Вычислите максимальный КПД тепловой машины для случаев, когда нагревателя и холодильника соответственно равны: а) 300 и 100 ºC; б) 400 и 120 ºC. — вопрос №1412259 — Учеба и наука

17. 03.15

Посмотреть всех экспертов из раздела Учеба и наука > Физика

определить мощность электрического чайника ,. ..

Решено

С какой силой отталкиваются два электрона, находящиеся друг от друга на расстоянии 0,2 нм?

Чему равно напряжение на концах…

Решено

Два одинаковых точечных зарядов взаимодействуют в вакууме с силой 0.1 Н.Расстояние между зарядами 6м. Узнайте величины этих зарядов.

Решено

На нити,которая разрывается,если модуль силы…

Пользуйтесь нашим приложением

Принципы действия тепловых маших. КПД тепловых машин

• Коновалова Ольга Александровна, учитель физики

Разделы:

Физика

Цели урока:

• Расширить представления учащихся о коэффициенте полезного действия, способы его определения для идеальной и реальной тепловых машин, пути его повышения.
• Экологические аспекты применения тепловых машин.
• Расширить представления о разных видах тепловых машин.

Оборудование к уроку: LCD проектор, компьютер, таблица с циклом Карно.

Учащиеся заранее получают задания по подготовке электронных презентаций о С. Карно и по разным видам тепловых двигателей: внутреннего сгорания, дизельного, паровой турбины, турбореактивного двигателя и т.д.

Актуализация знаний учащихся в виде устного фронтального опроса.

В чем состоит 1 закон термодинамики?

В чем смысл 2 закона термодинамики?

Из каких основных частей состоит любая тепловая машина? Охарактеризуйте роль каждой из этих частей?

Какие виды тепловых машин вы знаете?

Что называется коэффициентом полезного действия и что он характеризует?

Объяснение нового материала:

Любая машина, устройство можно характеризовать такой величиной как коэффициент полезного действия. Как можно определить эту величину для тепловой машины? Какова полезная работа в тепловой машине? Для этого можно вспомнить геометрический смысл работы.

Это площадь фигуры под графиком в системе координат (р,V). За один замкнутый цикл полезная работа будет численно равна площади фигуры, ограничивающей заданный цикл. Чем больше будет площадь этой фигуры, тем больше будет полезная работа. Что же затрачивается в этом случае? Это количество теплоты, полученное газом от нагревателя Qн. Тогда коэффициент полезного действия будет равен:

; .

Для реальных тепловых двигателей коэффициент полезного действия равен из-за разного рода энергетических потерь приблизительно равен 40%, Максимальный КПД — около 44%-имеет двигатели внутреннего сгорания. Можно ли повысить коэффициент полезного действия? Из-за того, что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД не может равняться единице. Чему же может быть равен максимально возможный КПД теплового двигателя с температурой нагревателя Т1 и температурой холодильника Т2? Ответ на этот вопрос дал французский инженер и ученый Сади Карно. ( презентация о С. Карно). Им была предложена тепловая машина, в которой осуществляется замкнутый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, проводимый с идеальным газом. Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1, получая при этом от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре Т2. Газ отдает при этом процессе холодильнику количество теплоты Q2. Далее газ сжимается адиабатно и возвращается в исходное состояние. Работа, совершаемая газом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины:

Эта формула дает теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД будет равен 1.

Температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышение температуры нагревателя ограничивается теплостойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливают цилиндры и поршни двигателей. Пути повышения КПД инженеры видят в уменьшении трения в частях двигателей и потерь топлива вследствие его неполного сгорания. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Основные проблемы, связанные с использованием тепловых машин:

1. Постепенное уменьшение кислорода в атмосфере.
2. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли и, как следствие повышение температуры атмосферы (парниковый эффект)
3. Загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека, флоры и фауны.

Проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей, являются глобальными для всей планеты. Для их решения необходимо проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобилей на сжиженный газ в качестве топлива, а для бензиновых двигателей разрабатывается переход на топливо стандарта «Евро 4» и «Евро 5». Обсуждается возможность использования в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода. В настоящее время практически все мировые автопроизводители разработали машины с электрическими двигателями, которые возможно в будущем заменят тепловые двигатели.

Закрепление.

1. Тепловой двигатель произвел работу, равную 700 Дж. При сжигании топлива в нем выделилось количество теплоты 3000 Дж. Чему равен коэффициент полезного действия этого двигателя?
   
   А. 7%; Б. 23%; В. 30%; Г. 11,5%.
2. Тепловая машина с КПД 4% выполняет полезную работу 3кДж. Какое количество теплоты машина получает от нагревателя?
   
   А. 0,75 кДж; Б. 7,5 кДж; В. 75 кДж; Г. 750 кДж.
3. В камере сгорания ракетного двигателя температура равна 3000 К. Коэффициент полезного действия такого двигателя теоретически может достигнуть значения 70%. Определите температуру струи газа, вытекающей из сопла двигателя.
   
   А. 10000 К; Б. 2100 К; В. 900 К; Г. 4300 К.
4. При разработке нового автомобиля необходимо решать экологическую проблему…
   
   А. увеличения мощности двигателя;
   
   Б. уменьшения токсичности выхлопных газов;
   
   В. Улучшения комфортности салона;
   
   Г. уменьшения мощности двигателей.
   
   Ответы: 1. Б; 2. В; 3. В; 4.Б.

Домашнее задание: п. 84, упр.15(15,16)

Презентация.

5.02.2011

Максимально возможная эффективность — Физика тела 2.0

Перейти к содержимому

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

(1)  

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

Повседневный пример: геотермальная тепловая машина

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

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

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

Сначала мы вычисляем изменение энтропии, когда 1000 Дж тепловой энергии передается от породы к воде для запуска двигателя, не забывая преобразовать 300 °C температуру породы в, добавив 273 К :

Если наш двигатель реален, то реальны и его процессы,  а это означает, что запуск двигателя должен увеличивать общую вселенную согласно второму закону термодинамики. Нам нужно выяснить, какое количество тепловой энергии должно быть передано от пара низкого давления в воздух при 20 °C  (293 K ), чтобы энтропия воздуха увеличилась по крайней мере на столько, на сколько уменьшилась энтропия горных пород (1,75 Дж/К ). Мы можем найти это, изменив уравнение изменения энтропии и подставив положительное изменение энтропии, равное по размеру отрицательному изменению, испытываемому горячим камнем:

только 487 J оригинала 1000 J входная энергия доступна для выполнения. Следовательно, максимально возможная эффективность нашего двигателя ограничена, независимо от того, насколько хорошо он спроектирован, даже если все механические неэффективности можно каким-то образом устранить. Максимальная теоретическая эффективность:

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

Первый закон термодинамики говорит нам, что нельзя построить двигатель, мощность которого превышает 100 9 .0017 % эффективен, потому что энергия не может быть создана. Хуже того, второй закон говорит нам, что даже если нам удастся устранить все механические неэффективности, такие как , мы все равно не сможем достичь 100 % , потому что все двигатели должны расходовать некоторую энергию, чтобы в целом увеличить энтропию. Теоретический максимальный КПД, который всегда меньше 100 % , известен как ( e _c ) и зависит только от высоких и низких рабочих температур (T _H и T _L ), как мы видели в предыдущем примере. Формула эффективности Карно ( e _c ) эффективно воссоздает всю работу, которую мы проделали в предыдущем примере:

(2)  

Теоретический двигатель, который мог бы обеспечить теоретически максимальную эффективность, известен как двигатель Карно. Принципы работы двигателя Карно хорошо известны, они были разработаны Николя Леонаром Сади Карно в 1824 году, но двигатель невозможно спроектировать или построить реалистично. ^[1]

Упражнение с подкреплением: КПД Карно

Сначала убедитесь, что приведенное выше уравнение КПД Карно дает правильный максимальный КПД для нашего примера геотермальной тепловой машины, затем выполните приведенную ниже задачу.

Вы обнаружите, что этот двигатель более эффективен только потому, что горячая рабочая температура выше, хотя он по-прежнему работает так же, и больше ничего не изменилось. Эффективность увеличилась, потому что входная энергия изначально была более концентрированной и менее рассеянной (на что указывает более высокая температура), поэтому меньше этой энергии должно было быть рассеяно в окружающей среде, чтобы гарантировать увеличение энтропии на величину, достаточную для выполнения второго закона. Термодинамика. По этой причине говорят, что тепловая энергия, которая вначале более концентрирована (при высокой температуре), составляет более высокое качество энергии.

Упражнение с подкреплением:

1. «Тепловая машина Карно» из Википедии ↵

Лицензия

Физика тела 2.0 Лоуренса Дэвиса находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License, если не указано иное.

Поделиться этой книгой

Поделиться в Твиттере

Объяснение: предел Карно | Новости Массачусетского технологического института

Всякий раз, когда инженеры пытаются спроектировать новый тип теплового двигателя или улучшить существующую конструкцию, они сталкиваются с фундаментальным пределом эффективности: пределом Карно.

Предел Карно «устанавливает абсолютный предел эффективности, с которой тепловая энергия может быть превращена в полезную работу», — говорит профессор физики Джейн и Отто Морнингстар из Массачусетского технологического института Роберт Джаффе, который является со-преподавателем курса физики энергии. Если перед инженерами стоит задача перепроектировать двигатель с КПД 35 %, то имеет большое значение, составляет ли максимально возможная эффективность такого двигателя 50 % (в этом случае дальнейшее повышение эффективности может оказаться неосуществимым) или 80 %. , и в этом случае есть значительный запас для улучшения.

Николя Леонар Сади Карно, родившийся во Франции в 1796 году и проживший всего 36 лет, вывел этот предел. Его понимание природы тепла и ограничений машин, использующих тепло, оказало влияние, которое сохраняется и по сей день. Что делает его достижения еще более замечательными, так это тот факт, что природа самой теплоты не была понята до тех пор, пока Карно не умер. Во время его исследований ученые все еще придерживались позже дискредитированной «калорической» теории тепла, согласно которой невидимая жидкость с таким названием переносит тепло от одного объекта к другому.

В книге Карно 1824 года «Размышления о движущей силе огня» изложен набор принципов, которые в некоторых случаях широко используются до сих пор. Одним из них является предел Карно (также известный как КПД Карно), который задается простым уравнением: разностью температур между горячим рабочим телом, таким как пар в электростанции, и его температурой в охлажденном состоянии. выходит из двигателя, деленная на температуру в градусах Кельвина (то есть градусов выше абсолютного нуля) горячей жидкости. Эта теоретическая эффективность выражается в процентах, к которой можно приблизиться, но никогда не достичь.

Во времена работы Карно лучшие паровые машины в мире имели общий КПД всего около 3 процентов. Сегодня обычные паровые двигатели могут достигать эффективности 25 процентов, а газотурбинные парогенераторы на электростанциях могут достигать 40 процентов и более — по сравнению с пределом Карно, в зависимости от точной разницы тепла в таких установках, около 51 процента. Сегодняшние автомобильные двигатели имеют КПД 20 процентов или меньше по сравнению с их пределом Карно в 37 процентов.

Поскольку предел эффективности основан на разнице температур между источником тепла и тем, что используется для охлаждения системы — обычно наружным воздухом или подачей воды — ясно, что чем горячее источник тепла, тем выше возможная эффективность.