КПД теплового двигателя | 8 класс

Содержание

В данном разделе вы уже познакомились с устройством и принципом работы двух видов теплового двигателя: двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Используя эти механизмы, мы совершаем какую-то работу. Очевидно, что работа будет совершаться за счет энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Но большая часть этой энергии теряется в окружающей среде. То есть эта часть энергии не используется полезно.

Следовательно, и работу таких механизмов тогда нужно рассчитывать специальным образом. Для этого в физике разделяют работу на полную и полезную, вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД) механизма. На данном уроке мы познакомимся с этими величинами и рассмотрим решение задач с использованием КПД.

Полезная работа теплового двигателя

Для того чтобы судить о полезной работе теплового двигателя, обратимся еще раз к его устройству. Если рассматривать его принцип работы, то устройство любого теплового двигателя можно представить в виде простой схемы (рисунок 1).

Рисунок 1. Устройство теплового двигателя

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Рабочим телом является газ или пар. Например, в паровой турбине — это пар, в газовой — газ, в двигателе внутреннего сгорания — смесь паров бензина и воздуха.

Этот газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя. Под нагревателем подразумевается не какое-то специальное механическое устройство, как можно подумать. Нагреватель в схеме теплового двигателя — это горящее топливо.

Газ нагревается и расширяется. Так он совершает работу $A_п$, используя свою внутреннюю энергию.

Но важно понимать, что часть этой внутренней энергии $Q_2$ не совершает какую-то полезную для нас работу. Она передается вместе с отработанным паром или выхлопными газами атмосфере — холодильнику. 

В качестве холодильника может использоваться резервуар с водой. Отработавший пар будет в таком случае приносить дополнительную пользу — нагревать воду для ее дальнейшего использования. Но этот процесс уже требует отдельного рассмотрения. 

{"questions":[{"content":"Из каких частей состоит тепловой двигатель?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["холодильник","нагреватель","рабочее тело","поршень","цилиндр","отработанный газ"],"answer":[0,1,2]}}}]}

Итак, нас интересует именно та часть энергии топлива, выделяемая при его сгорании, которая превращается в полезную работу. От величины этой части энергии зависит экономичность двигателя.

Для этой характеристики мы вводим новое понятие — коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.

КПД теплового двигателя также как и КПД простейших механизмов, изученных вами в прошлом курсе, обозначается греческой буквой “эта” — $\eta$ и выражается в процентах.

Формула для расчета КПД теплового двигателя имеет следующий вид:

$\eta = \frac{A_п}{Q_1}$,

или

$\eta = \frac{Q_1 — Q_2}{Q_1} \cdot 100 \%$,

где $A_п$ — полезная работа,
$Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя,
$Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику,
$Q_1 — Q_2 = A_п$ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

Например, при сгорании топлива выделяется определенное количество энергии. Одна пятая этой энергии пошла на совершение полезной работы. Это означает, что КПД двигателя равен $\frac{1}{5}$ или $20 \%$.

{"questions":[{"content":"Одна четвертая часть энергии, которая выделилась при сгорании топлива, пошла на совершение работы. Чему равен КПД этой тепловой машины?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["$\\frac{1}{4}$","$25 \\%$","$\\frac{1}{4} \\%$","$40 \\%$"],"explanations":["","Чтобы преобразовать дробь в проценты, нужно разделить числить на знаменатель и умножить на 100 %. ","",""],"answer":[0,1]}}}]}

Средние значения КПД различных тепловых двигателей

В таблице 1 представлены средние значения КПД некоторых двигателей.

Двигатель	КПД, %
Паровой двигатель	8
Двигатель внутреннего сгорания	18 — 40
Газовая турбина	25 — 30
Паровая турбина	40
Дизельный двигатель	40 — 44
Реактивный двигатель на жидком топливе	47

Таблица 1. КПД различных двигателей

Обратите внимание, что КПД всегда меньше единицы — меньше $100 \%$. Это означает, что холодильник всегда получает некоторое количество теплоты от нагревателя.

Одной из важнейших технических задач при проектировании двигателей является повышение значения КПД.

{"questions":[{"content":"Может ли численное значение КПД быть больше единицы или 100%?[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["Может","Не может"],"explanations":["","Часть энергии от нагревателя ВСЕГДА будет поступать на холодильник, что приводит к потере энергии. 7 \space Дж} = 0.25$.
Или в процентах: $\eta = 25 \%$.
Ответ: $\eta = 25 \%$.
Максимальный кпд тепловых машин (теорема Карно)
 Главное значение
 полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД
 идеальной машины состоит в том, что она
 определяет максимально возможный КПД
 любой тепловой машины.
 Карно
 доказал, основываясь на втором законе
 термодинамики*, следующую теорему: любая
 реальная тепловая машина, работающая
 с нагревателем температуры Т1
 и
 холодильником температуры Т2,
 не может иметь коэффициент полезного
 действия, превышающий КПД идеальной
 тепловой машины.
 * Карно фактически
 установил второй закон термодинамики
 до Клаузиуса и Кельвина, когда еще первый
 закон термодинамики не был сформулирован
 строго.
 Рассмотрим
 вначале тепловую машину, работающую по
 обратимому циклу с реальным газом. Цикл
 может быть любым, важно лишь, чтобы
 температуры нагревателя и холодильника
 были Т1
 и
 Т2.
 Допустим,
 что КПД другой тепловой машины (не
 работающей по циклу Карно) η’
 > η.
 Машины
 работают с общим нагревателем и общим
 холодильником. Пусть машина Карно
 работает по обратному циклу (как
 холодильная машина), а другая машина —
 по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая
 машина совершает работу, равную согласно
 формулам (5.12.3) и (5.12.5):
 (5.12.11)
 Рис. 5.18
 Холодильную
 машину всегда можно сконструировать
 так, чтобы она брала от холодильника
 количество теплоты Q2
 = ||
 Тогда согласно
 формуле (5.12.7) над ней будет совершаться
 работа
 (5.12.12)
 Так
 как по условию η'
 > η,
 то
 А'
 > А. Поэтому
 тепловая машина может привести в действие
 холодильную машину, да еще останется
 избыток работы. Эта избыточная работа
 совершается за счет теплоты, взятой от
 одного источника. Ведь холодильнику
 при действии сразу двух машин теплота
 не передается. Но это противоречит
 второму закону термодинамики.
 Если
 допустить, что η
 > η',
 то
 можно другую машину заставить работать
 по обратному циклу, а машину Карно — по
 прямому. Мы опять придем к противоречию
 со вторым законом термодинамики.
 Следовательно, две машины, работающие
 по обратимым циклам, имеют одинаковые
 КПД: η'
 = η.
 Иное
 дело, если вторая машина работает по
 необратимому циклу. Если допустить η'
 > η,
 то
 мы опять придем к противоречию со вторым
 законом термодинамики. Однако допущение
 т|' < г| не противоречит второму закону
 термодинамики, так как необратимая
 тепловая машина не может работать как
 холодильная машина. Следовательно, КПД
 любой тепловой машины η'
 ≤
 η,
 или
 Это и есть основной
 результат:
 (5. 12.13)
 Формула
 (5.12.13) дает теоретический предел для
 максимального значения КПД тепловых
 двигателей. Она показывает, что тепловой
 двигатель тем эффективнее, чем выше
 температура нагревателя и ниже температура
 холодильника. Лишь при температуре
 холодильника, равной абсолютному нулю,
 η
 = 1.
 Но температура
 холодильника практически не может быть
 намного ниже температуры окружающего
 воздуха. Повышать температуру нагревателя
 можно. Однако любой материал (твердое
 тело) обладает ограниченной теплостойкостью,
 или жаропрочностью. При нагревании он
 постепенно утрачивает свои упругие
 свойства, а при достаточно высокой
 температуре плавится.
 Сейчас
 основные усилия инженеров направлены
 на повышение КПД двигателей за счет
 уменьшения трения их частей, потерь
 топлива вследствие его неполного
 сгорания и т. д. Реальные возможности
 для повышения КПД здесь все еще остаются
 большими. Так, для паровой турбины
 начальные и конечные температуры пара
 примерно таковы: Т1
 = 800
 К и Т2
 = 300
 К. При этих температурах максимальное
 значение коэффициента полезного действия
 равно:
 Действительное
 же значение КПД из-за различного рода
 энергетических потерь приблизительно
 равно 40%. Максимальный КПД — около 44% —
 имеют двигатели внутреннего сгорания.
 Коэффициент
 полезного действия любого теплового
 двигателя не может превышать максимально
 возможного значения
 ,
 где
 Т1
 —
 абсолютная
 температура нагревателя, а Т2
 —
 абсолютная
 температура холодильника.
 Повышение
 КПД тепловых двигателей и приближение
 его к максимально возможному —
 важнейшая
 техническая задача.
 Тепловой двигатель – Эффективность – Определение, классификация, формула и диаграмма PV : 261.3k 
 •
 Просмотров сегодня: 2.30 k
 Транспортные средства широко используются для перемещения из одного места в другое. В настоящее время каждая семья может иметь хотя бы двухколесный транспорт. Вы только представьте, как движутся машины? Какая энергия используется в нем? Какой процесс произошел? Тепловая машина — единственный ответ на все эти вопросы.
 Что такое тепловая машина?
 Тепловая машина — это устройство, используемое для преобразования тепловой энергии в механическую работу, полезную для людей. Для проведения процедуры используется простой аппарат. Тепловая машина имеет несколько преимуществ наряду с некоторыми ограничениями.
 Классификация тепловых двигателей 
 У нас есть пять различных типов тепловых двигателей. Среди пяти известных и широко используемых тепловых двигателей есть два типа. Характеристика произошла на основе принципа, который используется для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Итак, типы тепловых двигателей следующие:
 Двигатель Стирлинга.
 Какова функция тепловой машины? 
 Основной функцией любой тепловой машины является преобразование доступной тепловой энергии в полезную механическую работу. Он проходит различные процедуры, чтобы преобразовать то же самое.
 Определение эффективности теплового двигателя 
 Как правило, мы знаем, что эффективность — это возможности. Однако здесь эффективность тепловой машины представляет собой отношение разницы между горячим источником и стоком к температуре горячего источника. Его также можно назвать тепловым КПД тепловой машины. Максимальный КПД тепловой машины возможен при наибольшей разнице между горячим и холодным резервуарами. Эффективность не имеет единиц.
 Тепловой КПД может варьироваться от одной тепловой машины к другой тепловой машине. Чтобы лучше понять это, давайте возьмем надежные тепловые двигатели и их КПД. Эффективность различных тепловых двигателей следующая:
 Эффективность сохранения тепловой энергии океана составляет всего 3%.
 Автомобильные бензиновые двигатели имеют КПД почти 25%.
 Точно так же угольные электростанции имеют КПД 49%.
 КПД газовой турбины с комбинированным циклом составляет около 60%.
 КПД тепловой машины Формула 
 Поскольку КПД тепловой машины представляет собой долю тепла и полученной полезной работы, ее можно выразить с помощью формулы и символа. Эффективность формулы тепловой энергии:
 η = \[\frac{W}{Q_{H}}\]
 Где,
 η = тепловой КПД.
 W = Получена полезная работа.
 Q  H    =  Заданное количество тепловой энергии.
 Это известно как формула теплового двигателя.
 Согласно второму закону термодинамики невозможно получить 100-процентный тепловой КПД. Он всегда колеблется между 30% и 60% тепловой эффективности из-за изменений окружающей среды и других факторов. Мы также можем считать выполненную работу разностью между первоначально поглощенным количеством теплоты и выделенным теплом. Его можно выразить как
 (η) = \[\frac{\left [ Q_{1} -Q_{2}\right ]}{Q_{1}}\]
 Концепция теплового двигателя была впервые введена и открыт французским физиком Карно в 1824 году. Двигатель Карно является идеальной тепловой машиной. Поскольку это самый эффективный тепловой двигатель, его КПД составляет \[\frac{\left [T_{1}-T_{2} \right]}{T_{1}}\]. Его можно измерить для каждого цикла Карно.
 Из формулы и диаграммы мы можем понять, что КПД идеальной тепловой машины также зависит от разницы между горячим и холодным резервуарами.
 Диаграмма PV
 Это диаграмма давление-объем, которая помогает изучать и анализировать эффективность тепловой машины. Он действует как инструмент визуализации для тепловой машины. Поскольку мы знаем, что рабочим веществом будет любой газ, диаграмма PV объясняет визуальные эффекты тепловой машины с учетом закона идеального газа. Несмотря на то, что температура может постоянно меняться, диаграмма PV помогает объяснить три элемента состояния переменных. Он также использует первый закон термодинамики для объяснения изменений тепловых двигателей.
 (изображение будет загружено в ближайшее время)
 (изображение будет загружено в ближайшее время)
 Если мы посмотрим на рисунок, мы сможем понять, что это диаграмма PV одного циклического процесса тепловой машины. Он появился как замкнутый цикл. Площадь внутри цикла представляет объем работы, которую мы проделали в процессе, и объем полезной работы, которую мы получили. Диаграмма давление-объем является полезным и выгодным инструментом визуализации для изучения и анализа тепловой машины.
 Вывод
 Следовательно, тепловой двигатель представляет собой систему преобразования тепловой энергии в механическую работу. КПД тепловой машины – это отношение разницы между горячим источником и стоком к температуре горячего источника. КПД тепловой машины зависит от разницы между горячим резервуаром и холодным резервуаром. Мы привели формулу для определения КПД тепловой машины. Кроме того, мы не можем получить 100% КПД ни одной тепловой машины.
 Недавно обновленные страницы
 Теория относительности. Открытия, постулаты, факты и примеры
 Различия и сравнения, статьи по физике
 Наша Вселенная и Земля. Введение, решенные вопросы и часто задаваемые вопросы
 Путешествия и общение. Типы, методы и решенные вопросы Света — примеры, типы и условия
 Стоячая волна — формирование, уравнение, производство и часто задаваемые вопросы
 Теория относительности — открытие, постулаты, факты и примеры
 Статьи о различиях и сравнениях по физике
 Наша Вселенная и Земля – введение, решенные вопросы и часто задаваемые вопросы
 Путешествия и общение – типы, методы и решенные вопросы
 Интерференция света – примеры, типы и условия
 Стоячая волна – формирование , уравнение, производство и часто задаваемые вопросы
 Актуальные темы
 Новый тепловой двигатель без движущихся частей так же эффективен, как паровая турбина | Новости Массачусетского технологического института 
 Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловую машину без движущихся частей. Их новые демонстрации показывают, что он преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов, что лучше, чем у традиционных паровых турбин.
 Тепловая машина представляет собой термофотоэлектрический элемент (TPV), аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного добела источника тепла и преобразует их в электричество. Проект команды может генерировать электроэнергию от источника тепла от 1,900 до 2400 градусов по Цельсию или примерно до 4300 градусов по Фаренгейту.
 Исследователи планируют включить элемент TPV в тепловую батарею сетевого масштаба. Система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить эту энергию в сильно изолированных банках горячего графита. Когда необходима энергия, например, в пасмурные дни, элементы TPV будут преобразовывать тепло в электричество и передавать энергию в электросеть.
 С новой ячейкой TPV команда успешно продемонстрировала основные части системы в отдельных небольших экспериментах. Они работают над интеграцией частей, чтобы продемонстрировать полностью работающую систему. Оттуда они надеются масштабировать систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью обезуглероженную энергосистему, полностью снабжаемую возобновляемой энергией.
 «Термофотоэлектрические элементы стали последним ключевым шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией, — говорит Асегун Генри, профессор Роберта Н. Нойса по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. «Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети».
 Генри и его сотрудники опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature. Соавторами в Массачусетском технологическом институте являются Алина Лапотин, Кайл Бузницкий, Колин Келсолл, Эндрю Роскопф и Эвелин Ванг, профессор инженерии Форда и глава факультета машиностроения, а также Кевин Шульте и сотрудники NREL в Голдене, штат Колорадо.
  Преодолеть разрыв 
 Более 90 процентов электроэнергии в мире производится из таких источников тепла, как уголь, природный газ, атомная энергия и концентрированная солнечная энергия. В течение столетия паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования таких источников тепла в электричество.
 В среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35 процентов тепла в электричество, при этом около 60 процентов представляют собой самый высокий КПД любого теплового двигателя на сегодняшний день. Но механизм зависит от движущихся частей, температура которых ограничена. Источники тепла с температурой выше 2000 градусов по Цельсию, такие как система тепловых батарей, предложенная Генри, были бы слишком горячими для турбин.
 В последние годы ученые изучают твердотельные альтернативы — тепловые двигатели без движущихся частей, которые потенциально могут эффективно работать при более высоких температурах.
 «Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, поскольку в них нет движущихся частей», — говорит Генри. «Они просто сидят и надежно генерируют электроэнергию».
 Термофотоэлектрические элементы предложили один из путей исследования твердотельных тепловых двигателей. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной шириной запрещенной зоны — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может вытолкнуть электрон через запрещенную зону, где электрон затем может провести, и, таким образом, генерировать электричество — без движения роторов или лопастей.
 На сегодняшний день эффективность большинства ячеек TPV составляет всего около 20 процентов, а рекордная — 32 процента, поскольку они изготовлены из материалов с относительно узкой запрещенной зоной, которые преобразуют низкотемпературные низкоэнергетические фотоны и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.
  Ловля света 
 В своей новой конструкции TPV Генри и его коллеги стремились улавливать фотоны с более высокой энергией из более высокотемпературного источника тепла, тем самым более эффективно преобразовывая энергию. Новая ячейка команды делает это с материалами с большей шириной запрещенной зоны и несколькими соединениями или слоями материала по сравнению с существующими конструкциями TPV.
 Ячейка изготовлена ​​из трех основных областей: сплава с высокой шириной запрещенной зоны, который находится поверх сплава с немного меньшей шириной запрещенной зоны, под которым находится зеркальный слой золота. Первый слой захватывает фотоны с самой высокой энергией источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией, проходящие через первый слой, захватываются вторым и преобразуются для добавления к генерируемому напряжению. Любые фотоны, которые проходят через этот второй слой, затем отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, а не поглощаются в виде потерянного тепла.
 Команда проверила эффективность элемента, поместив его над датчиком теплового потока — устройством, которое непосредственно измеряет тепло, поглощаемое элементом. Они подвергали клетку воздействию высокотемпературной лампы и концентрировали свет на ячейке. Затем они меняли интенсивность лампы или температуру и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым им теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новый элемент TPV сохранял эффективность около 40 процентов.
 «Мы можем добиться высокой эффективности в широком диапазоне температур, характерных для тепловых батарей», — говорит Генри.
 Клетка в экспериментах размером около квадратного сантиметра. Генри предполагает, что для системы тепловых батарей масштаба сети ячейки TPV должны будут масштабироваться примерно до 10 000 квадратных футов (около четверти футбольного поля) и будут работать на складах с климат-контролем, чтобы получать энергию от огромных банков хранимых данных. солнечная энергия. Он указывает, что существует инфраструктура для производства крупномасштабных фотоэлектрических элементов, которые также могут быть адаптированы для производства TPV.
 Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.
 Поделиться этой новостной статьей: 
 Бумага 
 Статья: «Теплофотоэлектрическая эффективность 40%»
 Упоминания в прессе 
 Physics World 
  Physics World  включил два научных достижения ученых Массачусетского технологического института в свой список 10 лучших прорывов года. Профессор Ган Чен и его коллеги были выбраны за свою работу, «показывающую, что кубический арсенид бора является одним из лучших полупроводников, известных науке». Профессор Асегун Генри, аспирант Алина ЛаПотин и их коллеги были номинированы за «создание термофотоэлектрического элемента (TPV) с эффективностью более 40%».
 Полная история на Physics World →
 Gizmodo 
 Исследователи Массачусетского технологического института создали высокоэффективный термофотоэлектрический элемент, который преобразует поступающие фотоны в электричество, сообщает Кевин Херлер для  Gizmodo.