Что такое коэффициент полезного действия теплового двигателя
Перейти к содержимому

Что такое коэффициент полезного действия теплового двигателя

  • автор:

Физика. 10 класс

§ 15. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Люди давно заметили, что при совершении механической работы внутренняя энергия тел может изменяться, и научились это использовать. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больший промежуток времени понадобился человечеству, чтобы научиться использовать убыль внутренней энергии тел для совершения механической работы. Только во второй половине ХVIII в., сравнительно недавно по историческим меркам, появились первые практически полезные универсальные устройства для осуществления этой цели — паровые машины. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых убыль внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.

Необратимость процессов в природе. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. Как вы не раз убеждались на практике, всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай–ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой во всех частях системы.

Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г., о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, получило название второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым.

Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Интересно знать

В холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника.

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Посмотрев данный видеоурок, учащиеся узнают, что называется коэффициентом полезного действия тепловой машины. Поговорим о роли тепловых двигателей в жизни человека.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»

На прошлом уроке мы с вами начали знакомство с тепловыми двигателями. Давайте вспомним, что так называется устройство, которое совершает механическую работу за счёт внутренней энергии топлива.

Простейший тепловой двигатель представляет собой цилиндрический сосуд, в котором находится газ под поршнем. При нагревании газа, его давление и объём увеличиваются, и поршень приходит в движение, поднимая груз на некоторую высоту.

Любой тепловой двигатель состоит из трёх основных элементов: нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (чаще всего атмосфера или вода при температуре окружающей среды).

Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. А некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику. Таким образом, получается, что полное превращение внутренней энергии газа в работу невозможно. Это обусловлено необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Но второй закон термодинамики запрещает это: ведь невозможно создать вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Баланс энергии за цикл можно получить на основе первого закона термодинамики.

Для идеального теплового двигателя изменение внутренней энергии равно нулю, так как рабочее тело вернулось в исходное состояние. Отсюда находим, что полезная работа, совершаемая тепловым двигателем, равна разности между количеством теплоты, полученной от нагревателя, и количеством теплоты, отданной холодильнику:

Отношение полезной работы к количеству теплоты, которое рабочее тело получило от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (сокращённо, КПД):

Так как часть теплоты, полученной от нагревателя, передаётся холодильнику, то коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда меньше единицы:

Для получения максимально возможного коэффициента полезного действия необходимо охладить рабочее тело перед сжатием.

Это можно сделать путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника. Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаст холодильнику некоторое количество теплоты. А завершить цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до первоначальной температуры. Впервые этот цикл был предложен французским инженером Сади Карно, поэтому его ещё называют циклом Карно. Формулу для определения коэффициента полезного действия цикла Карно вы сейчас видите на экране:

КПД любого реального теплового двигателя не может превышать КПД идеального цикла Карно. Формула Карно даёт теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что двигатель тем эффективней, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

А КПД идеального теплового двигателя мог бы быть равен единице только в том случае, если бы было возможно использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю. Но, как известно, это невозможно даже теоретически, потому что абсолютного нуля температуры достичь нельзя.

Для закрепления нового материала, решим с вами задачу. Задача 1. Каждый из четырёх двигателей реактивного самолёта на 5000 км пути развивает среднюю силу тяги 0,11 МН. Определите объём керосина, израсходованного на этом пути, если коэффициент полезного действия двигателя равен 24 %. Плотность и удельная теплота сгорания керосина соответственно равны 800 кг/м 3 и 43 МДж/кг.

В заключение урока отметим, что изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 г. имело исключительно важное значение.

Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива частично преобразуется в механическую работу.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока.

Двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, тракторах и тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов.

Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду. При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы.

Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа, который, соединяясь в атмосфере с водяными парами, образует угольную кислоту и выпадает в виде кислотных дождей.

Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа, являющегося ядом для живых организмов. Например, при сгорании тонны бензина образуется около 60 кг оксида углерода.

Решение проблем, возникающих при сжигании топлива учёные и конструкторы видят:

· в очистке газовых выбросов в атмосферу;

· увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей, в частности, путём создания условий для наиболее полного сгорания топлива;

· замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические;

· использование альтернативных источников энергии.

КПД теплового двигателя

формулки.ру

В тепловых двигателях используется энергия сгорающего топлива. Однако, не вся энергия сгорающего топлива затрачивается на полезную работу, часть энергии безвозвратно рассеивается в окружающую среду.

Чем меньше эта утерянная часть теплоты, тем выше будет эффективность двигателя и его коэффициент полезного действия. Тем больше полезной работы сможет совершить газ при расширении, толкая поршень двигателя, или раскручивая диск газовой турбины.

Элементы тепловой машины

Конструкции тепловых машин отличаются разнообразием. Однако, из каких бы частей двигатель не состоял, он всегда содержит рабочее тело, холодильник и нагреватель (рис. 1).

Рис. 1. Любой тепловой двигатель всегда содержит три ключевых элемента

Например, в двигателе внутреннего сгорания рабочим телом будут пары топлива и воздух.

В двигателе внутреннего сгорания роль нагревателя совместно выполняют свеча и поршень. Однако, поршень выполняет функции нагревателя только тогда, когда он сжимает газ. А свеча зажигает сжатый газ с помощью искры и вызывает горение топлива.

Чтобы передать остатки тепловой энергии атмосфере, двигатели с воздушным охлаждением имеют специальные ребристые поверхности на наружной части цилиндров.

А двигатели, в которых используется жидкостное (водяное) охлаждение, содержат насос, прокачивающий жидкость в специальных полостях двигателя и радиатор с вентилятором. Жидкость интенсивно охлаждается в радиаторе, а вентилятор обеспечивает обдув, чтобы ускорить охлаждение. Температура охлаждающей жидкости всегда выше температуры окружающего воздуха.

Какие функции выполняет каждый элемент

От нагревателя рабочее тело — газ, или пар, получает запас тепловой энергии (рис. 2). Затем, полученная энергия делится на две, как правило, неравные части. За счет одной части совершается работа.

Рис. 2. Функции ключевых элементов тепловых машин

А оставшаяся часть передается холодильнику (например, атмосфере) и рассеивается окружающей средой.

Роль холодильника в тепловом двигателе

Совершая работу, рабочее тело – расширяющийся газ, охлаждается. Температура \(T_\), до которой газ охладился, называется температурой холодильника.

Так как газ, расширяясь, охлаждается, а при охлаждении энергию нужно куда-то девать, то никакая тепловая машина без холодильника работать не сможет. Чтобы функционировать, тепловая машина обязательно должна отдавать часть тепловой энергии холодильнику.

Обычно температура \(T_\) немного выше температуры окружающей среды. Но если речь идет о паровых машинах, оснащенных специальным приспособлением для конденсации отработанного пара и его охлаждения – конденсатором, то \(T_\) может быть несколько ниже температуры окружающей атмосферы (рис. 3).

Рис. 3. Если холодильником служит атмосфера, то температура холодильника выше атмосферной, а если – конденсатор, то температура холодильника ниже температуры окружающей среды

Примечание: Паровой конденсатор применяется только в конструкциях паровых двигателей.

На какие части делится энергия нагревателя

Мы выяснили, что за счет одной части энергии газ совершает работу. Вторая часть полученной от нагревателя энергии передается холодильнику, который затем рассеивает ее в окружающее пространство (рис. 4).

Эта теплота выбрасывается в атмосферу вместе с отработанным паром, или сгоревшими выхлопными газами турбин и двигателей внутреннего сгорания – то есть, теряется безвозвратно. Главное то, что никакой газ не превращает свою внутреннюю энергию в работу полностью. Часть энергии неизбежно будет утеряна.

На полезную работу тратится только часть полученной энергии.

Рис. 4. Энергия нагревателя частично расходуется на совершение работы, оставшаяся часть теряется в окружающую среду

Посмотрев на рисунок 4, легко составить связь между энергией нагревателя, работой и энергией холодильника.

\(\large Q_ \left(\text \right) \) – тепловая энергия, полученная от нагревателя;

\(\large Q_ \left(\text \right) \) – тепловая энергия, переданная холодильнику;

\(\large A \left(\text \right) \) – работа, которую совершил расширяющийся газ (пар);

Так как часть энергии теряется, работа всегда будет меньше полученной энергии. Работу и энергию измеряют в джоулях. Работа – это затраченная энергия, то есть, разница между конечной и начальной энергией.

\[\large \boxed < Q_— \left| Q_ \right| = A >\]

Примечание: Полученная энергия берется со знаком «плюс», а утерянная – со знаком «минус». Нам уже известно, что энергия \(Q_\), переданная холодильнику и утерянная, будет отрицательной. Запишем ее по модулю, чтобы не учитывать в формуле ее знак.

Формулы коэффициента полезного действия

Мы уже выяснили, что работа газа всегда меньше полученной теплоты. Чтобы ответить на вопрос, какую часть от полученной теплоты будет составлять работа, составим дробь:

\(\large A \left(\text \right) \) – работа газа;

Эту дробь обозначают греческой буквой «эта» \(\eta\) и называют коэффициентом полезного действия (КПД). Так как этот коэффициент дает понятие о том, как соотносятся работа, совершенная газом и, полученная им тепловая энергия.

Числитель этой дроби всегда меньше знаменателя, математики такие дроби называют правильными. Если КПД теплового двигателя описывается правильной дробью, значит, он не может превышать единицу (рис. 5).

Рис. 5. КПД отвечает на вопрос: какая часть полученной энергии тратится на полезную работу

КПД теплового двигателя не превышает единицу, так как описывается правильной дробью.

Если подставить в числитель выражение для работы, получим развернутое выражение для вычисления КПД:

Правая часть уравнения – это две дроби, имеющие одинаковые знаменатели. Если записать правую часть в виде отдельных дробей, то можно получить такое соотношение:

Подставим его в выражение для КПД и получим еще одну формулу:

Какой максимальный КПД может иметь тепловой двигатель

Талантливый французский ученый и инженер Сади Карно в 1824 году придумал идеальную тепловую машину. В качестве рабочего тела в ней выступал идеальный газ. А сосуд, в который заключен газ, обернут теплоизоляцией, которую можно мысленно снять, когда возникнет такая необходимость.

Проведя мысленный эксперимент, Карно рассчитал, какую часть полученной энергии можно превратить в полезную работу при идеальных условиях. Другими словами, он рассчитал, какой максимально возможный КПД может иметь идеальный тепловой двигатель.

Для КПД идеального двигателя он получил такую формулу:

\(\large T_ \left(K\right) \) – температура нагревателя в градусах Кельвина;

\(\large T_ \left(K\right) \) – температура холодильника в градусах Кельвина;

Из формулы следует:

Чем больше различаются температуры нагревателя и холодильника, тем выше будет КПД.

Если температура нагревателя сравняется с температурой холодильника, то полезной работы машина не совершит \(\large \eta = 0 \).

Максимальный КПД даже для идеального теплового двигателя всегда меньше единицы.

Температура холодильника не может равняться абсолютному нулю, так как достигнуть абсолютного нуля температуры не получается.

Примечание: В идеальном двигателе нет потерь энергии, так как полностью отсутствует трение между его движущимися частями. В реальных двигателях трение есть, поэтому КПД реальных двигателей всегда ниже, чем КПД идеального двигателя.

КПД реальных тепловых двигателей

КПД лучших образцов реальных двигателей, выпускаемых мировой промышленностью:

  • паровых машин — менее 10 процентов.
  • большинства двигателей внутреннего сгорания – до 30 процентов.
  • газовых турбин — примерно 40 процентов.
  • двигателя внутреннего сгорания Дизеля – около 44 процентов.

В настоящее время инженеры и ученые-физики работают над тем, чтобы в реальных двигателях уменьшить трение и потери тепловой энергии. Чтобы повысить давление в цилиндре, применяют дополнительные компрессоры и турбины. Это дает выигрыш еще в несколько процентов полезности, однако, сокращает срок службы таких двигателей.

Так называемые «атмосферники» — атмосферные двигатели внутреннего сгорания, в которых не применяются дополнительные турбины и компрессоры, повышающие рабочее давление в цилиндрах, могут без капитального ремонта прослужить на автомобилях весьма длительное время.

Некоторые автомобили, оснащенные особо удачными конструкциями двигателей, успевали без капитального ремонта двигателя проехать до 1 миллиона километров. Из-за этого, такие конструкции двигателей получили в народе название «миллионники». К сожалению, ныне выпуск подобных двигателей резко сокращен, из экономических соображений.

Выводы

  1. В настоящее время изобретено много тепловых двигателей, имеющих различную конструкцию. Но любая тепловая машина всегда содержит нагреватель, холодильник и рабочее тело.
  2. Нагреватель нужен для того, чтобы сообщать тепловую энергию рабочему телу.
  3. В качестве рабочего тела используется горячий пар, или раскаленный газ. Рабочее тело полученную тепловую энергию делит на две части. За счет одной части газ расширяется и совершает работу. Вторую часть энергии передается холодильнику.
  4. Никакая тепловая машина не может работать без холодильника. Тепловая энергия, передаваемая холодильнику, рассеивается в окружающую среду и теряется безвозвратно. Даже КПД идеального теплового двигателя будет меньше единицы.
  5. Показатель полезного действия можно посчитать, взяв отношение совершенной работы A к полученному от нагревателя количеству теплоты Q.
  6. Реальные двигатели внутреннего сгорания, сконструированные инженером Дизелем, имеют максимальный КПД 44 процента. Это непревзойденный на сегодняшний день показатель среди всех выпускаемых промышленностью тепловых машин, не оснащенных дополнительными компрессорами.

КПД (коэффициент полезного действия) теплового двигателя

Отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Домашняя школа InternetUrok.ru
Комментарии
Также по теме

Познакомьтесь с нашей школой!
Начните заниматься уже сегодня, а по окончании пробного периода оплатите выбранный формат!
8 (800) 775 4121
бесплатно по России
+7 (495) 255 3074
дополнительный номер
school@interneturok.ru
ответим за 1 раб. день
Приемная директора
обращение к руководителю
Школа «ИнтернетУрок»
Для дошкольников
Школьная программа
Помощь школьнику
Дополнительно
Государственная
лицензия
© ИнтернетУрок, 2009-2023
© ООО «ИНТЕРДА» ИНН 7715706679, 2014-2023
Данные в формах обрабатывает технология SmartCaptcha от Яндекс

Интерактивная платформа «Домашняя Школа “ИнтернетУрок”» внесена в реестр российских программ для электронных вычислительных машин и баз данных (запись № 14133 от 01.07.2022 г.)

Для повышения удобства работы с сайтом мы используем файлы cookie и веб-аналитику. Оставаясь на сайте, вы соглашаетесь на обработку таких данных.

review

Обратный звонок

Оставьте номер телефона, и мы перезвоним вам в течение 15 минут (c 9:00 до 21:00 мск).
Услуга бесплатная

Вы можете сэкономить время, позвонив нам прямо сейчас:

Ваше сообщение отправлено.
Мы перезвоним вам в ближайшее время.
Оставить заявку
Просто укажите ваши контактные данные

Ваше сообщение отправлено.
Мы свяжемся с вами в ближайшее время.
Добро пожаловать
в приемную директора!

Эта форма предназначена для отправки обращений напрямую руководству школы. Вы можете воспользоваться формой, в случае если вы ранее обращались со своим вопросом или предложением в наш контакт-центр и вы по каким-либо причинам посчитали ответ неудовлетворительным или принятые меры — недостаточными. Чтобы мы могли ознакомиться с историей вашего обращения, пожалуйста, прикрепите к форме скриншот переписки с нашим контакт-центром.

Срок рассмотрения обращения — 3-5 раб.дней
Мы рассмотрим ваше обращение в течение 3х рабочих дней и свяжемся с вами по указанному email.
Задать вопрос
Задайте свой вопрос! Мы ответим вам в течение 1 рабочего дня

send

Ваше сообщение отправлено.
Мы свяжемся с вами в ближайшее время.
Напомнить пароль
Нет аккаунта?
Зарегистрироваться
Регистрация
в ИнтернетУроке

Нажимая на кнопку «Зарегистрироваться», я даю согласие на обработку своих персональных данных в соответствии с Политикой в отношении обработки персональных данных. Регистрация в сервисе возможна только для лиц, достигших 18 лет.

Подтверждение
номера телефона
На ваш мобильный телефон отправлен код подтверждения, введите его ниже, чтобы закончить регистрацию
Отправить код повторно можно будет через 0 : 30
Получить новый код
Указанные вами данные:
+7 (999) 999-99-99
hello@flat12.ru
Изменить данные

Ваш номер телефона подтвержден.
Забыли пароль?

Введите email, указанный при регистрации, чтобы мы смогли выслать на него инструкции по восстановлению

Инструкция по восстановлению пароля отправлена на ваш email

  • I четверть: минимум 4 зачёта по каждому предмету;
  • II четверть: минимум 4 зачёта по каждому предмету;
  • III четверть: минимум 5 зачётов по каждому предмету;
  • IV четверть: минимум 4 зачёта по каждому предмету.

Для получения аттестации за четверть во 2–11 классах требуется получить необходимый минимум оценок за выполненные работы, включая обязательные работы (выделены в журнале и расписании восклицательным знаком).

Если ученик выполняет домашние задания еженедельно, ему необходимо получить следующее количество оценок:

  • I четверть: минимум 5 оценок по каждому предмету;
  • II четверть: минимум 5 оценок по каждому предмету;
  • III четверть: минимум 7 оценок по каждому предмету;
  • IV четверть: минимум 5 оценок по каждому предмету (для 9 и 11 классов – минимум 3 оценки по каждому предмету).

В 9 и 11 классах в феврале (III четверть) будут проведены обязательные итоговые контрольные работы по русскому языку и математике с использованием системы прокторинга.

Если уроки по предмету проходят не каждую неделю, то для аттестации необходимо выполнить только все обязательные работы (выделены в журнале и расписании восклицательным знаком). Исключение: предмет «Основы светской этики» в 4 классе, по нему уроки проходят не каждую неделю, а количество оценок, необходимых для аттестации, определяется установленным минимумом (I четверть — 3 оценки, II четверть — 3 оценки, III четверть — 4 оценки, IV четверть — 2 оценки).

Если ученик выполняет МДЗ (ежемесячное домашнее задание), то на сайт должны быть загружены все работы.

Четвертные оценки выставляются, если у ученика есть указанное количество загруженных заданий и оценок. Если работ недостаточно, итоговая оценка на сайте не ставится (Н/А).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *