Тепловые двигатели, цикл Карно, коэффициент полезного действия, прямой и обратный цикл теплового двигателя

Физика->Термодинамика->тепловые двигатели->

Тестирование онлайн

• Тепловые двигатели. Основные понятия

• Тепловые двигатели, КПД

Тепловой двигатель

Двигатель, в котором происходит превращение внутренней энергии топлива, которое сгорает, в механическую работу.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).

Прямой цикл теплового двигателя

Общее свойство всех циклических (или круговых) процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁ (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q₂, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q₁-Q₂, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

Обратный цикл холодильной машины

При обратном цикле расширение происходит при меньшем давлении, а сжатие — при большем. Поэтому работа сжатия больше, чем работа расширения, работу выполняет не рабочее тело, а внешние силы. Эта работа превращается в теплоту. Таким образом, в холодильной машине рабочее тело забирает от холодильника некоторое количество теплоты Q₁ и передает нагревателю большее количество теплоты Q₂.

Коэффициент полезного действия

Прямой цикл:

Показатель эффективности холодильной машины:

Цикл Карно

В тепловых двигателях стремятся достигнуть наиболее полного превращения тепловой энергии в механическую. Максимальное КПД.

На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом. Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного действия у карбюраторного двигателя порядка 30%, у дизельного двигателя – порядка 40 %.

Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном газом цилиндре. Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q₁ и изотермически расширяется при температуре T₁

участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T₂

участок 3-4: газ экзотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q₂

участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T₁.

Работа, которую выполняет рабочее тело — площадь полученной фигуры 1234.

Функционирует такой двигатель следующим образом:

1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

КПД цикла Карно не зависит от вида рабочего тела

для холодильной машины

В реальных тепловых двигателях нельзя создать условия, при которых их рабочий цикл был бы циклом Карно. Так как процессы в них происходят быстрее, чем это необходимо для изотермического процесса, и в то же время не настолько быстрые, чтоб быть адиабатическими.

V. Идеальная тепловая машина. Цикл Карно.

Во всех реальных тепловых машинах
происходят те или иные потери энергии.

1. – контакт рабочего тела с нагревателем

(1-2) – изотермическое расширение, от
нагревателя отбирается тепло Q

2. – прекращение контакта рабочего тела
   с нагревателем

(2-3) – адиабатическое расширение. Uуменьшается и температура понижаетсяT_X<T_H

3. – контакт с холодильником (Т_Х)

(3-4) – изотермическое сжатие. Тепло
отбирается холодильником от рабочего
тела

4. – прекращение контакта с холодильником

(4-1) – адиабатическое сжатие, Uувеличивается и температура повышается
до Т_исх

Q_H–Q_X=A_цикла

– работа изотермического расширения

– работа изотермического сжатия

По определению КПДтепловой
машины – это отношение полезной работы
за цикл к затраченной энергии нагревателя.

Используя уравнение адиабаты:

Теорема Карно:–КПД цикла Карно идеальной тепловой
машины

Цикл Карно обратим, т.к. все его составные
части являются равновесными процессами.

Поэтому машина, работающая по циклу
Карно, может работать не только в качестве
тепловой машины (прямой цикл), но и в
качестве холодильной (обратный цикл).
Отнятие тепла от более холодного тела
(фреон) и передача его более нагретому
(окружающая среда) совершается за счет
работы внешних сил (электрическая
энергия). Иногда используют обратный
цикл для нагревания тел – эти устройства
называется тепловыми насосами.

Т.к. T_x≠ 0, то η < 1. Отметим также, что для
работы тепловых машин всегда требуются
два тепловых термостата. Конечно, если
взять только один термостат, то, пользуясь
им, можно изотермическим расширением
рабочего вещества получить полезную
работу, но в реальных условиях не может
быть бесконечного расширения, для работы
машины необходимо периодическое
возвращение рабочего вещества в начальное
состояние.

В циклическом процессе нельзя получить
работу, пользуясь одним только тепловым
резервуаром.

Таблица №1 к разделу III

Примечания:

1. Индексы 1 и 2 – начальное и конечное
   состояние.

2. Все величины выражены в одной системе.

3. Даны основные соотношение для равновесных
   процессов, совершаемых идеальным газом,
   m=const,C_V=const,C_P=const.

4. Работа совершается системой против
   внешнего давления dA>
   0

15.4: Идеальная тепловая машина Карно. Второй закон термодинамики в новой редакции

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• OpenStax
• OpenStax

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Идентифицировать цикл Карно.
• Рассчитайте максимальный теоретический КПД ядерного реактора.
• Объясните, как диссипативные процессы влияют на идеальную машину Карно.

Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть на 100% эффективнее, так как всегда должна быть некоторая теплопередача \(Q_c\) в окружающую среду, которую часто называют отработанным теплом. Насколько эффективной может быть тепловая машина? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил в 1824 г. молодой французский инженер Сади Карно (179 г.6–1832), в своем исследовании появившейся тогда технологии теплового двигателя, имеющей 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, таким образом, Карно на самом деле открыл этот фундаментальный закон. Любая тепловая машина, использующая цикл Карно, называется двигателем Карно .

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Эта новая игрушка, известная как пьющая птица, является примером двигателя Карно. Он содержит хлористый метилен (смешанный с красителем) в брюшной полости, который кипит при очень низкой температуре — около 100°F. Для работы нужно намочить голову птицы. Когда вода испаряется, жидкость поднимается в голову, заставляя птицу утяжеляться и нырять вперед обратно в воду. Это охлаждает хлористый метилен в голове, и он перемещается обратно в брюшную полость, в результате чего низ птицы становится тяжелым, и она опрокидывается вверх. Если не считать очень небольшого вклада энергии — первоначального смачивания головы — птица становится своего рода вечным двигателем. (кредит: Arabesk.nl, Викисклад)

Важнейшее значение цикла Карно — и, по сути, его определение — заключается в том, 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.

Двигатель Карно

Сформулированный в терминах обратимых процессов, второй закон термодинамики имеет третью форму:

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.

На рисунке \(\PageIndex{2}\) показана диаграмма \(PV\) для цикла Карно. Цикл включает два изотермических и два адиабатических процесса. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

Карно также определил КПД идеальной тепловой машины, то есть машины Карно. Всегда верно, что эффективность циклической тепловой машины определяется формулой: \[Eff = \dfrac{Q_h — Q_c}{Q_h} = 1 — \dfrac{Q_c}{Q_h}.\] Карно обнаружил, что для в идеальной тепловой машине 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 максимум или Эффективность Карно \(Eff_c\) определяется выражением \[Eff_c = 1 — \dfrac{T_c}{T_h},\], где \(T_h\) и \(T_c\) выражены в градусах Кельвина (или любая другая абсолютная температура). шкала). Ни одна 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. Но идеальный двигатель Карно, как и пьющая птица выше, хотя и является увлекательной новинкой, но имеет нулевую мощность. Это делает его нереальным для любых приложений.

Интересный результат Карно подразумевает, что 100-процентная эффективность была бы возможна, только если \(T_c = 0\), то есть только если бы холодный резервуар был при абсолютном нуле, что практически и теоретически невозможно. Но физический смысл таков: единственный способ заставить всю теплопередачу совершать работу — убрать все тепловой энергии, а для этого нужен холодный резервуар при абсолютном нуле.

Также очевидно, что наибольшая эффективность достигается, когда отношение \(T_c/T_h\) как можно меньше. Как обсуждалось для цикла Отто в предыдущем разделе, это означает, что эффективность максимальна при максимально возможной температуре горячего резервуара и минимально возможной температуре холодного резервуара. (Эта установка увеличивает площадь внутри замкнутого контура на диаграмме \(PV\); кроме того, кажется разумным, что чем больше разница температур, тем легче направить теплопередачу на работу.) Тепловая машина обычно связана с типом источника тепла и температурой окружающей среды, в которую происходит передача тепла. Рассмотрим следующий пример.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): диаграмма \(PV\) для цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплопередача \(Q_h\) в рабочее тело происходит на изотермическом пути AB, который происходит при постоянной температуре \(T_h\). Теплопередача \(Q_c\) происходит от рабочего тела по изотермическому пути CD, который протекает при постоянной температуре \(T_c\). Чистый выход \(W\) равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах \(T_h\) и \(T_c\). Любая тепловая машина, использующая обратимые процессы и работающая между этими двумя температурами, будет иметь такой же максимальный КПД, как и машина Карно. 9oC\), а затем снова нагревают, чтобы начать цикл сначала. Рассчитайте максимальный теоретический КПД тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.

Рисунок \(\PageIndex{3}\). Принципиальная схема ядерного реактора с водой под давлением и паровых турбин, преобразующих работу в электрическую энергию. Теплообмен используется для производства пара, отчасти для того, чтобы избежать загрязнения генераторов радиоактивностью. Две турбины используются, потому что это дешевле, чем работа одного генератора, который производит такое же количество электроэнергии. Пар конденсируется в жидкость перед возвратом в теплообменник, чтобы поддерживать низкое давление пара на выходе и способствовать прохождению пара через турбины (эквивалентно использованию холодного резервуара с более низкой температурой). Значительная энергия, связанная с конденсацией, должна рассеиваться в окружающей среде; в этом примере используется градирня, поэтому прямая передача тепла в водную среду отсутствует. (Обратите внимание, что вода, поступающая в градирню, не контактирует с паром, проходящим через турбины.) 9оС\) соответственно. Тогда в кельвинах \(T_h = 573 \, K\) и \(T_c = 300 \, K\), так что максимальная эффективность равна \[Eff_c = 1 — \dfrac{T_c}{T_h}.\] Таким образом, \[Eff_c = 1 — \dfrac{300 \, K}{573 \, K}\]\[= 0,476, \, или \, 47,6 \%.\]

Обсуждение

Типичный ядерный фактический КПД электростанции составляет около 35%, что чуть лучше, чем в 0,7 раза от максимально возможного значения, что является данью превосходной инженерной мысли. Электростанции, работающие на угле, нефти и природном газе, имеют больший фактический КПД (около 42%), потому что их котлы могут достигать более высоких температур и давлений. Температура холодного резервуара на любой из этих электростанций ограничена местными условиями. На рисунке \(\PageIndex{4}\) показан (а) внешний вид атомной электростанции и (б) внешний вид угольной электростанции. У обоих есть градирни, в которые вода из конденсатора поступает в градирню в верхней части и распыляется вниз, охлаждаясь за счет испарения.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): (a) Атомная электростанция (фото: BlatantWorld.com) и (b) угольная электростанция. Оба имеют градирни, в которых вода испаряется в окружающую среду, представляя \(Q_c\). Ядерный реактор, поставляющий \(Q_h\), размещен внутри куполообразной защитной оболочки. (кредит: Роберт и Михаэла Викол, publicphoto.org)

Поскольку все реальные процессы необратимы, фактическая эффективность тепловой машины никогда не может быть такой же высокой, как у машины Карно, как показано на рисунке \(\PageIndex{5} \)(а). Даже при наличии наилучшей тепловой машины в периферийном оборудовании, таком как электрические трансформаторы или автомобильные трансмиссии, всегда присутствуют диссипативные процессы. Это еще больше снижает общую эффективность за счет преобразования части выходной мощности двигателя обратно в теплопередачу, как показано на рисунке \(\PageIndex{5}\)(b).

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Настоящие тепловые двигатели менее эффективны, чем двигатели Карно. (а) В реальных двигателях используются необратимые процессы, уменьшающие передачу тепла на работу. Сплошные линии представляют реальный процесс; пунктирные линии — это то, что двигатель Карно сделал бы между теми же двумя резервуарами. б) Трение и другие диссипативные процессы в выходных механизмах тепловой машины преобразуют часть ее работы в теплопередачу окружающей среде.

Резюме

• Цикл Карно — это теоретический цикл, который является наиболее эффективным из возможных циклических процессов. Любой двигатель, использующий цикл Карно, в котором используются только обратимые процессы (адиабатический и изотермический), известен как двигатель Карно.
• Любой двигатель, использующий цикл Карно, обладает максимальным теоретическим КПД.
• Хотя двигатели Карно являются идеальными двигателями, в действительности ни один двигатель не достигает теоретического максимального КПД Карно, поскольку определенную роль играют диссипативные процессы, такие как трение. Циклы Карно без потери тепла могут быть возможны при абсолютном нуле, но это никогда не наблюдалось в природе.

Глоссарий

Цикл Карно

циклический процесс, в котором используются только обратимые процессы, адиабатические и изотермические процессы

Двигатель Карно

тепловой двигатель, использующий цикл Карно

Эффективность Карно

максимальный теоретический КПД тепловой машины

Эта страница под названием 15.4: Идеальная тепловая машина Карно. Второй закон термодинамики в новой редакции распространяется под лицензией CC BY 4.0 и была создана, изменена и/или курирована OpenStax посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу.

1. Наверх

• Была ли эта статья полезной?

1. Тип изделия

   Раздел или Страница

   Автор

   ОпенСтакс

   Лицензия

   СС BY

   Версия лицензии

   4,0

   Программа OER или Publisher

   ОпенСтакс

   Показать оглавление

   нет

2. Теги

   1. Цикл Карно
   2. Эффективность Карно
   3. Двигатель Карно
   4. источник@https://openstax. org/details/books/college-physics

Второй закон термодинамики в новой редакции — College Physics: OpenStax

Глава 15 Термодинамика

Резюме

• Определение цикла Карно.
• Рассчитайте максимальный теоретический КПД ядерного реактора.
• Объясните, как диссипативные процессы влияют на идеальную машину Карно.

Рисунок 1. Эта новая игрушка, известная как пьющая птица, является примером двигателя Карно. Он содержит хлористый метилен (смешанный с красителем) в брюшной полости, который кипит при очень низкой температуре — около 100ºF . Для работы нужно намочить голову птицы. Когда вода испаряется, жидкость поднимается в голову, заставляя птицу утяжеляться и нырять вперед обратно в воду. Это охлаждает хлористый метилен в голове, и он перемещается обратно в брюшную полость, в результате чего низ птицы становится тяжелым, и она опрокидывается вверх. Если не считать очень небольшого вклада энергии — первоначального смачивания головы — птица становится своего рода вечным двигателем. (кредит: Arabesk.nl, Wikimedia Commons)

Из второго закона термодинамики мы знаем, что тепловая машина не может быть на 100 % эффективнее, поскольку всегда должна существовать некоторая теплопередача[латекс]\boldsymbol{Q _{\textbf{c} }}[/latex]в окружающую среду, которую часто называют отходящим теплом. Насколько эффективной может быть тепловая машина? На этот вопрос на теоретическом уровне ответил в 1824 г. молодой французский инженер Сади Карно (179 г.6–1832), в своем исследовании появившейся тогда технологии теплового двигателя, имеющей 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, таким образом, Карно на самом деле открыл этот фундаментальный закон. Любая тепловая машина, использующая цикл Карно, называется двигателем Карно .

Важным для цикла Карно — и, по сути, его определением — является то, что используются только обратимые процессы. Необратимые процессы связаны с диссипативными факторами, такими как трение и турбулентность. Это увеличивает передачу тепла[латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}}[/латекс]в окружающую среду и снижает эффективность двигателя. Очевидно, что обратимые процессы предпочтительнее.

ДВИГАТЕЛЬ КАРНО

Сформулированный в терминах обратимых процессов, второй закон термодинамики имеет третью форму:

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.

На рис. 2 показана[latex]\boldsymbol{PV}[/latex]диаграмма цикла Карно. Цикл включает два изотермических и два адиабатических процесса. Напомним, что и изотермические, и адиабатические процессы в принципе обратимы.

Карно также определил КПД идеальной тепловой машины, то есть машины Карно. Всегда верно, что КПД циклической тепловой машины определяется выражением:

.

[латекс]\boldsymbol{Эфф\:=}[/латекс][латекс]\boldsymbol{\frac{Q _{\textbf{h}} -Q _{\textbf{c}}}{Q _{\textbf{h }}}}[/латекс][латекс]\boldsymbol{=1-}[/латекс][латекс]\boldsymbol{\frac{Q_{\textbf{c}}}{Q_{\textbf{h}}} }.[/латекс]

Карно обнаружил, что для идеальной тепловой машины отношение[латекс]\жирныйсимвол{Q_{\textbf{c}}/Q_{\textbf{h}}}[/латекс] равно отношению абсолютных температур тепловые резервуары. То есть [латекс]\boldsymbol{Q_{\textbf{c}}/Q_{\textbf{h}}=T_{\textbf{c}}/T_{\textbf{h}}}[/latex]для двигатель Карно, так что максимум или Эффективность Карно [латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}}[/латекс] определяется как

[латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}=1-}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{T_{\textbf{c}}}{T_{\textbf{h}} }},[/латекс]

, где[latex]\boldsymbol{T_{\textbf{h}}}[/latex]и[latex]\boldsymbol{T_{\textbf{c}}}[/latex]выражаются в градусах Кельвина (или любая другая абсолютная температура шкала). Ни одна 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. Но идеальный двигатель Карно, как и пьющая птица выше, хотя и является увлекательной новинкой, но имеет нулевую мощность. Это делает его нереальным для любых приложений.

Интересный результат Карно подразумевает, что 100%-ная эффективность была бы возможна, только если[latex]\boldsymbol{T_{\textbf{c}}=0\textbf{K}}[/latex]—то есть, при абсолютном нуле, практическая и теоретическая невозможность. Но физический смысл таков: единственный способ заставить всю теплопередачу пойти на работу — это удалить всю тепловую энергию, а для этого требуется холодный резервуар при абсолютном нуле.

Также очевидно, что наибольшая эффективность достигается, когда соотношение [латекс]\жирныйсимвол{Т_{\textbf{с}}/Т_{\текстbf{h}}}[/латекс] является как можно меньшим. Как обсуждалось для цикла Отто в предыдущем разделе, это означает, что эффективность максимальна при максимально возможной температуре горячего резервуара и минимально возможной температуре холодного резервуара. (Эта установка увеличивает площадь внутри замкнутого контура на диаграмме [латекс]\boldsymbol{PV}[/латекс]; кроме того, кажется разумным, что чем больше разница температур, тем легче направить теплопередачу на работу. ) Фактические температуры резервуара тепловой машины обычно связаны с типом источника тепла и температурой окружающей среды, в которую происходит передача тепла. Рассмотрим следующий пример.

Рис. 2. PV диаграмма цикла Карно, использующего только обратимые изотермические и адиабатические процессы. Теплопередача Q _h происходит в рабочее тело на изотермическом пути AB, который протекает при постоянной температуре Th. Теплообмен Q _c происходит вне рабочего тела по изотермическому пути CD, который происходит при постоянной температуре T _с . Чистый результат работы W равен площади внутри пути ABCDA. Также показана схема двигателя Карно, работающего между горячим и холодным резервуарами при температурах T _h и T _c . Любая тепловая машина, использующая обратимые процессы и работающая между этими двумя температурами, будет иметь такой же максимальный КПД, как и машина Карно.

Пример 1: Максимальная теоретическая эффективность ядерного реактора 9{\circ}\textbf{C}}[/latex], а затем снова нагревают, чтобы начать цикл заново. Рассчитайте максимальный теоретический КПД тепловой машины, работающей между этими двумя температурами.

Рис. 3. Принципиальная схема ядерного реактора с водой под давлением и паровых турбин, преобразующих работу в электрическую энергию. Теплообмен используется для производства пара, отчасти для того, чтобы избежать загрязнения генераторов радиоактивностью. Две турбины используются, потому что это дешевле, чем работа одного генератора, который производит такое же количество электроэнергии. Пар конденсируется в жидкость перед возвратом в теплообменник, чтобы поддерживать низкое давление пара на выходе и способствовать прохождению пара через турбины (эквивалентно использованию холодного резервуара с более низкой температурой). Значительная энергия, связанная с конденсацией, должна рассеиваться в окружающей среде; в этом примере используется градирня, поэтому прямая передача тепла в водную среду отсутствует. (Обратите внимание, что вода, поступающая в градирню, не контактирует с паром, проходящим через турбины.) 9{\circ}\textbf{C}},[/latex] соответственно. Тогда в кельвинах [латекс]\boldsymbol{T_{\textbf{h}}=573\textbf{K}}[/latex]и[латекс]\boldsymbol{T_{\textbf{c}}=300\textbf { K}},[/latex], так что максимальная эффективность равна

[латекс]\boldsymbol{Eff _{\textbf{C}}=1-}[/latex][латекс]\boldsymbol{\frac{T_{ \textbf{c}}}{T_{\textbf{h}}}}.[/latex]

Таким образом,

[латекс]\begin{array}{lcl} \boldsymbol{Eff_{\textbf{C} }} & \boldsymbol{=} & \boldsymbol{1-\frac{300\textbf{ K}}{573\textbf{ K}}} \\ {} & \boldsymbol{=} & \boldsymbol{0. 476\textbf {, или }47,6\%.} \end{массив}[/latex]

Обсуждение

Фактический КПД типичной атомной электростанции составляет около 35%, что немногим лучше, чем 0,7 раза от максимально возможного значения, что является данью превосходной инженерной мысли. Электростанции, работающие на угле, нефти и природном газе, имеют больший фактический КПД (около 42%), потому что их котлы могут достигать более высоких температур и давлений. Температура холодного резервуара на любой из этих электростанций ограничена местными условиями. На рис. 4 показан (а) внешний вид атомной электростанции и (б) внешний вид угольной электростанции. У обоих есть градирни, в которые вода из конденсатора поступает в градирню в верхней части и распыляется вниз, охлаждаясь за счет испарения.

Рис. 4. (а) Атомная электростанция (фото: BlatantWorld.com) и (б) угольная электростанция. Оба имеют градирни, в которых вода испаряется в окружающую среду, что соответствует Q _c . Ядерный реактор, поставляющий Q _h , расположен внутри куполообразной защитной оболочки. (кредит: Роберт и Михаэла Викол, publicphoto.org)

Поскольку все реальные процессы необратимы, фактическая эффективность тепловой машины никогда не может быть такой же высокой, как у двигателя Карно, как показано на рис. 5(а). Даже при наличии наилучшей тепловой машины в периферийном оборудовании, таком как электрические трансформаторы или автомобильные трансмиссии, всегда присутствуют диссипативные процессы. Это еще больше снижает общую эффективность за счет преобразования части выходной мощности двигателя обратно в теплопередачу, как показано на рис. 5(b).

Рис. 5. Реальные тепловые двигатели менее эффективны, чем двигатели Карно. (а) В реальных двигателях используются необратимые процессы, уменьшающие передачу тепла на работу. Сплошные линии представляют реальный процесс; пунктирные линии — это то, что двигатель Карно сделал бы между теми же двумя резервуарами.