КПД теплового двигателя – формула идеального в процентах

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 317.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 317.

Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Как устроен тепловой двигатель

С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.

Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.

Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:

Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T₁. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:

$$η={А\over Q1}$$

Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда

$η ={1 – Q2\over Q1}$

Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 2. Цикл Карно:.

Напомним:

• Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0);
• Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

$$ηmax=1-{T2\over T1}$$

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.

Рис. 3. КПД реальных тепловых двигателей:.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T₁ и холодильника Т₂, тем больше КПД.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Диана Руслановна

  6/10

• Каспанов Александр

  7/10

• Алекс Свояков

  8/10

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 317.

А какая ваша оценка?

Паровая турбина. КПД теплового двигателя 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение в принцип работы паровой турбины

Сегодня мы познакомимся с устройством паровой турбины и научимся вычислять коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

На прошлом занятии мы рассматривали устройство, особенности и принцип работы двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания является видом теплового двигателя, который получил основное применение на транспорте. Другим важным видом теплового двигателя является паровая турбина. Преимуществом паровой турбины над двигателем внутреннего сгорания является то, что в ней нет цилиндров, шатуна, коленчатого вала, а вся работа совершается паром непосредственно при движении вала, на котором укреплены лопатки турбины. Таким образом, в паровой турбине меньше узлов, в которых могут происходить потери полезной работы.

На прошлом уроке мы познакомились с изобретением древнего ученого Герона Александрийского (рис. 1), которое называется Эолипил (рис. 2). Принцип работы устройства, которое скорее было игрушкой, нежели полезным рабочим прибором, основывался на вращении сферического элемента, из которого выходил горячий пар, образованный разогретой водой. Это примитивное устройство уже можно считать первым прообразом паровой турбины.

Устройство и принцип работы паровой турбины

Рассмотрим устройство основных элементов турбины (рис. 3): на вал насажен диск, на котором расположено множество лопастей, изогнутых под определенным углом, напротив лопастей располагаются сопла, из которых поступает пар и заставляет вращаться турбину. Пар может разгонять вал турбины до 30 000 оборотов в минуту, при этом мощность наилучших образцов паровых турбин (рис. 4), изготовленных на сегодняшний день, может достигать 1 500 000 кВт.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Главной характеристикой любого технического устройства и тепловой машины в частности является коэффициент полезного действия, который сокращенно в виде аббревиатуры называют КПД.

Определение. Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии.

Обозначение. КПД:  «эта».

Единицы измерения. КПД: чаще всего в %, но иногда измеряют и просто числом, в виде так называемой доли, например, 50% = 0,5. КПД является безразмерной величиной.

Коэффициент полезного действия является наиболее важной для любых технических устройств величиной, т. к. позволяет оценивать эффективность работы механизма, а следовательно, целесообразность и даже область его использования.

Устройство тепловой машины

Рассмотрим принципиальное устройство любого теплового двигателя (машины): он состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Под термином «холодильник» подразумевается окружающая среда, которая забирает остатки тепла у тепловой машины, а не сам бытовой прибор под одноименным названием. Нагреватель – это элемент, передающий тепло, например, сгораемое топливо. В результате сгорания топлива образуется рабочее тело, в любом тепловом двигателе в качестве рабочего тела выступает газ, например, пар, как в случае с паровой турбиной. Именно в нагретом состоянии газ и совершает работу, а остаток тепла передается холодильнику.

КПД тепловой машины

Ознакомимся со схемой и физическим принципом работы тепловой машины (рис. 5). От нагревателя тепло () передается рабочему телу (Р. Т.), т. е. газу, который образовался в результате сгорания топлива, рабочее тело совершает работу (), остатки неизрасходованного на полезную работу тепла () передаются холодильнику.

Рис. 5. Схема тепловой машины

Формула для вычисления КПД тепловой машины:

Где .

Обозначения:

 полезная работа, которую совершает рабочее тело, Дж;

 количество теплоты, которое передал рабочему телу нагреватель, Дж;

 количество теплоты, которое рабочее тело передало холодильнику, Дж.

Замечание. Коэффициент полезного действия не может быть равен и не может превышать 100 процентов. Этот факт легко увидеть из второй формулы для КПД, в которой числитель меньше знаменателя. Таким образом, КПД всегда меньше 100% или меньше 1, если его выражать в долях.

История развития и современные проблемы производства тепловых двигателей

Первые тепловые двигатели имели очень низкий КПД, например, первый паровоз (рис. 6), который был создан в начале XIX века, имел коэффициент полезного действия около 3%, а последние паровозы (рис. 7), которые ходили по железным дорогам в прошлом веке, имели КПД повыше – около 7–9%.

Тем не менее, даже при таких низких значениях КПД данные транспортные средства очень активно эксплуатировались, т. к. более совершенных агрегатов на то время попросту не было. На сегодняшний день КПД тепловых двигателей, конечно, гораздо выше, например, дизельный двигатель (рис. 8) может иметь КПД до 40%, что является очень неплохим показателем. Паровая турбина (рис. 9) может достигать еще более оптимального значения КПД в 60%, на сегодняшний день это наилучший показатель среди всех видов тепловых двигателей.

В конце занятия следует отметить очень важную тенденцию в развитии современного двигателестроения. Как мы видели, основные принципы работы тепловых двигателей уже давно открыты и получены эффективные технологии их изготовления, но возникает проблема экологичности их использования. Поскольку все тепловые двигатели потребляют топливо, то от них неизбежно возникают вредные выбросы в окружающую среду. Так вот одной из основных задач науки и техники в этой области является минимизация нанесения вреда окружающему нас миру от продуктов деятельности подобных устройств.

Тепловые двигатели на сегодняшний день уже являются объектами прошлого, и на первый план выходят двигатели иного принципа работы, о них мы поговорим в будущем.

На следующем уроке мы займемся решением задач по теме «КПД».

Список литературы

1. Генденштейн Л. Э, Кайдалов А. Б., Кожевников В. Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В. А., Ройзена И. И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А. А., Засов А. В., Киселев Д. Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Кафедра теоретической физики (Источник)
2. Классная физика (Источник)
3. YouTube (Источник)

Домашнее задание

1. Стр. 56: вопросы № 1–3; стр. 57: вопросы № 1–4, задание № 5. Перышкин А. В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
2. Каков КПД теплового двигателя, который совершил полезную работу 70 кДж, если при полном сгорании топлива выделилась бы энергия 200 кДж?
3. При сгорании топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 200 кДж, а холодильнику передано количество теплоты 120 кДж. Каков КПД теплового двигателя?
4. Автомобиль прошел 100 км со средней скоростью 40 км/ч. При этом он израсходовал 8 л бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля, если его КПД 30%?

Общая физика II