Тепловые машины. Цикл Карно. Школьный курс физики

Главная | Физика 10 класс | Тепловые машины. Цикл Карно

Тепловые двигатели.

Большая часть двигателей на Земле — тепловые машины, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию тел в механическую энергию и обратно. По способу теплообмена и совершения механической работы тепловые машины разделяют на
тепловые двигатели и холодильные установки. К тепловым двигателям относят поршневые, роторные и реактивные, а к холодильным установкам — домашние холодильники и кондиционеры.

В силу необратимости процессов в природе существуют определённые ограничения на возможность использования внутренней энергии для совершения работы тепловыми двигателями. Так, ни один тепловой двигатель не может иметь КПД, равный единице.

Коэффициентом полезного действия (КПД) η теплового двигателя называют физическую величину, равную отношению совершённой двигателем работы А к количеству теплоты Q, полученному для этой цели.

При адиабатическом расширении газа в цилиндре работа совершается за счёт убыли его внутренней энергии без передачи количества теплоты другим телам. Согласно первому закону термодинамики, ΔU = А, A’ = -А = -ΔU. При изотермическом процессе всё передаваемое газу количество теплоты оказывается равным работе газа: А’ = Q. Однако как в первом, так и во втором процессе работа совершается при однократном расширении газа до давления, равного внешнему (например, атмосферному давлению). Тепловой двигатель же должен работать длительное время. Это возможно лишь в том случае, когда все части двигателя (поршни, клапаны и т. д.) совершают движения, повторяющиеся через определённые промежутки времени. Тем самым, двигатель должен периодически по прошествии одного рабочего цикла возвращаться в исходное состояние, или же в двигателе должен совершаться неизменный во времени (стационарный) процесс (например, непрерывное вращение турбины).

Для того чтобы возвратить газ в цилиндре в исходное состояние, его необходимо сжать. Для сжатия газа над ним следует совершить работу. Работа сжатия будет меньше работы, совершаемой самим газом при расширении, если газ сжимать при меньшей температуре, а значит, и при меньшем давлении, чем это происходило при расширении газа. Для этого до сжатия или в процессе сжатия газ охлаждают, передав некоторое количество теплоты другим телам (холодильнику).

Принцип действия теплового двигателя.

Рабочим телом тепловых двигателей является газ или пар, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру T1 называют температурой нагревателя. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать.

Температуру T2 называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передаётся атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется.

Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 7.20.

Рис. 7.20

Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2 < Q1.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна

А’ = Q1 — Q2.

Тогда КПД теплового двигателя будет равен

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.

Идеальная тепловая машина Карно.

Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя при использовании нагревателя и холодильника с заданными температурами. C целью решения этой важной для теплотехники задачи французский учёный и военный инженер Сади Карно (1796—1832) придумал идеальную тепловую машину. Все процессы в ней рассматриваются как равновесные (обратимые). В машине Карно осуществляется круговой процесс, или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат (рис. 7.21).

Рис. 7.21

Кривые 1—2 и 3—4 — это изотермы, а 2—3 и 4—1 — адиабаты. Сначала газ расширяется изотермически при температуре нагревателя T1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он адиабатически расширяется и не обменивается количеством теплоты с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре холодильника T2. В этом процессе газ отдаёт холодильнику количество теплоты Q2. Наконец, газ сжимается адиабатически и возвращается в начальное состояние.

При изотермическом расширении газ совершает работу A’1 > 0, равную количеству теплоты Q1. При адиабатическом расширении 2—3 положительная работа A’3 равна уменьшению внутренней энергии при охлаждении газа от температуры T1 до температуры T2: A’3 = -ΔU12 = U(T1)-U(T2).

Изотермическое сжатие при температуре T2 требует совершения над газом работы A2. Газ совершает соответственно отрицательную работу A’2 = —A2 = Q2. Адиабатическое сжатие приводит к совершению над газом работы A4 = ΔU21. Работа самого газа A’4 = —A4 = — ΔU21 = U(T2)-U(T1). Поэтому суммарная работа газа при двух адиабатических процессах равна нулю.

Итак, за цикл Карно газ совершает работу:

Для вычисления КПД идеальной тепловой машины Карно нужно вычислить значения работ при изотермических процессах 1—2 и 3—4. Расчёты привели Карно к следующему результату:

Максимально возможный КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, всегда меньше единицы. КПД идеальной тепловой машины зависит от температур T1нагревателя и T2холодильника и не зависит от природы рабочего тела. В таком двигателе устранены любые потери энергии, кроме передачи энергии холодильнику. Но в реальных двигателях всегда существуют потери энергии, например из-за трения и рассеяния энергии в окружающую среду.

Из формулы (1) следует, что для повышения КПД теплового двигателя необходимо повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника.

Идеальная холодильная машина.

Цикл Карно обратим, поэтому его можно провести в обратном направлении. Тем самым, у нас получится идеальная холодильная машина. При этом процессы пойдут в обратном порядке, работа А совершается для приведения в действие машины.

Количество теплоты Q1 передаётся рабочим телом нагревателю более высокой температуры, а количество теплоты Q2 поступает к рабочему телу от холодильника (рис. 7.22).

Рис. 7.22

Таким образом, количество теплоты передаётся от холодного тела к горячему, поэтому данную машину и называют холодильной. Но второму закону термодинамики это не противоречит: количество теплоты переходит не само собой, а за счёт совершения работы.

Эффективность холодильной машины характеризуют отношением ε = Q2/ A. Физическую величину ε называют холодильным коэффициентом. Для идеальной холодильной машины

Из формулы (2) следует, что холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, которое отдаёт количество теплоты.
Очевидно, холодильный коэффициент может быть больше единицы. Для реальных холодильников ε > 3. Разновидностью холодильной машины является кондиционер, который забирает количество теплоты из комнаты и передаёт его окружающему воздуху.

Вопросы:

1. Опишите схему работы теплового двигателя.

2. Какую физическую величину называют КПД теплового двигателя?

3. Это представляет собой цикл Карно? Какие процессы происходят в цикле Карно?

4. Как можно определить КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно?

5. Как можно повысить КПД теплового двигателя?

6. Какие процессы происходят в идеальной холодильной машине, работающей по циклу Карно?

Вопросы для обсуждения:

1. Что является рабочим телом, нагревателем и холодильником:

а) в ракетном двигателе;

б) в дизельном двигателе?

2. Древнегреческий учёный и изобретатель Герои Александрийский в трактате «Пневматика» описал различные пневматические устройства. Одним из них является эолипил — полый шар, укреплённый на оси (рис. 7.23).

Рис. 7.23

Шар снабжён двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками; под ним установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нём закипала, образующийся пар поступал во внутреннюю полость шара по пароотводам и вытекал из неё по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. Прообразом какого современного технического устройства стал эолипил Герона?

3. На рисунке 7.24 изображена схема устройства простейшей паровой турбины.

Рис. 7.24

На вал 1 насажен массивный диск 2. на котором укреплены лопасти 3. На лопасти поступает пар из сопел 4. Какие преобразования энергии происходят при работе паровой турбины?

Что является в паровой турбине:

а) нагревателем;

б) рабочим телом;

в) холодильником?

Какими преимуществами обладает паровая турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания?

Пример решения задачи

КПД тепловой машины равен 40%. Каким станет КПД этой машины, если количество теплоты, получаемое машиной за цикл, увеличить на 20%, а количество теплоты, отдаваемое холодильнику, уменьшить на 10% ?

Ответ: η2 = 55%.

Упражнения:

1. Определите КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, если температура нагревателя равна 400 К, а температура холодильника — 300 К.

2. В идеальной тепловой машине температура нагревателя в 3 раза больше температуры холодильника. Какую работу совершила машина, если она получила от нагревателя количество теплоты, равное 42 кДж?

3. Совершая замкнутый цикл, газ получил от нагревателя количество теплоты, равное 4130 Дж. Какую работу совершил газ в результате протекания всего цикла, если КПД цикла равен 17% ?

4. В идеальной тепловой машине 2/3 количества теплоты, полученного от нагревателя, рабочее тело отдаёт холодильнику. Температура холодильника равна 0 °C. Определите температуру нагревателя.

5. В идеальной тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа, равная 300 Дж. Определите КПД тепловой машины и температуру нагревателя, если температура холодильника равна 280 К.

Это любопытно…

Из истории развития физики и техники

К выводу о том, что тепловые процессы происходят при передаче количества теплоты от более нагретых тел к менее нагретым, впервые пришёл Карно. В книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824) он на основе теории теплорода выполнил анализ существовавших в то время паровых машин и сформулировал условия, при которых КПД достигает максимального значения (в паровых машинах того времени КПД не превышал 2%). Оказалось, что только разность температур определяет КПД теплового двигателя, рабочее же тело не играет никакой роли (теорема Карно). Кроме того, Карно ввёл в обиход ряд терминов, которые до сих пор используются в термодинамике: идеальная тепловая машина, идеальный цикл, обратимость процесса и т. п. Карно вычислил КПД идеальной тепловой машины и доказал, что он является максимально возможным для любого реального теплового двигателя.

C. Карно

Спустя 10 лет после смерти Карно Клапейрон привлёк внимание научной общественности к его работам. Благодаря Клапейрону идеи Карно стали широко известны и позволили Томсону, Клаузиусу и другим учёным разработать основы классической термодинамики.

Более подробно на сайте «История техники»

Предыдущая страницаСледующая страница

Замкнутый тепловой процесс. КПД тепловой машины

Замкнутый тепловой процесс – это процесс, в котором рабочее вещество, находящееся внутри тепловой машины, проходит через цикл, в результате, никакое количество вещества не входит или не выходит из системы. Такая последовательная смена состояний возможна только в течение некоторого количества времени.

Суть замкнутого теплового процесса заключается в циклическом изменении рабочего тела – от низкой температуры до высокой, затем обратно к низкой температуре. При этом работа, которую производит тепловая машина, зависит от разности температур между низкотемпературным и высокотемпературным резервуарами.

Цикл Карно

Примером замкнутого теплового процесса является цикл Карно, состоящий из двух изотерм и двух адиабатических процессов. Он используется для описания работы тепловых двигателей и холодильных установок.

Формула для работы в замкнутом тепловом процессе, выполненной над системой, выглядит так:

W = ΔU,

где W – выполненная работа, ΔU – изменение внутренней энергии системы.

Верхний и нижний пределы интегрирования зависят от конкретного цикла и определяется, исходя из условий задачи.

Для цикла Карно можно записать закон сохранения энергии в следующей форме:

Q1 — Q2 = W,

где Q1 – полученное тепло на первом тепловом контакте, Q2 – отданное тепло на втором тепловом контакте.

Работа будет равна разности полученного и отданного тепла:

W = Q1 — Q2.

Коэффициент полезного действия

КПД тепловой машины выражается как отношение мощности, выделяемой тепловой машиной к мощности, затраченной на нагрев рабочего тела. Этот коэффициент позволяет оценить эффективность использования энергии в процессе работы тепловой машины.

Например, КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, выражается следующей формулой:

η = 1 — (Tc/Th)

где η – КПД тепловой машины, Tc – температура низкотемпературного резервуара, а Th – температура высокотемпературного резервуара.

Эта формула показывает, что КПД тепловой машины зависит от разности температур между резервуарами. Чем больше эта разность, тем выше КПД.

Решение задач

Разберем несколько примеров задач по изученной теме.

В цикле Карно температура нагревателя равна 1000 K, а температура холодильника равна 300 K. Найдите КПД этого цикла.

Решение: КПД цикла Карно определяется по формуле η = 1 – T2/T1, где T1 – температура нагревателя, а T2 – температура холодильника. Подставим данные в формулу: η = 1 – 300/1000 = 0,7. Ответ: КПД цикла Карно равен 0,7.

Тепловой двигатель работает по циклу, состоящему из двух изохор, одной изотермы и одной адиабаты. Температура горячего резервуара равна 600 К, а холодного — 300 К. Работа двигателя равна 100 Дж. Найдите КПД этого цикла.

Решение: КПД тепловой машины выражается формулой η = W/Q1, где W — работа двигателя, Q1 – полученное тепло от горячего резервуара. Из цикла видно, что две изохоры и одна изотерма – это три процесса, при которых происходят теплообмены. 0,00831 = 0,4

Ответ: КПД тепловой машины равен 0,4.

Поделиться статьей в соцсетях

Остались вопросы?
Наши репетиторы помогут

Остались вопросы?

13.5: Второй закон термодинамики

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  • Идентификатор страницы
    18083
    • Boundless (теперь LumenLearning)
    • Boundless

    цели обучения

    • Сравните концепцию необратимости между первым и вторым законами термодинамики

    Необратимость

    Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов. Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым.

    Например, теплота включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит.

    Односторонний процесс в природе : Примеры одностороннего процесса в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

    Второй закон термодинамики

    Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики допускает их возникновение — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти способы эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы. Уже знакомое нам направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

    Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

    Второй закон термодинамики (первое выражение): Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

    Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему. Позже мы выразим этот закон в других терминах, в первую очередь в терминах энтропии.

    Тепловые двигатели

    В термодинамике тепловой двигатель представляет собой систему, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.

    цели обучения

    • Обоснуйте, почему КПД является одним из важнейших параметров любой тепловой машины

    В термодинамике тепловой двигатель представляет собой систему, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи из какого-либо источника. Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как Q h , а теплоотдача в холодный объект (или холодный резервуар) Q c , а работа двигателя равна W. Температуры горячего и холодного резервуаров T h и T c , соответственно.

    Теплопередача : (a) Теплопередача происходит спонтанно от горячего объекта к холодному, в соответствии со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — работа, Qc — теплопередача в холодный резервуар.

    Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

    Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле хотелось бы, чтобы W равнялось Q h , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Q c =0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики (второе выражение) также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы: Ни в одной системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать в работу циклический процесс, при котором система возвращается в исходное состояние.

    Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон в его второй форме ясно утверждает, что в таких двигателях не может быть совершенного преобразования теплопередачи в совершаемую работу.

    Эффективность

    Циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. По определению внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть \(\mathrm{ΔU=0}\). Первый закон термодинамики утверждает, что \(\mathrm{ΔU=Q−W}\), где Q — чистая теплопередача в течение цикла (\(\mathrm{W=Q_h−Q_c}\)) и W — чистая работа, выполненная системой. Поскольку \(\mathrm{ΔU=0}\) для полного цикла, мы имеем \(\mathrm{W=Q}\). Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна чистой передаче тепла в систему, или

    \(\mathrm{W=Q_h−Q_c}\) (циклический процесс),

    , как схематично показано на (b).

    КПД – один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах происходит значительная теплопередача Q c , теряемая в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Мы определяем КПД тепловой машины ( Eff ) как его чистую выходную мощность W, деленную на теплоотдачу к двигатель Q h:

    \[\mathrm{E_{ff}=WQ_h.}\]

    Так как \(\mathrm{W=Q_h−Q_c}\) в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

    \(\mathrm{Eff=\frac{Q_h−Q_c}{Q_h}=1−\frac{Q_c}{Q_h}}\) (для циклического процесса),

    , чтобы было ясно, что эффективность 1 или 100 %, возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q c =0).

    Циклы Карно

    Цикл Карно является наиболее эффективным из возможных циклических процессов, в нем используются только обратимые процессы.

    цели обучения

    • Проанализировать, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем

    Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть КПД на 100 %, поскольку всегда должна происходить некоторая теплопередача Q c в окружающую среду. (См. наш атом в разделе «Тепловые двигатели».) Насколько эффективным может быть тогда тепловой двигатель? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832) в 1824 г., изучая появившуюся в то время технологию теплового двигателя, решающую для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, теперь называемый 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.

    Для цикла Карно важно то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность. Это увеличивает теплоотдачу Q c в окружающую среду и снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы предпочтительнее.

    Второй закон термодинамики (третья форма): 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.

    Эффективность

    Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

    PV-диаграмма для цикла Карно : PV-диаграмма для цикла Карно с использованием только обратимых изотермических и адиабатических процессов. Теплопередача Qh в рабочее тело происходит по изотермическому пути AB, который протекает при постоянной температуре Th. Теплопередача Qc происходит от рабочего тела по изотермическому пути CD, который протекает при постоянной температуре Tc. Чистый выход W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах Th и Tc.

    Карно также определил КПД идеальной тепловой машины, то есть машины Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется выражением: \(\mathrm{Eff=\frac{Q_h−Q_c}{Q_h}=1−\frac{Q_c}{Q_h}}\) .

    Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины отношение \(\mathrm{\frac{Q_c}{Q_h}}}\) равно отношению абсолютных температур тепловых резервуаров. То есть \(\mathrm{\frac{Q_c}{Q_h} = \frac{T_c}{T_h}}\) для двигателя Карно, так что максимальная эффективность или эффективность Карно Eff C определяется выражением \(\mathrm{Eff_c=1−\frac{T_c}{T_h}}\), где T h и T c в градусах Кельвина. (Вывод формулы немного выходит за рамки этого атома.) Никакая 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.

    Тепловые насосы и холодильники

    Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к радиатору против градиента температуры.

    цели обучения

    • Объяснить, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему

    Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холодного к горячему. Теплопередача (Q c ) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется затрата работы W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача в горячий резервуар составляет Q ч = Q с +В. Задачей теплового насоса является передача тепла Q h в теплую среду, например, в дом зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла Q c из прохладной среды, например, для охлаждения комнаты или хранения продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. На самом деле, тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном флаконе. В этом разделе мы сосредоточимся на его режиме нагрева.

    Тепловые насосы

    В базовом тепловом насосе используется рабочая жидкость, такая как хладагент, не содержащий хлорфторуглеродов. Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителях) теплообмен Q c происходит от холодного наружного воздуха к рабочему телу, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W) 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.)

    Простой тепловой насос : Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.

    Коэффициент полезного действия

    О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q ч передается в теплое помещение по сравнению с тем, сколько работы W требуется. Мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса (COP л.с. ) как

    \[\mathrm{COP_{hp}=\dfrac{Q_h}{W}.}\]

    Поскольку КПД тепловой машины равен Eff = W/Q ч , мы видим, что COP л. с. = 1/ Eff . Поскольку КПД любой тепловой машины меньше 1, это означает, что КПД л.с. всегда больше 1, то есть теплопередача теплового насоса Q ч всегда больше, чем затраченная на него работа. Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольшой разнице температур. КПД совершенной машины (или машины Карно) равен 9.0032

    \[\mathrm{Eff_C=1\dfrac{T_c}{T_h};}\]

    Таким образом, чем меньше разность температур, тем меньше КПД и больше КПД л.с. .

    Кондиционеры и холодильники

    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 работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по величине теплоотдачи Q c происходит из-за холода по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP ref ) кондиционера или холодильника как

    \[\mathrm{COP_{ref}=\dfrac{Q_c}{W}.}\]

    Поскольку \( \mathrm{Q_h = Q_c + W}\) и \(\mathrm{COP_{hp} = \frac{Q_h}{W}}\), получаем, что

    \[\mathrm{COP_{ref}=COP_ {л.с.}−1.}\]

    Также из Q h >Q c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.

    Ключевые моменты

    • Многие термодинамические явления, допускаемые первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
    • Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением самопроизвольных процессов.
    • Согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не может иметь единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.
    • Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы.
    • Второй закон термодинамики можно выразить следующим образом: ни в какой системе теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
    • Эффективность тепловой машины (Eff) определяется как чистая выходная мощность двигателя W, деленная на теплоотдачу двигателю: Eff=WQh=1−QcQhEff=WQh=1−QcQh, где Q c и Q h обозначает передачу тепла в горячий (двигатель) и холодный (окружающая среда) резервуар.
    • Второй закон термодинамики указывает, что двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД любой тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.
    • В необратимых процессах участвуют диссипативные факторы, что снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы лучше с точки зрения эффективности.
    • Эффективность Карно, максимально достижимая эффективность тепловой машины, определяется как Effc=1−TcThEffc=1−TcTh.
    • Задачей теплового насоса является передача тепла Qh в теплую среду, например, в дом зимой.
    • Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла Qc из прохладной среды, например, при охлаждении комнаты или хранении продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды.
    • Тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном флаконе. Это стало возможным благодаря реверсированию потока его хладагента, изменению направления полезной теплопередачи.

    Ключевые термины

    • энтропия : Мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
    • первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специализированная для термодинамических систем. Обычно выражается как ΔU=Q-W.
    • тепловая энергия : Внутренняя энергия системы, находящейся в термодинамическом равновесии из-за ее температуры.
    • внутренняя энергия : Сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно энергии, необходимой для создания системы, за исключением энергии, необходимой для смещения ее окружения.
    • второй закон термодинамики : Закон, утверждающий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, потому что изолированные системы спонтанно эволюционируют к термодинамическому равновесию — состоянию максимальной энтропии. Точно так же вечные двигатели второго рода невозможны.
    • тепловой двигатель : Любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.
    • CFC : Органическое соединение, обычно используемое в качестве хладагента. Больше не используется из-за эффекта разрушения озонового слоя.

    ЛИЦЕНЗИИ И АВТОРСТВО

    CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ​​ПРЕДОСТАВЛЕННОЕ РАНЕЕ

    • Курирование и пересмотр. Предоставлено : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

    CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ​​КОНКРЕТНОЕ АВТОРСТВО

    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • первый закон термодинамики. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/the%20f…термодинамика . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • энтропии. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/entropy . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStaxCNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Тепловая машина. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Heat_engine . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//physics/de…nternal-energy . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Тепловая энергия. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_energy . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42235/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//physics/de…thermodynamics . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

      • Тепловая машина

    • . Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en. wiktionary.org/wiki/heat_engine . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторское право . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStaxCNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 16 января 2015 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42235/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m42236/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Тепловой насос. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Heat_pump . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//physics/definition/cfc . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 16 января 2015 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42235/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
    • Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42236/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution

    Эта страница под названием 13.5: Второй закон термодинамики распространяется по незаявленной лицензии и была создана, изменена и/или курирована Boundless.

    1. Наверх
      • Была ли эта статья полезной?
      1. Тип изделия
        Раздел или Страница
        Автор
        Безграничный
        Показать оглавление
        нет
        Включено
        да
      2. Теги
        1. ХФУ
        2. энтропия
        3. первый закон термодинамики
        4. тепловая машина
        5. внутренняя энергия
        6. второй закон термодинамики
        7. источник-физ-14524
        8. тепловая энергия

      15.

      4 Идеальная тепловая машина Карно: второй закон термодинамики в новой редакции

      Цели обучения

      К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

      • Идентифицировать цикл Карно
      • Рассчитать максимальный теоретический КПД ядерного реактора
      • Объясните, как диссипативные процессы влияют на идеальную машину Карно

      Рис. 15.22 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 100ºF100ºF. 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 возвращается в брюшную полость, в результате чего низ птицы становится тяжелым и опрокидывается. Если не считать очень небольшого вклада энергии — первоначального смачивания головы — птица становится своего рода вечным двигателем. (кредит: Arabesk.nl, Викисклад)

      Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть КПД на 100%, так как всегда должна существовать некоторая теплопередача QcQc size 12{Q rSub { size 8{c} } } {} в окружающую среду, т.е. часто называют отработанным теплом. Насколько эффективной может быть тепловая машина? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832) в 1824 г., изучая появлявшуюся тогда технологию теплового двигателя, решающую для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, теперь называемый 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 теплоотдачу QcQc size 12{Q rSub { size 8{c} } } {} в окружающую среду и снижает КПД 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. 15.23 показана диаграмма размера PVPV 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 эффективность циклической тепловой машины определяется как

      15,33 Eff=Qh-QcQh=1-QcQh.Eff=Qh-QcQh=1-QcQh. size 12{ ital «Eff»= { {Q rSub { size 8{h} } — Q rSub { size 8{c} } } over {Q rSub { size 8{h} } } } =1 — {{Q rSub { size 8{c} } } over {Q rSub { size 8{h} } } } } {}

      Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины соотношение Qc/QhQc/Qh size 12{Q rSub { size 8{c} } /Q rSub { size 8{h} } } {} равен отношению абсолютных температур тепловых резервуаров. То есть Qc/Qh=Tc/ThQc/Qh=Tc/Th размер 12{Q rSub { размер 8{c} } /Q rSub { размер 8{h} } =T rSub { размер 8{c} } /T rSub { size 8{h} } } {} для двигателя Карно, так что максимальная эффективность Карно EffCEffC size 12{ ital «Eff» rSub { size 8{c} } } {} равна

      15.34 EffC=1-TcTh,EffC=1-TcTh, размер 12{ ital «Eff» rSub { размер 8{c} } =1 — { {T rSub { размер 8{c} } } над {T rSub { размер 8{h} } } } } {}

      , где ThTh размер 12{T rSub { размер 8{h} } } } {} и TcTc размер 12{T rSub { размер 8{c} } } {} в кельвинах (или любая другая абсолютная температурная 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% КПД был бы возможен, только если Tc=0 KTc=0 K size 12{T rSub { size 8{c} } =0″ K»} {} — то есть только резервуара были при абсолютном нуле, что практически и теоретически невозможно. 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 отношение Tc/ThTc/Th размер 12{T rSub { размер 8{c} } /T rSub { размер 8{h} } } {} как можно меньше . 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 размера PVPV 12{ ital «PV»} {}; также кажется разумным, что чем больше разница температур, тем легче отвести 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. 15.23 Диаграмма PVPV size 12{ ital «PV»} {} для цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплообмен QhQh размер 12{Q rSub { размер 8{h} } } {} происходит в рабочее тело по изотермическому пути AB, который происходит при постоянной температуре ThTh размер 12{T rSub { размер 8{h} } } { }. Теплообмен QcQc размер 12{Q rSub { размер 8{c} } } {} происходит вне рабочего тела по изотермическому пути CD, который происходит при постоянной температуре TcTc размер 12{T rSub { размер 8{c} } } {}. Размер сетевого вывода WW 12{W} {} равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах ThTh размер 12{T rSub { размер 8{h} } } } {} и TcTc размер 12{T rSub { размер 8{c} } } {} . Любая тепловая машина, использующая обратимые процессы и работающая между этими двумя температурами, будет иметь такой же максимальный КПД, как и машина Карно.

      Пример 15.4 Максимальный теоретический КПД ядерного реактора

      В ядерном энергетическом реакторе находится вода под давлением при температуре 300ºC300ºC размер 12{«300″°C} {}. Более высокие температуры теоретически возможны, но практически невозможны из-за ограничений материалов, используемых в реакторе. Теплопередача от этой воды представляет собой сложный процесс (см. рис. 15.24). Пар, вырабатываемый в парогенераторе, используется для привода турбогенераторов. В конце концов пар конденсируется в воду при температуре 27ºC27ºC размера 12{«27″°C} {}, а затем снова нагревается, чтобы начать цикл заново. Рассчитайте максимальный теоретический КПД тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.

      Рис. 15.24 Принципиальная схема 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 соприкасается с паром, проходящим через турбины.

      Стратегия

      Так как температуры даны для горячего и холодного резервуаров этой тепловой машины, EffC=1−TcThEffC=1−TcTh size 12{ ital «Eff» rSub { size 8{C} } =1- { {T rSub {size 8{c} } } over {T rSub {size 8{h} } } } } {} можно использовать для расчета эффективности Карно (максимальной теоретической). Эти температуры должны быть сначала преобразованы в кельвины.

      Решение

      Температуры горячего и холодного резервуара даны как 300ºC300ºC размер 12{«300″°C} {} и 27,0ºC27,0ºC размер 12{«27» «.» 0°C} {} соответственно. Таким образом, в кельвинах Th=573 KTh=573 K и
      Tc=300 KTc=300 K size 12{T rSub { size 8{c} } =»300″» K»} {}, так что максимальная эффективность равна

      15,35 EffC=1-TcTh.EffC=1-TcTh. size 12{ ital «Eff» rSub { size 8{C} } =1 — { {T rSub { size 8{c} } } over {T rSub { size 8{h} } } } } {}

      Таким образом,

      15,36 EffC=1−300 K573 K=0,476 или 47,6%. EffC=1−300 K573 K=0,476 или 47,6%.alignl { stack {
      size 12{ ital «Eff» rSub { size 8{C} } =1- {{«300″» K»} over {«573″» K»} } } {} #
      =0 «.» «476» или «47». 6% «.» {}
      } } {}

      Обсуждение

      Фактический КПД типичной атомной электростанции составляет около 35 процентов, что немногим лучше, чем в 0,7 раза больше максимально возможного значения, что является заслугой передового инженерного искусства. Электростанции, работающие на угле, нефти и природном газе, имеют больший фактический КПД (около 42 процентов), потому что их котлы могут достигать более высоких температур и давлений. Температура холодного резервуара на любой из этих электростанций ограничена местными условиями. На рис. 15.25 показаны (а) внешний вид атомной электростанции и (б) внешний вид угольной электростанции. Оба имеют градирни, в которые вода из конденсатора поступает в градирню в верхней части и распыляется вниз, охлаждаясь за счет испарения.

      Рис. 15.25 (а) Атомная электростанция (фото: BlatantWorld.com) и (б) угольная электростанция. Оба имеют градирни, в которых вода испаряется в окружающую среду, представляя размер QcQc 12{Q rSub { размер 8{c} } } {}. Ядерный реактор, который поставляет QhQh размера 12{Q rSub {размер 8{h} } } {}, размещен внутри куполообразной защитной оболочки. (кредит: 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.

      Posted inПопулярное