Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

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

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

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

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

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

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

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

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

Основная и дополнительная литература по теме урока:

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

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

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

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

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания

Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

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

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

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

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

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

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

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

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

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

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

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

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

Примеры и разбор решения заданий

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

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м³, s = 100 км = 10⁵ м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м³, q = 46 × 10⁶ Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q₁.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

КПД теплового двигателя | 8 класс

Содержание

В данном разделе вы уже познакомились с устройством и принципом работы двух видов теплового двигателя: двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Используя эти механизмы, мы совершаем какую-то работу. Очевидно, что работа будет совершаться за счет энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Но большая часть этой энергии теряется в окружающей среде. То есть эта часть энергии не используется полезно.

Следовательно, и работу таких механизмов тогда нужно рассчитывать специальным образом. Для этого в физике разделяют работу на полную и полезную, вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД) механизма. На данном уроке мы познакомимся с этими величинами и рассмотрим решение задач с использованием КПД.

Полезная работа теплового двигателя

Для того чтобы судить о полезной работе теплового двигателя, обратимся еще раз к его устройству. Если рассматривать его принцип работы, то устройство любого теплового двигателя можно представить в виде простой схемы (рисунок 1).

Рисунок 1. Устройство теплового двигателя

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Рабочим телом является газ или пар. Например, в паровой турбине — это пар, в газовой — газ, в двигателе внутреннего сгорания — смесь паров бензина и воздуха.

Этот газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя. Под нагревателем подразумевается не какое-то специальное механическое устройство, как можно подумать. Нагреватель в схеме теплового двигателя — это горящее топливо.

Газ нагревается и расширяется. Так он совершает работу $A_п$, используя свою внутреннюю энергию.

Но важно понимать, что часть этой внутренней энергии $Q_2$ не совершает какую-то полезную для нас работу. Она передается вместе с отработанным паром или выхлопными газами атмосфере — холодильнику. 

В качестве холодильника может использоваться резервуар с водой. Отработавший пар будет в таком случае приносить дополнительную пользу — нагревать воду для ее дальнейшего использования. Но этот процесс уже требует отдельного рассмотрения.  

{"questions":[{"content":"Из каких частей состоит тепловой двигатель?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["холодильник","нагреватель","рабочее тело","поршень","цилиндр","отработанный газ"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Итак, нас интересует именно та часть энергии топлива, выделяемая при его сгорании, которая превращается в полезную работу. От величины этой части энергии зависит экономичность двигателя.

Для этой характеристики мы вводим новое понятие — коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.

КПД теплового двигателя также как и КПД простейших механизмов, изученных вами в прошлом курсе, обозначается греческой буквой “эта” — $\eta$ и выражается в процентах.

Формула для расчета КПД теплового двигателя имеет следующий вид:

$\eta = \frac{A_п}{Q_1}$,

или

$\eta = \frac{Q_1 — Q_2}{Q_1} \cdot 100 \%$,

где $A_п$ — полезная работа,
$Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя,
$Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику,
$Q_1 — Q_2 = A_п$ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

Например, при сгорании топлива выделяется определенное количество энергии. Одна пятая этой энергии пошла на совершение полезной работы. Это означает, что КПД двигателя равен $\frac{1}{5}$ или $20 \%$.

{"questions":[{"content":"Одна четвертая часть энергии, которая выделилась при сгорании топлива, пошла на совершение работы. Чему равен КПД этой тепловой машины?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$\\frac{1}{4}$","$25 \\%$","$\\frac{1}{4} \\%$","$40 \\%$"],"explanations":["","Чтобы преобразовать дробь в проценты, нужно разделить числить на знаменатель и умножить на 100 %.","",""],"answer":[0,1]}}}]}

Средние значения КПД различных тепловых двигателей

В таблице 1 представлены средние значения КПД некоторых двигателей.

Двигатель	КПД, %
Паровой двигатель	8
Двигатель внутреннего сгорания	18 — 40
Газовая турбина	25 — 30
Паровая турбина	40
Дизельный двигатель	40 — 44
Реактивный двигатель на жидком топливе	47

Таблица 1. 7 \space Дж} = 0.25$.

Или в процентах: $\eta = 25 \%$.

Ответ: $\eta = 25 \%$.

Физика Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Материалы к уроку

• 43. Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей.doc

  48.5 KBСкачать

• 43. Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей.ppt

  22.22 MBСкачать

Конспект урока

Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика – это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии топлива. Запасы топлива в недрах Земли и океанах можно считать практически неограниченными. Для того чтобы использовать его внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу. Устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем. Именно двигатели приводят в движение станки на фабриках и заводах, транспортные средства, комбайны и другие машины, вращают роторы генераторов электрического тока. Основная часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели. 

Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.   

Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три основные части: нагреватель, рабочее тело и холодильник. На схеме мы видим, что нагреватель передает рабочему телу двигателя какое-то количество теплоты Q1(кю) часть её идет на выполнение работы двигателем, другая часть Q2 передается холодильнику. 

В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию, следовательно, необходимо иметь систему, за счет внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твердые тела, поэтому в качестве рабочего тела используют газ или пар. В паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания – газ, состоящий из смеси бензина и воздуха.

Поскольку работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела, то для её увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторой температуры Т1. Для этого в состав двигателя входит нагреватель.

В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. В паровой турбине нагреватель — это самостоятельное устройство – паровой котел. В нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера, в паровой турбине – специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара  конденсаторы. Конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее, чем атмосфера.

Следовательно, только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, превращается в полезную работу.    Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячего нагревателя к более холодному холодильнику.

Так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю, то часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу.    Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна разности количества теплоты, полученное от нагревателя, и количества теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия или сокращенно КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то их коэффициент полезного действия всегда меньше единицы.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При одинаковой температуре нагревателя и холодильника двигатель не может работать.

Французский ученый Сади Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году, решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей, предложил модель идеального теплового двигателя. Рабочим телом в нем служит идеальный газ. Энергетически наиболее выгодными являются адиабатный и изотермический процессы, происходящие с идеальным газом. В них вся полученная газом энергия превращается в работу. 

На рисунке мы видим график зависимости давления от объема в идеальном тепловом двигателе Карно, называемый циклом Карно. Участок графика 1-2 соответствует изотермическому расширению газа. При этом оно получает от нагревателя, температура которого Т1, количество теплоты Q1. Участок графика 2-3 соответствует адиабатному расширению рабочего тела, при этом оно охлаждается до температуры Т2, равной температуре холодильника. Затем газ изотермически сжимается на участке 3-4 при температуре Т2. При этом холодильнику передается количество теплоты Q2. И, наконец, на участке 4-1, рабочее тело адиабатно сжимается, его температура при этом повышается до температуры нагревателя Т1.   

Карно получил, что для идеального теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению разницы между температурами нагревателя и холодильника к температуре нагревателя или единица минус отношение температуры холодильника к температуре нагревателя. Из этой формулы следует, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя всегда меньше единицы, даже если устранены все потери энергии. Это связано с тем, что некоторое количество теплоты всегда передается холодильнику.

Формула, полученная Карно показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, коэффициент полезного действия равен 1.

Совершенствуя двигатели, их КПД стремятся приблизить к коэффициенту полезного действия идеального двигателя Карно, работающего при тех же температурах нагревателя и холодильника. А он тем больше, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Поэтому для повышения КПД теплового двигателя стремятся повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника. Сложность заключается в том, что повышение температуры нагревателя ограничивается свойствами применяемых в конструкции двигателей материалов.  Однако любое вещество обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. При нагревании оно постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Кроме того, материалы должны обладать высокой механической прочностью и выдерживать высокие давления, не разрушаясь.

Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. 

Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

формула, чему равен термический, кратко и понятно




Содержание:

• 
  Что такое КПД 
  • 
    Понятие максимального значения

• 
  Как устроен тепловой двигатель
  • 
    Идеальный тепловой двигатель Карно

• 
  Расчет коэффициента полезного действия
• 
  Построение графика КПД теплового двигателя
• 
  Пример решения задачи




Содержание

• 
  Что такое КПД 
  • 
    Понятие максимального значения

• 
  Как устроен тепловой двигатель
  • 
    Идеальный тепловой двигатель Карно

• 
  Расчет коэффициента полезного действия
• 
  Построение графика КПД теплового двигателя
• 
  Пример решения задачи





Что такое КПД 

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

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

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

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

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

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

Понятие максимального значения

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

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

Как устроен тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

• рабочего тела;
• нагревателя;
• холодильника.

В основе работы двигателя лежит циклический процесс.

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

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

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

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно разработал французский физик С. Карно. 

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

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

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

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

Функционирует двигатель Карно следующим образом:

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

Примечание


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

Расчет коэффициента полезного действия

Формула для расчета КПД теплового двигателя:

\(ɳ=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\)

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

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

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

Где T₁ — температура нагревателя; T₂ — температура холодильника.

Примечание


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

Построение графика КПД теплового двигателя

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

Для построения такого графика необходимо:

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

Для цикла Карно график будет выглядеть следующим образом:

Пример решения задачи

Задача № 1


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

Решение:

Применим формулу измерения КПД для идеального теплового двигателя: 

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

T₁ = 1000

T₂ = 500

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

\(Elzrtln_k=0,5\)

Ответ: КПД = 0,5




Насколько полезной была для вас статья?

Рейтинг: 5.00 (Голосов: 1)

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»

Поиск по содержимому

Задачи на КПД теплового двигателя с решениями

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

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

Задачи по физике на КПД теплового двигателя

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1

Условие 

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

Решение

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

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

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

Подставляем значения и вычисляем:

Ответ: 27%

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2

Условие

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

Решение

Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:

Теперь можно рассчитать КПД:

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

Ответ: 30%.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3

Условие

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

Решение

КПД идеальной тепловой машины:

По условию:

Вычислим сначала работу, а затем КПД:

Ответ: 20%; 1,26 Дж.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4

Условие

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

Решение

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

Аналогично:

Получим результат:

Ответ: См. выше.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5

Условие

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

Решение

Запишем формулу для КПД:

Отсюда:

Ответ: 18%

Вопросы на тему тепловые двигатели

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

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

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

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

• ракетный двигатель;
• авиационный двигатель;
• газовая турбина.

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

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

КПД реальных двигателей редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое КПД?

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

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?

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

Задачи и вопросы на цикл Карно

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

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

Задача на цикл Карно №1

Условие

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

Решение

Рассчитаем КПД цикла: 

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

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

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Условие

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

Решение

Формула для КПД цикла Карно:

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

Ответ: 17%.

Задача на цикл Карно №3

Условие

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Решение

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

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

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

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

Вопрос на цикл Карно №2

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

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

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

КПД теплового двигателя — обозначение, формула и значения

Большинство двигателей, используемых в современном обществе, являются тепловыми. К ним относятся паровые электрогенераторы, автомобили, грузовики, паровозы, холодильники, кондиционеры и тепловые насосы. Конечно, их общей мощности не хватит, чтобы заставить Землю вращаться, но они участвуют практически во всем, что происходит на планете. Поэтому каждый современный образованный человек должен знать, как они работают, что такое КПД теплового двигателя и его формулу.

Содержание

• Понятие теплового двигателя
• Устройства внешнего и внутреннего сгорания
• Анализ теплового цикла
• КПД тепловой машины
• Причины неэффективности
• Реальные КПД у современных машин

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Модификации тепловых машин:

• Паровая машина;
• машина Стирлинга;
• двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
• газовая турбина;
• паровая турбина;
• авиационные реактивные двигатели.

Устройства внешнего и внутреннего сгорания

По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.

Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.

В устройствах внутреннего сгорания топливо горит внутри его камеры. Например, в автомобильном двигателе устроено от четырех до шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин сгорает, выделяя тепловую энергию. Цилиндры «работают» попеременно, чтобы обеспечить стабильную мощность двигателя, приводящего в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

• Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
• Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
• Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
• Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.

Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

КПД тепловой машины

Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.

Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.

Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η» — это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.

КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:

• η — эффективность работы теплового двигателя или КПД;
• T h — температура горячего источника;
• T c -температура холодного источника.

Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax

Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.

Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

Причины неэффективности

Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:

• Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
• Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
• Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

Реальные КПД у современных машин

На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

• В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
• Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
• Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
• Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
• Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
• Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.

Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным КПД тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

Предыдущая

ФизикаСиловые линии электрического поля — характеристика, свойства и направление

Следующая

ФизикаИсточники электрического тока — таблица по видам

Тепловой двигатель – Эффективность – Определение, классификация, формула и диаграмма PV

Транспортные средства широко используются для перемещения из одного места в другое. В настоящее время каждая семья может иметь хотя бы двухколесный транспорт. Вы только представьте, как движутся машины? Какая энергия используется в нем? Какой процесс произошел? Тепловая машина — единственный ответ на все эти вопросы.

Что такое тепловая машина?

Тепловая машина – это устройство, используемое для преобразования тепловой энергии в механическую работу, полезную для людей. Для проведения процедуры используется простой аппарат. Тепловая машина имеет несколько преимуществ наряду с некоторыми ограничениями.

Классификация тепловых двигателей

У нас есть пять различных типов тепловых двигателей. Среди пяти известных и широко используемых тепловых двигателей есть два типа. Характеристика произошла на основе принципа, который используется для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Итак, типы тепловых двигателей следующие:

• Двигатель Стирлинга.

Какова функция теплового двигателя?

Основной функцией любой тепловой машины является преобразование доступной тепловой энергии в полезную механическую работу. Он проходит различные процедуры, чтобы преобразовать то же самое.

Определение эффективности тепловой машины

Как правило, мы знаем, что эффективность — это способность. Однако здесь эффективность тепловой машины представляет собой отношение разницы между горячим источником и стоком к температуре горячего источника. Его также можно назвать тепловым КПД тепловой машины. Максимальный КПД тепловой машины возможен при наибольшей разнице между горячим и холодным резервуарами. Эффективность не имеет единиц.

Тепловой КПД может варьироваться от одной тепловой машины к другой тепловой машине. Чтобы лучше понять это, давайте возьмем надежные тепловые двигатели и их КПД. КПД различных тепловых двигателей таков:

Эффективность сохранения тепловой энергии океана составляет всего 3%.

Автомобильные бензиновые двигатели имеют КПД почти 25%.

Точно так же угольные электростанции имеют КПД 49%.

Эффективность газовой турбины с комбинированным циклом составляет около 60%.

КПД тепловой машины Формула

Поскольку КПД тепловой машины представляет собой долю тепла и полученной полезной работы, ее можно выразить с помощью формулы и символа. Формула эффективности тепловой энергии равна,

η = \[\frac{W}{Q_{H}}\]

Где,

η = тепловой КПД.

Вт = Получена полезная работа.

Q _H   =  Заданное количество тепловой энергии.

Это известно как формула теплового двигателя.

Согласно второму закону термодинамики невозможно получить 100-процентный тепловой КПД. Он всегда колеблется между 30% и 60% тепловой эффективности из-за изменений окружающей среды и других факторов. Мы также можем считать выполненную работу разностью между первоначально поглощенным количеством теплоты и выделенным теплом. Это может быть выражено как

(η) = \[\frac{\left [ Q_{1} -Q_{2}\right ]}{Q_{1}}\]

Концепция теплового двигателя была впервые введена и открыта французским физиком Карно в 1824 году. Двигатель Карно — идеальная тепловая машина. Поскольку это самый эффективный тепловой двигатель, его КПД составляет \[\frac{\left [T_{1}-T_{2} \right]}{T_{1}}\]. Его можно измерить для каждого цикла Карно.

Из формулы и диаграммы мы можем понять, что КПД идеальной тепловой машины также зависит от разницы между горячим и холодным резервуарами.

Диаграмма PV

Это диаграмма давление-объем, которая помогает изучать и анализировать эффективность тепловой машины. Он действует как инструмент визуализации для тепловой машины. Поскольку мы знаем, что рабочим веществом будет любой газ, диаграмма PV объясняет визуальные эффекты тепловой машины с учетом закона идеального газа. Несмотря на то, что температура может постоянно меняться, диаграмма PV помогает объяснить три элемента состояния переменных. Он также использует первый закон термодинамики для объяснения изменений тепловых двигателей.

(изображение будет загружено в ближайшее время)

(изображение будет загружено в ближайшее время)

Если мы посмотрим на рисунок, мы сможем понять, что это диаграмма PV одного циклического процесса тепловой машины. Он появился как замкнутый цикл. Площадь внутри цикла представляет объем работы, которую мы проделали в процессе, и объем полезной работы, которую мы получили. Диаграмма давление-объем является полезным и выгодным инструментом визуализации для изучения и анализа тепловой машины.

Вывод

Следовательно, тепловой двигатель представляет собой систему преобразования тепловой энергии в механическую работу. КПД тепловой машины – это отношение разницы между горячим источником и стоком к температуре горячего источника. КПД тепловой машины зависит от разницы между горячим резервуаром и холодным резервуаром. Мы привели формулу для определения КПД тепловой машины. Кроме того, мы не можем получить 100% КПД ни одной тепловой машины.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Для преобразования теплоты в работу необходимо как минимум два места
с разными температурами. Если вы возьмете в Q _{максимум} в
температура T _{высокая} необходимо сбросить как минимум Q _низкая при
температура T _низкая . Объем работы, которую вы получаете от
тепловой двигатель W = Q _{высокий} — Q _низкий . Максимальный объем работы, который вы можете получить от
тепловая машина это сумма которую вы получите
из реверсивного двигателя.

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

W является положительным, если T _high больше T _low .

КПД тепловой машины
отношение полученной работы к затраченной тепловой энергии
температура, e = W/Q _{высокий} . Максимально возможное
КПД е _макс такого двигателя

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

---

Паровые двигатели

Паровой двигатель — разновидность теплового двигателя. Он забирает тепло от
горячий пар, преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает
отдохнуть на более холодном окружающем воздухе. Максимальная доля тепла
которые можно превратить в работу, можно найти, используя законы
термодинамики, и она увеличивается с разницей температур между
горячий пар и окружающий воздух. Чем горячее пар и
чем холоднее воздух, тем эффективнее паровая машина при преобразовании
тепло в работу.

В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри
цилиндр. В котле вырабатывается горячий пар высокого давления.
этот пар поступает в цилиндр через клапан. Однажды внутри
цилиндр, пар выталкивается наружу на каждую поверхность, включая
поршень. Поршень движется. Пар совершает механическую работу над
поршень, а поршень совершает механическую работу над присоединенными механизмами
к этому. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии
это оборудование, так что пар становится холоднее, когда оборудование работает.

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

Ссылка: Паровоз (Youtube)

Проблема:

Максимум
возможный КПД паровой машины, принимающей теплоту при 100 ^o С
и сброс его при комнатной температуре примерно 20 ^o C?

Решение:

• Обоснование:
  Максимальный КПД любой тепловой машины равен КПД двигателя Карно. e _макс = (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .
• Детали расчета:
  100 ^o C = 373 K и 20
  ^o С = 293 К. 
  максимально возможная эффективность
  (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий}
  =  (373 —
  293)/373 = 0,21 = 21%.

---

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха.
Наиболее распространенным типом является четырехтактный двигатель. Поршень скользит в
и из цилиндра. Два или более клапана позволяют топливу и
воздух для входа в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух
сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад
внутри цилиндра изменяется объем, который могут занимать газы
коренным образом.

Процесс преобразования теплоты в работу начинается, когда поршень
вытащили из цилиндра, расширив замкнутое пространство и позволив
топливо и воздух поступают в это пространство через клапан. Это движение
называется тактом впуска или тактом впуска . Далее топливо и
воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в
цилиндр. Это называется сжатием .
ход . В конце такта сжатия при
топливно-воздушная смесь сжата максимально плотно, свеча зажигания
в запаянном конце цилиндра срабатывает и воспламеняет смесь.
Горячее горящее топливо имеет огромное давление и толкает поршень.
из цилиндра. это рабочий ход — это то, что обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования.
Наконец, сгоревший газ выдавливается из цилиндра через другой
клапан в такте выпуска .
Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний
двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там
всегда хотя бы один цилиндр проходит рабочий такт, и это
может нести другие цилиндры через нерабочие такты.
максимальный КПД такого двигателя е _max = (T _{зажигание}
— Т _воздух )/Т _{зажигание} где Т _{зажигание}
— температура топливно-воздушной смеси после воспламенения. К
максимизировать эффективность использования топлива, вы должны создать максимально горячую
топливно-воздушной смеси после зажигания. Самая высокая эффективность, которая
было достигнуто примерно 50% e _max .

Ссылка: ДВС
двигатель (Ютуб)

Проблема:

Тепловая машина поглощает 360 Дж тепловой энергии и совершает 25 Дж работы в
каждый цикл. Найти
(а) КПД двигателя и
(b) тепловая энергия, выделяемая в каждом цикле.

Решение:

• Обоснование:
  Количество работы, которую вы получаете от тепловой машины, равно W = Q _{максимум} — Q _{минимум} .
  
  КПД e = W/Q _high .
• Детали расчета:
  Q _{высокий} = 360 Дж. W = 25 Дж. Q _низкий
  = Q _{высокий} — Ш = 335
  J.
  (a) Эффективность e = W/Q _high = 6,9%.
  (b) Излучаемая тепловая энергия Q _низкая
  = 335 Дж.

Тепловая эффективность | Определение, примеры и расчет

Идеальная тепловая машина — это воображаемая машина, в которой энергия, извлекаемая в виде тепла из высокотемпературного резервуара, полностью преобразуется в работу. Но согласно Заявление Кельвина-Планка , такой двигатель нарушил бы второй закон термодинамики, потому что в процессе преобразования должны быть потери. Полезная теплота, подводимая к системе, должна быть больше, чем полезная работа, совершаемая системой.

«Невозможно сконструировать устройство, которое работает по циклу и не производит никакого другого эффекта, кроме производства работы и передачи тепла от одного тела».

Формула теплового КПД

В результате этого утверждения мы определяем тепловой КПД , η _th , любой тепловой машины как отношение работы, которую она совершает, Вт , к подводимой теплоте при высокой температуре, Q _{H .}

Термическая эффективность , η _TH , представляет фракцию HEAT , Q _H 505092, , , , , , , , , , , , , . Это безразмерная мера производительности тепловой машины, использующей тепловую энергию, такой как паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания или холодильник. Для холодильных или тепловых насосов тепловой КПД указывает степень, в которой энергия, добавленная в результате работы, преобразуется в чистую выходную тепловую мощность. Поскольку это безразмерное число, мы всегда должны выражать W, Q _H и Q _C в одних и тех же единицах.

Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q _H должна равняться выполненной работе, Вт, плюс теплота, которая должна быть рассеяна как сбросное тепло Q _C в окружающую среду. Следовательно, мы можем переписать формулу для теплового КПД следующим образом:

Чтобы получить КПД в процентах, мы умножаем предыдущую формулу на 100. Обратите внимание, что η _th может быть 100% только в том случае, если сбросное тепло Q _C равно нулю.

В целом КПД даже лучших тепловых машин довольно низкий. Короче говоря, очень трудно преобразовать тепловую энергию в механическую. Тепловой КПД обычно ниже 50% , а часто и намного ниже. Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветра или гидроэнергетики (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями). Преобразования энергии между тепловой и механической энергией не происходит.

Причины неэффективности

Как уже говорилось, эффективность может варьироваться от 0 до 1. Каждая тепловая машина так или иначе неэффективна. Эту неэффективность можно объяснить тремя причинами.

• Необратимость процессов . Существует общий теоретический верхний предел эффективности преобразования тепла в работу в любой тепловой машине. Этот верхний предел называется эффективностью Карно . Согласно принципу Карно , ни один двигатель не может быть более эффективным, чем обратимый двигатель ( Тепловая машина Карно ), работающая между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами. Например, когда в горячем резервуаре Т _{горячая} равна 400°С (673К) и Т _{холодная} составляет около 20°С (293К), максимальный (идеальный) КПД будет: = 1 – Т _{холодный} / Т _{горячий} = 1 – 293/673 = 56%. Но все реальные термодинамические процессы так или иначе необратимы . Они не выполняются бесконечно медленно. Следовательно, тепловые двигатели должны иметь более низкий КПД, чем пределы их эффективности, из-за присущей им необратимости цикла теплового двигателя, который они используют.
• Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах или реальных тепловых двигателях неэффективность общего цикла частично связана с потерями отдельных компонентов. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение , потери тепла и потери в процессе сгорания вызывают дополнительные потери эффективности.
• Неэффективность конструкции . Наконец, последний и важный источник неэффективности — это идет на компромисс с , сделанным инженерами при проектировании теплового двигателя (например, электростанции). Они должны учитывать стоимость и другие факторы при проектировании и эксплуатации цикла. В качестве примера рассмотрим конструкцию конденсатора на тепловых электростанциях. В идеальном случае пар, выпускаемый в конденсатор, не должен иметь переохлаждения . Но настоящие конденсаторы предназначены для переохлаждения жидкости на несколько градусов Цельсия, чтобы избежать кавитации на всасывании в конденсатных насосах. Но это переохлаждение увеличивает неэффективность цикла, поскольку для повторного нагрева воды требуется больше энергии.

Тепловой КПД и второй закон

Второй закон термодинамики может быть выражен множеством конкретных способов. Каждое утверждение выражает один и тот же закон. Ниже перечислены три, которые часто встречаются.

• Заявление Клаузиуса
• Заявление Кельвина-Планка
• Энтропия и второй закон

Перед этими утверждениями мы должны напомнить работу французского инженера и физика, Николя Леонара Сади Карно . Они продвинули изучение второго закона, сформулировав принцип (также называемый правилом Карно ), определяющий пределы максимальной эффективности, которую может получить любая тепловая машина.

Принцип Карно

В 1824 году французский инженер и физик Николя Леонар Сади Карно продвинулся в изучении второго закона, сформулировав принцип (также называемый правилом Карно ), определяющий пределы максимальной эффективности любая тепловая машина можно получить. Короче говоря, этот принцип гласит, что эффективность термодинамического цикла зависит исключительно от разницы температур горячего и холодного резервуаров.

Принцип Карно гласит:

1. Ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( Тепловая машина Карно ), работающий между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами.
2. КПД всех реверсивных двигателей ( Тепловые двигатели Карно ), работающих между одними и теми же резервуарами с постоянной температурой, одинаковы, независимо от используемого рабочего вещества или деталей операции.

Эффективность карно

Формула для этой максимальной эффективности:

, где:

• — эффективность цикла Карнота, I.E., IS atio 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 900 91919191 гг. H работы, совершаемой двигателем на тепловую энергию, поступающую в систему из горячего резервуара.
• T _C — абсолютная температура (в Кельвинах) холодного резервуара,
• T _H — абсолютная температура (в Кельвинах) горячего резервуара.

Название спойлера

В современной угольной электростанции температура пара высокого давления (T _{горячего} ) будет около 400°C (673K), а T _{холодного} , охлаждение температура воды в башне будет около 20°C (293K). Для данного типа силовой установки максимальный (идеальный) КПД составит:

= 1 – T _{холодный} /T _{горячий} = 1 – 293/673 = 56%

Надо добавить, и это идеализированный КПД . Эффективность Карно справедлива для обратимых процессов. Эти процессы не могут быть реализованы в реальных циклах электростанций. Эффективность Карно диктует, что более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Эта особенность справедлива и для реальных термодинамических циклов. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения ставят верхние пределы таких давлений. Докритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при критическом давлении (т. е. ниже 22,1 МПа), могут достигать КПД 36–40%. Сверхкритические конструкции, работающие при сверхкритическом давлении (т. е. выше 22,1 МПа), имеют КПД около 43%. Наиболее эффективные и сложные угольные электростанции работают при «сверхкритическом» давлении (т. е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый повторный нагрев для достижения КПД около 48%.

См. также: Сверхкритический реактор

Тепловой КПД тепловых двигателей

В целом КПД даже самых лучших тепловых двигателей довольно низок. Короче говоря, очень сложно преобразовать тепловую энергию в механическую . Тепловой КПД обычно ниже 50%, а часто и намного ниже. Такаиси, Тацуо; Нумата, Акира; Накано, Рёдзи; Сакагути, Кацухико (март 2008 г.). «Подход к высокоэффективным дизельным и газовым двигателям» (PDF). Технический обзор Mitsubishi Heavy Industries. 45 (1). Проверено 4 февраля 2011 г. .

Легко получить тепловую энергию, совершая работу, например, в любом процессе трения. А вот получить работу от тепловой энергии сложнее. Он тесно связан с концепцией энтропии , которая количественно определяет энергию вещества, которое более недоступно для выполнения полезной работы. Например, электричество особенно полезно, поскольку оно имеет очень низкую энтропию (высокоупорядочено) и может быть преобразовано в другие формы энергии очень эффективно . Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветра или гидроэнергетики (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями). Преобразования энергии между тепловой и механической энергией не происходит.

Тепловой КПД различных тепловых двигателей, разработанных или используемых в настоящее время, имеет большой диапазон:

Например:

Транспорт

• В середине двадцатого века типичный паровоз имел тепловой КПД около 6% . Это означает, что на каждые 100 МДж сожженного угля производилось 6 МДж механической энергии.
• Типичный бензиновый автомобильный двигатель работает с тепловым КПД примерно от 25% до 30% . Около 70—75% отбрасывается в виде сбросного тепла, не превращаясь в полезную работу, т. е. работу, переданную колесам.
• Типовой дизельный автомобильный двигатель работает при от 30% до 35% . В общем, двигатели, использующие дизельный цикл, обычно более эффективны.
• В 2014 году были введены новые правила для автомобилей Формулы-1 . Эти правила автоспорта подтолкнули команды к разработке высокоэффективных силовых агрегатов. По данным Mercedes, их силовой агрегат теперь достигает более чем на 45 % и близкого к 50 % теплового КПД, т. е. 45 – 50 % потенциальной энергии топлива доставляется на колеса.
• Дизельный двигатель имеет самый высокий тепловой КПД среди всех существующих двигателей внутреннего сгорания. Тихоходные дизели (используемый на кораблях) может иметь тепловой КПД, превышающий 50% . Самый большой дизельный двигатель в мире достигает 51,7%.

Энергетика

• Преобразование тепловой энергии океана (ПТЭО). OTEC — это сложная тепловая машина, которая использует разницу температур между более прохладными глубинными и более теплыми поверхностными водами для запуска турбины низкого давления. Так как разница температур низкая , около 20°C, его тепловая эффективность также очень низкая, около 3% .
• В современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около одной трети (33%), поэтому 3000 МВт тепловой энергии от реакции деления необходимо для выработки 1000 МВтэ электроэнергии. Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% не так уж и много. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо гораздо проще, чем получать энергию из ядерного топлива.
• Докритические электростанции на ископаемом топливе, работающие под критическим давлением (т. е. ниже 22,1 МПа), могут достигать КПД 36–40%.
• Сверхкритические  водяные реакторы считаются многообещающим достижением для атомных электростанций из-за их высокого теплового КПД (~45 % по сравнению с ~33 % для существующих легководных реакторов).
• Сверхкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие при сверхкритическом давлении (т. е. выше 22,1 МПа), имеют КПД около 43% . Наиболее эффективные и сложные угольные электростанции работают при «сверхкритическом» давлении (т. е. около 30 МПа) и используют многоступенчатый промежуточный нагрев для достижения КПД примерно 48% .
• Современные Газотурбинные установки с комбинированным циклом (ПГУ), в которых термодинамический цикл состоит из двух циклов электростанции (например, цикл Брайтона и цикл Ренкина), можно достичь теплового КПД около 55% , в отличие от однотактной паровой электростанции, КПД которой ограничен примерно 35-45%.

Иногда можно найти сравнения между двигателями внутреннего сгорания и электродвигателями или обычными электростанциями и солнечными электростанциями. В этих случаях часто сравнивают несопоставимые характеристики. Конечно, электромобили имеют КПД около 70%, но в данном случае мы не говорим о тепловом КПД, потому что электродвигатель не является тепловым двигателем.

В электромобилях энергия претерпевает следующие преобразования: из накопленной химической энергии 9от 0092 до электрическая энергия и от электрическая энергия до механическая энергия . Но в этом случае большая часть его запасенной химической энергии была произведена другим тепловым двигателем (например, угольной электростанцией), и вы должны включить его.

В бензиновых автомобилях энергия претерпевает следующие преобразования: из запасенной химической энергии в тепловую энергию и из тепловой энергии в механическую энергию . Автомобильные двигатели — это тепловые двигатели, которые могут потреблять первичные источники энергии.

Тепловой КПД цикла Брайтона

Предположим, что идеальный цикл Брайтона описывает работу постоянного давления тепловой машины . Современные газотурбинные двигатели и воздушно-реактивные двигатели также следуют циклу Брайтона. Этот цикл состоит из четырех термодинамических процессов:

1. Идеальный цикл Брайтона состоит из четырех термодинамических процессов. Два изоэнтропических процесса и два изобарических процесса.

   Изэнтропическое сжатие – в компрессор всасывается окружающий воздух, сжатый (1 → 2). Работа, необходимая для компрессора, определяется как Вт _C = H ₂ – H ₁ .

2. Изобарический подвод тепла – затем сжатый воздух проходит через камеру сгорания, сжигая топливо и нагревая воздух или другую среду (2 → 3). Это процесс с постоянным давлением, поскольку камера открыта для входа и выхода. Добавленное чистое тепло равно Q _add = H ₃ – H ₂
3. Isentropic expansion – the heated, pressurized air then expands on a turbine, gives up its energy. Работа, выполненная турбиной, дана W _T = H ₄ — H ₃
4. ISOBAR. закрыть цикл. Чистое отброшенное тепло равно Q _RE = H ₄ — H ₁

. Как можно увидеть, мы можем описать и вычислять (. для цикла Ренкина ) с использованием энтальпий.

Для расчета теплового КПД цикла Брайтона (один компрессор и одна турбина) инженеры используют первый закон термодинамики с точки зрения энтальпии, а не внутренней энергии.

Первый закон для энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении член Vdp представляет собой работу потока. Эта работа, Vdp , используется для открытых проточных систем , таких как турбина или насос , в которых имеется «dp» , т. е. изменение давления. В контрольной громкости изменений нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии .

There are expressions in terms of more familiar variables such as temperature and pressure:

dH = C _p dT + V(1-αT)dp

Where C _p — теплоемкость при постоянном давлении и α — (кубический) коэффициент теплового расширения. Для ideal gas αT = 1 and therefore:

dH = C _p dT

At constant pressure , the enthalpy change equals the energy transferred from the environment through heating:

Isobaric process (Vdp = 0):

dH = dQ     →     Q = H ₂ – H ₁   →   H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

При постоянной энтропии , т. 0092 done on or by the system:

Isentropic process (dQ = 0):

dH = Vdp     →     W = H ₂ – H ₁     →     H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ ) Идеальный цикл Брайтона состоит из четырех термодинамических процессов. Два изоэнтропических процесса и два изобарических процесса.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или конкретную переменную путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе чаще, чем саму энтальпию. Тепловой КПД такого простого цикла Брайтона для идеального газа и в терминах удельных энтальпий теперь можно выразить в терминах температур:

Тепловой КПД цикла Ренкина

Цикл Ренкина – термодинамика как наука о преобразовании энергии

Цикл Ренкина точно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, которые обычно используются на большинстве тепловых электростанций . Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ или ядерное деление .

АЭС (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция за одним исключением. Источником тепла на атомной электростанции является ядерный реактор . Как это обычно бывает на всех обычных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электроэнергию.

Обычно на большинстве атомных электростанций работают многоступенчатые конденсационные паровые турбины . В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (пар, близкий к насыщенному – х = 0,995 – точка С на рисунке; ​​ 6 МПа ; 275,6°С) из парогенератора и отводит его в влагоотделитель-подогреватель. (точка Д). Во избежание повреждения лопаток паровой турбины паром низкого качества пар должен быть подогрет повторно. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется на ступень низкого давления паровой турбины, где он расширяется (точки E-F). Отработанный пар затем конденсируется в конденсаторе. Давление значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа ) и находится в частично сконденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровые турбины, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловую машину, на которую распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) эта тепловая машина имела бы КПД Карно

= 1 – T _{холодного} /T _{горячего} = 1 – 315/549= 42,6%

где температура горячего резервуара 275,6°С (548,7К), температура холодного резервуара 41,5°С (314,7К). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы как-то необратимы. Они не выполняются бесконечно медленно. В реальных устройствах (турбинах, насосах и компрессорах) механическое трение и потери тепла вызывают дополнительные потери эффективности.

Для расчета теплового КПД простейших Цикл Ренкина (без повторного нагрева), инженеры используют первый закон термодинамики в терминах энтальпии , а не в терминах внутренней энергии.

Первый закон для энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении член Vdp представляет собой работу потока. Эта работа,   Vdp , используется для открытых проточных систем , таких как турбина или насос , в котором есть «dp» , т. е. изменение давления. В контрольной громкости изменений нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии . При постоянном давлении изменение энтальпии равно энергии переданной из окружающей среды при нагревании:

Изобарический процесс (Vdp = 0):

0049 2 — H ₁

При постоянной энтропии , т.е. в Isentropic Process, Entalpy Change Equals Процессный процесс , выполненные на OR OR. Процесс (DQ = 0):

DH = VDP → W = H ₂ — H ₁

Это очевидно, и он будет очень полезен в анализе. термодинамические циклы, используемые в энергетике, т. е. в циклах Брайтона и Ренкина.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или конкретную переменную путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе чаще, чем саму энтальпию. Он указан в паровых таблицах вместе с удельным объемом и удельной внутренней энергией. Тепловой КПД такого простого цикла Ренкина и выраженный в удельных энтальпиях, будет:

Это очень простое уравнение, и для определения термического КПД можно использовать данные из паровые столы .

На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВтэ электроэнергии необходимо 3000 МВт тепловой энергии реакции деления. Причина кроется в относительно низкой температуре пара ( 6 МПа ; 275,6°С). Более высокая эффективность может быть достигнута за счет повышения температуры пара. Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов. Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел таких давлений. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% не так уж и много. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо гораздо проще, чем получать энергию из ядерного топлива. Субкритические электростанции на ископаемом топливе, работающие под критическое давление (т. е. ниже 22,1 МПа) может обеспечить эффективность 36–40%.

Формула тепловой эффективности | Расчет

В результате этого утверждения мы определяем тепловой КПД , η _th , любой тепловой машины как отношение работы, которую она совершает, Вт к работе, которую она совершает, тепловложение при высокой температуре, Q _H . Тогда формула теплового КПД будет следующей:

The Термическая эффективность , η _TH , представляет фракцию HEAT , Q _H , Coundatted , Q _H , Countertited , Q _H , Countertited , Q _H .

воздушный стандартный цикл Отто  тепловой КПД является функцией степени сжатия  и κ = c _p /c _9004.

Термическая эффективность на Дизельный цикл :

Термический КПД цикла Брайтона в пересчете на коэффициент сжатия компрессора (PR = p ₂ /p ₁ ), который является обычно используемым параметром:

83

Тепловой КПД простого цикла Ренкина и выраженный в удельных энтальпиях будет:

0050 , представляет долю тепла , Q _H , преобразованного в работу . Это безразмерная мера производительности тепловой машины, использующей тепловую энергию, такой как паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания или холодильник. Для холодильных или тепловых насосов тепловой КПД указывает степень, в которой энергия, добавленная в результате работы, преобразуется в чистую выходную тепловую мощность. Поскольку это безразмерное число, мы всегда должны выражать W, Q _H и Q _C в одних и тех же единицах.

Поскольку энергия сохраняется в соответствии с первым законом термодинамики и энергия не может быть полностью преобразована в работу, подводимая теплота Q _H должна равняться выполненной работе, Вт, плюс теплота, которая должна быть рассеяна как сбросное тепло Q _C в окружающую среду. Следовательно, мы можем переписать формулу для теплового КПД следующим образом:

Чтобы получить КПД в процентах, мы умножаем предыдущую формулу на 100. Обратите внимание, что η _th может быть 100% только в том случае, если сбросное тепло Q _C равно нулю.

В целом КПД даже лучших тепловых машин довольно низкий. Короче говоря, очень трудно преобразовать тепловую энергию в механическую. Тепловой КПД обычно ниже 50% , а часто и намного ниже. Будьте осторожны, сравнивая его с эффективностью ветра или гидроэнергетики (ветряные турбины не являются тепловыми двигателями). Нет преобразования энергии между тепловой и механической энергией.[/lgc_column]

 

Эффективность Карно

В 1824 году французский инженер и физик Николя Леонар Сади Карно продвинулся в изучении второго закона, сформулировав принцип (также называемый правилом максимума Карно ), определяющий пределы эффективности любая тепловая машина может получить. Короче говоря, этот принцип гласит, что эффективность термодинамического цикла зависит исключительно от разницы температур горячего и холодного резервуаров.

Принцип Карно гласит:

1. Ни один двигатель не может быть более эффективным, чем реверсивный двигатель ( Тепловая машина Карно ), работающий между одними и теми же высокотемпературными и низкотемпературными резервуарами.
2. КПД всех реверсивных двигателей ( Тепловые двигатели Карно ), работающих между одними и теми же резервуарами с постоянной температурой, одинаков, независимо от используемого рабочего вещества или особенностей работы.

Carnot Efficiency

The formula for this maximum efficiency is:

where:

• is the efficiency of the Carnot cycle, i.e., it is the ratio = W/Q _H работы, совершаемой двигателем, к тепловой энергии, поступающей в систему из горячего резервуара.
• T _C – абсолютная температура (в Кельвинах) холодного резервуара,
• T _H – абсолютная температура (в Кельвинах) горячего резервуара.

Формула цикла Брайтона

Идеальный цикл Брайтона состоит из четырех термодинамических процессов. Два изоэнтропических процесса и два изобарических процесса.

Термический КПД простого цикла Брайтона для идеального газа и с точки зрения удельных энтальпий может быть выражен через температуры:

Термический КПД цикла Ренкина

Цикл Ренкина близко описывает процессы в паровых тепловых машинах обычно встречается на большинстве тепловых электростанций.

Термический КПД простого цикла Ренкина в единицах удельной энтальпии составляет:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД можно использовать данные из паровых таблиц .

 

Ссылки:

Ядерная и реакторная физика:

1. Дж. Р. Ламарш, Введение в теорию ядерных реакторов, 2-е изд., Addison-Wesley, Reading, MA (1983).
2. Дж. Р. Ламарш, А. Дж. Баратта, Введение в ядерную технику, 3-е изд., Prentice-Hall, 2001, ISBN: 0-201-82498-1.
3. WM Стейси, Физика ядерных реакторов, John Wiley & Sons, 2001, ISBN: 0-471-39127-1.
4. Гласстоун, Сесонске. Разработка ядерных реакторов: разработка реакторных систем, Springer; 4-е издание, 1994 г., ISBN: 978-0412985317
5. WSC. Уильямс. Ядерная физика и физика элементарных частиц. Кларендон Пресс; 1 издание, 1991 г., ISBN: 978-0198520467
6. Кеннет С. Крейн. Введение в ядерную физику, 3-е издание, Wiley, 1987, ISBN: 978-0471805533
7. Г. Р. Кипин. Физика ядерной кинетики. Паб Эддисон-Уэсли. Ко; 1-е издание, 1965
8. Роберт Рид Берн, Введение в работу ядерных реакторов, 1988.
9. Министерство энергетики, ядерной физики и теории реакторов США. DOE Fundamentals Handbook, Volume 1 and 2. January 1993.

Advanced Reactor Physics:

1. К. 0-894-48033-2.
2. К. О. Отт, Р. Дж. Нойхольд, Введение в динамику ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1985, ISBN: 0-894-48029-4.
3. Д. Л. Хетрик, Динамика ядерных реакторов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48453-2.
4. Э. Э. Льюис, В. Ф. Миллер, Вычислительные методы переноса нейтронов, Американское ядерное общество, 1993, ISBN: 0-894-48452-4.

См. выше:

Тепловая эффективность

сообщите об этом объявлении

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

---

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

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

Первым крупным шагом к механизации общества стало изобретение паровой машины Джеймсом Уаттом в 1765/1769 гг. С годами в паровой двигатель вносились усовершенствования и модификации, и он стал главной силой промышленной революции.
По мере того, как паровой двигатель становился все более надежным и сильным, возник интерес к тому, чтобы сделать его более эффективным. Основным фактором стоимости является топливная экономичность, и это потребовало значительных усилий инженеров.

Эффективность тепловой машины определяется как работа, деленная на энергию. = (Тепло на входе — Тепло на выходе) / (Энергия на входе) = 1 — (Тепло на выходе) / (Тепло на входе)

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 машин. В лучших традициях французской картезианской школы (последователи/почитатели Рене Декарта) Карно начал с простого предположения и вывел выводы, применимые практически ко всем двигателям.

Предположение Карно: Теплота не может быть поглощена при определенной температуре и преобразована 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, соединяясь с одним из первоначальных составляющих атомов или молекул и подвергаясь ряду реакций, пока не образуется желаемое соединение, и катализатор не высвобождается в своей первоначальной форме, чтобы начать свое действие заново.
пыль.

Принципиальная схема стандартной тепловой машины.

Карно задумался о том, каким будет абсолютный максимальный КПД тепловой машины.
Нужно рассмотреть идеализированную тепловую машину.
Нам нужно сделать то, что сделал Галилей, когда он думал о движении без трения, начиная с понимания движения.
Идеализированная тепловая машина работает обратимо и не имеет внутреннего трения и неэффективности, кроме фундаментальных. Под обратимостью мы подразумеваем, что в системе (включая двигатель, две тепловые ванны и рабочую энергию) нет изменений, которые нельзя было бы обратить вспять с помощью лишь бесконечно малого изменения. При движении без трения тело, совершающее очень слабое движение в одном направлении, может изменить свое направление на противоположное при приложении очень малого импульса. Идеальная обратимая тепловая машина может изменить направление работы с очень незначительными изменениями.

Принципиальная схема реверсивной тепловой машины, работающей в прямом и реверсивном — рефрижераторном — режиме. По сути, так работает домашний тепловой насос.

Реверсивные тепловые двигатели с максимальным КПД

Это доказывается, если предположить, что существует сверхтепловая машина с большим КПД, и показать, что это противоречит предположению Карно.
Рассмотрим случай, когда и обратимая тепловая машина, и сверхтепловая машина удаляют из горячего резервуара одинаковое количество тепловой энергии. Если обратимая тепловая машина производит работу W и отдает тепло Qc = Q — W в более холодный резервуар, то сверхтепловая машина производит работу Ws = W+DW — дополнительную работу при той же подводимой теплоте, поскольку она более эффективна, — и тепло Q = Q — W — DW в холодный резервуар. Обратите внимание, что супертепловой двигатель отдает меньше тепла в холодный резервуар, потому что его более высокий КПД превращает больше исходного тепла в дополнительную работу. Теперь, если мы запустим реверсивную тепловую машину в обратном направлении, беря W работы W+DW от сверхтепловой машины, чтобы работать, забирая Qc из холодного резервуара и помещая Q в горячий. Совместная работа двух двигателей не приводит к изменению горячего резервуара, поскольку один забирает Q, а другой возвращает Q. Тепловая энергия отбирается из холодного резервуара, поскольку обратимая тепловая машина забирает немного больше, чем сверхтепловая машина. вставляется, и это проявляется как дополнительная работа. Это взятие тепла из одного резервуара и превращение его в работу без каких-либо других изменений противоречит предположению Карно. Таким образом, чтобы оставаться последовательным:
Никакая тепловая машина не может иметь больший КПД, чем обратимая тепловая машина.

Все реверсивные тепловые двигатели имеют одинаковую эффективность при работе между двумя резервуарами с одинаковой температурой.



Это доказывается показом того, что есть противоречие, если их нет. Мы установили 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 в обратном направлении (как холодильник), используя часть работы более эффективного двигателя, которую менее эффективный двигатель произвел бы при движении вперед. В этот момент чистый тепловой поток из горячего резервуара равен нулю, а разница в работе между двумя двигателями возникает за счет чистого тепла, удаляемого из холодного теплового резервуара. Это противоречит предположению Карно. Таким образом, чтобы оставаться последовательным:
Все реверсивные тепловые машины, работающие между двумя резервуарами с одной и той же температурой, имеют одинаковый КПД.
Это означает, что независимо от того, как устроен обратимый тепловой двигатель или какое рабочее тело, его эффективность такая же, как и у всех других тепловых двигателей, работающих при тех же двух температурах.

Эффективность обратимой тепловой машины и термодинамическая шкала температур

Теперь мы можем пройтись по набору аргументов, показывающих, что можно
вывести зависимость между КПД обратимых тепловых машин, работающих между тремя резервуарами с разной температурой.
Рассмотрим случай, когда мы соединяем три тепловые машины так, чтобы одна из них направлялась непосредственно от резервуара с самой высокой температурой T1 к резервуару с самой низкой температурой T3. Вторая тепловая машина подключена между самым горячим (Т1) и среднетемпературным (Т2) тепловым резервуаром. Третья тепловая машина подключена между резервуаром средней (T2) температуры и резервуаром самой низкой температуры (T3). КПД двух работающих в тандеме должен быть равен КПД первого двигателя. В противном случае можно было бы устроить так, чтобы какая-либо из цепей имела наивысший КПД (большая часть работы для заданного тепла, поступающего из самого горячего (T1) температурного резервуара, направляется вперед для производства работы, а часть этой работы используется для запуска другой цепи назад для получения работы). тепло в самый горячий резервуар.

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

Таким образом, система с двумя обратимыми тепловыми двигателями, работающая между тремя резервуарами, будет иметь такой же КПД, как и одиночная обратимая тепловая машина, работающая между самым горячим и самым холодным резервуарами.
Если первая и вторая машины берут из самого горячего резервуара одинаковое количество теплоты Q1, то обратимая система с двумя тепловыми двигателями преобразует одну и ту же долю теплоты в работу W13 = W12 + W23 и отдает одну и ту же теплоту Q3 до самой низкой температуры ( T1) тепловой резервуар.

Теперь мы можем использовать это и закон сохранения энергии, чтобы определить, сколько тепла выделяется и отводится из теплового резервуара средней температуры. Тогда мы сможем получить соотношение между КПД тепловых двигателей, работающих при различных температурах.

Рассмотрим, что произойдет, если мы запустим третью обратимую тепловую машину в обратном направлении. Первая обратимая тепловая машина, работающая вперед, плюс третья обратимая тепловая машина, работающая назад, должны быть эквивалентны второй, работающей вперед.
Работа W13 первой тепловой машины за вычетом работы, необходимой для запуска третьей тепловой машины в обратном направлении, должна равняться работе второй тепловой машины. В сочетании с сохранением энергии:
З13 — З32 = (В1 — В3) — (В2 — В3) = В1 — В2 = В12

Теперь у нас есть отношение, чтобы связать тепло, поглощенное при T1, с теплотой, переданной при T2, путем нахождения теплоты, переданной при третьей температуре T3. В примере, который мы только что рассмотрели, если одна обратимая тепловая машина поглощает тепло Q1 при температуре T1 и отдает тепло Q3 при температуре T3, то обратимая тепловая машина, поглощающая тепло Q2 при температуре T2, отдает такое же количество теплоты Q3 до температуры T3.
Мы находим эти соотношения для полного ряда температур —
тепло Qi, поглощаемое при температуре Ti, отдает столько же Q3 при температуре T3.
Нам нужно было определить только одну температуру в качестве стандартной температуры.
и мы можем соотнести теплоту, извлекаемую обратимой тепловой машиной, при любой другой температуре.

Если обратимая тепловая машина поглощает количество теплоты Q при температуре T, то она отдает количество Qs при нашей стандартной температуре Ts. Сумма, которую он доставляет, определяется его эффективностью Карно.

Эффективность = 1 — (Тепло на выходе) / (Тепло на входе) = 1 — Qs / Q
или
Qs = (1 — Эффективность) Q
или, поскольку мы относим нашу эффективность к стандартной температуре Ts, эффективность может зависеть только от температура T. А для фиксированного подвода тепла в резервуар при нашей стандартной температуре Ts
тепло, отводимое при температуре T, зависит только от этой температуры:

Q = Qs /(1-Эффективность) = Qs F(T)

Теперь у нас есть все необходимое для определения температурной шкалы.
Если резервуар горячее, то тепло, извлекаемое реверсивным двигателем, будет больше для фиксированного количества тепла, доведенного до нашей стандартной температуры. Таким образом, F(T) и эффективность являются возрастающими функциями температуры пласта.
Лорд Кельвин (Уильям Томсон, 1824–1907) предложил использовать это соотношение для определения новой температурной шкалы, основанной на таком термодинамическом определении, что F(T) = T / Ts, так что
Q = Qs T / Ts или Q/T = Qs/Ts

Деление на Ts приводит к тому, что теплота, отводимая от Ts, соответствует теплоте, возвращенной в Ts, поскольку предположение Карно состоит в том, что мы не можем отобрать теплоту из бани с одной температурой и получить работу без каких-либо других изменений.
Мы находим, что для всех обратимых тепловых двигателей имеет место соотношение
что эффективность равна единице минус отношение термодинамической температуры холодного резервуара (Tc) и термодинамической температуры горячего резервуара (Th)
Эффективность = 1 — Tc/Th

и
Q1/T1 = Q2/T2 = Q3/T3 = константа = S.
Q = S T

Эта константа S называется энтропией. Энтропия постоянна для обратимого процесса, но не для необратимого. Энтропия имеет тенденцию к увеличению в необратимых процессах.

Замечательно то, что термодинамическая шкала точно совпадает со шкалой температур, заданной законом идеального газа.
Можно представить себе обратимую тепловую машину, рабочими органами которой являются идеальный газ и объем поршня без трения.
Цикл Карно подробно разработан для идеального газа и приводит
непосредственно к тому же самому отношению

Эффективность = 1 — (Нагрев) / (Нагрев) = 1 — Tc / Th

где температуры Tc и Th — это температуры, используемые в законе идеального газа:
PV = N k T

Эффективность Карно

Эффективность Карно

+ Посетите сайт NASA.gov

 

Вернуться на страницу ADR
Другие ссылки

Что такое эффективность? Повседневное использование и жаргон физиков

В повседневной жизни мы иногда используем слово «эффективный» в значении «мощный». Например, кто-то, кто сказал «этот кондиционер очень эффективен», может иметь в виду, что кондиционер очень эффективен и может быстро охладить комнату. Однако физики используют другое определение эффективности.

Когда физики используют слово «эффективность», они имеют в виду «сколько полезной работы вы получаете в результате процесса по сравнению с тем, сколько энергии вы вкладываете». Поскольку физики измеряют работу и энергию в одних и тех же единицах, они рассчитывают эффективность как полезную работу, деленную на полученную энергию. Поскольку мощность — это просто энергия в единицу времени, вы также можете найти эффективность, разделив полезную выходную мощность на потребляемую мощность. .

Например, если электродвигатель, обеспечивающий мощность 25 Вт, потребляет 100 Вт электроэнергии, то его КПД составляет 25%.

Есть ли предел эффективности?

К сожалению, существуют пределы эффективности двигателя. Существует простая формула максимально возможного КПД паровых и других тепловых двигателей. Тепловой двигатель — это двигатель, который, подобно паровому двигателю, всасывает горячее вещество, использует его для выполнения работы, а затем выпускает вещество в виде низкотемпературных выхлопных газов. Паровой двигатель, например, всасывает горячий пар и использует расширение пара, чтобы толкать поршень. При расширении пар охлаждается. Затем паровая машина выпускает охлажденный пар в виде выхлопных газов.

Формула:
КПД = 1 — Tc/Th, где Tc – температура холодного конца цикла, а Th – температура горячего конца.
То есть эффективность равна единице минус холодная температура, деленная на горячую температуру.
Для паровой машины горячей температурой будет температура входящего пара, а холодной температурой будет температура «холодного» выхлопа пара.

Какие температурные шкалы можно использовать в этой формуле?

Чтобы эта формула работала, вы не можете использовать привычные температурные шкалы Фаренгейта или Цельсия (по Цельсию). Вы должны использовать шкалу, ноль которой является абсолютным нулем, самой низкой температурой, которая может существовать. Обсуждение абсолютной температуры см. на странице температурных шкал в разделе «Введение в криогенику».

Почему это называется «эффективностью Карно»

Этот предел эффективности назван в честь французского инженера Сади Карно (1796-1832). В начале 19 века, когда работал Карно, паровая машина была авангардом техники. Однако, несмотря на важность паровой машины, основные физические принципы, описывающие ее работу, не были разработаны. Именно Карно разработал многие идеи, которые мы используем сегодня для изучения поведения двигателей.

Например, Карно понял, что:

• Тот факт, что пар, поступающий в двигатель, имеет более высокую температуру, чем выходит из двигателя, является важной частью работы двигателя. При охлаждении пар отдает тепловую энергию, которая преобразуется двигателем в работу.
• Чем больше охлаждается пар, тем больше работы он может выполнить. Сегодня это кажется нам почти самоочевидным, потому что мы понимаем, что теплопередача — это форма потока энергии.
• Хотя пар является удобным веществом для запуска двигателя, вместо него можно использовать другие вещества. Я лично видел крошечный двигатель, работающий на воздухе (который, как и пар, расширяется при нагревании и сжимается при охлаждении). Его источником энергии является тепло от монитора компьютера. Он сидит на верхней части монитора, вращая маленькое колесо. Возможно, это не очень практично в качестве основного вклада в экономику, но это показывает, что Карно был прав в отношении других веществ, помимо пара, которые можно использовать в двигателях.
• Независимо от того, какое вещество используется в двигателе — пар, воздух, что угодно — действуют одни и те же пределы эффективности.

За годы, прошедшие с тех пор, как Карно работал, его выводы были расширены и обобщены, что в конечном итоге привело к появлению таких концепций, как энтропия и второй закон термодинамики. К сожалению, у меня нет времени обсуждать все это, даже если бы у меня были знания на кончиках пальцев.

Ссылки:


• Вернуться на страницу ДОПОГ
• Домашняя страница криогеники и жидкостей
• Карта сайта
• Книги по криогенике
• Введение в криогенику
• Как с нами связаться

Куратор: Марк О. Posted inДвигатель Copyright 2021 Негосударственное частное образовательное учреждение Учебный технический Центр «Светофор». Все права защищены