Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. 10-й класс

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип
действия теплового двигателя.

Задачи урока:

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

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

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

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

Ход урока

1. Оргмомент

2. Организация внимания учащихся

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

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

3. Актуализация опорных знаний

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

Фронтальный опрос:

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

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

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

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

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

4. Изучение нового материала

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

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

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

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

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

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

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q₁ – количество теплоты
полученное от нагревания Q₁>Q₂

Q₂ – количество теплоты отданное
холодильнику Q ₂<Q ₁

A^{/ =} Q ₁– |Q ₂| – работа
совершаемая двигателем за цикл ? < 1.

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T₁ – температура нагревания.

Т₂ – температура холодильника.

1. – не зависит
   от Q, р, V топлива.
2. – является
   функцией только двух температур.

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

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

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

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

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

(Показ видеофрагментов работы
турбореактивного двигателя.)

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

Работа четырехтактного ДВС.

1 такт: впуск.

2 такт: сжатие.

3 такт: рабочий ход.

4 такт: выпуск.

• Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2
клапана(впуск и выпуск), свеча.

• Мертвые точки – крайнее положение поршня.

Сравним эксплуатационные характеристики
тепловых двигателей.

КПД:

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

Тепловые двигатели и охрана
окружающей среды (Слайд 13)

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

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

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

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

Альтернативные двигатели:

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

Пути решения экологических проблем:

1. Использование альтернативного
   топлива.

2. Использование альтернативных
   двигателей.

3. Оздоровление окружающей среды.

4. Воспитание экологической культуры.
   (Слайд 16)

5.

Закрепление материала

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

6. Подведение итогов урока

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

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:

§ 82 (Мякишев Г.Я.),
упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)

8. Рефлексия

Прежде чем покинуть класс просьба
заполнить таблицу.

Спасибо за работу.

На этом наш урок окончен.

Литература:

1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учеб. Для
   общеобразоват. Учреждений: базовый и профил.
   уровни/18-е изд. – М.:Просвещение, 2009.
2. Демкович В.П. Сборник задач по физике. 10-11 кл. –
   М.: ООО “Издательство Астрель”, 2001.
3. Волков В.А. Универсальные поурочные разработки
   по физике. 10 класс. – М.: ВАКО, 2006.

Видео-1

Видео-2

Тест

Презентация

решение будущих энергетических проблем человечества / Хабр

Законы физики дают нам возможность получать энергию разными способами. В механике для этого используется движение объектов – веса под воздействием гравитации, текущая вода или движущийся воздух, вращающий колесо либо турбину. Вращательное движение затем используется для генерации электричества. Существуют определённые химические реакции, зависящие от электронных переходов в атомах и молекулах – топливо какого-либо рода подвергается химической реакции, в т.ч. горению, и генерирует энергию, которую мы осваиваем и пускаем в работу. А ещё бывают ядерные реакции, про которых связи между нейтронами и протонами атомных ядер либо разбиваются, либо наоборот, создаются с выходом энергии.

Энергия, добываемая посредством механической работы хороша тем, что для этого используются существующие в природе ресурсы – будь то энергия воды или ветра. Минус же её состоит в том, что у неё есть проблемы с надёжностью и масштабируемостью, а также в том, что она негативно влияет на окружающую среду. Химические реакции используют все формы жизни – будь то фотосинтез у растений или метаболизм у животных. Но как источник энергии реакции горения имеют ограниченный ресурс, и тоже серьёзно загрязняют окружающую среду.

Ядерная энергия тут стоит особняком. Она в сотни тысяч раз эффективнее химических реакций в пересчёте на количество энергии, извлекаемой из единицы массы. И вот, что такое энергия ядерного синтеза и почему она – будущее (но пока не настоящее) добычи энергии на Земли.

Довольно странно, что самые крохотные строительные кирпичики материи – ядра атомов – таят в себе величайший потенциал на выход энергии. Но так и есть. Если электронные переходы в атоме приводят к выделению энергии порядка 1 эВ, то переходы между различными конфигурациями ядер выделяют энергию в миллион раз больше – около 1 МэВ. В целом есть два способа получить энергию при помощи ядер: разделить тяжёлые ядра в реакции деления или объединить лёгкие ядра в реакции синтеза.

И реакция деления, и реакция синтеза проходят с выходом энергии. Самые стабильные элементы таблицы Менделеева – это элементы с номерами от 26 до 28 (железо, кобальт, никель). Более лёгкие элементы выделяют энергию при синтезе, более тяжёлые – при делении.

Атомную бомбу можно сделать и на делении ядер, и на синтезе – обе этих реакции могут перейти в самоподдерживающийся режим с выходом большого количества энергии. Но эти же реакции можно использовать и для других целей.

Реакция деления обычно связана с поглощением нестабильным ядром частицы — например, нейтрона. Когда такое ядро – к примеру, уран-235 — поглощает нейтрон, оно делится на две части, испускает ещё больше нейтронов и вызывает цепную реакцию. Если ход реакции не ограничивается, получается бомба. Если скорость деления можно контролировать, поглощая нейтроны и создавая условия по ограничению их скорости, его можно использовать для получения энергии. Так работают современные ядерные реакторы.

Потенциально ядерный синтез позволяет освобождать больше энергии, чем деление. Синтез происходит в ядрах звёзд, где температура превышает 4 млн К, и это основная реакция, дающая энергию нашему Солнцу. Выход энергии термоядерной бомбы на порядки превышает таковой у атомной – мегатонны против килотонн.

У всех рассматриваемых типов получения энергии есть три важных проблемных аспекта.

Доступность. Нам нужно, чтобы энергия была доступна по запросу, чтобы мы могли увеличивать её добычу по необходимости, и чтобы мы не тратили ресурсы, если энергия нам не нужна. Тут больше гибкости дают такие надёжные ресурсы, как ископаемое горючее или гидроэлектростанции со стабильным потоком воды, чем такие ненадёжные и капризные, как ветер или солнечная энергия.

Запасы. На Земле энергия ветра и солнца будет существовать (почти) всегда. Запас ископаемого топлива же – угля, нефти и природного газа – конечен. Ресурсов для реакций с делением ядер тоже не бесконечное количество, хотя и больше, чем перечисленных. И тем не менее, чем больше мы добываем и перерабатываем урана и других подходящих элементов, тем сложнее его будет добывать.

Экологичность. Сжигая ископаемое топливо, мы выбрасываем в атмосферу загрязняющие вещества и парниковые газы. Работая с реакциями деления ядер, мы производим радиоактивные остатки – некоторые из них живут мало, а другие останутся многим будущим поколениям людей. По некоторым данным, с начала промышленной революции использование нами энергии повлияло на состояние климата планеты, и эта проблема становится с каждым годом всё серьёзнее.

Эти три аспекта дают представление о том, почему энергия ядерного синтеза является мечтой человечества. Если мы сможем контролировать скорость реакции, мы сможем получать нужное количество энергии по запросу, практически не плодя отходов. Топливо реактора, водород и его изотопы, в изобилии доступно на Земле. Это топливо не закончится и за миллиард лет. И хотя такая реакция может выдавать небольшое количество радиоактивных материалов вроде трития, нет никакого риска расплавления топливных элементов в реакторе или долгосрочного негативного влияния на окружающую среду. Даже по сравнению с солнечной энергией, при получении которой для создания панелей требуется добыча редкоземельных элементов и трата химикатов и конечных ресурсов, энергия синтеза выглядит наиболее экологичной.

Конечно, для всего этого великолепия требуется достичь прогресса в достижении самоподдерживающейся реакции синтеза, которая будет выдавать больше энергии, чем нужно для работы реактора.

Сложной эта проблема является по двум причинам. Во-первых, сама задача запуска термоядерной реакции далеко не банальна. Если ограничиваться таким топливом, как водород, дейтерий, гелий-3 и другими лёгкими стабильными изотопами, для запуска реакции требуются огромные температуры и энергии. Контролировать и поддерживать необходимые для реакции условия чрезвычайно сложно.

Во-вторых, подходить к этой задаче с точки зрения простого производства большего количества энергии, чем было вложено для запуска реакции – значит, создавать бомбу. Вместо этого нужно добиться достаточно медленного производства энергии, чтобы её можно было использовать для реальных дел.

Для достижения точки возврата вложенной энергии требуется как получение в реакции большего количества энергии, чем было вложено, так и извлечение этой энергии и запуск её в работу. Пока что обе проблемы сразу ещё никто не решил, однако исследователи используют три основных подхода для приближения к перевороту в деле получения энергии человечеством.

Подход №1: Магнитное удержание плазмы. Термоядерное топливо – это не просто атомы, это атомные ядра. Один из подходов подразумевает ионизацию атомов, т.е. полное удаление электронов до состояния, в котором останутся только атомные ядра. Получится сверхразогретая плазма из атомных ядер, способных к синтезу – останется только столкнуть их вместе, преодолев силы отталкивания.

Наиболее успешным методом в рамках данного подхода было заключение этой плазмы в одном месте при помощи мощных электромагнитов в тороидальной камере с магнитными катушками – токамаке. Эту схему предложили ещё в 1950-х годах советские физики, а первый токамак они построили в 1954-м. С тех пор эту схему изучают и совершенствуют, и периодически в токамаках проходят термоядерные реакции.

Ключевая сложность данного подхода заключается в удержании плазмы на одном месте, чтобы она не сталкивалась со стенками устройства, и извлечение полученной энергии, которую можно применить с пользой. И хотя такой подход долгое время считался наиболее многообещающим путём к термояду, финансировались эти проекты всегда плачевно и совершенно недостаточно для выхода на долговременные успешные решения.

Подход №2: Инерциальный управляемый термоядерный синтез. А может, проще не возиться со всеми этими магнитными полями, и подойти к задаче методом грубой силы? Если взять небольшую порцию топлива, подверженного синтезу и выстрелить в неё со всех сторон мощными лазерами, это резко повысит её температуру и плотность – возможно, вплоть до инициации термоядерной реакции. И хотя для лазерного выстрела, сжимающего порцию топлива, требуется огромное количество энергии, вполне возможно, что в результате реакции выделится больше энергии и когда-нибудь таким образом будет достигнута точка нулевых затрат.

Подобный подход тоже существует несколько десятилетий, и термоядерные реакции вполне достижимы и таким методом. Но и тут остаются нерешёнными две тех же проблемы. Для запуска реакции требуется накопление огромного количества энергии в конденсаторах и одновременный её выпуск. Самоподдерживающейся реакции не получается – получается только всплеск энергии, после которого возникают трудности со сбором этой энергии.

И хотя мы приближаемся к конечной цели, мы ещё на много порядков не добираем до точки нулевых трат энергии, и эта область остаётся серьёзно недофинансированной.

Подход №3: другие методы. Другие методы предлагают различные частные институты – как добропорядочные, так и подозрительные, а иной раз и просто мошеннические. Из множества альтернативных подходов выделяются два, которые реально способны выдать термоядерную реакцию. Оказывается, что синтеза достичь не так уж и сложно – сложно подобраться к точке нулевых затрат энергии.

Можно попробовать магнитно-инерциальный синтез, в котором сверхразогретая плазма создаётся и удерживается магнитами, после чего окружающие её поршни сжимают её в нужный момент. В результате такой комбинации упомянутых подходов происходит всплеск синтеза. Подобный подход является наиболее популярным среди альтернативных.

А можно попробовать субкритичный синтез, в котором реакция синтеза запускается при помощи субкритической реакции деления, не имеющей шансов расплавления топливных элементов. Этим подходом интересуются многие компании, но пока он дальше всех отстоит от точки нулевых трат энергии.

Как бывает со всеми передовыми технологиями, ими занимаются как множество настоящих исследователей, так и толпа мечтателей и любителей обещать несбыточного. Некоторые из них идут по пути компании Solyndra – занимаются базовыми исследованиями, уповая на маловероятный путь к успеху. Другие ведут себя как Theranos, заявляя о несуществующих технологиях. Пока что область термояда больше похожа на тёмный лес.

Пока что никто не достиг особых успехов, кроме учёных из Ливерморской национальной лаборатории, объявивших в декабре 2022 года о достижении долгожданного этапа приручения этого типа энергии. Впервые термоядерная реакция произвела больше энергии, чем было затрачено на её поддержание. Инженеры использовали второй подход, а именно инерциальный управляемый термоядерный синтез.

На достижение этого потребовалось семь десятилетий. Первый пункт из списка вопросов к термоядерной энергии они осилили – получили больше энергии, чем потратили. Остаётся другой важный вопрос – можно ли использовать выработанную энергию? Пока что до этого ещё далеко.

Специалист по физике плазмы, в данный момент находящийся на пенсии, Дэниел Джессби, в 2019 году в своей статье «Вуду термояда» писал:

Исследовательские организации, занимающиеся вопросом поддержания долгосрочных термоядерных реакций, в массе своей поддерживаемые правительствами, представляют собой парад голых королей, которые только изредка подтверждают необоснованные заявления и предсказания. Одной из особенностей этих игроков является то, что они никогда не демонстрируют поступления электричества в энергосеть, зато всегда забирают огромные количества этой энергии из сети. Ненасытное потребление электричества – неизбежный признак всех наземных попыток запуска термояда.

Всё это подчёркивает основную проблему нашего энергетического сектора. В данный момент больше всего энергии производится по технологиям XVIII века – сжиганием ископаемого топлива, что является главной причиной увеличения количества CO₂ в атмосфере, окисления океанов и быстрого изменения климата. Лучшую технологию из имеющихся у нас, способную заменить этот древний и богатый на неприятные последствия способ, оболгали и оклеветали из-за страха перед ядерными отходами, радиоактивными осадками, ядерными войнами и прочим. Несмотря на поддержку науки, ядерная энергия сегодня даёт лишь малую часть всей энергии, которой пользуется человечество.

Несмотря на высочайший спрос на базовые исследования в энергетическом секторе и совершенно недостаточное финансирование исследований термояда, ситуация не меняется. И если мы не начнём как следует вкладываться в реальную, настоящую технологию, находящуюся практически на расстоянии вытянутой руки, у нас так и будут появляться компании двух видов. Первые будут искренне верить в то, что они продают, без учёта законов физики. Вторые будут откровенно обманывать инвесторов ради получения прибылей.

Ядерный синтез – реакция, дарующая и поддерживающая жизнь. Она идёт в сердце любой звезды, а также в бесчисленных количествах коричневых карликов – небесных тел, не дошедших до состояния звёзд, но набравших материи достаточно для синтеза дейтерия. При синтезе лёгких элементов получается элемент с массой, меньшей, чем сумма соединившихся атомов, а разница выделяется согласно формуле Эйнштейна, E = mc². Если оценивать доступность энергии, топлива и влияние на окружающую среду, термояд оставляет далеко позади все остальные варианты, имеющиеся на сегодня.

Играй в нашу новую игру прямо в Telegram!

Второй закон термодинамики в новой редакции — College Physics: OpenStax

Глава 15 Термодинамика

Резюме

• Определение цикла Карно.
• Рассчитайте максимальный теоретический КПД ядерного реактора.
• Объясните, как диссипативные процессы влияют на идеальную машину Карно.

Рисунок 1. Эта новая игрушка, известная как пьющая птица, является примером двигателя Карно. Он содержит хлористый метилен (смешанный с красителем) в брюшной полости, который кипит при очень низкой температуре — около 100ºF . Для работы нужно намочить голову птицы. Когда вода испаряется, жидкость поднимается в голову, заставляя птицу утяжеляться и нырять вперед обратно в воду. Это охлаждает хлористый метилен в голове, и он перемещается обратно в брюшную полость, в результате чего низ птицы становится тяжелым, и она опрокидывается вверх. Если не считать очень небольшого вклада энергии — первоначального смачивания головы — птица становится своего рода вечным двигателем. (кредит: Arabesk.nl, Wikimedia Commons)

Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть на 100 % эффективнее, поскольку всегда должна существовать некоторая теплопередача[латекс]\boldsymbol{Q _{\textbf{c} }}[/latex]в окружающую среду, которую часто называют отходящим теплом. Насколько эффективной может быть тепловая машина? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил в 1824 г. молодой французский инженер Сади Карно (179 г.6–1832), в своем исследовании появившейся тогда технологии теплового двигателя, имеющей решающее значение для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, который теперь называется циклом Карно , который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и, таким образом, Карно на самом деле открыл этот фундаментальный закон. Любая тепловая машина, использующая цикл Карно, называется двигателем Карно .

Важнейшее значение цикла Карно — и, по сути, его определение — заключается в том, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность. Это увеличивает передачу тепла[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/латекс]в окружающую среду и снижает эффективность двигателя. Очевидно, что обратимые процессы предпочтительнее.

ДВИГАТЕЛЬ КАРНО

Сформулированный в терминах обратимых процессов, второй закон термодинамики имеет третью форму:

Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД любой тепловой машины, работающей между этими двумя температурами. Кроме того, все двигатели, использующие только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе в пределах одних и тех же заданных температур.

На рис. 2 показана диаграмма[latex]\boldsymbol{PV}[/latex]для цикла Карно. Цикл включает два изотермических и два адиабатических процесса. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

Карно также определил КПД идеальной тепловой машины, то есть машины Карно. Всегда верно, что КПД циклической тепловой машины определяется выражением:

.

[латекс]\boldsymbol{Эфф\:=}[/латекс][латекс]\boldsymbol{\frac{Q _{\textbf{h}} -Q _{\textbf{c}}}{Q _{\textbf{h }}}}[/латекс][латекс]\boldsymbol{=1-}[/латекс][латекс]\boldsymbol{\frac{Q_{\textbf{c}}}{Q_{\textbf{h}}} }.[/латекс]

Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины отношение[latex]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}/Q_{\textbf{h}}}[/latex] равно отношению абсолютных температур тепловые резервуары. То есть [латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}/Q_{\textbf{h}}=T_{\textbf{c}}/T_{\textbf{h}}}[/latex]для двигатель Карно, так что максимум или Эффективность Карно [латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}}[/латекс] определяется как

[латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}=1-}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{T_{\textbf{c}}}{T_{\textbf{h}} }},[/латекс]

, где[latex]\boldsymbol{T_{\textbf{h}}}[/latex]и[latex]\boldsymbol{T_{\textbf{c}}}[/latex]в градусах Кельвина (или любая другая абсолютная температура шкала). Ни одна настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, чего можно достичь. Но идеальный двигатель Карно, как и пьющая птица выше, хотя и является увлекательной новинкой, но имеет нулевую мощность. Это делает его нереальным для любых приложений.

Интересный результат Карно подразумевает, что 100% эффективность была бы возможна только в том случае, если[latex]\boldsymbol{T_{\textbf{c}}=0\textbf{K}}[/latex]—то есть, только если бы холодный резервуар был при абсолютном нуле, практическая и теоретическая невозможность. Но физический смысл таков: единственный способ заставить всю теплопередачу пойти на работу — это убрать всю тепловую энергию, а для этого требуется холодный резервуар при абсолютном нуле.

Также очевидно, что наибольшая эффективность достигается, когда соотношение [латекс]\жирный символ{Т_{\textbf{с}}/Т_{\текстbf{h}}}[/латекс] является как можно меньшим. Как обсуждалось для цикла Отто в предыдущем разделе, это означает, что эффективность максимальна при максимально возможной температуре горячего резервуара и минимально возможной температуре холодного резервуара. (Эта установка увеличивает площадь внутри замкнутого контура на диаграмме [латекс]\boldsymbol{PV}[/латекс]; кроме того, кажется разумным, что чем больше разница температур, тем легче направить теплопередачу на работу. ) Фактические температуры резервуара тепловой машины обычно связаны с типом источника тепла и температурой окружающей среды, в которую происходит передача тепла. Рассмотрим следующий пример.

Рис. 2. PV диаграмма цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплопередача Q _h происходит в рабочее тело на изотермическом пути AB, который протекает при постоянной температуре Th. Теплообмен Q _c происходит вне рабочего тела по изотермическому пути CD, который происходит при постоянной температуре T _с . Чистый результат работы W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах T _h и T _c . Любая тепловая машина, использующая обратимые процессы и работающая между этими двумя температурами, будет иметь такой же максимальный КПД, как и машина Карно.

Пример 1: Максимальная теоретическая эффективность ядерного реактора 9{\circ}\textbf{C}}[/latex], а затем снова нагревают, чтобы начать цикл заново. Рассчитайте максимальный теоретический КПД тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.

Рисунок 3. Схематическая диаграмма ядерного реактора с водой под давлением и паровых турбин, преобразующих работу в электрическую энергию. Теплообмен используется для производства пара, отчасти для того, чтобы избежать загрязнения генераторов радиоактивностью. Две турбины используются, потому что это дешевле, чем работа одного генератора, который производит такое же количество электроэнергии. Пар конденсируется в жидкость перед возвратом в теплообменник, чтобы поддерживать низкое давление пара на выходе и способствовать прохождению пара через турбины (эквивалентно использованию холодного резервуара с более низкой температурой). Значительная энергия, связанная с конденсацией, должна рассеиваться в окружающей среде; в этом примере используется градирня, поэтому прямая передача тепла в водную среду отсутствует. (Обратите внимание, что вода, поступающая в градирню, не контактирует с паром, проходящим через турбины.) 9{\circ}\textbf{C}},[/latex] соответственно. Тогда в кельвинах [латекс]\boldsymbol{T_{\textbf{h}}=573\textbf{K}}[/latex]и[латекс]\boldsymbol{T_{\textbf{c}}=300\textbf { K}},[/latex], так что максимальная эффективность равна

[латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}=1-}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{T_{ \textbf{c}}}{T_{\textbf{h}}}}.[/latex]

Таким образом,

[латекс]\begin{array}{lcl} \boldsymbol{Eff_{\textbf{C} }} & \boldsymbol{=} & \boldsymbol{1-\frac{300\textbf{ K}}{573\textbf{ K}}} \\ {} & \boldsymbol{=} & \boldsymbol{0. 476\textbf {, или }47,6\%.} \end{массив}[/latex]

Обсуждение

Фактический КПД типичной атомной электростанции составляет около 35%, что немногим лучше, чем 0,7 раза от максимально возможного значения, что является данью превосходной инженерной мысли. Электростанции, работающие на угле, нефти и природном газе, имеют больший фактический КПД (около 42%), потому что их котлы могут достигать более высоких температур и давлений. Температура холодного резервуара на любой из этих электростанций ограничена местными условиями. На рис. 4 показан (а) внешний вид атомной электростанции и (б) внешний вид угольной электростанции. У обоих есть градирни, в которые вода из конденсатора поступает в градирню в верхней части и распыляется вниз, охлаждаясь за счет испарения.

Рисунок 4. (а) Атомная электростанция (фото: BlatantWorld.com) и (б) угольная электростанция. Оба имеют градирни, в которых вода испаряется в окружающую среду, представляя Q _c . Ядерный реактор, поставляющий Q _h , расположен внутри куполообразной защитной оболочки. (Фото: Роберт и Михаэла Викол, publicphoto.org)

Поскольку все реальные процессы необратимы, реальный КПД тепловой машины никогда не может быть таким же большим, как у двигателя Карно, как показано на рис. 5(а). Даже при наличии наилучшей тепловой машины в периферийном оборудовании, таком как электрические трансформаторы или автомобильные трансмиссии, всегда присутствуют диссипативные процессы. Это еще больше снижает общую эффективность за счет преобразования части выходной мощности двигателя обратно в теплопередачу, как показано на рис. 5(b).

Рис. 5. Реальные тепловые двигатели менее эффективны, чем двигатели Карно. (а) В реальных двигателях используются необратимые процессы, уменьшающие передачу тепла на работу. Сплошные линии представляют реальный процесс; пунктирные линии — это то, что двигатель Карно сделал бы между теми же двумя резервуарами. б) Трение и другие диссипативные процессы в выходных механизмах тепловой машины преобразуют часть ее работы в теплопередачу окружающей среде.

• Цикл Карно — это теоретический цикл, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Любой двигатель, использующий цикл Карно, в котором используются только обратимые процессы (адиабатический и изотермический), известен как двигатель Карно.
• Любой двигатель, использующий цикл Карно, обладает максимальным теоретическим КПД.
• Хотя двигатели Карно являются идеальными двигателями, в действительности ни один двигатель не достигает теоретического максимального КПД Карно, поскольку определенную роль играют диссипативные процессы, такие как трение. Циклы Карно без потери тепла могут быть возможны при абсолютном нуле, но это никогда не наблюдалось в природе.

Цикл Карно

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

Двигатель Карно

тепловой двигатель, использующий цикл Карно

Эффективность Карно

максимальный теоретический КПД тепловой машины

Максимально возможная эффективность — Физика тела 2.

0

Перейти к содержимому

Изменение энтропии для процесса с постоянной температурой можно рассчитать по переданному теплу ( Q ) и температуре, при которой происходит перенос ( Т ) как:

(1)  

Обратите внимание, что нам определенно нужно использовать абсолютную шкалу температуры при работе с изменением уравнения, иначе мы можем обнаружить, что пытаемся делить на ноль! Что касается второго закона термодинамики, мы знаем, что для любого реального процесса сумма всегда должна быть больше нуля.

Повседневный пример: геотермальная тепловая машина

Давайте представим, что расплавленная порода из земной мантии частично проходит через земную мантию и поддерживает постоянную температуру в области 300 °С . Если бы скала была не слишком глубокой, мы могли бы проложить в скале трубы, а затем кипятить воду, пропуская ее по трубам. По сути, у нас была бы гигантская скороварка! Вместо того, чтобы готовить еду, мы могли бы выпускать сжатый пар, чтобы толкать поршень или вращать турбину. После сброса давления и некоторой работы у нас останется пар более низкого давления. Мы могли бы сконденсировать пар обратно в воду, пропуская его через трубы, открытые воздуху с температурой 20 °C над землей. Тепловая энергия будет передаваться от пара к воздуху в виде тепла выхлопных газов, пар сконденсируется в жидкую воду, и мы сможем начать все сначала.

Цикл сухого пара из «Геотермальных электростанций» от Energy Education, University of Calgary

Машины, подобные описанной, преобразующие тепловую энергию в механическую, называются тепловыми двигателями. Ваш автомобиль оснащен тепловым двигателем внутреннего сгорания. Давайте посмотрим, как Второй закон термодинамики определяет эффективность нашей геотермальной тепловой машины.

Сначала мы вычисляем изменение энтропии, когда 1000 Дж тепловой энергии передается из горной породы в воду для запуска двигателя, не забывая преобразовать 300 °C температуры горных пород, добавив 273 K :

Если наша машина реальна, то реальны и ее процессы, Термодинамика. Нам необходимо выяснить, какое количество тепловой энергии должно быть передано от пара низкого давления воздуху при температуре 20 °C  (293 K ), чтобы энтропия воздуха увеличилась по крайней мере на столько же, сколько порода энтропия уменьшилась (1,75 J/K ). Мы можем найти это, переформулировав уравнение изменения энтропии и подставив положительное изменение энтропии, равное по величине отрицательному изменению, испытываемому горячим камнем: только 487 J исходной энергии 1000 J доступной для выполнения. Следовательно, максимально возможная эффективность нашего двигателя ограничена, независимо от того, насколько хорошо он спроектирован, даже если все механические неэффективности можно каким-то образом устранить. Максимальная теоретическая эффективность:

Умножив на 100  % , мы получим эффективность в процентах: 49  % . Это максимально возможная эффективность. Любой двигатель, который мы на самом деле построили, был бы менее эффективным.

Первый закон термодинамики говорит нам, что нельзя построить двигатель с эффективностью более 100 % , потому что нельзя создать энергию. Хуже того, второй закон говорит нам, что даже если нам удастся устранить все механические неэффективности, такие как , мы все равно не сможем достичь 100 % потому что все двигатели должны расходовать некоторую энергию, чтобы в целом увеличить энтропию. Теоретический максимальный КПД, который всегда меньше 100 % , известен как ( e _c ) и зависит только от высоких и низких рабочих температур (T _H и T _L ), как мы видели в предыдущем примере. Формула эффективности Карно ( e _c ) эффективно воссоздает всю работу, которую мы проделали в предыдущем примере:

(2)  

Теоретический двигатель, который мог бы обеспечить теоретически максимальную эффективность, известен как двигатель Карно.