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/м³ 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 тепловых двигателей

Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. Предметник : Ногай М.О

Эпиграф к уроку :

Истина – это то, что выдерживает проверку опытом.

А. Эйнштейн

Что общего у автобуса и самолета, у автомобиля и ракеты?

Вывод:

Общим для них является двигатель и самый распространенный – тот, что работает за счет тепла, преобразуя тепловую энергию в механическую.

Тепловой двигатель

Смотри учебник физики, стр . 88

Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Тепловые двигатели

• Паровая и газовая

турбина

• Двигатель внутреннего сгорания
• Паровая машина

• Реактивный двигатель

История изобретения паровых машин

Первым механическим двигателем, нашедшим практическое применение, была паровая машина. Вначале она использовалась в заводском производстве, а затем ее стали устанавливать на паровозах, пароходах, автомобилях и тракторах.

Паровая машина Дэни Папена

В 1698 году он построил паровую машину, используя пороховой двигатель, заменив порох водой.

Томас Ньюкомен и его паровая машина

Пар из котла поступал в основание цилиндра и поднимал поршень вверх. При впрыскивании в цилиндр холодной воды пар конденсировался и под воздействием атмосферного давления поршень опускался вниз. После этого цикл повторялся.

Машина Ньюкомена оказалась на редкость удачной и использовалась по всей Европе более 50 лет.

Джеймс Уатт

В 1782 году Уатт создал первую универсальную паровую машину двойного действия. Пар поступал в цилиндр попеременно то с одной стороны поршня, то с другой. Поршень совершал и рабочий и обратный ход с помощью пара, чего не было в прежних машинах. Он использовал тяжелый маховик, центробежный регулятор скорости, дисковый клапан и манометр для измерения давления пара.

Паровая машина Уатта стала изобретением века, положившем начало к промышленной революции.

История изобретения турбин

В основе действия паровой турбины лежат два принципа создания усилия на роторе, известные с давних времен, реактивный и активный. В машине Бранке, построенной в 1629 году, струя пара приводила в движение колесо, напоминающее колесо водяной мельницы.

Паровая турбина Лаваля представляет собой колесо с лопатками. Пар под большим давлением вырывается из трубы (сопла), давит на лопатки и раскручивает колесо.

Паровая турбина Парсонса

Парсонс соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это повысило интерес общества к тепловым турбинам. В результате 15-летних изысканий он создал наиболее совершенную по тем временам реактивную турбину.

Первое судно с паротурбинным двигателем – «Турбиния», — построенное Парсонсом в 1894 году развивало скорость около 59 км/час. С 1900 года турбины начали устанавливать на миноносцах, а после 1906 года все большие военные корабли оснащались турбинными двигателями.

Устройство паровоза

Паровоз состоит из трёх основных частей: котла, паровой машины и экипажной части. Кроме того, в состав паровоза включается тендер — специальный вагон, где хранятся запасы воды и топлива. Если же вода и топливо хранятся на самом паровозе, то тогда его называют танк-паровозом.

Первый паровоз, двигавшийся по рельсам был создан в 1804 году Тревитиком. Первая железная дорога, открытая в 1825 году между Стоктоном и Дарлингтоном, обслуживалась паровозами Стефенсона. Этот паровоз стал прообразом для всех дальнейших разработок паровозов.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

В1824году французский ученый С. Карно показал, что в любой тепловой машине можно получить полезную работу лишь в том случае, если энергия путем теплообмена переходит от горячего тела к холодному ;

при этом лишь часть этой теплоты может пойти на совершение полезной работы.

КПД теплового двигателя

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Схема работы теплового двигателя

Q 1 -количество теплоты, полученное от нагревателя

Q 2 -количество теплоты, отданное холодильнику

А= Q 1 — Q 2 -работа, совершаемая двигателем

Нагреватель — топливо; рабочее тело — газ; холодильник — окружающая среда, части механизма

А П – полезная работа,

Q 1 – количество теплоты, полученное от нагревателя,

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику.

Распределение энергии.

КПД тепловых двигателей:

Паровая машина 8-12%

Паровая турбина 20-40%

Дизель 30-36%

ДВС 20-40%

Экологические проблемы использования тепловых машин

Топки тепловых электростанций,

• Топки тепловых электростанций,

двигатели внутреннего сгорания автомобилей,

• двигатели внутреннего сгорания автомобилей,

самолетов

• самолетов

выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества.

• выбрасывают в атмосферу вредные для человека, животных и растений вещества.

Эти вещества попадают в атмосферу,

• Эти вещества попадают в атмосферу,

а из нее — в различные части ландшафта.

• а из нее — в различные части ландшафта.

Экологические последствия работы тепловых двигателей .

Очистные сооружения, фильтры

Использование водородных двигателей

Охрана окружающей среды

Создание электромобилей

Применение катализаторов

Решение качественных задач:

1. Можно ли огнестрельное оружие отнести к тепловым двигателям?

2. Можно ли человеческий организм отнести к тепловым двигателям?

3. КПД теплового двигателя 45 %. Что означает это число?

Решение задач

№ 1 Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,89*10 7 Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2*10 6 Дж/кг.

Дано:

Решение:

А П = 1,89*10 7 Дж

m = 1 , 5 кг

q = 4,2*10 6 Дж/кг

ᵑ — ?

Ответ: ᵑ = 30%

Задачи

№ 1. Максимально возможный КПД тепловой машины, использующей нагреватель с температурой 527˚С, и холодильник с температурой 27˚С.

№ 2. Найдите температуру нагревателя, если КПД идеальной тепловой машины 80%, а температура холодильника 27˚С.

№ 3 . В идеальной тепловой машине температура нагревателя 420К, а холодильника 280К. Найдите работу, произведенную машиной, если от нагревателя взято 100000 кДж теплоты.

Сегодня на уроке:

• Тепловые двигатели и их классификация.
• Из истории тепловых машин.
• КПД тепловых двигателей.
• Решение задачи на определение КПД.

Сегодня на уроке я :

научился

мне понравилось

хотел бы попробовать сам  

Домашнее задание :

1. §22-26 прочитать.

2. Упражнение 13 письменно.

3. Подготовить реферат на тему:

1) Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин.

2) Использование энергии Солнца на Земле.

Новый тепловой двигатель без движущихся частей эффективнее паровой турбины | MIT News

Инженеры Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) разработали тепловой двигатель без движущихся частей. Их новые демонстрации показывают, что он преобразует тепло в электричество с эффективностью более 40 процентов, что лучше, чем у традиционных паровых турбин.

Тепловая машина представляет собой термофотоэлектрический (TPV) элемент, аналогичный фотоэлектрическим элементам солнечной панели, который пассивно улавливает фотоны высокой энергии от раскаленного добела источника тепла и преобразует их в электричество. Проект команды может генерировать электроэнергию от источника тепла от 1,900 до 2400 градусов по Цельсию или примерно до 4300 градусов по Фаренгейту.

Исследователи планируют включить элемент TPV в тепловую батарею сетевого масштаба. Система будет поглощать избыточную энергию из возобновляемых источников, таких как солнце, и хранить эту энергию в сильно изолированных банках горячего графита. Когда необходима энергия, например, в пасмурные дни, элементы TPV будут преобразовывать тепло в электричество и передавать энергию в электросеть.

С новой ячейкой TPV команда успешно продемонстрировала основные части системы в отдельных небольших экспериментах. Они работают над интеграцией частей, чтобы продемонстрировать полностью работающую систему. Оттуда они надеются масштабировать систему, чтобы заменить электростанции, работающие на ископаемом топливе, и создать полностью обезуглероженную энергосистему, полностью снабжаемую возобновляемой энергией.

«Термофотоэлектрические элементы стали последним важным шагом на пути к демонстрации того, что тепловые батареи являются жизнеспособной концепцией, — говорит Асегун Генри, профессор Роберта Н. Нойса по развитию карьеры на факультете машиностроения Массачусетского технологического института. «Это абсолютно важный шаг на пути к распространению возобновляемой энергии и переходу к полностью обезуглероженной сети».

Генри и его сотрудники опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature. Соавторами в Массачусетском технологическом институте являются Алина Лапотин, Кайл Бузницкий, Колин Келсолл, Эндрю Роскопф и Эвелин Ванг, профессор инженерии Форда и глава факультета машиностроения, а также Кевин Шульте и сотрудники NREL в Голдене, штат Колорадо.

Преодолеть разрыв

Более 90 процентов электроэнергии в мире производится из таких источников тепла, как уголь, природный газ, ядерная энергия и концентрированная солнечная энергия. В течение столетия паровые турбины были промышленным стандартом для преобразования таких источников тепла в электричество.

В среднем паровые турбины надежно преобразуют около 35 процентов тепла в электричество, при этом около 60 процентов представляют собой самый высокий КПД любого теплового двигателя на сегодняшний день. Но механизм зависит от движущихся частей, температура которых ограничена. Источники тепла с температурой выше 2000 градусов по Цельсию, такие как система тепловых батарей, предложенная Генри, были бы слишком горячими для турбин.

В последние годы ученые изучают твердотельные альтернативы — тепловые двигатели без движущихся частей, которые потенциально могут эффективно работать при более высоких температурах.

«Одним из преимуществ твердотельных преобразователей энергии является то, что они могут работать при более высоких температурах с меньшими затратами на техническое обслуживание, поскольку в них нет движущихся частей», — говорит Генри. «Они просто сидят и надежно генерируют электроэнергию».

Термофотоэлектрические элементы предложили один из путей исследования твердотельных тепловых двигателей. Подобно солнечным элементам, элементы TPV могут быть изготовлены из полупроводниковых материалов с определенной шириной запрещенной зоны — зазором между валентной зоной материала и его зоной проводимости. Если фотон с достаточно высокой энергией поглощается материалом, он может вытолкнуть электрон через запрещенную зону, где электрон затем может провести, и, таким образом, генерировать электричество — без движения роторов или лопастей.

На сегодняшний день эффективность большинства TPV-элементов достигла лишь около 20 процентов, а рекордная — 32 процента, поскольку они были сделаны из материалов с относительно узкой запрещенной зоной, которые преобразуют низкотемпературные фотоны с низкой энергией и, следовательно, преобразуют энергию менее эффективно.

Ловля света

В своем новом дизайне TPV Генри и его коллеги стремились захватывать фотоны с более высокой энергией из источника тепла с более высокой температурой, тем самым более эффективно преобразовывая энергию. Новая ячейка команды делает это с материалами с большей шириной запрещенной зоны и несколькими соединениями или слоями материала по сравнению с существующими конструкциями TPV.

Ячейка изготовлена ​​из трех основных областей: сплава с высокой шириной запрещенной зоны, который находится поверх сплава с немного меньшей шириной запрещенной зоны, под которым находится зеркальный слой золота. Первый слой улавливает фотоны с самой высокой энергией источника тепла и преобразует их в электричество, в то время как фотоны с более низкой энергией, проходящие через первый слой, захватываются вторым и преобразуются для добавления к генерируемому напряжению. Любые фотоны, которые проходят через этот второй слой, затем отражаются зеркалом обратно к источнику тепла, а не поглощаются в виде потерянного тепла.

Команда проверила эффективность ячейки, поместив ее над датчиком теплового потока — устройством, которое напрямую измеряет тепло, поглощаемое ячейкой. Они подвергали клетку воздействию высокотемпературной лампы и концентрировали свет на ячейке. Затем они меняли интенсивность лампы или температуру и наблюдали, как энергоэффективность элемента — количество производимой им энергии по сравнению с поглощаемым им теплом — менялась в зависимости от температуры. В диапазоне от 1900 до 2400 градусов по Цельсию новый элемент TPV сохранял эффективность около 40 процентов.

«Мы можем добиться высокой эффективности в широком диапазоне температур, характерных для тепловых батарей», — говорит Генри.

Клетка в экспериментах размером около квадратного сантиметра. Генри предполагает, что для системы тепловых батарей масштаба сети ячейки TPV должны будут масштабироваться примерно до 10 000 квадратных футов (около четверти футбольного поля) и будут работать на складах с климат-контролем, чтобы получать энергию от огромных банков хранимых данных. солнечная энергия. Он указывает, что существует инфраструктура для производства крупномасштабных фотоэлектрических элементов, которые также могут быть адаптированы для производства TPV.

Это исследование было частично поддержано Министерством энергетики США.

Поделиться этой новостной статьей:

Бумага

Статья: «Теплофотоэлектрическая эффективность 40%»

Упоминания в прессе

Physics World

Physics World включил два научных достижения ученых Массачусетского технологического института в свой список 10 лучших прорывов года. Профессор Ган Чен и его коллеги были выбраны за свою работу, «показывающую, что кубический арсенид бора является одним из лучших полупроводников, известных науке». Профессор Асегун Генри, аспирант Алина ЛаПотин и их коллеги были номинированы за «создание термофотоэлектрического элемента (TPV) с эффективностью более 40%».

Полная история на Physics World →

Gizmodo

Исследователи Массачусетского технологического института создали высокоэффективный термофотоэлектрический элемент, который преобразует поступающие фотоны в электричество, сообщает Кевин Херлер для Gizmodo. «Мы разработали эту технологию — тепловые батареи — потому что хранение энергии в виде тепла, а не ее электрохимическое хранение, обходится в 10–100 раз дешевле», — объясняет профессор Асегун Генри. из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии успешно достигли 30-процентного скачка эффективности термофотоэлектрической (TPV), сообщает Роберт Ф. Сервис для Наука . «[TPV] — это полупроводниковая структура, которая объединяет фотоны, испускаемые источником тепла, в электричество, подобно тому, как солнечный элемент преобразует солнечный свет в энергию», — объясняет Сервис.

Полная история через Science →

Ссылки по теме

• Асегун Генри
• Эвелин Ван
• Факультет машиностроения
• Инженерная школа

Тепловые двигатели; Заявления Кельвина и Клаузиуса

Тепловые двигатели; Заявления Кельвина и Клаузиуса — Физика 298