Один из элементов принципиальной схемы любого теплового двигателя: Элементы принципиальной тепловой схемы — Энциклопедия по машиностроению XXL

Содержание

Элементы принципиальной тепловой схемы — Энциклопедия по машиностроению XXL







ЭЛЕМЕНТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ  [c.120]

ЭЛЕМЕНТЫ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ТЕПЛОВОЙ СХЕМЫ  [c.190]

Основными элементами принципиальной тепловой схемы являются схемы регенеративного подогрева конденсата (питательной воды), схемы подготовки питательной и добавочной воды и отпуска тепла со станции.  [c.190]

Последовательность расчета тепловых балансов элементов принципиальной тепловой схемы зависит от типа электростанции, особенностей ее схемы и основной задачи расчета. Часто бывает целесообразно начинать составление и решение уравнений теплового баланса с так называемых внешних узлов, т. е. с установок по отпуску тепла (сетевые подогреватели, паропреобразователи), а такл[c.156]












Элементы принципиальной тепловой схемы электростанции  [c.392]

На рис. 36-2 показана принципиальная тепловая схема Белоярской атомной электрической станции СССР. Мощность первой очереди этой атомной электрической станции, вырабатываемая турбогенератором ВК-100-90, составляет 100 Мет. Реакторы на станции работают на медленных нейтронах с графитовым замедлителем. Они являются дальнейшим развитием реакторов, установленных на первой отечественной атомной станции. Тепловыделяющие элементы у этих станций однотипны, но длина их на рассматриваемой станции составляет 6 м вместо 1,7 м на первой из них.  [c.467]

Тип и параметры принципиальной тепловой схемы, характеризующей тепловой цикл работы электростанции, непосредственно определяют ее тепловую экономичность и в значительной степени надежность работы. Поэтому разработка принципиальной тепловой схемы новой установки является весьма ответственной задачей и требует решения ряда существенных вопросов. Разработка принципиальной тепловой схемы заключается в выборе типа и мощности энергетической установки (электростанции) и отдельных ее элементов в составлении схемы, т. е. в объединении отдельных ее элементов в единую установку, обеспечивающую надежный заданный отпуск энергии и экономично работающую в расчетах, служащих для определения потоков пара и воды и показателей тепловой экономичности.  [c.182]

Нанеся выбранные элементы на принципиальную тепловую схему, мы можем приступить к ее расчету. Обычно уже в начале расчета задаются единичными мощностями турбоагрегатов, хотя можно было бы считать всю схему так, как будто на станции был установлен только один агрегат.  [c.112]

Рассмотрим некоторые варианты принципиальной тепловой схемы ртутно-водяной установки, чтобы выявить влияние отдельных элементов ее (подогрев питательной воды, перегрев водяного пара и пр.).  [c.37]

Перед расчетом в соответствии с заданием и исходными данными составляется принципиальная тепловая схема в виде чертежа. На ней условными обозначениями изображается всё основное и вспомогательное оборудование котельной, линии потоков пара и воды, записываются параметры и величины потоков (расходы) пара, воды и теплоты. Элементы оборудования располагают на схеме по определенной системе котлоагрегаты и главный паропровод помещают в верхней части схемы, ниже группируют всё остальное, причём теплообменники и трубопроводы с большими давлениями и температурами изображают выше.  [c.4]












После расчёта вычисленные значения расходов и параметры теплоносителей наносят на принципиальную тепловую схему котельной, которую рекомендуется выполнить с помощью графических редакторов на формате АЗ. При нанесении расчетных расходов необходимо обращать внимание на то, что для каждого элемента (узла) схемы суммы входящих и исходящих потоков могут отличаться не более чем на 2…3 %. Баланс по отдельным узлам необходимо показать на схеме или на отдельном листе. Заданная точность вычислений достигается соблюдением изложенного ниже алгоритма расчёта, основанного на методе последовательных приближений.  [c.9]

Различают принципиальную и полную тепловые схемы станции. Принципиальная схема должна наглядно показывать взаимную связь основных элементов электростанции, направление, параметры и расходы потоков рабочего тела в узловых точках тепловой схемы. Значения расходов обычно наносятся на принципиальную схему после проведения расчета, т. е. после решения уравнений материальных и тепловых балансов узлов, агрегатов и аппаратов, составляющих схему. На принципиальной схеме не показывается однотипное оборудование, расходы и параметры которого идентичны ранее рассмотренному, не показывается резервное оборудование, резервные магистрали, а также оборудование, не влияющее на тепловой баланс, например фильтры водоочистки, сборные баки и пр. Пример принципиальной тепловой схемы электростанции с турбинами ПТ-60-130 был приведен на рис- 3-4.  [c.80]

Принципиальная тепловая схема станции для стандартных турбин и парогенераторов СССР имеет в основе своей типовые заводские решения по паротурбинному агрегату, т. е. задано число отборов, число подогревателей, место включения деаэратора, место установки питательного насоса и другие детали схемы. При разработке принципиальных схем новых типов турбин обычно проводятся полные исследования по рациональному выбору отдельных элементов и всей схемы в целом. При этом стремление к максимальной экономии теплоты в схеме станции должно отвечать условию минимума приведенных затрат при обеспечении максимальной надежности работы оборудования станции. Обычно при составлении тепловой  [c.80]

Принципиальная тепловая схема отражает существо технологического процесса (см. рис. 3.1, 3.2, 3.85,3.88, атакже [24]). Такие схемы разрабатываются на стадии принятия основополагающих решений. На принципиальной схеме параллельно включенное однотипное оборудование, в том числе и резервное (теплообменные аппараты, насосы), изображают только 1 раз, при этом полностью отражают последовательно включенные элементы. Трубопроводы показывают одной линией независимо от числа параллельных потоков. Арматуру, входящую в состав трубопроводов или установленную на агрегатах, не показывают, за исключением важнейшей и случаев, когда без изображенной арматуры затруднено понимание реализуемых в установке процессов.  [c.228]

Основная цель расчета принципиальной тепловой схемы опреснительной установки заключается в том, чтобы установить расходы пара как на установку в целом, так и по отдельным ступеням и элементам, оценить температуры, давления и располагаемый температурный перепад в них, найти показатели тепловой экономичности.  [c.90]

Расчет тепловых балансов элементов регенеративной системы принципиальной тепловой схемы электростанции начинают обычно с регенеративных подогревателей высокого давления, затем составляют и решают уравнения материального и теплового баланса деаэратора, после этого переходят к уравнениям тепло-  [c.156]

На рис. 36-2 показана принципиальная тепловая схема одной из атомных электрических станций СССР. Мощность этой атомной электрической станции составляет 400 Мет, которая получается от четырех турбогенераторов ВК-ЮО. Реакто ры на станции работают на медленных нейтронах с графитовым замедлителем. Они являются дальнейшим развитием реакторов, установленных на первой атомной станции АН СССР. Тепловыделяющие элементы у этих станций однотипны, но на рассматриваемой они имеют длину 6 м вместо 1,7 ж на первой атомной станции.  [c.589]












В рассмотренных принципиальных схемах термотрансформаторов в установку входили двигатель, производящий механическую работу, и тепловой насос, потребляющий эту работу. Однако можно себе представить схему термотрансформатора, в которой оба эти элемента отсутствуют. Такая схема имеет место, например, при использовании в качестве термотрансформатора абсорбционной машины. В установке с абсорбционной холодильной машиной (если пренебречь небольшой величиной работы жидкостных насосов) за один цикл затрачивается в генераторе при температуре t en теплота поглощается от охлаждаемого тела в испарителе при температуре Д теплота q и выделяется при температуре заключенной в интервале между t en и в конденсаторе и абсорбере, теплота + a- Если испаритель имеет  [c.631]

В рассмотренных принципиальных схемах термотрансформаторов в установку входили двигатель, производящий механическую работу, и холодильная машина — тепловой насос, потребляющий эту работу. Однако можно себе представить схему термотрансформатора, в которой оба эти элемента отсутствуют. Такая схема имеет место, например, при использовании в качестве термотрансформатора абсорбционной машины.  [c.493]

В реальных условиях тепловая схема с регенеративным подогревом питательной воды оказывается более сложной и содержит ряд элементов, не указанных в рассмотренной выше принципиальной упрощенной схеме.  [c.125]

Как видно из вышеизложенного, при выборе реального цикла установки нельзя оставлять без внимания влияние такого выбора на конструктивные формы проточной части турбоагрегата. Разрабатывая тепловую схему цикла, приходится все время рассчитывать и элементы проточных частей агрегатов, в которых осуществляются соответствующие стадии расширения и сжатия. Только сведя к возможному минимуму количество таких стадий и установив принципиальную последовательность отсеков проточной части, можно считать выбранный цикл приемлемым.  [c.10]

Пусконаладочные и исследовательские работы на оборудовании были начаты с момента опробования турбины сторонним паром от работающих блоков ГРЭС. Основное внимание на первом этапе уделялось наладке вибрационного состояния основных элементов ЦВД, ЦСД и ЦНД. В этот же период проводились принципиальные проектные решения в тепловой схеме турбоустановки, работоспособность в готовность к работе основного и вспомогательного оборудования.  [c.29]

Гидравлические и пневматические схемы в зависимости от их основного назначения бывают трех типов структурные, принципиальные, соединений, тепловые схемы обычно выполняют полными (развернутыми) и упрощенными (принципиальными). На стадии эскизного проектирования делают упрощенные схемы, которые отражают принцип работы изделия (установки), но не дают представления о полном составе элементов изделия. Так, на упрощенной тепловой схеме показывают  [c.76]

Данная тепловая схема, отличающаяся параллельным включением (по дымовым газам) камеры (зоны) ПТО, элементов подогрева топлива и его окислителя, является экстремальной, так как принципиально обеспечивает теоретически минималь-  [c.51]

Чтобы обеспечить стабильность работы РЭА, применяют радиоэлементы, устойчиво работающие в широком диапазоне изменения температуры, снижают их коэффициенты нагрузки, используют различные схемные решения (например, температурную компенсацию). Широкое распространение получили методы регулирования теплообмена внутри аппарата и аппарата с окружающей средой. Эти методы обычно используются на стадии разработки конструкции РЭА по заданной принципиальной электрической схеме и сводятся к поддержанию допустимого теплового режима элементов и аппарата при-из-менении их электрического режима и внешних условий. Регулирование теплообмена достигается путем рациональной компоновки элементов в аппарате, аппарата в целом, использования теплоотводящих устройств для отдельных элементов или группы элементов, специальных систем охлаждения. Рассмотрением затронутых вопросов, а также вопросов измерения теплового режима и тепловых испытаний аппаратуры занимается раздел теории и практики конструирования РЭА, называемый Защита РЭА от тепловых воздействий . Основой раздела является теория теплообмена [8, 11]. Значительный вклад в разработку последней внесен отечественной школой, возглавляемой Г. Н. Дульневым [7—9].  [c.805]

В идеале этим требованиям эксплуатации удовлетворяли бы конструкции элементов блока, которые остывали бы так, что после типовой продолжительности простоев (8—10 и 30—40 ч) они имели бы температурное состояние, близкое к равновесному под нагрузкой. Однако в настоящее время турбины далеки от этого идеала. В еще худшем тепловом состоянии после простоев оказываются паропроводы и котельное оборудование, поэтому в задачу принципиальной организации процесса пуска блока входит прежде всего изыскание эффективных способов исправления его маневренных недостатков. Чем совершеннее маневренные качества всех элементов блока, тем проще его пусковая схема.  [c.50]

Принципиальная схема двухконтурной атомной паросиловой установки представлена на рис. 12-31. Тепловая энергия генерируется в тепловыделяющих элементах атомного реактора / и передается промежуточному теплоносителю, который поступает затем в парогенератор 2 и отдает ее рабочему телу энергетического контура установки, т. е. водяному пару. iB качестве промежуточного теплоносителя применяются вода иод высоким давлением, высокотемпературные органические теплоносители, жидкие металлы и газы циркуляция его в контуре реактора осуществляется с помощью насоса 3. Энергетический контур состоит из тех же элементов, что и  [c.234]












Гидравлические и пневматические схемы в зависимости от их основного назначения выполняют трех типов структурные, принципиальные, соединений тепловые — полные (развернутые) и упрощенные (принципиальные). Позиционные обозначения, присвоенные элементам или устройствам на одном из типов схем, должны быть одинаковы и на всех остальных схемах.  [c.83]

В принципиальной схеме должен быть выделен основной контур теплосилового цикла, опущены все второстепенные детали и элементы и показаны основные связи составляющих цикл аппаратов и агрегатов, их параметры и взаимодействие, значения и направления потоков рабочего тела в них. Все это облегчает составление тепловых балансов и расчет тепловой производительности отдельных аппаратов и агрегатов цикла.  [c.37]

На рис. 191 приведена принципиальная электросхема консольного фрезерного станка. Элементы схемы согласно стандартам обозначены латинскими буквами.» Цифры обозначают порядковый номер элемента на схеме. Электросхема обеспечивает работу трех асинхронных электродвигателей М1—электронасоса М2—щпинделя инструмента и МЗ — подачи. Направление вращения шпинделя задается реверсивным переключателем QF4. Подготовка для включения в работу электронасоса, осуществляется выключателем QFЗ. Перед пуском станка в работу необходимо проверить положение толкателей тепловых реле РЯЗ, РЯ4 и РЯ5 (толкатели должны быть утоплены), а также автоматического выключателя QF1. Кроме этого, необходимо проверить целостность плавких предохранителей РУ 1 и РУ2.  [c.193]

На фиг. 85 показана принципиальная схема и 7 5-диаграмм идеального цикла теплового насоса, осуществляемого при помощи паровой компрессионной и расширительной установок. Схема включает четыре основных элемента паровой компрессор /, конденсатор или нагреватель II, расширитель III, испаритель или охладитель IV.  [c.218]

Изучаются элементы принцигмальной тепловой схемы электростанции, вопросы водоподготовки, отпуска тепловой энергии. Излагается методика составления и расчета принципиальной тепловой схемы конденсационной электростанции и теплоэлектроцентрали.  [c.2]

На чертеже, изображающем ПТС, показывают теплоэнергетическое оборудование вместе с линиями (трубопроводами) пара, воды, конденсата и других теплоносителей, связывающими это оборудование в единую установку. Принципиальная тепловая схема изображается обычно как одноагрегатная и однолинейная схема, одинаковое оборудование изображается в схеме условно 1 раз линии технологической связи одинаконого назначения также показывают в виде одной линии, т. е. каждый элемент данного рода показывают в ПТС 1 раз.  [c.140]

Принципиальная тепловая схема атомной электростанции содержит ряд элементов общего характера для любой тепловой электростанции, какой является и АЭС. Вместе с тем в схеме отражены и элементы, свойственные технологическому процессу и работе турбоустановок на насыщенном- или слабоперегретом паре. Облик тепловой схемы АЭС в значительной мере определяется типом ядерного реактора.  [c.141]

Принципиальная тепловая схема опреснительной установки содержит большое количество теплоисполь-зуюш,их элементов, осуществляющих энергообеспечение, водоподготовку и опреснение воды. По способу подачи теплоты тепловые схемы могут быть с теплоснабжением от индивидуальной котельной из отборов турбин тепловой или атомной электростанции с использованием бро» совой теплоты промышленных предприятий.  [c.88]

Для отдельных агрегатов и тепло бменни-ков на принципиальной тепловой схеме фиг. 6-3 применены широко распространенные условные обозначения. В расположении отдельных элементов проведена определенная система, повволяющая легче ориентироваться в схеме. Независимо от их действительного места на станции отдельные элементы установки располагают на схеме тем выше, чем выше давление, под которым о и находятся, а при одинаковом давлении —чем выше температура. Паропроводы различного давления располагаются горизонтально е порядке понижения давления.  [c.371]

В главах V—IX мы рассматривали только тепловые процессы и расчеты элементов, — еп-ловой схемы и их взаимозависимость. Расчетная тепловая схема, подобная приведенной на фиг. 79, в гл. IX, называется обычно принципиальной и служит только для выбора элементов оборудования, определения параметров в отдельных точках и суммарных расходов пара, тепла и топлива за определенный период времени (час, год). После расчета такой схемы и выбора основных элементов оборудования для станции должна быть рааработана развернутая тепловая схема. По сравнению с принципиальной схемой в нее доЯолнительно включаются все рассмотренные выше элементы оборудования, аппаратуры, трубопроводов, баков и т. д.  [c.140]

Для удобства тепловых расчетов принято пользоваться так называемыми тепловыми схемами, представляющими собой условную и гра-. фичесюи ивображаемую связь между отдельными элементами тепловой электростанции. Тепловые схемы (подразделяются на принципиальные и полные схемы. В первом случае на схеме условно изображается  [c.341]

На первый взгляд двигатели Стирлинга могут показаться не заслуживающими особого внимания, поскольку они в большой степени напоминают другие тепловые двигатели возвратнопоступательного действия, хотя модификации Била и в особенности двигатели Флюидайн сильно отличаются от привычных конструкций. Едва ли поверхностный взгляд на двигатели имеет существенные преимущества перед разбором принципиальных схем. Поэтому для данного раздела были отобраны такие примеры двигателей Стирлинга из числа реально существующих образцов, в которых можно было бы наглядно выделить важнейшие элементы конструкции и там, где это возможно, показать общность элементов, имеющих различные конструктивные воплощения. Эти примеры даются как в виде фотографий, так и в форме принципиальных конструктивных схем. Практическая реализация основных принципов, изложенных в предыдущих разделах, осуществляется различными путями и видоизменяется в зависимости от методов реализации заданно-  [c.50]

Оперирование структурными параметрами компонентов неудобно при проектировании принципиальных электрических схем. Действительно, при анализе схем в значительной мере используется аппарат теории электрических цепей на основе замены принципиальных схем эквивалентными. Элементами эквивалентных схем являются сопротивления, емкости, индуктивности, токи и напряжения источников. Эти величины называются электрическими параметрами. Часто перечисленные величины не являются постоянными, но могут быть представлены в виде несложных с вычислительной точки зрения функций некоторых других величин. Тогда электрическими параметрами являются аргументы этих функций. К особенностям электрических параметров обычно относят возможность определения этих параметров по результатам измерения токов и напряжений на внешних выводах компонента. Примерами электрических параметров биполярных транзисторов при анализе малосигнальных схем могут служить широкоизвестные Н- и у-параметры, при анализе нелинейных схем — объемное сопротивление тела базы, барьерные емкости, тепловые токи и температурные потенциалы переходов, коэффициент усиления тока и др.  [c.18]

На основании изложенного следует принять вариант прямого охлаждения масла для КС, расположенных в северных районах предусмотреть для летнего режима работы устройство отводных коробов — для сброса теплового воздуха после ABO выше воздухозаборных клапанов КВОУ провести работы по созданию установки охлаждения масла в ABO с промежуточным контуром (теплоноситель — антифриз) по опыту эксплуатации агрегатов типа ГТК-10 на газопроводе Ухта—Торжок закрыть утопленными ограждающими конструкциями и подать в укрытие тепло для действующих цехов в ГПА типа ГТ-6-750 установки ABO воды проработать решения прямого охлаждения масла агрегата типа ГТК-10-4 разработать и согласовать с заводом принципиальную схему прямого охлаждения ГТ-6-750 обогревать маслопроводы греющими электрическими кабелями или коаксиальными греющими элементами.  [c.130]












Раньше при рассмотрении картийы взаимосвязей мы относили их к еще не реализованной конструктивно принципиальной схеме устройства, теперь ее место должен занимать тот или иной вариант эскизной компоновки. В таком рассмотрении анализируемые связи приобретают существенно иное содержание. Если, например, прежде мы могли рассматривать тепловое воздействие среды на устройство лишь с общих позиций (так как знали лишь принципиальную схему будущего устройства), то теперь появляются возможности более полного и глубокого рассмотрения тех же воздействий. В частности, может оказаться необходимым произвести учет тепловыделения элементов, находящихся внутри устройства и уже предусмотренных компоновкой.  [c.67]

Основные элементы мазутного хозяйства — приемно-сливное устройство, мазутохранилище, мазутная насосная, установки для ввода жидких присадок, трубопроводы и арматура. На рис. 16.2 показана принципиальная схема мазутного хозяйства тепловой электростанции.1Для разогрева и слива мазута из цистерн могут применяться как сливные эстакады с разогревом мазута открытым паром или горячим мазутом, так и закрытые сливные устройства — тепляки. Тип сливного устройства выбирается на основании техникоэкономического расчета.  [c.245]

Вызываемое ИПТ те.чпературное возмущение объекта можно значительно уменьшить, помещая вблизи чувствительного элемента (например, спаи термопары) миниатюрный электрический нагреватель и с его помощью компенсируя тепловой поток по ИПТ от контролируемого участка поверхности тела. Принципиальные схемы термопар с нагревателями показаны на рис. 11.7. В варианте I момент компенсации и требуемую мощность электрического нагревателя устанавливают при быстром перемещении термопары вдоль поверхности. Если при смещении спая показания термопары не изменяются, то мощность нагревателя подобрана правильно. В вариантах И и III мощность нагревателя изменяют до тех пор, пока сигнал от дифференциальной термопары (выводы 2 и 3 в схеме И или выводы / и 4 при закороченных  [c.396]


Что может служить примером теплового двигателя

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

  1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
  2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
  3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
  4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
  5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
  6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Источник

Тепловые машины

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть 0′ alt=’A>0′/> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2 ).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3 ).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4 ).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Источник

100 ballov.kz образовательный портал для подготовки к ЕНТ и КТА

В 2021 году казахстанские школьники будут сдавать по-новому Единое национальное тестирование. Помимо того, что главный школьный экзамен будет проходить электронно, выпускникам предоставят возможность испытать свою удачу дважды. Корреспондент zakon.kz побеседовал с вице-министром образования и науки Мирасом Дауленовым и узнал, к чему готовиться будущим абитуриентам.

— О переводе ЕНТ на электронный формат говорилось не раз. И вот, с 2021 года тестирование начнут проводить по-новому. Мирас Мухтарович, расскажите, как это будет?

— По содержанию все остается по-прежнему, но меняется формат. Если раньше школьник садился за парту и ему выдавали бумажный вариант книжки и лист ответа, то теперь тест будут сдавать за компьютером в электронном формате. У каждого выпускника будет свое место, огороженное оргстеклом.

Зарегистрироваться можно будет электронно на сайте Национального центра тестирования. Но, удобство в том, что школьник сам сможет выбрать дату, время и место сдачи тестирования.

Кроме того, в этом году ЕНТ для претендующих на грант будет длиться три месяца, и в течение 100 дней сдать его можно будет два раза.

— Расскажите поподробнее?

— В марте пройдет тестирование для желающих поступить на платной основе, а для претендующих на грант мы ввели новые правила. Школьник, чтобы поступить на грант, по желанию может сдать ЕНТ два раза в апреле, мае или в июне, а наилучший результат отправить на конкурс. Но есть ограничение — два раза в один день сдавать тест нельзя. К примеру, если ты сдал ЕНТ в апреле, то потом повторно можно пересдать его через несколько дней или в мае, июне. Мы рекомендуем все-таки брать небольшой перерыв, чтобы еще лучше подготовиться. Но в любом случае это выбор школьника.

— Система оценивания останется прежней?

— Количество предметов остается прежним — три обязательных предмета и два на выбор. Если в бумажном формате закрашенный вариант ответа уже нельзя было исправить, то в электронном формате школьник сможет вернуться к вопросу и поменять ответ, но до того, как завершил тест.

Самое главное — результаты теста можно будет получить сразу же после нажатия кнопки «завершить тестирование». Раньше уходило очень много времени на проверку ответов, дети и родители переживали, ждали вечера, чтобы узнать результат. Сейчас мы все автоматизировали и набранное количество баллов будет выведено на экран сразу же после завершения тестирования.
Максимальное количество баллов остается прежним — 140.

— А апелляция?

— Если сдающий не будет согласен с какими-то вопросами, посчитает их некорректными, то он сразу же на месте сможет подать заявку на апелляцию. Не нужно будет ждать следующего дня, идти в центр тестирования, вуз или школу, все это будет электронно.

— С учетом того, что школьникам не придется вручную закрашивать листы ответов, будет ли изменено время сдачи тестирования?

— Мы решили оставить прежнее время — 240 минут. Но теперь, как вы отметили, школьникам не нужно будет тратить час на то, чтобы правильно закрасить лист ответов, они спокойно смогут использовать это время на решение задач.

— Не секрет, что в некоторых селах и отдаленных населенных пунктах не хватает компьютеров. Как сельские школьники будут сдавать ЕНТ по новому формату?

— Задача в том, чтобы правильно выбрать время и дату тестирования. Центры тестирования есть во всех регионах, в Нур-Султане, Алматы и Шымкенте их несколько. Школьники, проживающие в отдаленных населенных пунктах, как и раньше смогут приехать в город, где есть эти центры, и сдать тестирование.

— На сколько процентов будет обновлена база вопросов?

— База вопросов ежегодно обновляется как минимум на 30%. В этом году мы добавили контекстные задания, то что школьники всегда просили. Мы уделили большое внимание истории Казахстана и всемирной истории — исключили практически все даты. Для нас главное не зазубривание дат, а понимание значения исторических событий. Но по каждому предмету будут контекстные вопросы.

— По вашему мнению система справится с возможными хакерскими атаками, взломами?

— Информационная безопасность — это первостепенный и приоритетный вопрос. Центральный аппарат всей системы находится в Нур-Султане. Связь с региональными центрами сдачи ЕНТ проводится по закрытому VPN-каналу. Коды правильных ответов только в Национальном центре тестирования.

Кроме того, дополнительно через ГТС КНБ (Государственная техническая служба) все тесты проходят проверку на предмет возможного вмешательства. Здесь все не просто, это специальные защищенные каналы связи.

— А что с санитарными требованиями? Нужно ли будет школьникам сдавать ПЦР-тест перед ЕНТ?

— ПЦР-тест сдавать не нужно будет. Требование по маскам будет. При необходимости Центр национального тестирования будет выдавать маски школьникам во время сдачи ЕНТ. И, конечно же, будем измерять температуру. Социальная дистанция будет соблюдаться в каждой аудитории.

— Сколько человек будет сидеть в одной аудитории?

— Участники ЕНТ не за семь дней будут сдавать тестирование, как это было раньше, а в течение трех месяцев. Поэтому по заполняемости аудитории вопросов не будет.

— Будут ли ужесточены требования по дисциплине, запрещенным предметам?

— Мы уделяем большое внимание академической честности. На входе в центры тестирования, как и в предыдущие годы, будут стоять металлоискатели. Перечень запрещенных предметов остается прежним — телефоны, шпаргалки и прочее. Но, помимо фронтальной камеры, которая будет транслировать происходящее в аудитории, над каждым столом будет установлена еще одна камера. Она же будет использоваться в качестве идентификации школьника — как Face ID. Сел, зарегистрировался и приступил к заданиям. Мы применеям систему прокторинга.

Понятно, что каждое движение абитуриента нам будет видно. Если во время сдачи ЕНТ обнаружим, что сдающий использовал телефон или шпаргалку, то тестирование автоматически будет прекращено, система отключится.

— А наблюдатели будут присутствовать во время сдачи тестирования?

— Когда в бумажном формате проводили ЕНТ, мы привлекали очень много дежурных. В одной аудитории было по 3-4 человека. При электронной сдаче такого не будет, максимум один наблюдатель, потому что все будет видно по камерам.

— По вашим наблюдениям школьники стали меньше использовать запрещенные предметы, к примеру, пользоваться телефонами?

— Практика показывает, что школьники стали ответственнее относиться к ЕНТ. Если в 2019 году на 120 тыс. школьников мы изъяли 120 тыс. запрещенных предметов, по сути у каждого сдающего был телефон. То в прошлом году мы на 120 тыс. школьников обнаружили всего 2,5 тыс. телефонов, и у всех были аннулированы результаты.

Напомню, что в 2020 году мы также начали использовать систему искусственного интеллекта. Это анализ видеозаписей, который проводится после тестирования. Так, в прошлом году 100 абитуриентов лишились грантов за то, что во время сдачи ЕНТ использовали запрещенные предметы.

— Сколько средств выделено на проведение ЕНТ в этом году?

Если раньше на ЕНТ требовалось 1,5 млрд тенге из-за распечатки книжек и листов ответов, то сейчас расходы значительно сокращены за счет перехода на электронный формат. Они будут, но несущественные.

— Все-таки почему именно в 2021 году было принято решение проводить ЕНТ в электронном формате. Это как-то связано с пандемией?

— Это не связано с пандемией. Просто нужно переходить на качественно новый уровень. Мы апробировали данный формат на педагогах школ, вы знаете, что они сдают квалификационный тест, на магистрантах, так почему бы не использовать этот же формат при сдаче ЕНТ. Тем более, что это удобно, и для школьников теперь будет много плюсов.

Принцип работы кпд теплового двигателя: описание, характеристики


Автор Почемучка На чтение 22 мин. Просмотров 30 Опубликовано

Согласно второму началу термодинамики, тепловой двига­тель может непрерывно совершать периодически повторяющу­юся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики, тепловой двига­тель может непрерывно совершать периодически повторяющу­юся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

Для наглядности мы можем изобразить графически работу теплового двигателя.

Урок 57. Физика 10 класс

Конспект урока «Принцип действия тепловых двигателей. КПД»

В восьмом классе мы уже затрагивали тему тепловых двигателей. Напомним, что тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.

Для примера рассмотрим газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Очевидно, что для того, чтобы привести поршень в движение, необходима разность давления по обе стороны поршня. В тепловых двигателях эта разность достигается путем повышения температуры газа. Нагретый газ обладает достаточно большой внутренней энергией и, расширяясь, совершает работу.

Однако, по мере расширения газ охлаждается, теряя свою внутреннюю энергию. Конечно, для нормальной работы двигателя необходима цикличность. То есть, после совершения работы, газ необходимо перевести в первоначальное состояние.

Итак, принципиальная схема работы теплового двигателя такова: от нагревателя рабочему телу (то есть газу) передается некоторое количество теплоты.

Под этим подразумевается сжигание топлива, в результате которого температура газа повышается на сотни градусов. Внутренняя энергия газа увеличивается и, за счет неё он совершает работу до тех пор, пока не охладится до температуры холодильника (роль холодильника, как правило, выполняет окружающая среда). Очевидно, что газ не может потерять всю свою внутреннюю энергию (если только не охладится до абсолютного нуля). Поэтому, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Важными характеристиками теплового двигателя являются следующие величины: количество теплоты, полученное от нагревателя, температура нагревателя (то есть температура образовавшегося газа), температура холодильника, количество теплоты, переданное холодильнику и полезная работа. Полезная работа определяется как разность между количеством теплоты, полученным от нагревателя и количеством теплоты, отданном холодильнику:

Конечно же, любой двигатель характеризуется такой величиной как коэффициент полезного действия. Для теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Если мы подставим в это уравнение выражение для полезной работы, то убедимся, что КПД теплового двигателя не может быть больше единицы (то есть не может превышать 100%):

Для наглядности мы можем изобразить графически работу теплового двигателя.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя. Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух адиабат:

Таким образом, цикл Карно описывает максимальную возможную работу газа с минимальными потерями энергии. Итак, максимальный возможный КПД данной тепловой машины определяется отношением разности температуры нагревателя и температуры холодильника к температуре нагревателя:

Необходимо отметить, что в данном уравнении следует использовать абсолютную температурную шкалу. Как видно из формулы, и этот КПД не может быть больше единицы, если только температура холодильника не равна абсолютному нулю. Исходя из всего выше перечисленного, мы можем заключить следующее: КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД идеального теплового двигателя.

Примеры решения задач.

Задача 1. Температура холодильника равна 20 ℃. Какова должна быть температура нагревателя, чтобы стало возможным достичь значения КПД теплового двигателя, равное 85%?

Задача 2. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 45 МДж. Если КПД этого двигателя составляет 55%, то, сколько литров бензина было израсходовано на совершение данной работы? Плотность бензина равна 710 кг/м 𝟑 .

Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Разделы: Физика

Класс: 10

Тип урока: Урок изучения нового материала.

Цель урока: Разъяснить принцип действия теплового двигателя.

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.

– 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

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Вспомните, что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.

Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Принцип действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

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

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где Ап — полезная работа, Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику, Q1 — Q2 — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Домашняя работа

Задание 1. Ответить на вопросы.

  1. Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?
  2. В чём отличие в устройстве турбин и поршневых машин?
  3. Из каких частей состоит паровая турбина и как она работает?
  4. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
  5. Что называют КПД теплового двигателя?
  6. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?

ИНТЕРЕСНО

1. Мощные механизмы приводят в движение не паровыми поршневыми машинами, а паровыми турбинами. Ведь поршневые машины при той же мощности имеют большие размеры и вес и меньший кпд. В ряде случаев это технически неудобно и экономически невыгодно.

2. Чтобы поднять КПД парового двигателя стенки парового котла лучше делать из железа или меди.
Эти металлы улучшат теплопроводность котла и этим поднимут его КПД. Кстати, слой накипи ухудшает теплопроводность котла и приводит к появлению на нем трещин и, в конце концов, к порче котла, поэтому-то так необходимо очищать котел от накипи.

К занятию прикреплен файл «Изобретение и распространение паровых турбин.». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Образовательный сайт для студентов и школьников

Принцип действия и КПД тепловых двигателей

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно второму началу термодинамики тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счёт охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдаёт теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идёт не всё количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть её.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счёт внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе — за счёт внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключён контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Рис. 79

(2.26)

Суть формулы (2.26) выражена в доказанной С. Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.

Эта лекция взята со страницы лекций по всем темам предмета физика:

Возможно эти страницы вам будут полезны:

Изучу , оценю , оплатите , через 2-3 дня всё будет на «4» или «5» !

Откройте сайт на смартфоне, нажмите на кнопку «написать в чат» и чат в whatsapp запустится автоматически.

[email protected]

Образовательный сайт для студентов и школьников

Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.9219603113.com» в качестве источника.

© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института

На участках 2 и 4 процесс происходит быстро, поэтому его можно считать адиабатическим. Подвод тепла происходит на участке 3 (выделение внутренней энергии топлива).

2. КПД тепловой машины.

.

Для того чтобы эта работа была положительной, и нужен холодильник. При наличии холодильника газ перед сжатием или в процессе сжатия охлаждается, и потому процесс совершения им работы при сжатии протекает в среднем при меньшем давлении, чем при расширении. Из-за этого и, следовательно, .

В процессе действия теплового двигателя его рабочее тело периодически получает от нагревателя количество теплоты , совершает работу A и передает холодильнику количество теплоты . Отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

.

.

Т.к. , то у любого теплового двигателя .

5 Блок – схема теплового двигателя Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника

1 Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей. Блохина Светлана Николаевна

2 Машины, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую, называются тепловыми двигателями.

3 Виды тепловых двигателей

4 Паровые двигатели 1698 г. – англичанин Т. Севери 1763 г. – русский И. И. Ползунов 1774 г. англичанин Дж. Уатт 1707 г. – француз Д. Папен Двигатель внутреннего сгорания 1860 г.- француз Ленуар 1876 г. – немец Н. Отто Паровая турбина 1889 г. – швед К. Лаваль

5 Блок – схема теплового двигателя Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника

6 КПД теплового двигателя η = A ; Q η = Q н – Q х = 1 — Q х ; Q н Q н Для идеального двигателя (цикл Карно) η = Т н — Т х = 1 — Т х Т н Т н

7 η не зависит от Q, p, V, m топлива. η является функцией только двух температур

8 Использование тепловых двигателей Паровые турбины на ТЭС, АЭС; Все виды транспорта; Речные и морские суда; В сельском хозяйстве; В строительной и оборонной промышленности.

9 Охрана природы Сооружения, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ; Увеличение эффективности использования энергии; Замена ДВС электродвигателями.

· Применение тепловых двигателей

Конспект урока физики

для 10 класса учителя МОУ СОШ №14 Лужновой Г.В.

Тема урока: Тепловые двигатели.

1. ввести понятие о тепловом двигателе и его устройстве;

2. показать взаимосвязь развития физики и техники на примере принципов действия тепловых двигателей;

3. раскрыть роль тепловых двигателей в современной цивилизации.

Приемы и методы

Актуализация знаний. Постановка проблемы.

Изучение нового материала.

История и теория тепловых двигателей, характеристики, применение и проблемы.

Лекция с демонстрацией компьютерной презентации.

Записи в тетрадях.

Совершенствование знаний и умений.

Запись в дневниках.

I Вопросы для организации фронтального повторения:

1. Допускает ли первый закон термодинамики теплообмен от менее нагретого тела к более нагретому?

Ответ: Первый закон не запрещает этого процесса, он требует лишь сохранения энергии.

2. Наблюдаются ли такие процессы в природе и технике?

Ответ: В природе – нет, в технике – да.

3. Какие параметры газа меняются при сжатии?

Ответ: Давление возрастает, объем уменьшается, температура увеличивается.

4. О чем говорит второй закон термодинамики? Можно ли его сформулировать так: без совершения работы тепло переходит лишь от более нагретого тела к менее нагретому, а не наоборот?

Мощный расцвет промышленности и транспорта в 19 веке был связан с изобретением и совершенствованием тепловых двигателей. Наша цивилизация – машинная цивилизация, причем большая часть машин – это тепловые машины разных видов. Принцип их работы основан на законах термодинамики. Без тепловых двигателей жизнь общества резко затормозилась бы. Не ездили бы машины, не летали бы самолеты, электроэнергия была бы в дефиците… вот почему так важно изучить работу тепловых двигателей.

На уроке мы рассмотрим следующие вопросы:

· Определение понятия «тепловой двигатель»

· Устройство тепловых двигателей

· Принцип действия тепловых двигателей

· Применение тепловых двигателей

Идея создания теплового двигателя состоит в превращении части внутренней энергии тела (топлива) в механическую энергию других тел. Таким образом возникает возможность совершения механической работы.

Тепловой двигатель — устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую.

1. В каком случае термодинамическая система совершает работу?

Ответ: При расширении.

2. В каких процессах работа совершается наиболее эффективно?

Ответ: В изотермическом и адиабатном.

Идея преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу состоит в следующем: внутренняя энергия топлива при его сгорании преобразуется во внутреннюю энергию высокотемпературного газа и при расширении газа частично превращается в работу.

· ДВС – двигатель внутреннего сгорания ( слайд 5)

· Турбореактивный ( слайд 6)

· Ракетный ( слайд 7).

Разные двигатели устроены по-разному, но у всех есть общие элементы:

1. Объект, который совершает работу – это газ, его называют рабочим телом.

2. Элемент по преобразованию внутренней энергии топлива во внутреннюю энергию газа – нагреватель.

3. Не вся энергия превращается в работу, часть ее отдается холодильнику.

Как обеспечивается постоянная работа теплового двигателя? С теоретической точки зрения процесс должен быть круговым, т.е. система должна возвращаться в первоначальное состояние. Рассмотрим машины, которые выполняют работу в результате реализации круговых процессов – циклов.

Цикл работы ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход и выхлоп, поэтому такой двигатель называют четырехтактным.

Проблему преобразования теплоты в полезную работу впервые исследовал Сади Карно в 1824 г. В своей работе он дал ответ на вопросы, актуальные и сейчас. Существует ли предел улучшения работы теплового двигателя?

Важнейшей характеристикой теплового двигателя является КПД – коэффициент полезного действия – отношение энергии, которая пошла на работу, ко всей энергии, полученной от сгорания топлива: h =

Максимально возможный кпд теплового двигателя

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 — 800 К и Т2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

КПД теплового двигателя. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

где — теплота, полученная от нагревателя, — теплота, отданная холодильнику.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы совершаемой двигателем, к количеству теплоты полученному от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то во всех случаях

Максимальное значение КПД тепловых двигателей. Французский инженер и ученый Сади Карно (1796 1832) в труде «Размышление о движущей силе огня» (1824) поставил цель: выяснить, при каких условиях работа теплового двигателя будет наиболее эффективной, т. е. при каких условиях двигатель будет иметь максимальный КПД.

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он вычислил КПД этой машины, работающей с нагревателем температуры и холодильником температуры

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, опираясь на второй закон термодинамики, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры и холодильником температуры не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Формула (4.18) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю,

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: При этих температурах максимальное значение КПД равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь равно:

Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели и охрана природы. Повсеместное применение тепловых двигателей с целью получения удобной для использования энергии в наибольшей степени, по сравнению со

всеми другими видами производственных процессов, связано с воздействием на окружающую среду.

Согласно второму закону термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на Земле. Сейчас потребляемая мощность составляет около 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет то средняя температура повысится заметным образом (примерно на один градус). Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня мирового океана.

Но этим далеко не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Топки тепловых электростанций, двигатели внутреннего сгорания автомобилей и т. д. непрерывно выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения (при сгорании каменного угля), оксиды азота, углеводороды, оксид углерода (СО) и др. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. На атомных электростанциях встает проблема захоронения опасных радиоактивных отходов.

Кроме того, применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара С увеличением мощностей электростанций резко возрастает потребность в воде. В 1980 г. в нашей стране для этих целей требовалось около воды, т. е. около 35% водоснабжения всех отраслей хозяйства.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом. Наряду с важнейшей задачей повышения КПД тепловых двигателей требуется проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Обсуждается возможность создания электромобилей, способных конкурировать с обычными, и возможность применения горючего без вредных веществ в отработанных газах, например в двигателях, работающих на смеси водорода с кислородом.

Целесообразно для экономии площади и водных ресурсов сооружать целые комплексы электростанций, в первую очередь атомных, с замкнутым циклом водоснабжения.

Другое направление прилагаемых усилий — это увеличение эффективности использования энергии, борьба за ее экономию.

Решение перечисленных выше проблем жизненно важно для человечества. И эти проблемы с максимальным успехом могут

быть решены в социалистическом обществе с плановым развитием экономики в масштабах страны. Но организация охраны окружающей среды требует усилий в масштабе земного шара.

1. Какие процессы называются необратимыми? 2. Назовите наиболее типичные необратимые процессы. 3. Приведите примеры необратимых процессов, не упомянутых в тексте. 4. Сформулируйте второй закон термодинамики. 5. Если бы реки потекли вспять, означало бы это нарушение закона сохранения энергии? 6. Какое устройство называют тепловым двигателем? 7. Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела теплового двигателя? 8. Почему в тепловых двигателях нельзя использовать в качестве источника энергии внутреннюю энергию океана? 9. Что называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя?

10. Чему равно максимально возможное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя?

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:

    Нагреватель имеет температуру T1 достаточно высокую, чтобы передать большое количество теплоты Q1.

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.

Принципиальная схема и краткая характеристика теплового двигателя — Студопедия

Рисунок 1 – Принципиальная схема поршневого ДВС

 

Основным элементом любого поршневого двигателя является цилиндр 4 с поршнем 5, соединённым посредством кривошипно-шатунного механизма с внешним потребителем работы. Цилиндр (или блок цилиндров) монтируется на верхней части картера 1, а сверху закрыт крышкой, в которой установлены впускной 2 и выпускной 3 клапаны и электрическая свеча зажигания (в карбюраторном и газовом двигателях) или форсунка (в дизеле). В зарубашечном пространстве цилиндра и его головки циркулирует охлаждающая жидкость.

В картере монтируется коленчатый вал, кривошип 7 которого подвижно соединён с шатуном 6. Верхняя головка шатуна сочленена с поршнем, который совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение в цилиндре.

2 Изображение цикла в координатах p-V и T-s и определение удельного объема, давления и температуры в характерных точках цикла

 

Обобщенный цикл газовых двигателей в системах координат p-V и T-s показан на рисунке 2.

 

Рисунок 2 – Обобщенный цикл газовых двигателей

 

Этот цикл состоит из следующих термодинамических процессов:

1-2 – адиабатный процесс сжатия РТ (в цилиндре ДВС или в компрессоре ГТД), ;

2-2′ – изохорный подвод теплоты, V=const;

2′-3 – изобарный подвод теплоты, p=const;

3-4 – процесс адиабатного расширения РТ (в цилиндре ДВС или в каналах проточной части турбины), ;

4-4′ – изохорный отвод теплоты (в ДВС), V=const;

4′-1 – изобарный отвод теплоты (в турбинах и реактивных двигателях), p=const.

 

Т.к. по условию в расчетно-графической работе, наименование цикла тепловой машины – ДВС с подводом теплоты при v=const, то процессы 2′-3 и 4′-1 будут отсутствовать. Цикл ДВС изображен на рисунке 3.

 

Рисунок 3 – Цикл ДВС с подводом теплоты при v=const

 

Этот цикл состоит из следующих термодинамических процессов:

1-2 – адиабатный процесс сжатия РТ (в цилиндре ДВС) , ;

2-3 – изохорный подвод теплоты, v=const;

3-4 – процесс адиабатного расширения РТ (в цилиндре ДВС), ;

4-1 – изохорный отвод теплоты , v=const.

 

Обозначим некоторые характеристические параметры цикла:

 — степень сжатия в процессе 1-2;

 — степень повышения давления при подводе теплоты q1;

 — степень расширения РТ в процессе 3-4;

Рассмотрим последовательно процессы цикла и используя основные соотношения между параметрами в этих процессах, выразим температуры в характерных точках цикла через минимальную температуру T1 в начале процесса сжатия 1-2:

 

;

;

.

 

Подставим значение известной температуры T1, и с учетом того, что  вычислим значения температур в характерных точках: 

 

;

;

;

.

Рассмотрим последовательно процессы цикла и, используя основные соотношения между параметрами в этих процессах, определим давления и удельные объёмы в характерных точках цикла :


так как  и , значит .

Тогда получим:

.

Уравнение состояния газа имеет вид:

 

 

Выразив из этого уравнения объем, получим:

 

Подставив данные, получим:

;

;

;

.

Выразив давление, получим:

Подставив данные, получим:

;

.

Что понимают под кпд теплового двигателя. Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей — Гипермаркет знаний. Задачи и вопросы на цикл Карно

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |Q H | — |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю.

|Q H | — |Q X |)/|Q H | = 1 — |Q X |/|Q H |

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле:

(Тн — Тх)/ Тн = — Тх — Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель –
устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания
– двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель
– двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно
– это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель
– устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник
– тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело
— тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока
:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель –
тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q 1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q 2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику
.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1
. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Класс:

10

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)

Q 1 – количество теплоты
полученное от нагревания Q 1 >Q 2

Q 2 – количество теплоты отданное
холодильнику Q 2

A / = Q 1 – |Q 2 | – работа
совершаемая двигателем за цикл?

Цикл C. Карно (Слайд 9)

T 1 – температура нагревания.

Т 2 – температура холодильника.

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.

  • 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:

    Использование альтернативного
    топлива.

    Использование альтернативных
    двигателей.

    Оздоровление окружающей среды.

    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.

Тепловой двигатель Карно: а) принципиальная принципиальная схема, б) представление …

Контекст 1

… часто используется для описания термодинамических циклов систем, в которых система может выполнять некоторую работу над его окрестности. Таким образом, система действует как тепловой двигатель, который выполняет работу в соответствии с разницей температуры между горячим и холодным резервуарами. Схематическое изображение такого теплового двигателя показано на рис. 2а), где предполагается, что и горячий, и холодный резервуары находятся в термодинамическом равновесии на протяжении всего процесса.Поток тепла из горячего резервуара (QH) при постоянной абсолютной температуре TH — это энергия, подаваемая двигателю для выполнения работы (Вт), а QC представляет собой поток энергии в холодный сток при постоянной …

Context 2

… и аналогично подходу, представленному в [5], можно использовать концепцию теплового двигателя Карно для определения термодинамической эффективности систем обработки информации. Согласно этой концепции, сетевой элемент, представляющий коммутатор или модуль обработки данных в маршрутизаторе, может рассматриваться как подсистема Карно, как показано на рис.2в). Здесь входные данные представляют работу, выполняемую в системе ее окружением, которая характеризуется энтропией входящего потока данных, которая связана со степенями свободы используемой информационной системы и соответствующим количеством энергии для конкретного ансамбля. . Точно так же выходные данные представляют …

Context 3

… входящие данные, то есть D H ≥ D I. Процессор данных использует энергию Q H для обработки входных данных и генерации результатов длиной D O.Минимальная энергия, рассеиваемая этим процессом, равна потоку энергии в холодный резервуар Q C = Q H -W O, который определяется количеством битов побочного продукта операции обработки. Таким образом, на рис. 2c) показан пример модели, основанной на тепловом двигателе Карно, представляющий простой процессор данных только с одним входом и одним выходом. Эффективность такого процессора определяется выражением η = W O / Q H. Можно вообразить, что тот же принцип может быть применен для исследования потоков информации и энергии, а также изменения энтропии в большем количестве…

Двигатель Карно


Двигатель Карно
или же
Цикл Карно
был обнаружен

Сади Карно, по крайней мере, в той или иной форме, если не совсем в том, что мы знаем сегодня.

Настоящая история выходит за рамки моих возможностей.


Николя Леонард Сади Карно (1796-1832): пионер
термодинамика.

Сади Карно в парадной форме студентки Политехнической школы.

Карно известен своим открытием
Двигатель Карно или
Цикл Карно.

У двигателя Карно больше всего
возможен эффективный цикл для теплового двигателя или холодильника.

Предоставлено: неизвестный художник в сети.

Википедия считает свой статус авторского права неопределенным.
Но он должен был быть написан не позднее 1820-х годов и
конечно, авторские права художника теперь давно истекли, если они когда-либо
вышел.

Скачать сайт

Википедия: Изображение: Sadi Carnot.jpeg


Еще у него был знаменитый отец,


Надпись: «Лазар Карно» с косами и
погоны.

Лазар Карно (1753-1823), один из лидеров Французской революции.
Карно называли « Организатором Победы ».

Предоставлено: Неизвестный художник. Загружено пользователем: Nk в 2005 году.

Связанный источник: Википедия
изображение
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Lazare_carnot.jpg.

Всеобщее достояние.


Какие

Карно вообразил (по крайней мере, идеального Карно, если не
Карно) был Реверсивный ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ .


Подпись под фото: «Цилиндр и фигура Сади Карно 1824 года».

A и B могут
Карно
ГОРЯЧАЯ ВАННА и ХОЛОДНАЯ .

Предоставлено: Сади Карно.
(1796-1832). Загружено пользователем:
Сади Карно, кто не
Сади Карно.

Связанный источник: Википедия
изображение
http: // ru.wikipedia.org/wiki/Image:Carnot-engine-1824.png.

Общественное достояние по крайней мере в США.


Эта машина теперь называется
Двигатель Карно.

Беги вперед, это
Тепловой двигатель.

Беги в обратном направлении, это
холодильник.

Величины Q_H, Q_C и W одинаковы, если
Двигатель Карно
бежит вперед
как тепловой двигатель
или наоборот
в виде
холодильник.

  1. Поле с надписью T_H — это горячая ванна: например, сжигание топлива в
    цилиндр

    двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

  2. Поле с надписью T_C — это холодная ванна: например, обычно
    окружающая среда. Иногда присутствует окружающая среда
    косвенно.
  3. Круг рабочая жидкость:
    например,
    воздух и горящее топливо в цилиндре

    ЛЕД.

  4. Q_H — тепло, поглощаемое горячей ванной в
    рабочая жидкость.
  5. Q_C — тепло, отводимое от
    рабочая жидкость в холодную ванну.
  6. Вт — работа, проделанная
    рабочая жидкость.

Предоставлено: Википедия.
автор Эрик Габа (Стинг).
Создатель разместил изображение в открытом доступе.

Сайт загрузки:

Википедия: Изображение: Тепловой двигатель Карно 2.svg.

Таким образом, есть

для
Двигатель Карно.

        Q_H_hyp> Q_H

        а также

        отзывать

        W = Q_H - Q_C, где W выводится

                 а также

                 где Q_H поглощается из ГОРЯЧЕЙ ВАННЫ, а Q_C отклоняется в ХОЛОДНУЮ ВАННУ.

        а также

        W_hyp = W = Q_H_hyp - Q_C_hyp, где W - ввод работы

                 а также

                 где Q_H_hyp отклоняется в ГОРЯЧУЮ ВАННУ, а Q_C поглощается из ХОЛОДНОЙ ВАННЫ.Вычитая первое из второго, находим

        0 = (Q_H_hyp - Q_H) - (Q_C_hyp - Q_C)

        или же

        (Q_H_hyp - Q_H) = (Q_C_hyp - Q_C)> 0

 

На словах результат таков, что никакой сетевой работы не выполняется и
все же конечное количество тепла

        (Q_H_hyp - Q_H)> 0

 

был перемещен из ХОЛОДНАЯ ВАННА на ГОРЯЧАЯ ВАННА .

С общей точки зрения, существует спонтанный поток
тепло от
ГОРЯЧИЕ до ХОЛОДНЫЕ .

Аналогичный аргумент показывает, что если у вас есть
Тепловой двигатель
более эффективен, чем
Двигатель Карно
тогда
ты можешь повернуть
нагреть полностью
в работу, не отказываясь ни от какой сети
нагревать
к ХОЛОДНАЯ ВАННА .

Карно
не знал о
второй
закон термодинамики: он был сформулирован после его времен.

Но он знал, что никто не видел
спонтанный поток
тепло от
ГОРЯЧИЕ до ХОЛОДНЫЕ
ни
Тепловой двигатель
без отказа от ХОЛОДНАЯ ВАННА .

Идеал
Карно
(если не Карно истории)
утверждал, что
Тепловой двигатель Карно
должен быть самым эффективным
Тепловой двигатель
а также
самый эффективный
холодильник
возможный.

В приведенных выше аргументах наши гипотетические
Тепловой двигатель
а также
холодильник
которые более эффективны, чем
двигатель Карно
DO нарушают
второй
закон термодинамики и не может существовать.

    Вопрос: Теперь я знаю, о чем вы думаете,
    может ли двигатель Карно существовать.
  1. Нет. Это полный миф.
  2. Да. Их использовали везде. Это чудеса.
    Вы просто мало о них слышите, как и вы
    никогда не слышал много о
    спонтанный человек
    возгорание, хотя это случается с десятками людей каждый год
    (по словам Дэвида Сент-Хаббинса).
  3. Почти. Не совсем.

Ответ 3 правильный.

Вы можете почти построить
Двигатель Карно.

Главный трюк — позволить тепловым потокам возникать только тогда, когда
в
рабочая жидкость
находится в тепловом контакте с
ГОРЯЧАЯ ВАННА и ХОЛОДНАЯ ВАННА
и только пусть эти потоки происходят
между исчезающе малой разницей температур.


Подпись: «Давление-объем (п-В)
диаграмма для цикла Карно «.

Предоставлено: Пользователь Кета в 2006 году.

Связанный источник: Википедия
изображение
http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Carnot_cycle_p-V_diagram.svg.

Использовать под
GNU
Бесплатная лицензия на документацию


    Диаграмма PV отображает
    давление
    а также
    объем
    рабочая жидкость
    в течение полного цикла
    двигатель Карно.

    Вы могли представить себе рабочую жидкость
    как в цилиндре с поршнем — точно так же, как в
    Образ Сади Карно

    http://en.wikipedia.org/wiki/Image:Carnot-engine-1824.png

    Поршень выталкивается, когда
    рабочая жидкость
    работает и толкает, когда работа выполняется на
    рабочая жидкость.

    В
    Двигатель Карно
    выполняется в цикле и, следовательно, кривая образует замкнутый цикл.

    Как рабочая жидкость
    расширяется (1—3), совершает термодинамическую работу (PdV;
    по мере его сокращения (3-1)
    По нему ведутся работы по ПДВ.

    Менее крутые участки
    изотермы где
    рабочая жидкость впитывает (при расширении)
    или отклоняет (при контакте) тепло
    при ZERO
    температурный градиент
    (или разница).

    Это волшебный трюк
    Двигатель Карно
    сделать поток тепла
    при ZERO
    температурный градиент.

    Если бы вы действительно могли это сделать, то не было бы никаких изменений в
    энтропия
    и, таким образом, процесс будет REVERSABLE — вы можете сделать
    тепловой поток в любом случае.

    Ну, на самом деле это невозможно.

    Но в принципе можно было подойти
    НУЛЬ
    температурный градиент
    поток тепла
    так близко, как хотите.

    Просто позвольте температурному градиенту
    быть очень маленьким и пусть тепло течет
    очень медленно.

    Такие идеальные медленные процессы называются
    квазистатические процессы:
    система всегда исчезающе
    близко к термодинамическому равновесию
    в квазистатическом процессе.

    НУЛЬ
    температурный градиент
    поток тепла
    это идеальный предел реального физического процесса.

    Более крутые сегменты
    Диаграмма PV
    находятся
    адиабаты
    по которой не возникают тепловые потоки
    в рабочую жидкость или из нее.

    Никаких изменений энтропии в
    рабочая жидкость,
    ГОРЯЧАЯ ВАННА и ХОЛОДНАЯ ВАННА , вдоль
    адиабата где
    термодинамическое равновесие
    поддерживается во всех элементах системы.

    Для поддержания точного
    термодинамическое равновесие
    во время изменений адиабаты
    также являются квазистатическими процессами.

    Поскольку энтропия не меняется
    происходят во время квазистатического
    адиабаты, они
    REVERSIBLE и
    система может быть запущена вверх или вниз по ним.

    Делаем вывод, что все сегменты в
    Диаграмма PV
    REVERSIBLE как идеальный предел.

    Итак, весь цикл на фотоэлектрической диаграмме
    может быть запущен в любом случае, поскольку энтропия
    система в любом случае не изменится.

    Пройдя 1, 2, 3, 4, 1, как показано на
    Диаграмма PV,
    дает чистую работу PdV
    так как сегменты расширения 1-2 и 2-3 имеют большую площадь под ними, чем
    сегменты сокращения 3-4 и 4-1.

    В этом направлении
    Двигатель Карно
    тепловой двигатель
    движущаяся тепловая энергия
    от
    ГОРЯЧАЯ ВАННА к ХОЛОДНАЯ ВАННА и выполнение
    ПДВ работа.

    Идут 1, 4, 3, 2, 1, как НЕ показано на
    Диаграмма PV
    поглощает чистую работу PdV
    поскольку под сокращающимися сегментами 3-2 и 2-1 площадь больше, чем под
    сегменты расширения 1-4 и 4-3.

    В этом направлении
    Двигатель Карно
    холодильник
    движущаяся тепловая энергия
    от
    ХОЛОДНАЯ ВАННА к ГОРЯЧАЯ ВАННА и впитывающая
    ПДВ работа.

Итак, двигатель Карно
это реверсивный двигатель
Сади Карно
вообразил.

Таким образом, двигатель Карно
самый эффективный
Тепловой двигатель
а также
холодильник.

Вы не можете построить идеал
Двигатель Карно.

Но можно подойти очень близко.

    Вопрос: Если почти идеальный
    Тепловой двигатель Карно
    можно построить, почему
    они не используются широко?
  1. Они ужасно опасны.
  2. Они НЕ МОГУТ построить : инструктор лежал.
  3. Они довольно бессильны.
  4. Все вышеперечисленное.

Ответ 3.

Почти идеальный
Тепловой двигатель Карно
должны работать очень медленно, так как все сегменты должны
быть квазистатическим.

В частности,
теплопередача
должно произойти
ПОЧТИ НУЛЬ
температурные градиенты.

Чем меньше градиенты температуры,
медленнее
теплопередача — мы просто утверждаем это, но
это правда.

Двигатели Карно
имеют специальные экспериментальные применения.

Но на самом деле я знаю только одно — это измерить
температура
в некоторых особых случаях.

Например, вы можете построить
Двигатель Карно
используя газ в качестве
рабочая жидкость.

В основном это могут быть небольшие настольные компьютеры с трубками, цилиндрами и поршнями — просто
угадывать.

Последний пункт приводит нас к идеальному максимальному КПД и минимальному обратному ходу.
эффективность мы обсуждали выше.

В
Двигатель Карно
поскольку это обратимо

а F_eff — наибольшее значение, которое можно получить за
Тепловой двигатель
а также
G_eff — это наименьшее значение, которое может быть получено для
холодильник.

Это можно показать — но мы этого делать не будем — что для
Двигатель Карно
Соотношение

     Q_C / Q_H = T_C / T_H,

 

где
температуры
— температуры Кельвина.

Это приводит к нашим результатам

а также

Эти идеальные результаты никогда не могут быть достигнуты.

И, конечно же, люди даже не пытаются подойти предельно близко
обычно так как они не хотят
почти « бессильный »
Двигатель Карно.

Тем не менее, идеальные результаты по эффективности устанавливают абсолютные ограничения на
что можно получить и направить дизайнеров в
стараясь изо всех сил
тепловые двигатели
а также
холодильники.

Для актуальных
тепловые двигатели там
часто можно получить, сделав T_C / T_H маленьким
поскольку один может подчиняться другим желающим: i.е., безопасность и высокая мощность.

Цикл Карно — Университетская физика, том 2

Цели обучения

  • Опишите цикл Карно с ролями всех четырех задействованных процессов
  • Краткое описание принципа Карно и его значения
  • Продемонстрировать эквивалентность принципа Карно и второго начала термодинамики

В начале 1820-х годов Сади Карно (1786–1832), французский инженер, заинтересовался повышением эффективности практических тепловых двигателей.В 1824 году его исследования привели его к предложению гипотетического рабочего цикла с максимально возможной эффективностью между одними и теми же двумя резервуарами, известного теперь как цикл Карно. Двигатель, работающий в этом цикле, называется двигателем Карно. Цикл Карно имеет особое значение по ряду причин. На практике этот цикл представляет собой обратимую модель паровой электростанции и холодильника или теплового насоса. Тем не менее, это также очень важно с теоретической точки зрения, поскольку играет важную роль в разработке другого важного положения второго закона термодинамики.Наконец, поскольку в его работе задействованы только два резервуара, его можно использовать вместе со вторым законом термодинамики для определения шкалы абсолютной температуры, которая действительно не зависит от какого-либо вещества, используемого для измерения температуры.

При идеальном газе в качестве рабочего вещества этапы цикла Карно, представленные (рисунок), следующие.

  1. Изотермическое расширение. Газ находится в тепловом контакте с тепловым резервуаром при определенной температуре. Газ поглощает тепло из теплового резервуара и может изотермически расширяться, выполняя работу. Поскольку внутренняя энергия идеального газа является функцией только температуры, изменение внутренней энергии равна нулю, то есть во время этого изотермического расширения.Используя первый закон термодинамики, мы находим, что количество тепла, поглощаемого газом, равно

    Четыре процесса цикла Карно. Предполагается, что рабочим веществом является идеальный газ, термодинамический путь которого MNOP представлен на (Рисунок).

    Общая работа, выполняемая газом в цикле Карно, показана в виде площади, заключенной в контур MNOPM .

  2. Адиабатическое расширение . Газ термически изолирован и может расширяться дальше, выполняя работу. Поскольку это расширение является адиабатическим, температура газа падает — в данном случае, исходя из From и уравнения состояния идеального газа, мы имеем

    так что

  3. Изотермическое сжатие .Газ помещается в тепловой контакт с холодным резервуаром при температуре и изотермически сжимается. Во время этого процесса происходит работа с газом, который отдает тепло холодному резервуару. Рассуждения, использованные в шаге 1, теперь дают

    где — тепло, отдаваемое газом в холодный резервуар.

  4. Адиабатическое сжатие . Газ термически изолирован и возвращается в исходное состояние путем сжатия. В этом процессе работа ведется на газе. Поскольку сжатие является адиабатическим, температура газа повышается — в данном конкретном случае от.Обоснование шага 2 теперь дает

    Общая работа, выполняемая газом в цикле Карно, определяется как

Эта работа равна площади, ограниченной петлей, показанной на диаграмме pV (Рисунок). Поскольку начальное и конечное состояния системы одинаковы, изменение внутренней энергии газа в цикле должно быть нулевым, то есть. Тогда первый закон термодинамики дает

и

Чтобы определить КПД этого двигателя, сначала разделим

Когда адиабатическая постоянная из шага 2 делится на таковую из шага 4, мы находим

Подставляя это в уравнение для, получаем

Наконец, с помощью (Рисунок) мы находим, что эффективность этого идеального газового двигателя Карно определяется как

Двигатель не обязательно должен соответствовать циклу двигателя Карно.Однако все двигатели имеют один и тот же эффект net , а именно поглощение тепла из горячего резервуара, выполнение работы и отвод тепла в холодный резервуар. Это заставляет нас задаться вопросом: имеют ли все обратимые циклы, действующие между одними и теми же двумя резервуарами, одинаковую эффективность? Ответ на этот вопрос исходит из второго закона термодинамики, обсуждавшегося ранее: Все реверсивные двигательные циклы производят точно такой же КПД . Кроме того, как и следовало ожидать, все настоящие двигатели, работающие между двумя резервуарами, менее эффективны, чем реверсивные двигатели, работающие между теми же двумя резервуарами.Это тоже следствие второго закона термодинамики, показанного ранее.

Цикл идеального газового холодильника Карно представлен диаграммой pV (рисунок). Это двигатель Карно, работающий в обратном направлении. Холодильник извлекает тепло из резервуара с низкой температурой, когда идеальный газ изотермически расширяется. Затем газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не достигнет, после чего изотермическое сжатие газа приводит к тому, что тепло отводится в высокотемпературный резервуар. Наконец, цикл завершается адиабатическим расширением газа, в результате чего его температура падает до

Работа, проделанная с газом в одном цикле холодильника Карно, показана в виде площади, ограниченной петлей MPONM .

Работа, проделанная на идеальном газе, равна площади, ограниченной траекторией на диаграмме pV . По первому закону эта работа отнесена к

.

Анализ, аналогичный анализу, проведенному для двигателя Карно, дает

В сочетании с (Рисунок) это дает

для КПД идеального газового холодильника Карно. Аналогичным образом мы можем вычислить коэффициент полезного действия теплового насоса Карно как

Мы только что нашли уравнения, представляющие КПД двигателя Карно и КПД холодильника Карно или теплового насоса Карно, при условии, что в обоих устройствах в качестве рабочего вещества используется идеальный газ.Однако эти уравнения являются более общими, чем следует из их вывода. Скоро мы покажем, что оба они действительны, независимо от того, какое рабочее вещество.

Карно обобщил свое исследование двигателя Карно и цикла Карно в то, что теперь известно как принцип Карно:

Принцип Карно

Ни один двигатель, работающий между двумя резервуарами при постоянной температуре, не может иметь большей эффективности, чем реверсивный двигатель.

Этот принцип можно рассматривать как еще одно утверждение второго закона термодинамики и можно показать, что он эквивалентен утверждению Кельвина и утверждению Клаузиуса.

Двигатель Карно КПД двигателя Карно равен 0,60, а температура его холодного резервуара составляет 300 К. а) Какова температура горячего резервуара? (b) Если двигатель выполняет 300 Дж работы за цикл, сколько тепла удаляется из высокотемпературного резервуара за цикл? (c) Сколько тепла отводится в низкотемпературный резервуар за цикл?

Стратегия Из температурной зависимости теплового КПД двигателя Карно мы можем определить температуру горячего резервуара.Затем, исходя из определения эффективности, мы можем найти тепло, отводимое при задании работы, выполняемой двигателем. Наконец, энергосбережение приведет к тому, сколько тепла должно быть сброшено в холодный резервуар.

Решение

  1. Из нас

    , чтобы температура горячего резервуара была

  2. По определению КПД двигателя таков, что тепло, отводимое от высокотемпературного резервуара за цикл, составляет
  3. Из первого закона тепло, отдаваемое двигателем в низкотемпературный резервуар за цикл, равно

Значение Двигатель Карно имеет максимально возможную эффективность преобразования тепла в работу между двумя резервуарами, но это не обязательно означает, что он эффективен.По мере увеличения разницы температур горячего и холодного резервуаров эффективность двигателя Карно увеличивается.

С точки зрения затрат на электроэнергию тепловой насос является очень экономичным средством отопления зданий ((рисунок)). Сравните этот метод с прямым преобразованием электрической энергии в тепло с помощью резистивных нагревательных элементов. В этом случае одна единица электроэнергии дает не более одной единицы тепла. К сожалению, у тепловых насосов есть проблемы, которые ограничивают их полезность. Они довольно дороги в приобретении по сравнению с резистивными нагревательными элементами, и, как показывает коэффициент полезного действия теплового насоса Carnot, они становятся менее эффективными при снижении наружной температуры.Фактически, ниже примерно, выделяемое ими тепло меньше энергии, используемой для их работы.

Фотография теплового насоса (большой коробки), расположенного вне дома. Этот тепловой насос расположен в районе с теплым климатом, например на юге Соединенных Штатов, поскольку он был бы слишком неэффективным в северной половине Соединенных Штатов. (кредит: модификация работы Питера Стивенса)

Проверьте свое понимание Двигатель Карно работает между резервуарами при и.а) Каков КПД двигателя? (b) Если двигатель выполняет 5,0 Дж работы за цикл, сколько тепла за цикл он поглощает из высокотемпературного резервуара? (c) Сколько тепла за цикл отводится в резервуар с холодной температурой? (d) Какие температуры в холодном резервуаре дадут минимальную и максимальную эффективность?

Проверьте свое понимание Холодильник Карно работает между двумя тепловыми резервуарами, температура которых равна и. а) Каков коэффициент полезного действия холодильника? (b) Если с рабочим телом за цикл выполняется 200 Дж работы, сколько тепла за цикл отбирается из холодного резервуара? (c) Сколько тепла за цикл сбрасывается в горячий резервуар?

Резюме

  • Цикл Карно является наиболее эффективным двигателем для обратимого цикла, разработанного между двумя резервуарами.
  • Принцип Карно — это еще один способ сформулировать второй закон термодинамики.

Концептуальные вопросы

Следует ли повышать или понижать температуру горячего резервуара для повышения эффективности двигателя Карно? А как насчет холодного резервуара?

Чтобы повысить эффективность, температура горячего резервуара должна быть увеличена, а холодного резервуара должна быть максимально понижена. Это можно увидеть на (Рисунок).

Как можно разработать двигатель Карно с высокой эффективностью?

Какие типы процессов происходят в цикле Карно?

адиабатические и изотермические процессы

Проблемы

Температура холодного и горячего резервуаров, между которыми работает холодильник Карно, составляет и, соответственно.Каков его коэффициент полезного действия?

Двигатель Карно работает между резервуарами при 600 и 300 К. Если двигатель потребляет 100 Дж за цикл в горячем резервуаре, какова его рабочая мощность за цикл?

Двигатель мощностью 500 Вт управляет холодильником Карно между и. а) Какое количество тепла в секунду отбирается изнутри холодильника? б) Сколько тепла отводится наружному воздуху за секунду?

Нарисуйте цикл Карно на диаграмме температура-объем.

Тепловой насос Карно работает между и. Сколько тепла отводится внутрь дома на каждые 1,0 Дж работы насоса?

Двигатель, работающий между тепловыми резервуарами и отбирающий 1000 Дж за цикл из горячего резервуара. а) Какую максимальную работу может выполнять двигатель за цикл? (б) Для этой максимальной работы, сколько тепла отводится в холодный резервуар за цикл?

Предположим, что двигатель Карно может работать между двумя резервуарами как тепловой двигатель или как холодильник.Как коэффициент полезного действия холодильника связан с эффективностью теплового двигателя?

Двигатель Карно используется для измерения температуры теплового резервуара. Двигатель работает между тепловым резервуаром и резервуаром, состоящим из воды в ее тройной точке. (a) Если 400 Дж за цикл удаляются из резервуара тепла, а 200 Дж за цикл откладываются в резервуаре тройной точки, какова температура резервуара тепла? (b) Если 400 Дж за цикл удаляются из резервуара тройной точки, а 200 Дж за цикл откладываются в резервуаре тепла, какова температура резервуара тепла?

Какова минимальная работа холодильника, если он должен извлекать 50 Дж за цикл из внутренней части морозильной камеры при температуре и отводить тепло в воздух?

Глоссарий

Цикл Карно

Цикл

, состоящий из двух изотерм при температурах двух резервуаров и двух адиабатических процессов, соединяющих изотермы
Двигатель Карно
Тепловой двигатель Карно, холодильник или тепловой насос, работающий по циклу Карно
Принцип Карно
принцип, регулирующий эффективность или производительность теплового устройства, работающего по циклу Карно: любое обратимое тепловое устройство, работающее между двумя резервуарами, должно иметь одинаковый КПД или коэффициент производительности, больший, чем у необратимого теплового устройства, работающего между теми же двумя резервуарами

Применения термодинамики: тепловые насосы и холодильники

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите использование тепловых двигателей в тепловых насосах и холодильниках.
  • Продемонстрируйте, как тепловой насос работает для обогрева внутреннего пространства.
  • Объясните разницу между тепловыми насосами и холодильниками.
  • Рассчитайте коэффициент полезного действия теплового насоса.

Рис. 1. Практически в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не осознают, что они тоже делят свои дома с тепловым насосом. (кредит: Id1337x, Wikimedia Commons)

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему.Это тепловые двигатели, работающие задом наперед. Мы говорим «в обратном направлении», а не в обратном направлении, потому что, за исключением двигателей Карно, все тепловые двигатели, хотя они и могут работать в обратном направлении, не могут быть полностью реверсированы. Передача тепла происходит из холодного резервуара Q c и в горячий. Для этого требуется рабочая мощность Вт , которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q h = Q c + W . (Обратите внимание, что Q h , Q c и W положительные, их направления указаны на схемах, а не знаком.) Тепловой насос предназначен для передачи тепла Q h в теплую среду, например, в доме зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем окружающая среда. (На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и нагревательный элемент одновременно. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме обогрева.)

Рис. 2. Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Показанный здесь основан на (реверсивном) двигателе Карно. (а) Принципиальная схема, показывающая передачу тепла из холодного резервуара в теплый резервуар с помощью теплового насоса. Направления W , Q h и Q c противоположны направлениям в тепловом двигателе. (b) диаграмма для цикла Карно, аналогичная показанной на рисунке 3, но в обратном порядке по пути ADCBA.Площадь внутри цикла отрицательная, что означает, что имеется сетевой ввод. Имеется передача тепла Q c в систему из холодного резервуара по пути DC и передача тепла Q h из системы в горячий резервуар по пути BA.

Тепловые насосы

Большим преимуществом использования теплового насоса для поддержания тепла в доме, а не просто сжигания топлива, является то, что тепловой насос подает Q h = Q c + W .Теплоотдача происходит от наружного воздуха даже при температуре ниже точки замерзания во внутреннее пространство. Вы платите только за Вт и получаете дополнительную теплоотдачу Q c извне бесплатно; во многих случаях в отапливаемое пространство передается как минимум вдвое больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все. Недостатком является то, что входная работа (требуемая вторым законом термодинамики) иногда бывает дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа выполняется за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса в режиме нагрева показаны на рисунке 3. Используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q c происходит к рабочему телу из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 3. Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор. В режиме обогрева теплопередача Q c происходит к рабочему телу в испарителе (3) из более холодного наружного воздуха, превращая его в газ.Компрессор с электрическим приводом (4) увеличивает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (1) внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура в комнате, передача тепла от газа к комнате происходит, когда газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, поскольку она течет обратно через расширительный клапан (2) к змеевикам испарителя наружного блока.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства.Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q h происходит в теплое пространство, по сравнению с тем, сколько работы требуется Вт .Исходя из отношения того, что вы получаете к затраченным средствам, мы определяем коэффициент полезного действия теплового насоса ( COP л.с. ) как [латексный] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex].

Поскольку эффективность теплового двигателя составляет [латекс] Eff = \ frac {W} {Q _ {\ text {h}}} \\ [/ latex], мы видим, что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], важный и интересный факт. Во-первых, поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q ч , чем затраченная работа. Это.Во-вторых, это означает, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. Эффективность идеального двигателя, или двигателя Карно, равна [латексному] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ left (\ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \ справа) \\ [/ латекс]; таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и больше COP л.с. (потому что [латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex] ). Другими словами, тепловые насосы не так хорошо работают в очень холодном климате, как в более умеренном.

Трение и другие необратимые процессы снижают эффективность теплового двигателя, но они приносят пользу работе теплового насоса. Тепловой насос.

Рис. 4. Когда настоящий тепловой двигатель работает в обратном направлении, часть запланированной работы ( W ) идет на теплопередачу, прежде чем она попадет в тепловую машину, тем самым снижая ее коэффициент полезного действия.На этом рисунке W ‘представляет часть W , которая поступает в тепловой насос, в то время как остаток W теряется в виде тепла трения ( Q f ) в холодный резервуар. Если бы весь W пошел в тепловой насос, то Q h было бы больше. В лучшем тепловом насосе используются адиабатические и изотермические процессы, поскольку теоретически не должно быть диссипативных процессов, снижающих передачу тепла к горячему резервуару.

Пример 1. Лучший [латексный] COP _ {\ text {hp}} \\ [/ latex] теплового насоса для домашнего использования

Тепловой насос, используемый для обогрева дома, должен использовать цикл, который производит рабочую жидкость при температурах выше, чем типичная температура в помещении, чтобы могла происходить передача тепла внутрь. Точно так же он должен производить рабочую жидкость при температурах ниже, чем температура наружного воздуха, чтобы передача тепла происходила извне. Следовательно, его горячая и холодная температура резервуара не может быть слишком близкой, что ограничивает его COP л.с. .(См. Рис. 5.) Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для такого теплового насоса, если температура горячего резервуара составляет 45,0 ° C, а температура холодного резервуара —15,0 ° C?

Стратегия

Двигатель Карно с реверсом обеспечивает наилучшую производительность в качестве теплового насоса. Как отмечалось выше, [latex] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} \\ [/ latex], поэтому нам нужно сначала рассчитать эффективность Карно, чтобы решить эту проблему.

Решение

Эффективность Карно по абсолютной температуре определяется по формуле:

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {T _ {\ text {c}}} {T _ {\ text {h}}} \\ [/ latex].

Температура в кельвинах составляет T h = 318 K и T c = 258 K, так что

[латекс] Eff _ {\ text {C}} = 1- \ frac {258 \ text {K}} {318 \ text {K}} = 0,1887 \\ [/ latex].

Таким образом, из обсуждения выше,

[латекс] COP _ {\ text {hp}} = \ frac {1} {Eff} = \ frac {1} {0,1887} = 5,30 \\ [/ latex], или [латекс] COP _ {\ text {hp} } = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} = \ frac {1} {0.1887} = 5.30 \\ [/ latex], так что Q h = 5.30 W.

Обсуждение

Это означает, что теплопередача тепловым насосом равна 5.В 30 раз больше, чем вложено в это дело. Это будет стоить в 5,30 раза больше, чем теплопередача, произведенная электрическим комнатным обогревателем, как и теплопередача, производимая этим тепловым насосом. Это не нарушение сохранения энергии. Холодный окружающий воздух обеспечивает 4,3 Дж на 1 Дж работы от электрической розетки.

Рис. 5. Передача тепла снаружи внутрь, а также работа, проделанная для запуска насоса, происходит в тепловом насосе из приведенного выше примера. Обратите внимание, что холодная температура, создаваемая тепловым насосом, ниже, чем температура наружного воздуха, поэтому происходит передача тепла рабочей жидкости.Компрессор насоса создает температуру выше температуры в помещении для передачи тепла в дом.

Рис. 6. В жаркую погоду теплопередача происходит от воздуха внутри помещения к воздуху снаружи, охлаждая помещение. В прохладную погоду происходит передача тепла от воздуха снаружи к воздуху внутри, нагревая комнату. Это переключение достигается за счет изменения направления потока рабочей жидкости на противоположное.

Настоящие тепловые насосы работают не так хорошо, как идеальные в предыдущем примере; Их значения КС л.с. колеблются примерно от 2 до 4.Этот диапазон означает, что теплопередача Q h от тепловых насосов в 2–4 раза больше, чем вклад в них W . Однако их экономическая осуществимость все еще ограничена, поскольку W обычно поставляется за счет электроэнергии, которая стоит больше на джоуль, чем передача тепла путем сжигания топлива, такого как природный газ. Кроме того, первоначальная стоимость теплового насоса выше, чем у многих печей, поэтому тепловой насос должен работать дольше, чтобы окупить его стоимость.Тепловые насосы, скорее всего, будут экономически лучше там, где зимние температуры мягкие, электричество относительно дешево, а другие виды топлива относительно дороги. Кроме того, поскольку они могут охлаждать и обогревать помещение, они имеют преимущества там, где также желательно охлаждение в летние месяцы. Таким образом, одни из лучших мест для тепловых насосов — теплый летний климат с прохладной зимой. На рис. 6 показан тепловой насос, называемый в некоторых странах «обратным циклом » или «охладителем сплит-системы » .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде. Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуются затраты труда. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько тепла Q c происходит из холодной окружающей среды, по сравнению с тем, сколько работы требуется Вт . То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом.Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия ( COP ref ) кондиционера или холодильника как

.

[латекс] {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {Q _ {\ text {c}}} {W} \\ [/ latex].

Еще раз отмечая, что Q h = Q c + W , мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос, потому что [латекс] {COP} _ { \ text {hp}} = \ frac {Q _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ latex] и Q h больше, чем Q c .В задачах и упражнениях этого модуля вы покажете, что COP ref = COP л.с. — 1 для теплового двигателя, используемого в качестве кондиционера или теплового насоса, работающего между двумя одинаковыми температурами. Настоящие кондиционеры и холодильники обычно работают замечательно, имея значения COP ref в диапазоне от 2 до 6. Эти числа лучше, чем значения COP л.с. для упомянутых выше тепловых насосов, поскольку разница температур составляет меньше, но они меньше, чем у двигателей Карно, работающих между теми же двумя температурами.

Был разработан тип рейтинговой системы COP , называемый «рейтинг энергоэффективности» ( EER ). Этот рейтинг является примером того, что единицы, не относящиеся к системе СИ, по-прежнему используются и актуальны для потребителей. Чтобы упростить жизнь потребителю, Австралия, Канада, Новая Зеландия и США используют рейтинг Energy Star из 5 звезд — чем больше звезд, тем более энергоэффективным является устройство. EER с выражены в смешанных единицах британских тепловых единиц (БТЕ) ​​в час нагрева или охлаждения, разделенных на потребляемую мощность в ваттах.Комнатные кондиционеры легко доступны с EER с диапазоном от 6 до 12. Эти EER , хотя и не то же самое, что только что описанный COP , подходят для сравнения — чем больше EER , тем дешевле кондиционер должен работать (но тем выше, вероятно, будет его покупная цена).

EER кондиционера или холодильника можно выразить как

[латекс] \ displaystyle {EER} = \ frac {\ frac {Q _ {\ text {c}}} {t_1}} {\ frac {W} {t_2}} \\ [/ latex],

, где Q c — количество теплопередачи из холодной среды в британских тепловых единицах, т 1 — время в часах, Вт — затраченная работа в джоулях и т 2 — время в секундах.

Стратегии решения проблем термодинамики

  1. Изучите ситуацию, чтобы определить, задействовано ли тепло, работа или внутренняя энергия . Ищите любую систему, в которой основными методами передачи энергии являются тепло и работа. Тепловые двигатели, тепловые насосы, холодильники и кондиционеры являются примерами таких систем.
  2. Определите интересующую систему и нарисуйте помеченную диаграмму системы, показывающую поток энергии.
  3. Определите, что именно необходимо определить в проблеме (определите неизвестные) .Письменный список полезен. Максимальная эффективность означает, что задействован двигатель Карно. Эффективность — это не то же самое, что коэффициент полезного действия.
  4. Составьте список того, что дано или может быть выведено из проблемы, как указано (укажите известные). Обязательно отличите теплопередачу в системе от теплопередачи из системы, а также затраченные усилия и результаты работы. Во многих ситуациях полезно определить тип процесса, например изотермический или адиабатический.
  5. Решите соответствующее уравнение для количества, которое необходимо определить (неизвестное).
  6. Подставьте известные величины вместе с их единицами измерения в соответствующее уравнение и получите численные решения с указанием единиц.
  7. Проверьте ответ, чтобы узнать, разумен ли он: имеет ли он смысл? Например, КПД всегда меньше 1, тогда как коэффициенты производительности больше 1.

Сводка раздела

  • Артефакт второго закона термодинамики — это способность обогревать внутреннее пространство с помощью теплового насоса.Тепловые насосы сжимают холодный окружающий воздух и при этом нагревают его до комнатной температуры без нарушения принципов консервации.
  • Чтобы рассчитать коэффициент полезного действия теплового насоса, используйте уравнение [latex] {\ text {COP}} _ {\ text {hp}} = \ frac {{Q} _ {\ text {h}}} {W} \\ [/ латекс].
  • Холодильник — это тепловой насос; он забирает теплый окружающий воздух и расширяет его, чтобы охладить.

Концептуальные вопросы

  1. Объясните, почему тепловые насосы не работают в очень холодном климате так же хорошо, как в более мягком.То же самое и с холодильниками?
  2. В некоторых странах Северной Европы дома строятся без каких-либо систем отопления. Они очень хорошо изолированы и согреваются теплом тела жителей. Однако, когда жителей нет дома, в этих домах все равно тепло. Какое возможное объяснение?
  3. Почему холодильники, кондиционеры и тепловые насосы работают наиболее рентабельно для циклов с небольшой разницей между T h и T c ? (Обратите внимание, что температура используемого цикла имеет решающее значение для его COP .)
  4. Менеджеры продуктовых магазинов утверждают, что летом общее потребление энергии меньше, если в магазине поддерживается низкая температура. Приведите аргументы в поддержку или опровержение этого утверждения, учитывая, что в магазине множество холодильников и морозильников.
  5. Можно ли охладить кухню, оставив дверцу холодильника открытой?

Задачи и упражнения

  1. Каков коэффициент полезного действия идеального теплового насоса с теплопередачей при температуре холода −25?От 0ºC до горячей температуры 40,0ºC?
  2. Предположим, у вас есть идеальный холодильник, который охлаждает окружающую среду до –20,0ºC и передает тепло в другую среду при 50,0ºC. Каков его коэффициент полезного действия?
  3. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия гипотетического холодильника, который может производить жидкий азот при температуре –200ºC и имеет теплопередачу в окружающую среду при температуре 35,0ºC?
  4. В очень мягком зимнем климате тепловой насос передает тепло из окружающей среды на 5.От 00ºC до единицы при 35,0ºC. Каков наилучший возможный коэффициент полезного действия для этих температур? Ясно покажите, как вы следуете шагам, указанным в Стратегиях решения проблем термодинамики.
  5. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия теплового насоса с температурой горячего резервуара 50,0 ° C и температурой холодного резервуара -20,0 ° C? (б) Сколько тепла происходит в теплой среде, если в нее вложено 3,60 × 10 7 Дж работы (10,0 кВт · ч)? (c) Если стоимость этих работ составляет 10.0 центов / кВт · ч, как его стоимость по сравнению с прямой теплопередачей, достигаемой за счет сжигания природного газа по цене 85,0 центов за терм. (Термины — это общепринятая единица измерения энергии для природного газа, равная 1,055 × 10 8 Дж.)
  6. (a) Каков наилучший коэффициент полезного действия холодильника, который охлаждает окружающую среду до –30,0ºC и передает тепло в другую среду при 45,0ºC? (б) Сколько работы в джоулях необходимо сделать для передачи тепла 4186 кДж из холодной среды? (c) Какова стоимость этого, если работа стоит 10.0 центов за 3,60 × 10 6 Дж (киловатт-час)? (d) Сколько кДж теплопередачи происходит в теплую среду? (e) Обсудите, какой тип холодильника может работать при этих температурах.
  7. Предположим, вы хотите использовать идеальный холодильник с температурой холода -10,0 ° C и хотите, чтобы его коэффициент полезного действия составлял 7,00. Какова температура горячего резервуара у такого холодильника?
  8. Рассматривается идеальный тепловой насос для обогрева помещения с температурой 22 ° C.0ºC. Какова температура холодного резервуара, если коэффициент полезного действия насоса должен составлять 12,0?
  9. 4-тонный кондиционер удаляет 5,06 × 10 7 Дж (48 000 британских тепловых единиц) из холодной среды за 1 час. (a) Какая энергия в джоулях необходима для этого, если кондиционер имеет рейтинг энергоэффективности ( EER ), равный 12,0? (b) Какова стоимость этого, если работа стоит 10,0 центов за 3,60 × 10 6 Дж (один киловатт-час)? (c) Обсудите, насколько реалистична эта стоимость.Обратите внимание, что рейтинг энергоэффективности ( EER ) кондиционера или холодильника определяется как количество британских тепловых единиц теплопередачи из холодной среды в час, деленное на потребляемую мощность в ваттах.
  10. Покажите, что коэффициенты производительности холодильников и тепловых насосов связаны соотношением COP ref = COP л.с. — 1. Начнем с определений COP s и отношения сохранения энергии между Q h , Q c и W .

Глоссарий

тепловой насос: машина, передающая тепло от холода к горячему

КПД: для теплового насоса, это отношение теплоотдачи на выходе (горячий резервуар) к произведенной работе; для холодильника или кондиционера это отношение теплоотдачи от холодного резервуара к произведенной работе

Избранные решения проблем и упражнения

1. 4.82

3.0,311

5. (а) 4,61; б) 1,66 × 10 8 Дж или 3,97 × 10 4 ккал; (c) Для передачи 1,66 × 10 8 Дж тепловой насос стоит 1 доллар США, природный газ — 1,34 доллара.

7. 27,6ºC

9. (а) 1,44 × 10 7 Дж; (б) 40 центов; (c) Эта стоимость кажется вполне реальной; в нем говорится, что работа кондиционера в течение всего дня будет стоить 9,59 долларов (если он будет работать непрерывно).

Второй закон термодинамики

Второй Закон

Второй закон термодинамики гласит, что передача тепла происходит самопроизвольно только от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой.

Цели обучения

Сопоставьте концепцию необратимости между Первым и Вторым законами термодинамики

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Многие термодинамические явления, разрешенные первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
  • Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением, принимаемым спонтанными процессами.
  • Согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не может иметь теплопередачу от более холодного к более горячему объекту в качестве единственного результата.
Ключевые термины
  • энтропия : мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
  • первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специально предназначенная для термодинамических систем. Обычно выражается как ΔU = Q − W.

Необратимость

Второй закон термодинамики касается направления, принимаемого спонтанными процессами. Многие процессы происходят спонтанно только в одном направлении, то есть они необратимы при заданном наборе условий.Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение всей жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально отличается, и процесс не может быть обратимым.

Например, тепло включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой.Холодный объект, соприкасающийся с горячим, никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его более горячим. Кроме того, механическая энергия, такая как кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую за счет трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не начинает двигаться. Еще один пример — расширение потока газа, введенного в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу.Случайное движение молекул газа могло бы вернуть их всех в угол, но этого никогда не происходит.

Односторонняя обработка в природе : Примеры односторонних процессов в природе. (а) Теплообмен происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (б) Тормоза этого автомобиля преобразуют кинетическую энергию в теплоотдачу в окружающую среду. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, попадающего в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить каждую часть камеры.Случайные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Второй закон термодинамики

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, предполагает, что существует закон, запрещающий их возникновение. Первый закон термодинамики позволяет им происходить — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле эти многие способы эквивалентны.Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, фундаментально влияя на многие очевидно несопоставимые процессы. Уже знакомое направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Второй закон термодинамики (первое выражение): Передача тепла происходит спонтанно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Закон гласит, что ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от холодильника к более горячему объекту. Позже мы выразим закон в других терминах, особенно в терминах энтропии.

Тепловые двигатели

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.

Цели обучения

Обоснуйте, почему КПД — один из важнейших параметров для любой тепловой машины

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы.
  • Второй закон термодинамики можно выразить следующим образом: ни в какой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается в исходное состояние.
  • Эффективность теплового двигателя (Eff) определяется как чистая выходная мощность двигателя W, разделенная на теплопередачу к двигателю: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text { Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex], где Q c и Q h обозначает передачу тепла горячему (двигатель) и холодному (окружающая среда) резервуару.
Ключевые термины
  • тепловая энергия : Внутренняя энергия системы в термодинамическом равновесии, обусловленная ее температурой.
  • внутренняя энергия : сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно, энергия, необходимая для создания системы, за исключением энергии, необходимой для перемещения ее окружения.

В термодинамике тепловой двигатель — это система, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи от какого-либо источника.Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается Q h , теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — Q c , а работа, выполняемая двигателем, равна W. горячий и холодный резервуары — Т ч и Т с соответственно.

Теплопередача : (a) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному в соответствии со вторым законом термодинамики. (б) Тепловой двигатель, представленный здесь кружком, использует часть теплопередачи для выполнения работы.Горячие и холодные предметы называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — рабочая мощность, а Qc — теплоотдача в холодный резервуар.

Термодинамика и тепловые двигатели : Краткое введение в тепловые двигатели и термодинамические концепции, такие как двигатель Карно, для студентов.

Поскольку горячий резервуар нагревается извне, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась как можно более эффективно.Фактически, мы хотели бы, чтобы W равнялось Q h , и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду (Q c = 0). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики (второе выражение) также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы: В любой системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать работу в циклический процесс, в котором система возвращается в его исходное состояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла.В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон в его второй форме четко гласит, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в выполненную работу.

КПД

Циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. По определению, внутренняя энергия такой системы U одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU = 0. Первый закон термодинамики гласит, что ΔU = Q-W, где Q — чистая теплопередача во время цикла (Q = Q h -Q c ), а W — чистая работа, выполненная системой.Поскольку ΔU = 0 для полного цикла, то W = Q. Таким образом, чистая работа, выполняемая системой, равна чистому теплопередаче в систему, или

[латекс] \ text {W} = \ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c} [/ latex] (циклический процесс),

, как показано схематически на (b).

КПД — один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах наблюдается значительная теплопередача Q c , теряемая в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получить меньше, чем вкладываем.Мы определяем эффективность теплового двигателя ( Eff ) как его полезную мощность W, деленную на теплопередачу к двигателю Q ч:

[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {W}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex].

Поскольку W = Q h −Q c в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

[латекс] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1 — \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] (для циклического процесса),

, поясняющий, что эффективность 1 или 100% возможна только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q c = 0).

Циклы Карно

Цикл Карно — наиболее эффективный из возможных циклических процессов, в котором используются только обратимые процессы.

Цели обучения

Проанализируйте, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Второй закон термодинамики показывает, что двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами.
  • Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, снижающими КПД двигателя. Очевидно, обратимые процессы лучше с точки зрения эффективности.
  • КПД Карно, максимально достижимый КПД теплового двигателя, задается как [латекс] \ text {Eff} _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text { T} _ \ text {h}} [/ латекс].
Ключевые термины
  • второй закон термодинамики : Закон, гласящий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, потому что изолированные системы спонтанно развиваются к термодинамическому равновесию — состоянию максимальной энтропии.Равно как и вечные двигатели второго типа невозможны.
  • тепловой двигатель : любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Мы знаем из второго закона термодинамики, что тепловая машина не может быть на 100 процентов эффективна, поскольку всегда должна быть какая-то передача тепла Q c в окружающую среду. (См. Наш атом в разделе «Тепловые двигатели».) Насколько эффективна тогда тепловая машина? На этот вопрос теоретически ответил в 1824 году молодой французский инженер Сади Карно (1796-1832) в своем исследовании появившейся в то время технологии тепловых двигателей, имеющих решающее значение для промышленной революции.Он разработал теоретический цикл, который теперь называется циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и поэтому Карно фактически открыл этот фундаментальный закон. Любой тепловой двигатель, использующий цикл Карно, называется двигателем Карно.

Для цикла Карно критически важно то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность.Это увеличивает теплоотдачу Q c в окружающую среду и снижает эффективность двигателя. Очевидно, что обратимые процессы лучше.

Второй закон термодинамики (третья форма): Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД по сравнению с любым тепловым двигателем, работающим между этими двумя температурами. Более того, все двигатели, в которых используются только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе между одинаковыми заданными температурами.

КПД

Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

PV-диаграмма для цикла Карно : PV-диаграмма для цикла Карно, использующая только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Передача тепла Qh в рабочее тело происходит на изотермическом пути AB, который происходит при постоянной температуре Th. Теплоотдача Qc происходит из рабочего тела на изотермическом пути CD, который происходит при постоянной температуре Tc.Выход сети W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах Th и Tc.

Карно также определил эффективность идеального теплового двигателя, то есть двигателя Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется следующим образом: [latex] \ text {Eff} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h} — \ text {Q} _ \ text {c }} {\ text {Q} _ \ text {h}} = 1- \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {Q} _ \ text {h}} [/ latex] .

Карно обнаружил, что для идеального теплового двигателя отношение Q c / Q h равно отношению абсолютных температур тепловых резервуаров.То есть Q c / Q h = T c / T h для двигателя Карно, так что максимальная эффективность Карно Eff C определяется как [латекс] \ text {Eff } _ \ text {c} = 1- \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex], где T h и T c в кельвинах. (Вывод формулы немного выходит за рамки этого атома.) Никакая настоящая тепловая машина не может работать так же хорошо, как КПД Карно — фактический КПД около 0,7 от этого максимума обычно является лучшим, что может быть достигнуто.

Тепловые насосы и холодильники

Тепловой насос — это устройство, которое передает тепловую энергию от источника тепла к радиатору против перепада температур.

Цели обучения

Объясните, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему резервуару

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Тепловой насос предназначен для передачи тепла Qh в теплую среду, например в дом зимой.
  • Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Qc происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды.
  • Тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. Это стало возможным за счет изменения направления потока хладагента и изменения направления полезной теплопередачи.
Ключевые термины
  • CFC : органическое соединение, которое обычно использовалось в качестве хладагента.Больше не используется из-за разрушения озонового слоя.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холода к горячему. Передача тепла (Q c ) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется рабочая мощность W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача к горячему резервуару составляет Q h = Q c + W. Задача теплового насоса заключается в передаче тепла Q h в теплую среду, например в дом зимой.Задача кондиционеров и холодильников заключается в том, чтобы передача тепла Q c происходила из прохладной окружающей среды, такой как охлаждение комнаты или хранение продуктов при более низких температурах, чем температура окружающей среды. На самом деле тепловой насос можно использовать как для обогрева, так и для охлаждения помещения. По сути, это кондиционер и обогреватель в одном устройстве. В этом разделе мы сконцентрируемся на его режиме нагрева.

Тепловые насосы

В основном тепловом насосе используется рабочая жидкость, например хладагент, не содержащий CFC.Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителе) теплоотдача Q c происходит к рабочему телу от холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, которые находятся внутри отапливаемого пространства. Поскольку температура газа выше, чем температура внутри комнаты, происходит передача тепла в комнату, и газ конденсируется в жидкость.Затем жидкость течет обратно через редукционный клапан к змеевикам испарителя наружного блока, охлаждаясь за счет расширения. (В цикле охлаждения змеевики испарителя и конденсатора меняются ролями, и направление потока жидкости меняется на противоположное.)

Простой тепловой насос : Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) конденсатор, (2) расширительный клапан, (3) испаритель и (4) компрессор.

Коэффициент полезного действия

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько тепла Q h происходит в теплом помещении, по сравнению с тем, сколько работы W требуется.Мы определяем КПД теплового насоса (COP л.с. ) равным

.

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {hp}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {h}} {\ text {W}} [/ latex].

Поскольку КПД теплового двигателя составляет Eff = W / Q h , мы видим, что COP л.с. = 1/ Eff . Поскольку КПД любого теплового двигателя меньше 1, это означает, что COP л.с. всегда больше 1, то есть тепловой насос всегда имеет большую теплопередачу Q ч , чем вложенная в него работа.Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольших перепадах температур. КПД идеального двигателя (или двигателя Карно) составляет

.

[латекс] \ text {Eff} _ \ text {C} = 1 \ frac {\ text {T} _ \ text {c}} {\ text {T} _ \ text {h}} [/ latex];

таким образом, чем меньше разница температур, тем меньше КПД и тем больше КС л.с. .

Кондиционеры и холодильники

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения чего-либо в теплой среде.Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холода к горячему требуется дополнительная работа. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, какая теплоотдача Q c происходит из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом теплового насоса, в холодильнике считается отходящим теплом. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP ref ) кондиционера или холодильника как

.

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ frac {\ text {Q} _ \ text {c}} {\ text {W}} [/ latex].

Поскольку Q h = Q c + W и COP л.с. = Q h / Вт, получаем, что

[латекс] \ text {COP} _ {\ text {ref}} = \ text {COP} _ {\ text {hp}} -1 [/ латекс].

Кроме того, из Q h > Q c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.

Цикл Карно — Chemistry LibreTexts

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF
  1. Цикл Карно
    1. PV-диаграмма
    2. TS-диаграмма
  2. Эффективность
  3. Резюме
  4. Проблемы
  5. Ссылки
  6. Участники и атрибуты

В начале 19 века паровые двигатели стали играть все более важную роль. роль в промышленности и на транспорте.Однако систематический набор теорий преобразования тепловой энергии в движущую силу паровыми двигателями еще не был разработан. Николя Леонар Сади Карно (1796-1832), французский военный инженер, опубликовал в 1824 году размышлений о движущей силе огня . В книге предложена обобщенная теория тепловых двигателей, а также идеализированная модель термодинамической системы для тепловой двигатель, который теперь известен как цикл Карно. Карно разработал основы второго закона термодинамики, и его часто называют «отцом термодинамики».«

Цикл Карно

Цикл Карно состоит из следующих четырех процессов:

  1. Обратимый процесс изотермического расширения газа. В этом процессе идеальный газ в системе поглощает \ (q_ {in} \) количество тепла от источника тепла при высокой температуре \ (T_ {high} \), расширяется и воздействует на окружающую среду.
  2. Обратимый процесс адиабатического расширения газа. В этом процессе система теплоизолирована. Газ продолжает расширяться и воздействовать на окружающую среду, в результате чего система охлаждается до более низкой температуры, \ (T_ {low} \).
  3. Обратимый изотермический процесс сжатия газа. В этом процессе окружающая среда работает с газом при \ (T_ {low} \) и вызывает потерю тепла \ (q_ {out} \).
  4. Обратимый процесс адиабатического сжатия газа. В этом процессе система теплоизолирована. Окружающая среда продолжает работать с газом, в результате чего температура снова поднимается до \ (T_ {high} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Идеальная газопоршневая модель цикла Карно. Схема

P-V

P-V-диаграмма цикла Карно показана на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).В изотермических процессах I и III ∆U = 0, поскольку ∆T = 0. В адиабатических процессах II и IV q = 0. Работа, тепло, ∆U и ∆H каждого процесса в цикле Карно сведены в Таблицу \ (\ PageIndex {1} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): диаграмма P-V цикла Карно.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Работа, тепло, ∆U и ∆H на диаграмме P-V цикла Карно.
Процесс w кв ΔU ΔH
I \ (- nRT_ {high} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right) \) \ (nRT_ {high} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right) \) 0 0
II \ (n \ bar {C_ {v}} (T_ {low} -T_ {high}) \) 0 \ (n \ bar {C_ {v}} (T_ {low} -T_ {high}) \) \ (n \ bar {C_ {p}} (T_ {low} -T_ {high}) \)
III \ (- nRT_ {low} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {4}} {V_ {3}} \ right) \) \ (nRT_ {low} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {4}} {V_ {3}} \ right) \) 0 0
IV \ (n \ bar {C_ {v}} (T_ {high} -T_ {low}) \) 0 \ (n \ bar {C_ {v}} (T_ {hight} -T_ {low}) \) \ (n \ bar {C_ {p}} (T_ {high} -T_ {low}) \)
Полный цикл \ (- nRT_ {high} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right) -nRT_ {low} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {4}} {V_ {3}} \ right) \) \ (nRT_ {high} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right) + nRT_ {low} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {4}} {V_ { 3}} \ справа) \) 0 0

Диаграмма T-S

Диаграмма T-S цикла Карно показана на рисунке \ (\ PageIndex {3} \).В изотермических процессах I и III ∆T = 0. В адиабатических процессах II и IV ∆S = 0, поскольку dq = 0. ∆T и ∆S каждого процесса в цикле Карно показаны в таблице \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): T-S диаграмма цикла Карно.

Таблица \ (\ PageIndex {1} \): Работа, тепло и ∆U на диаграмме T-S цикла Карно.
Процесс ΔT ΔS
I 0 \ (- nR \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right) \)
II \ (T_ {низкий} -T_ {высокий} \) 0
III 0 \ (- nR \ ln \ left (\ dfrac {V_ {4}} {V_ {3}} \ right) \)
IV \ (T_ {высокий} -T_ {low} \) 0
Полный цикл 0 0

КПД

Цикл Карно — наиболее эффективный из возможных двигателей, основанный на предположении об отсутствии побочных затратных процессов, таких как трение, и на предположении об отсутствии теплопроводности между различными частями двигателя при разных температурах. {C_ {V} / R} = \ dfrac {V_ {4}} {V_ {1}} \]

А с T 1 = T 2 и T 3 = T 4 ,

\ [\ dfrac {V_ {3}} {V_ {4}} = \ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \]

Следовательно,

\ [\ text {efficiency} = \ dfrac {nRT_ {high} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right) -nRT_ {low} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right)} {nRT_ {high} \ ln \ left (\ dfrac {V_ {2}} {V_ {1}} \ right)} \]

\ [\ boxed {\ text {efficiency} = \ dfrac {T_ {high} -T_ {low}} {T_ {high}}} \]

Сводка

Цикл Карно имеет максимально возможный КПД двигателя (хотя другие циклы имеют такой же КПД), основанный на предположении об отсутствии побочных затратных процессов, таких как трение, и предположении об отсутствии теплопроводности между различными частями двигателя. при разных температурах.

Проблемы

  1. Теперь вы работаете с двигателем Карно с КПД 40%, который отводит тепло в радиатор с температурой 298 К. Если вы хотите повысить КПД двигателя до 65%, до какой температуры вам нужно будет поднять теплообменник. ?
  2. Двигатель Карно поглощал 1,0 кДж тепла при 300 К и израсходовал 400 Дж тепла в конце цикла. Какая температура в конце цикла?
  3. Внутренний обогреватель, работающий по циклу Карно, нагревает дом со скоростью 30 кДж / с, чтобы поддерживать температуру в помещении на уровне 72 ºF.Какая мощность работает у обогревателя, если температура наружного воздуха 30 ºF?

Список литературы

  1. Goldstein, M. J. Chem. Educ. , 1980 , 57, 114-116
  2. Bader, M. J. Chem. Educ. , 1973 , 50 , 834
  3. W. F. Luder. J. Chem. Educ. , 1944 , 21 , 600-601
  4. Salter, C. J. Chem. Educ. , 2000 , 77, 1027-1030

Авторы и авторство

Тепловой двигатель

: определение, типы и примеры

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Ли Джонсон

Тепловые двигатели окружают вас повсюду.От машины, которую вы едете, до холодильника, который охлаждает продукты, до систем отопления и охлаждения вашего дома, — все они работают на одних и тех же ключевых принципах.

Цель любого теплового двигателя — преобразовать тепловую энергию в полезную работу, и для этого можно использовать множество различных подходов. Одной из простейших форм теплового двигателя является двигатель Карно, названный в честь французского физика Николя Леонарда Сади Карно, построенный вокруг идеализированного четырехступенчатого процесса, который зависит от адиабатической и изотермической стадий.

Но двигатель Карно — всего лишь один пример теплового двигателя, и многие другие типы достигают той же основной цели. Изучение того, как работают тепловые двигатели и как вычислять эффективность тепловых двигателей, важно для любого, кто изучает термодинамику.

Что такое тепловой двигатель?

Тепловая машина — это термодинамическая система, преобразующая тепловую энергию в механическую. Хотя под этот общий заголовок попадает множество различных конструкций, несколько основных компонентов можно найти практически в любом тепловом двигателе.

Любой тепловой двигатель нуждается в тепловой ванне или высокотемпературном источнике тепла, которые могут принимать множество различных форм (например, ядерный реактор является источником тепла на атомной электростанции, но во многих случаях сжигаемое топливо используется в качестве источника тепла. источник тепла). Кроме того, должен быть резервуар с низкотемпературным холодом, а также сам двигатель, который обычно представляет собой газ, который расширяется при подаче тепла.

Двигатель поглощает тепло из горячего резервуара и расширяется, и именно этот процесс расширения воздействует на окружающую среду, обычно приводя его в пригодную для использования форму с помощью поршня.Затем система отдает тепловую энергию обратно в холодный резервуар и возвращается в исходное состояние. Затем процесс повторяется снова и снова циклически, чтобы непрерывно производить полезную работу.

Типы тепловых двигателей

Термодинамические циклы или циклы двигателя — это общий способ описания многих конкретных термодинамических систем, которые работают в циклическом режиме, обычном для большинства тепловых двигателей. Простейшим примером теплового двигателя, работающего с термодинамическими циклами, является двигатель Карно или двигатель, работающий на основе цикла Карно.Это идеализированная форма теплового двигателя, в котором задействованы только обратимые процессы, в частности адиабатическое и изотермическое сжатие и расширение.

Все двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, который представляет собой еще один тип термодинамического цикла, в котором воспламенение топлива используется для работы с поршнем. На первом этапе поршень опускается, всасывая топливно-воздушную смесь в двигатель, которая затем адиабатически сжимается на второй ступени и воспламеняется на третьей.

Перед открытием выпускного клапана происходит быстрое повышение температуры и давления, которое воздействует на поршень за счет адиабатического расширения, что приводит к снижению давления.Наконец, поршень поднимается, чтобы удалить израсходованные газы и завершить цикл двигателя.

Другой тип теплового двигателя — двигатель Стирлинга, который содержит фиксированное количество газа, которое перемещается между двумя разными цилиндрами на разных этапах технологического процесса. На первом этапе газ нагревается для повышения температуры и создания высокого давления, которое перемещает поршень для обеспечения полезной работы.

Поршень затем поднимается вверх и толкает газ во второй цилиндр, где он охлаждается холодным резервуаром перед повторным сжатием, процесс, требующий меньше работы, чем был произведен на предыдущем этапе.Наконец, газ возвращается в исходную камеру, где цикл двигателя Стирлинга повторяется.

КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя — это отношение полезной производимой работы к потребляемой тепловой или тепловой энергии, и результатом всегда является значение от 0 до 1 без единиц измерения, потому что и тепловая энергия, и тепловая энергия Объем работы измеряется в джоулях. Это означает, что если бы у вас был идеальный тепловой двигатель , он имел бы КПД 1 и преобразовывал бы всю тепловую энергию в полезную работу, а если бы ему удалось преобразовать половину ее, КПД был бы равен 0.5. В базовом виде формулу можно записать так:

\ text {Эффективность} = \ frac {\ text {Работа}} {\ text {Тепловая энергия}}

Конечно, тепловая машина не может имеют эффективность 1, потому что второй закон термодинамики гласит, что любая замкнутая система со временем будет увеличивать энтропию. Хотя есть точное математическое определение энтропии, которое вы можете использовать, чтобы понять это, самый простой способ подумать об этом — это то, что присущая любому процессу неэффективность приводит к некоторой потере энергии, обычно в форме отходящего тепла.Например, поршень двигателя, несомненно, будет иметь некоторое трение, работающее против его движения, что означает, что система будет терять энергию в процессе преобразования тепла в работу.

Теоретический максимальный КПД теплового двигателя называется КПД Карно. Уравнение для этого связывает температуру горячего резервуара T H и холодного резервуара T C с КПД ( η ) двигателя.

η = 1 — \ frac {T_C} {T_H}

Вы можете умножить результат на 100, если хотите выразить ответ в процентах.Важно помнить, что это теоретический максимум — маловероятно, что какой-либо реальный двигатель действительно приблизится к эффективности Карно на практике.

Важно отметить, что вы максимизируете эффективность тепловых двигателей, увеличивая разницу температур между горячим резервуаром и холодным резервуаром. Для автомобильного двигателя T H — это температура газов внутри двигателя при сгорании, а T C — это температура, при которой они выталкиваются из двигателя.

Примеры из реального мира — паровой двигатель

Паровая машина и паровые турбины — два наиболее известных примера тепловой машины, и изобретение паровой машины стало важным историческим событием в индустриализации общества. Паровой двигатель работает аналогично другим тепловым двигателям, которые обсуждались до сих пор: котел превращает воду в пар, который направляется в цилиндр, содержащий поршень, и высокое давление пара перемещает цилиндр.

Пар передает часть тепловой энергии цилиндру, охлаждая при этом, а затем, когда поршень полностью выталкивается, оставшийся пар выпускается из цилиндра. В этот момент поршень возвращается в исходное положение (иногда пар направляется на другую сторону поршня, чтобы он тоже мог его оттолкнуть), и термодинамический цикл начинается снова с большим количеством пара.

Эта относительно простая конструкция позволяет производить большой объем полезной работы из всего, что способно кипятить воду.Эффективность теплового двигателя с такой конструкцией зависит от разницы между температурой пара и окружающего воздуха. Паровоз использует работу, созданную в результате этого процесса, для поворота колес и движения поезда.

Паровая турбина работает очень похоже, за исключением того, что работа идет на вращение турбины, а не на перемещение поршня. Это особенно полезный способ выработки электроэнергии из-за вращательного движения, создаваемого паром.

Примеры из реального мира — Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания работает на основе цикла Отто, описанного выше, с искровым зажиганием, используемым для бензиновых двигателей, и воспламенением от сжатия, используемым для дизельных двигателей.Основное различие между ними заключается в способе воспламенения топливно-воздушной смеси, при этом топливно-воздушная смесь сжимается, а затем физически воспламеняется в бензиновых двигателях, а топливо распыляется в сжатый воздух в дизельных двигателях, вызывая его воспламенение от температуры. .

Помимо этого, остальная часть цикла Отто завершается, как описано ранее: Топливо всасывается в двигатель (или просто воздух для дизельного топлива), сжимается, воспламеняется (искра для топлива и распыление топлива в горячий сжатый воздух). для дизельного топлива), который выполняет полезную работу с поршнем за счет адиабатического расширения, а затем выпускной клапан открывается для снижения давления, и поршень выталкивает отработанный газ.

Примеры из реального мира — тепловые насосы, кондиционеры и холодильники

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники тоже работают в форме теплового цикла, хотя у них другая цель — использовать работу для перемещения тепловой энергии. чем наоборот. Например, в цикле нагрева теплового насоса хладагент поглощает тепло из наружного воздуха из-за его более низкой температуры (поскольку тепло всегда течет от горячего к холодному), а затем проталкивается через компрессор для повышения его температуры. давление и, следовательно, его температура.

Этот более горячий воздух затем перемещается в конденсатор рядом с обогреваемым помещением, где тот же процесс передает тепло в помещение. Наконец, хладагент проходит через клапан, который понижает давление и, следовательно, температуру, и готов к следующему циклу нагрева.

В цикле охлаждения (как в кондиционере или холодильнике) процесс, по сути, протекает в обратном порядке. Хладагент поглощает тепловую энергию из комнаты (или внутри холодильника), потому что он поддерживается при низкой температуре, а затем проталкивается через компрессор для повышения давления и температуры.

В этот момент он перемещается за пределы комнаты (или в заднюю часть холодильника), где тепловая энергия передается более холодному наружному воздуху (или окружающей комнате). Затем хладагент направляется через клапан для понижения давления и температуры, считая для другого цикла нагрева.

Поскольку цель этих процессов противоположна примерам двигателей, выражение для КПД теплового насоса или холодильника также отличается. Впрочем, по форме это вполне предсказуемо.Для отопления:

η = \ frac {Q_H} {W_ {in}}

η = \ frac {Q_C} {W_ {in}}

Где термины Q относятся к тепловой энергии, подаваемой в комната (с индексом H) и перемещенная из нее (с индексом C) и W в — это вход работы в систему в виде электричества. Опять же, это значение является безразмерным числом от 0 до 1, но вы можете умножить результат на 100, чтобы получить процентное значение, если хотите.

Пример из реального мира — электростанции или электростанции

Электростанции или электростанции — это просто еще одна форма теплового двигателя, независимо от того, производят ли они тепло с помощью ядерного реактора или сжигая топливо.Источник тепла используется для перемещения турбин и, таким образом, выполнения механической работы, часто с использованием пара из нагретой воды для вращения паровой турбины, которая вырабатывает электричество описанным выше способом. Точный тепловой цикл может варьироваться между электростанциями, но обычно используется цикл Ренкина.

Цикл Ренкина начинается с повышения температуры воды источником тепла, затем расширения водяного пара в турбине с последующей конденсацией в конденсаторе (высвобождение отходящего тепла в процессе), прежде чем охлажденная вода поступает в насос.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.