КПД теплового двигателя — Технарь

Всякий тепловой двигатель превращает в механическую энергию только часть той энергии, которая выделяется топливом, так как газ или пар, совершив работу, выходит из двигателя, обладая еще энергией.

Для оценки теплового двигателя очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, он превращает в полезную работу. Чем эта часть больше, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя (КПД).

Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя, но всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Например, если двигатель из всей энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть, то говорят, что коэффициент полезного действия двигателя равен 1/4 или 25%, так как КПД обычно выражают в процентах.

КПД двигателя всегда меньше единицы, т. е. меньше 100%. Это следует из закона сохранения энергии. Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — около 30%.

Увеличение числа автомашин, особенно в городах, приводит к сильному загрязнению атмосферы выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания. Эти газы вредны для живых организмов, кроме того, они вызывают порчу ценных архитектурных сооружений.

Борьба с загрязнением атмосферы в настоящее время является серьезной государственной задачей.

Наиболее эффективный способ борьбы — замена двигателей внутреннего сгорания электрическими двигателями. Необходимые для этих машин источники тока должны обладать большими запасами энергии, над созданием таких источников тока работают ученые.

Чтобы, существующие автомашины меньше загрязняли воздух, их двигатели должны быть всегда исправны и работать на том виде топлива, на которое они изготовлены. За этим всем нам следует тщательно следить.

Вопросы.

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
2. Что называют КПД теплового двигателя?
3. Может ли двигатель иметь КПД, равный 100%? Почему?
4. Назовите коэффициенты полезного действия современных тепловых двигателей.

Задание.

Приготовьте доклады на темы:

1. История изобретения паровых машин.
2. История изобретения турбин.
3. Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
4. Достижения советской науки и техники в строительстве паровых турбин.
5. Использование энергии Солнца на Земле (прочтите об этом параграф в конце учебника).

Метки: внутренняя энергиядвигательдвигатель внутреннего сгораниякоэффициент полезного действияКПДмеханическая энергияпарпаровая машинапаровозыработаработа двигателятеплотепловая энергияТепловой двигательтопливотурбинаэлектрический двигательэнергия

Принцип действия тепловых двигателей.

КПД теплового двигателя

Физика. 8 класс. Барьяхтар

Физически развитый человек может за сутки выполнить работу, равную примерно 1 млн джоулей. Среднесуточное потребление энергии одним жителем Земли больше в сотни раз. Из всей энергии, потребляемой человеком, около 90 % — энергия топлива. На обогрев помещений и приготовление пищи идет только незначительная часть этой энергии — в основном люди используют энергию топлива, превращая ее в механическую. Как это происходит и при каких условиях возможно такое превращение?

1. Знакомимся с принципом действия тепловых двигателей

Проведем опыт. Плотно закупорим носик чайника и поставим чайник с водой на горелку газовой плиты. Через некоторое время крышка чайника начнет подпрыгивать. Выясним почему.

Вода в чайнике закипает, и давление пара под крышкой увеличивается. Наконец наступает момент, когда сила давления пара, действующая на крышку, становится больше силы тяжести, и крышка подпрыгивает. В этот момент часть пара выходит наружу, давление пара под крышкой уменьшается и сила тяжести возвращает ее на место (рис. 16.1). Если нагревание продолжить, процесс повторится.

Рис. 16.1. На крышку чайника действуют сила тяжести (F_тяж = mg) и сила давления пара. Если F_{давл пара} > F_тяж, крышка подпрыгивает; если F_{давл пара} < F_тяж, крышка возвращается на место

В описанной системе, состоящей из газовой горелки, чайника с крышкой и кипящей воды, за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, выполняется механическая работа, при этом часть энергии отдается окружающей среде.

Если с крышкой чайника соединить какой-нибудь механизм, получим простейшую модель теплового двигателя.

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Кроме тепловых двигателей существуют другие виды тепловых машин (подробнее об этом вы узнаете в старших классах). Выясним на примере с чайником, из каких основных частей должна состоять тепловая машина.

Во-первых, в данной системе механическую работу выполняет пар, который нагревается и, расширяясь, поднимает крышку. Газ, выполняющий работу во время своего расширения, называют рабочим телом.

Во-вторых, пар под крышкой чайника расширяется в результате получения энергии от газовой горелки. Устройство, от которого рабочее тело получает теплоту, называют нагревателем.

В-третьих, во время опыта водяной пар периодически отдает часть энергии окружающей среде (если бы этого не происходило, «двигатель» не смог бы работать циклично — крышка не возвращалась бы в исходное положение и процесс не повторялся бы). Объект, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты (Q₁) от нагревателя, эта теплота частично преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу А), а частично (Q₂) передается холодильнику

2. Определяем КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе на выполнение работы расходуется только часть энергии, «запасенной» в топливе. Часть выделившейся энергии передается окружающей среде (теряется), кроме того, топливо сгорает не полностью. При этом потери энергии в тепловых двигателях не ограничиваются тепловыми потерями. Часть энергии также расходуется на выполнение работы против сил трения частей и механизмов двигателя. Такие потери энергии называют механическими.

Очевидно: чем меньше тепловые и механические потери в двигателе, тем меньше топлива нужно израсходовать, чтобы выполнить ту же самую полезную работу, и тем экономичнее двигатель.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность теплового двигателя и показывающая, какая часть всей энергии, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу.

Коэффициент полезного действия двигателя η вычисляют по формуле:

где А_полезн — полезная работа; Q_полн — количество теплоты, которое может выделиться в процессе полного сгорания топлива.

Полезная работа всегда меньше количества теплоты, выделяющегося в процессе полного сгорания топлива, поэтому КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %. Обычно КПД тепловых двигателей составляет 20-40 % (рис. 16.3).

Рис. 16.3. КПД паровых тепловых двигателей и схема потерь энергии

Подводим итоги

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника.

Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя; часть этой теплоты преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу), а часть отдается холодильнику.

Коэффициент полезного действия η теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность двигателя и показывающая, какая часть всей энергии Q_полн, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу A_полезн.

КПД теплового двигателя вычисляют по формуле:

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловой двигатель? 2. Назовите основные части теплового двигателя. 3. В чем состоит принцип действия теплового двигателя? 4. Назовите основные виды потерь энергии в тепловых двигателях. 5. Дайте определение КПД теплового двигателя. 6. Почему КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %?

Упражнение № 16

1. В двигателе при полном сгорании топлива выделилось 500 кДж теплоты. В результате двигатель выполнил полезную работу, равную 125 кДж. Определите КПД теплового двигателя.

2. Во время работы теплового двигателя использовали 0,5 кг дизельного топлива. При этом двигатель выполнил полезную работу, равную 7 МДж. Вычислите КПД двигателя.

3. Тепловой двигатель, КПД которого равно 20 %, израсходовал 10 л бензина. Какую полезную работу выполнил двигатель?

4. Какую среднюю мощность развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 90 км/ч расход бензина составляет 4 кг на 100 км пути? КПД двигателя 25 %.

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о первых тепловых машинах, созданных человеком.

Экспериментальное задание

«Картофельный выстрел». Возьмите стеклянную бутылку, сполосните ее водой и закупорьте картофелиной (осторожно вдавите горлышко бутылки в картофелину и уберите остатки картофелины). Поставьте закупоренную бутылку в кастрюлю с водой и начните нагревать воду. Через некоторое время «пробка» вылетит (см. рисунок). Объясните это явление.

(Во время проведения опыта нельзя наклоняться над кастрюлей!)

Физика и техника в Украине

Производственное объединение «Южмаш» и конструкторское бюро «Южное» (Днепр)

В начале 50-х гг. прошлого века большой автомобильный завод в Днепропетровске был переоборудован в завод по производству космических ракет, а также было создано конструкторское бюро (КБ) для их разработки. С того времени КБ «Южное» и завод «Южмаш» много лет определяли мировой уровень основных направлений и достижений в ракетно-космической области.

Под руководством таких выдающихся конструкторов, как В. С. Будник, М. К. Янгель, В. Ф. Уткин, С. Н. Конюхов, в КБ «Южное» было разработано 67 типов космических аппаратов и 12 космических комплексов. КБ «Южное» и «Южмаш» создали комплекс «Зенит» — один из самых совершенных в мировой ракетно-космической технике по конструктивному исполнению и автоматизации подготовки к пуску; всего было изготовлено и выведено на орбиту свыше тысячи космических аппаратов.

Попередня

Сторінка

Наступна

Сторінка

Зміст



термодинамика — Каков КПД настоящих тепловых двигателей?

Самые эффективные тепловые двигатели всегда самые большие и самые медленные. Для паровой турбины «самая медленная работа» означает наличие множества ступеней турбины, так что работа извлекается из пара, поскольку он «медленно» расширяется на многих ступенях, выполняя небольшую работу по сравнению со многими ступенями турбины. Высокая термическая стабильность очень большой системы означает, что может поддерживаться большая разница между верхней и нижней температурами резервуара и, следовательно, высокий потенциальный КПД Карно. Эффективность поршневого двигателя обычно повышается, если заставить его работать очень медленно: максимум одна или две герца.

Вики-страница о пароэлектростанциях указывает, что фактический КПД больших паровых электростанций составляет от 33% до 48%. Предполагая, что паровая турбина может работать при температуре, скажем, 100°C (373K), если бы 48% были близки к эффективности Карно, это означало бы верхнюю температуру пласта $T_{max}$, определяемую как:

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

Это несколько ниже того, до чего современная техника может перегреть пар; из статьи:

В. Ганапати, «Пароперегреватели: дизайн и производительность», Hydrocarbon Processing, июль 2001 г.

Я подобрал грубые температуры 1300K (2000F) как находящиеся в пределах досягаемости лучистого пароперегревателя. Это подразумевает эффективность Карно

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

Итак может показаться, что даже при такой высокой эффективности мы работаем ниже эффективности Карно. На этом этапе было бы хорошо получить информацию от технолога-энергетика, чтобы уточнить некоторые из этих цифр.

Самый большой двигатель внутреннего сгорания на Земле — Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, двухтактный четырнадцатицилиндровый монстр мощностью 750 МВт, используемый для питания корабля Emma Maersk. В спецификациях производителя указан тепловой КПД более 50%, который они явно определяют как выходную мощность, деленную на свободную энергию реакции горения топлива. Как мы видели выше, это означало бы верхнюю температуру резервуара порядка $700K$, если бы она достигала эффективности Карно, что все же несколько ниже, чем вероятная начальная температура продуктов сгорания. 9o{\rm F}$), и это должно быть значение, которое мы принимаем в качестве верхней температуры резервуара. Я принял верхнюю температуру резервуара за температуру излучения в пароперегревателе ($1300{\rm K}$), полагая, что разница между температурой газа и температуры излучения является неэффективностью, которую необходимо учитывать. Однако, по-видимому, мы можем думать о печи как о системе, которая закрыта, кроме подвода тепла и выхода пара, и что никакая другая энергия не теряется или почти не теряется из системы печи. По совпадению, 850 {\ rm K} $ — это также температура, которую современные нержавеющие стали, используемые в лопатках турбин, могут выдерживать в течение длительного времени без ползучести (см. Раздел «Эффективность» на странице Steam Engine Wiki). Кроме того, можно с полным основанием утверждать, что вопрос можно рассматривать как вопрос об эффективности одной турбины, а не системы печь-турбина. При этом разумным предположением будет $T_{max}=850{\rm K}$. 9o{\rm C}$ : скажем, 300 тысяч долларов.

При этих цифрах потенциальный КПД нашей турбины по Карно будет равен:

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

, что для системы на верхнем конце шкалы [оценки Википедии от $33\%$ до $48\%$]((http://en. wikipedia.org/wiki/Steam-electric_power_station ), подразумевает эффективность работы (выход работы по сравнению с эффективностью Карно)

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

Так что я бы предположил, что это довольно хороший ответ и наиболее близкий к ответу, который вы собираетесь получить на этом форуме, если только мы не получим известие от технолога-энергетика. Так что паровые турбины работают довольно хорошо. Интересно, что если использовать приведенную вами «экспериментальную» формулу Новикова, то мы предсказываем эффективность в этих условиях

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

, так что это немного пессимистично для современной паровой турбины, которая является образцом современной эффективности тепловых двигателей, при этом большое количество исследований связано со сложным компьютерным управлением сверхкритическими пароперегревателями и печами.

Эффективность тепловой машины

Тепловая машина — это машина, преобразующая тепловую энергию в механическую работу. Двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и паровые турбины являются некоторыми примерами тепловых двигателей. Теплота используется всеми этими двигателями для производства полезной механической работы. В этой статье мы рассмотрим эффективность тепловой машины и вопросы, связанные с эффективностью тепловой машины, в соответствии с заметками об эффективности тепловой машины.

Тепловой машиной может называться любое оборудование, способное преобразовывать энергию в полезную работу. Например, при сжигании угля на воздухе высвобождается часть его химической энергии. Тепло, выделяющееся в процессе сгорания, может быть использовано для нагрева воды в котле и для питания турбины. Это, в свою очередь, приводит в действие генератор, который производит электричество.

Преобразование химической энергии в электрическую неэффективно. По мере удаления отходящего тепла из системы на каждом этапе происходит потеря некоторой энергии.

Как работает тепловой двигатель?

Для преобразования тепла в работу в тепловом двигателе используется рабочее вещество, такое как вода или бензин. Только при перемещении тепла из высокотемпературного резервуара в низкотемпературный резервуар становится доступной механическая энергия для преобразования в полезную работу. Однако из-за того, что часть тепла теряется в холодном резервуаре, не вся подведенная теплота будет преобразована в полезную работу.

Рабочее тело, горячий и холодный резервуары — три основных компонента двигателя. Двигатель функционирует благодаря рабочему телу, которым может быть жидкость или газ. Горячий резервуар получает подвод тепла, а холодный резервуар получает тепловыделение или избыточное тепло.

Что такое PV-диаграмма?

Диаграммы PV являются основным инструментом визуализации для изучения тепловых двигателей. Поскольку двигатели обычно используют газ в качестве рабочего тела, закон идеального газа связывает диаграмму PV с температурой, позволяя отслеживать три основные переменные состояния газа на протяжении всего цикла двигателя. Поскольку работа выполняется только при изменении объема газа, диаграмма дает наглядное представление о выполненной работе.

Внутренняя энергия идеального газа зависит от температуры, поэтому диаграмма PV вместе с температурами, рассчитанными по закону идеального газа, фиксируют изменения внутренней энергии газа, позволяя определить количество подведенного тепла с помощью первый закон термодинамики.

КПД тепловой машины 

КПД тепловой машины определяется как отношение разности температур между горячим источником и поглотителем к температуре горячего источника. Он также известен как тепловой КПД теплового двигателя. Полный КПД тепловой машины достижим, если разница между горячим и холодным резервуарами наибольшая. Нет единицы эффективности.

Тепловой КПД одной тепловой машины может отличаться от другой. Давайте посмотрим на надежные тепловые двигатели и их эффективность, чтобы лучше понять это.

Ниже приведены КПД различных тепловых двигателей: 

• Бензиновые двигатели в автомобилях имеют КПД почти 25%.
• Точно так же угольные электростанции имеют КПД всего 49%.

Какова формула КПД тепловой машины?

Поскольку эффективность тепловой машины представляет собой долю произведенного тепла и полезной работы, ее можно выразить с помощью формулы и символа. Формула эффективности тепловой энергии:

n = WQ1

В этой формуле

W = работа, совершаемая двигателем

Q1 = тепло, поступающее от источника

После каждого цикла тепловая машина возвращается к исходной стадии.

∆U = 0

Из рисунка видно, что:

W = Q1 – Q2

Итак, КПД тепловой машины

n = Q1 – Q2/Q1

n = 1 – Q2/ Q1

Итак, при Q = 0 КПД будет 100%, но это невозможно, так как в системе будут некоторые потери энергии. В результате у каждого двигателя есть ограничение по КПД. Реверсивный двигатель, такой как тепловой двигатель Карно, имеет самый высокий КПД.

Типы тепловых двигателей 

Многие типы тепловых двигателей работают по формулам эффективности тепловых двигателей. Некоторые из них перечислены ниже:

Паровой двигатель

Паровые двигатели работают на паре, образующемся при сгорании угля, нефти или газа.