Что ведет к увеличению кпд идеального теплового двигателя
Что ведет к увеличению кпд идеального теплового двигателя
Задание 12. Температуру нагревателя тепловой машины Карно повысили, оставив температуру холодильника прежней. Количество теплоты, отданное газом холодильнику за цикл, не изменилось. Как изменились при этом КПД тепловой машины и работа газа за цикл?
Для каждой величины определите соответствующий характер её изменения:
3) не изменилась
КПД теплового двигателя в цикле Карно описывается выражением
,
где Q1 – количество теплоты, получаемое от нагревателя; Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику; А – совершенная работа. То же самое можно записать и через соответствующие температуры:
.
По условию задачи температура T2=const, а температуру T1 повысили. В соответствии с приведенной формулой, КПД двигателя увеличивается. Увеличение КПД двигателя приводит к увеличению полезной работы, совершенной им.
Ответ: 11.
- Все задания варианта
- Наша группа Вконтакте
- Наш канал
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 1
- Вариант 1. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 2
- Вариант 2. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 3
- Вариант 3. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 4
- Вариант 4. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 5
- Вариант 5. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 6
- Вариант 6. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 7
- Вариант 7. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 8
- Вариант 8. Подготовка к ЕГЭ 2020 по физике
- Решения заданий по номерам
- 1
- 2
- 3
- 4
- 5
- 6
- 7
- 8
- 9
- 10
- 11
- 12
- 13
- 14
- 15
- 16
- 17
- 18
- 19
- 20
- 21
- 22
- 23
- 24
- 25
- 26
- 27
- 28
- 29
- 30
- 31
- 32
- Вариант 9 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 1)
- Вариант 1. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 10 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 2)
- Вариант 2. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 11 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 3)
- Вариант 3. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 12 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 4)
- Вариант 4. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 13 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 5)
- Вариант 5. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 14 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 6)
- Вариант 6. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 15 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 7)
- Вариант 7. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 16 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 8)
- Вариант 8. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 17 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 9)
- Вариант 9. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 18 (совпадает с ЕГЭ 2019 вариант 10)
- Вариант 10. Задания ЕГЭ 2019 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Вариант 19 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 1)
- Вариант 1. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 20 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 2)
- Вариант 2. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 21 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 3)
- Вариант 3. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 22 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 4)
- Вариант 4. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 23 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 5)
- Вариант 5. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 24 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 6)
- Вариант 6. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 25 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 7)
- Вариант 7. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 26 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 8)
- Вариант 8. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 27 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 9)
- Вариант 9. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 28 (совпадает с ЕГЭ 2018 вариант 10)
- Вариант 10. Задания ЕГЭ 2018 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Измененное задание 24
- Вариант 29 (совпадает с ЕГЭ 2017 вариант 11)
- Вариант 11. Задания ЕГЭ 2017 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Дополнительное задание 24
- Вариант 30 (совпадает с ЕГЭ 2017 вариант 12)
- Вариант 12. Задания ЕГЭ 2017 Физика. Демидова М. Ю. 30 вариантов
- Дополнительное задание 24
Для наших пользователей доступны следующие материалы:
- Инструменты ЕГЭиста
- Наш канал
Презентация, доклад на тему Интерактивный тренажер для подготовки к ЕГЭ Молекулярная физика. Термодинамика (10 — 11 класс)
Презентация на тему Интерактивный тренажер для подготовки к ЕГЭ Молекулярная физика. Термодинамика (10 — 11 класс), предмет презентации: Физика. Этот материал в формате pptx (PowerPoint) содержит 7 слайдов, для просмотра воспользуйтесь проигрывателем. Презентацию на заданную тему можно скачать внизу страницы, поделившись ссылкой в социальных сетях! Презентации взяты из открытого доступа или загружены их авторами, администрация сайта не отвечает за достоверность информации в них, все права принадлежат авторам презентаций и могут быть удалены по их требованию.
- Главная
- Физика
- Интерактивный тренажер для подготовки к ЕГЭ Молекулярная физика. Термодинамика (10 — 11 класс)
Слайды и текст этой презентации
ИНТЕРАКТИВНЫЙ ТРЕНАЖЕР «МОЛЕКУРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА»
АВТОР: Т.Е. ХОЧЕНКОВА, УЧИТЕЛЬ ФИЗИКИ
МБОУ «ГИМНАЗИЯ № 2»
Предлагаемый тренажер содержит систему заданий для подготовки к Единому Государственному экзамену по физике и предназначен для ознакомления с примерным содержанием контрольно-измерительных материалов (КИМ) по теме «Молекулярная физика. Термодинамика».
Для каждого задания отмечен уровень подготовки, которому соответствует задача (базовый, повышенный, высокий).
Использование тренажера позволит:
сформировать представление о разных типах заданий, встречающихся в КИМ;
приобрести навыки решения типовых задач по данной теме;
оценить уровень подготовки к итоговой аттестации по физике;
совершенствовать подготовку для успешной сдачи экзамена по физике.
Задания тренажера различаются способом представления информации в задании и видами умений школьника, на проверку которых рассчитано.
Количество баллов, набранное по окончании теста, поможет определить значение первичного балла, получаемого на экзамене.
ТРЕНАЖЕР «МОЛЕКУРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА»
ЧАСТЬ 1. Базовый уровень, выбор ответа
ТРЕНАЖЕР «МОЛЕКУРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА»
8. Укажите пару веществ, скорость диффузии которых наибольшая при прочих равных условиях:
1) раствор медного купороса и вода
2) пары эфира и воздух
3) свинцовая и медная пластины
4) вода и спирт
ЧАСТЬ 1. Базовый уровень, выбор ответа
ТРЕНАЖЕР «МОЛЕКУРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА»
9. Если идеальный газ отдал количество теплоты 100 Дж и при этом внутренняя энергия газа уменьшилась на 100 Дж, то работа, совершенная газом, равна
1) 200 Дж
2) 200 Дж
3) 100 Дж
4) 0 Дж
ЧАСТЬ 1. Базовый уровень, выбор ответа
10. Какое из перечисленных ниже действий при прочих неизменных условиях ведёт к увеличению КПД идеального теплового двигателя?
1) повышение температуры нагревателя
2) повышение температуры холодильника
3) увеличение трения в механизме тепловой машины
4) замена рабочего тела
ТРЕНАЖЕР «МОЛЕКУРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА»
Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя
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-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.).
6.3. Второй закон термодинамики
6.3.1. Коэффициент полезного действия 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 Т 2 и отвод тепла от теплоотдатчика и подвод тепла к теплоприемнику не влияют на их температуры, T 1 и T 2 остаются постоянными. Обозначим параметры газа при левом крайнем положении поршня теплового двигателя: давление – Р 1 объем – V 1 , температура Т 1 . Это точка 1 на графике на осях P-V. В этот момент газ (рабочее тело) взаимодействует с теплоотдатчиком, температура которого также Т 1 . При движении поршня вправо давление газа в цилиндре уменьшается, а объем увеличивается. Это будет продолжаться до прихода поршня в положение, определяемые точкой 2, где параметры рабочего тела (газа) примут значения P 2 , V 2 , T 2 . Температура в этой точке остается неизменной, так как температура газа и теплоотдатчика одинакова в процессе перехода поршня от точки 1 к точке 2 (расширение). Такой процесс, при котором Т не изменяется, называется изотермическим, а кривая 1–2 называется изотермой. В этом процессе от теплоотдатчика к рабочему телу переходит теплота Q 1 .
В точке 2 цилиндр полностью изолируется от внешней среды (теплообмена нет) и при дальнейшем движении поршня вправо уменьшение давления и увеличение объема происходит по кривой 2–3, которая называется адиабатой (процесс без теплообмена с внешней средой). Когда поршень переместится в крайнее правое положение (точка 3), процесс расширения закончится и параметры будут иметь значения Р 3 , V 3 , а температура станет равной температуре теплоприемника Т 2 . При этом положении поршня изоляция рабочего тела снижается и оно взаимодействует с теплоприемником. Если теперь увеличивать давление на поршень, то он будет перемещаться влево при неизменной температуре Т 2 (сжатие). Значит, этот процесс сжатия будет изотермическим. В этом процессе теплота Q 2 перейдет от рабочего тела к тепло-приемнику. Поршень, двигаясь влево, придет в точку 4 с параметрами P 4 , V 4 и T 2 , где рабочее тело вновь изолируется от внешней среды. Дальнейшее сжатие происходит по адиабате 4–1 с повышением температуры. В точке 1 сжатие заканчивается при параметрах рабочего тела P 1 , V 1 , T 1 . Поршень возвратился в исходное состояние. В точке 1 изоляция рабочего тела от внешней среды снимается и цикл повторяется.
Коэффициент полезного действия идеального двигателя Карно.
Задача 15.1.1. На рисунках 1, 2 и 3 приведены графики трех циклических процессов, происходящих с идеальным газом. В каком из этих процессов газ совершил за цикл положительную работу?
Задача 15.1.3. Идеальный газ, совершив некоторый циклический процесс, вернулся в начальное состояние. Суммарное количество теплоты, полученное газом в течение всего процесса (разность полученного от нагревателя и отданного холодильнику количеств теплоты), равно . Какую работу совершил газ в течение цикла?
Задача 15.1.5. 
На рисунке приведен график циклического процесса, который происходит с газом. Параметры процесса приведены на графике. Какую работу газ совершает в течение этого циклического процесса?
Задача 15.1.6. 
Идеальный газ совершает циклический процесс, график в координатах приведен на рисунке. Известно, что процесс 2–3 — изохорический, в процессах 1–2 и 3–1 газ совершил работы и соответственно. Какую работу совершил газ в течение цикла?
Задача 15.1.7. Коэффициент полезного действия теплового двигателя показывает
Задача 15.1.8. В течение цикла тепловой двигатель получает от нагревателя количество теплоты и отдает холодильнику количество теплоты . Какой формулой определяется коэффициент полезного действия двигателя?
Задача 15.1.10. КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, равен 50 %. Температуру нагревателя увеличивают в два раза, температура холодильника не меняется. Каким будет КПД получившейся идеальной тепловой машины?
В идеальном тепловом двигателе работающем. Тепловой двигатель
Тепловой двигатель — двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.
Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя , рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника . В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).
В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.
На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. 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 %.
Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная , 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. Этот цикл называют циклом Карно .
участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q 1 и изотермически расширяется при температуре T 1
участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T 2
участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q 2
участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T 1 .
Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.
Функционирует такой двигатель следующим образом:
1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и 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, и 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.
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-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.).
6.3. Второй закон термодинамики
6.3.1. Коэффициент полезного действия 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 Мотоблок
