Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей

Подробности

Просмотров: 1107

«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 < Q₁.

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т₁. Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл — это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А’ = Q₁ — |Q₂|,         (13.15)

где Q₁ — количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796—1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

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 < V₁. Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V₁ и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

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

Следующая страница «Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»»

Назад в раздел «Физика — 10 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский»

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

Насыщенный пар —
Давление насыщенного пара —
Влажность воздуха —
Примеры решения задач по теме «Насыщенный пар. Влажность воздуха» —
Кристаллические тела —
Аморфные тела —
Внутренняя энергия —
Работа в термодинамике —
Примеры решения задач по теме «Внутренняя энергия. Работа» —
Количество теплоты. Уравнение теплового баланса —
Примеры решения задач по теме: «Количество теплоты. Уравнение теплового баланса» —
Первый закон термодинамики —
Применение первого закона термодинамики к различным процессам —
Примеры решения задач по теме: «Первый закон термодинамики» —
Второй закон термодинамики —
Статистический характер второго закона термодинамики —
Принцип действия тепловых двигателей. Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых двигателей —
Примеры решения задач по теме: «КПД тепловых двигателей»

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

//www.youtube.com/embed/wfZuvZiU4Qk

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.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 11 чел.
Средний рейтинг: 4.5 из 5.

Термодинамика

Термодинамика

Тепло
двигатели преобразуют внутреннюю энергию в механическую энергию.

работу обратимой тепловой машины можно описать на ФВ
диаграмма.

КПД обратимой тепловой машины зависит от
температуры, между которыми он работает.

Мы
опишет тепловую машину с помощью такой диаграммы:

Вопрос _ч = Q _с +
Вт

КПД тепловой машины
описывает, насколько эффективно он превращает теплоту в работу.

---

Сади Карно

Принцип Карно: An
необратимая тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами при
постоянные температуры не могут иметь КПД больше, чем
обратимой тепловой машины, работающей между двумя
температуры.

Следствие: Все обратимы
тепловые двигатели, работающие при одинаковых температурах, имеют
такая же эффективность .

Цикл Карно:

Реверсивный «двигатель» Карно использует
изотермические и адиабатические процессы между двумя резервуарами тепла при
температуры Т _ч (горячая) и Т _с
(холодно).

A Цикл Карно также может быть
представлен на диаграмме PV.

---

Холодильник — это тепловая машина, обкатываемая в
реверс .

Вт + Q _с =
Q _ч

---

Другой формой второго закона термодинамики является
что

Невозможно сделать
тепловой двигатель, единственным действием которого является поглощение тепла от
области высоких температур и превратить все это тепло в
Работа.

То есть нельзя
спроектировать тепловую машину, которая отдает , а не тепла отработавших газов.
Окружающая среда.

Или невозможно спроектировать
тепловой двигатель с КПД 1,00 или 100%.

Если бы мы могли разработать такой 100%
эффективную тепловую машину, тогда мы могли бы использовать эту тепловую машину
для питания холодильника. И чистый результат этой комбинации
было бы заставить тепло течь от холодной температуры к высокой
температура.

и , что возвращает нас к нашему
оригинальное утверждение Второго Закона
Термодинамика:

Секунда Закон			Настоящее тепло Двигатели
Возврат в ToC, Нагрев Трансфер

(c) 2002 г. , Дуг Дэвис; все права защищены

12.4 Применение термодинамики: тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

Цели обученияТепловые двигатели, тепловые насосы и холодильникиТепловая эффективностьРешение задач тепловой эффективностиПрактические задачиПроверьте свое понимание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее: а холодильники работают по законам термодинамики

• Опишите тепловой КПД
• Решение проблем, связанных с тепловой эффективностью

Тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники

В этом разделе мы рассмотрим, как работают тепловые двигатели, тепловые насосы и холодильники с точки зрения законов термодинамики.

Одна из самых важных вещей, которые мы можем делать с теплом, — использовать его для выполнения работы за нас. Тепловая машина делает именно это — она использует свойства термодинамики для преобразования тепла в работу. Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины, вырабатывающие электроэнергию, — все это примеры тепловых двигателей.

На рис. 12.13 показан один из способов передачи энергии теплом для выполнения работы. Сгорание топлива высвобождает химическую энергию, которая передается через газ в цилиндре. Это увеличивает температуру газа, что, в свою очередь, увеличивает давление газа и, следовательно, силу, которую он оказывает на подвижный поршень. Газ действует на внешний мир, так как эта сила перемещает поршень на некоторое расстояние. Таким образом, передача тепла газу в цилиндре приводит к совершению работы.

Рисунок 12.13 (a) Теплопередача газу в цилиндре увеличивает внутреннюю энергию газа, создавая более высокое давление и температуру. б) Сила, действующая на подвижный цилиндр, совершает работу при расширении газа. Давление и температура газа уменьшаются во время расширения, что указывает на то, что внутренняя энергия газа уменьшилась во время его работы. (c) Теплопередача энергии в окружающую среду еще больше снижает давление в газе, так что поршень может легче вернуться в исходное положение.

Чтобы повторить этот процесс, необходимо вернуть поршень в исходную точку. Тепло теперь передает энергию от газа к окружающей среде, так что давление газа уменьшается, а окружающая среда прикладывает силу, чтобы оттолкнуть поршень назад на некоторое расстояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в баллоне, в исходное состояние в конце каждого цикла. Все тепловые двигатели используют циклические процессы.

Тепловые двигатели работают, используя часть энергии, переданной теплом от какого-либо источника. Как показано на рис. 12.14, тепло передает энергию QhQh от высокотемпературного объекта (или горячего резервуара), тогда как тепло передает неиспользованную энергию QcQc низкотемпературному объекту (или холодному резервуару), а работа, выполненная двигатель Вт . В физике резервуар определяется как бесконечно большая масса, которая может поглощать или отдавать неограниченное количество тепла в зависимости от потребностей системы. Температура горячего резервуара равна Th,Th, а температура холодного резервуара равна TcTc.

Рис. 12.14 (а) Тепло самопроизвольно передает энергию от горячего объекта к холодному, что согласуется со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть энергии, переданной теплом, для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Q _h — теплота из горячего резервуара, W — выходная мощность, Q _c — неиспользованное тепло в холодном резервуаре.

Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия такой системы, U , одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть ΔU=0ΔU=0 . Первый закон термодинамики утверждает, что ΔU=Q−W, ΔU=Q−W, где Q — это чистая теплопередача во время цикла, а Вт – это чистая работа, выполненная системой. Чистая теплопередача представляет собой энергию, передаваемую теплом из горячего резервуара, за вычетом количества, переданного в холодный резервуар (Q=Qh-QcQ=Qh-Qc). Поскольку за полный цикл внутренняя энергия не меняется (ΔU=0ΔU=0), мы имеем

12.200=Q-W,0=Q-W,

так что

12.21W=Q.W=Q.

Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна полезному теплу, поступающему в систему, или

12,22W=Qh-QcW=Qh-Qc

для циклического процесса.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что является энергоемким процессом, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле мы хотим, чтобы Вт равнялось QhQh, и чтобы не было тепла в окружающую среду (то есть Qc=0Qc=0). К сожалению, это невозможно. Согласно второму закону термодинамики, тепловые двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплоты в работу. Напомним, что энтропия — это мера беспорядка в системе, а также то, сколько энергии недоступно для выполнения работы. Второй закон термодинамики требует, чтобы полная энтропия системы либо увеличивалась, либо оставалась постоянной в любом процессе. Следовательно, существует минимальное количество QhQh, которое нельзя использовать для работы. Количество тепла, отводимого в холодный резервуар, Qc,Qc, зависит от эффективности тепловой машины. Чем меньше увеличение энтропии, ΔSΔS, тем меньше значение QcQc и тем больше тепловой энергии доступно для совершения работы.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники используют теплопередачу энергии от низких до высоких температур, что противоположно тому, что делают тепловые двигатели. Тепло переносит энергию QcQc из холодного резервуара и отдает энергию QhQh в горячий. Для этого требуется работа, Вт , которая обеспечивает передачу энергии в виде тепла. Следовательно, общая теплоотдача в горячий резервуар составляет

12.23Qh=Qc+W.Qh=Qc+W.

Целью теплового насоса является передача энергии посредством тепла в теплую среду, например, в дом зимой. Большим преимуществом использования теплового насоса для обогрева вашего дома, а не просто сжигания топлива в камине или печи, является то, что тепловой насос обеспечивает Qh=Qc+WQh=Qc+W. Тепло QcQc поступает из наружного воздуха, даже при минусовой температуре, во внутреннее помещение. Вы платите только за W , и вы получаете дополнительную теплоотдачу QcQc снаружи бесплатно. Во многих случаях в отапливаемое помещение передается как минимум в два раза больше энергии, чем используется для работы теплового насоса. Когда вы сжигаете топливо, чтобы согреться, вы платите за все это. Недостаток теплового насоса заключается в том, что ввод работы (требуемой вторым законом термодинамики) иногда обходится дороже, чем простое сжигание топлива, особенно если работа обеспечивается за счет электроэнергии.

Основные компоненты теплового насоса показаны на рис. 12.15. Используется рабочая жидкость, например хладагент. В наружных змеевиках (испарителях) тепло QcQc поступает в рабочее тело из холодного наружного воздуха, превращая его в газ.

Рис. 12.15 Простой тепловой насос состоит из четырех основных компонентов: (1) испарителя, (2) компрессора, (3) конденсатора и (4) расширительного клапана. В режиме обогрева тепло QcQc отдает рабочему телу в испарителе (1) от более холодного наружного воздуха, превращая его в газ. Компрессор с электрическим приводом (2) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора (3) внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры в помещении, тепло передает энергию от газа в помещение по мере того, как газ конденсируется в жидкость. Затем рабочая жидкость охлаждается, возвращаясь через расширительный клапан (4) к змеевикам наружного испарителя.

Компрессор с электрическим приводом (рабочая мощность Вт ) повышает температуру и давление газа и нагнетает его в змеевики конденсатора, находящиеся внутри отапливаемого помещения. Поскольку температура газа выше температуры внутри помещения, тепло передает энергию помещению, и газ конденсируется в жидкость. Затем жидкость течет обратно через расширительный (редукционный) клапан. Жидкость, охлажденная за счет расширения, возвращается в змеевики наружного испарителя, чтобы возобновить цикл.

О качестве теплового насоса судят по тому, сколько энергии передается теплом в теплое помещение (QhQh) по сравнению с тем, сколько требуется входной работы ( Вт ).

Предупреждение о неправильном понимании

Помните, что холодильники и кондиционеры не создают холод. Они просто передают тепло изнутри наружу.

Вернитесь к законам идеального газа, законам термодинамики и энтропии. Используйте их, чтобы понять работу кондиционеров и холодильников. Это также даст вам возможность оценить свое понимание этих концепций. И в холодильниках, и в кондиционерах используются химические вещества, которые могут легко переходить из жидкого состояния в газообразное и обратно. Химикат присутствует в замкнутом контуре трубки. Первоначально он находится в газообразном состоянии. Компрессор работает, чтобы сжать частицы газа химического вещества ближе друг к другу, создавая высокое давление. Согласно закону идеального газа, с увеличением давления растет и температура. Этот горячий плотный газ распространяется по маленьким трубочкам или ребрам конденсатора, расположенного на внешней части кондиционера (и на задней стенке холодильника). Ребра вступают в контакт с наружным воздухом, который холоднее, чем сжатый химикат, и, следовательно, как показывает энтропия, тепло передает энергию от горячего конденсатора относительно более холодному воздуху. В результате газ охлаждается и превращается в жидкость. Затем эту жидкость пропускают к испарителю через крошечное узкое отверстие. По другую сторону отверстия газ растекается (энтропия возрастает), а его давление падает. Следовательно, по закону идеального газа уменьшается и его температура. Вентилятор нагнетает воздух через этот уже остывший испаритель в комнату или холодильник (рис. 12.16).

Рис. 12.16 Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники — это тепловые двигатели, работающие в обратном направлении. Почти в каждом доме есть холодильник. Большинство людей не понимают, что они также делят свои дома с тепловым насосом.

Кондиционеры и холодильники предназначены для охлаждения веществ путем передачи энергии посредством теплоты QcQc из более прохладной среды в более теплую, в которой отдается тепло QhQh. В случае с холодильником тепло перемещается из внутренней части холодильника в окружающее помещение. Для кондиционера тепло передается наружу из дома. Тепловые насосы также часто используются для охлаждения помещений летом.

Как и в случае с тепловыми насосами, для передачи тепла от холодного к горячему требуется затрата работы. О качестве кондиционеров и холодильников судят по тому, сколько энергии отводится теплом QcQc из холодной среды по сравнению с тем, сколько работы, Вт , требуется. Итак, то, что считается энергетическим преимуществом в тепловом насосе, считается отходящим теплом в холодильнике.

Термическая эффективность

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Проблема в том, что во всех процессах присутствует некоторое количество теплоты QcQc, передающее энергию в окружающую среду, и обычно очень значительная сумма при этом. Одним из способов количественной оценки эффективности работы машины является величина, называемая тепловым КПД.

Мы определяем тепловой КПД, Eff , как отношение выхода полезной энергии к подводимой энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). Эффективность тепловой машины равна выходу полезной работы Вт , деленной на переданную двигателю энергию QhQh; это

12.24Eff=WQh.Eff=WQh.

КПД 1, или 100 процентов, был бы возможен только в том случае, если бы не было тепла в окружающую среду (Qc=0Qc=0 ).

Советы по достижению успеха

Все значения тепла (QhQh и QcQc) положительны; нет такой вещи, как отрицательное тепло. Направление тепла указывается знаком плюс или минус. Например, QcQc находится вне системы, поэтому в уравнении полезного тепла ему предшествует знак минус.

12.25Q=Qh-QcQ=Qh-Qc

Решение проблем с тепловой эффективностью

Пример работы

Ежедневная работа угольной электростанции и ее эффективность

Угольная электростанция — это огромная тепловая машина. Он использует тепло для передачи энергии от сжигания угля для выполнения работы по вращению турбин, которые затем используются для выработки электроэнергии. За один день крупная угольная электростанция передает 2,50×1014 Дж2,50×1014 Дж тепла от сжигания угля и отдает 1,48×1014 Дж1,48×1014 Дж тепла в окружающую среду. а) Какую работу совершает электростанция? б) Каков КПД электростанции?

СТРАТЕГИЯ

Мы можем использовать W=Qh-QcW=Qh-Qc, чтобы найти выход работы, W , при условии, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для запуска паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл.

Решение

Результат работы определяется выражением

12.26W=Qh-Qc.W=Qh-Qc.

Подставляя данные значения,

12,27W=2,50×1014Дж−1,48×1014Дж=1,02×1014Дж.

СТРАТЕГИЯ

КПД можно рассчитать с помощью Eff=WQhEff=WQh, поскольку задано QhQh, а работа, W , была рассчитана в первой части этого примера.

Решение

Эффективность определяется выражением

12.28Eff=WQh.Eff=WQh.

Работа, Вт , равна 1,02×1014J1,02×1014Дж, а QhQh задано (2,50×1014J2,50×1014Дж), поэтому эффективность равна

12,29Eff=1,02×1014J2,50× 1014J=0,408 или 40,8%.Eff=1,02×1014J2,50×1014J=0,408 или 40,8%.

Обсуждение

Найденный КПД близок к обычному значению 42% для угольных электростанций. Это означает, что целых 59,2 процента энергии передается в окружающую среду с помощью тепла, что обычно приводит к нагреванию озер, рек или океана вблизи электростанции и в целом связано с потеплением планеты. В то время как законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, энергия, передаваемая теплом окружающей среде, может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов.

Практические задания

Тепловая машина отдает 120 Дж тепла и выделяет 20 Дж тепла в окружающую среду. Каков объем работы, выполняемой системой?

1. −100 Дж
2. −60 Дж
3. 60Дж
4. 100Дж

Тепловая машина получает 6,0 кДж тепла и производит отработанное тепло 4,8 кДж. Какова его эффективность?

1. 25 процентов
2. 2,50 процента
3. 2,00 процента
4. 20 процентов

Проверьте свое понимание

Упражнение 13

Что такое тепловая машина?

1. Тепловая машина преобразует механическую энергию в тепловую.
2. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в механическую.
3. Тепловая машина преобразует тепловую энергию в электрическую.
4. Тепловая машина преобразует электрическую энергию в тепловую.

Упражнение 14

Приведите пример тепловой машины.

1. Генератор
2. Аккумулятор
3. Водяной насос
4. Автомобильный двигатель

Упражнение 15

Что такое тепловой КПД?

1. Тепловой КПД – это отношение подводимой работы к подводимой энергии.
2. Термический КПД – это отношение произведенной работы к затраченной энергии.
3. Тепловой КПД – это отношение вложенной работы к выходной энергии.
4. Термический КПД – это отношение объема работы к выходу энергии.