В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель , рабочее тело и холодильник .
Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.
В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.
Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.
Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Q нагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Q хол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:
A = Q нагр – |Q хол|.
В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.
КПД теплового двигателя (машины)
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.
В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q , то
Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:
Второй закон термодинамики
Существует несколько формулировок второго закона термодинамики . Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).
Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.
Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.
Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.
Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.
Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию .
КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела
Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.
На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.
|
|
Изобарно-изохорный |
|
Изохорно-адиабатный |
|
Изобарно-адиабатный |
|
Изобарно-изохорно-изотермический |
|
|
Изобарно-изохорно-линейный |
Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя
Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).
Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:
Экологические последствия работы тепловых двигателей
Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:
- Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
- Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
- Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.
Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).
Из-за того что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД двигателей не может равняться единице. Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем температуры Тг и холодильником температуры Т2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно.
Идеальная тепловая машина Карно
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Все процессы в машине Карно рассматриваются как равновесные (обратимые).
В машине осуществляется круговой процесс или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние. Цикл Карно состоит из двух изотерм и
двух, адиабат (рис. 5.16). Кривые 1 -2 и 3-4 - это изотермы, а 2-3 и 4-1 - адиабаты.
Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окру-жающими телами. Далее следует
изотермическое сжатие газа при о~ ^
температуре Т2. Газ отдает в этом рис g jg
процессе холодильнику количество теплоты Q2 Наконец газ сжимается адиабатно и возвращается в начальное состояние.
При изотермическом расширении газ совершает работу > 0, равную количеству теплоты При адиабатном рас-ширении 2-3 положительная работа А"3 равна уменьшению внутренней энергии при охлаждении газа от температуры 7\ до температуры Т2: А"3 = -AU12 = ЩТХ) - U (Т2).
Изотермическое сжатие при температуре Т2 требует совершения над газом работы А2. Газ совершает соответственно отри цательную работу А 2
Q2. Наконец, адиабатное сжатие требует совершения над газом работы А4 = AU21. Работа самого
Карно Никола Леонар Сади (1796- 1832) - талантливый французский инженер и физик, один из основателей термодинамики. В своем труде «Раз-мышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.) впервые показал, что тепловые двигатели могут совершать работу лишь в процессе перехода теплоты от горячего тела к холодному. Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя. газа А\ = -Л4 = -At/2i = - ЩТх). Поэтому суммарная ра
бота газа при двух адиабатных процессах равна нулю.
За цикл газ совершает работу
А"= А[ + A"2=Q1 + Q2 = IQJ - |Q2|. (5.12.1)
Эта работа численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла (заштрихована на рис. 5.16).
Для вычисления коэффициента полезного действия нужно вычислить работы при изотермических процессах 1-2 и 3-4. Расчеты приводят к следующему результату:
(5.12.2) Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к абсолютной температуре нагревателя.
Можно выразить работу, совершаемую машиной за цикл, и количество отданной холодильнику теплоты Q2 через КПД ма-шины и полученное от нагревателя количество теплоты Согласно определению КПД
Л" = л Количество теплоты
Q2 = А" - = TlQi - Qi = QiOl - D- (5.12.4)
Так как t) |Q2| = (1-71)QI. (5.12.5)
Идеальная холодильная машина
Цикл Карно обратим, поэтому его можно провести в обратном направлении. Это будет уже не тепловая машина, а идеальная холодильная машина.
Процессы пойдут в обратном порядке. Работа А совершается для приведения в действие машины. Количество теплоты Qx передается рабочим телом нагревателю более высокой тем-пературы, а количество теплоты Q2 поступает к рабочему телу от холодильника (рис. 5.17). Теплота передается от холодного тела к горячему, поэтому машина и называется холодильной.?
Количество теплоты Q
"г
Количество теплоты Q2
РаботаА
ХОЛОДИЛЬНИК температуры Т2
Рис. 5.17
Но второму закону термодинамики это не противоречит: теплота переходит не сама собой, а за счет совершения работы.
Выразим количества теплоты Q1 и Q2 через работу А и КПД машины Т|. Так как согласно формуле (5.12.3) А" = riQj = -А, то
(5.12.6)
Передаваемое рабочим телом количество теплоты, как всегда, отрицательно. Очевидно, |Qj| = ^. Согласно выражению
(5.12.4) количество теплоты Q2 = QiCn ~ 1) или с учетом соотношения (5.12.3) (5.12.7)
q2= V1a>0- Такое количество теплоты получает рабочее тело от холо-дильника.
Холодильная машина работает как тепловой насос. Горячему телу передается количество теплоты Qj, большее того ко- личества, которое забирается от холодильника. Согласно фор-муле (5.12.7) Q2 = ^ -А = -Qj - А. Отсюда
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
Эффективность холодильной машины определяется отно-
шением є = -г, так как ее назначение отнимать как можно
большее количество теплоты от охлаждаемой системы при совершении как можно меньшей работы. Величина є называется холодильным коэффициентом. Для идеальной холодильной машины согласно формулам (5.12.7) и (5.12.2)
Qn Т2
т. е. холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, от которого отбирается теплота. Очевидно, холодильный коэффициент может быть больше единицы. Для реальных холодильников он более трех. Разновидностью холодильной машины является кондиционер, который забирает теплоту из комнаты и передает ее окружающему воздуху.
Тепловой насос
При отоплении помещений электрообогревателями энергетически выгоднее использовать тепловой насос, а не просто нагреваемую током спираль. Насос дополнительно будет передавать в помещение количество теплоты Q2 из окружающего воздуха. Однако это не делают из-за дороговизны холодильной установки по сравнению с обычной электрической печкой или камином.
При использовании теплового насоса практический интерес представляет количество теплоты Qj, получаемое нагреваемым телом, а не количество теплоты Q2, отдаваемое холодному телу. Поэтому характеристикой теплового насоса является так на-
lQi|
зываемый отопительный коэффициент?от= .
Для идеальной машины, учитывая соотношения (5.12.6) и (5.12.2), будем иметь Єот=т^V" (5.12.10)
1 1 ~ 1 2
где 7"1 - абсолютная температура нагреваемого помещения, а Г2 - абсолютная температура атмосферного воздуха. Таким образом, отопительный коэффициент всегда больше единицы. Для реальных устройств при температуре окружающей среды t2 = 0 °С и температуре помещения t-l = 25 °С єот = 12. В помещение передается количество теплоты, почти в 12 раз превышающее количество затраченной электроэнергии.
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 Tt и холодильником температуры Т2, не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.
Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по об-ратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т1ъТ2.
Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) г\" > Г|. 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)
A" = r\"Q[ = ^_,\Q"2\. (5.12.11)
Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q2 = \Q2\.
Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа
А = (5.12.12)
Так как по условию Г|" > т|, 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 Т| > Т|", 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: г|" = Г|.
Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить Г)" > Г), то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение Г)"
Это и есть основной результат:
(5.12.13)
КПД реальных тепловых машин
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, Г| = 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
Т1 - Т2
Лтах= =0,62 = 62%.
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 воз-
Т1~Т2
можного значения Лщах = -^-» - абсолют-
11
ная температура нагревателя, а Т2 - абсолютная
температура холодильника.
Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая
техническая задача.
Разделы: Физика
Тема: «Принцип действия тепловой машины. Тепловая машина с наибольшим коэффициентом полезного действия».
Форма: Комбинированный урок с использованием компьютерных технологий.
Цели:
- Показать важность применения тепловой машины в жизни человека.
- Изучить принцип работы реальных тепловых двигателей и идеального двигателя работающего по циклу Карно.
- Рассмотреть возможные пути повышения КПД реального двигателя.
- Развить у учащихся любознательность, интерес к техническому творчеству, уважение к научным достижениям ученых и инженеров.
План урока.
№ п/п |
Вопросы |
Время
|
| 1 | Показать необходимость применения тепловых машин в современных условиях. | |
| 2 | Повторение понятия «тепловой машины». Виды тепловых машин: ДВС (карбюраторный, дизельный), паровая и газовая турбины, турбореактивный и ракетный двигатели. | |
| 3 | Объяснение нового теоретического материала. Схема и устройство тепловой машины, принцип работы, КПД. Цикл Карно, идеальная тепловая машина, её КПД. Сравнение КПД реальной и идеальной тепловой машины. |
|
| 4 | Решение задачи № 703 (Степанова), № 525 (Бендриков). | |
| 5 | Работа с моделью тепловой машины. |
|
| 6 | Подведение итогов. Домашнее задание § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова) |
Теоретический материал
С давних времён человек хотел освободиться от
физических усилий или облегчить их при
перемещении чего-либо, располагать большей
силой, быстротой.
Создавались сказания о коврах самолётах,
семимильных сапогах и волшебниках, переносящих
человека за тридевять земель мановением жезла.
Таская тяжести, люди изобрели тележки, ведь
катить легче. Потом они приспособили животных –
волов, оленей, собак, больше всего лошадей. Так
появились повозки, экипажи. В экипажах люди
стремились к комфорту, всё более совершенствуя
их.
Стремление людей увеличить скорость ускоряло и
смену событий в истории развития транспорта. Из
греческого «аутос» – «сам» и латинского
«мобилис» – «подвижный» в европейских языках
сложилось прилагательное «самодвижущийся»,
буквально «авто – мобильный».
Оно относилось к часам, куклам-автоматам, ко всяким механизмам, в общем, ко всему, что служило как бы дополнением «продолжением», «усовершенствованием» человека. В ХVIII веке попробовали заменить живую силу силой пара и применяли к безрельсовым повозкам термин «автомобиль».
Почему же счёт возраста автомобиля ведут от первых «бензиномобилей» с двигателем внутреннего сгорания, изобретённых и построенных в 1885-1886 годах? Как бы забыв о паровых и аккумуляторных (электрических) экипажах. Дело в том, что ДВС произвёл подлинный переворот в транспортной технике. В течение длительного времени он оказался наиболее отвечающим идее автомобиля и потому надолго сохранил своё главенствующее положение. Доля автомобилей с ДВС составляет на сегодня более 99,9% мирового автомобильного транспорта. <Приложение 1 >
Основные части теплового двигателя
В современной технике механическую энергию получают главным образом за счет внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями. <Приложение 2 >
Для совершения работы за счет сжигания топлива в устройстве, называемом нагревателем, можно воспользоваться цилиндром, в котором нагревается и расширяется газ и перемещает поршень. <Приложение 3 > Газ, расширение которого вызывает перемещение поршня, называют рабочим телом. Расширяется же газ потому, что его давление выше внешнего давления. Но при расширении газа его давление падает, и рано или поздно оно станет равным внешнему давлению. Тогда расширение газа закончится, и он перестанет совершать работу.
Как же следует поступить, чтобы работа теплового двигателя не прекращалась? Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо, чтобы поршень после расширения газа возвращался каждый раз в исходное положение, сжимая газ до первоначального состояния. Сжатие же газа может происходить только под действием внешней силы, которая при этом совершает работу (сила давления газа в этом случае совершает отрицательную работу). После этого вновь могут происходить процессы расширения и сжатия газа. Значит, работа теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся процессов (циклов) расширения и сжатия.
На Рисунке 1 изображены графически процессы
расширения газа (линия АВ
) и сжатия до
первоначального объема (линия CD).
Работа
газа в процессе расширения положительна (AF > 0
ABEF
. Работа
газа при сжатии отрицательна (так как AF < 0
)
и численно равна площади фигуры CDEF.
Полезная
работа за этот цикл численно равна разности
площадей под кривыми АВ
и CD
(закрашена
на рисунке).
Наличие нагревателя, рабочего тела и
холодильника принципиально необходимое условие
для непрерывной циклической работы любого
теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия тепловой машины
Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q 1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q 1 - |Q 2 |. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:
Коэффициент полезного действия тепловой
машины, работающей по замкнутому циклу, всегда
меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в
том, чтобы сделать КПДкак можно более
высоким, т. е. использовать для получения работы
как можно большую часть теплоты, полученной от
нагревателя. Как этого можно достигнуть?
Впервые наиболее совершенный циклический
процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был
предложен французским физиком и инженером С.
Карно в 1824 г.
Цикл Карно.
Допустим, что газ находится в цилиндре, стенки и поршень которого сделаны из теплоизоляционного материала, а дно - из материала с высокой теплопроводностью. Объем, занимаемый газом, равен V 1 .
Приведем цилиндр в контакт с нагревателем (Рисунок 2) и предоставим газу возможность изотермически расширяться и совершать работу. Газ получает при этом от нагревателя некоторое количество теплоты Q 1 . Этот процесс графически изображается изотермой (кривая АВ ).
Когда объем газа становится равным некоторому
значению V 1 ’< V 2 ,
дно цилиндра
изолируют от нагревателя,
после этого газ
расширяется адиабатно до объема V 2 ,
соответствующего
максимально возможному ходу поршня в цилиндре
(адиабата ВС
). При этом газ охлаждается до
температуры T 2 < T 1 .
Теперь охлажденный газ можно изотермически
сжимать при температуре Т2.
Для этого его
нужно привести в контакт с телом, имеющим ту же
температуру Т 2 ,
т. е. с холодильником,
и сжать газ внешней силой. Однако в этом процессе
газ не вернется в первоначальное состояние -
температура его будет все время ниже чем Т 1 .
Поэтому изотермическое сжатие доводят до
некоторого промежуточного объема V 2 ’>V 1
(изотерма CD
). При этом газ отдает
холодильнику некоторое количество теплоты Q 2 ,
равное совершаемой над ним работе сжатия.
После этого газ сжимается адиабатно до объема V 1 ,
при этом его температура повышается до Т 1
(адиабата DA
). Теперь газ вернулся в
первоначальное состояние, при котором объем его
равен V 1 , температура - T 1 ,
давление
- p 1
,и цикл можно повторить вновь.
Итак, на участке ABC
газ совершает работу (А
> 0),
а на участке CDA
работа совершается
над газом (А < 0).
На участках ВС
и AD
работа
совершается только за счет изменения внутренней
энергии газа. Поскольку изменение внутренней
энергии UBC
= –
UDA
, то и
работы при адиабатных процессах равны: АВС =
–АDA.
Следовательно, полная работа,
совершаемая за цикл, определяется разностью
работ, совершаемых при изотермических процессах
(участки АВ
и CD
). Численно эта работа
равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD
.
В полезную работу фактически преобразуется
только часть количества теплоты QT,
полученной
от нагревателя, равная QT 1 – |QT 2 |.
Итак,
в цикле Карно полезная работа A = QT 1 –
|QT 2 |.
Максимальный коэффициент полезного действия
идеального цикла, как показал С. Карно, может быть
выражен через температуру нагревателя (Т 1)
и холодильника (Т 2):
В реальных двигателях не удается осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД цикла, осуществляемого в реальных двигателях, всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при одних и тех же температурах нагревателей и холодильников):
Из формулы видно, что КПД двигателей тем больше, чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника.
Задача № 703
Двигатель работает по циклу Карно. Как изменится КПД теплового двигателя, если при постоянной температуре холодильника 17 о С температуру нагревателя повысить со 127 до 447 о С?
Задача № 525
Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,9 · 107Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2 · 107Дж/кг.
Выполнение компьютерного теста по теме. <Приложение 4 > Работа с моделью тепловой машины.
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.
Одним из важных параметров работы любого устройства, для которого особое значение имеет эффективность преобразования энергии, является коэффициент полезного действия. По определению, полезность оборудования определяется формулой соотношения полезно используемой энергии к максимальной и выражается в виде коэффициента η. Это в упрощенном понимании и есть искомый коэффициент, КПД холодильника и нагревателя, который можно найти в любой технической инструкции. При этом нужно знать некоторые технические моменты.
Коэффициент полезного действия устройства и комплектующих
Коэффициент полезного действия, который интересует чаще читателей, будет касаться не всего холодильного устройства. Чаще всего – установленного компрессора, который обеспечивает нужные параметры охлаждения, или двигателя. Именно поэтому, задаваясь вопросом, какой КПД холодильника, рекомендуем поинтересоваться установленным компрессором и количеством процентов.
Лучше этот вопрос рассмотреть на примере. Например, имеется в наличии холодильник Ariston MB40D2NFE (2003), в котором установлен фирменный компрессор Danfoss NLE13KK.3 R600a, с мощностью 219W при рабочих температурных условиях -23.3°C. В случае с холодильными компрессорами может зависеть от параметра RC (рабочий конденсатор, run capacitor), в нашем случае равен 1.51 (без RC, -23.3°C) и 1.60 (с RC, -23.3°C). Эти данные можно найти в технических параметрах. Влияние конденсатора на работу устройства в том, что он позволяет быстрее достигнуть рабочей скорости и, таким образом, повысить его полезное действие.
КПД двигателя вашего холодильного устройства связан с мощностью и энергопотреблением. Очевидно, что чем меньше коэффициент, тем больше количество электричества модель потребляет, тем менее оно эффективно. То есть максимальный коэффициент можно косвенно определить по классу энергопотребления – А+++.
Коэффициент полезности компрессора выше 1 – как и почему?
Часто вопрос полезного коэффициента действия волнует людей, которые немного помнят школьный курс физики, и не могут понять, почему полезное действие больше 100%. Этот вопрос требует небольшого экскурса в физику. Вопрос касается, может ли коэффициент полезности теплового генератора быть больше 1?
Этот вопрос среди профессионалов явно был поднят в 2006 году, когда в «Аргументах и фактах» номер 8 было опубликовано, что вихревые теплогенераторы способны давать 172%. Несмотря на отголоски знаний по курсу физики, где КПД всегда меньше 1, такой параметр возможен, но при определенных условиях. Речь идет именно о свойствах цикла Карно.
В 1824 году французским инженером С. Карно был рассмотрен и описан один круговой процесс, который впоследствии сыграл решающую роль в развитии термодинамики и использовании тепловых процессов в технике. Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат.
Он совершается газом в цилиндре с поршнем, а коэффициент полезности выражается через параметры нагревателя и холодильника и составляет соотношение. Особенностью является тот факт, что тепло может переходить между теплообменниками и без совершения работы поршнем, по этой причине цикл Карно считается самым эффективным процессом, который можно смоделировать в условиях необходимого теплообмена. Иными словами полезное действие холодильной установки при реализованном цикле Карно будет самым высоким или точнее сказать максимальным.
Если эту часть теории помнят многие из школьного курса, то остальное часто теряется за кадром. Основной смысл в том, что данный цикл может быть пройден в любом направлении. Тепловой двигатель обычно работает по прямому циклу, а холодильные установки – по обратному, когда теплота уменьшается в холодном резервуаре и передается горячему за счет внешнего источника работы – компрессора.
Ситуация, когда коэффициент полезности больше 1, возникает, если он вычисляется из другого коэффициента полезности, а именно соотношением W(полученной)/W(затраченной) при одном условии. Оно состоит в том, что под затраченной энергией понимается только полезная энергия, которая используется на реальные затраты. В итоге, в термодинамических циклах тепловых насосов можно определить затраты энергии, которые будут меньше объема производимой теплоты. Таким образом, при полезном оборудования меньше 1, КПД теплового насоса может быть больше.
Термодинамический коэффициент полезного действия всегда меньше 1
В холодильных (тепловых) машинах по формуле обычно рассматривается термодинамический КПД и холодильный коэффициент. В холодильных агрегатах этот коэффициент подразумевает эффективность цикла получения полезной работы при подводе к рабочему устройству теплоты от внешнего источника (теплоотдатчика) и отводе на другом участке цепи тепла с целью передачи другому внешнему приемнику.
В совокупности рабочее тело совершает два процесса – расширения и сжатия, которым соответствует параметр работы. Наиболее эффективным устройством считается, когда подведенная теплота меньше отведенной – тем будет более выраженной эффективность цикла.
Степень совершенства термодинамического прибора, преобразовывающим теплоту в механическую работу, оценивается термическим коэффициентом в процентах, который может интересовать в данном случае. Термический КПД обычно составляет и показывает, какое количество тепла нагревателя и холодильника машина преобразует в работу в конкретных условиях, которые считаются идеальными. Значение термического параметра всегда меньше 1 и не может быть выше, как это в случае с компрессорами. При 40° температуре устройство будет работать с минимальной эффективностью.
В итоге
В современных бытовых холодильных установках применяется именно обратный процесс Карно, при этом температура холодильника можно определить в зависимости от количества теплоты, переданного от нагревающего элемента. Параметры охлаждающей камеры и нагревателей могут быть на практике совершенно разными, а также зависящими от внешней работы двигателя с компрессором, имеющим свой параметр полезности действия. Соответственно, данные параметры (КПД холодильника в процентах) при принципиально одинаковом термодинамическом процессе, будут зависеть от технологии, реализованной производителем.
Так как по формуле коэффициент полезности зависит от температур теплообменников, то в технических параметрах указывается, какой процент полезности можно получить при некоторых идеальных условиях. Именно эти данные можно использовать для сравнения моделей разных марок не только по фото, в том числе, работающих в нормальных условиях или при жаре до 40°.
Загрузка...
