Тепловые машины. Коэффициент полезного действия. Цикл Карно. — КиберПедия

Принцып действия тепловой машины. КПД теплового двигателя. Цикл Карно.

Тепловые двигатели: термодинамика, уравнение и типы

В какой-то момент своей жизни вы, вероятно, путешествовали внутри автомобиля, самолета или паровоза. Вы, возможно, задавались вопросом, какой процесс заставляет эти транспортные средства двигаться. Ответ: тепловая машина .

Эта статья о тепловых двигателях немного выходит за рамки того, что вы должны знать на уровне GCSE, но она будет очень полезна для вашего понимания термодинамики и ее применения в реальной жизни. В термодинамике , тепловой двигатель представляет собой систему, преобразующую поток тепловой энергии (теплота) в механическую работу .

Тепловые двигатели в термодинамике

Теплота – это передача тепловой энергии от более высоких к более низких температурах. В тепловых двигателях это достигается за счет теплового потока от горячего резервуара к холодному резервуару . Бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это примеры тепловых двигателей.

Тепловой поток между горячим резервуаром и холодным резервуаром, адаптировано из изображения Майка Рана CC-BY-SA-4.0

Невероятно, но первая зарегистрированная тепловая машина была изобретена Героном Александрийским в 50 г. н.э., но считалась всего лишь новинкой. или игрушка в то время. Только во время промышленной революции тепловые двигатели превратились в полезные устройства. Паровая машина стала полезной в 18 веке и быстро стала использоваться в качестве источника энергии. внутренний 9В конце 19 века последовал двигатель внутреннего сгорания 0003 , который во многих отношениях был усовершенствованием парового двигателя. Без тепловой машины многие удобства и технологии нашего современного мира были бы невозможны.

Типы тепловых двигателей

Тепловые двигатели можно разделить на два типа. Первым из них является двигатель внешнего сгорания , в котором сгорание топлива передает тепло внешней жидкости, которая затем производит полезную работу своим движением по мере расширения. Примером этого является паровая машина. Здесь источник топлива, такой как уголь или древесина, сжигается для нагрева воды (внешней жидкости) в котле. Это производит пар, который затем может делать полезные механическая работа для питания двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания сгорание топлива происходит внутри системы. Двигатели внутреннего сгорания, как правило, более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, так как они непосредственно преобразуют тепловую энергию топлива в механическую работу. Например, тепловой двигатель в автомобиле воспламеняет бензин или дизельное топливо с помощью свечи зажигания, чтобы произвести полезную механическую работу.

Примеры тепловых двигателей

В этом разделе мы обсудим некоторые примеры реального применения тепловой машины, от древней античности до современности, как для двигателей внутреннего, так и для двигателей внешнего сгорания.

Двигатель внешнего сгорания

Чтобы понять основы работы тепловой машины, было бы неплохо начать с самого начала и взглянуть на первую паровую машину Герона Александрийского. Цапля назвала его aeolipile или ветряной шар. Схема была проста: он поставил котел с водой (который служил резервуаром для горячей воды) над огнем. Вода вскоре превратилась в пар при нагревании. Затем пар поднимался по двум трубам в полую сферу наверху, откуда пар выходил через два изогнутых сопла на сфере. Выброшенный пар создавал тягу, как ракета, заставляя сферу вращаться. Вся внешняя среда в данном случае действовала как резервуар холода, в который текло тепло.

Викторианский паровой двигатель.

Паровозы значительно устарели благодаря электричеству и двигателю внутреннего сгорания. Например, паровозы теперь относятся к культурному транспорту или достопримечательностям. Однако пар по-прежнему широко используется в промышленных масштабах для производства электроэнергии. Вода нагревается от источника тепла в котле (горячем резервуаре), который превращает воду в пар, который затем используется для вращения турбины по мере ее подъема. Это пример тепловой машины, в которой тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Затем вращающаяся турбина приводит в действие электрический генератор, который вырабатывает электричество для наших нужд.

Схема типичной паровой турбины, используемой для выработки электроэнергии, commons.wikimedia.org

Затем пар снова охлаждается до воды внутри конденсатора (холодного резервуара) после приведения в действие турбины. Это выгодно по двум причинам. Во-первых, чем больше разница температур между горячим и холодным резервуарами (котлом и конденсатором), тем быстрее будет течь тепло между ними. Это означает, что пар будет двигаться быстрее и, следовательно, быстрее будет вращать турбину, производя больше электроэнергии. Во-вторых, конденсируя пар обратно в воду, мы можем повторно использовать эту воду для котла. Оба эти момента значительно повышают эффективность тепловой машины.

Геотермальные электростанции работают аналогично угольным электростанциям. Однако, хотя геотермальная электростанция является тепловым двигателем, она не является ни двигателем внутреннего, ни внешнего сгорания, потому что горячие геотермальные жидкости, используемые для нагрева котла, поступают непосредственно из земли, а не за счет сжигания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Давайте обсудим двигатель внутреннего сгорания, с которым вы, вероятно, лучше всего знакомы, бензиновый автомобиль. Двигатель внутреннего сгорания внутри автомобиля сжигает бензин непосредственно в камере сгорания (горячем резервуаре). Затем часть энергии сгорания преобразуется в полезную работу. Большинство бензиновых двигателей являются четырехтактными, а это означает, что для завершения полного цикла двигателя требуется четыре хода поршня.

Четырехтактный цикл двигателя внутреннего сгорания, commons.wikimedia. org

Сначала, во время такта впуска, открывается впускной клапан, чтобы топливо и воздух из топливного бака поступали в рабочий цилиндр. Следующим шагом в этом процессе является такт сжатия. Оба клапана закрываются, чтобы удерживать топливовоздушную смесь внутри, а поршень движется вверх, чтобы сжать смесь до небольшого объема. Затем, во время такта зажигания, электрическая искра от свечи зажигания воспламеняет топливо, заставляя его быстро расширяться и толкая поршень обратно вниз. Наконец, во время такта выпуска открывается выпускной клапан, который позволяет выйти расширенным газам от сгорания, а затем цикл повторяется снова.

Расширение и выхлоп смесей внутри камеры сгорания заставляют поршни двигаться вверх и вниз. Движение этих поршней, прикрепленных к поршневым штокам, приводит во вращение коленчатый вал. В конечном счете, система зубчатых передач в трансмиссии автомобиля будет приводить в движение колеса автомобиля, вызывая движение.

Есть еще такая штука как реверс тепловая машина. Вместо того, чтобы использовать тепловую энергию для производства полезной работы, обратные тепловые двигатели используют механическую работу для изменения направления потока тепла. Механическая работа обычно исходит от внешнего источника энергии, такого как национальная сеть. Кондиционеры и холодильники являются типичными примерами реверсивных тепловых двигателей. Представьте, что ваш холодильник внутри — это резервуар для холода. Реверсивная тепловая машина вытесняет тепло из холодильника с помощью насоса (механическая работа).

Уравнение теплового двигателя

Энергия и топливо являются ценными ресурсами в нашем современном мире, и мы должны найти способы максимально сократить потребление энергии. Когда происходит передача энергии между накопителями энергии (например, тепловая энергия в кинетическую в тепловом двигателе), не вся произведенная энергия преобразуется в полезную энергию. Когда энергия передается в нежелательное хранилище, это называется пустой тратой энергии.

Эффективность системы определяется следующим уравнением:

Используя принципы термодинамики, тепловые двигатели были разработаны таким образом, чтобы производить как можно меньше потерь энергии. Различные тепловые двигатели имеют разный КПД в зависимости от ряда факторов, таких как их тип, конструкция, источник топлива и т. д. Энергия теряется из-за нежелательного звука, производимого двигателем, трения между движущимися частями и отходящего тепла. , который не преобразуется в полезную работу.

Например, для повышения эффективности и уменьшения трения между движущимися частями двигателя инженеры и механики добавляют смазку. Кроме того, теплоизоляция может использоваться для уменьшения потерь тепловой энергии двигателя в окружающую среду.

Эффективность тепловой машины, адаптировано из изображения Гая Вандегрифта CC BY-SA 4.0

Тепловая эффективность тепловой машины определяется по формуле:

Двигатели внутреннего сгорания почти всегда более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания. В общем, сжигание топлива непосредственно в механической работе является более эффективным процессом, потому что двигатели внешнего сгорания имеют дополнительный этап передачи энергии, что всегда приводит к большей неэффективности.

Существует предел потенциальной эффективности любой тепловой машины. Теорема Карно утверждает, что даже идеальный двигатель без трения не может преобразовать почти 100% произведенного тепла в полезную работу. Факторами, ограничивающими эффективность, являются температуры, при которых тепло поступает в двигатель, и температура окружающей среды, в которой двигатель выбрасывает отработанное тепло.

Тепловая машина совершает работу 6,3 кДж. 19,9 кДж энергии теряется в окружающей среде. Каков КПД этой тепловой машины в процентах?

Полная энергия, произведенная двигателем, равна сумме выполненной работы и энергии, потерянной в окружающей среде.

Двигатель внутреннего сгорания имеет КПД 42%. При сгорании 1 л дизельного топлива вырабатывается 38 МДж энергии. Какую полезную работу совершает 1 л топлива?

Измените уравнение эффективности, чтобы сделать полезную работу, выполняемую двигателем, объектом.

Переставить в:

Не забудьте преобразовать процентную эффективность обратно в десятичную форму.

Тепловые двигатели – основные выводы

• В термодинамике тепловой двигатель преобразует поток тепловой энергии (тепло) в полезную механическую работу.
• Тепловые потоки в тепловом двигателе из-за разницы температур между горячим и холодным резервуаром.
• В двигателях внешнего сгорания жидкость в горячем резервуаре нагревается за счет внешнего источника топлива. Затем движение нагретой жидкости можно использовать для производства полезной работы. Примером этого является паровая машина.
• В двигателях внутреннего сгорания сгорание топлива происходит непосредственно внутри горячего резервуара. Они непосредственно преобразуют тепловую энергию сгорания в полезную работу. Примеры этого включают бензиновый или дизельный двигатель.
• В некоторых тепловых двигателях внешняя среда может выступать в качестве резервуара холода.
• Чем больше разница температур между горячим и холодным резервуарами, тем быстрее будет течь тепло между ними, в конечном итоге производя больше полезной механической работы.
• Двигатели внутреннего сгорания, как правило, более эффективны, чем двигатели внешнего сгорания, поскольку двигатели внешнего сгорания имеют дополнительную ступень передачи энергии.
• Тип тепловой машины, конструкция, источник топлива и ряд других факторов влияют на ее эффективность.
• Энергия теряется из-за нежелательных звуков, отходящего тепла и трения между движущимися частями тепловой машины.

14.3: Второй закон термодинамики

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Безграничный
• Безграничный

цели обучения

• Сравните концепцию необратимости между первым и вторым законами термодинамики

Необратимость

Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов. Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном 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 жизни Вселенной. Точнее, необратимый процесс — это процесс, зависящий от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым.

Например, теплота связана с передачей энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит.

Односторонний процесс в природе : Примеры одностороннего процесса в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные 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 допускает их возникновение — 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 способы эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы. Уже знакомое нам 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): Теплопередача происходит самопроизвольно 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 более холодного объекта к более горячему. Позже мы выразим этот закон в других терминах, в первую очередь в терминах энтропии.

Тепловые двигатели

В термодинамике тепловой двигатель представляет собой систему, которая выполняет преобразование тепла или тепловой энергии в механическую работу.

цели обучения

• Обоснуйте, почему КПД является одним из важнейших параметров любой тепловой машины

В термодинамике тепловой двигатель представляет собой систему, 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 из какого-либо источника. Теплоотдача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как Q _ч , а теплоотдача в холодный объект (или холодный резервуар) равна Q _c , а работа двигателя равна W. Температуры горячего и холодного резервуаров равны T _h и T _c , соответственно.

Теплопередача : (a) Теплопередача происходит спонтанно от горячего объекта к холодному, в соответствии со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Qh — теплоотдача из горячего резервуара, W — работа, Qc — теплопередача 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 снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле хотелось 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: Ни в одной системе теплопередачи от резервуара невозможно полностью преобразовать в работу циклический процесс, при котором система возвращается в 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 ясно утверждает, что в таких двигателях не может быть совершенного преобразования теплопередачи в совершаемую работу.

Эффективность

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 \(\mathrm{ΔU=0}\). Первый закон термодинамики утверждает, что \(\mathrm{ΔU=Q−W}\), где Q — чистая теплопередача в течение цикла (\(\mathrm{W=Q_h−Q_c}\)) и W — чистая работа, выполненная системой. Поскольку \(\mathrm{ΔU=0}\) для полного цикла, мы имеем \(\mathrm{W=Q}\). Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна чистой передаче тепла в систему, или

\(\mathrm{W=Q_h−Q_c}\) (циклический процесс),

, как схематично показано на (b).

КПД – один из важнейших параметров любой тепловой машины. Проблема в том, что во всех процессах происходит значительная теплопередача Q _c , теряемая в окружающую среду. При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой получения меньшего количества энергии, чем вносимой. Мы определяем КПД тепловой машины ( Eff ) как его чистую выходную мощность W, деленную на теплоотдачу к двигатель Q _h:

\[\mathrm{E_{ff}=WQ_h.}\]

Так как \(\mathrm{W=Q_h−Q_c}\) в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

\(\mathrm{Eff=\frac{Q_h−Q_c}{Q_h}=1−\frac{Q_c}{Q_h}}\) (для циклического процесса),

, чтобы было ясно, что эффективность 1 или 100 %, возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду (Q _c =0).

Циклы Карно

Цикл Карно является наиболее эффективным из возможных циклических процессов, в нем используются только обратимые процессы.

цели обучения

• Проанализировать, почему двигатель Карно считается идеальным двигателем

Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть на 100% эффективнее, поскольку всегда должна происходить некоторая теплопередача Q _c в окружающую среду. (См. наш атом в разделе «Тепловые двигатели».) Насколько эффективным может быть тогда тепловой двигатель? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил молодой французский инженер Сади Карно (1796–1832) в 1824 г., изучая появившуюся в то время технологию теплового двигателя, решающую для промышленной революции. Он разработал теоретический цикл, теперь называемый циклом Карно, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Второй закон термодинамики можно переформулировать в терминах цикла Карно, и, таким образом, Карно на самом деле открыл этот фундаментальный закон. Любая тепловая машина, использующая цикл Карно, называется двигателем Карно.

Для цикла Карно 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 КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы предпочтительнее.

Второй закон термодинамики (третья форма): Двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД любой тепловой машины, работающей между этими двумя температурами. Кроме того, все двигатели, использующие только обратимые процессы, имеют одинаковую максимальную эффективность при работе в пределах одних и тех же заданных температур.

Эффективность

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

Диаграмма PV для цикла Карно : Диаграмма PV для цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплопередача Qh в рабочее тело происходит по изотермическому пути AB, который протекает при постоянной температуре Th. Теплопередача Qc происходит от рабочего тела по изотермическому пути CD, который протекает при постоянной температуре Tc. Чистый выход 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 КПД совершенной тепловой машины, то есть машины Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется выражением: \(\mathrm{Eff=\frac{Q_h−Q_c}{Q_h}=1−\frac{Q_c}{Q_h}}\) .

Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины отношение \(\mathrm{\frac{Q_c}{Q_h}}}\) равно отношению абсолютных температур тепловых резервуаров. То есть \(\mathrm{\frac{Q_c}{Q_h} = \frac{T_c}{T_h}}\) для двигателя Карно, так что максимальная эффективность или эффективность Карно Eff _C определяется выражением \(\mathrm{Eff_c=1−\frac{T_c}{T_h}}\), где T _h и T _c в градусах Кельвина. (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, чего можно достичь.

Тепловые насосы и холодильники

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

цели обучения

• Объяснить, как компоненты теплового насоса вызывают передачу тепла от холодного резервуара к горячему

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют передачу тепла от холодного к горячему. Теплопередача (Q _c ) происходит из холодного резервуара в горячий. Для этого требуется затрата работы W, которая также преобразуется в теплопередачу. Таким образом, теплопередача в горячий резервуар равна Q _ч = Q _с +В. Задачей теплового насоса является передача тепла Q _h в теплую среду, например, в дом зимой. Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла Q _c из прохладной среды, например, для охлаждения комнаты или хранения 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 флаконе. В этом разделе мы сосредоточимся на его режиме нагрева.

Тепловые насосы

В базовом тепловом насосе используется рабочая жидкость, такая как хладагент, не содержащий хлорфторуглеродов. Основными компонентами теплового насоса являются конденсатор, расширительный клапан, испаритель и компрессор. В наружных змеевиках (испарителях) теплообмен Q _c происходит от холодного наружного воздуха к рабочему телу, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность W) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, происходит передача тепла в помещение, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость возвращается через редукционный клапан к наружным змеевикам испарителя, 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 _ч передается в теплое помещение по сравнению с тем, сколько работы W требуется. Определим КПД теплового насоса (COP _л.с. ) равным

\[\mathrm{COP_{hp}=\dfrac{Q_h}{W}.}\]

Поскольку КПД тепловой машины равен Eff = W/Q _ч , мы видим, что COP _{л. с.} = 1/ Eff . Поскольку КПД любой тепловой машины меньше 1, это означает, что КПД _л.с. всегда больше 1, т. е. теплопередача теплового насоса Q _ч всегда больше, чем затраченная на него работа. Еще один интересный момент заключается в том, что тепловые насосы лучше всего работают при небольшой разнице температур. КПД совершенной машины (или машины Карно) равен 9.0005

\[\mathrm{Eff_C=1\dfrac{T_c}{T_h};}\]

Таким образом, чем меньше разность температур, тем меньше КПД и больше КПД _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 холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по величине теплоотдачи Q _c возникает из-за холода по сравнению с тем, сколько работы W требуется. То, что считается преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике. Таким образом, мы определяем коэффициент полезного действия (COP _ref ) кондиционера или холодильника как

\[\mathrm{COP_{ref}=\dfrac{Q_c}{W}.}\]

Так как \( \mathrm{Q_h = Q_c + W}\) и \(\mathrm{COP_{hp} = \frac{Q_h}{W}}\), получаем, что

\[\mathrm{COP_{ref}=COP_ {л.с.}−1.}\]

Также из Q _h >Q _c мы видим, что кондиционер будет иметь более низкий коэффициент полезного действия, чем тепловой насос.

Ключевые моменты

• Многие термодинамические явления, допускаемые первым законом термодинамики, никогда не происходят в природе.
• Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, и второй закон термодинамики имеет дело с направлением самопроизвольных процессов.
• Согласно второму закону термодинамики, ни один процесс не может иметь единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.
• 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 теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
• Эффективность тепловой машины (Eff) определяется как чистая мощность работы двигателя W, деленная на теплоотдачу двигателю: Eff=WQh=1−QcQhEff=WQh=1−QcQh, где Q _c и Q _h обозначает передачу тепла к горячему (двигатель) и холодному (окружающая среда) резервуару.
• Второй закон термодинамики указывает, что двигатель Карно, работающий между двумя заданными температурами, имеет максимально возможный КПД любой тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.
• В необратимых процессах участвуют диссипативные факторы, что снижает КПД двигателя. Очевидно, что обратимые процессы лучше с точки зрения эффективности.
• Эффективность Карно, максимально достижимая эффективность тепловой машины, определяется как Effc=1−TcThEffc=1−TcTh.
• Задачей теплового насоса является передача тепла Qh в теплую среду, например, в дом зимой.
• Задача кондиционеров и холодильников заключается в передаче тепла Qc из прохладной среды, например, при охлаждении комнаты или хранении 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 флаконе. Это стало возможным благодаря реверсированию потока его хладагента, изменению направления полезной теплопередачи.

Ключевые термины

• энтропия : Мера того, насколько равномерно энергия (или какое-либо аналогичное свойство) распределяется в системе.
• первый закон термодинамики : Вариант закона сохранения энергии, специализированный для термодинамических систем. Обычно выражается как ΔU=Q-W.
• тепловая энергия : Внутренняя энергия системы, находящейся в термодинамическом равновесии из-за ее температуры.
• внутренняя энергия : Сумма всей энергии, присутствующей в системе, включая кинетическую и потенциальную энергию; эквивалентно энергии, необходимой для создания системы, за исключением энергии, необходимой для смещения ее окружения.
• второй закон термодинамики : Закон, утверждающий, что энтропия изолированной системы никогда не уменьшается, потому что изолированные системы самопроизвольно эволюционируют к термодинамическому равновесию — состоянию максимальной энтропии. Точно так же вечные двигатели второго рода невозможны.
• тепловая машина : Любое устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.
• CFC : Органическое соединение, обычно используемое в качестве хладагента. Больше не используется из-за эффекта разрушения озонового слоя.

ЛИЦЕНЗИИ И АВТОРСТВО

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ​​ПРЕДОСТАВЛЕННОЕ РАНЕЕ

• Курирование и пересмотр. Предоставлено : Boundless.com. Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

CC ЛИЦЕНЗИОННОЕ СОДЕРЖИМОЕ, ​​КОНКРЕТНОЕ АВТОРСТВО

• Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• первый закон термодинамики. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/the%20f…термодинамика . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• энтропия. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/entropy . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStaxCNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Тепловая машина. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Heat_engine . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//physics/de…nternal-energy . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Тепловая энергия. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Thermal_energy . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42235/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//physics/de…thermodynamics . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike

Тепловая машина

• . Предоставлено : Викисловарь. Расположен по адресу : en. wiktionary.org/wiki/heat_engine . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: неизвестно Авторские права . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStaxCNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 16 января 2015 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42235/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 17 сентября 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx. org/content/m42236/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Тепловой насос. Предоставлено : Википедия. Расположен по адресу : en.Wikipedia.org/wiki/Heat_pump . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Безграничный. Предоставлено : Безграничное обучение. Расположен по адресу : www.boundless.com//physics/definition/cfc . Лицензия : CC BY-SA: Attribution-ShareAlike
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Термодинамика и тепловые двигатели. Расположен по адресу : http://www.youtube.com/watch?v=I4_AfJo17qQ . Лицензия : Общественное достояние: Нет данных Copyright . Условия лицензии : Стандартная лицензия YouTube
• Колледж OpenStax, Колледж физики. 13 февраля 2013 г. Предоставлено : OpenStax CNX. Расположен по адресу : http://cnx.org/content/m42234/latest…ol11406/latest . Лицензия : CC BY: Attribution
• Колледж OpenStax, Колледж физики.