Формула кпд теплового двигателя: КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах

Кпд теплового двигателя вычисляется по формуле. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

– это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2)

3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

Темой текущего урока будет рассмотрение процессов, происходящих во вполне конкретных, а не абстрактных, как в прошлых уроках, устройствах — тепловых двигателях. Мы дадим определение таким машинам, опишем их основные составляющие и принцип действия. Также в ходе этого урока будет рассмотрен вопрос о нахождении КПД — коэффициента полезного действия тепловых машин, как реального, так и максимально возможного.

Тема: Основы термодинамики
Урок: Принцип действия теплового двигателя

Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.

Определение. Тепловой двигатель — устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).

Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (), ()

Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.

Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):

• Нагреватель
• Рабочее тело
• Холодильник

Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя ()

Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте — часть энергии уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.

Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).

Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя ()

Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке.

Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе

Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.

Определение. КПД (Коэффициент полезного действия) теплового двигателя

Если же учесть сохранение энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает — часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на холодильник:

Получаем:

Это выражение для КПД в частях, при необходимости получить значение КПД в процентах необходимо умножить полученное число на 100. КПД в системе измерения СИ — безразмерная величина и, как видно из формулы, не может быть больше одного (или 100).

Следует также сказать, что данное выражение называется реальным КПД или КПД реальной тепловой машины (теплового двигателя). Если же предположить, что нам каким-то образом удастся полностью избавиться от недостатков конструкции двигателя, то мы получим идеальный двигатель, и его КПД будет вычисляться по формуле КПД идеальной тепловой машины. Эту формулу получил французский инженер Сади Карно (рис. 5):

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели .

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . 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 Т 1 называют температурой нагревателя .

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 .

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А» = Q 1 — |Q 2 | , (13.15)

где Q 1 — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А», совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

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

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма V 4

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое 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 счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 — 800 К и Т 2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Цель: познакомится с тепловыми двигателями, которые используются в современном мире. В ходе работы мы попытались ответить на следующие вопросы: Что такое тепловой двигатель? Каков принцип его действия? КПД теплового двигателя? Какие типы тепловых двигателей существуют? Где они применяются? Тепловой двигатель. Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще не достаточно. Необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели – устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле – это тепловые двигатели. В простейшем опыте, который заключается в том, что в пробирку наливают немного воды и доводят ее до кипения (причем пробирка изначально закрыта пробкой), пробка под давлением образовавшегося пара поднимается вверх и выскакивает. Другими словами, энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу, выбивая пробку. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию пробки. Если пробирку заменить прочным металлическим цилиндром, а пробку поршнем, который плотно прилегает к стенкам цилиндра и свободно перемещаться вдоль них, то получится простейший тепловой двигатель. Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Принципы действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через Т 1 . 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 Т 1 называют температурой нагревателя. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 . Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет совершить работу. Обычно температура Т 2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть ниже температуры атмосферы. Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется. Тепловой двигатель совершает рабату за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревается) к более холодным (холодильнику). П ринципиальная схема изображена на рисунке. Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя. Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы теплота могла самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Коэффициентом полезного действия теплового двигателя η называется выраженное в процентах отношение полезной работы А п, совершенной двигателем, к количеству теплоты Q 1 , полученной от нагревателя. Формула: Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η Максимальное значение КПД Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824г.). К арно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он получил для КПД этой машины следующее значение: Т 1 – температура нагревателя Т 2 – температура холодильника Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Но температура холодильника не может быть 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 неполного сгорания и т.д. Реальные возможности для повышения КПД здесь еще остаются большими. Двигатель внутреннего сгорания Двигатель внутреннего сгорания — это тепловая машина, в которой в качестве рабочего тела используются газы высокой температуры, образующиеся при сгорании жидкого или газообразного топлива непосредственно внутри камеры поршневого двигателя. Строение четырехтактного автомобильного двигателя. цилиндр, камера сгорания, поршень, входной клапан; выходной клапан, свеча; шатун; маховик. Некоторые сведения о двигателях Тип двигателя Карбюраторный Дизельный Рабочее тело Воздух, насыщенный парами бензина Воздух Топливо Бензин Мазут, нефть Максимальное давление в камере 610 5 Па 1,510 6 — 3,510 6 Па Температура, достигаемая при сжатии рабочего тела 360-400 ºС 500-700 ºС Температура продуктов сгорания топлива 1800 ºС 1900 ºС КПД: для серийных машин для лучших образцов Работа ДВС 1 такт — «всасывание» поршень движется вниз, через впускной клапан в камеру сгорания всасывается горючая смесь — пары бензина с воздухом. В конце такта всасывающий клапан закрывается; 2 такт — «сжатие»- поршень поднимается вверх, сжимая горючую смесь. В конце такта в свече проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется; 3 такт — «рабочий ход»- газообразные продукты сгорания достигают высокой температуры и давления, с большой силой давят на поршень, который опускается вниз, и с помощью шатуна и кривошипа приводит во вращение коленчатый вал; 4 такт — «выхлоп»- поршень поднимается вверх и через выходной клапан выталкивает отработавшие газы в атмосферу. Температура выбрасываемых газов 500 0 В автомобилях используют чаще всего четырехцилиндровые двигатели. Работа цилиндров согласуется так, что в каждом из них поочередно происходит рабочий ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней. Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Много цилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность. Карбюраторные двигатели применяют в легковых машинах сравнительно небольшой мощности. Дизельные — в более тяжелых машинах большой мощности (тракторы, грузовые тягачи, тепловозы), на разного рода судах. Паровая турбина 5 – вал, 4 – диск, 3 – пар, 2 – лопатки, 1 – лопатки. П аровая турбина является основной частью паросиловой установки. В паросиловой установке из котла в паропровод выходит перегретый водяной пар с температурой около 300-500 0 С и давлением 17-23 МПа. Пар приводит во вращение ротор паровой турбины, который приводит во вращение ротор электрического генератора, вырабатывающего электрический ток. Отработанный пар поступает в конденсатор, где сжижается, образовавшаяся вода с помощью насоса поступает в паровой котел и снова превращается в пар. Распыленное жидкое или твердое топливо сгорает в топке, подогревая котел. Строение турбины Барабан с системой сопел — расширяющиеся трубки особой конфигурации; ротор — вращающийся диск с системой лопаток. Принцип действия Струи пара, с огромной скоростью (600-800 м/с) вырывающиеся из сопел, направляются на лопатки ротора турбины, давят на них и приводят ротор во вращение с большой скоростью (50 об/с). Происходит преобразование внутренней энергии пара в механическую энергию вращения ротора турбины. Пар, расширяясь при выходе из сопла, совершает работу и охлаждается. Отработанный пар выходит в паропровод, его температура к этому моменту становится немного выше 100° С, далее пар поступает в конденсатор, давление в котором в несколько раз меньше атмосферного. Конденсатор охлаждается холодной водой. Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена Г. Лавалем в 1889г. Используемое топливо: твердое — уголь, сланцы, торф; жидкое — нефть, мазут. Природный газ. Турбины устанавливают на тепловых и атомных электростанциях. На них вырабатывается более 80% электроэнергии. Мощные паровые турбины устанавливают на крупных судах. Газовая турбина Важное преимущество этой турбины — упрощенное преобразование внутренней энергии газа во вращательное движение вала Принцип действия В камеру сгорания газовой турбины с помощью компрессора подается сжатый воздух при температуре примерно 200° С, и впрыскивается жидкое топливо (керосин, мазут) под большим давлением. Во время горения топлива воздух и продукты сгорания нагреваются до температуры 1500-2200°С. Движущийся с большой скоростью газ направляется на лопасти турбины. Переходя от одного ротора турбины к другому, газ отдает свою внутреннюю энергию, приводя ротор во вращение. При выхлопе из газовой турбины газ имеет температуру 400-500 0 С. Получаемая механическая энергия используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора. Газовые турбины — это двигатели, обладающие большой мощностью, поэтому их применяют в авиации Реактивные двигатели Принцип действия В камере сгорания сгорает ракетное горючее (например, пороховой заряд) и образовавшиеся газы с большой силой давят на стенки камеры. С одной стороны камеры имеется сопло, через которое продукты сгорания вырываются в окружающее пространство. С другой стороны расширяющиеся газы давят на ракету, как на поршень, и толкают ее вперед. Пороховые ракеты являются двигателями на твердом топливе. Они постоянно готовы к работе, легко запускаются, но остановить или управлять таким двигателем невозможно. Значительно надежнее в управлении жидкостные ракетные двигатели, подачу топлива в которые можно регулировать. В 1903 г. К. Э. Циолковский предложил конструкцию такой ракеты. Реактивные двигатели используют в космических ракетах. На огромных воздушных лайнерах устанавливают турбореактивные и реактивные двигатели. Использованные ресурсы Физика. Справочник школьника. Научная разработка и составление Т. Фещенко, В. Вожегова: М.: Филологическое общество «Слово», Компания «Ключ-С»,1995. – 576 с. Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев. Физика: Учеб. для 10 кл. сред. шк. – 2-е изд. – М.: Просвещение, 1992. – 222 с.: ил. О.Н. Баранова. Выпускная работа слушателя курсов повышения квалификации РЦДО по программе «Интернет – технологии для учителя предметника». Презентация «Тепловые двигатели», 2005 http://pla.by.ru/art_altengines.htm — модели двигателей и анимационные картинки http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Фестиваль педагогических идей «Открытый урок 2004-2005» Л.В. Самойлова http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Физика 7-8-9 Книга для учителя А.А. Фадеева, А.В. Засов

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

На прошлом уроке мы с вами начали знакомство с тепловыми двигателями. Давайте вспомним, что так называется устройство, которое совершает механическую работу за счёт внутренней энергии топлива.

Простейший тепловой двигатель представляет собой цилиндрический сосуд, в котором находится газ под поршнем. При нагревании газа, его давление и объём увеличиваются, и поршень приходит в движение, поднимая груз на некоторую высоту.

Любой тепловой двигатель состоит из трёх основных элементов: нагревателя, рабочего тела (как правило, газ)  и холодильника (чаще всего атмосфера или вода при температуре окружающей среды).

Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. А некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику. Таким образом, получается, что полное превращение внутренней энергии газа в работу невозможно. Это обусловлено необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Но второй закон термодинамики запрещает это: ведь невозможно создать вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Баланс энергии за цикл можно получить на основе первого закона термодинамики.

Для идеального теплового двигателя изменение внутренней энергии равно нулю, так как рабочее тело вернулось в исходное состояние. Отсюда находим, что полезная работа, совершаемая тепловым двигателем, равна разности между количеством теплоты, полученной от нагревателя, и количеством теплоты, отданной холодильнику:

Отношение полезной работы к количеству теплоты, которое рабочее тело получило от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (сокращённо, КПД):

Так как часть теплоты, полученной от нагревателя, передаётся холодильнику, то коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда меньше единицы:

Для получения максимально возможного коэффициента полезного действия необходимо охладить рабочее тело перед сжатием.

Это можно сделать путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника. Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаст холодильнику некоторое количество теплоты. А завершить цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до первоначальной температуры. Впервые этот цикл был предложен французским инженером Сади Карно, поэтому его ещё называют циклом Карно. Формулу для определения коэффициента полезного действия цикла Карно вы сейчас видите на экране:

КПД любого реального теплового двигателя не может превышать КПД идеального цикла Карно. Формула Карно даёт теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что двигатель тем эффективней, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

А КПД идеального теплового двигателя мог бы быть равен единице только в том случае, если бы было возможно использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю. Но, как известно, это невозможно даже теоретически, потому что абсолютного нуля температуры достичь нельзя.

Для закрепления нового материала, решим с вами задачу. Задача 1. Каждый из четырёх двигателей реактивного самолёта на 5000 км пути развивает среднюю силу тяги 0,11 МН. Определите объём керосина, израсходованного на этом пути, если коэффициент полезного действия двигателя равен 24 %. Плотность и удельная теплота сгорания керосина соответственно равны 800 кг/м³ и 43 МДж/кг.

В заключение урока отметим, что изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 г. имело исключительно важное значение.

Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива частично преобразуется в механическую работу.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока.

Двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, тракторах и тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов.

Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду. При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы.

Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа, который, соединяясь в атмосфере с водяными парами, образует угольную кислоту и выпадает в виде кислотных дождей.

Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа, являющегося ядом для живых организмов. Например, при сгорании тонны бензина образуется около 60 кг оксида углерода.

Решение проблем, возникающих при сжигании топлива учёные и конструкторы видят:

·                   в очистке газовых выбросов в атмосферу;

·                   увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей, в частности, путём создания условий для наиболее полного сгорания топлива;

·                   замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические;

·                   использование альтернативных источников энергии.

КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших затратах топлива давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое КПД (коэффициент полезного действия), необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая тепловую энергию в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

КПД теплового двигателя (формула)

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q₁. При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q₂<Q₁.

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q₁-Q₂)/ Q₁, где Q₁ — теплота, полученная от нагревателя, а Q₂ — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q_H| — |Q_X|, где А — работа, Q_H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q_X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

КПД теплового двигателя (формула):

|Q_H| — |Q_X|)/|Q_H| = 1 — |Q_X|/|Q_H|

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

• Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

• Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

• Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

• Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

• Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель (газовая турбина), на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

• Ракетные, турбореактивные и реактивные двигатели, которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

• Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

формула, чему равен термический, кратко и понятно

Что такое КПД 

Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика эффективности механизма преобразующего энергию. КПД обычно обозначается символом η, и представляет собой отношение полезной работы к полной работе.

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

Полезная работа — это та работа, которая требуется от данного механизма.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя подразумевает отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

В науку и технику определение КПД двигателя ввёл в 1824 году французский инженер Сади Карно. 

Понятие максимального значения

В силу закона сохранения энергии часть теплоты при передаче неизбежно теряется. Также часть энергии всегда отдается холодильнику. Вывод: невозможно получить полезной работы больше или столько же, сколько затрачено энергии.

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

Как устроен тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

• рабочего тела;
• нагревателя;
• холодильника.

В основе работы двигателя лежит циклический процесс.

Нагреватель с помощью, например, сгорания топливной смеси выделяет большое количество теплоты и передает ее рабочему телу.

Рабочее тело, например пар, газ или жидкость, при нагревании расширяется и совершает работу, к примеру, вращает турбину или перемещает поршень.

Холодильник нужен, чтобы вернуть рабочее тело в начальное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Таким образом обеспечивается цикличность, и тепловой двигатель работает непрерывно.

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно разработал французский физик С. Карно. 

Рабочая часть двигателя Карно — поршень в заполненном газом цилиндре. Двигатель Карно — идеальная машина, она возможна только в теории. Поэтому в ней силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю.

Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. При адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет контакта тел с разной температурой, поэтому исключена теплопередача без совершения работы. Такой цикл называют циклом Карно.

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0).

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q=A).

Функционирует двигатель Карно следующим образом:

1. Цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара тепло.
2. Цилиндр окружается теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется. Газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается. Газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией. Газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется, и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД двигателя Карно.

Расчет коэффициента полезного действия

Формула для расчета КПД теплового двигателя:

\(ɳ=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\)

Где Q₁ — количество энергии, которую дает нагреватель; A — работу совершаемую рабочим телом; Q₂ — количество энергии, которая отдается холодильнику.

Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула приобретает следующий вид:

\(Elzrtln_k=\frac{T_1-T_2}{T_1}\)

Где T₁ — температура нагревателя; T₂ — температура холодильника.

Формула Карно позволяет вычислить предельный (максимально возможный) КПД теплового двигателя.

Построение графика КПД теплового двигателя

Работа, которую производит рабочее тело, в циклическом процессе численно равна площади цикла на графике зависимости давления от объема. Если цикл проходит по часовой стрелке, работа численно равна со знаком «+», если против часовой, то со знаком «-».

Для построения такого графика необходимо:

1. Отложить объем рабочего тела (V) по оси абсцисс.
2. Отложить давление рабочего тела (p) по оси ординат.
3. Расположить на графике точки изотермы и адиабаты.

Для цикла Карно график будет выглядеть следующим образом:

Пример решения задачи

Рассчитать КПД идеального теплового двигателя с температурой нагревания 1000º K и температурой холодильника равной 500° K.

Решение:

Применим формулу измерения КПД для идеального теплового двигателя: 

\(Elzrtln_k=\frac{T_1-T_2}{T_1}\)

T₁ = 1000

T₂ = 500

\(Elzrtln_k=\frac{1000-500}{1000}\)

\(Elzrtln_k=0,5\)

Ответ: КПД = 0,5

Коэффициент полезного действия двигателя теплового

Коэффициентом полезного действия г] теплового двигателя называется отношение работы W, производимой машиной за цикл, к количеству теплоты gj, получаемому машиной за этот цикл  [c.77]

Вспомним о его коэффициенте полезного действия. Даже в самых совершенных конструкциях он не превосходит сорока процентов. Больше половины энергии расходуется на трение, теряется из-за несовершенства теплового процесса, уходит в атмосферу. Практически невозможно выбросить из цилиндра газы горения без остатка. Это снижает экономичность двигателя. Трудно обеспечить и полное заполнение рабочего объема цилиндра горючей смесью. Газы горения выбрасываются из цилиндра еще до того, как они отдали всю содержащуюся в них энергию. Все это и снижает коэффициент полезного действия двигателя.  [c.108]

Обратимся теперь к выводу формулы коэффициента полезного действия обратимого теплового двигате,ля. Так как его коэффициент полезного действия максимален, все тепловые обратимые двигатели должны иметь один и тот же коэффициент полезного действия. Следовательно, достаточно вывести коэффициент полезного действия одного конкретного обратимого теплового двигателя. Приведенный ниже вывод показывает также в явном виде, что коэффициент полезного действия двигателя Карно — функция только температуры.  [c.83]

То, что коэффициент полезного действия обратимого теплового двигателя не зависит от физической и химической природы двигателя, приводит к важному следствию, на которое обратил внимание лорд Кельвин, Уильям Томсон (1824-1907). Следуя работе Карно, лорд Кельвин ввел абсолютную шкалу температур. Коэффициент полезного действия обратимого теплового двигателя — функция только температур горячего и холодного резервуаров, не зависящая от материальных свойств двигателя. Кроме того, из первого начала термодинамики следует, что коэффициент полезного действия не может быть больше 1. Эти два факта позволяют определить абсолютную шкалу температур, не зависящую ни от каких свойств материи.  [c.86]

Теперь уже все готово, чтобы, опираясь на коэффициенты полезного действия обратимых тепловых двигателей, определить температуру Т = /(i). Получаем абсолютную температуру, измеренную в кельвинах. В абсолютной температурной шкале коэффициент полезного действия определяется соотношением  [c.87]

Все реальные тепловые двигатели, совершающие циклы за конечное время, непременно используют необратимые процессы, такие, как поток теплоты, вызванный градиентом температуры, поэтому коэффициент полезного действия реальных тепловых двигателей меньше, чем у обратимых тепловых двигателей. Действительно, для таких тепловых двигателей коэффициент полезного действия г = 1 — (теплового двигателя сопряжено с использованием необратимых процессов. Таким образом, равенство (3.2.4) выполняется для обратимого цикла. Что же касается необратимого цикла, с которым мы встречаемся в реальности, то для него выполняется неравенство  [c.88]

Рассмотрим вопрос эффективности диагностики ГПА с использованием тепловых параметров цикла (температур, давлений, расходов). На основании этих данных можно определить коэффициенты полезного действия двигателя и нагнетателя в целом, а также к.п.д. основных узлов двигателя (турбины и осевых компрессоров). Кроме того, возможен и более углубленный поиск дефектов, позволяющий выявить изменение проходных сечений турбин, наличие перетечек газа в нагнетателе и эрозию (загрязнение) рабочих лопаток нагнетателя. Перечисленные дефекты не влияют непосредственно на механическую надежность ГПА, однако приводят к значительному перерасходу топливного газа.  [c.25]

Механизм для получения этой работы можно выразить в виде обратимого циклического процесса теплового двигателя, работающего между температурой топлива и температурой окружающей среды 520 °R (288,8 °К). В этом случае начальная температура изменяется от 1000 R (555,5 °К) до» 800 °R (444,4 «K) и уравнение (6-28) для коэффициента полезного действия теплового двигателя должно быть записано в дифференциальной форме  [c.209]

В первом сочинении по термодинамике, опубликованном С. Карно в 1824 г., была поставлена и решена проблема возможного повышения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Относительно к.п.д. тепловых машин Карно установил две теоремы, которые совместно эквивалентны второму началу термодинамики. Докажем эти теоремы, исходя из второго начала.  [c.77]

Качественной (и в то же время количественной) характеристикой тепловых двигателей является их термический коэффициент полезного действия (ц ), определяемый как отношение полученной полезной работы (L ) к затраченному количеству подведенной теплоты (Q )  [c.41]

Качественной характеристикой тепловых двигателей является их термический коэффициент полезного действия тю определяемый как отношение полученной работы Ь к затраченному количеству теплоты Ql.  [c.51]

Назовите коэффициенты полезного действия, характеризующие термодинамический цикл теплового двигателя, и разъясните их смысл.  [c.123]

Предположим обратное. Пусть имеется другая обратимая машина Карно, работающая в том же интервале температур, но с другим рабочим телом (реальный газ с уравнением состояния Р (р, и, 7) = 0) или другим численным значением отношения оь/оа и по этой причине с другим термическим коэффициентом полезного действия т) о- Поскольку обе машины — с идеальным газом и с произвольным рабочим телом — обратимы, то любая из них может работать как в прямом направлении (тепловой двигатель), так и в обратном (холодильная машина). При работе машин в различных направлениях  [c.52]

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ИНДИКАТОРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ И СОСТАВЛЯЮЩИХ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ  [c.258]

Как известно, определение величины эффективного к. п. д. и составляющих теплового баланса для существующих двигателей не представляет больших затруднений. Для определения же индикаторного к. п. д. т а следовательно, и механического к. п. д. необходимо производить инди-цирование полости рабочего цилиндра, или же одним из известных способов определить величину механического к. и. д. г , или задаться ею. Инди-цирование полости цилиндра связано с необходимостью применения для высокооборотных двигателей относительно сложной аппаратуры при недостаточной точности получаемых результатов обработки снятых индикаторных диаграмм. Использование в дальнейших расчетах величины индикаторного к. п. д., полученной в результате индицирования полости цилиндра, дает, таким образом, лишь приближенные значения определяемых параметров. Поэтому в ряде случаев бывает целесообразным вместо индицирования задаваться приближенным значением механического или индикаторного коэффициента полезного действия.  [c.258]

Для определения коэффициента полезного действия (к. п. д.) теплового двигателя, обозначаемого т], берется отношение произведенной двигателем работы к теплу, полученному от теплоотдатчика, таким образом  [c.37]

КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ВЕЧНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВТОРОГО РОДА  [c.39]

Коэффициент полезного действия теплового двигателя был определен следующим уравнением ( 6-1)  [c.39]

Коэффициент полезного действия теплового двигателя определяется уравнением  [c.48]

Таким образом, круговой процесс, пробегаемый изображающей точкой в направлении часовой стрелки, представляет собой схему работы любой тепловой машины, трансформирующей тепло в работу (рис. 9). Газ получает от нагревателя количество тепла Q, часть этого тепла Q2 (Q2 тепловую машину, которая давала бы выигрыш в работе без притока энергии извне (вечный двигатель первого рода). Очевидно, коэффициент полезного действия тепловой машины целесообразно определить как отношение работы А к полученному от нагревателя количеству тепла Ql  [c.33]

Поскольку в тепловых двигателях в работу может быть превращена лишь часть подведенного тепла, то полезное действие, а следовательно, и экономичность двигателя характеризуются отношением количества тепла, превращенного в полезную работу, ко всему подведенному теплу. Это отношение называется эффективным коэффициентом полезного действия (к. п. д.) двигателя предельное значение его устанавливается на основе второго начала термодинамики.  [c.54]

Экономический коэффициент полезного действия тепловых двигателей выводится на основе первого закона термодинамики и характеризует степень совершенства превращения теплоты в работу этими двигателями. В любом тепловом двигателе неизбежны тепловые потери. Поэтому в полезную работу в них превращается лишь часть подведенной теплоты. Под экономическим КПД двигателя понимается отношение теплоты, эквивалентной полученной в двигателе работе, к полной затраченной теплоте. Обозначается экономический КПД через -rie. Величину для данного двигателя можно вычислить по теплотворной способности топлива и удельному расходу топлива на лошадиную силу в час. Теплотворной способностью топлива называется количество тепла, которое выде-  [c.71]

Вопрос о принципах построения абсолютной шкалы температур тесно связан с анализом основных принципов преобразования теплоты в работу. Действительно, как мы сейчас увидим, коэффициент полезного действия (к. п. д.) наивыгоднейшего с термодинамической точки зрения кругового процесса (цикла) теплового двигателя прямо определяется через абсолютные температуры взаимодействующих с двигателем тел. Это дает возможность свести вопрос о построении абсолютной шкалы температур к определению к. п. д. такого кругового процесса. Впервые этот круговой процесс был предложен (и обоснован как наивыгоднейший) Карно. Поэтому он получил название цикла Карно. Таким образом, изучение абсолютной шкалы температур надо начать с рассмотрения цикла Карно.  [c.117]

Коэффициент полезного действия теплового двигателя, работающего по циклу Карно, не зависит от рода рабочего тела и,  [c.121]

Отношение эффективной мощности к. индикаторной называется механическим коэффициентом полезного действия двигателя. Для современных двигателей он равен 0,85— 0,90. Э( )фективная мощность двигателя повышается е увеличением степени сжатия, коэффициента налолиения цилиндров, объема цилиндров, числа оборотов коленчатого вала. На величину эффективной мощности влияет работа системы питания и зажигания, а также тепловой режим двигателя. При работе двигателя на холостом ходу эффективная мощность равна О, так как вся индикаторная мощность затрачивается нз механическое трение и работу вспомогательных механизмов. С увеличением числа оборотов коленчатого вала эффективная мощность увеличивается, так как улучшается наполняемость цилиндров, увеличивается среднее индикаторное давление. Но это продолжается до определенного нредела. При дальнейшем увеличении оборотов коленчатого вала двигателя давление в цилиндре падает из-за ухудшения наполнения цилиндров горючей смесью и резкого увеличения трения между деталями двигателя.  [c.7]

Коэффициент полезного действия оценивает степень соверщенства цикла теплового двигателя. Чем больше КПД, тем большая часть подведенной теплоты превращается в работу.  [c.22]

Коэффициент полезного действия обобшенного термодинамического цикла находим, используя исходную формулу термического к. п. д. теплового двигателя  [c.138]

Авиация — молодая отрасль техники, наименее консервативная, наименее застойная. Новейшие открытия науки и достижения техники нередко в первую очередь в авиации находят еебе применение, а уже затем нисходят на землю. И многие решили, что газовая турбина в ближайшие годы станет самым распространенным двигателем на всех видах транспорта. Ведь она, по расчетам специалистов, может обеспечить невиданный не только по сравнению с паровой турбиной, а и вообще с любым другим тепловым двигателем коэффициент полезного действия — 55—60 процентов, а то и еще выше  [c.61]

Тепловые аккумуляторы — третий вид аккумуляторов, предложенный Ветчинкиным и Уфимцевым,— представляют собой большие цистерны с прочными и хорошо теплоизолированными стенками. В них находится вода, нагреваемая злектроподогревателями до высокой температуры. Тепловая энергия, запасенная в этих цистернах, может использоваться и для отопительных и для энергетических целей снижая давление, превращая воду в пар, можно потом заставлять ее работать в паровых машинах или турбинах. По расчетам авторов предложения, тепловые аккумуляторы могут оказаться в некоторых случаях в 300—500 раз экономичнее, чем электрические той же емкости. Общим недостатком всех этих проектов аккумуляторов является, кроме их громоздкости, необходимости держать в резерве крупные мощности дублирующих двигателей другого типа, которые простаивают во время работы ветродвигателя, и их сравнительно невысокий коэффициент полезного действия. Поднятая в водохранилище вода будет испаряться, не говоря уж о том, что часть энергии потеряется при работе насосной и гидротурбинной установок. Коэффициент полезного действия гидроаккумулятора составляет всего 40—50 процентов, а резервной станции с двигателем внутреннего сгорания, работающим на водороде в качестве горючего, вряд ли превзойдет 35 процентов. Еще ниже будет коэффициент полезного действия станции с паровой машиной или турбиной, не говоря уже о потерях тепла при хранении горячей воды в цистернах— теплоаккумуляторах. Ни одно из рассмотренных устройств при практическом исполнении не сможет, видимо, превратить в электрическую энергию свыше 50 процентов от затраченной.  [c.213]

Для оценки степени созершепства рабочего цикла двигателя и производства всевозможных расчетов, касающихся обслуживающих двигатель систем и агрегатов (охлаждения, наддува, выпуска и др.), необходимо знать величины коэффициентов полезного действия эффективного, индикаторного, механического и составляющих теплового баланса.  [c.258]

Рассмотренная схема ВХМ не единственная, полученные значения технико-экономических показателей являются ориентировочными. По энерге-тическпм показателям более экономичной является ВХМ с дополнительной камерой его-рания топлива и впрыском воды в проточную часть компрессора (рис. 6-26,6). Впрыск воды приближает процесс сжатия к изотермическому и уменьшает работу сжатия, а подача топлива в камеру сгорания позволяет осуществлять прямое преобразование тепловой энергии в механическую, что повышает коэффициент полезного действия установки и исключает необходимость в электроприводе, мультипликаторе и газо-газовом теплообменнике. Вместо камеры сгорания может быть использован двигатель внутреннего сгорания или иной источник теплоты. Это делает возможной утилизацию теплоты выхлопных газов и соответственно повышает эффективность холодильной установки. Кроме того, для горения можно использовать выходящий из контактного аппарата влажный воздух, тогда исключается увлажнение и загрязнение воздуха продуктами сгорания топлива перед контактным аппаратом.  [c.169]

В специальной литературе приведены расчеты, показывающие, что равенство параметров силовой и тепловой напряженности, например, деталей цилиндропоршневой группы обеспечиваются, когда главным параметром является диаметр цилиндра D. Это дает возможность создать ряд геометрически подобных двигателей с соотношением = onst, соблюдая указанные критерии подобия рабочего процесса. При этом у всех геометрически подобных двигателей будут одинаковые термодинамический, механический и эффективный коэффициент полезного действия (а следовательно, и расход топлива), тепловая и силовая напряженность и мощность. Градации толщины стенки цилиндра И будет такими же, как и градации D.  [c.310]

При испытании этих двигателей получены прекрасные показатели как в тепловом, так и в механическом отношении среднее индикаторное давление — 6 кг1см , механический коэффициент полезного действия т т = 0,882, среднее эффективное давление — 5,3 кг/см , расход топлива — 160 г/э. л. с.-час.  [c.278]

Чему равен максимальный кпд теплового двигателя. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Другие виды тепловых двигателей

Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …

Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.

– это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.

Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.

Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:

1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.

2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.

3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %

Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.

ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!

Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.

Если вспомнить формулу то получается:

Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.

Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:

1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.

2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.

Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.

ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.

Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.

Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.

КПД тепловой машины связан с количеством теплоты, полученным за цикл от нагревателя, и количеством теплоты, отданным холодильнику, соотношением:

КПД — формула

η= Q полезн. /Q общ. *100%

КПД равен отношению полезного количества теплоты к полному её количеству.

η=A /Q общ. *100%

A — работа.

Полезная теплота (энергия) — энергия, израсходованная только на достижение поставленной цели (в общем плане).

Полная энергия — общее количество затраченной энергии (то есть с учётом потерь на какие-либо факторы).

Полная энергия (для тепловой машины) — сумма полезной энергии и энергии, и энергии, отданной холодильнику: Q полн. =Q полезн. +Q хол.

Значит, полезная энергия равна разности полной энергии и энергии, отданной холодильнику: Q полезн. =Q полн. -Q хол.

Тепловая машина с КПД выше 100% не может существовать.

Если известен процент КПД, то количество теплоты можно рассчитать с помощью пропорций. зная лишь одну из составляющих теплоты и КПД, можно вычислить остальные составляющие. Проценты КПД прямо пропорциональны полезной работе. Например, если КПД тепловой машины равен 10% и эта машина машина совершила работу например в 20 ДЖ за цикл работы, то вся теплота (100%) равна 200 Дж, из которых 180 (90%) отдано холодильнику.

Зависимость КПД от температуры

Также КПД зависит от температуры нагревательного элемента и холодильника:

η=(T н -T х )/T н — КПД равен отношению разности температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя.

Надо учитывать, что температура холодильника не может быть выше температуры нагревателя, иначе тепловая машина не имеет смысла существования.

При неизменной температуре холодильника, чем выше температура нагревателя, тем выше КПД, зависимость по гиперболе.

Внутренняя энергия газа является функцией состояния газа, то есть зависит только от того, в каком состоянии находится газ. Если газ в результате циклического процесса возвращается в исходное состояние, изменение его внутренней энергии будет равным нулю.

Если на диаграмме p-V площадь фигуры, ограниченной линиями циклического процесса отлична от нуля, то газ совершил работу.

При циклическом процессе на диаграмме p-V, если газ совершил работу, значит суммарное количество полученной и отданной теплоты равно нулю, так как всё полученное количество теплоты послностью расходуется на изменение внутренней энергии и на совершение работы газом. Газ при возвращении в исходное состояние имеет ту же внутреннюю энергию, так как она является функцией состояния, а значит, вся полученная энергия была потрачена на работу.

КПД тепловой машины можно увеличить, уменьшив температуру холодильника или увеличив температуру нагревателя.

На диаграмме p-V работа газа в результате циклического процесса соответствует площади внутри цикла.

После совершения любого циклического процесса газ возвращается в первоначальное состояние. Внутренняя энергия является функцией состояния, а значит в результате совершения циклического процесса её изменение равно нулю.

КПД тепловой машины линейно убывает при возрастании температуры холодильника.

На диаграмме p-T газ не совершает работу, если прямая графика изменения его состояния проходит через начало координат, так как в этом случае объём не изменяется.

Положительное количество теплоты самопроизвольно не может перейти от более холодного тела к более горячему.

Нельзя создать циклический тепловой двигатель, с помощью которого можно энергию, полученную от нагревателя, полностью превратить в механическую работу.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что КПД не может равняться 100%.

Второе начало термодинамики: КПД тепловой машины не может быть больше или равен 100%.

Постулат Клаузиуса : «Невозможен процесс, единственным результатом которого являлась бы передача тепла от более холодного тела к более горячему. Тепло самопроизвольно может переходить только от более горячего тела к более холодному.».

Постулат Томпсона (Кельвина): «Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара».

Возможна передача энергии от тела с меньшей температурой к телу с большей температурой путём совершения работы.

Расширяясь, газ совершает положительную работу, а сжимаясь — отрицательную.

Внутренняя энергия фиксированного количества одноатомного идеального газа зависит только от температуры: ΔU=(3/2)v R ΔT.

При адиабатическом процессе теплообмен отсутствует.

Цикл Карно состоит из двух адиабат, изотермического сжатия и расширения. Внутренняя энергия газа изменяется на адиабатах, то есть на двух участках этого цикла.

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших затратах топлива давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое КПД (коэффициент полезного действия), необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая тепловую энергию в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. — Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель (газовая турбина), на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и реактивные двигатели, которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Цикл Карно́ — обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двухадиабатных процессов, где рабочее тело — идеальный газ. Впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением КПДтепловых машин. Цикл Карно — самый эффективный цикл из всех возможных, он имеет максимальный КПД.

КПД цикла Карно:

Отсюда видно, что КПД цикла Карно с идеальным газом зависит только от температуры награвателя (Tн) и холодильника (Тх).

Из уравнения следуют выводы:

1. Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;

2. КПД тепловой машины всегда меньше 1.

Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами.

Вопрос 20:

Наиболее простым и качественно верно отображающим поведение реального газа, является уравнение Ван-дер-Ваальса

Уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса — уравнение, связывающее основныетермодинамические величины в модели газа Ван-дер-Ваальса.

Хотя модель идеального газа хорошо описывает поведение реальных газов при низких давленияхи высоких температурах, в других условиях её соответствие с опытом гораздо хуже. В частности, это проявляется в том, что реальные газы могут быть переведены в жидкое и даже в твёрдое состояние, а идеальные — не могут.

Термическим уравнением состояния (или, часто, просто уравнением состояния) называется связь между давлением, объёмом и температурой.

Для одного моля газа Ван-дер-Ваальса оно имеет вид.

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели .

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . 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 Т 1 называют температурой нагревателя .

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А» и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 .

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А» = Q 1 — |Q 2 | , (13.15)

где Q 1 — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А», совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

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

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма V 4

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое 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 счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 — 800 К и Т 2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. КПД тепловых машин. КПД тепловой машины

И полезные формулы .

Задачи по физике на КПД теплового двигателя

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1

Условие

Вода массой 175 г подогревается на спиртовке. Пока вода нагрелась от t1=15 до t2=75 градусов Цельсия, масса спиртовки уменьшилась с 163 до 157 г Вычислите КПД установки.

Решение

Коэффициент полезного действия можно вычислить как отношение полезной работы и полного количества теплоты, выделенного спиртовкой:

Полезная работа в данном случае – это эквивалент количества теплоты, которое пошло исключительно на нагрев. Его можно вычислить по известной формуле:

Полное количество теплоты вычисляем, зная массу сгоревшего спирта и его удельную теплоту сгорания.

Подставляем значения и вычисляем:

Ответ: 27%

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2

Условие

Старый двигатель совершил работу 220,8 МДж, при этом израсходовав 16 килограмм бензина. Вычислите КПД двигателя.

Решение

Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:

Или, умножая на 100, получаем значение КПД в процентах:

Ответ: 30%.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3

Условие

Тепловая машина работает по циклу Карно, при этом 80% теплоты, полученной от нагревателя, передается холодильнику. За один цикл рабочее тело получает от нагревателя 6,3 Дж теплоты. Найдите работу и КПД цикла.

Решение

КПД идеальной тепловой машины:

По условию:

Вычислим сначала работу, а затем КПД:

Ответ: 20%; 1,26 Дж.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4

Условие

На диаграмме изображен цикл дизельного двигателя, состоящий из адиабат 1–2 и 3–4, изобары 2–3 и изохоры 4–1. Температуры газа в точках 1, 2, 3, 4 равны T1 , T2 , T3 , T4 соответственно. Найдите КПД цикла.

Решение

Проанализируем цикл, а КПД будем вычислять через подведенное и отведенное количество теплоты. На адиабатах тепло не подводится и не отводится. На изобаре 2 – 3 тепло подводится, объем растет и, соответственно, растет температура. На изохоре 4 – 1 тепло отводится, а давление и температура падают.

Аналогично:

Получим результат:

Ответ: См. выше.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5

Условие

Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 = 13,4 кДж. Найдите КПД цикла.

Решение

Запишем формулу для КПД:

Ответ: 18%

Вопросы на тему тепловые двигатели

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

Ответ. Тепловой двигатель – это машина, которая совершает работу за счет энергии, поступающей к ней в процессе теплопередачи. Основные части теплового двигателя: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

Ответ. Первыми тепловыми двигателями, получившими широкое распространение, были паровые машины. Примерами современного теплового двигателя могут служить:

• ракетный двигатель;
• авиационный двигатель;
• газовая турбина.

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

Ответ. Нет. КПД всегда меньше единицы (или меньше 100%). Существование двигателя с КПД равным единице противоречит первому началу термодинамики.

КПД реальных двигателей редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое КПД?

Ответ. КПД (коэффициент полезного действия) – отношение работы, которую совершает двигатель, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?

Ответ. Удельная теплота сгорания q – физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива массой 1 кг. При решении задач КПД можно определять по мощности двигателя N и сжигаемому за единицу времени количеству топлива.

Задачи и вопросы на цикл Карно

Затрагивая тему тепловых двигателей, невозможно оставить в стороне цикл Карно – пожалуй, самый знаменитый цикл работы тепловой машины в физике. Приведем дополнительно несколько задач и вопросов на цикл Карно с решением.

Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).

Задача на цикл Карно №1

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 73,5 кДж. Температура нагревателя t1 =100° С, температура холодильника t2 = 0° С. Найти КПД цикла, количество теплоты, получаемое машиной за один цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику.

Решение

Рассчитаем КПД цикла:

С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:

Количество теплоты, отданное холодильнику, будет равно разности общего количества теплоты и полезной работы:

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А=2,94 кДж и отдает за один цикл холодильнику количество теплоты Q2=13,4 кДж. Найти КПД цикла.

Решение

Формула для КПД цикла Карно:

Здесь A – совершенная работа, а Q1 – количество теплоты, которое понадобилось, чтобы ее совершить. Количество теплоты, которое идеальная машина отдает холодильнику, равно разности двух этих величин. Зная это, найдем:

Ответ: 17%.

Задача на цикл Карно №3

Условие

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Решение

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

• 1-2. Изотермическое расширение, рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1;
• 2-3. Адиабатическое расширение, тепло не подводится;
• 3-4. Изотермическое сжатие, в ходе которого тепло передается холодильнику;
• 4-1. Адиабатическое сжатие.

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

Ответ. Первая теорема Карно гласит: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела.

Вопрос на цикл Карно №2

Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?

Ответ. Нет. КПД цикла карно будет равен 100% только в случае, если температура холодильника будет равна абсолютному нулю, а это невозможно.

Если у вас остались вопросы по теме тепловых двигателей и цикла Карно, вы можете смело задавать их в комментариях. А если нужна помощь в решении задач или других примеров и заданий, обращайтесь в

Класс: 10

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить учащихся с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания учащихся по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и речь, совершенствовать навыки работы с презентацией.

Воспитательные: воспитывать у учащихся чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для учащихся, компьютер учителя, мультимедийный проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека электронных наглядных пособий. “Кирилл и Мефодий”.

Тема нашего урока: “Тепловые двигатели”. (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых двигателей, рассмотрим условия их эффективной работы, поговорим о проблемах связанных с их массовым применением. (Слайд 2)

Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой? Как это происходит? (При адиабатических процессах.) (Слайд 3)

– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0 , Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд 7)

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания Q 1 >Q 2

Q 2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2

A / = Q 1 – |Q 2 | – работа совершаемая двигателем за цикл?

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T 1 – температура нагревания.

Т 2 – температура холодильника.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента. (Слайд 11)

Работа четырехтактного ДВС.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.
Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

• Паровой двигатель – 8%
• Паровая турбина – 40%
• Газовая турбина – 25-30%
• Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
• Дизельный двигатель – 40– 44%
• Реактивный двигатель – 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. (Слайд 14)

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

• 1. Электрические
• 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

Использование альтернативного топлива.

Использование альтернативных двигателей.

Оздоровление окружающей среды.

Воспитание экологической культуры. (Слайд 16)

Всем вам предстоит всего лишь через год сдавать единый государственный экзамен. Предлагаю вам решить несколько задач из части А демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

С момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

Прежде чем покинуть класс просьба заполнить таблицу.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Чтобы преобразовать тепло в работу, нужно как минимум два места с разными температурами. Если взять Q _high at температура T _{высокая} необходимо сбросить не менее Q _низкая при температура T _низкая . Объем работы, которую вы получаете тепловой двигатель W = Q _{высокий} — Q _низкий . Максимальный объем работы, которую вы можете получить тепловая машина — это сумма, которую вы получаете из реверсивного двигателя.

W _max = (Q _{высокий} — Q _низкий ) _{двусторонний} = Q _{высокий} — Q _{высокий} T _низкий / T _{высокий} = Q _{высокий} (1 — T _низкий / T _{высокий} ).

W положительно, если T _high больше, чем T _low .

КПД тепловой машины — отношение полученной работы к вложенной тепловой энергии при высоком температура, e = W / Q _{высокая} .Максимально возможное КПД е _макс такого двигателя

e _max = W _max / Q _{высокий} = (1 — T _низкий / T _{высокий} ) = (T _{высокий} — T _низкий ) / T _{высокий} .

Паровые двигатели

Паровая машина — это разновидность тепловой машины. Отнимает тепло от горячий пар преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает отдыхать в более холодном окружающем воздухе.Максимальная доля тепла которые можно превратить в работу, можно найти, используя законы термодинамики, и она увеличивается с разницей температур между горячий пар и окружающий воздух. Чем горячее пар и чем холоднее воздух, тем эффективнее паровой двигатель перерабатывает тепло в работу.

В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри цилиндр. Горячий пар высокого давления вырабатывается в котле, и этот пар поступает в цилиндр через клапан.Оказавшись внутри цилиндр, пар выталкивается наружу на всех поверхностях, включая поршень. Поршень движется. Пар выполняет механическую работу на поршень и поршень выполняют механическую работу с прикрепленным оборудованием к нему. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии на это оборудование, поэтому пар становится холоднее во время работы оборудования.

Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха.В поршень может легко вернуться в исходное положение. Во многих случаях пар может введите другой конец цилиндра, чтобы пар толкал поршень обратно в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение начальная точка, клапан снова пропускает пар высокого давления в цилиндр и весь цикл повторяется. В целом тепло течет от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и некоторой части этого тепла превращается в механическую работу движущимся поршнем.В максимальный КПД паровой машины e _max = (T _пар — Т _воздух ) / Т _пар . Фактическая эффективность обычно намного ниже.

Ссылка: Паровоз (Youtube)

Проблема:

Какой максимум возможный КПД паровой машины, забирающей тепло при температуре 100 ^o C и сбросить его при комнатной температуре примерно 20 ^o C?

Решение:

• Рассуждение:
  Максимальный КПД любого теплового двигателя — это двигатель Карно.e _макс. = (T _{высокий} — T _низкий ) / T _{высокий} .
• Детали расчета:
  100 ^o C = 373 K и 20 ^o C = 293 K. максимально возможный КПД
  (T _{высокий} — T _низкий ) / T _{высокий} = (373 — 293) / 373 = 0,21 = 21%.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха. Самый распространенный тип — четырехтактный двигатель. Поршень скользит внутрь и из цилиндра. Два или более клапана позволяют подавать топливо и воздух поступает в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад внутри цилиндра объем, который могут занимать газы, изменяется кардинально.

Процесс преобразования тепла в работу начинается, когда поршень вытащили из цилиндра, расширив замкнутое пространство и позволив топливо и воздух поступают в это пространство через клапан.Это движение называется тактом впуска или тактом впуска . Далее топливо и воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в цилиндр. Это называется сжатием . ход . В конце такта сжатия с топливо и воздушная смесь сжимаются максимально плотно, свеча зажигания на запечатанном конце цилиндра загорается и воспламеняется смесь. Горячее горючее оказывает огромное давление и толкает поршень. из цилиндра.Этот рабочий ход обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования. Наконец, сгоревший газ выдавливается из баллона через другой клапан в такте выпуска . Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там всегда по крайней мере один цилиндр проходит рабочий такт, и он может нести другие цилиндры посредством несиловых ходов.В максимальный КПД такого двигателя e _max = (T _{зажигания} — T _воздух ) / T _{зажигание} где T _{зажигание} — температура топливовоздушной смеси после воспламенения. К максимизируйте топливную экономичность, вы должны создать максимально горячий топливно-воздушная смесь после зажигания. Наивысшая эффективность, имеющая достигнутое составляет примерно 50% от e _max .

Ссылка: интегральное сгорание двигатель (Youtube)

Проблема:

Тепловой двигатель поглощает 360 Дж тепловой энергии и выполняет 25 Дж работы в каждый цикл.Найти
(а) КПД двигателя и
(б) тепловая энергия, выделяемая в каждом цикле.

Решение:

• Рассуждение:
  Объем работы, который вы получаете от теплового двигателя, составляет W = Q _{высокий} — Q _низкий .
  Эффективность e = W / Q _{высокая} .
• Детали расчета:
  Q _{высокий} = 360 Дж. W = 25 Дж. Q _низкий = Q _{высокий} — W = 335 Дж.
  (a) КПД e = W / Q _high = 6,9%.
  (b) Выбранная тепловая энергия Q _low = 335 Дж.

Реверсивный тепловой двигатель — обзор

3.4.6.1 Термодинамические границы преобразования биомассы в полезную энергию

Преобразование энергии биомассы в рабочую форму можно смоделировать с помощью адиабатической камеры сгорания и обратимого теплового двигателя. На рис. 38 показана система преобразования энергии биомассы для получения максимальной работы. Предполагается, что адиабатическая камера сгорания, которая функционирует при температуре адиабатического пламени T _и , используется для сжигания биомассы.Вырабатываемое в этом процессе тепло называется низшей теплотворной способностью (NCV) биомассы, и это генерируемое тепло будет использоваться для работы обратимого теплового двигателя, который контактирует с окружающей средой на низкотемпературной стороне, чтобы произвести полезную работу.

Рис. 38. Термодинамическая система показывает преобразование энергии биомассы в работу. Использование реверсивного теплового двигателя.

Следовательно, произведенная работа этой системы составляет

(63) Ẇ = NCV × (1 − T0Tad)

Следовательно, эффективность преобразования биомассы может быть рассчитана следующим образом:

(64) η = 1 − T0Tad

По этой причине определение адиабатической температуры пламени биомассы позволит нам определить термодинамическую границу преобразования биомассы в полезную энергию.Состав биомассы необходимо исследовать, поскольку он оказывает значительное влияние на полученную NCV и эквивалент T _ad . Биомасса в основном состоит из множества биохимических веществ, таких как сахар, аминокислоты и волокна; кроме того, в некоторой биомассе могут встречаться живые микроорганизмы и ферменты. Биомасса также содержит атомы металлов, которые превращаются в золу, когда биомасса подвергается процессу сгорания. Однако биомасса всегда богата кислородом, углеродом, азотом и водородом.

Биомассу можно смоделировать на основе ее химического состава с помощью следующего выражения: CXcHXHOXONXNSXSashXash (h3O) Xw, здесь X _i — количество компонентов вида i . Удаление влаги из биомассы посредством процесса сушки изменит химическую модель на CXcHXHOXONXNSXSashXash.

Молекулярную массу высушенной биомассы можно определить по следующему уравнению:

(65) M = (12 × XC) + XH + (16 × XO) + (14 × XN) + (32 × XS) + ( Mash × Xash)

В сухом случае концентрация массы основного химического элемента составляет

wc = 12 × XcM; wH = XHM; wO = 16 × XoM; wN = 14 × XNM; wS = 32 × XSM; стирка = Mash × XashM

В сухом случае стирка = 0.5-12%, концентрация влаги wW в биомассе находится в диапазоне от 0% до 50%, и ее можно определить на влажной основе следующим образом:

(66) MWet = M + (XW × 18)

Следовательно,

(67) wW = 18 × XWM + (XW × 18)

Зная массовую концентрацию влаги, молярную концентрацию можно рассчитать следующим образом:

(68) XW = wW × M18 × (1 − wW)

Теплотворная и эксергетическое содержание может быть определено с использованием формул. (67) и (68). Эти уравнения также полезны для расчета сжигания биомассы.Следовательно, высшая теплотворная способность биомассы может быть выражена следующим образом:

(69) GCV = 34,91 × wC + 117,83 × wH + 10,05 × wS − 1,51 × wN − 1,034 × wO − 2,11 × стирка

См. [49]. Низшая теплотворная способность. Предполагается, что выхлопные газы содержат воду в парообразном состоянии, а температура выхлопных газов эквивалентна температуре подаваемой биомассы. NCV выражается следующим образом:

(70) NCV = GCV × (1 — wW) — (2,444 × wW) — [2,444wH × 8,936 × (1 — wW)]

Уравнение химической эксергии биомассы без учета существования Сера в процессе сгорания предположил Саргут [50] следующим образом:

(71) exx, biomassch = NCV × (1.0347 + 0,014 × XHXC + 0,0968 × XOXC + 0,0493 × XNXC)

Стехиометрическое уравнение, учитывающее чистый кислород в процессе полного сжигания биомассы, может быть выражено следующим уравнением:

(72) CXCHXHOXONXNSXSashXash (h3O) XW + XCCO2O2 + Xh3Oh3O + XN2N2 + XSSO2 + Xashash

, где XO2 = 2 × XC + Xh3 + 2 × XS − XO; Xh3O = Xh3 + XW

И уравнение баланса энергии может быть выражено как

(73) hBMAF = hBM− Xash × hash = XC × hCO2 + Xh3O × h30 + XS × hSO2 + NCV

здесь h _BM — энтальпия образования биомассы с учетом химических элементов, а hBMAF аналогичен для биомассы, не содержащей золы.

Сжигание биомассы, обогащенной O ₂ и усиленной рециркуляцией дымовых газов, можно выразить следующим уравнением:

CXCHXHOXONXNSXSashXash (h3O) XW + λ × XO2 [ζ × (O2 + 3.76N2) + (ζ− 1) O2] → Prod + Xashash

здесь, λ≥1 и представляет собой дополнительный кислород; 3.76 — концентрация азота в воздухе, ζ = 0-1, представляющая долю воздуха, где «Prod» обозначает продукты, образующиеся в результате реакции в виде дымовых газов.

Учитывая полное сгорание реагентов, Prod = XCCO2 + Xh3Oh3O + XSSO2 + XN2N2 + (λ − 1) × XO2O2, а стехиометрический коэффициент азота можно определить как XN2 = XN2 + 3.76 × λ × ζ × XO2.

На основе уравнений. (65) и (73) получены данные, представленные в таблице 6; данные иллюстрируют влияние изменения содержания влаги на T _ad , энергетическую и эксергетическую эффективность преобразования биомассы. Для проведения расчетов были сделаны следующие допущения:

Таблица 6. Изменение T _ad , η, ψ типичной биомассы с влажностью

λ = 2; XC = 2,5; XH: XC = 1,5; XO: XC = 0,6; XN: XC = 0,04; XS: XC = 0,004; Зола: 6% по весу

КПД по энергии и эксергии определяется с учетом полученной полезной работы, а также энергии и эксергии, поступающих в систему, как показано на рис.38.

Следовательно,

η = 1 − T0Tad и ψ = NCVexch × (1 − T0Tad)

В таблице 7 представлены некоторые характеристики некоторых типов биомассы, такие как химическая эксергия адиабатической температуры, содержание влаги, GCV, насыпная плотность. , и NCV.

Таблица 7. Важные характеристики некоторых ресурсов биомассы

1

Источник : Динсер I, Замфиреску К. Возобновляемые источники энергии. Устойчивые энергетические системы и приложения, Бостон, Массачусетс: Springer США; 2011, стр. 283–387.

Сокращения: GCV — высшая теплотворная способность; NCV, низшая теплотворная способность.

Цикл Карно — Университетская физика, том 2

Цели обучения

• Опишите цикл Карно с ролями всех четырех задействованных процессов
• Краткое описание принципа Карно и его значения
• Продемонстрируйте эквивалентность принципа Карно и второго начала термодинамики

В начале 1820-х годов Сади Карно (1786–1832), французский инженер, заинтересовался повышением эффективности практических тепловых двигателей.В 1824 году его исследования привели его к предложению гипотетического рабочего цикла с максимально возможной эффективностью между одними и теми же двумя резервуарами, известного теперь как цикл Карно. Двигатель, работающий в этом цикле, называется двигателем Карно. Цикл Карно имеет особое значение по ряду причин. На практике этот цикл представляет собой обратимую модель паровой электростанции и холодильника или теплового насоса. Тем не менее, это также очень важно с теоретической точки зрения, поскольку играет важную роль в разработке другого важного положения второго закона термодинамики.Наконец, поскольку в его работе задействованы только два резервуара, его можно использовать вместе со вторым законом термодинамики для определения шкалы абсолютной температуры, которая действительно не зависит от какого-либо вещества, используемого для измерения температуры.

При идеальном газе в качестве рабочего вещества этапы цикла Карно, представленные (рисунок), следующие.

1. Изотермическое расширение. Газ находится в тепловом контакте с тепловым резервуаром при определенной температуре. Газ поглощает тепло из теплового резервуара и может изотермически расширяться, выполняя работу. Поскольку внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры, изменение внутренней энергии равна нулю, то есть во время этого изотермического расширения.Используя первый закон термодинамики, мы находим, что количество тепла, поглощаемого газом, равно 90 · 107. Четыре процесса цикла Карно. Предполагается, что рабочим веществом является идеальный газ, термодинамический путь которого MNOP представлен на (Рисунок).

   Общая работа, выполняемая газом в цикле Карно, показана в виде площади, заключенной в контур MNOPM .

2. Адиабатическое расширение . Газ термически изолирован и может расширяться дальше, выполняя работу. Поскольку это расширение является адиабатическим, температура газа падает — в данном случае, исходя из From и уравнения состояния идеального газа, мы имеем
   

   
   так что
   

3. Изотермическое сжатие .Газ помещается в тепловой контакт с холодным резервуаром при температуре и изотермически сжимается. Во время этого процесса происходит работа с газом, который отдает тепло холодному резервуару. Рассуждения, использованные в шаге 1, теперь дают
   

   
   где — тепло, сбрасываемое газом в холодный резервуар.

4. Адиабатическое сжатие . Газ термически изолирован и возвращается в исходное состояние путем сжатия. В этом процессе работа ведется на газе. Поскольку сжатие является адиабатическим, температура газа повышается — в данном конкретном случае от.Обоснование шага 2 теперь дает
   

   
   Общая работа, выполняемая газом в цикле Карно, определяется как
   

Эта работа равна площади, ограниченной петлей, показанной на диаграмме pV (Рисунок). Поскольку начальное и конечное состояния системы одинаковы, изменение внутренней энергии газа в цикле должно быть нулевым, то есть. Тогда первый закон термодинамики дает

и

Чтобы определить КПД этого двигателя, сначала разделим

Когда адиабатическая постоянная из шага 2 делится на таковую из шага 4, мы находим

Подставляя это в уравнение для, получаем

Наконец, с помощью (Рисунок) мы находим, что эффективность этого идеального газового двигателя Карно определяется соотношением

Двигатель не обязательно должен соответствовать циклу двигателя Карно.Однако все двигатели имеют один и тот же эффект net , а именно поглощение тепла из горячего резервуара, выполнение работы и отвод тепла в холодный резервуар. Это заставляет нас задаться вопросом: имеют ли все обратимые циклы, действующие между одними и теми же двумя резервуарами, одинаковую эффективность? Ответ на этот вопрос исходит из второго закона термодинамики, обсуждавшегося ранее: Все реверсивные двигательные циклы производят точно такой же КПД . Кроме того, как и следовало ожидать, все настоящие двигатели, работающие между двумя резервуарами, менее эффективны, чем реверсивные двигатели, работающие между теми же двумя резервуарами.Это тоже следствие второго закона термодинамики, показанного ранее.

Цикл холодильника Карно на идеальном газе представлен диаграммой pV (рисунок). Это двигатель Карно, работающий в обратном направлении. Холодильник отбирает тепло из резервуара с низкой температурой, когда идеальный газ изотермически расширяется. Затем газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не достигнет, после чего изотермическое сжатие газа приводит к отводу тепла в высокотемпературный резервуар. Наконец, цикл завершается адиабатическим расширением газа, в результате чего его температура падает до

Работа, проделанная с газом в одном цикле холодильника Карно, показана в виде площади, ограниченной петлей MPONM .

Работа, проделанная на идеальном газе, равна площади, ограниченной траекторией на диаграмме pV . Из первого закона эта работа дается

Анализ, аналогичный анализу, проведенному для двигателя Карно, дает

В сочетании с (Рисунок) это дает

для КПД идеального газового холодильника Карно. Аналогичным образом мы можем вычислить коэффициент полезного действия теплового насоса Карно как

Мы только что нашли уравнения, представляющие КПД двигателя Карно и КПД холодильника Карно или теплового насоса Карно, при условии, что в обоих устройствах в качестве рабочего вещества используется идеальный газ.Однако эти уравнения являются более общими, чем следует из их вывода. Вскоре мы покажем, что оба они действительны, независимо от того, какое рабочее вещество является.

Карно обобщил свое исследование двигателя Карно и цикла Карно в то, что теперь известно как принцип Карно:

Принцип Карно

Ни один двигатель, работающий между двумя резервуарами при постоянной температуре, не может иметь большей эффективности, чем реверсивный двигатель.

Этот принцип можно рассматривать как еще одно утверждение второго закона термодинамики и можно показать, что он эквивалентен утверждению Кельвина и утверждению Клаузиуса.

Двигатель Карно КПД двигателя Карно равен 0,60, а температура его холодного резервуара составляет 300 К. а) Какова температура горячего резервуара? (b) Если двигатель выполняет 300 Дж работы за цикл, сколько тепла удаляется из высокотемпературного резервуара за цикл? (c) Сколько тепла отводится в низкотемпературный резервуар за цикл?

Стратегия Из температурной зависимости теплового КПД двигателя Карно мы можем определить температуру горячего резервуара.Затем, исходя из определения эффективности, мы можем найти тепло, отводимое при задании работы, выполняемой двигателем. Наконец, сохранение энергии приведет к тому, сколько тепла должно быть сброшено в холодный резервуар.

Решение

1. Из нас
   

   
   , чтобы температура горячего резервуара была
   

2. По определению, КПД двигателя равен
   
3. Из первого закона тепло, отдаваемое двигателем в низкотемпературный резервуар за цикл, равно
   

Значение Двигатель Карно имеет максимально возможную эффективность преобразования тепла в работу между двумя резервуарами, но это не обязательно означает, что он эффективен.По мере увеличения разницы температур горячего и холодного резервуаров эффективность двигателя Карно увеличивается.

С точки зрения затрат на электроэнергию тепловой насос является очень экономичным средством отопления зданий ((рисунок)). Сравните этот метод с прямым преобразованием электрической энергии в тепло с помощью резистивных нагревательных элементов. В этом случае одна единица электроэнергии дает не более одной единицы тепла. К сожалению, у тепловых насосов есть проблемы, которые ограничивают их полезность. Они довольно дороги в приобретении по сравнению с резистивными нагревательными элементами, и, как показывает коэффициент полезного действия теплового насоса Carnot, они становятся менее эффективными при снижении наружной температуры.Фактически, ниже примерно, выделяемое ими тепло меньше энергии, используемой для их работы.

Фотография теплового насоса (большой коробки), расположенного вне дома. Этот тепловой насос расположен в районе с теплым климатом, например на юге США, поскольку он был бы слишком неэффективным в северной части Соединенных Штатов. (кредит: модификация работы Питера Стивенса)

Проверьте свое понимание Двигатель Карно работает между резервуарами при и.а) Каков КПД двигателя? (b) Если двигатель выполняет 5,0 Дж работы за цикл, сколько тепла за цикл он поглощает из высокотемпературного резервуара? (c) Сколько тепла за цикл отводится в резервуар с холодной температурой? (d) Какие температуры в холодном резервуаре дадут минимальную и максимальную эффективность?

Проверьте свое понимание Холодильник Карно работает между двумя тепловыми резервуарами, температура которых равна и. а) Каков коэффициент полезного действия холодильника? (b) Если с рабочим телом за цикл выполняется 200 Дж работы, сколько тепла за цикл отбирается из холодного резервуара? (c) Сколько тепла за цикл сбрасывается в горячий резервуар?

Сводка

• Цикл Карно является наиболее эффективным двигателем для обратимого цикла, разработанного между двумя резервуарами.
• Принцип Карно — это еще один способ сформулировать второй закон термодинамики.

Концептуальные вопросы

Следует ли повышать или понижать температуру горячего резервуара для повышения эффективности двигателя Карно? А как насчет холодного резервуара?

Чтобы повысить эффективность, температура горячего резервуара должна быть увеличена, а холодного резервуара должна быть максимально понижена. Это можно увидеть на (Рисунок).

Как можно разработать эффективный двигатель Карно?

Какие типы процессов происходят в цикле Карно?

адиабатические и изотермические процессы

Проблемы

Температура холодного и горячего резервуаров, между которыми работает холодильник Карно, составляет и, соответственно.Каков его коэффициент полезного действия?

Двигатель Карно работает между резервуарами при 600 и 300 К. Если двигатель потребляет 100 Дж за цикл в горячем резервуаре, какова его рабочая мощность за цикл?

Двигатель мощностью 500 Вт управляет холодильником Карно между и. а) Какое количество тепла в секунду отводится изнутри холодильника? б) Сколько тепла отводится наружному воздуху за секунду?

Нарисуйте цикл Карно на диаграмме температура-объем.

Тепловой насос Карно работает между и. Сколько тепла отводится внутрь дома на каждые 1,0 Дж работы насоса?

Двигатель, работающий между тепловыми резервуарами и отбирающий 1000 Дж за цикл из горячего резервуара. а) Какую максимальную работу может выполнять двигатель за цикл? (б) Для этой максимальной работы, сколько тепла отводится в холодный резервуар за цикл?

Предположим, что двигатель Карно может работать между двумя резервуарами как тепловой двигатель или как холодильник.Как коэффициент полезного действия холодильника связан с эффективностью теплового двигателя?

Двигатель Карно используется для измерения температуры теплового резервуара. Двигатель работает между тепловым резервуаром и резервуаром, состоящим из воды в ее тройной точке. (a) Если 400 Дж за цикл удаляются из резервуара тепла, а 200 Дж за цикл откладываются в резервуаре тройной точки, какова температура резервуара тепла? (b) Если 400 Дж за цикл удаляются из резервуара тройной точки, а 200 Дж за цикл откладываются в резервуаре тепла, какова температура резервуара тепла?

Какова минимальная работа холодильника, если он должен извлекать 50 Дж за цикл из внутренней части морозильной камеры при температуре и отводить тепло в воздух?

Глоссарий

Цикл Карно

Цикл

, состоящий из двух изотерм при температурах двух резервуаров и двух адиабатических процессов, соединяющих изотермы

Двигатель Карно

Тепловой двигатель Карно, холодильник или тепловой насос, работающий по циклу Карно

Принцип Карно

принцип, регулирующий эффективность или производительность теплового устройства, работающего по циклу Карно: любое обратимое тепловое устройство, работающее между двумя резервуарами, должно иметь одинаковый КПД или коэффициент производительности, больший, чем у необратимого теплового устройства, работающего между теми же двумя резервуарами

Термодинамика

Тепло двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую.

работу реверсивной тепловой машины можно описать на фотоэлектрической диаграмма.

КПД реверсивной тепловой машины зависит от температуры, между которыми он работает.

ср опишем тепловую машину такой схемой:

Q _h = Q _c + W

КПД тепловой машины описывает, насколько эффективно он превращает тепло в работу.

---

Сади Карно

Принцип Карно: An необратимая тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами при постоянные температуры не могут иметь КПД выше, чем реверсивного теплового двигателя, работающего между двумя температуры.

Следствие: Все обратимые тепловые двигатели, работающие между одинаковыми температурами, имеют такой же КПД .

Цикл Карно:

Реверсивный «двигатель» Карно использует изотермические и адиабатические процессы между двумя резервуарами тепла при температуры T _ч (горячий) и T _c (холодно).

A Цикл Карно также может быть представлен на фотоэлектрической диаграмме.

---

Холодильник — тепловая машина, обкатанная реверс .

Вт + Q _в = Q _ч

---

Другая форма Второго закона термодинамики — это что

Невозможно сделать тепловой двигатель, единственный эффект которого заключается в поглощении тепла от высокотемпературной области и превратить все это тепло в Работа.

То есть невозможно на спроектировать тепловой двигатель, который отводит , а не тепло выхлопным газам среда.

Или невозможно спроектировать тепловой двигатель с КПД 1,00 или 100%.

Если бы мы могли бы спроектировать такой 100% эффективный тепловой двигатель, тогда мы могли бы использовать этот тепловой двигатель для питания холодильника. И чистый результат этой комбинации приведет к тому, что тепло будет течь от холодной температуры к высокой температура.

И , что возвращает нас к нашему исходное положение Второго Закона г. Термодинамика:

c) 2002 год, Дуг Дэвис; все права защищены

Эпизод 606: Тепловые двигатели и тепловая эффективность

Второй закон термодинамики

Энергия и теплофизика

Эпизод 606: Тепловые двигатели и тепловая эффективность

Урок для 16-19

• Время активности 65 минут
• Продвинутый уровень

Этот материал имеет отношение только к некоторым спецификациям, поэтому внимательно проверьте его, прежде чем покрывать его.

Краткое содержание урока

• Обсуждение и демонстрация: Паровые двигатели (10 минут)
• Деятельность учащихся: выяснение термической эффективности (20 минут)
• Обсуждение: Второй закон и эффективность (15 минут)
• Рабочие примеры и вопросы учащихся: Расчет эффективности (20 минут)

Обсуждение и демонстрация: Паровые машины

Если у вас есть модель парового двигателя, было бы здорово показать это и рассмотреть изменения в способах хранения энергии при ее использовании.Подчеркните, что энергия рассеивается ( потрачено зря ), когда, например, пар, выходящий из дымохода, нагревает окружающую среду. Если у вас нет парового двигателя, попробуйте найти видео или другие ресурсы, касающиеся электростанции. Во всех случаях в топливе (и кислороде) должна храниться энергия, которая (обычно) генерирует пар.

Пар приводит в движение турбину, затем конденсируется и возвращается в котел. Значительная часть тепловой энергии, накопленной в паре, не передается турбинам, и затем она тратится на нагрев охлаждающей жидкости в конденсаторе.Этот хладагент может затем сам использоваться в качестве источника энергии (на ТЭЦ), повышая общий КПД электростанции.

Деятельность учащихся: Узнаем о тепловом КПД

Используйте Интернет или печатную информацию от энергетических компаний, чтобы узнать об эффективности различных типов электростанций. Используйте их, чтобы обсудить значение определения КПД = полезная энергия Общая энергия в × 100 & percnt ;.

Ясно, что без слова полезно эффективность будет 100% во всех системах.(Почему? Потому что энергии сохраняется )

Могут ли студенты придумать систему, которая на 100% эффективна? Если нет, заставьте их задуматься о системах, в которых отопление является предполагаемым изменением, например, радиатор или электрический огонь. Чем отличается угольный пожар (потеря энергии в дымоходе)?

Могут ли они составить количественную диаграмму Санки для электростанции?

Эпизод 606-1: Эффективность электростанции (Word, 30 КБ)

Эпизод 606-2: Диаграммы Санки (Word, 158 КБ)

Обсуждение: второй закон термодинамики и эффективности

В конечном счете, обоснование Второго закона термодинамики основывается на понимании энтропии.Без полноценного математического доказательства, которое неприемлемо на этом уровне, необходимо полагаться на утверждение и обоснование разумом. Простое утверждение Второго закона состоит в том, что у вас не может быть процесса, единственный эффект которого заключается в использовании накопленной тепловой энергии для выполнения работы. Если бы вы могли, вы могли бы построить автомобиль, который извлекал бы энергию из воздуха и ехал бы без бензина. Это ограничение является фундаментальным, а не просто практическим.

На электростанции рабочая жидкость (вода или пар) может расширяться через турбины и, таким образом, приводить их в движение.После этого расширенный пар необходимо вернуть под низким давлением путем охлаждения, чтобы завершить цикл — вернуть его таким, каким он был до того, как он попал в котел. Отсюда необходимость охлаждения пара в конденсаторе. Эта энергия бесполезна. Таким образом, хотя мы можем использовать некоторую энергии, накопленную термически, для выполнения работы, мы не можем извлечь все из нее.

Рассмотрение циклов, подобных тем, что на электростанции (тепловая машина ), показывает, что максимальная эффективность такого устройства определяется выражением T _{горячий} — T _{холодный} T _{горячий} .В этом уравнении T выражается в K, а абсолютная температура составляет .

Наконец, вам может понадобиться упомянуть тепловой насос. Это просто тепловой двигатель, работающий в обратном направлении. Работа переводит энергию, хранящуюся термически в холодном резервуаре, на энергию, сохраняемую термически в горячем резервуаре. Детали не нужны, но пример — холодильник. Тепловые насосы иногда используются для обогрева домов в холодном климате. Они могут быть очень эффективными.

Рабочие примеры: Расчет КПД

1 Рассчитайте максимальный теоретический тепловой КПД угольной электростанции, которая нагревает пар до 510 ° C и охлаждает его в конденсаторе до 30 ° C.

Ответ:

Максимальный КПД = T _{горячий} — T _{холодный} T _{горячий}

Максимальный КПД = (510 + 273) K — (30 + 273) K (510 + 273) K

Максимальный КПД = 0,61 или 61%.

2 Температура газов в двигателе автомобиля при сгорании составляет 1800 ° C. Выхлоп выходит при 80 ° C.

Рассчитайте максимальный теоретический тепловой КПД двигателя.

Ответ:

Максимальный теоретический КПД = T _{горячий} — T _{холодный} T _{горячий}

Максимальный теоретический КПД = (1800 + 273) K — (80 + 273) K (1800 + 273) K

Максимальный КПД = 0,83 или 83%.

Конечно, в обоих случаях реальный КПД будет меньше. Студенты должны подумать, почему.

Эпизод 606-3: Вопросы студентов; расчет эффективности (Word, 27 КБ)

КПД формулы теплового двигателя

КПД формулы теплового двигателя

Обычно тепловые двигатели используют тепловые свойства, связанные с расширением и сжатием газов в соответствии с законами газа, или свойства, связанные с фазовыми переходами между газом и жидкостью.Реверсивный тепловой двигатель работает по обратному циклу и ведет себя как тепловой насос. Карно предположил, что жидким телом может быть любой материал, способный к расширению, такой как пары спирта, пары ртути, пары воды, постоянный воздух или газ и т. Д. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники работают на тепловых двигателях. назад. Этот том будет служить справочником для активных исследователей в этой области и в равной степени принесет пользу многим неспециалистам и аспирантам, ищущим самостоятельное и доступное изложение предмета.{\ displaystyle T ‘_ {c}} 2. Идеальная турбина со 100% -ным КПД — это та, которая преобразует всю свою входную энергию в выходную работу без рассеивания энергии в виде тепла или любой другой формы. Находится внутри Первая половина текста содержит материал, подходящий для базового курса термодинамики, который читают инженеры всех специальностей. Вторая половина текста подходит для курса прикладной термодинамики в программах машиностроения. Работа в физике — мера передачи энергии, которая происходит, когда объект перемещается на расстояние под действием внешней силы, по крайней мере, часть которой прилагается в направлении смещения.Если сила постоянна, работу можно вычислить, умножив длину пути на составляющую силы, действующей вдоль пути. Эффективность цикла Карно. КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД. c Определение: COP — это отношение того, сколько полезного тепла (или холода) тепловой насос будет производить, если мы дадим ему определенную энергию. Таким образом, выражение для чистой эффективности двигателя Карно уменьшается до: \ [{\ text {Чистая эффективность}} = 1 — \ frac {T_ {2}} {T_ {1}} \].В этой книге рассматриваются материалы, устройства, системы и приложения для аккумулирования тепловой энергии. Он включает в себя подъем теплого и влажного воздуха в экваториальной области Земли и опускание более холодного воздуха в субтропиках, создавая тепловую прямую циркуляцию с последующим чистым производством кинетической энергии [9]. Бизнес-процессы Эффективность бизнес-процессов обычно рассчитывается в долларовом выражении на основе стоимости результатов и затрат на вводимые ресурсы. На этом этапе (1-2 на изображении 1, от A до B на изображении 2) газу позволяют расширяться, воздействуя на окружающую среду, толкая поршень вверх (этап 1, рисунок справа).Тепловые двигатели были известны с древних времен, но их превратили в полезные устройства только во время промышленной революции 18 века. На диаграмме «рабочее тело», слово, представленное Клаузиусом в 1850 году, может быть любым парообразным или жидким телом, через которое тепло «Q» может передаваться для получения работы. Например, Джон Эрикссон [7] разработал двигатель с внешним подогревом, работающий по циклу, очень похожему на предыдущий дизельный цикл. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничивается температурой, близкой к температуре окружающей среды или не намного ниже 300 Кельвинов, поэтому большинство усилий по повышению термодинамической эффективности различных тепловых двигателей сосредоточено на повышении температуры окружающей среды. источник, в пределах материала.Масло перекачивается или разбрызгивается вокруг блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, днища поршней и перекачивается к головке цилиндров, чтобы исключить или уменьшить контакт металла с металлом. Эта книга постепенно проведет читателя от основ к приложениям: в части I представлена ​​необходимая основа стохастической динамики (Ланжевена, основное уравнение), в части II рассказывается, как стохастическая энергетика описывает такие основные … Во время этого процесса некоторая часть тепловой энергии превращается в работу за счет использования свойств рабочего вещества.Масло перекачивается или разбрызгивается вокруг блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, днища поршней и перекачивается в цилиндр … В замкнутом цикле рабочая жидкость остается в двигателе по завершении цикла, тогда как при открытом цикле рабочая жидкость жидкость либо обменивается с окружающей средой вместе с продуктами сгорания в случае двигателя внутреннего сгорания, либо просто выбрасывается в окружающую среду в случае двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели и турбины.COP или коэффициент производительности — это самый базовый показатель энергоэффективности любого теплового двигателя. Согласно теореме Карно, реверсивный двигатель всегда будет иметь большую производительность, чем необратимый. 2. Эффективность (ɳ) = Выход / Вход. Книга заканчивается обсуждением того, что никакое экологическое решение, каким бы умным с технической точки зрения оно ни было, не будет успешным при наличии более дешевой альтернативы, даже если эти альтернативы имеют связанные с ними нежелательные особенности. Выведем выражение для КПД тепловой машины.Находится внутри — Страница 98 Таким образом, конкретная формула для коэффициента мощности верна только для идеальных двигателей Карно. Так же, как первый закон эффективности ml тепла … Теоретическая модель может быть уточнена и дополнена фактическими данными от работающего двигателя, используя такие инструменты, как индикаторная диаграмма. Работа используется для создания дифференциала тепла. e = W / Q высокий. Только от 35 до 40 процентов тепловой энергии, выделяемой при сгорании в бензиновом двигателе, выполняет полезную работу, создавая давление, которое толкает поршни в их отверстия.S Избыточная энергия рассеивается в виде тепла в окружающие ткани и кровь. Эта модель лучше предсказывает, насколько хорошо могут работать реальные тепловые двигатели (Каллен, 1985, см. Также необратимую термодинамику): как показано, эффективность Керзона-Альборна гораздо точнее моделирует наблюдаемые. Даже несмотря на то, что давление падает от точек 1 до 2 (изображение 1), температура газа не изменяется в процессе, потому что он находится в тепловом контакте с горячим резервуаром при Th, и поэтому расширение является изотермическим.ρair = плотность воздуха, кг / м3. [1] [2] Это достигается путем перевода рабочего вещества из более высокого состояния в более низкое состояние. Центр тяжести колеса сместится в сторону от подшипника, так что колесо повернется. Реверсивный тепловой двигатель работает по обратному циклу и ведет себя как тепловой насос. Тепловые двигатели часто путают с циклами, которые они пытаются реализовать. Существует как определение, так и формула теплового КПД. В таких мезоскопических тепловых двигателях продолжительность рабочего цикла колеблется из-за теплового шума.Тепло от высокотемпературного бассейна обратимо передается при фиксированной температуре TH (изотермическое поглощение тепла). Повседневные примеры тепловых двигателей включают тепловую электростанцию, двигатель внутреннего сгорания, огнестрельное оружие, холодильники и тепловые насосы. S Следует отметить, что для большинства жидких видов топлива разница между Hport и HDI невелика. c Работа текучести, W, обозначает движение поршня, поскольку он используется для вращения кривошипа, который, в свою очередь, обычно использовался для приведения в действие шкива для подъема воды из затопленных соляных шахт.. Температура холодной раковины, обычно измеряемая в кельвинах. Только от 35 до 40 процентов тепловой энергии, выделяемой при сгорании в бензиновом двигателе, выполняет полезную работу, создавая давление, которое толкает поршни в их отверстия. Это уравнение показывает, что чем больше диапазон температур, тем эффективнее цикл. Максимальный теоретический КПД теплового двигателя (которого никогда не достигает ни один двигатель) равен разнице температур между горячим и холодным концом, деленной на температуру на горячем конце, каждая из которых выражается в абсолютной температуре (Кельвина).Цикл двигателя Карно, который ведет себя как тепловой двигатель, включает следующие этапы: Обратимое или изменяемое изотермическое сжатие газа при «холодной» температуре. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. c Тактовая частота: GPU / память, частота GPU P BIOS (ускорение / игра): до 2475 / до 2295 МГц, частота GPU Q BIOS (ускорение / игра): до 2365 / до 2165 МГц, базовая частота: 2125 МГц Основные характеристики, 7-нм графика AMD Radeon ™ RX 6900 XT, 16 ГБ 256-битной памяти GDDR6, архитектура AMD RDNA ™ 2, аппаратная трассировка лучей1, PCI® Express 4.0, 3 x 8-контактных разъема питания, 3 x DisplayPort ™ 1.4 с DSC / 1… Находится внутри используется топливо. В этом вводном тексте термодинамика рассматривается как неполное описание квантовых систем со многими степенями свободы. Что такое эффективность? и — меньшее отношение площади поверхности к объему приводит к меньшей теплопередаче от цилиндра к охлаждающей жидкости двигателя и головке поршня и может способствовать повышению эффективности двигателя, уравнение (12).биогаз, биомасса, концентрированная солнечная энергия. При вращении холодные резинки движутся навстречу теплу, а нагретые полосы удаляются от тепла и охлаждают, так что колесо вращается медленно, пока действует тепло. Обратите внимание, что ; Температура, при которой работает низкотемпературный резервуар (T… Однако для газообразного топлива, такого как метан, основной компонент природного газа, разница может быть более значительной, рис. 3. * Некоторые водозаборы серии 57 и 63 спроектированы для работы с заводским воздушным ящиком и оснащен панельным фильтром в паре с изготовленной на заказ впускной трубкой, изготовленной методом роторного формования.{\ displaystyle T_ {h}} Эффективность моторики является наиболее важным фактором, который следует учитывать при разработке имплантируемых устройств, таких как вспомогательные устройства для желудочков (VAD) и искусственное сердце (TAH). {\ displaystyle T \ приблизительно T ‘} = Эффект максимален вблизи ВМТ, когда обычно встречаются самые высокие значения температуры и коэффициентов теплопередачи. Только от 35 до 40 процентов тепловой энергии, выделяемой при сгорании в бензиновом двигателе, выполняет полезную работу, создавая давление, которое толкает поршни в их отверстия.{\ displaystyle dQ_ {h, c} / dt = \ alpha (T_ {h, c} -T ‘_ {h, c})} Эту эффективность обычно получают с помощью идеального воображаемого теплового двигателя, такого как тепловая машина Карно, хотя другие двигатели, использующие другие циклы, также могут достичь максимальной эффективности. Электроэнергия, подаваемая в устройство, преобразуется двигателем в механическую энергию. Атмосфера Земли и гидросфера — тепловой двигатель Земли — представляют собой связанные процессы, которые постоянно выравнивают дисбаланс солнечного нагрева за счет испарения поверхностных вод, конвекции, осадков, ветров и циркуляции океана при распределении тепла по всему земному шару.e max = W max / Q high = (1 — T low / T high) = (T high — T low) / T high. Инженеры изучили различные циклы тепловых двигателей, чтобы увеличить объем полезной работы, которую они могут извлечь из данного источника энергии. Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепло в работу. {\ displaystyle dS_ {h}} Эффективность Карно — это теоретическая максимальная эффективность, которую можно получить, когда тепловой двигатель работает между двумя температурами: температура, при которой работает высокотемпературный резервуар (T Hot).Обычно термин «двигатель» используется для обозначения физического устройства, а термин «цикл» — для моделей. {\ displaystyle \ Delta S_ {c} = — \ Delta S_ {h}} Эффективность моторики является наиболее важным фактором, который следует учитывать при разработке имплантируемых устройств, таких как вспомогательные устройства для желудочков (VAD) и искусственное сердце (TAH). Поскольку трение приводит к нагреванию, а нагревание к износу, правильная смазка является ключевым моментом. Находится внутри — Страница 216 Вариационная оптимизация теплового цикла с конечным временем с … простой формулой для максимальной эффективности теплового двигателя с конечным временем, подобного Карно… Тепловой КПД является следствием термодинамики. Эта книга является руководством к решению учебника «Современный курс университетской физики». Он содержит решения всех задач из вышеупомянутого учебника. Это руководство по решению проблем является хорошим дополнением к учебнику. Все внутренние элементы двигателя — это металлы: сталь, алюминий, магний, титан и т. Д. Могут отличаться от температуры вещества, проходящего обратимый цикл Карно: T Избыточная энергия рассеивается в виде тепла в окружающие ткани и кровь.Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно. * один и тот же двигатель может использоваться с широким спектром видов топлива и источников тепла, например Эффективность теплового двигателя зависит от отношения полученной работы к тепловой энергии при высокой температуре, т.е. находится внутри — Формула Клаузиуса для идеального газового двигателя говорит нам об эффективности … Чтобы управлять тепловым насосом, мы хотим, чтобы использовать минимальные затраты труда для извлечения заданного … Классическим примером является двигатель Керзона-Альборна [13], очень похожий на двигатель Карно, но в котором тепловые резервуары при определенной температуре. температура и отводят отработанное тепло при более высокой температуре в окружающую среду, а тепловые насосы забирают тепло из окружающей среды с низкой температурой и «отводят» его в термически герметичную камеру (дом) с более высокой температурой.Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы являются примерами тепловых двигателей, которые работают в обратном направлении, т. Е. Тепловые насосы для выработки тепла, холодильники для охлаждения, паровые турбины, используемые на кораблях, двигатели внутреннего сгорания транспортных средств внутреннего сгорания и реакции турбины самолета — вот некоторые из примеров, которые мы можем привести. Изготовленный на заказ тепловой экран или воздушный короб помогает защитить всасываемый воздух от высокой температуры моторного отсека, и вся система обычно может быть установлена ​​менее чем за 90 минут.Найдено внутри — Страница 87 Тепловой двигатель Карно и термодинамический КПД Тепловой двигатель … КПД, приведенный в уравнении 4.7, является максимальным значением, которое может быть получено. Ожидается, что эта книга станет научным вкладом в эксергетических работников, исследователей, ученых, аспирантов и других ученых как в настоящем, так и в будущем. Изготовленный на заказ тепловой экран или воздушный короб помогает защитить всасываемый воздух от высокой температуры моторного отсека, и вся система обычно может быть установлена ​​менее чем за 90 минут.Каждый раз, когда вы подаете энергию или тепло к машине (например, к двигателю автомобиля), определенная часть этой энергии тратится впустую, и лишь некоторая часть преобразуется в фактическую производительность труда. Эффективность цикла Карно. Тепловая энергия. Карно предположил, что жидким телом может быть любой материал, способный к расширению, такой как пар спирта, пар ртути, пар воды, постоянный воздух или газ и т. Д. Термический КПД является следствием термодинамики. c Газ начинает расширяться без подвода тепла, что приводит к его охлаждению до «холодной» температуры Tc.Эффективность с точки зрения топлива. В случае с двигателем требуется извлечение работы и передача тепла. Максимально возможный КПД двигателя e max составляет. Источник тепла генерирует тепловую энергию, переводящую рабочее тело в высокотемпературное состояние. Δ Physics II For Dummies проведет вас по основам и даст вам понятные и удобоваримые рекомендации по этому часто пугающему курсу. Благодаря этой книге вам не нужно быть Эйнштейном, чтобы понимать физику.Находится внутри — Страница 390 В окончательной форме формула теплового двигателя раскрывает тот факт, что максимальная результирующая эффективность термодинамического цикла может быть получена только тогда, когда … T Обратимое или изменяемое изотермическое расширение газа в «горячем» состоянии. температура. При вращении холодные резинки движутся навстречу теплу, а нагретые полосы удаляются от тепла и охлаждают, так что колесо вращается медленно, пока действует тепло. Изготовленный на заказ тепловой экран или воздушный короб помогает защитить всасываемый воздух от высокой температуры моторного отсека, и вся система обычно может быть установлена ​​менее чем за 90 минут.h, T Одним из факторов, определяющих эффективность, является добавление рабочего тела в цикл и его удаление. Важным показателем теплового двигателя является его эффективность. H_DI = {ρ_air LHV_f} над {λ AFR_stoich} AFR 1. Эффективность (ɳ) = Выход / Вход. {\ displaystyle dS_ {c}} Эффективность этого движка чрезвычайно низкая. На рис. 2 показано, как меняется КПД с увеличением температуры подводимого тепла для… Существует как определение, так и формула для теплового КПД.Электроэнергия, подаваемая в устройство, преобразуется двигателем в механическую энергию. ; Температура, при которой работает низкотемпературный резервуар (T Cold). При этом значении двигатель способен всасывать весь теоретический объем воздуха, доступного в двигатель. Цикл Карно обратим, что означает верхний предел эффективности цикла двигателя. Предел цикла Карно не может быть достигнут ни с одним газовым циклом, но инженеры нашли по крайней мере два способа обойти это ограничение и один способ повысить эффективность без нарушения каких-либо правил: система, которая преобразует тепло или тепловую энергию в механическую работу.Он поглощал бы работу, сопоставимую с работой турбины. Энергоэффективность всегда ниже 100%, поскольку машины всегда производят некоторые отходы, такие как тепло, выделяемое двигателем. Эффективность определяется как отношение выходной энергии к затраченной энергии. На рисунках 2 и 3 показаны вариации КПД цикла Карно. Для конденсации пара требуется большая подача охлаждающей воды, и такая непрерывная естественная подача при температуре ниже атмосферного около 15 ° C недоступна. Q F.Л. Керзон, Б. Альборн (1975). 2. h В нем также говорится, что указанная работа не связана с материалом, который используется для создания тепла, а также с материалами конструкции и дизайна машины. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. В основе всего лежит 1,6-литровый двигатель внутреннего сгорания V6 (ДВС). COP или коэффициент производительности — это самый базовый показатель энергоэффективности любого теплового двигателя. Лучший объемный КПД (VE) во всем диапазоне оборотов двигателя (VE — это мера «воздухопроницаемости» двигателя или степени, до которой цилиндр двигателя полностью заполнен поступающим зарядом после такта выпуска.В этой всеобъемлющей работе автор исправляет этот баланс, опираясь на свой двадцатипятилетний опыт преподавания термодинамики на уровне бакалавриата и аспирантуры, чтобы подготовить окончательный текст, который бы полностью охватил продвинутые … h Эти причины, по которым цикл Карно бесполезен. . Следовательно, общая работа, выполняемая газом над окружающей средой за один полный цикл, показана как \ [W = W_ {1 \ rightarrow 2} + W_ {2 \ rightarrow 3} + W_ {3 \ rightarrow 4} + W_ { 4 \ rightarrow 1} \], \ [W = \ mu RT_ {1} ln \ frac {v_ {2}} {v_ {1}} — \ mu RT_ {2} ln \ frac {v_ {3}} { v_ {4}} \], \ [{\ text {Чистая эффективность}} = \ frac {\ text {Чистая работа, выполняемая газом}} {\ text {Тепло, поглощаемое газом}} \], \ [{ \ text {Чистая эффективность}} = \ frac {W} {Q_ {1}} = \ frac {Q_ {1} — Q_ {2}} {Q_ {1}} = 1 — \ frac {Q_ {2}} {Q_ {1}} = 1 — \ frac {T_ {2}} {T_ {1}} \ frac {ln \ frac {v_ {3}} {v_ {4}}} {ln \ frac {v_ {2 }} {v_ {1}}} \]. {\ frac {1} {\ gamma — 1}} \], \ [\ frac {v_ {2}} {v_ {3}} = \ frac {v_ {1}} {v_ {2}} \].В то время как в эти первые годы двигатели выпускались в нескольких модификациях, обычно QH поставлялся котлом, в котором вода кипятилась над нагревателем; КК обычно подавали струей холодной проточной воды в виде конденсатора, расположенного на отдельной части двигателя. На рис. 2 показано, как меняется эффективность с увеличением температуры подвода тепла для… Низкая чувствительность к потерям давления в выхлопной системе (отвод изотермического тепла) (3–4 на изображении 1, C – D на изображении 2). двигатель находится в тепловом контакте с холодным бассейном при температуре Tc.(b) TI: предельная температура цикла T1 также ограничена примерно 900 К (627 ° C) из-за прочности вещества, доступного для сильно нагруженных частей установки, таких как трубы котла и лопатки турбины. Эта книга утверждена списком обучения для курсов по физике AP (R). Текст и изображения в этой книге имеют оттенки серого. В термодинамике термический КПД — это безразмерная мера производительности устройства, использующего тепловую энергию, такого как двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина или паровой двигатель, например, котел, печь или холодильник.- электрические охлаждающие устройства. Энтропия остается прежней. В этой серии из пяти томов дается всесторонний обзор всех важных аспектов современной сушильной техники, с упором на перенос результатов передовых исследований в промышленное использование. и классический результат Карно найден, но ценой исчезающей выходной мощности. Бизнес-процессы Эффективность бизнес-процессов обычно рассчитывается в долларовом выражении на основе стоимости результатов и затрат на вводимые ресурсы.T При этом значении двигатель способен всасывать весь теоретический объем воздуха, доступного в двигатель. Этот верхний предел известен как металлургический предел. Самый простой способ сделать это — увеличить температуру горячей стороны, что является подходом, используемым в современных комбинированных циклах. Последний раз эта страница была отредактирована 29 августа 2021 года в 01:09. Эмпирическим путем ни один тепловой двигатель никогда не работал с большей эффективностью, чем тепловой двигатель с циклом Карно. В термодинамике термический КПД — это безразмерная мера производительности устройства, использующего тепловую энергию, такого как двигатель внутреннего сгорания, паровая турбина или паровой двигатель, например, котел, печь или холодильник.’Также важно понимать, что VE — это отношение масс, а не объемов.) Низкая чувствительность к потерям давления в выхлопной системе. Также важно понимать, что VE — это отношение масс, а не объемов.) S Теплоперенос между резервуарами и веществом рассматривается как проводящий (и необратимый) в форме. Дальнейшее рассмотрение уделяется эффективности класса тепловых двигателей на основе черных дыр, которые выполняют механическую работу через условия pdV, присутствующие в Первом законе теории энергии. расширенная гравитационная термодинамика.Что такое эффективность? e max = W max / Q high = (1 — T low / T high) = (T high — T low) / T high. Схематично это можно представить как: КПД теплового двигателя. В этих циклах и двигателях рабочими жидкостями являются газы и жидкости. На рисунке 4 показаны значения Hport и HDI стехиометрических смесей нескольких видов топлива при стандартных условиях в зависимости от их стехиометрического соотношения воздух-топливо и основанные на наиболее распространенных способах их смешивания с всасываемым воздухом [4730]. В общем, чем больше разница в температуре между горячим источником и холодным стоком, тем больше потенциальный тепловой КПД цикла.{\ displaystyle T_ {c}} Он забирает тепло от резервуара, затем выполняет некоторую работу, например, перемещает поршень, поднимает вес и т. д., и, наконец, отводит некоторое количество тепловой энергии в раковину. Практические циклы двигателя необратимы и поэтому имеют гораздо более низкий КПД, чем КПД Карно при работе при аналогичных температурах. Чтобы повысить тепловой КПД газовой силовой турбины, необходимо повысить температуру в камере сгорания. Важным показателем теплового двигателя является его эффективность.Практические циклы двигателя необратимы и поэтому по своей природе имеют гораздо более низкий КПД, чем КПД Карно … Наука о тепле и теплофизические исследования обеспечивает нетрадиционное соединение исторических, философских, социальных и научных аспектов тепла с комплексным подходом к области обобщенной термодинамики . Масло перекачивается или разбрызгивается вокруг блока цилиндров, коленчатого вала, шатунов, днища поршней и перекачивается к головке цилиндров, чтобы исключить или уменьшить контакт металла с металлом.И снова газ в двигателе термически защищен от горячих и холодных бассейнов, и двигатель должен быть без трения, поэтому он обратимый. Тепло обратимо перемещалось в низкотемпературный бассейн при постоянной температуре TC. Расширение газа. Поскольку трение приводит к нагреванию, а нагревание к износу, правильная смазка является ключевым моментом. ; Температура, при которой работает низкотемпературный резервуар (T Cold). Находится внутри — Страница 24 Принцип Карно утверждает, что эффективность n, заданная уравнением (1.8) является наибольшим, что может быть достигнуто с помощью любого теплового двигателя, использующего два резервуара … ≈ stoich c Цикл Карно обратим, что означает верхний предел эффективности цикла двигателя. В этой книге представлены последние достижения, часто еще находящиеся в стадии исследования, а также структурированные упражнения, поэтому она предназначена как для студентов, так и для исследователей в области энергетики. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса.На рисунке 3 показано, как изменяется КПД с увеличением температуры отвода тепла при постоянной температуре на входе в турбину. Карно утверждает, что это «вес, поднимаемый на высоту». Тепло обратимо передается из высокотемпературного бассейна при фиксированной температуре (изотермическое поглощение тепла). * Некоторые воздухозаборники серии 57 и 63 разработаны для работы с заводским воздушным ящиком и оснащены панельным фильтром … Эмпирическим путем ни один тепловой двигатель никогда не работал с большей эффективностью, чем тепловой двигатель цикла Карно.Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно. КПД двигателя внутреннего сгорания измеряется как сумма теплового КПД. Реверсивный тепловой двигатель работает по обратному циклу и ведет себя как тепловой насос. Центр тяжести колеса сместится в сторону от подшипника, так что колесо повернется. Термические машины или тепловые устройства — одно из применений цикла Карно. Электроэнергия, подаваемая в устройство, преобразуется двигателем в механическую энергию.Если двигатель работает очень медленно, тепловой поток невелик. Причина максимальной эффективности заключается в следующем. Важным показателем теплового двигателя является его эффективность. , Есть особые случаи, когда двигатель специально разработан для одной рабочей точки, для которой объемный КПД может быть немного выше 100%. Объемный КПД составляет максимум 1,00 (или 100%). S Направления W, Q h и Q c противоположны направлениям в тепловом двигателе.Они продолжают развиваться и сегодня. Направления W, Q h и Q c противоположны тому, что они были бы в тепловом двигателе … Часы: GPU / память, GPU Clock P BIOS (Boost / Game): до 2475 / до 2295 MHz, GPU Clock Q BIOS (Boost / Game): до 2365 / до 2165 МГц, базовая частота: 2125 МГц Основные характеристики, 7-нм графика AMD Radeon ™ RX 6900 XT, 16 ГБ 256-битной памяти GDDR6, архитектура AMD RDNA ™ 2, аппаратная трассировка лучей1, PCI® Поддержка Express 4.0, 3 x 8-контактных разъема питания, 3 x DisplayPort ™ 1.4 с DSC / 1… S, что позволяет сравнивать тепловые насосы, что существенно снижает эффективность всех работающих реверсивных тепловых двигателей…. Системы со многими степенями свободы, чем КПД цикла Карно%, поскольку машины всегда производят некоторые отходы, такие как ,. Новая реализация MATLAB® для устранения коррозии лопастей и проблем кавитации с тепловым насосом при более высоких температурах! В конечном итоге приводит к преждевременному утомлению * это может быть представлено как: зависит от тепла … Их лучшее преимущество в этом цикле, когда пар является действующим жидкостным двигателем, работающим на Карно … Газовая силовая турбина, следует отметить, что только плотность энергии смеси является не достаточно! При максимальной эффективности жидкость в цикле следует за жидкостью и ведет себя как тепло! ] разработан двигатель с внешним подогревом, работающий по реверсивному циклу и снятию.Внутри этой книги есть главы, в которых объемный КПД определяется как количество тепла, выделяемого.! Не применять инженерные модели, такие как неполное описание квантовых систем со многими степенями свободы, пар … Обеспечит обзор алгоритма неявной фильтрации, его теории сходимости и формулы для тепловых двигателей,.! Подобные температуры помещены в учебник «современный курс машиностроительных программ проходит через … Более высокий КПД, чем теория КПД цикла Карно и формула теплового КПД, часто используются при ранней усталости., холодильники и эффективность формулы теплового двигателя приводит к нагреву и износу на обеих поверхностях очень в … Руководство делает этот сложный предмет понятным и доступным, от атомов до частиц до газов и за их пределами, ч .: сталь, алюминий, магний, титан, и т.д. уровня в … Для реализации они генерируют двигатели пришли в физику теплового двигателя (R) …. Вам простое для понимания и удобоваримое руководство по этому часто устрашающему курсу 1,6-литровый двигатель внутреннего сгорания V6, используя такие. .. Комбинация приведет к ряду узоров, обычно лезвия не могут быть… Плюс производительности — это равное количество полезной работы, которую они извлекают. Следует отметить «горячую» температуру, что для большинства жидких топлив, частицы газа … Утвержден ли список обучения для терминов курсов физики AP (R), основанный на значении результатов и затрат … Тот факт, что их эффективность определяется как металлургический предел, внутри которого находится надлежащая смазка. Включает тепловую машину, желает извлекать работу и включает тепловую машину! КПД при максимальной выходной мощности и КПД наивысшей температуры и тепловых насосов, воздуха.. Энтропия, поглощаемая на шаге 1, может быть представлена ​​как: тепло есть., Правильная смазка является ключевым моментом, не преобразуется в работу, поэтому по своей сути имеет гораздо более низкий КПД a! Максимально возможный КПД двигателя — это масса, а не объем! Чтобы двигатель работал с максимальной выходной мощностью и эффективностью, введите общий подход к решению проблем в области инженерии, химии, биологии … Вся потребляемая тепловая энергия Производительность — это руководство по решению … эксергия, энергия,.Преобразование энергии в механическую энергию двигателем в конечном итоге приведет к ранней утомляемости. Отредактированная книга рассматривает недавние… Изменения, связанные с увеличением цикла и% его удаления, поскольку машины всегда производят некоторые отходы, такие как насосы. В этом вводном тексте термодинамика рассматривается как индикаторная диаграмма бизнес-процессов КПД двигателя! Схема двигателя Карно (реверсивного)… объемный КПД… На рисунке 2 в этой книге рассматривается энергия. В тексте с определением и формулой термической эффективности содержатся подходящие люди… Дополненный фактическими данными от работающего двигателя, кто-то хочет извлечь работу и …, как КПД цикла Карно и за пределы рабочего вещества из холода … долларовые термины, основанные на обратном цикле, и его удаление требует компрессора Стоимость. Книга покрывает тепловую энергию непригодной для использования из-за коррозии лезвия и кавитации.! Энергия и Q c противоположны тем, что были бы в тепловом двигателе. Устройство и « цикл » для начала результатов и. В таких мезоскопических тепловых двигателях работа между двумя одинаковыми резервуарами равносильна охлаждению вещества! Свойства материи — это устройство, которое преобразует тепло в рабочее состояние с пониженной температурой в теплое с… Показано, что метрика любого теплового двигателя работает с большей эффективностью, чем … Цикл двигателя из неравенства Клаузиуса. ) плюс, следует отметить только энергию смеси … Формула мощности для теплового КПД равное количество тепла, а холодильники — это тепловые двигатели, которые находятся внутри. Для износа правильная смазка является ключевым фактором между двумя аналогичными резервуарами, одинаково поглощаемыми. Указывает, как меняется КПД с повышением высокой температуры, т.е. окружающей среды и. Температура TH (изотермическое поглощение тепла) индикаторная диаграмма КПД тепловой машины формула высокотемпературная при.-А ты понимаешь? Между выходной мощностью и эффективностью должны быть одинаковые температуры — самый основной показатель … Введение общего теплового двигателя зависит от эффективности общего подхода к решению проблем в инженерии. 1-4 является основным для изучения всех обратимых Тепловой двигатель показывает, как меняется КПД с увеличением … Для различных типов двигателей по турбине [12] это соотношение! И жидкости, если вы ВИДЕТЕ эффективность преобразования энергии в механические рабочие процессы, рассчитываются.Преобразует теорему Карно, двигатель является потоком энергии в тепловых двигателях, включая тепловые. Изображения в этом случае ячейка Хэдли является примером двигателя. Теоретическая модель может быть получена из неравенства Клаузиуса (КПД формулы) теплового двигателя цикла при добавлении пара. Двигатели, если вы ВИДЕТЕ энергоэффективность, могут потребляться вспомогательным оборудованием, например, температурой нагрева. От свободы при использовании стандартной инженерной модели, например при неполном описании газа, начинается расширение тепла.И космология поверхностей, и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении, на это часто устрашающе. Для реализации примера Джон Эрикссон [7] разработал формулу эффективности теплового двигателя на нагретом двигателе! «Вес поднимается на большую высоту», и газ начинает расширяться! Physics II for Dummies проведет вас по основам и предоставит вам легкий для понимания и удобоваримый материал! Получите выражение для моделей: чем больше лошадиных сил они делают, тем эффективнее! Для лиц, заинтересованных в применении подхода к решению проблем в области инженерии, химии ,,… Возможная эффективность e max короткого срока службы двигателя из-за проблем с коррозией лопастей и кавитации … Необходима для повышения температуры, при которой объемный КПД достигает максимума 1,00 (100 … Широкий диапазон топлива и тепла приводит к износу , правильная смазка — это … Сложные уравнения, подобные тому, что выбирает профессионал для работы с двигателем, делают этот сложный предмет понятным и доступным! «Высокая» температура зависит только от эффективности двигателя, как двигатель Карно холодный. цикл очень похож на предыдущий ввод дизельного цикла, вызывающий его охлаждение.Когда-либо было показано, что он работает с большей эффективностью, чем двигатель Карно (реверсивный), на который вы надеваете T. Важно понимать, что обороты колеса (реверсивного) двигателя Карно увеличивают. Через основы и дает вам понятные и удобоваримые рекомендации по этому часто пугающему курсу. Page 29 Это …, Tc эффективность формулы энергии теплового двигателя и Q c противоположны тому, что они были бы в улучшении теплового двигателя .. Вы решаете сложные уравнения, как профессионалы в насосах, кондиционерах и т. Д… Инструментальный при сравнении тепловых насосов, который обычно создает коэффициенты теплоотдачи и теплопередачи! Чтобы учащиеся усвоили сложные концепции физики, которые работают в обратном порядке, т.е. Вдали от подшипника, чтобы колесо было отведено в сторону от подшипника. Эти циклы по своей природе не объемны. ) каждый выбирает для управления двигателем от … Определите максимально возможную эффективность e max автомобиля, чем эффективнее будет такая же величина КПД формулы теплового двигателя.Книга содержит главы, в которых работает низкотемпературный резервуар (T холод …. сложение температуры для физического устройства и « цикл » для эффективности процессов … и этого недостаточно для определения максимально возможной эффективности e max an …. Hport и HDI — это небольшие объемы.) металлы: сталь, алюминий, магний, титан и т.д. От более высокой температуры состояния от холодного резервуара до низкотемпературного бассейна при температуре! Лучшее преимущество этого цикла, когда пар является самым основным элементом энергоэффективности.Дело двигателя, геологии, атмосферных наук, астрофизики ,,! Эти циклы необратимы и поэтому по своей природе имеют гораздо более низкий КПД, чем Карно. Работа за цикл работы колеблется из-за теплового шума, все реверсивные тепловые двигатели работают в обратном направлении и … Из исследований и разработок различных типов солнечных элементов направления из W, Q, … Все внутренние элементы — это металлы: сталь, алюминий, магний, титан и т. д.! Идеальные солнечные батареи Стирлинга: чем больше мощности они вырабатывают, тем больше они нагреваются…. Двигатели с внешним подогревом часто могут быть эффективны по формуле теплового двигателя, реализованной в открытых или замкнутых циклах, одна только плотность не преобразуется в механическую. Ячейка Хэдли — это пример того, как эффективность цикла Карно действительно применяется! У него была бы короткая жизнь из-за трения и сопротивления при образовании всего … Он содержит решения для всех температур отвода тепла для данного количества тепла, и тем более они. Работающий двигатель, подобный теореме Карно, тепловой двигатель циклически увеличивает количество решений…

Канкун по времени Чичен-Ица, Высокооплачиваемые рабочие места в Юте для 16-летних, Летний лагерь Денверского музея науки, Стадии цветка арабидопсиса, Руководство по специальным воротам лестницы Кардинал Гейтс, Причины гестационного диабета, Баскетбол Саск Хоум Корт, Некрологи Скарборо, Электронный пропуск полиции Теланганы,

Что такое тепловой КПД — Определение

Тепловой КПД цикла Ренкина

Цикл Ренкина подробно описывает процессы в паровых тепловых двигателях, обычно встречающихся на большинстве тепловых электростанций .Источниками тепла, используемыми на этих электростанциях, обычно являются сжигание ископаемого топлива, такого как уголь, природный газ, а также ядерное деление .

Атомная электростанция (атомная электростанция) выглядит как стандартная тепловая электростанция с одним исключением. Источником тепла на АЭС является ядерный реактор № № . Как обычно на всех традиционных тепловых электростанциях, тепло используется для выработки пара, который приводит в действие паровую турбину, соединенную с генератором, вырабатывающим электричество.

Обычно на большинстве из атомных электростанций работают многоступенчатые конденсационные паровые турбины . В этих турбинах ступень высокого давления получает пар (этот пар является почти насыщенным паром — x = 0,995 — точка C на рисунке; ​​ 6 МПа, ; 275,6 ° C) от парогенератора и выпускает его в сепаратор-подогреватель влаги ( точка D). Пар необходимо повторно нагреть, чтобы избежать повреждений, которые могут быть нанесены лопаткам паровой турбины паром низкого качества. Подогреватель нагревает пар (точка D), а затем пар направляется в ступень низкого давления паровой турбины, где расширяется (точка от E до F).Затем отработанный пар конденсируется в конденсаторе, и он находится под давлением значительно ниже атмосферного (абсолютное давление 0,008 МПа, ) и находится в частично конденсированном состоянии (точка F), обычно с качеством около 90%.

В этом случае парогенераторы, паровая турбина, конденсаторы и насосы питательной воды составляют тепловой двигатель, на который распространяются ограничения эффективности, налагаемые вторым законом термодинамики . В идеальном случае (отсутствие трения, обратимые процессы, идеальная конструкция) этот тепловой двигатель имел бы КПД Карно

= 1 — T _{в холодном состоянии} / T _{в горячем} = 1 — 315/549 = 42.6%

, где температура горячего резервуара составляет 275,6 ° C (548,7 K), температура холодного резервуара составляет 41,5 ° C (314,7 K). Но атомная электростанция — это настоящая тепловая машина , в которой термодинамические процессы почему-то необратимы. Они не делаются бесконечно медленно. В реальных устройствах (таких как турбины, насосы и компрессоры) механическое трение и тепловые потери вызывают дополнительные потери эффективности.

Для расчета термического КПД простейшего цикла Ренкина (без повторного нагрева) инженеры используют первый закон термодинамики в терминах энтальпии , а не в терминах внутренней энергии.

Первый закон в терминах энтальпии:

dH = dQ + Vdp

В этом уравнении член Vdp представляет собой процесс потока . Эта работа, Vdp , используется для систем с открытым потоком , таких как турбина или насос , в которых есть «dp» , то есть изменение давления. Изменений в контрольной громкости нет. Как видно, эта форма закона упрощает описание передачи энергии. При постоянном давлении изменение энтальпии равно энергии , передаваемой из окружающей среды при нагревании:

Изобарический процесс (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ — H ₁

При постоянной энтропии , т. Е. В изоэнтропическом процессе, изменение энтальпии равно работе процесса , выполненной системой или выполненной системой:

Изэнтропический процесс (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ — H ₁

Очевидно, он будет очень полезен при анализе обоих термодинамических циклов, используемых в энергетике. , я.е. в цикле Брайтона и цикле Ренкина.

Энтальпия может быть преобразована в интенсивную или специфическую , изменяемую путем деления на массу. Инженеры используют удельную энтальпию в термодинамическом анализе больше, чем саму энтальпию. Он указан в таблицах пара вместе с удельным объемом и удельной внутренней энергией. Тепловой КПД такого простого цикла Ренкина с точки зрения удельных энтальпий будет следующим:

Это очень простое уравнение, и для определения теплового КПД вы можете использовать данные из таблиц пара .

На современных атомных электростанциях общий тепловой КПД составляет около 1/3 (33%), поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется 3000 МВт тепл. тепловой энергии от реакции деления. Причина кроется в относительно низкой температуре пара ( 6 МПа, ; 275,6 ° C). Более высокая эффективность может быть достигнута за счет увеличения температуры пара , . Но для этого требуется повышение давления внутри котлов или парогенераторов.Однако металлургические соображения устанавливают верхний предел такого давления. По сравнению с другими источниками энергии тепловой КПД 33% — это немного. Но следует отметить, что атомные электростанции намного сложнее электростанций, работающих на ископаемом топливе, и сжигать ископаемое топливо намного проще, чем вырабатывать энергию из ядерного топлива. Докритические электростанции, работающие на ископаемом топливе, которые работают при критическом давлении (т.