Абсолютная температура нагревателя идеального теплового двигателя

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

• Что такое КПД
  • Понятие максимального значения
• Как устроен тепловой двигатель
  • Идеальный тепловой двигатель Карно
• Расчет коэффициента полезного действия
• Построение графика КПД теплового двигателя
• Пример решения задачи

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:

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:

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.

Применим формулу измерения КПД для идеального теплового двигателя:

Тепловые двигатели. Термодинамические циклы. Цикл Карно

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной (ΔU = 0):

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A₁, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A₂, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A₁ + A₂ на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в противоположном направлении.

Круговой процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в круговом процессе равна площади фигуры abcd

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ > 0 и отдает холодильнику количество теплоты Q₂ 0, A > 0, Q₂ T₂

В двигателях, применяемых в технике, используются различные круговые процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном и в дизельном двигателях. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30 %, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Циклы карбюраторного двигателя внутреннего сгорания (1) и дизельного двигателя (2)

В 1824 году французский инженер С. Карно рассмотрел круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который сыграл важную роль в развитии учения о тепловых процессах. Он называется циклом Карно (рис. 3.11.4).

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T₁. Газ изотермически расширяется, совершая работу A₁₂, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q₁ = A₁₂. Далее на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу A₂₃ > 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T₂. На следующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре T₂ 0, T₁ > T₂

Устройство, работающее по холодильному циклу, может иметь двоякое предназначение. Если полезным эффектом является отбор некоторого количества тепла |Q₂| от охлаждаемых тел (например, от продуктов в камере холодильника), то такое устройство является обычным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

т. е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении β_х может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

Если полезным эффектом является передача некоторого количества тепла |Q₁| нагреваемым телам (например, воздуху в помещении), то такое устройство называется тепловым насосом. Эффективность β_Т теплового насоса может быть определена как отношение

т. е. количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

следовательно, β_Т всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно

Линия заданий 12, ЕГЭ по физике

1) не изменилась
2) уменьшилась
3) увеличилась

Верный ответ: 22

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9068.

1) Внутренняя энергия газа уменьшается, при этом газ отдает теплоту.
2) Над газом совершают работу, при этом газ отдает теплоту.
3) Газ получает теплоту, но не совершает работы.
4) Газ получает теплоту и совершает работу.

Верный ответ: 14

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9100.

1) Внутренняя энергия газа уменьшается, при этом газ совершает работу.
2) Над газом совершают работу, при этом газ отдает теплоту.
3) Газ получает теплоту, но не совершает работы.
4) Газ отдает теплоту, но не совершает работы.

Верный ответ: 24

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9132.

1) не изменяется
2) уменьшается
3) увеличивается

Верный ответ: 12

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9164.

1) не изменяется
2) уменьшается
3) увеличивается

Верный ответ: 12

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9196.

А) температура (T )
Б) давление газа (p )

Верный ответ: 21

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9228.

А) давление газа (p )
Б) средняя кинетическая энергия теплового движения молекул газа (E )

Верный ответ: 31

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9260.

1) не изменяется
2) уменьшается
3) увеличивается

Верный ответ: 32

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9292.

1) не изменяется
2) уменьшается
3) увеличивается

Верный ответ: 22

P.S. Нашли ошибку в задании? Пожалуйста, сообщите о вашей находке 😉
При обращении указывайте id этого вопроса — 9324.

А) работа внешних сил максимальна
Б) работа газа минимальна

06-й. Теплота сгорания топлива и КПД машин

§ 06-й. Теплота сгорания топлива и КПД машин

Как мы отметили в предыдущем параграфе, в XIX веке было построено огромное количество паровых машин: от небольших до огромных. Они потребляли невероятно большое количество топлива, как правило, угля. Его необходимо было добывать и транспортировать к месту потребления, что приводило к большим финансовым затратам. Возникал вопрос: каков КПД паровой машины и как его можно повысить?

Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании вещества, зависит от его массы и удельной теплоты сгорания:

Формула для подсчета количества теплоты, выделяющейся при полном сгорании топлива.

Q – количество теплоты, Дж
m – масса вещества (топлива), кг
q – удельная теплота сгорания, Дж/кг

Удельная теплота сгорания – физическая величина, показывающая количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг вещества. Коэффициенты q для различных горючих веществ (топлив) измерены экспериментально и занесены в таблицы.

Удельная теплота сгорания топлива показывает количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива.

Удельная теплота сгорания веществ, МДж/кг
Уголь	30	Бензин	46
Дрова	10	Керосин	46
Торф	14	Спирт	27
Водород (газ)	120	Природный газ	44

Измерить, сколько механической работы совершила машина, несложно. Тогда КПД машины можно вычислить по формуле:

Формула для подсчета коэффициента полезного действия тепловой машины.

η – КПД тепловой машины, %
A полезн – механическая работа, Дж
Q полн – теплота сгоревшего топлива, Дж

Вычисления показывали, что КПД паровых машин в XIX веке был очень мал: около 1%. При этом ни у кого из физиков не было представления о том, каким может быть максимальный КПД и что могут сделать инженеры, чтобы его повысить.

В 1824 г. была опубликована работа французского инженера С.Карно «Размышления о движущей силе огня». Он рассмотрел идеальную тепловую машину (тепловой двигатель). Не углубляясь в подробности, назовём основные идеи Карно.

Во-первых, любой тепловой двигатель должен обязательно содержать нагреватель и охладитель. Это необходимо, чтобы рабочее тело (газ или пар) могло попеременно увеличивать и уменьшать объём, двигая при этом поршень и совершая работу.

Во-вторых, чем выше температура нагревателя и ниже температура охладителя, тем выше будет КПД. Для идеальной тепловой машины (теплового двигателя) Карно вывел формулу:

Формула для подсчета максимального коэффициента полезного действия идеальной тепловой машины.

η – максимальный КПД двигателя, %
T нагр – температура нагревателя, К
T охл – температура охладителя, К

В этой формуле T нагр и T охл – так называемые абсолютные температуры по шкале Кельвина (см. § 6-а).

Поскольку для тепловых машин (двигателей) охладителем является атмосферный воздух или вода из открытых водоёмов, уменьшить их температуру невозможно. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру нагревателя, точнее, температуру, до которой нагревается рабочее тело.

Экологические проблемы использования тепловых машин. Мы живём в XXI веке, который невозможно представить без электростанций и автомобилей. Большая доля электростанций в мире – тепловые, то есть сжигающие топливо (уголь или газ). Автомобили, работающие на электричестве, – редкость, все остальные сжигают топливо (бензин). При этом есть два губительных для окружающей среды обстоятельства.

Во-первых, выхлопные газы загрязняют атмосферу, делают её непригодной для нормальной жизнедеятельности человека. Во-вторых, выделяющееся тепло изменяет климат Земли и наносит непоправимый вред природе. Поэтому задача человечества – переходить на более безопасные для окружающей среды двигатели.