Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Похожие презентации:

Влияния состава и размера зерна аустенита на температуру фазового превращения и физико-механические свойства сплавов

Газовая хроматография

Геофизические исследования скважин

Искусственные алмазы

Трансформаторы тока и напряжения

Транзисторы

Воздушные и кабельные линии электропередач

Создание транспортно-энергетического модуля на основе ядерной энергодвигательной установки мегаваттного класса

Магнитные аномалии

Нанотехнологии

Повторить материал по теме «КПД
теплового двигателя». Разобрать примеры
решенных задач. Выполнить
самостоятельную работу. Прислать работу
[email protected]

2. Тема: Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Развитие техники зависит от умения
использовать громадные запасы
внутренней энергии. Использовать эту
энергию — это значит совершать за ее
счет полезную работу. Рассмотрим
источники, которые совершают работу за
счет внутренней энергии.
Вся
ли тепловая энергия превращается в
тепловых двигателях в механическую энергию?
Любой тепловой двигатель превращает в
механическую энергию только часть той
энергии, которая выделяется топливом.
Для характеристики экономичности различных
двигателей введено понятие КПД
(коэффициент полезного действия) двигателя.
Нагреватель
Передает количество
теплоты Q1 рабочему телу
Q1
Совершает работу:
рабочее
тело
Q2
холодильник
A=Q1 −|Q 2|
Потребляет часть полученного
количества теплоты Q2
КПД замкнутого цикла
|Q 2|
A Q 1 −|Q 2|
η=
=
=1−
|Q 1|
Q1
Q1
Q1 – количество теплоты полученное от нагревания
Q1>Q2
Q2 — количество теплоты отданное холодильнику
Q 2<Q 1
A’ = Q 1- |Q 2| — работа совершаемая двигателем за цикл
η<1
Цикл C. Карно
T 1 −T 2
T2
η max =
=1−
T1
T1
¿
T1 – температура нагревания
Т2 – температура холодильника
Виды тепловых двигателей
Паровой
двигатель
Двигатель
внутреннего
сгорания
Паровая
турбина
Дизельный
двигатель
Газовая
турбина
Реактивный
двигатель
Характеристики тепловых двигателей
Двигатели
Мощность, кВт
КПД, %
ДВС:
карбюраторный
дизельный
1 – 200
15 — 2200
25
35
Турбины:
паровые
газовые
3 105
12 105
30
27
Реактивный
3 107
80
КПД теплового двигателя
= (А / Q1 ) 100%
= А п/ Аз
= ( Q1-Q2 / Q1 ) 100%
= А п/ Аз
ВСЕГДА!
Почему?
= А п/ Аз
00%
Качественные задачи:
1. Один из учеников при
решении получил ответ, что
КПД теплового двигателя
равен 200%. Правильно ли
решил ученик задачу?
2. КПД теплового двигателя
45%. Что означает это число?
Ответы:
1. Нет. КПД теплового двигателя не
может быть равен 200%, т. к. он
всегда 00%.
2. КПД теплового двигателя 45%
означает, что только 45% от
теплоты, переданной рабочему
телу (газу), идет на совершение
полезной работы.
Задачи:
1.Тепловой двигатель за цикл
получает
от
нагревателя
энергию, равную 1000 Дж, и
отдаёт холодильнику энергию
800 Дж. Чему равен КПД
теплового двигателя?
Решение:
1.Тепловой двигатель за цикл
получает
от
нагревателя
энергию, равную 1000 Дж, и
отдаёт холодильнику энергию
800 Дж. Чему равен КПД
теплового двигателя?
= ( Q1-Q2 / Q1 ) 100%= ( 1000-800 / 1000) 100%
= 20%
Задачи:
Задача 2. В идеальном тепловом
двигателе
абсолютная
температура
холодильника вдвое меньше температуры
нагревателя. Если, не меняя температуры
нагревателя, температуру холодильника
понизить второе, то во сколько раз
увеличится КПД двигателя?
Дано:
Решение:
КПД идеального теплового двигателя:
Тогда
Искомое отношение:
Ответ: КПД двигателя увеличится в 1,7 раза.
Задача 3. В цилиндре двигателя автомобиля
при сгорании топлива образуются газы,
температура которых 1000 К, температура
отработанных газов 373 К. Определить путь,
пройденный автомобилем, имеющим в баке 40 л
топлива, удельная теплота сгорания которого
3,2 ∙ 1010 Дж/м3. Сила сопротивления движению
автомобиля 1,7 ∙ 103 Н. Двигатель считать
идеальным.
Дано:
Решение:
КПД теплового двигателя:
Полезная работа двигателя:
Количество теплоты, полученное двигателем:
КПД идеального теплового двигателя:
Дано:
Решение:
Тогда
Ответ: автомобиль проехал 472 км.
Задача 4. В калориметр, содержащий 0,5 кг
воды и 0,1 кг льда при температуре 273 К,
поместили электрический нагреватель при
такой же температуре. Общая теплоемкость
калориметра и нагревателя 100 Дж/К. Сколько
времени необходимо пропускать ток через
нагреватель, чтобы вода в калориметре
нагрелась до 373 К и 0,2 кг ее обратились в
пар? Нагреватель потребляет мощность 500
Вт, а КПД — 90%.
Дано:
Решение:
КПД установки:
Количество теплоты, выделяемое нагревателем:
Количество теплоты для:
плавления льда:
нагревания воды:
нагревания калориметра и нагревателя:
парообразования:
Дано:
Решение:
КПД установки:
Тогда
Дано:
Решение:
Ответ: ток необходимо пропускать 27,6 мин.
Задача
5.
Абсолютная
температура
нагревателя идеального теплового двигателя в
3 раза выше температуры холодильника. Если
за один цикл двигатель поднимает поршень
массой 5 кг на высоту 20 м и сжимает при этом
пружину жесткостью
625 кН/м на 8 см, то какое количество теплоты
получает рабочее тело от нагревателя за один
цикл?
Дано:
Решение:
Искомое количество теплоты:
Задача 5. Кожух станкового пулемета наполнен
4 кг воды при температуре 0 оС. Скорость
стрельбы 10 выстрелов в секунду. Заряд пороха
в патроне 3,2 г. За какое время выкипит
половина воды в кожухе при непрерывной
стрельбе? Считать, что на нагревание ствола
идет 30% теплоты, выделенной при сгорании
топлива. Какова начальная скорость пули, если
ее масса 9,6 г, а КПД пулемета 20%?
Дано:
СИ
Решение:
Изменение внутренней энергии сгораемого топлива:
Кол-во теплоты, выделяемое при сгорании топлива:
КПД процесса при теплообмене с учетом ЗСЭ:
Дано:
СИ
Решение:
Изменение внутренней энергии сгораемого топлива:
Закон сохранения и превращения энергии:
Кол-во теплоты, полученное водой:
Тогда
Дано:
СИ
Решение:
Время, за которое выкипит половина воды:
КПД пулемета:
Работа расширения пороховых газов:
Дано:
СИ
Решение:
Дано:
СИ
Решение:
Задачи для самостоятельного решения.
1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж
теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.
2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800 оС, а
температура холодильника 25оС?
3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с
температурой нагревателя 727 оС и температурой холодильника 27 оС.
4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя
количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество
теплоты передано холодильнику?
5. Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4
МДж потребовалось 8 кг бензина.
6. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два
паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная
теплота сгорания равна 30 • 106 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность
двигателя его была равна около 1,5 кВт.
Спасибо за внимание!

English    
Русский
Правила

Проекты по физике. — Тепловые двигатели

термодинамика — Каков КПД настоящих тепловых двигателей?

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Тепловые двигатели и их эффективность – основы тепла, света и звука

Люмен Обучение

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Формулировать выражения второго закона термодинамики.
• Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
• Опишите и определите цикл Отто.

Рис. 1. Эти льдины тают арктическим летом. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что молекулам воды, содержащимся в этих конкретных льдинах, крайне маловероятно, чтобы они преобразовали характерную аллигатороподобную форму, которую они сформировали, когда снимок был сделан летом 2009 года. (Источник: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

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 зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым. Например, как отмечалось в предыдущем разделе, 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. (См. рис. 2.)

Рисунок 2. Примеры односторонних процессов 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.

Тот факт, что некоторые процессы никогда не происходят, говорит о том, что существует закон, запрещающий им происходить. 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 они 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

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.

Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.

Тепловые двигатели

Теперь давайте рассмотрим устройство, которое использует теплопередачу для выполнения работы. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловым двигателем, и оно схематически показано на рис. 3б. 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 теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q _c , а работа двигателя равна W . Температуры горячего и холодного резервуаров T _h и T _c соответственно.

Рис. 3. (а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, что соответствует второму закону 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.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле хотелось бы, чтобы Вт равнялось Q _ч , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду ( Q _c =0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):

Второй закон термодинамики (второе выражение)

Ни в одной системе теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, 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, только что изложенный в его второй форме, ясно утверждает, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в совершенную работу. Прежде чем перейти к основным причинам ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить взаимосвязь между W , Q _h и Q _c , а также для определения КПД циклической тепловой машины. Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть Δ U = 0. Первый закон термодинамики гласит, что Δ U = Q − Вт , где Q это чистая теплопередача во время цикла ( Q  =  Q _ч  —  Q _c ), а Вт – чистая работа, выполненная системой. Поскольку Δ U = 0 для полного цикла, мы имеем 0 = Q − W , так что W = Q .

Таким образом, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или  Вт =  Q _ч  —  Q _c (циклический процесс), как схематично показано на рисунке 3b. Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая теплопередача в окружающую среду, и обычно очень значительная.

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем КПД тепловой машины как ее чистую выработку Вт разделить на теплоотдачу двигателю Q _ч ; то есть

Так как W = Q _h − Q _c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

(циклический процесс),

поясняет, что КПД 1, или 100%, возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ( Q _c  = 0). Обратите внимание, что все Q положительны. Направление теплопередачи указывается знаком плюс или минус. Например, Q _c находится вне системы, поэтому ему предшествует знак минус.

Пример 1. Ежедневная работа угольной электростанции, ее эффективность и выбросы углекислого газа

Угольная электростанция представляет собой огромную тепловую машину. Он использует теплопередачу от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые используются для выработки электроэнергии. За один день большая угольная электростанция имеет 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплопередачи от угля и 1,48 × 10 ¹⁴ Дж теплоотдачи в окружающую среду.

1. Какую работу совершает электростанция?
2. Каков КПД электростанции?
3. В процессе горения происходит следующая химическая реакция: C + O ₂  → CO ₂ . Это означает, что каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг углекислого газа. Предполагая, что 1 кг угля может обеспечить 2,5 × 10 ⁶ Дж теплопередачи при сгорании, сколько CO ₂ выбрасывается в день этой электростанцией?

Стратегия для Части 1

Мы можем использовать W = Q _h  −  Q _c , чтобы найти выход работы W 9003 0, предполагая, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для работы паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

Решение для части 1

Результат работы определяется как: Вт = Q _ч  −  Q _c .

Подставляя данные значения:

Стратегия для Части 2

Эффективность может быть рассчитана с помощью , поскольку дано Q _ч и работа W была найдена в первой части этого пример.

Решение для Части 2

Эффективность определяется по формуле: . Только что было обнаружено, что работа Вт равна 1,02 × 10 ¹⁴ Дж и Q _ч задано, поэтому эффективность равна

Стратегия для части 3

Ежедневное потребление угля рассчитывается с использованием информации о том, что каждый день есть 2,50 × 10 ¹⁴ Дж теплоотдачи от угля. В процессе горения имеем C + O ₂ → CO ₂ . Таким образом, каждые 12 кг угля выбрасывают в атмосферу 12 кг + 16 кг + 16 кг = 44 кг CO ₂ .

Решение для части 3

Суточный расход угля

.

Предполагая, что уголь чистый и весь уголь идет на производство двуокиси углерода, двуокись углерода производится в день

Это 370 000 метрических тонн CO ₂ производится каждый день.

Обсуждение

Если вся выходная мощность преобразуется в электроэнергию в течение одного дня, средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам решить в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупной обычной электростанции. Найденный КПД приемлемо близок к значению 42%, данному для угольных электростанций. Это означает, что полностью 590,2% энергии — это передача тепла в окружающую среду, что обычно приводит к нагреванию озер, рек или океана возле электростанции и в целом связано с потеплением планеты. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не делает более экономичным более эффективное использование отработанного тепла от большинства тепловых двигателей. Электростанции, работающие на угле, производят наибольшее количество CO ₂ на единицу выработки энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.

С информацией, приведенной в примере 1, мы можем найти такие характеристики, как КПД тепловой машины, не зная, как работает тепловая машина, но дальнейшее изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рисунке 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Четыре показанных шага завершают цикл этой тепловой машины, возвращая смесь бензина и воздуха в исходное состояние.

Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь. Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который выполняет работу над газом в цилиндре. а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается в почти адиабатическом процессе, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа совершается на газу. (c) Рабочий такт состоит из двух отдельных частей. Во-первых, топливовоздушная смесь воспламеняется, почти мгновенно преобразовывая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления. Затем поршень опускается, и газ работает, оказывая силу на расстоянии в почти адиабатическом процессе. (d) Такт выпуска выпускает горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная снова с такта впуска.

Цикл Отто , показанный на рисунке 5а, используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные пути цикла Отто не соответствуют точно тактам двигателя.

Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя. В обоих случаях над системой (газовой смесью в цилиндре) совершается работа, повышающая ее температуру и давление. По пути ВС цикла Отто, теплообмен Q _ч в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит настолько быстро, что объем почти не меняется. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действует на внешний мир точно так же, как рабочий ход двигателя внутреннего сгорания действует при его почти адиабатическом расширении. Работа, совершаемая системой на пути CD, больше, чем работа, совершаемая системой на пути AB, потому что давление больше, а значит, есть чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплообмен Q _c из газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая его в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выпуску горячих газов и впуску воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре. В обоих случаях по этому конечному пути происходит передача тепла в окружающую среду.

Рис. 5. Схема упрощенного цикла Отто, аналогичного используемому в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют такту сжатия и рабочему такту двигателя внутреннего сгорания соответственно. Траектории BC и DA являются изохорными и приводят к тем же результатам, что и части зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа совершается газом по пути AB, но больше работы совершается газом по пути CD, так что получается чистая работа.

Чистая работа, выполненная циклическим процессом, представляет собой площадь внутри замкнутого пути на диаграмме PV  , такой как внутренний путь ABCDA на рисунке 5. Обратите внимание, что в каждом вообразимом циклическом процессе абсолютно необходима передача тепла от система должна произойти, чтобы получить чистый результат работы. В цикле Отто передача тепла происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а чистая работа равна нулю. Чем ниже температура на пути АВ, тем меньшую работу необходимо совершить для сжатия газа. Площадь внутри замкнутого пути тогда больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. рис. 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности тепловой машины и как он связан с температурой.

Рисунок 6. Этот цикл Отто производит большую производительность, чем цикл на рисунке 5, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.

Резюме раздела

• Два выражения второго начала термодинамики: (i) теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении; и (ii) ни в одной системе теплопередача от резервуара не может полностью преобразовываться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
• Необратимые процессы зависят от пути и не возвращаются в исходное состояние. Циклические процессы — это процессы, которые возвращаются в исходное состояние в конце каждого цикла.
• В циклическом процессе, таком как тепловой двигатель, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или Вт = Q _ч – Q _c , где Q _h — теплоотдача от горячего объекта (горячего резервуара), а Q _c – передача тепла в холодный объект (холодный резервуар).
• Эффективность может быть выражена как отношение объема работы, деленное на количество потребляемой энергии.
• Четырехтактный бензиновый двигатель часто объясняют циклом Отто, который представляет собой повторяющуюся последовательность процессов, преобразующих теплоту в работу.

Концептуальные вопросы

1. Представьте, что вы едете на машине по Пайкс-Пик в Колорадо. Чтобы поднять автомобиль массой 1000 килограммов на расстояние 100 метров, потребуется около миллиона джоулей. Вы можете поднять автомобиль на 12,5 километров с энергией в галлоне бензина. Подъем на Пайкс-Пик (подъем всего на 3000 метров) должен потреблять чуть меньше литра бензина. Но нужно учитывать и другие соображения. Объясните с точки зрения эффективности, какие факторы могут помешать вам реализовать идеальное использование энергии в этой поездке.
2. Нужна ли разница температур для работы тепловой машины? Укажите, почему или почему нет.
3. Определения эффективности различаются в зависимости от того, как преобразуется энергия. Сравните определения КПД человеческого тела и тепловых двигателей. Как определение эффективности в каждом из них связано с типом энергии, преобразуемой в работу?
4. Почему, кроме того факта, что второй закон термодинамики говорит, что обратимые двигатели являются наиболее эффективными, тепловые двигатели, использующие обратимые процессы, должны быть более эффективными, чем те, которые используют необратимые процессы? Учтите, что диссипативные механизмы являются одной из причин необратимости.

Задачи и упражнения

1. Некоторая тепловая машина совершает работу 10,0 кДж и в циклическом процессе отдает в окружающую среду теплоту 8,50 кДж. а) Какова была передача тепла в этот двигатель? б) Каков КПД двигателя?
2. При 2,56 × 10 ⁶ Дж теплопередачи в этот двигатель данная циклическая тепловая машина может совершить только 1,50 × 10 ⁵ Дж работы. а) Каков КПД двигателя? б) Какой объем теплоты передается в окружающую среду?
3. (a) Какова производительность циклической тепловой машины с КПД 22,0 % и передачей тепла в двигатель 6,00 × 10 ⁹ Дж? б) Какой объем теплоты передается в окружающую среду?
4. (a) Каков КПД циклической тепловой машины, в которой на каждые 95,0 кДж теплопередачи в двигатель приходится 75,0 кДж теплопередачи в окружающую среду? б) Какую работу совершает тепловая передача 100 кДж в двигатель?
5. Двигатель большого корабля делает 2,00 × 10 ⁸ Дж работы с КПД 5,00%. а) Какая теплота передается окружающей среде? б) Сколько баррелей топлива израсходуется, если каждый баррель выделяет при сгорании 6,00 × 10 ⁹ Дж теплоотдачи?
6. (а) Какой объем теплоты передается в окружающую среду электростанцией, использующей 1,25 × 10 ¹⁴ Дж теплоотдачи в двигатель с КПД 42,0 %? б) Каково отношение теплопередачи в окружающую среду к произведенной работе? в) Какова работа?
7. Предположим, что турбины на угольной электростанции были модернизированы, что привело к повышению эффективности на 3,32%. Предположим, что до модернизации КПД электростанции составлял 36 %, а передача тепла в двигатель за один день осталась прежней и составила 2,50×1014 Дж. а) Насколько больше электроэнергии произведено в результате модернизации? (б) Насколько меньше теплопередачи происходит в окружающую среду из-за модернизации?
8. В этой задаче сравниваются выработка энергии и передача тепла в окружающую среду двумя различными типами атомных электростанций — одной с нормальным КПД 34,0 %, а другой с повышенным КПД 40,0 %.