Что такое коэффициент полезного действия теплового двигателя
Перейти к содержимому

Что такое коэффициент полезного действия теплового двигателя

  • автор:

Физика. 10 класс

§ 15. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Люди давно заметили, что при совершении механической работы внутренняя энергия тел может изменяться, и научились это использовать. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больший промежуток времени понадобился человечеству, чтобы научиться использовать убыль внутренней энергии тел для совершения механической работы. Только во второй половине ХVIII в., сравнительно недавно по историческим меркам, появились первые практически полезные универсальные устройства для осуществления этой цели — паровые машины. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых убыль внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.

Необратимость процессов в природе. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. Как вы не раз убеждались на практике, всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай–ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой во всех частях системы.

Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г., о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, получило название второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым.

Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Интересно знать

В холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника.

Физика. 10 класс

§ 15. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей

Люди давно заметили, что при совершении механической работы внутренняя энергия тел может изменяться, и научились это использовать. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больший промежуток времени понадобился человечеству, чтобы научиться использовать убыль внутренней энергии тел для совершения механической работы. Только во второй половине ХVIII в., сравнительно недавно по историческим меркам, появились первые практически полезные универсальные устройства для осуществления этой цели — паровые машины. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых убыль внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.

Необратимость процессов в природе. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. Как вы не раз убеждались на практике, всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай–ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой во всех частях системы.

Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г., о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, получило название второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым.

Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Интересно знать

В холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника.

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Посмотрев данный видеоурок, учащиеся узнают, что называется коэффициентом полезного действия тепловой машины. Поговорим о роли тепловых двигателей в жизни человека.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.

Получите невероятные возможности

1. Откройте доступ ко всем видеоурокам комплекта.

2. Раздавайте видеоуроки в личные кабинеты ученикам.

3. Смотрите статистику просмотра видеоуроков учениками.
Получить доступ

Конспект урока «Коэффициент полезного действия тепловых двигателей»

На прошлом уроке мы с вами начали знакомство с тепловыми двигателями. Давайте вспомним, что так называется устройство, которое совершает механическую работу за счёт внутренней энергии топлива.

Простейший тепловой двигатель представляет собой цилиндрический сосуд, в котором находится газ под поршнем. При нагревании газа, его давление и объём увеличиваются, и поршень приходит в движение, поднимая груз на некоторую высоту.

Любой тепловой двигатель состоит из трёх основных элементов: нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (чаще всего атмосфера или вода при температуре окружающей среды).

Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. А некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику. Таким образом, получается, что полное превращение внутренней энергии газа в работу невозможно. Это обусловлено 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. Но второй закон термодинамики запрещает это: ведь невозможно создать вечный двигатель второго рода, то есть двигатель, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Баланс энергии за цикл можно получить на основе первого закона термодинамики.

Для идеального теплового двигателя изменение внутренней энергии равно нулю, так как рабочее тело вернулось в исходное состояние. Отсюда находим, что полезная работа, совершаемая тепловым двигателем, равна разности между количеством теплоты, полученной от нагревателя, и количеством теплоты, отданной холодильнику:

Отношение полезной работы к количеству теплоты, которое рабочее тело получило от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (сокращённо, КПД):

Так как часть теплоты, полученной от нагревателя, передаётся холодильнику, то коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда меньше единицы:

Для получения максимально возможного коэффициента полезного действия необходимо охладить рабочее тело перед сжатием.

Это можно сделать путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника. Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаст холодильнику некоторое количество теплоты. А завершить цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до первоначальной температуры. Впервые этот цикл был предложен французским инженером Сади Карно, поэтому его ещё называют циклом Карно. Формулу для определения коэффициента полезного действия цикла Карно вы сейчас видите на экране:

КПД любого реального теплового двигателя не может превышать КПД идеального цикла Карно. Формула Карно даёт теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что двигатель тем эффективней, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

А КПД идеального теплового двигателя мог бы быть равен единице только в том случае, если бы было возможно использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю. Но, как известно, это невозможно даже теоретически, потому что абсолютного нуля температуры достичь нельзя.

Для закрепления нового материала, решим с вами задачу. Задача 1. Каждый из четырёх двигателей реактивного самолёта на 5000 км пути развивает среднюю силу тяги 0,11 МН. Определите объём керосина, израсходованного на этом пути, если коэффициент полезного действия двигателя равен 24 %. Плотность и удельная теплота сгорания керосина соответственно равны 800 кг/м 3 и 43 МДж/кг.

В заключение урока отметим, что изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 г. имело исключительно важное значение.

Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива частично преобразуется в механическую работу.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока.

Двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, тракторах и тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов.

Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду. При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы.

Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа, который, соединяясь в атмосфере с водяными парами, образует угольную кислоту и выпадает в виде кислотных дождей.

Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа, являющегося ядом для живых организмов. Например, при сгорании тонны бензина образуется около 60 кг оксида углерода.

Решение проблем, возникающих при сжигании топлива учёные и конструкторы видят:

· в очистке газовых выбросов в атмосферу;

· увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей, в частности, путём создания условий для наиболее полного сгорания топлива;

· замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические;

· использование альтернативных источников энергии.

Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя.

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершаемая двигателем, равна:

Тепловой двигатель Коэффициент полезного действия теплового двигателя

,

где Q, — количество теплоты, полученное от нагревателя. Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение рабо­ты A’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Тепловой двигатель Коэффициент полезного действия теплового двигателя

.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1. КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T1 – T2 = 0 двигатель не может работать.

Цикл Карно.

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

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

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

Тепловой двигатель Коэффициент полезного действия теплового двигателя

На рисунке изображены термодинамические процес­сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T1, работа совершается за счет измене­ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве­дения к газу количества теплоты Q:

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU23 при адиабатном процессе (Q = 0) полностью преобразуется в механическую работу:

Температура газа в результате адиабатического рас­ширения (2-3) понижается до температуры холодильни­ка T2 T1. В процессе (3-4) газ изотермически сжимает­ся, передавая холодильнику количество теплоты Q2:

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т1.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Тепловой двигатель Коэффициент полезного действия теплового двигателя

.

Тепловой двигатель Коэффициент полезного действия теплового двигателя

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

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *