Работа при расширении газа тепловая машина коэффициент полезного действия тепловой машины
Обновлено: 04.07.2024
Описанные нами циклические процессы чаще всего происходят в, так называемых, тепловых машинах. Тепловой двигатель (тепловая машина) – устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Логика всех тепловых машин, в теории, одинакова (рис. 1).
Рис. 1. Тепловая машина
Классически, тепловая машина состоит нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов может инженерно выглядит как угодно, рабочее тело чаще всего газ. Нагреватель отдаёт рабочему телу теплоту , при этом рабочее тело (газ) расширяется и совершает работу (), часть энергии уходит к холодильнику (на самом деле, холодильником может служить окружающая среда и — это банальные теплопотери).
Тогда, исходя из закона сохранения энергии:
- где
- — теплота, отданная нагревателем (принятая рабочим телом),
- — модуль теплоты, принятая холодильником (отданная рабочим телом),
- — работа газа.
Для характеристики тепловой машины вводят понятие КПД тепловой машины (коэффициент полезного действия). КПД, как физический параметр, везде одинаков: отношение полезной работы к затраченной. В нашей системе полезной является работа газа (), затраченной, в нашем случае, является энергия, принятая от нагревателя (), тогда:
Важно: необходимо помнить, что — абсолютное значение теплоты, т.е. следим, чтобы значение этой теплоты было положительным.
Вывод: задачи на КПД тепловой машины относятся к любой из формулировок соотношения (2). Поиск , или чаще всего идёт через первое начало термодинамики и уравнение Менделеева-Клапейрона.
Цикл Карно́ — обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двух адиабатных процессов, где рабочее тело — идеальный газ. Впервые рассмотрен французским физиком и математиком Николя Сади Карно в 1824 году в связи с определением КПД тепловых машин. Цикл Карно — самый эффективный цикл из всех возможных, он имеет максимальный КПД.
Теорема Карно
Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей (Т1) и холодильников (Т2), наибольшим КПД обладают обратимые машины; при этом КПД обратимых машин, работающих при одинаковых температурах нагревателей (Т1) и холодильников (Т2), равны друг другу и не зависят от природы рабочего тела (тела, совершающего круговой процесс и обменивающегося энергией с другими телами).
КПД цикла Карно ν не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа и т. п.) и определяется температурами теплоотдатчика Т1 и теплоприемника Т2, ν = (Т1-Т2)/Т1. КПД любой тепловой машины не может быть больше КПД цикла Карно (при тех же Т1 и Т2).
Идеальная тепловая машина (машина Карно)
Последовательность термодинамических процессов Сади Карно рассматривал на примере идеальной тепловой машины — абстрактной машины, принципы функционирования которой были разработаны им теоретически в 1824 году. Идеальная тепловая машина позволяет объяснить принципы действия реальных тепловых машин, обосновать второе начало термодинамики. В качестве рабочего тела в машине Карно рассматривается идеальный газ.
Термодинамический процесс в идеальной тепловой машине должен протекать настолько медленно, чтобы его можно было рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому. Предполагается, что этот процесс является обратимым, то есть его можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты. В машине Карно осуществляется круговой процесс или термодинамический цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние.
Рабочее тело последовательно находится в тепловом контакте с двумя тепловыми резервуарами (имеющими постоянные температуры) — нагревателем и холодильником с T2 \(\eta = = \)
Все процессы в идеальной тепловой машине являются равновесными и обратимыми. В реальности все термодинамические процессы имеют необратимый характер.
Цикл Карно обратим и его можно осуществить в обратной последовательности, то есть в направлении ADCBA. При этом количество теплоты dQ2 отбирается у холодильника и передается нагревателю за счет затраченной работы dA. Машина, работающая по обратному циклу, называется холодильной машиной. А тепловой двигатель в обратном режиме работает как идеальная холодильная машина.
Для характеристики работоспособности двигателей введено понятие коэффициента полезного действия (КПД). Впервые ввёл в науку и технику понятие КПД двигателя французский инженер Сади Карно.
Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.
Коэффициент полезного действия не имеет единицы измерения, но может выражается в процентах, или записывается в виде десятичной дроби.
Например, КПД двигателей внутреннего сгорания не превышает \(20 \)— \(40\)%, а КПД паровых турбин чуть выше \(30\)%.
Мы уже знаем, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: посредством теплопередачи (т.е. без совершения работы) и посредством совершения работы.
1) При сгорании топлива химическая энергия (потенциальная энергия взаимодействия атомов) преобразуется в кинетическую энергию хаотического движения молекул. При этом нагревается некоторая масса газа, которая называется рабочим телом.
2) Газ (рабочее тело) расширяется, совершая работу (двигая поршень). При этом газ охлаждается: кинетическая энергия хаотического движения молекул преобразуется в механическую энергию.
Действие теплового двигателя имеет циклический характер: после того, как рабочее тело расширилось, совершив работу, его необходимо сжать до прежнего объема, чтобы оно могло совершить работу в следующем цикле.
Для того, чтобы тепловой двигатель совершал полезную работу, необходимо периодически нагревать и охлаждать рабочее тело, то есть периодически передавать рабочему телу и отбирать у него некоторое количество теплоты, как меру измерения изменения внутренней энергии газа.
нагреватель, имеющий температуру Т1, в контакте с которым рабочему телу сообщается количество теплоты Q1;
Нагревателем является сжигаемое топливо, холодильником – чаще всего окружающий воздух или вода водоемов.
Конечно, полезная работа всегда меньше затраченной работы. Поэтому эффективность теплового двигателя оценивается по коэффициенту полезного действия (КПД).
Учитывая, что полезная работа равна разности количества теплоты получаемого от нагревателя и количеством теплоты отданным холодильнику А(п)=Q1-Q2, можем записать так:
Мы рассмотрели, что в основе теплового двигателя лежит работа пара или газа (горючей смеси). За 20 с лишним лет тепловые двигатели совершили много полезной работы. Но в настоящее время отработанные газы (содержащие вредные вещества) создали в мире такую обстановку, что рассматривается вопрос в мировом масштабе: охрана окружающей среды, в том числе и земной атмосферы, которая необходима для всего человечества для поддержания здорового образа жизни.
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).
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.
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
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 1234.1. 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.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.
- Что называют тепловым двигателем?
- Как устроены все тепловые двигатели?
- Что является рабочим телом двигателя?
- Что происходит с газом при совершении работы?
- Что является холодильником в двигателе?
- Какой величиной характеризуется работа двигателя?
- Что называют КПД двигателя? Формула?
- Может ли КПД любого теплового двигателя быть равным 100%?
- Кто из ученых получил новую формулу для расчета максимального КПД?
- Формула максимального КПД двигателя?
Читайте также: