циклу Карно, наиболее эффективному процессу теплового двигателя, разрешенному законами термодинамики. В этом цикле двигатель выполняет четыре последовательных процесса, а затем возвращается в исходное состояние.
Сам двигатель состоит из двух неподвижных тел и рабочего тела (жидкость паровое тело).Два неподвижных тела имеют постоянную температуру; первая, называемая «топкой», имеет высокую температуру Th , а вторая, называемую «холодильником», — низкотемпературную Tc .
Четыре фазы цикла Карно:
Изотермическое расширение при Th . Рабочее вещество расширяется при постоянной температуре Th , выполняя работу с окружающей средой.
Адиабатическое расширение .Рабочее вещество расширяется дальше, воздействуя на окружающую среду, но теряет часть своей внутренней энергии. Потеря энергии означает охлаждение до температуры Tc .
Изотермическое сжатие при Tc . Окружающие выполняют работу над рабочим телом, сжимая его при постоянной температуре Tc . Поскольку давление ниже, чем на шаге 1, объем работы меньше, чем работа, произведенная тогда.
Адиабатическое сжатие .Окружающая среда продолжает работать над рабочим веществом, сжимая его еще больше. Сжатие приводит к повышению температуры до Th . В конце шага 4 рабочее вещество находится точно в том же положении, что и до шага 1.
Уравнение эффективности Карно
Двигатель Карно — самый эффективный тепловой двигатель, который только можно построить. Чтобы найти его КПД η , необходимо применить следующее уравнение:
η = (Th - Tc) / Th * 100%
И Th , и Tc являются абсолютными температурами (выраженными в Кельвинах).
Например, вы можете попытаться вычислить КПД Карно двигателя, работающего между двумя телами: одно при температуре 25 ° C, а другое при 135 ° C. Чтобы найти результат, вам необходимо выполнить следующие действия:
Используйте преобразователь температуры для перевода 25 ° C в градусы Кельвина. Вы также можете произвести расчеты вручную; в данном случае Tc = 25 + 273,15 = 298,15 К .
Повторите шаг 1 для температуры горячего резервуара. В данном случае Th = 135 + 273.15 = 408,15 К .
Введите эти значения в уравнение эффективности Карно:
η = (Th - Tc) / Th * 100%
η = (408,15 - 298,15) / 408,15 * 100%
η = 110 / 408,15 * 100%
η = 26,95%
КПД Карно равен 26,95%. Обязательно проверьте правильность результата с помощью этого калькулятора теплового КПД!
Можно ли построить двигатель Карно?
Двигатель Карно представляет собой идеализированный вариант теплового двигателя.Тем не менее теоретически можно было бы построить двигатель по модели двух резервуаров с постоянными температурами и рабочего тела.
Причина, по которой двигатель не имеет практического применения, заключается в продолжительности каждого процесса. Изотермические процессы идут ужасно медленно; Прежде чем действительно произойдет теплопередача, потребуется огромное количество времени. Как заключил Шредер, «не утруждайте себя установкой двигателя Карно в свой автомобиль. Это увеличит расход топлива, но пешеходы обгонят вас по шоссе.«
Страница не найдена | MIT
Перейти к содержанию ↓ Образование
Исследовательская работа
Инновации
Прием + помощь
Студенческая жизнь
Новости
Выпускников
О MIT
Подробнее ↓ Прием + помощь
Студенческая жизнь
Новости
Выпускников
О MIT Меню ↓
Поиск Меню
Ой, похоже, мы не смогли найти то, что вы искали!
Попробуйте поискать что-нибудь еще!
Что вы ищете?
Увидеть больше результатов Предложения или отзывы?
Тепловой двигатель — Эффективность — Определение, классификация, формула и фотоэлектрическая диаграмма
Транспортные средства — широко используемые транспортные средства для перемещения из одного места в другое.Сегодня каждая семья может иметь как минимум двухколесный транспорт. Только представьте, как движутся машины? Какая энергия в нем используется? Какой процесс прошел? Тепловая машина — единственный ответ на все эти вопросы.
(изображение скоро будет загружено)
Что такое тепловой двигатель?
Тепловой двигатель — это устройство, используемое для преобразования тепловой энергии в механическую работу, полезную для людей. Для выполнения процедуры используется простой аппарат. Тепловой двигатель обладает рядом преимуществ с некоторыми ограничениями.
Классификация тепловых двигателей
У нас есть пять различных типов тепловых двигателей. Среди пяти известных и широко используемых тепловых двигателей два типа. Характеристика была проведена на основе принципа, который используется для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Итак, типы тепловых двигателей следующие:
Каковы функции теплового двигателя?
Основная функция любого теплового двигателя — преобразовывать доступную тепловую энергию в полезную механическую работу.Он проходит различные процедуры, чтобы преобразовать то же самое.
Определите эффективность теплового двигателя?
Как правило, мы знаем, что эффективность — это возможности. Однако здесь эффективность теплового двигателя — это разница между горячим источником и поглотителем. В этом разница между тепловым резервуаром и холодным резервуаром. Его также можно назвать термическим КПД теплового двигателя. Максимальный КПД теплового двигателя — это высшая разница между горячими и холодными резервуарами.Кельвин является единицей измерения этой эффективности.
Тепловой КПД может варьироваться от одного теплового двигателя к другому. Чтобы понять это подробнее, давайте рассмотрим надежные тепловые двигатели и их эффективность. Эффективность различных тепловых двигателей следующая:
Это всего 3% эффективности для сохранения тепловой энергии океана.
Автомобильные бензиновые двигатели имеют КПД почти 25%.
Точно так же КПД угольных электростанций составляет 49%.
Эффективность парогазовой турбины составляет около 60%.
(изображение будет скоро загружено)
Формула КПД теплового двигателя
Поскольку КПД теплового двигателя — это доля тепла и полученной полезной работы, его можно выразить с помощью формулы и символа . Формула КПД тепловой энергии:
η = Вт / QH
Где
η = Тепловой КПД.
W = Получена полезная работа.
QH = Заданное количество тепловой энергии.
Это известно как формула теплового двигателя.
Согласно второму закону термодинамики, невозможно получить 100-процентный тепловой КПД. Он всегда находится в диапазоне от 30 до 60% теплового КПД из-за изменений окружающей среды и других факторов. Мы также можем считать, что полученная работа — это разница между первоначально отправленным количеством тепла и полученным теплом. Его можно выразить как
(η) = [Q ₁ — Q ₂] / Q ₁
Концепция теплового двигателя была впервые представлена и открыта французским физиком Карно в 1824 году.Двигатель Карно — идеальный тепловой двигатель. Поскольку это наиболее эффективный тепловой двигатель, его КПД составляет [T ₁ — T ₂] / T ₁. Его можно измерить для каждого цикла Карно.
(изображение будет загружено в ближайшее время)
Из формулы и диаграммы мы можем понять, что эффективность идеального теплового двигателя также зависит от разницы между горячим и холодным резервуарами.
PV Diagram
Это диаграмма давление-объем, которая помогает изучать и анализировать эффективность теплового двигателя.Он действует как инструмент визуализации для теплового двигателя. Поскольку мы знаем, что рабочим веществом будет любой газ, фотоэлектрическая диаграмма объясняет визуальные эффекты теплового двигателя с учетом закона идеального газа. Несмотря на то, что температура может изменяться непрерывно, PV-диаграмма помогает объяснить три элемента состояния переменных. Он также использует первый закон термодинамики для объяснения изменений в тепловых двигателях.
(изображение будет загружено в ближайшее время)
Если мы посмотрим на рисунок, мы сможем понять, что это фотоэлектрическая диаграмма одного процесса циклического теплового двигателя.Это выглядело как замкнутая система. Область внутри цикла представляет объем работы, которую мы проделали в процессе, и объем полезной работы, которую мы получили. Диаграмма давление-объем является полезным инструментом визуализации для изучения и анализа теплового двигателя.
Заключение
Следовательно, тепловая машина — это система преобразования тепловой энергии в механическую работу. Эффективность теплового двигателя — это разница между горячим резервуаром и холодным резервуаром. Мы предоставили формулу для определения эффективности теплового двигателя.Кроме того, мы не можем получить 100% -ный КПД ни для одного теплового двигателя.
Введение во второй закон термодинамики: тепловые двигатели и их эффективность
Цели обучения
К концу этого раздела вы сможете:
Сформулируйте выражения второго начала термодинамики.
Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
Опишите и определите цикл Отто.
Рис. 1. Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них повторно замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что крайне маловероятно, что молекулы воды, содержащиеся в этих льдинах, изменят характерную форму аллигатора, которую они сформировали, когда фотография была сделана летом 2009 года. (Источник: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)
Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами.Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, который зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.Например, как отмечалось в предыдущем разделе, тепло включает в себя передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один из углов вакуумной камеры.Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит. (См. Рисунок 2.)
Рисунок 2. Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры.Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.
Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон может быть сформулирован разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эквивалентными.Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы.
Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики
Второй закон термодинамики (первое выражение)
Теплообмен происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.
Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом теплопередачу от более холодного объекта к более горячему.
Тепловые двигатели
Теперь давайте рассмотрим устройство, которое для работы использует теплопередачу. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловой машиной и схематично показано на рисунке 3b. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника.Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как Q _h, теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q _c, а работа, выполняемая двигателем, — . W . Температуры горячего и холодного резервуаров составляют T _h и T _c соответственно.
Рис. 3. (a) Передача тепла происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону термодинамики.(б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы. Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.
Поскольку горячий резервуар нагревается извне, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно. Фактически, мы хотели бы, чтобы W равнялось Q _h, и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду ( Q _c = 0).К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):
Второй закон термодинамики (второе выражение)
Ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.
Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что сформулированный в его второй форме, четко гласит, что такие двигатели не могут иметь идеального преобразования теплопередачи в выполненную работу. Прежде чем углубляться в основные причины ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить взаимосвязи между W , Q _h и Q _c, а также определить эффективность циклического Тепловой двигатель.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 Δ U = 0. Первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q — W , где Q — это чистая теплопередача в течение цикла ( Q = Q _h — Q _c) и W — чистая работа, выполненная системой.Поскольку Δ U = 0 для полного цикла, мы имеем 0 = Q — W , так что W = Q .
Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистой теплопередаче в систему, или W = Q _h — Q _c (циклический процесс), как схематично показано на рисунке 3b. Проблема в том, что во всех процессах происходит передача тепла в окружающую среду Q _c, причем обычно очень значительную.
При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньшего количества энергии, чем мы вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования Eff как отношение полезной выходной работы к вложенной энергии (или, в другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность теплового двигателя как его полезную мощность Вт , деленную на передачу тепла двигателю Q _ч; то есть
[латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]
Поскольку W = Q _h — Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как
[латекс] Eff = \ frac {Q _ {\ text {h}} — Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} = 1- \ frac {Q _ {\ text {c} }} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] (циклический процесс),
, поясняющий, что эффективность 1, или 100%, возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ( Q _c = 0).Обратите внимание, что все Q положительны. Направление теплопередачи обозначается знаком плюс или минус. Например, Q _c находится вне системы, поэтому перед ним стоит знак минус.
Пример 1. Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа
Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует теплопередачу от сжигания угля для работы по включению турбин, которые используются для выработки электроэнергии.За один день большая угольная электростанция имеет 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи от угля и 1,48 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи в окружающую среду.
Какие работы выполняет электростанция?
Каков КПД электростанции?
В процессе горения происходит следующая химическая реакция: C + O ₂ → CO ₂. Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа.Если предположить, что 1 кг угля может обеспечить 2,5 × 10 ⁶ Дж теплопередачи при сгорании, сколько CO ₂ выбрасывается этой электростанцией в день?
Стратегия для части 1
Мы можем использовать W = Q _h — Q _c, чтобы найти выходную мощность Вт , предполагая, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.{14} \ text {J} \ end {array} \\ [/ latex]
Стратегия для части 2
Эффективность может быть рассчитана с помощью [latex] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], поскольку указано Q _h, а работа W была найдена в первая часть этого примера.
Решение для части 2
Эффективность определяется по формуле: [latex] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]. Работа W была только что найдена равной 1,02 × 10 ¹⁴ Дж, и дано Q _h, поэтому эффективность равна
. [латекс] \ begin {array} {lll} Eff & = & \ frac {1.{14} \ text {J}} \\\ text {} & = & 0.408 \ text {, или} 40.8 \% \ end {array} \\ [/ latex]
Стратегия для части 3
Суточное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день имеет место 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи от угля. В процессе горения имеем C + O ₂ → CO ₂. Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO ₂.
Решение для части 3
Суточное потребление угля
[латекс] \ frac {2.8 \ text {кг CO} _2 \\ [/ латекс]
Это 370 000 метрических тонн CO ₂, производимых ежедневно.
Обсуждение
Если вся производимая работа преобразуется в электричество в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам как проблема в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупномасштабной традиционной электростанции. Обнаруженный КПД достаточно близок к значению 42%, указанному для угольных электростанций. Это означает, что 59,2% энергии приходится на передачу тепла в окружающую среду, что обычно приводит к потеплению озер, рек или океана вблизи электростанции, и в целом способствует потеплению планеты.Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, в том числе установок, работающих на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться, а иногда и используется для отопления домов или промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не сделала экономичным более эффективное использование отходящего тепла от большинства тепловых двигателей. Угольные электростанции производят наибольшее количество CO ₂ на единицу выработанной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.
Обладая информацией, приведенной в Примере 1, мы можем найти такие характеристики, как эффективность теплового двигателя, не зная, как он работает, но более подробное изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рисунке 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Показанные четыре этапа завершают цикл этого теплового двигателя, возвращая бензиново-воздушную смесь в исходное состояние.
Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь.Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который одновременно работает с газом в цилиндре. (а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается, что является почти адиабатическим процессом, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа сделана на газе. (c) Рабочий ход состоит из двух отдельных частей. Сначала воспламеняется топливно-воздушная смесь, которая почти мгновенно преобразует химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления.Затем поршень опускается, и газ действует, передавая силу на расстоянии, что является почти адиабатическим процессом. (d) Такт выпуска вытесняет горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная с такта впуска.
Цикл Отто , показанный на рисунке 5а, используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные траектории цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.
Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя.В обоих случаях производится работа с системой (газовой смесью в баллоне), повышая ее температуру и давление. На пути BC цикла Отто теплопередача Q _h в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит так быстро, что объем почти постоянный. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действительно работает во внешнем мире, точно так же, как рабочий такт двигателя внутреннего сгорания при его почти адиабатическом расширении.Работа, выполняемая системой по пути CD, больше, чем работа, выполняемая системой по пути AB, потому что давление больше, и, следовательно, имеется чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплопередача Q _c от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выхлопу горячих газов и всасыванию воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре.В обоих случаях на этом конечном пути происходит передача тепла в окружающую среду.
Рис. 5. Диаграмма упрощенного цикла Отто, аналогичного тому, который используется в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют тактам сжатия и мощности двигателя внутреннего сгорания соответственно. Пути BC и DA изохоричны и дают аналогичные результаты для участков зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания.Работа выполняется с газом по пути AB, но больше работы выполняется с газом по пути CD, так что имеется чистый выход работы.
Чистая работа, выполняемая циклическим процессом, — это область внутри замкнутого пути на диаграмме PV , такой как внутренний путь ABCDA на рисунке 5. Обратите внимание, что во всех мыслимых циклических процессах это абсолютно необходимо для передачи тепла от система должна возникать, чтобы получить чистый результат работы. В цикле Отто теплообмен происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а полезная мощность равна нулю.Чем ниже температура на пути AB, тем меньше работы нужно выполнить для сжатия газа. Тогда площадь внутри замкнутого пути больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. Рисунок 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности теплового двигателя и как он связан с температурой.
Рис. 6. Этот цикл Отто производит большую работу, чем цикл на рис. 5, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.
Сводка раздела
Два выражения второго начала термодинамики: (i) передача тепла происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении; и (ii) в любой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать для работы в циклическом процессе, в котором система возвращается в исходное состояние.
Необратимые процессы зависят от пути и не возвращаются в исходное состояние. Циклические процессы — это процессы, которые возвращаются в исходное состояние в конце каждого цикла.
В циклическом процессе, таком как тепловой двигатель, чистая работа, выполненная системой, равна чистой теплопередаче в систему, или W = Q _h — Q _c, где Q _h — передача тепла от горячего объекта (горячий резервуар), а Q _c — передача тепла в холодный объект (холодный резервуар).
Эффективность может быть выражена как [латекс] Eff = \ frac {W} {{Q} _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], отношение выходной мощности к количеству вложенной энергии.
Четырехтактный бензиновый двигатель часто объясняют с помощью цикла Отто, который представляет собой повторяющуюся последовательность процессов, преобразующих тепло в работу.
Концептуальные вопросы
Представьте, что вы едете на машине по Пайкс-Пик в Колорадо. Чтобы поднять автомобиль весом 1000 килограммов на расстояние 100 метров, потребуется около миллиона джоулей.Вы можете поднять машину на 12,5 км с помощью энергии в галлоне газа. Подъем на пик Пайк (всего 3000 метров) требует чуть меньше литра бензина. Но нужно учитывать и другие соображения. Объясните с точки зрения эффективности, какие факторы могут помешать вам реализовать идеальное потребление энергии в этой поездке.
Необходима ли разница температур для работы теплового двигателя? Укажите, почему или почему нет.
Определения эффективности различаются в зависимости от того, как преобразовывается энергия.Сравните определения эффективности человеческого тела и тепловых двигателей. Как определение эффективности в каждом из них соотносится с типом энергии, которая преобразуется для выполнения работы?
Почему — помимо того факта, что второй закон термодинамики гласит, что реверсивные двигатели являются наиболее эффективными — тепловые двигатели, использующие обратимые процессы, должны быть более эффективными, чем те, которые используют необратимые процессы? Учтите, что диссипативные механизмы — одна из причин необратимости.
Задачи и упражнения
Определенная тепловая машина делает 10.0 кДж работы и 8,50 кДж теплопередачи происходит в окружающую среду в циклическом процессе. а) Каков был теплообмен в этом двигателе? б) Каков был КПД двигателя?
При 2,56 × 10 ⁶ Дж теплопередачи в этот двигатель данный циклический тепловой двигатель может выполнять только 1,50 × 10 ⁵ Дж работы. а) Каков КПД двигателя? (б) Какая степень теплопередачи в окружающую среду имеет место?
(a) Какова производительность циклического теплового двигателя, имеющего 22.КПД 0% и передача тепла в двигатель 6,00 × 10 ⁹ Дж? б) Сколько тепла передается в окружающую среду?
(a) Какова эффективность циклического теплового двигателя, в котором 75,0 кДж теплопередачи происходит в окружающую среду на каждые 95,0 кДж теплопередачи в двигатель? (б) Сколько работы он производит для передачи тепла в двигатель 100 кДж?
Двигатель большого корабля выполняет 2,00 × 10 ⁸ Дж работы с КПД 5,00%. а) Сколько тепла передается в окружающую среду? (b) Сколько баррелей топлива израсходовано, если каждый баррель производит 6.00 × 10 ⁹ Дж теплопередачи при сгорании?
(a) Сколько тепла передается в окружающую среду электростанцией, которая использует 1,25 × 10 ¹⁴ Дж для передачи тепла в двигатель с КПД 42,0%? (б) Каково отношение теплопередачи к окружающей среде к производительности труда? (c) Сколько работы сделано?
Предположим, что турбины на угольной электростанции были модернизированы, что привело к повышению эффективности на 3,32%. Предположим, что до модернизации электростанция имела КПД 36%, а передача тепла в двигатель за один день осталась прежней — 2.50 × 1014 Дж. (а) Насколько больше электроэнергии вырабатывается в результате модернизации? (б) Насколько меньше теплопередачи в окружающую среду в результате модернизации?
Эта задача сравнивает выработку энергии и передачу тепла в окружающую среду двумя разными типами атомных электростанций — одна с нормальным КПД 34,0%, а другая с улучшенным КПД 40,0%. Предположим, что оба имеют одинаковую теплопередачу в двигатель за один день, 2,50 × 10 ¹⁴ Дж. (А) Насколько больше электроэнергии вырабатывает более эффективная электростанция? (б) Насколько меньше теплоотдача в окружающую среду происходит от более эффективной электростанции? (Один из типов более эффективных атомных электростанций, реактор с газовым охлаждением, оказался недостаточно надежным, чтобы быть экономически целесообразным, несмотря на его большую эффективность.)
Глоссарий
необратимый процесс: любой процесс, зависящий от направления пути
второй закон термодинамики: теплопередача течет от более горячего к более холодному объекту, а не наоборот, и некоторая тепловая энергия в любом процессе теряется для доступной работы в циклическом процессе
циклический процесс: процесс, в котором путь возвращается в исходное состояние в конце каждого цикла
Цикл Отто: термодинамический цикл, состоящий из пары адиабатических процессов и пары изохорных процессов, который преобразует тепло в работу, т.е.г., цикл впуска, сжатия, зажигания и выпуска четырехтактного двигателя
Избранные решения проблем и упражнения
1. (а) 18,5 кДж; (б) 54,1%
3. (а) 1,32 × 10 ⁹ Дж; (б) 4.68 × 10 ⁹ Дж
5. (а) 3.80 × 10 ⁹ Дж; (б) 0,667 баррелей
7. (а) 8,30 × 10 ¹² Дж, что составляет 3,32% от 2,50 × 10 ¹⁴ Дж; (б) –8,30 × 10 ¹² Дж, где отрицательный знак указывает на снижение теплопередачи в окружающую среду.
Термодинамическая теория идеального двигателя Стирлинга
Двигатели Стирлинга — одно из тех устройств, которые очаровывали многих инженеров (включая меня) на протяжении многих лет, особенно когда мы молоды и впечатлительны, прежде чем стали слишком цинично относиться к миру. Это также одна из тех технологий, которые на самом деле не получили широкого распространения, несмотря на призывы пользователей YouTube к «бесплатной энергии», поэтому очевидно, что это не идеальное решение для многих проблем, но для некоторых приложений они действительно являются отличным движком.
Команда Midé недавно потратила много времени на запуск и запуск нового проекта Стирлинга для морской пехоты США. Я выбрал для этого случая двигатель цикла Стирлинга из-за его естественного высокого КПД и из-за того, что это двигатель внешнего сгорания. Чтобы поддержать этот проект, мне нужно было провести значительный объем исследований по теории двигателей Стирлинга, чтобы мы могли лучше разработать решение для наших военных. В этом посте я поделюсь с вами некоторыми основами, которые я изучил, и предоставлю инструмент, который поможет визуализировать цикл Стирлинга.Надеюсь, этот инструмент поможет вам дважды проверить некоторые из основных вычислений, которые вы, возможно, захотите выполнить, а также предоставит удобный способ построения некоторых свойств для идеального цикла Стирлинга. Вы можете найти калькулятор на этой странице: Калькулятор идеального цикла Стирлинга
Рис. 1. Первый прототип двигателя Стирлинга, изготовленный в Миде в рамках проекта для морской пехоты.
Обзор
Двигатель Стирлинга — это особая разновидность теплового двигателя, сформулированная Робертом Стирлингом в 1816 году; это означает, что он может преобразовывать поток тепла в механическую работу (например, вращение коленчатого вала).Ключевой термин — «поток тепла»; должны быть два «резервуара», которые разделены, и эти резервуары должны иметь разную температуру, чтобы поток между ними имел место. Если вы поместите теплопровод между двумя резервуарами со временем, они оба достигнут одинаковой температуры, что указывает на то, что энергия «течет» от горячего резервуара к холодному резервуару.
Двигатель Стирлинга использует этот поток энергии от горячей к холодной и откачивает часть ее в виде механической работы.Двигателю Стирлинга необходимы горячая и холодная секции, изолированные друг от друга, а продуманный способ направления рабочей жидкости между двумя секциями позволяет двигателю производить механическую работу. Тепло передается от горячей секции к двигателю, часть энергии покидает двигатель в виде полезной механической работы, а часть ее уходит в качестве передачи тепла в холодную секцию. Помните, что энергия никогда не может быть уничтожена, поэтому, если вы сложите всю энергию, покидающую двигатель (т.е. полезная работа + передача тепла в холодную часть), она должна равняться количеству энергии, поступающей в двигатель в качестве передачи тепла из горячей части.Этот энергетический баланс является первым законом термодинамики и всегда соблюдается.
Рисунок 2: Термодинамическая диаграмма теплового двигателя
Уравнение 1: Первый закон термодинамики для двигателя Стирлинга, первый закон — это просто энергетический баланс системы
Комментарии к термической эффективности
Отношение полезной работы к теплопередаче в двигатель называется тепловым КПД. Думайте об этом как о соотношении того, что вы хотите (полезная механическая работа), деленное на затраты (передача тепла в двигатель).
Уравнение 2: Расчет теплового КПД для Stirling
КПД никогда не может быть выше 1. КПД, равный 1, будет означать, что вся передача тепла в двигатель становится полезной работой, а передача тепла в холодную часть отсутствует вообще. Коэффициент полезного действия, равный 0, означает, что полезная работа не производится и вся передача тепла от горячей секции просто покидает двигатель в виде передачи тепла в холодную секцию. Если вы поместите два кирпича рядом друг с другом, один горячий и один холодный, в идеально изолированную коробку и оставите их там на некоторое время, вы вернетесь и найдете два теплых кирпича.Технически это тепловой двигатель с КПД 0; тепло передавалось от горячего кирпича к холодному в соотношении 1: 1, не производя полезной работы в процессе.
Оказывается, КПД тоже никогда не может равняться единице; извините за это, второй закон термодинамики — настоящая ползучесть. Выведение отношения, которое ограничивает физически возможные уровни эффективности, — это совершенно другая тема, но она называется эффективностью Карно в честь Николя Леонара Сади Карно. Он смог постулировать максимальную эффективность, которую можно было ожидать, не нарушая второй закон термодинамики.Можно рассчитать КПД Карно, зная только температуры горячей и холодной частей, между которыми работает данная тепловая машина. Это означает, что у вас никогда не будет теплового двигателя, который не отводит хотя бы немного тепла в холодную часть.
Уравнение 3: КПД Карно ограничивает реалистичные характеристики двигателя
Рисунок 3: Пример зависимости теплового КПД Карно или Стирлинга от температуры горячей секции
Если построить график возможного КПД Карно с учетом температуры горячей секции, можно увидеть, что чем больше разница температур между горячей и холодной сторонами, тем выше возможный КПД.Не все двигатели даже теоретически (не говоря уже о реальности) могут достичь эффективности Карно. Например, идеальный дизельный двигатель никогда, даже в идеальном мире, не может сравниться по эффективности с теоретическим тепловым двигателем Карно. Некоторые другие типы тепловых двигателей могут сравниться с двигателем Карно по теоретическим характеристикам. Двигатель Стирлинга — один из примеров этого. Следовательно, КПД Карно при заданной температуре горячего и холодного участков равен КПД Стирлинга между теми же горячими и холодными участками.
Уравнение 4: Идеальный тепловой КПД Стирлинга равен КПД Карно
Для непрерывной работы Стирлинга необходимо иметь горячую секцию, которая постоянно нагревается каким-либо источником, и холодную секцию, которая каким-либо образом охлаждается. Без постоянного нагрева горячей секции и охлаждения холодной в конечном итоге между ними будет передаваться достаточно тепла, так что в итоге вы получите две теплые секции. Как только это произойдет, у вас больше не будет этой разницы температур между секциями, эффективность упадет до 0, и тепло не будет передаваться через двигатель, поскольку разницы температур не существует.
В двигателе Midé горячая часть нагревается за счет сжигания биомассы, а холодная часть охлаждается водой, которая затем проходит через радиатор. Это позволяет поддерживать температуру горячей секции около 900 K, а холодной секции — около температуры кипящей воды (373 K). Если вы сделаете математику, чтобы вычислить эффективность Карно (и, следовательно, эффективность Стирлинга), эти температуры означают, что нельзя ожидать получить более 0,58 КПД без взрыва Вселенной. К сожалению, сразу почти половина энергии, которую вы вкладываете в наш двигатель, ГАРАНТИРУЕТСЯ для передачи тепла в холодную часть.Прямо сейчас мы говорим об абсолютно совершенных двигателях, и это все, что будет обсуждаться в этом посте, но в реальном мире существует множество других факторов, которые делают невозможным достижение уровня эффективности Карно. Вы суперзвезда, если сможете получить половину Карно.
Двигатель Стирлинга как цикл
Тепловые двигатели являются циклическими, и это относится к двигателю Стирлинга. В случае поршневого двигателя, подобного тому, что мы создали, между секцией удержания и холодной секцией происходит процесс, который повторяется с определенной частотой.Тепло поглощается двигателем импульсами, а затем отводится в холодную часть и работает импульсами. Обычно к двигателю добавляют маховик, чтобы сглаживать эти импульсы и поддерживать вращение механизма. Тепло от горячей секции передается в холодную через какой-либо тип рабочего тела (воздух, гелий, водород, азот или любой другой тип газа, некоторые из которых лучше, чем другие). Для Стирлинга можно описать термодинамический цикл в четырех частях.
Рисунок 4: Идеальный цикл Стирлинга
Состояние с 1 по 2
В состоянии 1 рабочая жидкость находится в максимальном объеме, минимальной температуре и минимальном давлении.Из состояния 1 в состояние 2 силовой поршень сжимает рабочую жидкость, в то время как тепло передается из системы, которая поддерживает постоянную низкую температуру рабочей жидкости. Когда двигатель находится в состоянии 2, рабочая жидкость находится в сжатом состоянии (высокое давление и малый объем), но остается при той же температуре, что и состояние 1. Работа, которая требовалась для сжатия объема, обеспечивается за счет накопленной энергии в двигателе. маховик.
Состояние с 2 по 3
В состоянии 2 рабочая жидкость имеет минимальный объем, минимальную температуру и среднее давление.Между состояниями 2 и 3 объем поддерживается постоянным, в то время как горячая секция добавляет тепло для повышения температуры.
Состояние с 3 по 4
В состоянии 3 рабочая жидкость достигла максимальной температуры, максимального давления и минимального объема. В состоянии с 3 по 4 рабочему телу позволяют расширяться, выполняя при этом полезную работу. В процессе расширения добавляется больше тепла, чтобы поддерживать постоянную температуру в системе. Энергия, полученная во время этого расширения, превышает энергию, которая потребовалась для сжатия объема между состояниями 1 и 2, обеспечивая чистую положительную работу.
Состояние от 4 до 1
Для возврата двигателя в состояние 1, в котором он начал работать, тепло от рабочей жидкости отводится при постоянном объеме.
Рисунок 5: Цикл, показывающий соотношение между давлением и объемом во время цикла двигателя Стирлинга, с каждым состоянием, помеченным как
.
Сводка уравнений
Можно рассчитать свойства жидкости во всех этих различных состояниях по следующим формулам:
Кроме того, полезная произведенная работа может быть рассчитана по следующей формуле.CR означает «Степень сжатия» (максимальный объем двигателя, деленный на минимальный объем двигателя). Обратите внимание, что эта формула дает количество работы на единицу массы рабочего тела на один оборот двигателя Стирлинга. Температуры также должны быть в абсолютной шкале (например, по шкале Ренкина или Кельвина).
Уравнение 5: Работа идеального двигателя Стирлинга на единицу массы рабочего тела за один оборот (цикл)
Важно помнить, что все представленные числа относятся к идеальному циклу Стирлинга, которого никогда не будет в реальной жизни. Все настоящие двигатели являются приближениями к идеальным термодинамическим циклам.Знание, как изменить эти идеальные отношения, чтобы они отражали реальный мир, — это совершенно другая тема, которую можно будет обсудить в будущей статье!
Реальные конфигурации Стирлинга
Для того, чтобы контролировать, когда тепло передается к рабочему телу или от него, большинство двигателей Стирлинга имеют так называемый «вытеснительный» поршень, который просто предотвращает контакт между рабочим телом и либо горячей, либо холодной секцией, в зависимости от ее положения. Для изменения объема системы обычно используется какой-либо тип силового поршня, который совершает возвратно-поступательное движение в отверстии цилиндра, часто этот поршень соединен с коленчатым валом для сбора полезной работы.
Есть много способов, которыми инженер может решить механически связать силовой поршень, поршень буйка и теплообменники, чтобы произвести эффекты, необходимые во время цикла Стирлинга. Никакой механизм не имитирует необходимые движения, поэтому в реальных двигателях Стирлинга одним из источников потерь является «приближение» цикла, которое необходимо для создания реальной машины. Два наиболее распространенных типа конфигураций двигателя — это бета-тип и альфа-тип. Двигатель Midé Stirling — это бета-версия.
Рисунок 6. Настоящий двигатель Стирлинга, альфа-конфигурация (Источник анимации: https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AAlpha_Stirling.gif)
Рисунок 7. Настоящий движок Стирлинга, бета-конфигурация (Источник анимации: https://commons.}

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