В чем измеряется тепловой двигатель

Время на чтение: 10 минут

Понятие теплового двигателя

Такая машина работает по термодинамическому циклу. Это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую, используя первый и второй законы термодинамики, описывающих преобразование тепла в работу.

Процесс сжигания топлива включает в себя химическую реакцию, называемую сгоранием, при которой топливо сгорает, потребляя кислород из воздуха с образованием углекислого газа и пара. В процессе своей работы такие агрегаты загрязняют атмосферу, поскольку топливо не сгорает полностью, несгоревшие частицы уносятся в атмосферу с выхлопными или дымовыми газами.

Модификации тепловых машин:

• Паровая машина;
• машина Стирлинга;
• двигатели внутреннего сгорания — бензиновый и дизельный;
• газовая турбина;
• паровая турбина;
• авиационные реактивные двигатели.

Устройства внешнего и внутреннего сгорания

По принципу организации процесса сгорания топлива тепловые машины разделяются на два типа — внешнего и внутреннего сгорания. В первом варианте топливо сгорает снаружи, в специальной камере или топке, размещенных на удаленном расстоянии от основной части двигателя, создающего работу или обеспечивающего движение вала. В качестве примера можно привести паровой двигатель паровоза.

Уголь подается в топку котла, который нагревает воду, превращая ее в пар, поступающий в стальной цилиндр. В нем пар под большим давлением перемещает плотно прилегающий поршень. Движущийся поршень приводит в действие агрегат, к которому он прикреплен, благодаря чему движется локомотив.

В устройствах внутреннего сгорания топливо горит внутри его камеры. Например, в автомобильном двигателе устроено от четырех до шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин сгорает, выделяя тепловую энергию. Цилиндры «работают» попеременно, чтобы обеспечить стабильную мощность двигателя, приводящего в движение колеса автомобиля.

Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели внешнего, потому что не теряется энергия, передаваемая теплом, полученным в цилиндре, все процессы протекают в одном корпусе.

Анализ теплового цикла

Тепловой цикл включает в себя четыре термодинамических базовых процесса. Вначале происходит преобразование состояния рабочего тела, а затем, возвращение его в исходное состояние: сжатие, получение тепла, расширение и отвод тепла.

Каждый из этих процессов осуществляется по следующей схеме, которая определяет условия реализации цикла:

1. Изотермический — работа выполняется при постоянной температуре.
2. Изобарический — рабочий цикл реализуется при постоянном давлении.
3. Изометрический — тепловой процесс протекает при постоянном объеме
4. Адиабатический — цикл осуществляется при постоянной энтропии.

Для того чтобы процесс был максимально приближен к обратимому, есть два способа перемещения поршня: изотермический — это означает, что тепло постепенно поступает или выходит из резервуара при температуре, бесконечно отличающейся от температуры газа в поршне, и адиабатический, при котором теплообмен вообще не происходит, газ действует, как пружина.

Таким образом, когда подводится тепло и газ расширяется, температура газа должна оставаться такой же, как и у источника тепла, при этом газ расширяется изотермически. Точно так же позже он будет сжиматься в цикле изотермически, с выделением тепла.

• Чтобы выяснить эффективность, нужно проследить за полным циклом двигателя, выяснить, сколько он работает, сколько тепла забирается из топлива и сколько энергии теряется при подготовке к следующему циклу.
• Характеристики теплового цикла, связанного с тепловым двигателем, обычно описываются с помощью двух диаграмм изменения состояния: диаграммы PV, показывающей соотношение давление-объем, и диаграммы TS, демонстрирующей пару температура-энтропия.

Для постоянной массы газа работа теплового двигателя представляет собой повторяющийся цикл, и его PV-диаграмма будет выглядеть замкнутой фигурой.

Кпд тепловой машины

Тепловой двигатель Карно — это теоретическая модель идеального теплового двигателя, показывающая, как наилучший идеальный агрегат способен постоянно работать в цикле из четырех процессов, называемых циклом Карно.

Идеальный тепловой двигатель физика Карно работает на газовой среде, заключенной в цилиндре с поршнем. Газ берет энергию от источника тепла, расширяется и выталкивает поршень наружу. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, поэтому газ завершает цикл с параметрами по давлению, объему и температуре, с которых начинал.

1. Карно показал, что максимальная эффективность, обозначаемая символом «η» — это коэффициент полезного действия, или КПД, может быть достигнута только тепловым двигателем Карно.
2. КПД теплового двигателя, можно определить формулой: η = (T h — T c) / T h или η = 1 — T c / T h, где:

• η — эффективность работы теплового двигателя или КПД;
• T h — температура горячего источника;
• T c -температура холодного источника.

Заключение, к которому пришел Карно: эффективность двигателя, как реального, так и теоретического, зависит от максимальной Tmax и минимальной температуры среды Tmin, в которой он работает, и может быть описана формулой: η = (Tmax-Tmin) / Tmax

Другими словами, эффективный тепловой агрегат работает при максимально возможной разнице температур. Для этого нужно создать условия, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.

Для создания этих условий на практике, например, на тепловой станции, специально устанавливают градирни в виде большого водяного охладителя, для того чтобы максимально охлаждать конденсат от паровой турбины, в этом случае КПД станции значительно повышается, количество теплоты через парогенератор растет и снижается стоимость единицы выработки тепловой и электрической энергии.

Причины неэффективности

Нужно понимать — все существующие тепловые двигатели работают хуже, чем агрегат Карно, имеющий η = 1, что называют КПД теплового двигателя Карно. В этом смысле любая тепловая машина на практике является неэффективной, что можно объяснить тремя причинами:

1. Необратимость процессов. Согласно принципу Карно, ни одно устройство не может быть более эффективным, чем теоретический цикл Карно, при условии работы в режиме с одинаковыми высокотемпературными и низкотемпературными источниками.
2. Наличие трения и тепловых потерь. В реальных термодинамических системах общая неэффективность реального цикла обусловлена потерями отдельных компонентов. В устройствах, таких как турбины, насосы и компрессоры, механическое трение, тепловые потери и потери в процессе сгорания определяют общий размер потерь и снижения эффективности.
3. Несовершенство технологического процесса. Это существенный источник неэффективности, он возникает из-за вынужденного компромисса, который принимают инженеры при проектировании реального двигателя. Он должны учитывать стоимость и другие факторы при разработке и эксплуатации машинах.

Реальные КПД у современных машин

На практике невозможно полностью преобразовать тепло в механическую энергию. Эффективность даже самых совершенных тепловых машин довольно низкая, обычно ниже 50%, а зачастую намного ниже. Тепловая эффективность различных машин, разработанных и используемых сегодня:

1. В середине XX века типичный паровоз имел КПД около 6%. Это означает, что на каждые 100 МДж сгоревшего угля вырабатывается только 6 МДж механической энергии.
2. Бензиновый автомобиль работает с КПД равным 25%. Около 75% отбрасывается в виде отработанного тепла.
3. Класс дизельных автомобилей работает на 35%, поэтому такие модификации более эффективны.
4. Судовые дизельные двигатели имеют КПД, превышающий 50%.
5. Современные атомные электростанции имеют КПД порядка 33%, поэтому для выработки 1000 МВт электроэнергии требуется затратить 3000 МВт тепловой энергии, получаемой в результате деления ядер урана. Следующий путь увеличения КПД — это повышение параметров перегретого пара в парогенераторах, что требует увеличения давления внутри котлов и ограничено возможностями металлургии. Современные возможности технологии позволяют получать перегретый пар высокого давления температурой 500−560 С.
6. Угольные тепловые станции ТЭС с аналогичными параметрами перегретого пара с многоступенчатым подогревом на турбогенераторе могут достигать КПД 48%.

Человечество с момента изобретения паровой машины Джеймсом Уаттом в 1769 году борется за каждый дополнительный процент КПД.

Самое большее что удалось достигнуть — это современные газотурбинные установки с комбинированным циклом из двух циклов Брайтона и Ренкина, с максимальным Кпд тепловой машины порядка 55%, в отличие от одного парового цикла на ТЭЦ, которая ограничена КПД 35−48%.

Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая двигателем, равна:

где Q, — количество теплоты, полученное от нагревателя. Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение рабо­ты A', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1. КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T1 – T2 = 0 двигатель не может работать.

Цикл Карно

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергия нагревателя, а при адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес­сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T1, работа совершается за счет измене­ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве­дения к газу количества теплоты Q:

• A12 = Q1,
• Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU23 при адиабатном процессе (Q = 0) полностью преобразуется в механическую работу:
• A23 = -ΔU23,
• Температура газа в результате адиабатического рас­ширения (2-3) понижается до температуры холодильни­ка T2 < T1. В процессе (3-4) газ изотермически сжимает­ся, передавая холодильнику количество теплоты Q2:
• A34 = Q2,
• Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т1.
• Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Суть формулы  выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Коэффициент полезного действия (кпд) — формулы, обозначение, расчет

Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.

• В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.
• По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.
• Вычисляется по формуле:

Формула КПД η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа [Дж] Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман.

Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору. То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД.

Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.

Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.

Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.

Потенциальная энергия Еп = mg Еп — потенциальная энергия [Дж] m — масса тела [кг] g — ускорение свободного падения [м/с2] h — высота [м] На планете Земля g ≃ 9,8 м/с2

Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа А = FS A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная? Все очень просто! Задаем два вопроса: За счет чего происходит процесс? Ради какого результата? В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.

Если КПД получился больше 100 — идем проверять на ошибки. Такое может получиться, если неправильно подставили в формулу или перепутали затраченную и полезную работу.

η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа [Дж] Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

1. Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются.
2. Давайте разберемся на примере задачи.
3. Задача

Чтобы вкатить санки массой 4 кг в горку длиной 12 метров, мальчик приложил силу в 15 Н. Высота горки равна 2 м. Найти КПД этого процесса. Ускорение свободного падения принять равным g ≃9,8 м/с2

• Запишем формулу КПД.
• η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100%
• Теперь задаем два главных вопроса:

Ради чего все это затеяли?

Чтобы санки в горку поднять — то есть ради приобретения телом потенциальной энергии. Значит в данном процессе полезная работа равна потенциальной энергии санок.

Потенциальная энергия Еп = mg Еп — потенциальная энергия [Дж] m — масса тела [кг] g — ускорение свободного падения [м/с2] h — высота [м] На планете Земля g ≃ 9,8 м/с2

За счет чего процесс происходит?

За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе

Механическая работа А = FS A — механическая работа [Дж] F — приложенная сила [Н] S — путь [м]

1. Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:
2. η = Eп/A · 100% = mgh/FS · 100%
3. Подставим значения:
4. η = 4 · 9,8 · 2/15 · 12 · 100% = 78,4/180 · 100% ≃ 43,6 %
5. Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6%
6. Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Кпд в термодинамике

В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.

• Тепловой двигатель (машина) — это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Схема теплового двигателя выглядит так:

У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q1 или Qнагревателя (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).

• Рабочее тело — это тело, на котором завязан процесс (чаще всего это газ или топливо). Оно расширяется при подводе к нему теплоты и сжимается при охлаждении. Часть переданного Q1 уходит на механическую работу A. Из-за этого производится движение.

Оставшееся количество теплоты Q2 или Qхолодильника отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.

КПД такой тепловой машины будет равен:

КПД тепловой машины η = (Aполезная/Qнагревателя) · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа (механическая) [Дж] Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]

1. Если мы выразим полезную (механическую) работу через Qнагревателя и Qхолодильника, мы получим:
2. A = Qнагревателя — Qхолодильника.
3. Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.

КПД тепловой машины η = Qнагревателя − Qхолодильника/Qнагревателя · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя [Дж] Qхолодильника — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]

А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела?

Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя.

Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.

1. Запишем его, чтобы не забыть:
2. Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.
3. Задача
4. Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.
5. Решение:
6. Возьмем формулу для расчета КПД:
7. η = Qнагревателя − Qхолодильника/Qнагревателя · 100%
8. Решать будем в системе СИ, поэтому переведем значения из килоджоулей в джоули и затем подставим в формулу:
9. η = 20 000 − 10 000/20 000 · 100% = 50%
10. Ответ: КПД тепловой машины равен 50%.

Идеальная тепловая машина: цикл Карно

Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.

На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом

А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.

КПД цикла Карно η = Tнагревателя − Tхолодильника / Tнагревателя · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Tнагревателя — температура нагревателя [Дж] Tхолодильника — температура холодильника [Дж]

Кпд в электродинамике

Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.

Вспомним формулу:

КПД η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Aполезная — полезная работа [Дж] Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.

• Задачка, чтобы разобраться
• Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.
• Решение:

Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно ????

Количество теплоты, затраченное на нагревание Q = cm(tконечная − tначальная) Q — количество теплоты [Дж] c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг · ˚C] m — масса [кг] tконечная — конечная температура [˚C] tначальная — начальная температура [˚C]

Работает чайник, потому что в розетку подключен. Затраченная работа в данном случае — это работа электрического тока.

Работа электрического тока A = (I2) · Rt = (U2)/R · t = UIt A — работа электрического тока [Дж] I — сила тока [А] U — напряжение [В] R — сопротивление [Ом] t — время [c]

1. То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:
2. η = Q/A · 100% = Q/UIt · 100%
3. Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь нам известны все значения, поэтому подставим их:
4. η = 22176/220 · 1,4 · 120 · 100% = 60%
5. Ответ: КПД чайника равен 60%.
6. Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:

Работа электрического тока A = Pt A — работа электрического тока [Дж] P — мощность [Вт] t — время [c]

Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.

КПД η = Pполезная/Pзатраченная · 100% η — коэффициент полезного действия [%] Pполезная — полезная мощность [Дж] Pзатраченная — затраченная мощность [Дж]

Урок 25. тепловые двигатели. кпд тепловых двигателей — Физика — 10 класс — Российская электронная школа

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

• Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
• 1) Понятие теплового двигателя;
• 2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;
• 3)КПД теплового двигателя;
• 4) Цикл Карно.
• Глоссарий по теме
• Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.
• КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.
• Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.
• Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.
• Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.
• Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве.

Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д.

Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу.

На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень.

Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным.

Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов.

Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах.

Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

1. В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.
2. Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.
3. Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.
4. Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

• Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.
• В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).
• Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов
• Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.
• Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

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. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически 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 его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

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

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

1. Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.
2. КПД:
3. Паровой двигатель – 8%.
4. Паровая турбина – 40%.
5. Газовая турбина – 25-30%.
6. Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.
7. Дизельный двигатель – 40– 44%.
8. Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

• Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.
• Найти: N.
• Решение:
• Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

1. Учитывая всё это, мы можем записать:
2. Время работы двигателя можно найти по формуле:
3. Из формулы КПД выразим среднюю мощность:
4. .
5. Подставим числовые значения величин:
6. После вычислений получаем, что N=60375 Вт.
7. Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

• Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.
• Найти: Q1.
• Решение
•   =
• – это количество теплоты, отданное холодильнику

Кпд теплового двигателя — образавр

Содержание

В данном разделе вы уже познакомились с устройством и принципом работы двух видов теплового двигателя: двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины.

Используя эти механизмы, мы совершаем какую-то работу. Очевидно, что работа будет совершаться за счет энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Но большая часть этой энергии теряется в окружающей среде.

То есть, эта часть энергии не используется полезно.

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

Полезная работа теплового двигателя

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

Рисунок 1. Устройство теплового двигателя

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

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

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

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

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

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

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

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

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

Кпд теплового двигателя

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

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

Формула для расчета Кпд теплового двигателя имеет следующий вид:

$eta = frac{A_п}{Q_1}$,

или

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

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

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

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

Средние значения КПД различных тепловых двигателей

В таблице 1 представлены средние значения КПД некоторых двигателей.

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

Таблица 1. КПД различных двигателей

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

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

{«questions»:[{«content»:»Может ли численное значение КПД быть больше единицы или 100%?[[choice-1]]»,»widgets»:{«choice-1»:{«type»:»choice»,»options»:[«Может»,»Не может»],»explanations»:[«»,»Часть энергии от нагревателя ВСЕГДА будет поступать на холодильник, что приводит к потере энергии.»],»answer»:[1]}}}]}

Примеры задач

1. Кпд теплового двигателя составляет $30 \%$. Рассчитайте полезную работу, совершенную двигателем, если он получил от нагревателя $600 space кДж$ энергии.

1. Дано:$eta = 30 \%$
2. $Q_1 = 600 space кДж$

СИ:$6 cdot 10^5 space Дж$

• $A_п — ?$
• Посмотреть решение и ответ
• Скрыть

1. Решение:
2. Запишем формулу для расчета Кпд теплового двигателя:$eta = frac{A_п}{Q_1}$.
3. Выразим отсюда полезную работу $A_п$:$A_п = eta cdot Q_1$.
4. Чтобы использовать эту формулу необходимо значение КПД, выраженное в процентах перевести в дробь:$eta = 30 \% = 0.3$

Рассчитаем $A_п$:$A_п = 0.3 cdot 6 cdot 10^5 space Дж = 1.8 cdot 10^5 space Дж$.

Ответ: $A_п = 1.8 cdot 10^5 space Дж$.

1. За цикл работы тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты, равное $155 space Дж$, и отдает холодильнику количество теплоты равное $85 space Дж$. Вычислите КПД тепловой машины.

• Дано:$Q_1 = 155 space Дж$
• $Q_2 = 85 space Дж$ 
• $eta — ?$
• Посмотреть решение и ответ
• Скрыть

1. Решение:
2. Используем формулу для расчета КПД:$eta = frac{Q_1 — Q_2}{Q_1} cdot 100 \%$.
3. $eta = frac{155 space Дж — 85 space Дж}{155 space Дж} cdot 100 \% = frac{70 space Дж}{155 space Дж} cdot 100 \% approx 45 \%$.
4. Ответ: $eta = 45 \%$.

1. На рисунке 2 изображен один из четырех тактов двигателя внутреннего сгорания. Опишите, что происходит в его процессе. При этом была совершена работа, равная $2.3 cdot 10^4 space кДж$, и израсходован бензин массой $2 space кг$. Вычислите КПД этого двигателя. Удельная теплота сгорания бензина равна $4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$.

Рисунок 2. Такт двигателя внутреннего сгорания

• Дано:$A_п = 2.3 cdot 10^4 space кДж$$m = 2 space кг$
• $q = 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг}$

СИ:$2.3 cdot 10^7 space Дж$

1. $eta -?$
2. Посмотреть решение и ответ
3. Скрыть

Решение:

На рисунке 2 оба клапана закрыты, а свеча подожгла горючую смесь. Поршень движется вниз и вращает коленчатый вал. Это третий такт — рабочий ход. Именно в ходе этого такта рабочее тело двигателя совершает полезную работу $A_п$.

• Запишем формулу для расчета КПД этого двигателя:$eta = frac{A_п}{Q_1}$,
• где $Q_1$ — это количество теплоты, получаемое двигателем от нагревателя.

В нашем случае нагревателем является бензин. Мы знаем его массу и удельную теплоту сгорания, поэтому можем рассчитать количество теплоты, выделенное при его сгорании по формуле:$Q = Q_1 = qm$.

$Q_1 = 2 space кг cdot 4.6 cdot 10^7 frac{Дж}{кг} = 9.2 cdot 10^7 space Дж$.

Подставим в формулу и рассчитаем КПД:$eta = frac{2.3 cdot 10^7 space Дж}{9.2 cdot 10^7 space Дж} = 0.25$.

Или в процентах: $eta = 25 \%$.

Ответ: $eta = 25 \%$.