Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. 10-й класс

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип
действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить
учащихся с видами тепловых двигателей, развивать
умение определять КПД тепловых двигателей,
раскрыть роль и значение ТД в современной
цивилизации; обобщить и расширить знания
учащихся по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и
речь, совершенствовать навыки работы с
презентацией.

Воспитательные: воспитывать у
учащихся чувство ответственности перед
последующими поколениями, в связи с чем,
рассмотреть вопрос о влиянии тепловых
двигателей на окружающую среду.

Оборудование: компьютеры для
учащихся, компьютер учителя, мультимедийный
проектор, тесты (в Excel), Физика 7-11 Библиотека
электронных наглядных пособий. “Кирилл и
Мефодий”.

Ход урока

1. Оргмомент

2. Организация внимания учащихся

Тема нашего урока: “Тепловые
двигатели”. (Слайд 1)

Сегодня мы вспомним виды тепловых
двигателей, рассмотрим условия их эффективной
работы, поговорим о проблемах связанных с их
массовым применением. (Слайд 2)

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению нового
материала предлагаю проверить как вы к этому
готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона
термодинамики. (Изменение внутренней энергии
системы при переходе ее из одного состояния в
другое равно сумме работы внешних сил и
количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или
охладиться без теплообмена с окружающей средой?
Как это происходит? (При адиабатических
процессах.) (Слайд 3)

– Напишите первый закон термодинамики
в следующих случаях: а) теплообмен между телами в
калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в)
нагрев тела при ударе. (а) А=0, Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл,
совершаемый идеальным газом определенной массы.
Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На
каких участках цикла газ выделяет теплоту и на
каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет
некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и
4-1 теплота поглощается газом.) (Слайд 4)

4. Изучение нового материала

Все физические явления и законы
находят применение в повседневной жизни
человека. Запасы внутренней энергии в океанах и
земной коре можно считать практически
неограниченными. Но располагать этими запасами
недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь
приводить в действие устройства, способные
совершать работу. (Слайд 5)

Что является источником энергии?
(различные виды топлива, энергия ветра, солнца,
приливов и отливов)

Существуют различные типы машин,
которые реализуют в своей работе превращение
одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство,
превращающее внутреннею энергию топлива в
механическую энергию. (Слайд 6)

Рассмотрим устройство и принцип
работы теплового двигателя. Тепловая машина
работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из
нагревателя, рабочего тела и холодильника. (Слайд
7)

КПД замкнутого цикла (Слайд 8)

Q₁ – количество теплоты
полученное от нагревания Q₁>Q₂

Q₂ – количество теплоты отданное
холодильнику Q ₂<Q ₁

A^{/ =} Q ₁– |Q ₂| – работа
совершаемая двигателем за цикл ? < 1.

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T₁ – температура нагревания.

Т₂ – температура холодильника.

1. – не зависит
   от Q, р, V топлива.
2. – является
   функцией только двух температур.

На всех основных видах современного
транспорта преимущественно используются
тепловые двигатели. На железнодорожном
транспорте до середины XX в. основным двигателем
была паровая машина. Теперь же главным образом
используют тепловозы с дизельными установками и
электровозы. На водном транспорте также
использовались вначале паровые двигатели,
сейчас используются как двигатели внутреннего
сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет
использование тепловых двигателей (в основном
мощных паровых турбин) на тепловых
электростанциях, где они приводят в движение
роторы генераторов электрического тока. Около 80 %
всей электроэнергии в нашей стране
вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины)
устанавливают также на атомных электростанциях.
Газовые турбины широко используются в ракетах,
в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые
двигатели внутреннего сгорания с внешним
образованием горючей смеси (карбюраторные
двигатели) и двигатели с образованием горючей
смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах
устанавливают поршневые двигатели, а на огромных
лайнерах – турбовинтовые и реактивные
двигатели, которые также относятся к тепловым
двигателям. Реактивные двигатели применяются и
на космических ракетах. (Слайд 10)

(Показ видеофрагментов работы
турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу
двигателя внутреннего сгорания. Просмотр
видеофрагмента. (Слайд 11)

Работа четырехтактного ДВС.

1 такт: впуск.

2 такт: сжатие.

3 такт: рабочий ход.

4 такт: выпуск.

• Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2
клапана(впуск и выпуск), свеча.

• Мертвые точки – крайнее положение поршня.

Сравним эксплуатационные характеристики
тепловых двигателей.

КПД:

• Паровой двигатель – 8%
• Паровая турбина – 40%
• Газовая турбина – 25-30%
• Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%
• Дизельный двигатель – 40– 44%
• Реактивный двигатель – 25% (Слайд 112)

Тепловые двигатели и охрана
окружающей среды (Слайд 13)

Неуклонный рост энергетических
мощностей – все большее распространение
укрощенного огня – приводит к тому, что
количество выделяемой теплоты становится
сопоставимым с другими компонентами теплового
баланса в атмосфере. Это не может не приводить к
повышению средней температуры на Земле.
Повышение температуры может создать угрозу
таяния ледников и катастрофического повышения
уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются
негативные последствия применения тепловых
двигателей. Растет выброс в атмосферу
микроскопических частиц – сажи, пепла,
измельченного топлива, что приводит к увеличению
“парникового эффекта”, обусловленного
повышением концентрации углекислого газа в
течение длительного промежутка времени. Это
приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические
продукты горения, продукты неполного сгорания
органического топлива – оказывают вредное
воздействие на флору и фауну. Особую опасность в
этом отношении представляют автомобили, число
которых угрожающе растет, а очистка отработанных
газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем
перед обществом. (Слайд 14)

Необходимо повышать эффективность
сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу
вредных веществ; добиваться более полного
сгорания топлива в автомобильных двигателях, а
также увеличения эффективности использования
энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

• 1. Электрические
• 2. Двигатели, работающие на энергии солнца и
  ветра (Слайд 15)

Пути решения экологических проблем:

1. Использование альтернативного
   топлива.

2. Использование альтернативных
   двигателей.

3. Оздоровление окружающей среды.

4. Воспитание экологической культуры.
   (Слайд 16)

5.

Закрепление материала

Всем вам предстоит всего лишь через
год сдавать единый государственный экзамен.
Предлагаю вам решить несколько задач из части А
демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы
найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

6. Подведение итогов урока

С момента, когда была построена первая
паровая машина, до настоящего времени прошло
более 240 лет. За это время тепловые машины сильно
изменили содержание жизнь человека. Именно
применение этих машин позволило человечеству
шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание:

§ 82 (Мякишев Г.Я.),
упр. 15 (11, 12) (Слайд 17)

8. Рефлексия

Прежде чем покинуть класс просьба
заполнить таблицу.

Спасибо за работу.

На этом наш урок окончен.

Литература:

1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс: учеб. Для
   общеобразоват. Учреждений: базовый и профил.
   уровни/18-е изд. – М.:Просвещение, 2009.
2. Демкович В.П. Сборник задач по физике. 10-11 кл. –
   М.: ООО “Издательство Астрель”, 2001.
3. Волков В.А. Универсальные поурочные разработки
   по физике. 10 класс. – М.: ВАКО, 2006.

Видео-1

Видео-2

Тест

Презентация

Физика Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Материалы к уроку

• Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей.doc»>43. Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей.doc

  48.5 KBСкачать

• 43. Принципы действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей.ppt

  22.22 MBСкачать

Конспект урока

Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика – это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии топлива. Запасы топлива в недрах Земли и океанах можно считать практически неограниченными. Для того чтобы использовать его внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу. Устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем. Именно двигатели приводят в движение станки на фабриках и заводах, транспортные средства, комбайны и другие машины, вращают роторы генераторов электрического тока. Основная часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели. 

Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.   

Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три основные части: нагреватель, рабочее тело и холодильник. На схеме мы видим, что нагреватель передает рабочему телу двигателя какое-то количество теплоты Q1(кю) часть её идет на выполнение работы двигателем, другая часть Q2 передается холодильнику. 

В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию, следовательно, необходимо иметь систему, за счет внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твердые тела, поэтому в качестве рабочего тела используют газ или пар. В паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания – газ, состоящий из смеси бензина и воздуха.

Поскольку работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела, то для её увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторой температуры Т1. Для этого в состав двигателя входит нагреватель.

В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. В паровой турбине нагреватель — это самостоятельное устройство – паровой котел. В нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера, в паровой турбине – специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара  конденсаторы. Конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее, чем атмосфера.

Следовательно, только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, превращается в полезную работу.    Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячего нагревателя к более холодному холодильнику.

Так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю, то часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу.    Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна разности количества теплоты, полученное от нагревателя, и количества теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия или сокращенно КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то их коэффициент полезного действия всегда меньше единицы.

КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При одинаковой температуре нагревателя и холодильника двигатель не может работать.

Французский ученый Сади Карно в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году, решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей, предложил модель идеального теплового двигателя. Рабочим телом в нем служит идеальный газ. Энергетически наиболее выгодными являются адиабатный и изотермический процессы, происходящие с идеальным газом. В них вся полученная газом энергия превращается в работу. 

На рисунке мы видим график зависимости давления от объема в идеальном тепловом двигателе Карно, называемый циклом Карно. Участок графика 1-2 соответствует изотермическому расширению газа. При этом оно получает от нагревателя, температура которого Т1, количество теплоты Q1. Участок графика 2-3 соответствует адиабатному расширению рабочего тела, при этом оно охлаждается до температуры Т2, равной температуре холодильника. Затем газ изотермически сжимается на участке 3-4 при температуре Т2. При этом холодильнику передается количество теплоты Q2. И, наконец, на участке 4-1, рабочее тело адиабатно сжимается, его температура при этом повышается до температуры нагревателя Т1.   

Карно получил, что для идеального теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению разницы между температурами нагревателя и холодильника к температуре нагревателя или единица минус отношение температуры холодильника к температуре нагревателя. Из этой формулы следует, что коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя всегда меньше единицы, даже если устранены все потери энергии. Это связано с тем, что некоторое количество теплоты всегда передается холодильнику.

Формула, полученная Карно показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, коэффициент полезного действия равен 1.

Совершенствуя двигатели, их КПД стремятся приблизить к коэффициенту полезного действия идеального двигателя Карно, работающего при тех же температурах нагревателя и холодильника. А он тем больше, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Поэтому для повышения КПД теплового двигателя стремятся повысить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника. Сложность заключается в том, что повышение температуры нагревателя ограничивается свойствами применяемых в конструкции двигателей материалов.  Однако любое вещество обладает ограниченной теплостойкостью и жаропрочностью. При нагревании оно постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Кроме того, материалы должны обладать высокой механической прочностью и выдерживать высокие давления, не разрушаясь.

Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. 

Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики

Одним из первых ученых, заинтересовавшихся тепловыми двигателями, был француз.
инженер по имени
Сади Карно (1796-1832). Тепловая машина использует теплопередачу
совершать работу в циклическом процессе. После каждого цикла двигатель возвращается в
исходное состояние и готов повторить процесс преобразования (неупорядоченный —>
упорядоченная энергия) снова.

Карно постулировал, что теплота не может быть поглощена при определенной температуре без
другие изменения в системе и преобразованы в работу.   Это один из способов указать
второй закон
термодинамика.  

Карно предполагал, что идеальный двигатель, преобразующий максимальное количество теплового
энергии в упорядоченную энергию, будет двигатель без трения. Это также было бы
реверсивный двигатель . Само по себе тепло всегда исходит от объекта
более высокой температуры к объекту с более низкой температурой. Реверсивный двигатель это
двигатель, в котором теплопередача может менять направление, если температура
один из объектов изменяется на крошечную (бесконечно малую) величину. Когда
реверсивный двигатель заставляет тепло поступать в систему, оно течет в результате
бесконечно малые перепады температур, или потому что существует
бесконечно малая работа, совершаемая системой. Если бы такой процесс мог быть
реально реализуемый, он будет характеризоваться непрерывным состоянием
равновесие (т. е. отсутствие перепадов давления или температуры) и будет
происходит с такой скоростью, что требует бесконечного времени. Импульс
любой компонент обратимого двигателя никогда не изменяется скачком в неупругом
столкновение, так как это привело бы к необратимому, внезапному увеличению
неупорядоченная энергия этого компонента. Настоящий двигатель всегда включает в себя
по крайней мере небольшое количество необратимости. Тепло не будет течь без
перепад температур и трение не могут быть полностью устранены.

Карно показал, что если идеальная обратимая машина, называемая двигателем Карно , улавливает
количество теплоты Q ₁ из резервуара при температуре T ₁ ,
преобразует часть его в полезную работу и отдает количество теплоты Q ₂
в пласт при температуре T ₂ , тогда Q ₁ /T ₁ =
Q ₂ /T ₂ . Здесь T – абсолютная температура, измеренная в
Кельвина, а резервуар тепла — это система, такая как озеро, которая настолько велика, что
его температура не меняется при выделении тепла, участвующего в рассматриваемом процессе
течет в водохранилище или из него. Для преобразования теплоты в работу необходимо при
не менее двух мест с разной температурой. Если вы возьмете Q ₁ в
температура T ₁ необходимо сбросить как минимум Q ₂ при температуре T ₂ .

Пример идеализированного двигателя без трения, в котором все процессы
обратимы, представляет собой идеальный газ в цилиндре, снабженном
поршень. Цилиндр попеременно входит в контакт с одним из двух тепловых
резервуары при температурах Т ₁ и Т ₂ соответственно, при Т ₁
выше Т ₂ .

1. Начнем с точки а на диаграмме PV. Ставим цилиндр
   контакт с пластом на Т ₁ и _{нагреть газ и
   в то же время расширяйте его по кривой, отмеченной (1). Чтобы сделать
   процесс обратимый, мы вытягиваем поршень очень медленно по мере поступления тепла в
   газа и следим за тем, чтобы температура газа оставалась примерно равной T 1 .
   Если бы мы медленно вталкивали поршень обратно, то температура была бы только
   быть бесконечно мало больше, чем T 1 и тепло потечет
   обратно из газа в резервуар. Изотермическое расширение , когда
   делается достаточно медленно, может быть обратимым процессом. Как только мы достигнем точки b в
   диаграмме количество теплоты Q 1 было передано от
   резервуар в газ. Поскольку расширение изотермическое,
   температура газа не изменилась.}
2. Отнимем цилиндр от резервуара в точке b и продолжим
   медленное обратимое расширение без поступления тепла в цилиндр.
   Расширение теперь адиабатический . При расширении газа температура
   падает, так как в цилиндр не поступает тепло. Мы позволяем газу расширяться,
   по кривой, отмеченной (2), пока температура не упадет до T ₂
   в точке, обозначенной c . Адиабатическая кривая имеет более отрицательный наклон
   чем изотермическая кривая.
3. Когда газ достиг температуры T ₂ ставим
   в контакте с резервуаром на Т ₂ . Теперь медленно сжимаем
   газ изотермически при контакте с пластом на Т ₂ ,
   по кривой, отмеченной (3). Температура газа не
   поднимается и количество тепла Q ₂ поступает из цилиндра в
   пласт при температуре T ₂ .
4. В точке d извлекаем цилиндр из резервуара на Т ₂
   и еще больше сожмите его, не выпуская тепло.
   За это адиабатический процесс температура повышается, а давление
   следует кривой, отмеченной (4). Если мы правильно выполним каждый шаг, мы сможем
   вернуться в точку a при температуре T ₁ , откуда мы начали, и
   повторить цикл.

За один цикл мы вложили в газ количество теплоты Q ₁ при
температура T ₁ и отведенное количество тепла Q ₂
при температуре T ₂ .   Используя соотношения между ΔU, ΔQ,
и ΔW для различных термодинамических процессов,
мы можем показать, что Q ₁ /T ₁ = Q ₂ /T ₂ .

Ссылка: Математические детали
используя исчисление

Полезная работа, совершаемая тепловой машиной, равна W = Q ₁ — Q ₂
(энергосбережение). Идеальный реверсивный двигатель делает максимальное количество
работы.

Любой реальный двигатель отдает больше тепла Q ₂ в резервуаре при T ₂
чем обратимый и, следовательно, совершает меньшую полезную работу.

максимальный объем работы вы можете
поэтому выйти из тепловой машины — это то количество, которое вы получите от идеального,
реверсивный двигатель.

Вт _макс. = Q ₁ — Q ₂ = Q ₁
— Q ₁ T ₂ /T ₁ = Q ₁ (1 — Т ₂ / Т ₁ ).

W является положительным, если T ₁ больше, чем T ₂ .

КПД тепловой машины – это
отношение полученной работы к тепловой энергии, вложенной при высокой температуре, e
= W/Q _{высокий} . Максимально возможная эффективность e _max таких
двигатель

e _макс = W _макс /Q _{высокий} = (1 — T _{младший} /T _{высокий} ) = (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .

Предположим, у вас есть резервуар с горячей водой с температурой T ₁ .
Можете ли вы взять количество теплоты Q ₁ из этого резервуара и преобразовать
это в работу? Нет! Вы можете преобразовать часть теплоты в работу, если
у вас есть место с более низкой температурой T ₂ , где вы можете сбросить часть
жара. Двигатель, работающий за счет отвода тепла от резервуара с
одной температуры быть не может.

Тепло не может быть поглощено при определенной температуре без каких-либо других изменений в системе и
превращается в работу. Это один из способов сформулировать второй закон термодинамики.

Теплота сама по себе не может передаваться от холодного к горячему предмету.
способ сформулировать второй закон термодинамики.

Если бы это было возможно, то тепло, сбрасываемое на T ₂ , могло бы просто утекать обратно в
водохранилище на T ₁ и чистый эффект будет количество тепла
ΔQ = Q ₁ — Q ₂ принято в
a T ₁ и преобразуется в тепло без каких-либо других изменений в системе.

Проблема:

Определенный бензиновый двигатель имеет КПД 30,0%. Что бы
температура горячего резервуара должна быть для двигателя Карно с таким КПД, если
работает при температуре холодного пласта 200 ^o С?

Решение:

• Обоснование:
  Для двигателя Карно Q ₁ /Т ₁
  = Q ₂ /T ₂ .
  Двигатель Карно имеет максимальный КПД e _max = (T _high — T _low )/T _high .
• Детали расчета:
  Если e _max = 0,3, то 0,3 = 1 — (473 K)/T _high . Т _{высокий}
  = 473/0,7 = 675,7 К = 402,7 ^o С.

Проблема:

Изобретатель продает устройство и утверждает, что оно потребляет 25 кДж тепла при
600 К, передает в окружающую среду теплоту 300 К и совершает работу 12 кДж.
Стоит ли инвестировать в это устройство?

Решение:

• Обоснование:
  Двигатель Карно, потребляющий 25 кДж тепла и работающий при температуре от 600 до 300 К.
  может выполнить объем работы
  Вт _макс. = Q _{высокий} (1 — T _низкий
  / T _high ) = 25 кДж*(1 — 300/600) = 25 кДж/2 = 12,5 кДж.
  Утверждается, что эффективность устройства составляет 96% от e _max . Нет
  известный двигатель приближается к e _max . Трение и прочее
  потери снижают эффективность. Так что пока не запрещено вторым
  закона, маловероятно, что устройство будет работать так, как заявлено.

Примечание:

Неупорядоченная энергия не может быть полностью преобразована обратно в упорядоченную энергию.

Максимальный КПД тепловой машины, преобразующей тепловую энергию в упорядоченную, равен
100%*(T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .
Здесь T _high и T _low — самая высокая и самая низкая температура.
доступным для двигателя.

С другой стороны, упорядоченная энергия может быть полностью преобразована в другие
формы энергии. Максимальный КПД двигателя, использующего упорядоченную энергию
составляет 100%.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Для преобразования теплоты в работу необходимо как минимум два места
с разными температурами. Если вы возьмете в Q _{максимум} в
температура T _{высокая} необходимо сбросить как минимум Q _низкая при
температура T _низкая . Объем работы, которую вы получаете от
тепловой двигатель W = Q _{высокий} — Q _низкий . Максимальный объем работы, который вы можете получить от
тепловая машина это сумма которую вы получите
из реверсивного двигателя.

W _макс. = (Q _{высокий} — Q _низкий ) _{реверсивный}
= Q _{высокий} — Q _{высокий} T _низкий /T _{высокий}
= Q _{старший} (1 — T _низкий /T _{высокий} ).

W является положительным, если T _high больше T _low .

КПД тепловой машины
отношение полученной работы к затраченной тепловой энергии
температура, e = W/Q _{высокий} . Максимально возможное
КПД е _макс такого двигателя

e _макс = W _макс /Q _{высокий} = (1 — T _низкий
/T _{старший} ) = (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий} .

Паровые двигатели

Паровая машина — разновидность тепловой машины. Он забирает тепло от
горячий пар, преобразует часть этого тепла в полезную работу и сбрасывает
отдохнуть на более холодном окружающем воздухе. Максимальная доля тепла
которые можно превратить в работу, можно найти, используя законы
термодинамики, и она увеличивается с разницей температур между
горячий пар и окружающий воздух. Чем горячее пар и
чем холоднее воздух, тем эффективнее паровая машина при преобразовании
тепло в работу.

В типичном паровом двигателе поршень движется вперед и назад внутри
цилиндр. В котле вырабатывается горячий пар высокого давления.
этот пар поступает в цилиндр через клапан. Однажды внутри
цилиндр, пар выталкивается наружу на каждую поверхность, включая
поршень. Поршень движется. Пар совершает механическую работу над
поршень, а поршень совершает механическую работу над присоединенными механизмами
к этому. Расширяющийся пар передает часть своей тепловой энергии
это оборудование, так что пар становится холоднее, когда оборудование работает.

Когда поршень достигает конца своего диапазона, клапан останавливает
поток пара и открывает цилиндр для наружного воздуха.
после этого поршень может легко вернуться. Во многих случаях допускается использование пара.
введите другой конец цилиндра так, чтобы пар толкал поршень
вернуться в исходное положение. Как только поршень вернется в исходное положение
начальной точки, клапан снова впускает пар высокого давления в
цилиндр и весь цикл повторяется. В общем, тепло идет.
от горячего котла к более прохладному окружающему воздуху и части этого тепла
преобразуется в механическую работу движущимся поршнем.
максимальный КПД паровой машины e _max = (T _пар
— T _воздух )/T _пар . Фактическая эффективность
обычно намного ниже.

Ссылка: Паровоз (Youtube)

Проблема:

Максимум
возможный КПД паровой машины, принимающей теплоту при 100 ^o С
и сброс его при комнатной температуре примерно 20 ^o C?

Решение:

• Обоснование:
  Максимальный КПД любой тепловой машины равен КПД двигателя Карно. e _max = (T _high — T _low )/T _high .
• Детали расчета:
  100 ^o C = 373 K и 20
  ^o C = 293 K. 
  максимально возможная эффективность
  (T _{высокий} — T _низкий )/T _{высокий}
  =  (373 —
  293)/373 = 0,21 = 21%.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания сжигает смесь топлива и воздуха.
Наиболее распространенным типом является четырехтактный двигатель. Поршень скользит в
и из цилиндра. Два или более клапана позволяют топливу и
воздух для входа в цилиндр и газы, которые образуются, когда топливо и воздух
сжечь, чтобы покинуть цилиндр. Когда поршень скользит вперед и назад
внутри цилиндра изменяется объем, который могут занимать газы
коренным образом.

Процесс преобразования теплоты в работу начинается, когда поршень
вытащили из цилиндра, расширив замкнутое пространство и позволив
топливо и воздух поступают в это пространство через клапан. Это движение
называется тактом впуска или тактом впуска . Далее топливо и
воздушная смесь сжимается, вдавливая поршень в
цилиндр. Это называется сжатием .
ход . В конце такта сжатия при
топливно-воздушная смесь сжата максимально плотно, свеча зажигания
в запаянном конце цилиндра срабатывает и воспламеняет смесь.
Горячее горящее топливо имеет огромное давление и толкает поршень.
из цилиндра. это рабочий ход — это то, что обеспечивает мощность двигателя и навесного оборудования.
Наконец, сгоревший газ выдавливается из цилиндра через другой
клапан в такте выпуска .
Эти четыре удара повторяются снова и снова. Самый внутренний
двигатели внутреннего сгорания имеют не менее четырех цилиндров и поршней. Там
всегда хотя бы один цилиндр проходит рабочий такт, и это
может нести другие цилиндры через нерабочие такты.
максимальный КПД такого двигателя е _max = (T _{зажигание}
— T _воздух )/T _{зажигание} где T _{зажигание}
— температура топливно-воздушной смеси после воспламенения.