Кпд тепловой машины формула: КПД теплового двигателя — урок. Физика, 8 класс.

КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 404.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 404.

Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Как устроен тепловой двигатель

С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.

Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.

Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:

Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T1. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:

$$η={А\over Q1}$$

Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда

$η ={1 – Q2\over Q1}$

Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 2. Цикл Карно:.

Напомним:

  • 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).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

$$ηmax=1-{T2\over T1}$$

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.

Рис. 3. КПД реальных тепловых двигателей:.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T1 и холодильника Т2, тем больше КПД.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда – пройдите тест.

  • Диана Руслановна

    6/10

  • Каспанов Александр

    7/10

  • Алекс Свояков

    8/10

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 404.


А какая ваша оценка?

Максимальный кпд тепловых машин (теорема Карно)

Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.

Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики*, следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Т1 и холодильником температуры Т2, не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

* Карно фактически установил второй закон термодинамики до Клаузиуса и Кельвина, когда еще первый закон термодинамики не был сформулирован строго.

Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по обратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т1 и Т2.

Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) η

’ > η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина — по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5):

(5.12.11)

Рис. 5.18

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q2 = ||

Тогда согласно формуле (5.

12.7) над ней будет совершаться работа

(5.12.12)

Так как по условию η’ > η, то А’ > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.

Если допустить, что η > η‘, то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно — по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: η

‘ = η.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η‘ > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение т|’ < г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η≤ η, или

Это и есть основной результат:

(5.12.13)

Формула (5.12.13) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т.

д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 = 800 К и Т2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения , где Т1 абсолютная температура нагревателя, а Т2 абсолютная температура холодильника.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному важнейшая техническая задача.

Тепловая эффективность – Энергетическое образование

Энергетическое образование

Меню навигации

ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ

ИНДЕКС

Поиск

Рисунок 1: Количество работы, произведенной для данного количества тепла, определяет тепловую эффективность системы. [1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая превращается в полезную работу. Тепловой КПД обозначается символом [math]\eta[/math] и может быть рассчитан по уравнению:

[математика]\eta=\frac{W}{Q_H}[/math]

Где:

[math]W[/math] — полезная работа и

[math]Q_H[/math] — общее количество подведенной тепловой энергии от горячего источника. [2]

Тепловые двигатели часто работают с эффективностью от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% термического КПД ([математика]\эта = 1[/математика]) в соответствии со Вторым законом термодинамики. Это невозможно, потому что некоторое количество отработанного тепла всегда производится в тепловом двигателе, что показано на рисунке 1 термином [math]Q_L[/math]. Хотя полная эффективность тепловой машины невозможна, существует много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 Дж тепловой энергии в виде тепла ([math]Q_H[/math]), а двигатель выполняет работу 80 Дж ([math]W[/math]), то КПД равен 80 Дж / 200 Дж, что составляет 40% КПД.

Тот же результат можно получить, измерив отработанное тепло двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж и наблюдается 120 Дж отходящего тепла, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основной артикул

Существует максимально достижимая эффективность тепловой машины, которая была выведена физиком Сади Карно. Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается таким

[математика]\eta_{max}=1 – \frac{T_L}{T_H}[/math]

Где

[math]T_L[/math] — температура холодной «раковины» и

[math]T_H[/math] — температура теплового резервуара.

Это описывает КПД идеализированного двигателя, которого в реальности достичь невозможно. [3] Из этого уравнения следует, что чем ниже температура стока [math]T_L[/math] или выше температура источника [math]T_H[/math], тем больше работы доступно для тепловой машины. Энергия для работы получается за счет уменьшения полной энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для совершения работы. [4]

Для дополнительной информации

Для получения дополнительной информации см. соответствующие страницы ниже:

  • Тепловая машина
  • Сгорание углеводородов часто является источником тепла для этих двигателей.
  • Солнечная тепловая электростанция
  • Атомная электростанция
  • Чтобы узнать о тепловом КПД автомобильных двигателей, нажмите здесь
  • Или исследуйте случайную страницу!

Ссылки

  1. ↑ Эта фотография была сделана командой Energy Education.
  2. ↑ ТПУБ Механика двигателей. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
  3. ↑ Гиперфизика, Цикл Карно [Онлайн], Доступно: http://hyperphysics. phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
  4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Клейнбах, «Тепло и работа», в Energy: its Use and the Environment , 4th ed. Торонто, Онтарио. Канада: Thomson Brooks/Cole, 2006, ch.4, sec.E, pp.115.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Для преобразования теплоты в работу необходимо как минимум два места с разными температурами. Если вы возьмете Q высокий ат температура T высокая необходимо сбросить как минимум Q низкая при температура T низкая . Объем работы, которую вы получаете от тепловой двигатель W = Q высокий – Q низкий . Максимальный объем работы, который вы можете получить от тепловая машина это сумма которую вы получите из реверсивного двигателя.

Вт макс. = (Q высокий – Q низкий ) реверсивный = Вопрос высокий – Q высокий T низкий /T высокий = Q старший (1 – T низкий /T высокий ).

W является положительным, если T high больше T low .

КПД тепловой машины отношение полученной работы к затраченной тепловой энергии температура, e = W/Q высокая . Максимально возможное КПД е макс такого двигателя

e макс = W макс /Q высокий = (1 – T низкий /T старший ) = (T высокий – T низкий )/T высокий .


Паровые двигатели

Паровая машина — это тип тепловой машины. Он забирает тепло от горячий пар, преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает отдохнуть на 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 паровая машина при преобразовании тепло в работу.

В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри цилиндр. В котле вырабатывается горячий пар высокого давления. этот пар поступает в цилиндр через клапан. Однажды внутри цилиндр, пар выталкивается наружу на каждую поверхность, включая поршень. Поршень движется. Пар совершает механическую работу над поршень, а поршень совершает механическую работу над присоединенными механизмами к этому. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии это оборудование, так что пар становится холоднее, когда оборудование работает.

Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха. после этого поршень может легко вернуться. Во многих случаях допускается использование пара. введите другой конец цилиндра так, чтобы пар толкал поршень вернуться в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение начальной точки, клапан снова впускает пар высокого давления в цилиндр и весь цикл повторяется. В общем, тепло идет. от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и части этого тепла преобразуется в механическую работу движущимся поршнем. максимальный КПД паровой машины e max = (T пар – T воздух )/T пар . Фактическая эффективность обычно намного ниже.

Внешняя ссылка: Паровоз (Youtube)

Проблема:

Максимум возможный КПД паровой машины, принимающей теплоту при 100 o C и сброс его при комнатной температуре примерно 20 o C?

Решение:

  • Обоснование:
    Максимальный КПД любой тепловой машины равен КПД двигателя Карно. e max = (T высокий – T низкий )/T высокий .
  • Детали расчета:
    100 o C = 373 K и 20 o С = 293 К.  максимально возможная эффективность
    (T высокий – T низкий )/T высокий =  (373 – 293)/373 = 0,21 = 21%.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха. Наиболее распространенным типом является четырехтактный двигатель. Поршень скользит в и из цилиндра. Два или более клапана позволяют топливу и воздух для входа в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад внутри цилиндра изменяется объем, который могут занимать газы кардинально.

Процесс преобразования теплоты 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 при топливно-воздушная смесь сжата максимально плотно, свеча зажигания в запаянном конце цилиндра срабатывает и воспламеняет смесь. Горячее горящее топливо имеет огромное давление и толкает поршень. из цилиндра. это рабочий ход обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования. Наконец, сгоревший газ выдавливается из цилиндра 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 хотя бы один цилиндр проходит рабочий такт, и это может нести другие цилиндры через нерабочие такты. максимальный КПД такого двигателя е max = (T зажигание – T воздух )/T зажигание где T зажигание – температура топливно-воздушной смеси после воспламенения. К максимизировать эффективность использования топлива, вы должны создать максимально горячую топливно-воздушной смеси после зажигания. Самая высокая эффективность, которая было достигнуто примерно 50% e max .

Внешняя ссылка: Внутреннее сгорание двигатель (Ютуб)

Проблема:

Тепловая машина поглощает 360 Дж тепловой энергии и совершает 25 Дж работы в каждый цикл.

Оставить комментарий