Autoservice-mekona.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Чему равна полезная работа для идеального теплового двигателя

Круговые процессы и их КПД. Цикл Карно

План урока # 5 8

Раздел долгосрочного плана:

Раздел 10.1С – Тепловая физика -термодинамика

Количество присутствующих: ______

Круговые процессы и их КПД. Цикл Карно.

Цели обучения, которые достигаются на данном уроке (ссылка на учебную программу)

10.3.3.3 — описывать цикл Карно для идеального теплового двигателя;

10.3.3.4 — применять формулу КПД теплового двигателя при решении задач .

— описывать принцип работы теплового двигателя;

— описывать цикл Карно для идеального теплового двигателя;

— применять формулу КПД теплового двигателя при решении задач.

Критерии оценивания

— называет основные части тепловой машины ;

— описывает поэтапно принцип действия работы теплового двигателя;

— описывать цикл Карно для идеального теплового двигателя

— знает формулы для определения КПД;

— умеет их применять при решении задач.

Языковые цели

Лексика и терминология, специфичная для предмета:

Русский язык

Казахский язык

Английский язык

The amount of heat

Тепло переданное системе

Жүйеге берілген жылу

Heat added to the system

Работа выполненная системой

Жүйемен жасалған жұмыс

Work done on the system

тепловой двигатель, теплоэлектростанция, КПД, эффективный, не эффективный

Серия полезных фраз для диалога/письма:

Тепловые двигатели — это……

Энергия переносится в результате.

Тепловой двигатель не эффективный, потому что.

Привитие ценностей

В течение всего урока прививать открытость, сотрудничество, уважение, толерантность в отношениях с одноклассниками

Привитие ценностей осуществляется посредством/через обсуждение ключевых моментов темы в группах.

Межпредметные связи

Связь с математикой: работа с формулами, стандартный вид чисел , физические величины и их единицы измерения.

Ключевые навыки

Критическое мышление через создание проблемной ситуации

Предварительные знания

Внутренняя энергия, способы изменения внутренней энергии, Первый закон термодинамики.

Запланированные этапы урока

Запланированная деятельность на уроке

Начало урока 1 0 мин.

Мы с вами знаем, что человечество в практической деятельности для выполнения работы использует различные машины.

Предлагаем учащимся 1 задание по презентации.

( I / G ) Задание 1. Сопоставить текст и техническое устройство.

Сначала учащиеся работают индивидуально, затем в парах, потом общеклассная проверка. При общеклассной проверке постоянно уточнять у детей по каким признакам они сопоставили текст и рисунок.

Обсуждение темы урока: Круговые процессы и их КПД. Цикл Карно.

Цели обучения:

— описывать принцип работы теплового двигателя;

— определение КПД теплового двигателя;

— объяснять смысл первого и второго законов термодинамики.

Учитель предлагает обсудить передачу энергии, возникающую в процессе его работы на примере простого парового двигателя. Побуждает учащихся изобразить схему потока энергии, а затем подводит их к простому варианту, в котором тепло берется от источников тепла (сгорание топлива), а полезная мощность и тепло являются выходами.

Если учащиеся знакомы с диаграммой Сэнки (принцип работы теплового двигателя), то их можно использовать для обсуждения основных передач энергии в различные типы тепловых двигателей, например, паровой двигатель, тепловые электростанции и двигатель внутреннего сгорания

Переходим к рассмотрению принципа действия тепловой машины.

( T ) ТЕПЛОВАЯ МАШИНА , устройство, в котором осуществляется преобразование теплоты в работу (тепловой двигатель ) или наоборот — работы в теплоту (холодильник). В основе действия тепловой машины лежит термодинамический цикл, совершаемый рабочим телом (газом, водяным паром и др.).

1. Рассмотрим термодинамические циклы.

Обратимый и необратимый цикл.

Показать полезную работу как площадь фигуры.

Анализ цикла, состоящего из двух изотерм и двух изохор.

3. Принцип действия теплового двигателя.

Вводим формулы для расчета КПД

Учитель просит учащихся записать уравнения для расчета КПД ( h ) теплового двигателя и решить разноуровневые задачи на применение данных формул.

( T ) Для идеальной тепловой машины рабочее тело совершает работу, равную разности количества подведенной и отведенной теплоты. Эффективность тепловой машины характеризуется коэффициентом полезного действия.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику.

Предоставьте учащимся примеры тепловых двигателей: двигатель внутреннего сгорания, тепловая электростанция, паровой двигатель и т.д. Попросите учащихся исследовать практическую эффективность этих преобразователей и предложите обсудить причины «потери» энергии.

( G ) Задание 2. Обсудите следующие на вопросы в парах

1. Исследуйте практическую эффективность преобразователей, предложенных на картинках и предложите обсудить причины «потери» энергии.

2. Перечислите отрицательные последствия использования тепловых двигателей

3. Предложите свои р ешени я проблемы .

Студенты , вероятно, предложат ряд разумных источников неэффективности — работа против трения и т.д., — но учителю нужно ввести фундаментальное термодинамическое ограничение на КПД теплового двигателя.

Учитель вводит ограничение КПД, в такой форме:

( T ) «Невозможно создать тепловой двигатель, который может извлекать полезную работу от тепловой энергии с КПД равным 100% и больше 100%»

4. Рассмотрение идеального цикла Сади Карно.

(G ) Задание 3 . Просмотрите видеоролик: https://www.youtube.com/watch?v=GTPKShjBqmg

1. Как называется цикл, описанный в видеоролике?

2. Из каких процессов состоит цикл?

3. Почему двигатель, работающий по данному циклу называют идеальным?

4. Чему равен КПД данного двигателя?

Совместное обсуждение идеального цикла Сади Карно на слайде

( I ) Задание 4.

Решите задачи самостоятельно и к каждой составьте диаграмму Сенки.

1. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты 100 Дж и отдаёт холодильнику 60 Дж. КПД машины равен…

2. КПД теплового двигателя 30%. Рабочее тело получило от нагревателя 5 кДж теплоты. Чему равна работа, совершенная рабочим телом?

3. КПД идеальной тепловой машины, с температурой нагревателя 327 0 С и температурой холодильника 127 0 С

4. Каково значение КПД идеальной тепловой машины, использующий нагреватель с температурой 427 0 С и холодильник с температурой 27 0 С?

1. Температура нагревателя идеальной тепловой машины 117 0 С, а холодильника 27 0 С. Количество теплоты, получаемое машиной от нагревателя за 1 с равно 60 кДж. Вычислите КПД машины, количество теплоты, отдаваемое холодильнику за 1 с, постройте диаграмму Сенки.

2. Температура нагревателя 227 0 С. Определите КПД идеального двигателя и температуру холодильника, если за счет каждого килоджоуля теплоты, полученного от нагревателя двигатель, совершает механическую работу 350 Дж.

3. В идеальном тепловом двигателе абсолютная температура нагревателя в 3 раза выше, чем температура холодильника. Определите КПД двигателя.

После решения проводится проверка и обсуждение решений в парах и совместное обсуждение и проверка с учителем

Самостоятельная работа на тему: « КПД теплового двигателя»

Самостоятельная работа № 20 для 8 классов

на тему: « КПД теплового двигателя»

За цикл работы идеального теплового двигателя рабочему телу от нагревателя было передано количество теплоты 80 Дж, а холодильнику о рабочего тела – количество теплоты 60 Дж. Определите КПД теплового двигателя?

Чему равен коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорании , если полученное им количество теплоты равно 100 кДж, а полезная работа составляет 20 кДж?

Читать еще:  Высокий уровень масла для двигателя не заводится

Тепловая машинка с КПД, равным 60 %, за некоторое время получает от нагревателя количество теплоты , равное 50 Дж. Какое количество теплоты машина отдает за это время окружающей среде?

Тепловой двигатель за цикл работы получает от нагревателя количество теплоты , равное 3 кДж и отдает холодильнику 2,4 кДж. Определите КПЛ двигателя?

Чему равен коэффициент полезного действия паровой турбины. Если полученное ею количество теплоты равно 1000 МДж, а полезная работы составляет 400 МДж?

Какое количество теплоты тепловой двигатель отдает холодильнику. Если от нагревателя он получает 900 МДж, а его коэффициент полезного действия равен 30%?

Курс повышения квалификации

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

Курс профессиональной переподготовки

Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации

Курс повышения квалификации

ЕГЭ по физике: методика решения задач

Онлайн-конференция для учителей, репетиторов и родителей

Формирование математических способностей у детей с разными образовательными потребностями с помощью ментальной арифметики и других современных методик

Международная дистанционная олимпиада Осень 2021

  • Все материалы
  • Статьи
  • Научные работы
  • Видеоуроки
  • Презентации
  • Конспекты
  • Тесты
  • Рабочие программы
  • Другие методич. материалы

Самостоятельная работа предназначена для 8 классов по теме: « КПД теплового двигателя» и дана в двух вариантах. Эта работа помогает индивидуализировать процесс обучения школьников и облегчает проверку понимания и усвоения ими учебного материала. Разнообразие задач и вопросов, включенных в работу, позволяет, учитывая особенности и интересы учеников.

  • Хмелев Сергей ГеннадьевичНаписать 3792 27.05.2018

Номер материала: ДБ-1642195

  • Физика
  • 8 класс
  • Другие методич. материалы
    22.05.2018 378
    18.05.2018 314
    15.05.2018 283
    09.05.2018 528
    26.04.2018 392
    26.04.2018 322
    06.03.2018 233
    19.02.2018 477

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.

Уровень детской смертности в России снизился на 56%

Время чтения: 2 минуты

Преподаватель пермского вуза продолжал вести лекцию при нападении

Время чтения: 2 минуты

В пяти регионах России протестируют новую систему оплаты труда педагогов

Время чтения: 2 минуты

Минпромторг предложил выдавать льготные автокредиты работникам образования

Время чтения: 1 минута

Российские вузы начали усиливать охрану после стрельбы в Перми

Время чтения: 2 минуты

Студент устроил стрельбу в Пермском государственном университете

Время чтения: 1 минута

Подарочные сертификаты

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако администрация сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов, связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение администрации может не совпадать с точкой зрения авторов.

Принципы действия тепловых маших. КПД тепловых машин

Разделы: Физика

Цели урока:

  • Расширить представления учащихся о коэффициенте полезного действия, способы его определения для идеальной и реальной тепловых машин, пути его повышения.
  • Экологические аспекты применения тепловых машин.
  • Расширить представления о разных видах тепловых машин.

Оборудование к уроку: LCD проектор, компьютер, таблица с циклом Карно.

Учащиеся заранее получают задания по подготовке электронных презентаций о С. Карно и по разным видам тепловых двигателей: внутреннего сгорания, дизельного, паровой турбины, турбореактивного двигателя и т.д.

Ход урока

Актуализация знаний учащихся в виде устного фронтального опроса.

В чем состоит 1 закон термодинамики?

В чем смысл 2 закона термодинамики?

Из каких основных частей состоит любая тепловая машина? Охарактеризуйте роль каждой из этих частей?

Какие виды тепловых машин вы знаете?

Что называется коэффициентом полезного действия и что он характеризует?

Объяснение нового материала:

Любая машина, устройство можно характеризовать такой величиной как коэффициент полезного действия. Как можно определить эту величину для тепловой машины? Какова полезная работа в тепловой машине? Для этого можно вспомнить геометрический смысл работы.

Это площадь фигуры под графиком в системе координат (р,V). За один замкнутый цикл полезная работа будет численно равна площади фигуры, ограничивающей заданный цикл. Чем больше будет площадь этой фигуры, тем больше будет полезная работа. Что же затрачивается в этом случае? Это количество теплоты, полученное газом от нагревателя Qн. Тогда коэффициент полезного действия будет равен:

; .

Для реальных тепловых двигателей коэффициент полезного действия равен из-за разного рода энергетических потерь приблизительно равен 40%, Максимальный КПД — около 44%-имеет двигатели внутреннего сгорания. Можно ли повысить коэффициент полезного действия? Из-за того, что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД не может равняться единице. Чему же может быть равен максимально возможный КПД теплового двигателя с температурой нагревателя Т1 и температурой холодильника Т2? Ответ на этот вопрос дал французский инженер и ученый Сади Карно. ( презентация о С. Карно). Им была предложена тепловая машина, в которой осуществляется замкнутый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, проводимый с идеальным газом. Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1, получая при этом от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре Т2. Газ отдает при этом процессе холодильнику количество теплоты Q2. Далее газ сжимается адиабатно и возвращается в исходное состояние. Работа, совершаемая газом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины:

Эта формула дает теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД будет равен 1.

Температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышение температуры нагревателя ограничивается теплостойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливают цилиндры и поршни двигателей. Пути повышения КПД инженеры видят в уменьшении трения в частях двигателей и потерь топлива вследствие его неполного сгорания. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Основные проблемы, связанные с использованием тепловых машин:

  1. Постепенное уменьшение кислорода в атмосфере.
  2. Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли и, как следствие повышение температуры атмосферы (парниковый эффект)
  3. Загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека, флоры и фауны.
Читать еще:  Временами троит двигатель на ваз 2114 инжектор причины

Проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей, являются глобальными для всей планеты. Для их решения необходимо проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобилей на сжиженный газ в качестве топлива, а для бензиновых двигателей разрабатывается переход на топливо стандарта «Евро 4» и «Евро 5». Обсуждается возможность использования в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода. В настоящее время практически все мировые автопроизводители разработали машины с электрическими двигателями, которые возможно в будущем заменят тепловые двигатели.

  1. Тепловой двигатель произвел работу, равную 700 Дж. При сжигании топлива в нем выделилось количество теплоты 3000 Дж. Чему равен коэффициент полезного действия этого двигателя?
    А. 7%; Б. 23%; В. 30%; Г. 11,5%.
  2. Тепловая машина с КПД 4% выполняет полезную работу 3кДж. Какое количество теплоты машина получает от нагревателя?
    А. 0,75 кДж; Б. 7,5 кДж; В. 75 кДж; Г. 750 кДж.
  3. В камере сгорания ракетного двигателя температура равна 3000 К. Коэффициент полезного действия такого двигателя теоретически может достигнуть значения 70%. Определите температуру струи газа, вытекающей из сопла двигателя.
    А. 10000 К; Б. 2100 К; В. 900 К; Г. 4300 К.
  4. При разработке нового автомобиля необходимо решать экологическую проблему…
    А. увеличения мощности двигателя;
    Б. уменьшения токсичности выхлопных газов;
    В. Улучшения комфортности салона;
    Г. уменьшения мощности двигателей.
    Ответы: 1. Б; 2. В; 3. В; 4.Б.

Домашнее задание: п. 84, упр.15(15,16)

Идеальный цикл теплового двигателя карно. Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики Расчет коэффициента полезного действия

Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом.

Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания.

Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы.

Немного истории

Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку — эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.

Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.

С этого момента началось бурное развитие паровых машин.

Тепловая машина

Превращение топлива в энергию движения частей машин и механизмов используется в тепловых машинах.

Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник.

Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии.

Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%.

Расчет коэффициента полезного действия

Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 .

Исходя из определения, рассчитаем величину КПД:

η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 — Q 2.

Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 — Q 2)/ Q 1 = 1 — Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы:

  • КПД не может превышать 1 (или 100%);
  • для максимального увеличения этой величины необходимо либо повышение энергии, полученной от нагревателя, либо уменьшение энергии, отданной холодильнику;
  • увеличения энергии нагревателя добиваются изменением качества топлива;
  • уменьшения энергии, отданной холодильнику, позволяют добиться конструктивные особенности двигателей.

Идеальный тепловой двигатель

Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале — равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы.

Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, — Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно.

КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 — Т 2)/ T 1.

Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 — Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%.

Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо.

Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции.

Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины.

Пример решения задач

Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?

T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η — ?

По определению: η=(T 1 — Т 2)/ T 1.

Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 — Т 2), отсюда:

η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.

Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя — 400 К?

Читать еще:  Что за двигатель 1 6 дюратек форд 2

Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η — ?, T 1 = ?

В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле:

Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины:

η = (T 1 — Т 2)/ T 1 = 1 — Т 2 / T 1.

Выполнив математические преобразования, получим:

Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1).

η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65.

Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К.

Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К.

Реальные условия

Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно.

В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться.

КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику.

Иные тепловые двигатели

Реальные двигатели работают на иных циклах:

  • цикл Отто: процесс при неизменном объеме меняется адиабатным, создавая замкнутый цикл;
  • цикл Дизеля: изобара, адиабата, изохора, адиабата;
  • процесс, происходящий при постоянном давлении, сменяется адиабатным, замыкает цикл.

Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке.

Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей.

Пути изменения КПД

Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС).

ДВС — наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя.

Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов — основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД.

Значения КПД двигателей

Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа — 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин.

Наибольшее значение внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения — вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива — это проблема, над которой работают лучшие умы человечества.

Работа, совершаемая двигателем, равна:

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.

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

На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :

A 12 = Q 1 ,

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:

A 23 = -ΔU 23 ,

Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 тепловых двигателей. Цикл Карно

Второе начало термодинамики возникло из анализа работы тепловых двигателей (машин). В формулировке Кельвина оно выглядит следующим образом: невозможен круговой процесс, единственным результатом которого является превращение теплоты, полученной от нагревателя, в эквивалентную ей работу.

Схема действия тепловой машины (теплового двигателя) представлена на рис. 6.3.

Цикл работы теплового двигателя состоит из трех этапов:

1) нагреватель передает газу количество теплоты Q 1 ;

2) газ, расширяясь, совершает работу A ;

3) для возвращения газа в исходное состояние холодильнику передается теплота Q 2 .

Из первого закона термодинамики для циклического процесса

где Q — количество теплоты, полученное газом за цикл, Q = Q 1 − Q 2 ; Q 1 — количество теплоты, переданное газу от нагревателя; Q 2 — количество теплоты, отданное газом холодильнику.

Поэтому для идеальной тепловой машины справедливо равенство

Когда потери энергии (за счет трения и рассеяния ее в окружающую среду) отсутствуют, при работе тепловых машин выполняется закон сохранения энергии

где Q 1 — теплота, переданная от нагревателя рабочему телу (газу); A — работа, совершенная газом; Q 2 — теплота, переданная газом холодильнику.

Коэффициент полезного действия тепловой машины вычисляется по одной из формул:

η = A Q 1 ⋅ 100 % , η = Q 1 − Q 2 Q 1 ⋅ 100 % , η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100 % ,

где A — работа, совершенная газом; Q 1 — теплота, переданная от нагревателя рабочему телу (газу); Q 2 — теплота, переданная газом холодильнику.

Наиболее часто в тепловых машинах используется цикл Карно , так как он является самым экономичным.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат, показанных на рис. 6.4.

Участок 1–2 соответствует контакту рабочего вещества (газа) с нагревателем. При этом нагреватель передает газу теплоту Q 1 и происходит изотермическое расширение газа при температуре нагревателя T 1 . Газ совершает положительную работу (A 12 > 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 12 = 0).

Участок 2–3 соответствует адиабатному расширению газа. При этом теплообмена с внешней средой не происходит, совершаемая положительная работа A 23 приводит к уменьшению внутренней энергии газа: ∆U 23 = −A 23 , газ охлаждается до температуры холодильника T 2 .

Участок 3–4 соответствует контакту рабочего вещества (газа) с холодильником. При этом холодильнику от газа поступает теплота Q 2 и происходит изотермическое сжатие газа при температуре холодильника T 2 . Газ совершает отрицательную работу (A 34

Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector