Урок физики по теме «Тепловые двигатели: «за» или «против»?»

Форма проведения: урок-конференция.

Цель урока: обобщить знания учащихся о современных тепловых двигателях,
выяснить роль тепловых двигателей в жизни мирового сообщества в целом и нашего
региона в частности.

Задачи:

• Образовательные:

расширить знания учащихся об истории открытия
тепловых двигателей, познакомить с устройством и принципом действия
“необычных” тепловых двигателей, с ролью тепловых двигателей в современном
мире, раскрыть сущность связанных с ними экологических проблем, обсудить
пути решения этих проблем.

закрепить представления учащихся о классификации
современных тепловых двигателей, о применении этих двигателей в различных
сферах человеческой жизни, продолжить формирование навыков решения задач по
определению КПД тепловых двигателей, развитие интереса к изучаемому
предмету.

: обратить внимание учащихся на положительные и
отрицательные стороны использования тепловых двигателей, продолжить
формирование активной жизненной позиции учащихся, чувства гордости и
уважения к соотечественникам – ученым и изобретателям, убедить учащихся в
жизненной важности бережного отношения к окружающей среде.

Оборудование: ПК, интерактивная доска или мультимедийный проектор с
экраном.

Ход урока

1. Организационный момент.

2. Актуализация знаний:

Фронтальный опрос по вопросам:

А) Какое устройство называется тепловым двигателем ?

Б) Приведите примеры тепловых двигателей.

В) Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом
двигателе?

Г) Что называется КПД двигателя?

Д) Как рассчитать максимальное значение КПД теплового двигателя?

3. Изучение нового материала.

Учитель: На сегодняшнем уроке – конференции, мы заслушаем доклады,
посвященные истории создания тепловых двигателей и их влиянию на жизнь человека.
Доклады будут сопровождаться показами слайдов из презентации “Тепловые
двигатели :“за” или “против”?”
(Приложение 1). По ходу урока учащиеся
заполняют рабочую карту ученика
(Приложение 2).

План конференции: (Слайд 2)

1. Классификация современных тепловых двигателей.
2. Из истории создания тепловых машин.
3. Тепловой насос.
4. Двигатель внешнего сгорания.
5. Пути повышения КПД тепловых двигателей.
6. Применение тепловых двигателей.
7. Экологические проблемы использования тепловых двигателей.

Выступление 1-го докладчика. (Слайд 3)

Современные тепловые машины можно условно разделить на три группы : турбины,
поршневые двигатели (ДВС) и реактивные двигатели. Каждая из групп, в свою
очередь делится на подгруппы. Турбины бывают паровые и газовые, поршневые
двигатели – карбюраторные и дизельные, реактивные двигатели – пороховые,
воздушно-реактивные и жидкостно-реактивные.

Учитель: “Ни одно изобретение 18 столетия нельзя приписать одному лицу.
Каждое изобретение имеет своих авторов, но включает опыт целого ряда
предшествующих открытий и разработок ”. Это высказывание Карла Маркса
справедливо и для истории изобретения тепловых двигателей.

Выступление 2-го докладчика. (Слайды 4–11)

Первым устройством для превращения теплоты в работу была паровая пушка
“Архитронито”. Ее название можно перевести как “сильный гром”. Описание этого
прибора имеется у Леонардо да Винчи, приписывающего Архимеду. Прообразом
теплового двигателя считается созданный в 1 веке до н.э. выдающимся ученым и
изобретателем того времени Героном Александрийским так называемый “Эолипил”. Он
представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под
ним огонь. По существу, эолипил – это не что иное, как паровая реактивная
турбина.

Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была
паровая машина Томаса Сейвери, построенная в Англии в 1698 году. Она
предназначалась для осушения шахт и перекачивания воды. Первая удачная паровая
машина с поршнем была создана французом Дени Папеном в 1707 году. Она могла
приводить в действие насосы. Услышав о паровой машине Папена, Томас Ньюкомен
попытался построить более совершенную модель. Его паровая машина была
установлена на угольной шахте в Стаффордшире в 1712 году. Она оказалась на
редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет. Проект первой в
мире паровой машины, способной непосредственно приводить в действие любые
рабочие механизмы, предложил 25 апреля 1723 года русский изобретатель Иван
Иванович Ползунов. Его машина работала непрерывно, и все действия проходили в
ней автоматически. В 1766 году машина была сдана в эксплуатацию, но проработала
всего 3 месяца. Примерно в то же время в Англии над созданием паровой машины
работал шотландец Джеймс Уатт. Начиная с 1763 года, он занимался
усовершенствованием малоэффективной пароатмосферной машины Ньюкомена. И только в
1782 году Уатт создал первую универсальную машину двойного действия, которая
использовалась для приведения в действие станков прядильных и ткацких фабрик, а
позже – и других промышленных предприятий. Паровая машина Уатта стала
изобретением века, положившим начало промышленной революции.

Идея создания ДВС родилась в 1674 году и принадлежит Дени Папену.
Однако, при первом же испытании, его машина была разрушена взрывом. Французский
изобретатель Этьен Ленуар в 1860 году применил искру для зажигания горючей смеси
в цилиндре ДВС. Он был компактным, легким и простым в эксплуатации, но его КПД
не превышал 5 %. В 1876 году немецкий конструктор Николаус Отто создал первый
четырехтактный ДВС, КПД которого был равен 22%. Двигатель Отто работал на смеси
светильного газа с воздухом, что было дорого. В 1880 году О.С.Костович в России
построил первый бензиновый карбюраторный двигатель. В таком двигателе смешивание
топлива с воздухом происходит вне цилиндра – в специальном узле – карбюраторе. В
1897 году немецкий инженер Рудольф Дизель предложил двигатель с воспламенением
от сжатия, который теперь носит его имя – дизельный двигатель. КПД дизеля – 44%.

В 1903 году К.Э. Циолковский предложил реактивный двигатель для космической
ракеты, в котором топливом служил бы жидкий водород, а окислителем – жидкий
кислород. На слайде дана схема такой ракеты, взятая из работы Циолковского.
Подобная жидкостно-реактивная ракета была создана в 1933 году под руководством
С.П. Королева. Дальнейшая успешная разработка ракетно-космической техники
позволила осуществить запуск первого в мире ИСЗ и полет вокруг Земли первого в
мире космонавта Ю. А. Гагарина.

Учитель: Может ли холодное тело быть нагревателем? Нет? Вы ошибаетесь.
Например, чтобы заморозить начавшее таять мороженое, мы кладем его в “морозилку”
холодильника. Мороженое холоднее, чем воздух в комнате, но теплее, чем воздух в
морозильной камере. Значит мороженое будет нагревать воздух внутри холодильника.
Спустя какое-то время оно отдаст воздуху некоторое количество теплоты, охладится
и перестанет таять.

Выступление 3-го докладчика. (Слайд 12)

Как устроен и работает холодильник? Радиатор – чёрная решётка позади
холодильника, испаритель – морозильная камера внутри него и компрессор –
насос с электродвигателем. Радиатор и испаритель сделаны из металлической
трубки, заполненной легко сжижающимся газом – хладоном или другим газом.

Компрессор откачивает хладон из испарителя и под большим давлением накачивает
его в радиатор. Поскольку при этом над хладоном совершается механическая работа,
то, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия газообразного
хладона возрастает. Он нагревается приблизительно до 60–70 °С. Двигаясь по
радиатору, газообразный хладон передаёт свою теплоту воздуху в комнате и
постепенно сам охлаждается почти до комнатной температуры. Поскольку хладон сжат
компрессором, то есть находится под давлением, то по мере охлаждения в радиаторе
он постепенно становится жидким – конденсируется. В месте перехода трубки
радиатора в трубку испарителя (на рисунке отмечено синим кружком)
расположен дроссель – узкое отверстие. Дроссель препятствует свободному
циркулированию хладона, то есть способствует наличию высокого давления в
радиаторе. Поскольку из испарителя хладон постоянно откачивается компрессором,
то, продавливаясь через дроссель, сжиженный хладон попадает в область низкого
давления. При атмосферном давлении жидкий хладон кипит примерно при +20 °С. В
трубке испарителя давление ниже атмосферного, поэтому хладон закипает и
кипит там примерно при –20 °С, снова превращаясь в газ. Вспомним, что кипение
невозможно без постоянного поступления теплоты (Q = r·m). Поэтому трубка
испарителя интенсивно “отбирает” теплоту у продуктов в морозильной камере. При
этом продукты охлаждаются, а хладон в трубке нагревается, и его температура
возрастает примерно до –10 °С. Далее хладон снова попадает в компрессор и
продолжает циркулировать, становясь то жидким и горячим, то газообразным и
холодным. Как видите, холодильник не “вырабатывает” холод, а является тепловым
насосом. Он, перемещая хладон по замкнутой системе трубок, тем не
менее, “перекачивает” теплоту из морозильной камеры наружу.

Тепловой насос можно использовать не только в качестве холодильника или
кондиционера; его можно использовать и в роли обогревателя. Зимой, например,
можно “отбирать” теплоту у морозного воздуха за окном и передавать её воздуху в
комнате. В магазинах бытовой техники можно встретить “обратимые” кондиционеры,
которые летом перекачивают теплоту из комнаты на улицу, а зимой – с улицы в
комнату.

Выступление 4-го докладчика. (Слайды 13–15)

В 1816 году Роберт Стирлинг (Шотландия) изобрел воздушный двигатель. Он
содержит жидкость или газ, которые движутся в замкнутом объеме цилиндра, а
топливо сгорает не внутри, а вне двигателя. Поэтому двигатель Стирлинга
относится к двигателям внешнего сгорания. Он может работать от
любого источника тепла! Принцип работы двигателя заключается в постоянно
чередуемых нагревании и охлаждении рабочего тела (газа) в цилиндре с поршнем.
Существует несколько разных вариантов двигателя Стирлинга : α – стирлинг, β -стирлинг
и γ – стирлинг.

α – ρ

тирлинг имеет 2 цилиндра, соединенных между собой через
регенератор. Поршни прикреплены шатунами к общему валу под углом 90º. Газ
нагревается в горячем цилиндре, его давление увеличивается. Поршень этого
цилиндра опускается, а поршень холодного цилиндра смещается вправо, проворачивая
вал. Одновременно поршень горячего цилиндра начинает выталкивать газ в холодный
цилиндр через регенератор. Регенератор охлаждает горячий газ с одной стороны, и
нагревает холодный– с другой. За счет этого экономится часть подводимой к
двигателю энергии и КПД повышается. Двигатель Стирлинга используется для
приведения в действие водяных насосов, используя энергию Солнца, а также для
выработки электроэнергии.

Учитель: У всех тепловых двигателей КПД невысок, он не достигает даже
50%. А это означает, что более половины энергии, содержащейся в топливе,
теряется. Перед учеными встал вопрос: как повысить КПД? Как уменьшить потери?

Выступление 5-го докладчика. (Слайды 16, 17)

Общий КПД теплового двигателя складывается из 3 основных частей :
термодинамического КПД, механического КПД и топливной эффективности.
Термодинамический КПД показывает, какая часть выделяемого в двигателе тепла
превращается в полезную работу, а какая – уходит в окружающее пространство.
Механический КПД показывает, какая часть активной работы двигателя бесполезно
тратится на преодоление различных механических сопротивлений, а какая –
передается потребителю. Топливная эффективность показывает, какое количество
топлива эффективно сгорело в двигателе, а какая часть топлива не сгорает и идет
на выхлоп в виде паров топлива или продуктов его неполного сгорания. Исходя из
выше сказанного для повышения КПД двигателей необходимо:

1. Увеличение разности температур нагревателя и холодильника.

2 .Уменьшение трения частей двигателя .

3. Уменьшение потерь топлива вследствие его неполного сгорания (улучшение
качества топлива).

Т.о. необходимо совершенствовать конструкцию двигателей.

Выступление 6-го докладчика. (Слайды 18–21)

Применение тепловых двигателей :

1. Турбинных: Паровые турбины устанавливаются на тепловых электростанциях,
где они приводят в движение генераторы электрического тока, а также на всех
атомных электростанциях для получения пара высокой температуры. Также паровые
турбины ставятся на больших кораблях. Газовые турбины используются в
газотурбинных установках самолетов ИЛ-18, АН-22 (Антей ). Они постепенно
вытесняют паровые турбины на водном транспорте особенно на кораблях
военно-морского флота. Газотурбинные двигатели мощностью до 440 Вт используют на
большегрузных автомобилях.

2. Поршневых: Самый распространённый тип современного теплового двигателя –
двигатель внутреннего сгорания (карбюраторный и дизельный) Они устанавливаются
на автомобилях, самолётах, танках, тракторах, моторных лодках , вертолетах и т.
д.

3. Реактивных: В зависимости от того, используется или нет при работе
реактивного двигателя окружающая среда, их подразделяют на 2 основных класса –
воздушно-реактивные и реактивные. Наиболее широко они используются на
летательных аппаратах, таких как реактивные самолёты и ракеты-носители, а также
в устройстве метеорологических и боевых ракет.

Учитель: С момента, когда была построена первая паровая машина, до
настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно
изменили жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству
шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин, значительно усовершенствовать
промышленность, сельское хозяйство и бытовую жизнь человека. Но у каждой
“медали” есть своя оборотная сторона, существуют и негативные последствия
применения тепловых двигателей.

Выступление 7-го докладчика. (Слайды 22–25)

При работе тепловых двигателей для охлаждения используется окружающая среда
(атмосферный воздух и вода открытых водоемов), в результате чего происходит
повышение температуры окружающей среды, называемое “тепловым загрязнением”. Этот
эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается
концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации
углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем
поверхности Земли, что приводит к “парниковому эффекту”. Тепловые машины не
только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу углекислый газ, угарный
газ, различные виды сернистых соединений, а также соединения тяжелых металлов.
Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций
почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой,
хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в
атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.
Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде
всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов
автомобильных двигателей. Автомобиль стал причиной гиподинамии, главным
истребителем невосполнимых природных ресурсов, загрязнителем земли, воды и
воздуха, источником шума и опасности.

Пути предотвращения вредных воздействий: переход электрических станций на
ядерное горючее, очистка дымовых газов от оксида серы, замена жидкого и твердого
топлива на газообразное. В больших городах следует заменить двигатели
внутреннего сгорания электродвигателями, т.е. шире использовать трамваи,
троллейбусы, развивать метрополитен, а в качестве индивидуального транспорта
использовать велосипеды или электровелосипеды, прокладывая для них специальные
дорожки. Наиболее перспективными считаются электромобили и автомобили с
двигателями, работающими на водороде. Продуктом сгорания в водородном двигателе
является обычная вода. Можно использовать автомобили, работающие на солнечной
энергии.

Учитель: Главными источниками выбросов в атмосферу Архангельской области
являются предприятия: ЦБК Архангельска и Котласа, ТЭС Архангельска,
Северодвинска, Новодвинска , “Северное машиностроительное предприятие”,
“Звездочка” (г.Северодвинск). На долю автотранспорта области приходится 26 %
всех вредных выбросов. Особенно напряженная обстановка имеет место в
Архангельске и Новодвинске. Эти города входят в перечень городов страны с
наибольшим уровнем атмосферного загрязнения. Среди негативных последствий на
природу Архангельской области значительное место занимают полеты космических
аппаратов с космодрома Плесецк (слайд 26 ).

В наше время люди, принимающие ответственные технические решения, должны
владеть основами естественных наук, быть экологически грамотными,
осознавать свою ответственность за действия и понимать, какой вред они могут
принести природе. По нашему мнению автомобиль и другие тепловые двигатели в
жизни и деятельности современной цивилизации просто необходим. Но всякие
недоработки научно-технического прогресса необходимо устранять своевременно с
той целью, чтобы сохранить в чистоте окружающую среду. Поэтому всем нам
необходимо задуматься над вопросом: тепловой двигатель – это добро или зло?
Решение этой проблемы в первую очередь зависит от нас с вами (Слайд 27).

4. Подведение итогов урока: заполнение п.8 рабочей карты ученика
(Приложение 2).

5. Домашнее задание: повторить §82 [ 1 ], решить задачу [ 4 ]:

Мощность Архангельской ТЭС 450 МВт. За сутки ТЭС потребляет 1400 т мазута.
Определите КПД этой станции. Удельная теплота сгорания мазута 3,9 * 10 ⁷ Дж / кг
(Слайд 28).

Литература:

1. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский “Физика 10 кл.”. –
   Москва “Просвещение”, 2009 г.
2. И.Г. Кириллова “Книга для чтения по физике”. – Москва
   “Просвещение”, 1986 г.
3. Н.И. Дятчин “История развития техники: Учебное пособие”. –
   Ростов-на-Дону “Феникс”, 2001 г.
4. “Региональный компонент общего образования Архангельской области ”. –
   Архангельск, 2006 г.
5. Белогубова М. “Экологические проблемы Архангельской области:
   причины обострения, пути решения”.– Архангельск, 1991 г.

Тепловые двигатели. Холодильник – методическая разработка для учителей, Рахимжанова Кундуз Габдулрашидовна

План урока

Все, что вам следует знать о связи между тепловым двигателем и холодильником

Тепловые двигатели и холодильники в первую очередь связаны в одном аспекте. Они оба используют хладагенты для работы. Тепловые двигатели преобразуют тепло в энергию, которую можно использовать для выполнения таких задач, как вращение пропеллера самолета. Холодильники охлаждают продукты холодным воздухом, который впоследствии конденсируется в жидкость и хранится в холодильнике. Более того, тепловой насос теплового двигателя и парокомпрессионный цикл холодильника — две взаимосвязанные составляющие. Когда воздух проходит мимо них, тепловой насос нагревает их, а паровой компрессор охлаждает. Есть и другие факторы, давайте обсудим.

Как связаны холодильники и тепловые двигатели?

Холодильники и тепловые двигатели родственны тем, что они оба используют хладагенты для поддержания температуры или тепла. Тепловые двигатели используют источник тепла для производства энергии, которую можно использовать для выполнения работы, например, для вращения пропеллера самолета. Холодильники используют холодный воздух для охлаждения вещей, который затем конденсируется в жидкую форму и хранится в холодильнике.

Кроме того, они не все одинаковы, и между холодильниками и тепловыми двигателями есть несколько отличий.

• Во-первых, холодильники могут оставаться более холодными, чем большинство тепловых двигателей, потому что они используют много льда или воды для охлаждения. Тепловые двигатели не могут работать при очень высоких температурах, потому что при сжигании топлива образуется слишком много тепла.

• Во-вторых, холодильникам для работы требуется меньше энергии, чем тепловым двигателям.

• В-третьих, холодильники часто используются для хранения продуктов, а тепловые двигатели используются для производства энергии.

•  Наконец, холодильники используют компрессор для создания холодного воздуха, а тепловые двигатели используют вентилятор для создания горячего воздуха.

Холодильник и тепловой насос — это одно и то же?

Тепловой насос — это машина, которая тесно связана с парокомпрессионным циклом холодильника. Внешняя жидкость, проходящая через испаритель, охлаждается системой охлаждения, а внешняя жидкость, проходящая через конденсатор, нагревается тепловым насосом. Фундаментальное различие между холодильником и тепловым насосом заключается в том, как они охлаждают или нагревают.

Если целью действительно является охлаждение, вас будет интересовать охлаждающий компонент Q1, который осуществляется через испаритель, и действительно холодильная машина будет известна как холодильник, кондиционер, чиллер, криокулер, и так далее.

Если функция нагрева, вы будете сосредоточены на стороне нагрева, Qy на рисунке, который происходит через конденсатор, а нагревательное устройство будет называться тепловым насосом. Тепловой насос — это электронное устройство, которое нагревает конструкцию, перемещая тепло от более холодного снаружи. Другими словами, он похож на холодильники, но вместо того, чтобы охлаждать холодные резервуары, он предназначен для их обогрева.

Как работают тепловая машина и холодильник?

Тепловая машина представляет собой устройство, которое преобразует теплоту в работу посредством повторяющегося процесса с участием рабочего компонента. Рабочее тело поглощает теплоту Q1 от подвода при большой температуре T1 в одном плече непрерывного цикла и отдает тепло Q2 в сток при более низкой температуре T2 в другом плече. В полном цикле двигатель совершает работу W. Отношение выполненной работы к теплу, поглощаемому от источника, является КПД тепловой машины.

η = КПД тепловых двигателей.

Q1 = представляет собой тепло, полученное от данных источников в верхнем диапазоне температур T1.

Q2 = представляет собой тепло, выделяющееся при определенной более низкой температуре, которую обозначает T2.

W = слово done, выполненное в процессе.

Холодильник (или тепловой насос) работает в противоположном направлении от двигателя внутреннего сгорания. При температуре Т2 рабочее тело в холодильнике отбирает теплоту Q2 из холодной области, совершает над ней внешнюю работу W и отдает теплоту Q в водосборник при высокой температуре Т1. Отношение количества отведенной теплоты к выполненной работе называется коэффициентом полезного действия холодильника.

α = Коэффициент производительности холодильника.

Q1 = представляет выделяемое тепло.

Q2 = представляет собой тепло, извлекаемое из охлаждающего резервуара при определенной температуре, которую обозначает T2.

Вт = работа, выполненная в процессе.

Заключение

Из всего вышеизложенного мы узнали разные аспекты холодильников и тепловых двигателей. Короче говоря, они одинаковы в основном в одном аспекте. Оба они используют хладагенты для работы. Тепловые двигатели используют их для производства тепла (воздуха), а холодильники производят с их помощью холодный воздух. Помимо этого, тепловой насос, который используется в тепловых двигателях, также тесно связан с парокомпрессионным циклом холодильника. Тепловой насос нагревает проходящий воздух, а холодильник охлаждает его.

Тепловые насосы и холодильники – Колледж физики главы 1-17

15 Термодинамика

Резюме

• Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
• Продемонстрируйте, как работает тепловой насос для обогрева внутренних помещений.
• Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
• Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рисунок 1. Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они также делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Викисклад)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холодного к горячему. Это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Мы говорим «назад», а не «назад», потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые машины, хотя и могут работать в обратном направлении, на самом деле не могут быть реверсированы. Теплопередача происходит из холодного резервуара[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/латекс]в горячий. Для этого требуется входная работа[латекс]\жирныйсимвол{W},[/латекс], которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача в горячий резервуар составляет [латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}}=Q_{\textbf{c}}+W}.[/latex](Обратите внимание, что [латекс]\boldsymbol{Q_ {\textbf{h}}},\:\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}},[/latex] и [latex]\boldsymbol{W}[/latex] положительны, их направления указаны на схемах а не по знаку.) Задача теплового насоса заключается в передаче тепла [латекс] \ жирный символ {Q _ {\ textbf {h}}} [/ латекс] в теплую среду, например, в дом зимой. Задача кондиционеров и холодильников состоит в том, чтобы теплопередача[латекс]\жирный символ{Q_{\textbf{c}}}[/латекс]происходила из прохладной среды, например, для охлаждения комнаты или хранения продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном лице. В этом разделе мы сосредоточимся на его режиме обогрева.)

Рисунок 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на двигателе Карно (реверсивном). (а) Схематическая диаграмма, показывающая передачу тепла от холодного резервуара к теплому резервуару с тепловым насосом. Направления W , Q _h и Q _c противоположны тому, что они были бы в тепловой машине. (б) PV 9Диаграмма 0095 для цикла Карно, аналогичная диаграмме на рисунке 3, но перевернутая, по пути ADCBA. Площадь внутри цикла отрицательна, что означает наличие сетевого входа. По пути DC из холодного резервуара в систему идет теплопередача Q _c , а по пути BA — теплопередача Q _h из системы в горячий резервуар.

Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева дома, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос поставляет [латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}}=Q_{\textbf{c}} +W}.[/latex]Теплопередача происходит от наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее пространство. Вы платите только за [латекс]\boldsymbol{W},[/latex]и получаете дополнительную теплопередачу [латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/latex]извне бесплатно ; во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостатком является то, что ввод работы (требуемый вторым законом термодинамики) иногда дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме обогрева показаны на рис. 3. Используется рабочая жидкость, такая как хладагент, не содержащий хлорфторуглеродов. В наружных змеевиках (испарителях) теплообмен[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/латекс]происходит к рабочему телу от холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рисунок 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплообмен Q _c Рабочая жидкость поступает в испаритель (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (4) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры в помещении, теплопередача от газа в помещение происходит по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (2) к змеевикам наружного испарителя.

Компрессор с электрическим приводом (work input[latex]\boldsymbol{W}[/latex]) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, происходит передача тепла в помещение, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость возвращается через редукционный клапан к наружным змеевикам испарителя, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}}}[/latex]происходит в теплое пространство, по сравнению с количеством вложенной работы[латекс]\boldsymbol{ W}[/latex] требуется. Исходя из отношения того, что вы получаете, к тому, что вы тратите, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ([латекс]\boldsymbol{\textbf{COP}_{\textbf{hp}}}[/latex ]) будет

[латекс]\boldsymbol{\textbf{COP}_{\textbf{hp}}=}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{Q_{\textbf{h}}}{W}}.[ /латекс]

Поскольку КПД тепловой машины равен [латекс]\boldsymbol{Eff=W/Q _{\textbf{h}}},[/latex],мы видим, что [латекс]\boldsymbol{\textbf{COP}_{\ textbf{hp}}=1/Eff},[/latex]важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любой тепловой машины меньше 1, это означает, что [latex]\textbf{COP}_{\textbf{hp}}[/latex] всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}}}[/латекс], чем работа, вложенная в него. Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольшой разнице температур. Эффективность идеальной машины Карно равна[латекс]\boldsymbol{Eff_{\textbf{C}}=1-(T_{\textbf{c}}/T_{\textbf{h}})};[ /latex] Таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и тем больше [latex]\boldsymbol{\textbf{COP}_{\textbf{hp}}}[/latex](потому что[latex]\boldsymbol {\textbf{COP}_{\textbf{hp}}=1/Eff}[/latex]). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном климате.

Трение и другие необратимые процессы снижают КПД теплового двигателя, но они не приносят пользу работе теплового насоса — вместо этого они уменьшают подводимую работу, превращая часть ее в теплопередачу обратно в холодный резервуар до того, как она попадет в в тепловой насос.

Рисунок 4. Когда реальная тепловая машина работает в обратном направлении, часть предполагаемой подводимой работы ( Вт ) идет на теплопередачу до того, как она попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия КПД _л.с. . На этом рисунке Вт ‘ представляет часть Вт , которая поступает в тепловой насос, а оставшаяся часть Вт теряется в виде теплоты трения ( Q 9 0095 _ф ) в холодный резервуар. Если бы все Вт ушли в тепловой насос, то Q _ч было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, так как в теории не было бы диссипативных процессов, снижающих теплоотдачу к горячему резервуару.

Пример 1: Лучший

КПД _{л. {\circ}\textbf{C}}?[/латекс]}

Стратегия

Двигатель Карно в обратном порядке обеспечивает наилучшую возможную производительность теплового насоса. Как отмечалось выше,[latex]\boldsymbol{COP_{\textbf{hp}}=1/Eff},[/latex], поэтому для решения этой задачи нам нужно сначала рассчитать эффективность Карно.

Решение

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется выражением :

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

Температуры в градусах Кельвина: \textbf{K}},[/latex]так что

[латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}=1-}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{258\textbf{ K}}{318\textbf{ K}}}[/latex][latex]\boldsymbol{=0,1887}.[/latex]

Таким образом, из приведенного выше обсуждения

[latex]\boldsymbol{COP_{\ textbf{hp}}=}[/latex][latex]\boldsymbol{\frac{1}{Eff}}[/latex][latex]\boldsymbol{=}[/latex][latex]\boldsymbol{\frac {1}{0,1887}}[/латекс][латекс]\boldsymbol{=5,30},[/латекс]

или

[латекс]\boldsymbol{COP _{\textbf{hp}}=}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{Q _{\textbf{h}}}{W}}[/latex ][latex]\boldsymbol{=5. 30},[/latex]

, так что

[latex]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}}=5.30\textbf{W}}.[/latex]

Обсуждение

Этот результат означает, что теплопередача тепловым насосом в 5,30 раз больше затраченной на него работы. Такая же теплопередача электрическим комнатным обогревателем обошлась бы в 5,30 раза дороже, чем теплопередача, производимая этим тепловым насосом. Это не нарушение закона сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рисунок 5. В тепловом насосе из приведенного выше примера происходит передача тепла снаружи внутрь вместе с работой, необходимой для запуска насоса. Обратите внимание, что температура холода, создаваемая тепловым насосом, ниже температуры наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла в рабочую жидкость. Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении, чтобы происходила передача тепла в дом.

Реальные тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальный насос в предыдущем примере; их значения [латекс]\boldsymbol{COP_{\textbf{hp}}}[/latex] находятся в диапазоне примерно от 2 до 4. Этот диапазон означает, что теплопередача[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}} }[/latex]от тепловых насосов в 2-4 раза больше, чем затраченная на них работа[latex]\boldsymbol{W}[/latex]. Однако их экономическая целесообразность по-прежнему ограничена, поскольку [латекс]\boldsymbol{W}[/латекс] обычно снабжается электроэнергией, которая стоит больше в пересчете на джоуль, чем теплопередача при сжигании топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен прослужить дольше, чтобы его стоимость окупилась. Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически выгоднее там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешевое, а другие виды топлива относительно дорогие. Кроме того, поскольку они могут как охлаждать, так и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одними из лучших мест для тепловых насосов являются районы с теплым летним климатом и прохладной зимой. На рис. 6 показан тепловой насос, называемый « обратный цикл» или « охладитель сплит-системы» в некоторых странах.

Рисунок 6. В жаркую погоду происходит передача тепла от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая помещение. Это переключение достигается реверсированием направления потока рабочей жидкости.

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата труда, а это дорого. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/latex]происходит из холодной среды, по сравнению с тем, сколько работы[латекс]\boldsymbol{ W}[/latex] требуется. То, что считается преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия [латекс]\boldsymbol{(COP _{\textbf{ref}})}[/латекс] кондиционера или холодильника должен быть

[латекс]\boldsymbol{COP _{\textbf{ref}}=}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{Q _{\textbf{c}}}{W}}. [/latex]

Снова отметив, что[latex]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}}=Q_{\textbf{c}}+W},[/latex]мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс]\boldsymbol{COP _{\textbf{hp}}=Q_{\textbf{h}}/W}[/latex]и[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{h}} }[/latex]больше, чем[latex]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}.[/latex]В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что

[латекс]\boldsymbol{COP _{\textbf{ref}}=COP _{\textbf{hp}}-1}[/latex]

для теплового двигателя, используемого либо в качестве кондиционера, либо в качестве теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники, как правило, работают на удивление хорошо, имея значения [latex]\boldsymbol{COP _{\textbf{ref}}}[/latex] в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем [latex]\boldsymbol{ значения COP_{\textbf{hp}}}[/latex] для тепловых насосов, упомянутых выше, потому что разница температур меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Разработана система рейтинга[latex]\boldsymbol{COP}[/latex] под названием «рейтинг энергоэффективности» ([latex]\boldsymbol{EER}[/latex]). Этот рейтинг является примером того, как единицы, не входящие в систему СИ, все еще используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить задачу для потребителей, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star Rating из 5 звезд — чем больше звезд, тем более энергоэффективным является устройство.[latex]\boldsymbol{EER\textbf{s }}[/latex]выражаются в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах. Комнатные кондиционеры легко доступны с[latex]\boldsymbol{EER\textbf{s}}[/latex]от 6 до 12. Хотя это не то же самое, что[latex]\boldsymbol{COP\textbf{s}}[ /latex]только что описанные, эти[latex]\boldsymbol{EER\textbf{s}}[/latex]хороши для сравнения — чем больше[latex]\boldsymbol{EER},[/latex]тем дешевле воздух кондиционер должен работать (но тем выше, вероятно, будет его закупочная цена).

[latex]\boldsymbol{EER}[/latex] кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс]\boldsymbol{EER=}[/латекс][латекс]\boldsymbol{\frac{Q _{\textbf{c}}/t_1}{W/t_2}},[/latex]

, где[latex]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/latex]количество теплопередачи от холодной среды в британских тепловых единицах,[latex]\boldsymbol{t_1}[/latex]время в часах,[latex]\boldsymbol{W}[/latex]вводимая работа в джоулях, а[latex]\boldsymbol{t_2}[/latex]время в секундах.

СТРАТЕГИИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ДЛЯ ТЕРМОДИНАМИКИ

1. Изучите ситуацию, чтобы определить, идет ли речь о теплоте, работе или внутренней энергии. Найдите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Примерами таких систем являются тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры.
2. Определите интересующую вас систему и начертите маркированную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
3. Определите, что именно нужно определить в задаче (идентифицируйте неизвестные). Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность не то же самое, что коэффициент полезного действия.
4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из заявленной проблемы (укажите известное). Обязательно отличайте передачу тепла в систему от передачи тепла из системы, а также работу, вложенную в систему, от работы, выработанной. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
5. Решите соответствующее уравнение для определяемой величины (неизвестной).
6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численное решение с единицами измерения.
7. Проверьте ответ, чтобы убедиться, что он разумен: Имеет ли он смысл? Например, эффективность всегда меньше 1, тогда как коэффициенты полезного действия больше 1.

• Артефакт второго закона термодинамики — способность нагревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.