Кпд тепловых машин: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

Содержание

Молекулярная физика и термодинамика

Среди всех возможных термодинамических процессов, изображаемых на диаграммах состояний, особое место занимают процессы, соответствующие замкнутым кривым (рис. 5.1). В этих процессах физическая система проходит через ряд состояний и возвращается в исходное. Этим и обусловлена важность замкнутых процессов (циклов).

Рис. 5.1. Пример условного  замкнутого цикла (направление процесса показано стрелками). Площадь под верхней кривой равна работе, совершаемой системой, а площадь под нижней кривой — работе внешних сил над системой (показана коричневой штриховкой). Разность площадей (показана зеленой штриховкой) равна полной работе, совершенной системой за цикл

Рассмотрим подробнее процесс на рис. 5.1. При расширении газа по «пути» 1-3-2 от минимального (V1) до максимального (V2) объема система совершает положительную работу А132, численно равную площади под верхней кривой. При возвращении системы в исходное состояние по другому пути 2-4-1

paбота А241совершается над системой. Работа системы отрицательна и по абсолютной величине равна площади под нижней кривой. Алгебраическая сумма этих работ

есть полная работа, совершенная системой за цикл. Ее численная величина равна разности упомянутых площадей, то есть площади, заключенной между верхней и нижней кривыми. Иными словами, полная работа за цикл равна площади, ограниченной данным циклом на диаграмме (р, V), если процесс совершается по часовой стрелке; в противном случае полная работа отрицательна, но ее модуль также равен этой площади.

 

В ходе осуществления цикла система взаимодействовала с внешней средой, получала и отдавала теплоту. Если обозначить через Q1 количество теплоты, полученное системой, то коэффициент полезного действия (КПД) естественно определить как отношение

 

(5.1)

где АЦ работа за цикл.

 

КПД часто выражают также в процентах, для чего величину надо умножить на 100 %. Если обозначить через Q2 > 0 количество теплоты, возвращенное системой во внешнюю среду, то разность Q1 – Q2равна совершенной работе АЦ. Это следует из первого начала термодинамики и из того факта, что при возвращении системы в исходное состояние ее внутренняя энергия также принимает исходное значение, то есть

Тогда КПД тепловой машины записывается в виде

 

(5.2)

Отсюда видно, что КПД тепловой машины не может быть больше единицы. Это утверждение можно сформулировать как

невозможность вечного двигателя первого рода:

Невозможно соорудить периодически действующую тепловую машину, которая совершала бы полезную работу в количестве, превышающем получаемую извне энергию.

Существование такого двигателя противоречило бы закону сохранения энергии. Поскольку ни количество теплоты, ни совершенная системой работа не являются функциями состояния, КПД зависит от данного конкретного цикла, по которому работает тепловая машина.

 

До сих пор мы рассматривали процесс, соответствующий работе именно тепловой машины. Если повернуть процесс вспять (пустить его против часовой стрелки на рис. 5.1), то мы получим модель холодильной установки. Все стрелки на этом рисунке меняют направления на обратные, система получает от холодильника количество теплоты Q2, и за счет работы внешней силы (электромотора) передает нагревателю большее количество теплоты Q1

. Закон сохранения энергии (первое начало термодинамики) требует выполнения равенства

Эффективность холодильной установки можно определить аналогично КПД тепловой машины. Надо только учесть, что полезным теперь является количество отнимаемого тепла Q2, для чего мы совершаем работу АЦ. Поэтому в литературе часто определяют холодильный коэффициент ’ как отношение отнимаемой теплоты к совершаемой при этом работе:

 

(5.3)

Заметим, что холодильный коэффициент может быть больше единицы. Если мы хотим пользоваться привычным коэффициентом полезного действия, то для холодильной установки естественно определить его как отношение отнятого тепла к переданному во внешнюю среду:

 

 

(5.4)

Такое определение соответствует традиционным взглядам на КПД установок. Действительно, в холодильнике со 100 %-й эффективностью (если бы он был возможен) все количество отнятой теплоты передавалось бы без совершения работы во внешнюю среду. Тогда мы имели бы Q2 = Q1и хол = 1. Наоборот, когда мы совершаем какую-то работу, но не отнимаем никакой теплоты, то Q2 = 0 и хол = 0.

Тепловые машины. Цикл Карно [wiki.eduVdom.com]

В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.

Примеры тепловых двигателей

КПД тепловой машины

Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: $A = Q_{1} - |Q_{2}|$, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты ($Q_{1}$) от нагревателя, часть этого количества теплоты (по модулю равную $|Q_{2}|$) отдаёт холодильнику. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия $\eta$ тепловой машины.

Коэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле: $$\eta = \frac{A}{Q_{1}}=\frac{Q_{1}-|Q_{2}|}{Q_{1}} = 1 - \frac{|Q_{2}|}{Q_{1}}$$

Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.

Цикл Карно

Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс,

состоящий из изотерм и адиабат.

Схема цикла Карно

Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4. На участке 4—1 цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1 к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_{1}$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2. На участке 2—3 расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4 от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_{2}$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.

Линия Состояние Описание
1-2Изотерма
$T=T_{1}$
$dQ_{1}$
(нагревание)
$V\Uparrow$
От нагревателя поступает теплота $dQ_{1}$ (или $Q_{H}$), газ под поршнем изотермически расширяется.В начале процесса рабочее тело (газ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_{H}$ (или $Q_{1}$).
При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает.
2-3Адиабата

$dQ=0$
$V\Uparrow$

Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется.Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой.
При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной.
3-4Изотерма
$T=T_{2}$
$dQ_{2}$
(охлаждение)
$V\Downarrow$
Газ изотермически (при $T = T_{2}$) сжимается и отдает теплоту $dQ_{2}$ холодильнику.Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_{X}$ (или $Q_{2}$).
Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается.
4-1Адиабата

$dQ=0$
$V\Downarrow$

Газ изолирован и адиабатически сжимается.Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой.
При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной.

Иллюстрации цикла Карно

Цикл Карно

Максимальный КПД тепловой машины

Коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С.Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ($T_{1}$) и холодильника ($T_{2}$). В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД их цикла всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при прочих равных условиях). $$\eta_{real}<\eta_{ideal}=\frac{T_{1}-T_{2}}{T_{1}}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}$$

Из формулы видно, что КПД двигателей растёт с увеличением температуры нагревателя и с уменьшением температуры холодильника.

Если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю, то КПД был бы равен 100%. В современных двигателях обычно КПД увеличивают за счёт повышения температуры нагревателя.

Реальный КПД тепловых машин порядка 30-40%, в то время как теоретически можно получить 60-80%, при тех же условиях.

Обратный цикл Карно

В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии.

Обратный цикл Карно. В обратном цикле Карно те же процессы происходят в обратной последовательности. Исходное состояние рабочего тела теперь — точка 3. Адиабатически сжатое компрессором по линии 3—2 рабочее тело охлаждается изотермически по линии 2—1

и далее продолжает расширяться адиабатически по линии 1—4. На изотерме 4—3 к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки 3.

При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.

Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.{\text{'}}}{{Q}_{\mathrm{затр}}}}={\displaystyle \frac{{Q}_{2}-{Q}_{1}}{{Q}_{2}}}=1-{\displaystyle \frac{{Q}_{1}}{{Q}_{2}}}$$,   или   $$ \eta =1-{\displaystyle \frac{{T}_{1}}{{T}_{2}}}$$.

КПД идеальных тепловых машин, состоящих из обратимых процессов, с данными температурами нагревателя и холодильника, находится по формулам:

$$ \eta =1-{\displaystyle \frac{{Q}_{1}}{{Q}_{2}}}$$ — максимальный КПД тепловых машин.

Можно доказать, что КПД может быть найден и по другой формуле:

$$ \eta =1-{\displaystyle \frac{{T}_{1}}{{T}_{2}}}$$ — максимальный КПД тепловых машин с циклом Карно.

Сади Карно доказал, что тепловая машина с таким циклом имеет максимально возможный КПД.

Цикл Отто

Мы уже говорили о том, что цикл Карно позволяет получить максимальный из всех возможных КПД. В практической деятельности часто создаются машины, работа которых не нацелена на получение максимального КПД. Одним из таких примеров может служить цикл Отто, по которому работает бензиновый двигатель внутреннего сгорания (ДВС). На схеме показаны основные элементы двигателя и характерные точки положений поршня (рис. 19).

Теперь рассмотрим более подробно работу ДВС по циклу Отто. В идеале он должен выглядеть так: 

А) Участок $$ АВ$$ (см. рис. 20) соответствует второй части такта выпуска, где поршень поднимается от нижней до верхней мёртвой точки и выталкивает через открытый выпускной клапан остатки отработанных газов в атмосферу при атмосферном же давлении (см. рис. 19).

Б) На участке $$ ВС$$ (см. рис. 20) (такт впуск) поршень совершает обратное движение к нижней мёртвой точке, но при этом клапан выпускной закрывается, впускной клапан открывается, и рабочая смесь воздуха и бензина поступает (втягивается при атмосферном давлении) в камеру сгорания.

В) На участке $$ CD$$ поршень вновь поднимается к верхней мёртвой точке и, при закрытых клапанах, сжимает рабочую смесь (такт сжатие). Сжатие идёт так быстро, что теплообмен практически не происходит, и процесс можно принять как адиабатный.

Г) В точке $$ D$$ на свечу зажигания подают высокое напряжение, рабочая смесь практически мгновенно сгорает, и давление возрастает в несколько раз при постоянном объёме.

Д) Далее на участке $$ EF$$ газ (отработанная смесь) совершает работу (такт рабочий ход). Процесс опять в первом приближении можно считать адиабатным, а клапаны на протяжении такта закрыты.

Е) Последним процессом будет расширение газа при открытии выпускного клапана (первая часть такта выпуска). Газ выходит лишь частично, давление падает до атмосферного. В действительности процесс сжатия и последующего возрастания давления после сгорания идёт сложнее, да и такт выпуска тоже идёт сложнее (показано пунктирной линией, и соответствует индикаторной диаграмме). Затем повторяются все выше перечисленные процессы.

Эксплуатация тепловых машин сопряжена с рядом факторов:

1. КПД реальных тепловых машин меньше, чем КПД машин, работающих по циклу Карно, но достигает `40%` и более (для дизельных двигателей). Этот коэффициент можно повышать разными способами: добавлением присадок в топливо для более полного сгорания, уменьшением трения в узлах машины, совершенствованием систем охлаждения и зажигания.

2. Тепловые машины являются источниками загрязнения окружающей среды: выхлопные газы (отработанная рабочая смесь) содержат много ядовитых (канцерогенных) веществ и веществ, из которых образуются канцерогены.

3. Однако в значительно большей степени вредоносными для экологии являются не сами тепловые машины, а сопутствующие (обслуживающие) производства: топливная промышленность (добыча, транспортировка, переработка и вновь транспортировка топлива), производство и утилизация ГСМ, сеть Станций Технического Обслуживания, автодорожное строительство и содержании дорог. Каждая из названных категорий представляет собой сложную структуру, агрессивно воздействующую на природную среду.

Далеко не каждый человек осознал значение его простых действий (или бездействий) в развитии биосферы, техносферы и ноосферы.

Урок по физике в 8 классе по теме "КПД тепловых машин"

библиотека
материалов

Содержание слайдов

Номер слайда 1

КПД теплового двигателя

Номер слайда 2

Тепловым двигателем называют машину, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Вся ли тепловая энергия превращается в тепловых двигателях в механическую энергию? Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие КПД (коэффициент полезного действия) двигателя.

Номер слайда 3

Физическая величина, показывающая, какую долю составляет совершаемая двигателем работа от энергии, полученной при сгорании топлива, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя  = (А / Q 1 ) 100%

Номер слайда 4

КПД теплового двигателя  = А п/ Аз  = Qп/ Qз  = Nп/ Nз   ВСЕГДА!  00%  = (А / Q1 ) 100%  = ( Q1-Q2 / Q1 ) 100%

Номер слайда 5

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

Номер слайда 6

Важнейшая техническая задача Повысить КПД тепловых двигателей Уменьшение трения частей двигателя Уменьшение потерь топлива вследствие его неполного сгорания

Номер слайда 7

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200%. Правильно ли решил ученик задачу? Качественные задачи: 2. КПД теплового двигателя 45%. Что означает это число?

Номер слайда 8

1.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 800 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? 2.Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя энергию, равную 1000 Дж, и отдаёт холодильнику энергию 700 Дж. Чему равен КПД теплового двигателя? Задачи(2-реши сам)

Номер слайда 9

1. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 0,23МДж и израсходовал 2кг бензина. Вычислить КПД двигателя. Задачи( 2 – реши сам) 2. Определить КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 18,9 МДж потребовалось 1,5кг топлива с q =42МДж/кг.

Номер слайда 10

Задача для любителей биологии В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70 – 80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт. КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую?

Номер слайда 11

Тепловой двигатель на новом термодинамическом принципе - Энергетика и промышленность России - № 06 (242) март 2014 года - WWW.EPRUSSIA.RU

Газета "Энергетика и промышленность России" | № 06 (242) март 2014 года

Согласно теории Карно, мы обязаны передать часть подведенной в цикл тепловой энергии окружающей среде, и эта часть зависит от перепада температур между горячим и холодным источниками тепла.

Секрет черепахи

Особенностью всех тепловых двигателей, подчиняющихся теории Карно, является использование процесса расширения рабочего тела, позволяющего в цилиндрах поршневых двигателей и в роторах турбин получать механическую работу. Вершиной сегодняшней теплоэнергетики по эффективности преобразования тепла в работу являются парогазовые установки. В них КПД превышает 60 %, при перепадах температур свыше 1000 ºС.

В экспериментальной биологии еще более 50 лет назад установлены удивительные факты, противоречащие устоявшимся представлениям классической термодинамики. Так, КПД мышечной деятельности черепахи достигает эффективности в 75‑80 %. При этом перепад температур в клетке не превышает долей градуса. Причем и в тепловой машине, и в клетке энергия химических связей сначала в реакциях окисления превращается в тепло, а затем тепло превращается в механическую работу. Термодинамика по этому поводу предпочитает молчать. По ее канонам для такого КПД нужны перепады температур, несовместимые с жизнью. В чем же секрет черепахи?

Традиционные процессы

Со времен паровой машины Уатта, первого массового теплового двигателя, до сегодняшнего дня теория тепловых машин и технические решения по их реализации прошли длительный путь эволюции. Это направление породило огромное количество конструктивных разработок и связанных с ними физических процессов, общей задачей которых было преобразование тепловой энергии в механическую работу. Неизменным для всего многообразия тепловых машин было понятие «компенсации за преобразование тепла в работу». Это понятие сегодня воспринимается как абсолютное знание, каждодневно доказываемое всей известной практикой человеческой деятельности. Отметим, что факты известной практики вовсе не являются базой абсолютного знания, а лишь базой знаний данной практики. Для примера – и самолеты не всегда летали.

Общим технологическим недостатком сегодняшних тепловых машин (двигатели внутреннего сгорания, газовые и паровые турбины, ракетные двигатели) является необходимость передачи в окружающую среду большей части тепла, подведенного в цикл тепловой машины. Главным образом, поэтому они имеют низкий КПД и экономичность.

Обратим особое внимание на тот факт, что все перечисленные тепловые машины для преобразования тепла в работу используют процессы расширения рабочего тела. Именно эти процессы позволяют преобразовывать потенциальную энергию тепловой системы в кооперативную кинетическую энергию потоков рабочего тела и далее в механическую энергию движущих деталей тепловых машин (поршней и роторов).

Отметим еще один, пусть тривиальный, факт, что тепловые машины работают в воздушной атмосфере, находящейся под постоянным сжатием сил гравитации. Именно силы гравитации создают давление окружающей среды. Компенсация за преобразование тепла в работу связана с необходимостью производить работу против сил гравитации (или, то же самое, против давления окружающей среды, вызванного силами гравитации). Совокупность двух выше отмеченных фактов и приводит к «ущербности» всех современных тепловых машин, к необходимости передачи окружающей среде части подведенного в цикл тепла.

Природа компенсации

Природа компенсации за преобразование тепла в работу заключается в том, что 1 кг рабочего тела на выходе из тепловой машины имеет больший объем – под воздействием процессов расширения внутри машины, – чем объем на входе в тепловую машину.

А это означает, что, прогоняя через тепловую машину 1 кг рабочего тела, мы расширяем атмосферу на величину, для чего необходимо произвести работу против сил гравитации – работу проталкивания.

На это затрачивается часть механической энергии, полученной в машине. Однако работа по проталкиванию – это только одна часть затрат энергии на компенсацию. Вторая часть затрат связана с тем, что на выхлопе из тепловой машины в атмосферу 1 кг рабочего тела должен иметь то же атмосферное давление, что и на входе в машину, но при большем объеме. А для этого, в соответствии с уравнением газового состояния, он должен иметь и большую температуру, т. е. мы вынуждены передать в тепловой машине килограмму рабочего тела дополнительную внутреннюю энергию. Это вторая составляющая компенсации за преобразование тепла в работу.

Из этих двух составляющих и складывается природа компенсации. Обратим внимание на взаимозависимость двух составляющих компенсации. Чем больше объем рабочего тела на выхлопе из тепловой машины по сравнению с объемом на входе, тем больше не только работа по расширению атмосферы, но и необходимая прибавка внутренней энергии, т. е. нагрев рабочего тела на выхлопе. И наоборот, если за счет регенерации снижать температуру рабочего тела на выхлопе, то в соответствии с уравнением газового состояния будет снижаться и объем рабочего тела, а значит, и работа проталкивания. Если провести глубокую регенерацию и снизить температуру рабочего тела на выхлопе до температуры на входе и тем самым одновременно сравнять объем килограмма рабочего тела на выхлопе до объема на входе, то компенсация за преобразование тепла в работу будет равна нулю.

Но есть принципиально иной способ преобразования тепла в работу, без использования процесса расширения рабочего тела. При этом способе в качестве рабочего тела используется несжимаемая жидкость. Удельный объем рабочего тела в циклическом процессе преобразования тепла в работу остается постоянным. По этой причине не происходит расширения атмосферы и, соответственно, затрат энергии, свойственных тепловым машинам, использующим процессы расширения. Необходимость в компенсации за преобразование тепла в работу отпадает. Это возможно в сильфоне. Подвод тепла к постоянному объему несжимаемой жидкости приводит к резкому увеличению давления. Так, нагрев воды при постоянном объеме на 1 ºС приводит к увеличению давления на пять атмосфер. Этот эффект и используется для изменения формы (у нас сжатия) сильфона и совершения работы.

Сильфонно-поршневой двигатель

Предлагаемый к рассмотрению тепловой двигатель реализует отмеченный выше принципиально иной способ преобразования тепла в работу. Данная установка, исключая передачу большей части подведенного тепла окружающей среде, не нуждается в компенсации за преобразование тепла в работу.

Для реализации этих возможностей предлагается тепловой двигатель, содержащий рабочие цилиндры, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода, имеющего регулирующую арматуру. Она заполнена в качестве рабочего тела кипящей водой (влажным паром со степенью сухости порядка 0,05‑0,1). Внутри рабочих цилиндров расположены сильфонные поршни, внутренняя полость которых объединена с помощью перепускного трубопровода в единый объем. Внутренняя полость сильфонных поршней соединена с атмосферой, что обеспечивает внутри объема сильфонов постоянное атмосферное давление.

Сильфонные поршни соединены ползуном с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим тяговое усилие сильфонных поршней во вращательное движение коленчатого вала.

Рабочие цилиндры расположены в объеме сосуда, заполненного кипящим трансформаторным или турбинным маслом. Кипение масла в сосуде обеспечивается подводом тепла от внешнего источника. Каждый рабочий цилиндр имеет съемный теплоизоляционный кожух, который в нужный момент или охватывает цилиндр, прекращая процесс теплопередачи между кипящим маслом и цилиндром, или освобождает поверхность рабочего цилиндра и при этом обеспечивается передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра.

Кожуха по длине делятся на отдельные цилиндрические секции, состоящие из двух половинок, скорлуп, при сближении охватывающих цилиндр. Особенностью конструкции является расположение рабочих цилиндров по одной оси. Шток обеспечивает механическое взаимодействие сильфонных поршней разных цилиндров.

Сильфонный поршень, выполненный в форме сильфона, одной стороной неподвижно закреплен с трубопроводом, соединяющим внутренние полости сильфонных поршней с разделительной стенкой корпуса рабочих цилиндров. Другая сторона, прикрепленная к ползуну, подвижна и перемещается (сжимается) во внутренней полости рабочего цилиндра под воздействием повышенного давления рабочего тела цилиндра.

Сильфон – тонкостенная гофрированная трубка или камера из стали, латуни, бронзы, растягивающаяся или сжимающаяся (как пружина) в зависимости от разности давлений внутри и снаружи или от внешнего силового воздействия.

Сильфонный поршень, напротив, выполнен из нетеплопроводящего материала. Возможно изготовление поршня и из названных выше материалов, но покрытых нетеплопроводным слоем. Поршень не обладает и пружинными свойствами. Его сжатие происходит только под воздействием перепада давлений по сторонам сильфона, а растяжение – под воздействием штока.

Работа двигателя

Тепловой двигатель работает следующим образом.

Описание рабочего цикла теплового двигателя начнем с ситуации, изображенной на рисунке. Сильфонный поршень первого цилиндра полностью растянут, а сильфонный поршень второго цилиндра полностью сжат. Теплоизоляционные кожуха на цилиндрах плотно прижаты к ним. Арматура на трубопроводе, соединяющем внутренние полости рабочих цилиндров, закрыта. Температура масла в сосуде с маслом, в котором расположены цилиндры, доводится до кипения. Давление кипящего масла в полости сосуда, рабочего тела внутри полостей рабочих цилиндров, равно атмосферному. Давление внутри полостей сильфонных поршней всегда равно атмосферному – так как они соединены с атмосферой.

Состояние рабочего тела цилиндров соответствует точке 1. В этот момент арматура и теплоизоляционный кожух на первом цилиндре открываются. Скорлупы теплоизоляционного кожуха отодвигаются от поверхности обечайки цилиндра 1. В этом состоянии обеспечена теплопередача от кипящего масла в сосуде, в котором расположены цилиндры, к рабочему телу первого цилиндра. Теплоизоляционный кожух на втором цилиндре, напротив, плотно облегает поверхность обечайки цилиндра. Скорлупы теплоизоляционного кожуха прижаты к поверхности обечайки цилиндра 2. Тем самым передача тепла от кипящего масла к рабочему телу цилиндра 2 невозможна. Так как температура кипящего при атмосферном давлении масла (примерно 350 ºС) в полости сосуда, содержащего цилиндры, выше температуры кипящей при атмосферном давлении воды (влажного пара со степенью сухости 0,05‑0,1), находящейся в полости первого цилиндра, то происходит интенсивная передача тепловой энергии от кипящего масла к рабочему телу (кипящей воде) первого цилиндра.

Как осуществляется работа

При работе сильфонно-поршневого двигателя проявляется существенно вредный момент.

Происходит передача тепла из рабочей зоны сильфонной гармошки, где осуществляется преобразование тепла в механическую работу, в нерабочую зону при циклическом перемещении рабочего тела. Это недопустимо, так как подогрев рабочего тела вне рабочей зоны приводит к возникновению перепада давлений и на неработающий сильфон. Тем самым будет возникать вредная сила против производства полезной работы.

Потери от охлаждения рабочего тела в сильфонно-поршневом двигателе не носят столь принципиально неизбежного характера, как потери тепла в теории Карно для циклов с процессами расширения. Потери от охлаждения в сильфонно-поршневом двигателе могут быть снижены до сколь угодно малой величины. Отметим, что в данной работе речь идет о термическом КПД. Внутренний относительный КПД, связанный с трением и другими техническими потерями, остается на уровне сегодняшних двигателей.

Парных рабочих цилиндров в описываемом тепловом двигателе может быть сколько угодно – в зависимости от требуемой мощности и прочих конструктивных условий.

На малых перепадах температур

В окружающей нас природе постоянно существуют различные перепады температур.

Например, перепады температур между различными по высоте слоями воды в морях и океанах, между массами воды и воздуха, перепады температур у термальных источников и т. п. Покажем возможность работы сильфонно-поршневого двигателя на естественных перепадах температур, на возобновляемых источниках энергии. Проведем оценки для климатических условий Арктики.

Холодный слой воды начинается от нижней кромки льда, где его температура равна 0 °С и до температуры плюс 4‑5 °С. В эту область будем отводить то небольшое количество тепла, которое отбирается из перепускного трубопровода, для поддержания постоянного уровня температур рабочего тела в нерабочих зонах цилиндров. Для контура (теплопровода), отводящего тепло, выбираем в качестве теплоносителя бутилен цис-2‑Б (температура кипения – конденсации при атмосферном давлении составляет +3,7 °С) или бутин 1‑Б (температура кипения +8,1 °С). Теплый слой воды в глубине определяем в диапазоне температур 10‑15°С. Сюда опускаем сильфонно-поршневой двигатель. Рабочие цилиндры непосредственно контактируют с морской водой. В качестве рабочего тела цилиндров выбираем вещества, которые имеют температуру кипения при атмосферном давлении ниже температуры теплого слоя. Это необходимо для обеспечения теплопередачи от морской воды к рабочему телу двигателя. В качестве рабочего тела цилиндров можно предложить хлорид бора (температура кипения +12,5 °С), бутадиен 1,2‑Б (температура кипения +10,85 °С), виниловый эфир (температура кипения +12 °С).

Имеется большое количество неорганических и органических веществ, отвечающих этим условиям. Тепловые контура с таким образом подобранными теплоносителями будут работать в режиме тепловой трубы (в режиме кипения), что обеспечит передачу больших тепловых мощностей при малых перепадах температуры. Перепад давления между внешней стороной и внутренней полостью сильфона, помноженный на площадь гармошки сильфона, создает усилие на ползун и порождает мощность двигателя, пропорциональную мощности подведенного тепла к цилиндру.

Если температуру нагрева рабочего тела снизить в десять раз (на 0,1 °С), то перепад давления по сторонам сильфона тоже снизится примерно в десять раз, до 0,5 атмосфер. Если при этом площадь гармошки сильфона также увеличить в десять раз (увеличивая число секций гармошек), то усилие на ползун и развиваемая мощность останутся неизменными при неизменном подводе тепла к цилиндру. Это позволит, во‑первых, использовать очень малые естественные перепады температур и, во вторых, резко снизить вредный разогрев рабочего тела и отвод тепла в окружающую среду, что позволит получить высокий КПД. Хотя здесь стремление к высокому. Оценки показывают, что мощность двигателя на естественных перепадах температур может составить до нескольких десятков киловатт на квадратный метр теплопроводящей поверхности рабочего цилиндра. В рассмотренном цикле нет высоких температур и давлений, что значительно удешевляет установку. Двигатель при работе на естественных перепадах температур не дает вредных выбросов в окружающую среду.

В качестве заключения автор хотел бы сказать следующее. Постулат о «компенсации за преобразование тепла в работу» и непримиримая, далеко выходящая за рамки полемического приличия позиция носителей этих заблуждений связали творческую инженерную мысль, породили туго затянутый узел проблем. Следует отметить, что инженерами уже давно изобретен сильфон и его широко используют в автоматике в качестве силового элемента, преобразующего тепло в работу. Но сложившаяся в термодинамике ситуация не позволяет провести объективное теоретическое и экспериментальное исследование его работы.

Вскрытие природы технологических недостатков современных тепловых машин показало, что «компенсация за преобразование тепла в работу» в ее устоявшемся толковании и те проблемы и негативные последствия, с которыми столкнулся по этой причине современный мир, есть не что иное, как компенсация за неполноту знания.

Неделя литовской культуры-2015

Дни литовской культуры проходят в гимназии с 2003 года, и это стало доброй традицией. За это время реализован не один образовательный проект, гимназия принимала видных деятелей культуры, искусства и литературы Литвы.

Гостями церемонии открытия Недели стали заместитель председателя ассоциации учителей литовского языка в Калининградской области Альгирдас Кормилавичус, фольклорный коллектив «Рутяле» (г. Гурьевск) под руководством Ирены Тирюбы, фольклорный коллектив (художественный руководитель Ирма Куркова) из пос. Переславское «Куполите». Ирена Тирюба рассказала о народных литовских инструментах и особенностях национального костюма.

В рамках реализации гимназического проекта «Неделя литовской культуры» состоялась открытая лекция Б.Н. Адамова для учащихся гимназии. Борис Николаевич Адамов - член правления и один из организаторов Калининградского клуба краеведов, автор книги «Кристионас Донелайтис. Время. Люди. Память». В лекции об известных литовцах Кёнигсберга он особое внимание уделил Людвигу Резе – литовскому поэту, критику, переводчику, профессору и ректору Кёнигсбергского университета.

Тренер баскетбольной команды БФУ им.И. Канта Гедиминас Мелунас провел мастер-класс для баскетбольной команды 5«А» класса. Ребятам были показаны новые техники и приемы игры в баскетбол, которые многому  их научили. Время пролетело очень быстро, но тренер обещал встретиться еще раз.

Учащиеся 10-х классов, слушатели Школы юного дипломата, совершили визит в Генеральное консульство Республики Литва. Это событие стало частью программы Дней литовской культуры в гимназии № 40. Учащихся встречали Генеральный консул господин Витаутас Умбрасас и атташе по культуре господин Романас Сенапедис, которые очень тепло и радушно отнеслись к гостям. На встрече обсуждались такие вопросы, как путь дипломата в профессию. Другой интересующей всех участников темой был вопрос молодежного международного сотрудничества. Учащиеся поделились своим впечатлениями от проектов с литовскими школами и гимназиями. Другим вопросом обсуждения стала деятельность консульства в сфере обмена культур на территории Калининградской области. 

10-я юбилейная Неделя Литовской культуры в гимназии № 40 завершилась 20 февраля 2015 г. Почетными гостями церемонии стали руководитель представительства МИД России в Калининграде Павел Анатольевич Мамонтов, Витаутас УМБРАСАС, министр-советник, исполняющий обязанности генерального консула Литовской Республики, заместитель председателя ассоциации учителей литовского языка в Калининградской области Альгирдас Кормилавичус, руководитель общественной кафедры «Образование и дипломатия» гимназии №40, главный специалист-эксперт Представительства МИД России в Калининграде Юлия Изидоровна Матюшина. Были подведены итоги Недели, награждены участники и победители различных конкурсов. В конкурсе чтецов «По следам  литовских поэтов» среди учащихся 5-11 классов победителями стали Булаев Дмитрий, ученик 6«С» класса, Балесная Мария, ученица 7«Б» класса, Даудова Деши, читавшая стихотворения на литовском языке. В фотоконкурсе «Путешествие по Литве» победителем конкурса стала творческая группа 8«О» класса (Волошина Тамара, Громазина Арина, Рубцова Лариса Владимировна). Дипломы победителям вручали руководитель представительства МИД России в Калининграде Павел Анатольевич Мамонтов и Витаутас Умбрасас, министр-советник, исполняющий обязанности генерального консула Литовской Республики. Ярким украшением Церемонии закрытия стало выступление народного коллектива лицея № 35 «Жюгелис (žiogelis)» (руководитель Альгирдас Кормилавичус) и музыкального коллектива гимназии № 40 «Канцона» (руководитель Н.В. Литвинова).

Список альбомов пуст.


Принципы действия тепловых маших. КПД тепловых машин

Цели урока:

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

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

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

Ход урока

Актуализация знаний учащихся в виде устного фронтального опроса.

В чем состоит 1 закон термодинамики?

В чем смысл 2 закона термодинамики?

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

Какие виды тепловых машин вы знаете?

Что называется коэффициентом полезного действия и что он характеризует?

Объяснение нового материала:

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

 

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

; .

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

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

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

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

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

Закрепление.

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

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

Презентация.

Идеальный тепловой двигатель Карно: пересмотр второго закона термодинамики

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определите цикл Карно.
  • Рассчитайте максимальную теоретическую эффективность ядерного реактора.
  • Объясните, как диссипативные процессы влияют на идеальный двигатель Карно.

Рис. 1. Пьющая птица (источник: Arabesk.nl, Wikimedia Commons)

Новинка, известная как пьющая птица (см. Рис. 1), является примером двигателя Карно.Он содержит хлористый метилен (смешанный с красителем) в брюшной полости, который кипит при очень низкой температуре - около 100 ° F. Чтобы работать, нужно намочить голову птицы. По мере испарения воды жидкость перемещается вверх в голову, отчего птица становится тяжелой и снова погружается в воду. Это охлаждает хлористый метилен в голове, и он движется обратно в брюшную полость, отчего у птицы становится тяжелее дно и она опрокидывается. За исключением очень небольшого расхода энергии - первоначального увлажнения головы - птица становится своего рода вечным двигателем.

Мы знаем из второго закона термодинамики, что тепловой двигатель не может быть на 100% эффективным, поскольку всегда должен быть некоторый теплообмен Q c в окружающую среду, который часто называют отходящим теплом. Насколько эффективна тогда тепловая машина? На этот вопрос теоретически ответил в 1824 году молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832 гг.) В своем исследовании появившейся в то время технологии тепловых двигателей, имеющих решающее значение для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, который теперь называется циклом Карно , который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов.Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и поэтому Карно фактически открыл этот фундаментальный закон. Любой тепловой двигатель, использующий цикл Карно, называется двигателем Карно .

Что критически важно для цикла Карно - и, по сути, определяет его, - так это то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность. Это увеличивает передачу тепла Q c в окружающую среду и снижает КПД двигателя.Очевидно, что обратимые процессы лучше.

Двигатель Карно

С точки зрения обратимых процессов, второй закон термодинамики имеет третью форму:

Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами. Кроме того, все двигатели, в которых используются только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе между одинаковыми заданными температурами.

На рисунке 2 показана диаграмма PV для цикла Карно. Цикл включает два изотермических и два адиабатических процесса. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

Карно также определил эффективность идеального теплового двигателя, то есть двигателя Карно. Всегда верно, что эффективность циклического теплового двигателя определяется как:

[латекс] \ displaystyle {Eff} = \ frac {Q _ {\ text {h}} - Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} = 1- \ frac {Q _ {\ текст {c}}} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]

Карно обнаружил, что для идеального теплового двигателя соотношение [латекс] \ frac {Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] равно отношению абсолютные температуры тепловых резервуаров.То есть [латекс] \ frac {Q _ {\ text {c}}} {Q _ {\ text {h}}} = \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}} } \\ [/ latex] для двигателя Карно, так что максимальная или эффективность Карно Eff C определяется как

[латекс] \ displaystyle {Eff} _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex]

, где T h и T c указаны в градусах Кельвина (или по любой другой шкале абсолютных температур). Никакая настоящая тепловая машина не может работать так хорошо, как КПД Карно - фактический КПД около 0.7 из этого максимума обычно - лучшее, что может быть достигнуто. Но идеальный двигатель Карно, как и пьяная птица наверху, хотя и является увлекательной новинкой, имеет нулевую мощность. Это делает его нереалистичным для любых приложений.

Интересный результат Карно подразумевает, что 100% эффективность будет возможна только в том случае, если T c = 0 K, то есть, только если холодный резервуар находится на абсолютном нуле, что практически и теоретически невозможно. Но физический смысл таков: единственный способ задействовать всю теплопередачу в работе - это удалить из всю тепловую энергию , а для этого требуется холодный резервуар с абсолютным нулем.

Также очевидно, что наибольшая эффективность достигается, когда соотношение [латекс] \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] как можно меньше . Так же, как обсуждалось для цикла Отто в предыдущем разделе, это означает, что эффективность является максимальной для максимально возможной температуры горячего резервуара и минимально возможной температуры холодного резервуара. (Эта установка увеличивает площадь внутри замкнутого контура на диаграмме PV ; также кажется разумным, что чем больше разница температур, тем легче направить теплопередачу на работу.Фактические температуры резервуара теплового двигателя обычно связаны с типом источника тепла и температурой окружающей среды, в которой происходит передача тепла. Рассмотрим следующий пример.

Рис. 2. PV Диаграмма для цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплоотдача Q h происходит в рабочее тело во время изотермического пути AB, который происходит при постоянной температуре T h .Теплообмен Q c происходит из рабочего тела во время изотермического пути CD, который происходит при постоянной температуре T c . Выход сети W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах T h и T c . Любой тепловой двигатель, использующий обратимые процессы и работающий между этими двумя температурами, будет иметь такой же максимальный КПД, что и двигатель Карно.

Пример 1. Максимальный теоретический КПД ядерного реактора

Ядерный энергетический реактор имеет воду под давлением 300ºC. (Более высокие температуры теоретически возможны, но практически невозможны из-за ограничений, связанных с материалами, используемыми в реакторе.) Передача тепла от этой воды - сложный процесс (см. Рисунок 3). Пар, вырабатываемый в парогенераторе, используется для привода турбогенераторов. В конце концов пар конденсируется в воду при 27ºC, а затем снова нагревается, чтобы запустить цикл заново.Рассчитайте максимальный теоретический КПД теплового двигателя, работающего между этими двумя температурами.

Рис. 3. Принципиальная схема ядерного реактора с водой под давлением и паровых турбин, которые преобразуют работу в электрическую энергию. Теплообмен используется для генерации пара, отчасти для предотвращения радиоактивного загрязнения генераторов. Используются две турбины, поскольку это дешевле, чем использование одного генератора, вырабатывающего такое же количество электроэнергии. Перед возвратом в теплообменник пар конденсируется в жидкость, чтобы поддерживать низкое давление пара на выходе и способствовать прохождению пара через турбины (эквивалентно использованию холодного резервуара с более низкой температурой).Значительная энергия, связанная с конденсацией, должна рассеиваться в окружающей среде; в этом примере используется градирня, поэтому прямая передача тепла в водную среду отсутствует. (Обратите внимание, что вода, поступающая в градирню, не контактирует с паром, протекающим по турбинам.)

Стратегия

Поскольку температуры указаны для горячего и холодного резервуаров этой тепловой машины, [латекс] {Eff} _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex] можно использовать для расчета эффективности Карно (максимальной теоретической).Эти температуры необходимо сначала перевести в градусы Кельвина.

Решение

Температуры горячего и холодного резервуаров равны 300 ° C и 27,0 ° C соответственно. Таким образом, в градусах Кельвина T h = 573 K и T c = 300 K, так что максимальная эффективность составляет [латекс] \ displaystyle {Eff} _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Таким образом,

[латекс] \ begin {array} {lll} {Eff} _ {\ text {C}} & = & 1- \ frac {300 \ text {K}} {573 \ text {K}} \\\ text { } & = & 0.476 \ text {или} 47.6 \% \ end {array} \\ [/ latex]

Обсуждение

Фактический КПД типичной атомной электростанции составляет около 35%, что немного лучше, чем в 0,7 раза больше максимально возможного значения, что является данью превосходной инженерии. Электростанции, работающие на угле, нефти и природном газе, имеют более высокий фактический КПД (около 42%), потому что их котлы могут достигать более высоких температур и давлений. Температура холодного резервуара на любой из этих электростанций ограничена местными условиями.На рисунке 4 показан (а) внешний вид атомной электростанции и (б) внешний вид угольной электростанции. Оба имеют градирни, в которые вода из конденсатора попадает в градирню рядом с верхом и разбрызгивается вниз, охлаждаясь за счет испарения.

Рис. 4. (a) Атомная электростанция (предоставлено BlatantWorld.com) и (b) угольная электростанция. Оба имеют градирни, в которых вода испаряется в окружающую среду, что составляет Q c . Ядерный реактор, поставляющий Q h , размещен внутри куполообразных корпусов защитной оболочки.(Источник: Роберт и Михаэла Викол, publicphoto.org)

Поскольку все реальные процессы необратимы, реальный КПД теплового двигателя никогда не может быть таким большим, как КПД двигателя Карно, как показано на рисунке 5a. Даже при наличии самого лучшего теплового двигателя всегда есть процессы рассеивания в периферийном оборудовании, таком как электрические трансформаторы или автомобильные трансмиссии. Это еще больше снижает общий КПД за счет преобразования части выходной мощности двигателя обратно в теплообмен, как показано на рисунке 5b.

Рис. 5. Настоящие тепловые двигатели менее эффективны, чем двигатели Карно. (а) Настоящие двигатели используют необратимые процессы, уменьшающие теплопередачу к работе. Сплошные линии представляют реальный процесс; пунктирные линии - это то, что двигатель Карно будет делать между теми же двумя резервуарами. (б) Трение и другие диссипативные процессы в выходных механизмах теплового двигателя преобразуют часть его работы в теплоотдачу в окружающую среду.

Сводка раздела

  • Цикл Карно - это теоретический цикл, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов.Любой двигатель, использующий цикл Карно, который использует только обратимые процессы (адиабатический и изотермический), известен как двигатель Карно.
  • Любой двигатель, использующий цикл Карно, обладает максимальной теоретической эффективностью.
  • Хотя двигатели Карно являются идеальными двигателями, на самом деле ни один двигатель не достигает теоретической максимальной эффективности Карно, поскольку диссипативные процессы, такие как трение, играют роль. Циклы Карно без потери тепла возможны при абсолютном нуле, но в природе такого никогда не наблюдалось.

Концептуальные вопросы

  1. Подумайте о пьющей птице в начале этого раздела (рис. 1). Хотя птица обладает максимально возможной теоретической эффективностью, если со временем предоставить ее самой себе, она перестанет «пить». Какие диссипативные процессы могут привести к прекращению движения птицы?
  2. Можно ли в тепловых двигателях использовать улучшенные технические средства и материалы для уменьшения передачи тепла в окружающую среду? Могут ли они полностью исключить передачу тепла в окружающую среду?
  3. Меняет ли второй закон термодинамики принцип сохранения энергии?

Задачи и упражнения

1.Определенный бензиновый двигатель имеет КПД 30,0%. Какой была бы температура горячего резервуара для двигателя Карно с таким КПД, если бы он работал с температурой холодного резервуара 200 ° C?

2. Ядерный реактор с газовым охлаждением работает между горячими и холодными пластовыми температурами от 700 ° C до 27,0 ° C. а) Каков максимальный КПД теплового двигателя, работающего между этими температурами? (b) Найдите отношение этого КПД к КПД Карно стандартного ядерного реактора (найденного в Примере 1).

3. (a) Какова температура горячего резервуара двигателя Карно с КПД 42,0% и температурой холодного резервуара 27,0 ° C? (b) Какой должна быть температура горячего резервуара для реального теплового двигателя, который достигает 0,700 от максимального КПД, но все еще имеет КПД 42,0% (и холодный резервуар при 27,0 ° C)? (c) Подразумевает ли ваш ответ практические ограничения эффективности бензиновых двигателей автомобилей?

4. Паровозы имеют КПД 17,0% и работают с температурой горячего пара 425ºC.а) Какой была бы температура холодного резервуара, если бы это был двигатель Карно? (б) Какой была бы максимальная эффективность этой паровой машины, если бы температура в ее холодном резервуаре составляла 150 ° C?

5. В практических паровых машинах используется пар с температурой 450ºC, который позже выпускается при 270ºC. а) Каков максимальный КПД такой тепловой машины? (b) Поскольку пар с 270ºC все еще достаточно горячий, вторая паровая машина иногда работает на выхлопе первой. Каков максимальный КПД второго двигателя, если его выхлоп имеет температуру 150ºC? (c) Каков общий КПД двух двигателей? (d) Покажите, что это такой же КПД, как у одного двигателя Карно, работающего при температуре от 450 ° C до 150 ° C.

6. Угольная электростанция имеет КПД 38%. Температура пара, выходящего из котла, составляет [латекс] \ text {550} \ text {\ textordmasculine} \ text {C} [/ latex]. Какой процент от максимальной эффективности достигает эта станция? (Предположим, что температура окружающей среды [латекс] \ text {20} \ text {\ textordmasculine} \ text {C} [/ latex].)

7. Готовы ли вы финансово поддержать изобретателя, который продает устройство, которое, по ее утверждению, имеет теплоотдачу 25 кДж при 600 К, теплоотдачу в окружающую среду при 300 К и работает 12 кДж? Поясните свой ответ.

8. Необоснованные результаты (a) Предположим, вы хотите разработать паровой двигатель, который имеет теплопередачу в окружающую среду при 270ºC и имеет КПД Карно 0,800. Какой температуры горячего пара нужно использовать? б) Что неразумного в температуре? (c) Какая посылка необоснованна?

9. Необоснованные результаты Рассчитайте температуру холодного резервуара парового двигателя, который использует горячий пар при 450ºC и имеет КПД Карно 0,700. б) Что неразумного в температуре? (c) Какая посылка необоснованна?

Глоссарий

Цикл Карно: циклический процесс, в котором используются только обратимые процессы, адиабатические и изотермические процессы

Двигатель Карно: тепловой двигатель, использующий цикл Карно

КПД Карно: максимальный теоретический КПД для тепловой машины

Избранные решения проблем и упражнения

1.403ºC

3. (а) 244 ° С; (б) 477 ° С; (c) Да, поскольку автомобильные двигатели не могут быть слишком горячими без перегрева, их эффективность ограничена.

5. (a) [латекс] {\ mathit {\ text {Eff}}} _ {\ text {1}} = 1- \ frac {{T} _ {\ text {c, 1}}} {{ T} _ {\ text {h, 1}}} = 1- \ frac {\ text {543 K}} {\ text {723 K}} = 0 \ text {.} \ Text {249} \ text {или } \ text {24} \ text {.} 9 \% \\ [/ latex]

(b) [латекс] {\ mathit {\ text {Eff}}} _ {2} = 1- \ frac {\ text {423 K}} {\ text {543 K}} = 0 \ text {.} \ text {221} \ text {или} \ text {22} \ text {.} 1 \% \\ [/ latex]

(c) [латекс] {\ mathit {\ text {Eff}}} _ {1} = 1- \ frac {{T} _ {\ text {c, 1}}} {{T} _ {\ text {h, 1}}} \ Rightarrow {T} _ {\ text {c, 1}} = {T} _ {\ text {h, 1}} \ left (1, -, {\ mathit {\ text { eff}}} _ {1} \ right) \ text {аналогично} {T} _ {\ text {c, 2}} = {T} _ {\ text {h, 2}} \ left (1- { \ mathit {\ text {Eff}}} _ {2} \ right) \\ [/ latex]

с использованием T h, 2 = T c, 1 в приведенном выше уравнении дает

[латекс] \ begin {array} {l} {T} _ {\ text {c, 2}} = {T} _ {\ text {h, 1}} \ left (1- {Eff} _ {1 } \ right) \ left (1- {Eff} _ {2} \ right) \ Equiv {T} _ {\ text {h, 1}} \ left (1- {Eff} _ {\ text {total}} \ right) \\\ поэтому \ left (1- {Eff} _ {\ text {total}} \ right) = \ left (1 - {\ mathit {\ text {Eff}}} _ {1} \ right) \ left (1- {Eff} _ {2} \ right) \\ {Eff} _ {\ text {total}} = 1- \ left (1-0.249 \ right) \ left (1-0,221 \ right) = 41,5 \% \ end {array} \\ [/ latex]

(d) [латекс] {\ text {Eff}} _ {\ text {total}} = 1- \ frac {\ text {423 K}} {\ text {723 K}} = 0 \ text {.} \ text {415} \ text {или} \ text {41} \ text {.} 5 \\% \\ [/ latex]

7. Передача тепла в холодный резервуар составляет [латекс] {Q} _ {\ text {c}} = {Q} _ {\ text {h}} - W = \ text {25} \ text {кДж} - \ text {12} \ text {kJ} = \ text {13} \ text {kJ} \\ [/ latex], поэтому эффективность равна [latex] \ mathit {Eff} = 1- \ frac {{Q} _ {\ text {c}}} {{Q} _ {\ text {h}}} = 1- \ frac {\ text {13} \ text {кДж}} {\ text {25} \ text {кДж} } = 0 \ текст {.} \ text {48} \\ [/ latex]. Эффективность Карно составляет [латекс] {\ mathit {\ text {Eff}}} _ {\ text {C}} = 1- \ frac {{T} _ {\ text {c}}} {{T} _ { \ text {h}}} = 1- \ frac {\ text {300} \ text {K}} {\ text {600} \ text {K}} = 0 \ text {.} \ text {50} \\ [/латекс]. Фактический КПД составляет 96% от КПД Карно, что намного выше, чем лучший из когда-либо достигнутых, составляющий около 70%, поэтому ее схема, скорее всего, будет мошеннической.

9. (a) -56,3ºC (b) Температура слишком низкая для мощности паровой машины (местная среда). Это ниже точки замерзания воды.(c) Предполагаемая эффективность слишком высока.

КПД и тепловые двигатели

КПД и тепловые двигатели


Тепловые двигатели

Что такое тепловая машина? Это любое устройство, преобразующее тепло в полезную работу. Например, часть химической энергии угля высвобождается при его сжигании на воздухе. Тепло от процесса сгорания можно использовать для нагрева воды в котле и привода турбины. Это, в свою очередь, заставляет генератор производить электричество.

Передача энергии от химической энергии к электричеству не совсем эффективна. Некоторая энергия теряется на каждом этапе, поскольку система теряет отходящее тепло.

На схеме выше:

  • Газы, выходящие из дымовой трубы, горячее, чем воздух, всасываемый системой,
  • Вода для охлаждения конденсатора, сброшенная в реку, горячее, чем речная вода, поступающая в электростанцию,
  • Все компоненты установки нагреваются и выделяют избыточное тепло за счет излучения.

Любой двигатель, преобразующий тепловую энергию в работу, можно представить на схеме ниже. Максимальный объем работы - это тепло, отводимое двигателем. Это разница между произведенным теплом (Q h ) и отходящим теплом (Q c ).

Если бы не было отработанного тепла, работа была бы равна произведенному теплу, а КПД W / Q ч был бы равен 1 или 100%. Максимальный КПД всегда меньше этого из-за второго закона.Разделив обе части приведенного выше уравнения на Q h , получим выражение для максимальной эффективности теплового двигателя: Мы можем связать эффективность с теплотой, производимой в двигателе, T h , и теплом, выделяемым в выхлопе, T c . Поскольку энтропия (Q / T) увеличивается
    Q c / T c > Q h / T h и Q c / Q h > T c / T h

Таким образом, эффективность тепловой машины связана с температурой котла и температурой конденсатора типичной электростанции (или любого другого типа тепловой машины).
Вт / Q ч c / T ч

Типичный КПД тепловых двигателей

Основываясь на приведенном выше уравнении, мы можем рассчитать максимальный КПД типовых электростанций и других тепловых двигателей, если мы знаем температуру двигателя / котла и температуру выделяемого газа или жидкого хладагента.
  1. турбина, работающая на угле, 40%
  2. турбина с атомной энергетикой, 30%
  3. газовая турбина + паровая турбина, 80%
  4. двигатель внутреннего сгорания, 18-20%
Назад Компас Таблицы Индекс Вступление Следующий

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Физика профессора Джорджа Смута 10 Class


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

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

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

Эффективность теплового двигателя определяется как выработка, деленная на затраченную энергию.
Эффективность = (Тренировка) / (Потребляемая энергия) = (Тренировка) / (Тепловая нагрузка)
за счет сохранения энергии, это также
Эффективность = (Вход тепла - Выход тепла) / (Вход энергии) = 1 - (Выход тепла) / (Вход тепла)

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

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

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

Принципиальная схема стандартного теплового двигателя.

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

Принципиальная схема реверсивной тепловой машины, работающей в прямом и реверсивном режимах охлаждения. По сути, так работает домашний тепловой насос.

Реверсивные тепловые двигатели имеют максимальный КПД

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

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

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

КПД реверсивной тепловой машины и термодинамическая шкала температур

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

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

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

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

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

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

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

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

Примечательно то, что термодинамическая шкала точно совпадает со шкалой температур, установленной законом идеального газа. Можно представить себе реверсивный тепловой двигатель, рабочими элементами которого являются идеальный газ и поршневой объем без трения. Цикл Карно детально разработан для идеального газа и выводов. непосредственно к тем же отношениям
КПД = 1 - (На выходе) / (На входе) = 1 - Tc / Th
, где температуры Tc и Th являются температурами, которые используются в законе идеального газа:
PV = N k T

Термодинамика

Термодинамика

Тепло двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую.

работу реверсивной тепловой машины можно описать на фотоэлектрической диаграмма.

КПД реверсивной тепловой машины зависит от температуры, между которыми он работает.

ср опишем тепловую машину такой схемой:

Q ч = Q c + W

КПД тепловой машины описывает, насколько эффективно он превращает тепло в работу.


Сади Карно

Принцип Карно: An необратимая тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами при постоянные температуры не могут иметь КПД выше, чем реверсивного теплового двигателя, работающего между двумя температуры.

Следствие: Все обратимые тепловые двигатели, работающие между одинаковыми температурами, имеют такой же КПД .

Цикл Карно:

Реверсивный "двигатель" Карно использует изотермические и адиабатические процессы между двумя резервуарами тепла при температуры T ч (горячий) и T c (холодный).

A Цикл Карно также может быть представлен на фотоэлектрической диаграмме.


Холодильник - тепловая машина, обкатанная реверс .

Вт + Q с = Q ч


Другая форма Второго закона термодинамики - это что

Невозможно сделать тепловой двигатель, единственный эффект которого заключается в поглощении тепла от высокотемпературной области и превратить все это тепло в Работа.

То есть невозможно на спроектировать тепловой двигатель, который отводит , а не тепло выхлопным газам среда.

Или невозможно спроектировать тепловой двигатель с КПД 1,00 или 100%.

Если бы , мы могли бы спроектировать такой 100% эффективный тепловой двигатель, тогда мы могли бы использовать этот тепловой двигатель для питания холодильника. И чистый результат этой комбинации приведет к тому, что тепло будет течь от холодной температуры к высокой температура.

И , что возвращает нас к нашему исходное положение Второго закона г. Термодинамика:

c) 2002 год, Дуг Дэвис; все права защищены
Термодинамика

- Какова эффективность настоящих тепловых двигателей?

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

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

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

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

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

По моим оценкам, приблизительные температуры 1300K (2000F) находятся в пределах досягаемости лучистого перегревателя.Это означало бы эффективность Карно

.

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

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

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

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

С этими цифрами потенциальный КПД нашей турбины по Карно составит:

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

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

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

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

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

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

5.2: Тепловые двигатели и цикл Карно

Тепловые двигатели

Сади Карно (1796-1832) (Мендоза, 2016), французский физик и инженер, очень интересовался усовершенствованием паровых двигателей для выполнения задач, необходимых современному обществу.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Сади Карно (1796 - 1832)

Чтобы упростить свой анализ внутренней работы двигателя, Карно разработал полезную конструкцию для исследования того, что влияет на эффективность двигателя. Его конструкция - тепловой двигатель . Идея теплового двигателя заключается в том, что он принимает энергию в виде тепла и преобразует ее в эквивалентный объем работы.

К сожалению, такое устройство непрактично. Оказывается, природа препятствует полному преобразованию энергии в работу с идеальной эффективностью.Это приводит к важному утверждению Второго закона термодинамики .

Невозможно преобразовать тепло в эквивалентное количество работы без каких-либо других изменений, происходящих во Вселенной.

Таким образом, более разумным представлением теплового двигателя является такое, которое учитывает потери энергии в окружающую среду.

Доля энергии, подаваемой в двигатель, которая может быть преобразована в работу, определяет эффективность двигателя.

Цикл Карно

Цикл Карно - это теоретический циклический тепловой двигатель, который можно использовать для изучения возможностей двигателя, работа которого заключается в преобразовании тепла в работу. Для простоты, вся энергия, подаваемая в двигатель, происходит изотермически (и обратимо) при температуре \ (T_h \), и вся энергия, теряемая в окружающую среду, также происходит изотермически и обратимо при температуре \ (T_l \). Чтобы обеспечить это, система должна адиабатически переключаться между двумя температурами.

Таким образом, цикл состоит из четырех обратимых ветвей, два из которых изотермические, а два адиабатические.

  1. Изотермическое расширение от p 1 и V 1 до p 2 и V 2 при T h .
  2. Адиабатическое расширение от p 2 , V 2 , T h до p 3 , V 3 , T l .
  3. Изотермическое сжатие от p 3 и V 3 до p 4 и V 4 при T l .
  4. Адиабатическое сжатие от p 4 , V 4 , T l до p 1 , V 1 , T h .

На графике давление-объем цикл Карно выглядит следующим образом:

Поскольку это замкнутый цикл (конечное состояние идентично начальному), любая функция состояния должна иметь нулевое чистое изменение при перемещении системы по циклу. Кроме того, эффективность двигателя может быть выражена чистым объемом работы, которую двигатель производит на единицу тепла, подаваемого для питания двигателя.

\ [\ epsilon = \ dfrac {w_ {net}} {q_h} \]

Чтобы изучить это выражение, полезно записать выражения для тепла и рабочего потока на каждом из четырех этапов цикла двигателя.

Ножка Тепло Рабочий
I q h = -nRT h ln (V 2 / V 1 ) nRT ч ln (V 2 / V 1 )
II 0 C V (T л - T ч )
III q л = -nRT л лн (V 4 / V 3 ) nRT l ln (V 4 / V 3 )
IV 0 C V (T ч - T л )

Общий объем проделанной работы выражается суммой слагаемых в столбце «жажда».Ясно, что условия для двух адиабатических ног сводятся к нулю (поскольку они имеют одинаковую величину, но противоположные знаки). Таким образом, общая проделанная работа равна

.

\ [w_ {tot} = nRT_h \ ln \ left (\ dfrac {V_2} {V_1} \ right) + nRT_l \ ln \ left (\ dfrac {V_4} {V_3} \ right) \]

КПД двигателя можно определить как общую работу, произведенную на единицу энергии, обеспечиваемую высокотемпературным резервуаром.

\ [\ epsilon = \ dfrac {w_ {tot}} {q_h} \]

или

\ [\ epsilon = \ dfrac {nRT_h \ ln \ left (\ dfrac {V_2} {V_1} \ right) + nRT_l \ ln \ left (\ dfrac {V_4} {V_3} \ right)} {nRT_h \ ln \ слева (\ dfrac {V_2} {V_1} \ right)} \ label {eff1} \]

В этом выражении много переменных, но оказывается, что его можно значительно упростить.{C_V / R} \]

Так как вторые члены являются взаимными, первые члены также должны быть взаимными!

\ [\ dfrac {V_2} {V_2} = \ dfrac {V_1} {V_4} \]

Простая перестановка показывает, что

\ [\ dfrac {V_2} {V_1} = \ dfrac {V_3} {V_4} \]

Это очень удобно! Это то, что позволяет упростить выражение эффективности (Уравнение \ ref {eff1}) становится

\ [\ epsilon = \ dfrac {\ cancel {nR} T_h \ cancel {\ ln \ left (\ dfrac {V_2} {V_1} \ right)} + \ cancel {nR} T_l \ cancel {\ ln \ left ( \ dfrac {V_2} {V_1} \ right)}} {\ cancel {nR} T_h \ cancel {\ ln \ left (\ dfrac {V_2} {V_1} \ right)}} \]

Удаление членов в числителе и знаменателе дает

\ [\ epsilon = \ dfrac {T_g-T_l} {T_h} \ label {eff2} \]

Это выражение дает максимальный КПД и зависит только от высоких и низких температур!

Также следует отметить, что тепловая машина может работать в обратном направлении.Обеспечивая работу двигателя, он может вытягивать тепло из низкотемпературного резервуара и рассеивать его в высокотемпературном резервуаре. Так работает холодильник или тепловой насос. Предельный КПД такого устройства также можно рассчитать, используя температуры резервуаров горячей банки и холодной воды.

Пример \ (\ PageIndex {1} \):

Какова максимальная эффективность морозильной камеры для хранения мороженого при температуре -10 o ° C, при которой она работает в помещении с температурой 25 o ° C? Какое минимальное количество энергии необходимо для удаления 1.0 Дж из морозилки и рассыпать по комнате?

Решение :

КПД определяется уравнением \ ref {eff2}, и если перевести температуры в абсолютную шкалу, КПД можно рассчитать как

\ [\ epsilon = \ dfrac {298 \, K - 263 \, K} {298 \, K} \]

Это значение можно использовать следующим образом

\ [энергия_ {передано} = \ epsilon (работа_ {требуется}) \]

Так

\ [1,0 \, J = 0,1174 (ширина) \]

или

\ [w = 8.5 \, J \]

Интересно отметить, что любой произвольный замкнутый циклический процесс можно описать как сумму бесконечно малых циклов Карно, и поэтому все выводы, сделанные для цикла Карно, применимы к любому циклическому процессу.

Авторы

  • Патрик Э. Флеминг (Департамент химии и биохимии; Калифорнийский государственный университет, Ист-Бэй)

Тепловые двигатели и эффективность - стенограмма видео и урока

КПД теплового двигателя

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

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

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

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

Пример расчета

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

Резюме урока

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

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

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

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

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

Результаты обучения

Когда вы закончите, вы сможете:

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *