Чем меньше энергии теряется тем тепловой двигатель
Перейти к содержимому

Чем меньше энергии теряется тем тепловой двигатель

  • автор:

КПД теплового двигателя с формулой: как увеличить эффективность?

В данной статье мы рассмотрим понятие КПД теплового двигателя, объясним его формулу, факторы, влияющие на КПД, расчеты и сравнение различных типов тепловых двигателей по эффективности.

КПД теплового двигателя с формулой: как увеличить эффективность? обновлено: 8 апреля, 2024 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

КПД (коэффициент полезного действия) теплового двигателя является важным показателем эффективности его работы. Он определяет, какая часть полученной тепловой энергии превращается в полезную механическую работу. Чем выше КПД, тем более эффективно работает тепловой двигатель. В данной статье будет рассмотрена формула КПД теплового двигателя, факторы, влияющие на его значение, примеры расчета и сравнение различных типов тепловых двигателей по КПД.

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Описание формулы КПД теплового двигателя:

Формула КПД теплового двигателя позволяет определить эффективность работы данного двигателя. Она выражается следующим образом:

КПД = (Выходная мощность / Входная мощность) * 100%

  • Выходная мощность – мощность, которую тепловой двигатель выдает наружу в виде полезной работы.
  • Входная мощность – мощность, которая подается на вход теплового двигателя.

Таким образом, КПД теплового двигателя показывает, какая часть входной энергии превращается в полезную работу, а какая часть теряется в виде потерь.

Факторы, влияющие на КПД теплового двигателя:

Влияние КПД теплового двигателя зависит от нескольких факторов:

Температура рабочего тела:

Температура рабочего тела является одним из основных факторов, влияющих на КПД теплового двигателя. Повышение температуры рабочего тела обычно приводит к увеличению КПД. Это связано с тем, что при более высокой температуре разница между температурой рабочего тела и окружающей среды увеличивается, что позволяет более эффективно использовать тепловую энергию.

Расход рабочего тела:

Расход рабочего тела также оказывает влияние на КПД теплового двигателя. Обычно, при увеличении расхода рабочего тела, КПД снижается. Это связано с тем, что при большем расходе рабочего тела увеличиваются потери из-за трения и другие неидеальности в работе двигателя.

Потери из-за трения:

Потери из-за трения являются еще одним фактором, влияющим на КПД теплового двигателя. Трение внутри двигателя приводит к потере энергии в виде тепла, что снижает КПД. Чем меньше потери из-за трения, тем выше КПД теплового двигателя.

Примеры расчета КПД теплового двигателя с использованием формулы:

Для наглядности рассмотрим пример расчета КПД теплового двигателя с использованием формулы:

Пусть у нас есть тепловой двигатель, работающий по циклу Карно. Известны следующие параметры:

  • Температура нагрева рабочего тела (Th) = 500 К
  • Температура охлаждения рабочего тела (Tc) = 300 К

Для расчета КПД теплового двигателя по формуле:

Подставим значения и произведем вычисления:

КПД = 1 – (300 / 500) = 1 – 0.6 = 0.4

Таким образом, КПД теплового двигателя составляет 0.4 или 40%.

Анализируя полученный результат, можно сделать вывод, что данный тепловой двигатель не является очень эффективным, так как его КПД составляет всего 40%. Возможно, для повышения КПД необходимо увеличить температуру нагрева рабочего тела или снизить температуру охлаждения.

Сравнение различных типов тепловых двигателей по КПД

Для сравнения КПД различных типов тепловых двигателей рассмотрим несколько основных типов: двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины.

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания, такие как двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием (бензиновые двигатели) и двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением (дизельные двигатели), широко используются в автомобилях и других транспортных средствах. Они работают по циклу четырех тактов и преобразуют химическую энергию топлива в механическую работу.

КПД двигателей внутреннего сгорания обычно составляет около 20-40%. Это связано с потерями энергии в виде тепла, трения и других неидеальностей в процессе сгорания топлива.

Паровые турбины

Паровые турбины используются в электростанциях и других промышленных установках для преобразования тепловой энергии в механическую работу. Они работают по циклу Ренкина и используют пар в качестве рабочего тела.

КПД паровых турбин обычно составляет около 30-50%. Это связано с более эффективным использованием тепловой энергии и меньшими потерями из-за трения и неидеальностей в процессе работы.

Сравнение КПД

Сравнивая КПД двигателей внутреннего сгорания и паровых турбин, можно сделать следующие выводы:

  • Паровые турбины обычно имеют более высокий КПД, чем двигатели внутреннего сгорания.
  • Это связано с более эффективным использованием тепловой энергии и меньшими потерями в паровых турбинах.
  • Однако, двигатели внутреннего сгорания все еще широко используются в автомобилях и других транспортных средствах из-за их компактности и мобильности.
  • Для повышения КПД двигателей внутреннего сгорания можно применять различные технологии, такие как турбонаддув и гибридные системы.

В целом, выбор типа теплового двигателя зависит от конкретных требований и условий применения. КПД является одним из факторов, которые следует учитывать при выборе оптимального типа двигателя.

Заключение

В заключение, КПД (коэффициент полезного действия) является важным показателем эффективности работы тепловых двигателей. Он определяет, насколько эффективно тепловая энергия преобразуется в механическую работу. Формула КПД включает различные компоненты, такие как входная и выходная энергия, а также потери из-за трения и других факторов.

Различные факторы, такие как температура рабочего тела, расход рабочего тела и потери из-за трения, могут влиять на КПД теплового двигателя. Повышение температуры рабочего тела и снижение расхода могут улучшить КПД, в то время как потери из-за трения могут снизить его.

Сравнение различных типов тепловых двигателей показывает, что паровые турбины обычно имеют более высокий КПД, чем двигатели внутреннего сгорания. Однако, выбор типа двигателя зависит от конкретных требований и условий применения.

В дальнейших исследованиях и разработках можно стремиться к улучшению КПД тепловых двигателей, что позволит более эффективно использовать тепловую энергию и снизить потребление ресурсов.

КПД теплового двигателя с формулой: как увеличить эффективность? обновлено: 8 апреля, 2024 автором: Научные Статьи.Ру

Нашли ошибку? Выделите текст и нажмите CRTL + Enter

Аватар

Тагир С.

Экономист-математик, специалист в области маркетинга, автор научных публикаций в Киберленинка (РИНЦ).

Тепловые двигатели: основные принципы работы и применение

Тепловые двигатели – это устройства, которые преобразуют тепловую энергию в механическую работу, и они находят широкое применение в различных сферах, от автомобильной промышленности до производства электроэнергии.

Тепловые двигатели: основные принципы работы и применение обновлено: 2 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

Введение

Добро пожаловать на лекцию по тепловым двигателям! Сегодня мы будем изучать основные принципы работы и свойства этих устройств. Тепловые двигатели являются важной частью нашей современной технологии и находят широкое применение в различных областях, от автомобилей до энергетики. Давайте начнем и разберемся, как они работают и какие у них особенности!

Нужна помощь в написании работы?

Мы — биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Определение тепловых двигателей

Тепловой двигатель – это устройство, которое преобразует тепловую энергию, полученную от сжигания топлива или других источников, в механическую работу. Он основан на принципе термодинамического цикла, в котором рабочее вещество подвергается последовательным процессам нагрева, расширения, охлаждения и сжатия.

Тепловые двигатели широко используются в различных областях, включая автомобильную промышленность, энергетику, производство и транспорт. Они являются основой для работы автомобильных двигателей, электростанций, паровых и газовых турбин, а также других механизмов, которые требуют преобразования тепловой энергии в механическую работу.

Принцип работы тепловых двигателей

Тепловые двигатели работают на основе принципа термодинамического цикла, который включает несколько последовательных процессов. Основные компоненты теплового двигателя включают источник тепла, рабочее вещество, рабочий цилиндр и поршень.

Процесс нагрева

В начале цикла теплового двигателя, рабочее вещество (обычно газ или пар) находится в рабочем цилиндре и нагревается с помощью источника тепла, такого как сгорание топлива. В результате нагрева, температура и давление рабочего вещества увеличиваются.

Процесс расширения

После нагрева, рабочее вещество расширяется, что приводит к движению поршня внутри цилиндра. Это движение поршня создает механическую работу, которая может быть использована для привода механизмов или генерации электричества.

Процесс охлаждения

После расширения, рабочее вещество охлаждается, что приводит к снижению его температуры и давления. Этот процесс обычно осуществляется с помощью системы охлаждения, которая отводит избыточное тепло.

Процесс сжатия

После охлаждения, рабочее вещество сжимается обратно в исходное состояние, что приводит к возвращению поршня в исходное положение. Этот процесс требует затраты энергии и может быть осуществлен с помощью внешнего источника энергии, такого как электрический двигатель.

Таким образом, тепловые двигатели работают путем циклического преобразования тепловой энергии в механическую работу. Они являются важным компонентом многих систем и механизмов, которые используются в различных отраслях промышленности и транспорта.

Типы тепловых двигателей

Двигатели внутреннего сгорания

Двигатели внутреннего сгорания являются наиболее распространенным типом тепловых двигателей. Они работают на основе сгорания топлива внутри цилиндра, что приводит к расширению рабочего вещества и созданию механической работы. Примерами двигателей внутреннего сгорания являются двигатели внутреннего сгорания с искровым зажиганием (бензиновые двигатели) и двигатели внутреннего сгорания с самовоспламенением (дизельные двигатели).

Паровые двигатели

Паровые двигатели используют пар в качестве рабочего вещества. Они работают на основе нагрева воды до ее перехода в пар, который затем расширяется в цилиндре, создавая механическую работу. Паровые двигатели были широко использованы в прошлом, особенно в паровых машинах и паровых локомотивах, но сейчас их применение ограничено.

Газовые турбины

Газовые турбины работают на основе принципа расширения газа через турбину. Воздух или другой газ под высоким давлением поступает в турбину, где его энергия расширяется, вызывая вращение турбины. Это вращение может быть использовано для привода генератора электричества или других механизмов. Газовые турбины широко применяются в энергетике и авиации.

Паровые турбины

Паровые турбины работают на основе принципа расширения пара через турбину. Пар, полученный из нагревателя, поступает в турбину, где его энергия расширяется, вызывая вращение турбины. Паровые турбины широко используются в энергетике для привода генераторов электричества.

Это основные типы тепловых двигателей, которые используются в различных отраслях промышленности и транспорта. Каждый из них имеет свои особенности и применение в зависимости от конкретных требований и условий эксплуатации.

Основные свойства тепловых двигателей

Тепловые двигатели – это устройства, которые преобразуют тепловую энергию, полученную от сжигания топлива или других источников, в механическую работу. Они играют важную роль в различных отраслях промышленности и транспорта. Вот некоторые основные свойства тепловых двигателей:

КПД (Коэффициент полезного действия)

КПД теплового двигателя – это отношение механической работы, которую он выполняет, к количеству теплоты, которую он получает. Чем выше КПД, тем более эффективно используется тепловая энергия и тем меньше теплоты теряется в виде потерь.

Рабочий цикл

Рабочий цикл теплового двигателя – это последовательность процессов, которые происходят внутри двигателя для преобразования теплоты в работу. Он включает в себя такие процессы, как сжатие рабочего вещества, нагрев, расширение и охлаждение. Рабочий цикл может быть различным для разных типов тепловых двигателей.

Мощность

Мощность теплового двигателя – это количество работы, которую он может выполнить за определенное время. Она измеряется в ваттах или лошадиных силах. Мощность зависит от КПД двигателя и его скорости вращения.

Тепловая эффективность

Тепловая эффективность теплового двигателя – это отношение полезной работы, которую он выполняет, к количеству теплоты, которую он получает. Она показывает, насколько эффективно двигатель использует тепловую энергию. Чем выше тепловая эффективность, тем меньше теплоты теряется в виде потерь.

Максимальная температура

Максимальная температура, которую может выдержать тепловой двигатель, определяет его эффективность и производительность. Высокая максимальная температура позволяет более полно использовать тепловую энергию и повышает КПД двигателя.

Это основные свойства тепловых двигателей, которые определяют их работу и эффективность. Понимание этих свойств помогает в выборе и использовании тепловых двигателей в различных приложениях.

Применение тепловых двигателей

Тепловые двигатели широко применяются в различных отраслях промышленности и транспорта. Они обеспечивают преобразование тепловой энергии в механическую работу, что позволяет использовать их для различных целей. Вот некоторые области, где применяются тепловые двигатели:

Автомобильная промышленность

Тепловые двигатели, такие как двигатели внутреннего сгорания, являются основным источником энергии для автомобилей. Они преобразуют теплоту, полученную от сжигания топлива, в механическую работу, которая приводит в движение автомобиль. Также в автомобильной промышленности применяются турбины и турбокомпрессоры, которые увеличивают мощность двигателя.

Энергетика

Тепловые двигатели играют важную роль в производстве электроэнергии. Главным образом, это касается электростанций, работающих на основе сжигания угля, нефти или газа. Тепловая энергия, полученная от сжигания топлива, используется для нагрева воды и преобразования ее в пар, который затем приводит в движение турбину, связанную с генератором электроэнергии.

Морская и железнодорожная транспортировка

Тепловые двигатели также широко применяются в морской и железнодорожной транспортировке. Дизельные двигатели, работающие на основе сжигания дизельного топлива, используются в судах и поездах для привода движителей. Они обеспечивают надежную и эффективную работу в условиях длительных поездок.

Промышленность

В промышленности тепловые двигатели применяются для привода различных механизмов и оборудования. Они используются в насосах, компрессорах, генераторах и других устройствах, которые требуют механической работы. Также тепловые двигатели используются в процессах нагрева и охлаждения, например, в системах отопления и кондиционирования воздуха.

Аэрокосмическая промышленность

В аэрокосмической промышленности тепловые двигатели играют важную роль в приводе самолетов и ракет. Турбореактивные двигатели и ракетные двигатели используются для создания тяги и обеспечения полета. Они преобразуют теплоту, полученную от сжигания топлива, в высокоскоростной поток газов, который создает реактивную силу.

Это лишь некоторые примеры применения тепловых двигателей. Они являются неотъемлемой частью современной технологии и играют важную роль в различных отраслях промышленности и транспорта.

Таблица сравнения тепловых двигателей

Тип теплового двигателя Описание Принцип работы Преимущества Недостатки
Паровой двигатель Использует пару воды для преобразования тепловой энергии в механическую Пар, полученный от нагревания воды, расширяется в цилиндре, двигая поршень Высокая эффективность, возможность использования различных источников тепла Требует больших размеров и сложной системы управления
Дизельный двигатель Внутреннее сгорание топлива в цилиндре для преобразования тепловой энергии в механическую Топливо впрыскивается в цилиндр, где происходит самовозгорание и расширение газов Высокая мощность, эффективность и долговечность Высокая стоимость, высокий уровень шума и выбросов
Турбореактивный двигатель Использует сжатый воздух и топливо для создания тяги Воздух сжимается в компрессоре, смешивается с топливом и сгорает в камере сгорания, создавая высокоскоростные газы Высокая скорость и тяга, применяется в авиации Высокая стоимость, сложность конструкции и высокий расход топлива

Заключение

Тепловые двигатели являются важным элементом современной технологии и науки. Они преобразуют тепловую энергию в механическую работу, что позволяет использовать ее в различных областях, включая производство электроэнергии, автомобильную промышленность и другие. Понимание принципов работы и свойств тепловых двигателей помогает нам разрабатывать более эффективные и экологически чистые системы.

Тепловые двигатели: основные принципы работы и применение обновлено: 2 сентября, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Второе начало термодинамики

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

Схема теплового двигателя

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.

Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Светильник Лавовая лампа

Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

КПД теплового двигателя

формулки.ру

В тепловых двигателях используется энергия сгорающего топлива. Однако, не вся энергия сгорающего топлива затрачивается на полезную работу, часть энергии безвозвратно рассеивается в окружающую среду.

Чем меньше эта утерянная часть теплоты, тем выше будет эффективность двигателя и его коэффициент полезного действия. Тем больше полезной работы сможет совершить газ при расширении, толкая поршень двигателя, или раскручивая диск газовой турбины.

Элементы тепловой машины

Конструкции тепловых машин отличаются разнообразием. Однако, из каких бы частей двигатель не состоял, он всегда содержит рабочее тело, холодильник и нагреватель (рис. 1).

Рис. 1. Любой тепловой двигатель всегда содержит три ключевых элемента

Например, в двигателе внутреннего сгорания рабочим телом будут пары топлива и воздух.

В двигателе внутреннего сгорания роль нагревателя совместно выполняют свеча и поршень. Однако, поршень выполняет функции нагревателя только тогда, когда он сжимает газ. А свеча зажигает сжатый газ с помощью искры и вызывает горение топлива.

Чтобы передать остатки тепловой энергии атмосфере, двигатели с воздушным охлаждением имеют специальные ребристые поверхности на наружной части цилиндров.

А двигатели, в которых используется жидкостное (водяное) охлаждение, содержат насос, прокачивающий жидкость в специальных полостях двигателя и радиатор с вентилятором. Жидкость интенсивно охлаждается в радиаторе, а вентилятор обеспечивает обдув, чтобы ускорить охлаждение. Температура охлаждающей жидкости всегда выше температуры окружающего воздуха.

Какие функции выполняет каждый элемент

От нагревателя рабочее тело — газ, или пар, получает запас тепловой энергии (рис. 2). Затем, полученная энергия делится на две, как правило, неравные части. За счет одной части совершается работа.

Рис. 2. Функции ключевых элементов тепловых машин

А оставшаяся часть передается холодильнику (например, атмосфере) и рассеивается окружающей средой.

Роль холодильника в тепловом двигателе

Совершая работу, рабочее тело – расширяющийся газ, охлаждается. Температура \(T_\), до которой газ охладился, называется температурой холодильника.

Так как газ, расширяясь, охлаждается, а при охлаждении энергию нужно куда-то девать, то никакая тепловая машина без холодильника работать не сможет. Чтобы функционировать, тепловая машина обязательно должна отдавать часть тепловой энергии холодильнику.

Обычно температура \(T_\) немного выше температуры окружающей среды. Но если речь идет о паровых машинах, оснащенных специальным приспособлением для конденсации отработанного пара и его охлаждения – конденсатором, то \(T_\) может быть несколько ниже температуры окружающей атмосферы (рис. 3).

Рис. 3. Если холодильником служит атмосфера, то температура холодильника выше атмосферной, а если – конденсатор, то температура холодильника ниже температуры окружающей среды

Примечание: Паровой конденсатор применяется только в конструкциях паровых двигателей.

На какие части делится энергия нагревателя

Мы выяснили, что за счет одной части энергии газ совершает работу. Вторая часть полученной от нагревателя энергии передается холодильнику, который затем рассеивает ее в окружающее пространство (рис. 4).

Эта теплота выбрасывается в атмосферу вместе с отработанным паром, или сгоревшими выхлопными газами турбин и двигателей внутреннего сгорания – то есть, теряется безвозвратно. Главное то, что никакой газ не превращает свою внутреннюю энергию в работу полностью. Часть энергии неизбежно будет утеряна.

На полезную работу тратится только часть полученной энергии.

Рис. 4. Энергия нагревателя частично расходуется на совершение работы, оставшаяся часть теряется в окружающую среду

Посмотрев на рисунок 4, легко составить связь между энергией нагревателя, работой и энергией холодильника.

\(\large Q_ \left(\text \right) \) – тепловая энергия, полученная от нагревателя;

\(\large Q_ \left(\text \right) \) – тепловая энергия, переданная холодильнику;

\(\large A \left(\text \right) \) – работа, которую совершил расширяющийся газ (пар);

Так как часть энергии теряется, работа всегда будет меньше полученной энергии. Работу и энергию измеряют в джоулях. Работа – это затраченная энергия, то есть, разница между конечной и начальной энергией.

\[\large \boxed < Q_— \left| Q_ \right| = A >\]

Примечание: Полученная энергия берется со знаком «плюс», а утерянная – со знаком «минус». Нам уже известно, что энергия \(Q_\), переданная холодильнику и утерянная, будет отрицательной. Запишем ее по модулю, чтобы не учитывать в формуле ее знак.

Формулы коэффициента полезного действия

Мы уже выяснили, что работа газа всегда меньше полученной теплоты. Чтобы ответить на вопрос, какую часть от полученной теплоты будет составлять работа, составим дробь:

\(\large A \left(\text \right) \) – работа газа;

Эту дробь обозначают греческой буквой «эта» \(\eta\) и называют коэффициентом полезного действия (КПД). Так как этот коэффициент дает понятие о том, как соотносятся работа, совершенная газом и, полученная им тепловая энергия.

Числитель этой дроби всегда меньше знаменателя, математики такие дроби называют правильными. Если КПД теплового двигателя описывается правильной дробью, значит, он не может превышать единицу (рис. 5).

Рис. 5. КПД отвечает на вопрос: какая часть полученной энергии тратится на полезную работу

КПД теплового двигателя не превышает единицу, так как описывается правильной дробью.

Если подставить в числитель выражение для работы, получим развернутое выражение для вычисления КПД:

Правая часть уравнения – это две дроби, имеющие одинаковые знаменатели. Если записать правую часть в виде отдельных дробей, то можно получить такое соотношение:

Подставим его в выражение для КПД и получим еще одну формулу:

Какой максимальный КПД может иметь тепловой двигатель

Талантливый французский ученый и инженер Сади Карно в 1824 году придумал идеальную тепловую машину. В качестве рабочего тела в ней выступал идеальный газ. А сосуд, в который заключен газ, обернут теплоизоляцией, которую можно мысленно снять, когда возникнет такая необходимость.

Проведя мысленный эксперимент, Карно рассчитал, какую часть полученной энергии можно превратить в полезную работу при идеальных условиях. Другими словами, он рассчитал, какой максимально возможный КПД может иметь идеальный тепловой двигатель.

Для КПД идеального двигателя он получил такую формулу:

\(\large T_ \left(K\right) \) – температура нагревателя в градусах Кельвина;

\(\large T_ \left(K\right) \) – температура холодильника в градусах Кельвина;

Из формулы следует:

Чем больше различаются температуры нагревателя и холодильника, тем выше будет КПД.

Если температура нагревателя сравняется с температурой холодильника, то полезной работы машина не совершит \(\large \eta = 0 \).

Максимальный КПД даже для идеального теплового двигателя всегда меньше единицы.

Температура холодильника не может равняться абсолютному нулю, так как достигнуть абсолютного нуля температуры не получается.

Примечание: В идеальном двигателе нет потерь энергии, так как полностью отсутствует трение между его движущимися частями. В реальных двигателях трение есть, поэтому КПД реальных двигателей всегда ниже, чем КПД идеального двигателя.

КПД реальных тепловых двигателей

КПД лучших образцов реальных двигателей, выпускаемых мировой промышленностью:

  • паровых машин — менее 10 процентов.
  • большинства двигателей внутреннего сгорания – до 30 процентов.
  • газовых турбин — примерно 40 процентов.
  • двигателя внутреннего сгорания Дизеля – около 44 процентов.

В настоящее время инженеры и ученые-физики работают над тем, чтобы в реальных двигателях уменьшить трение и потери тепловой энергии. Чтобы повысить давление в цилиндре, применяют дополнительные компрессоры и турбины. Это дает выигрыш еще в несколько процентов полезности, однако, сокращает срок службы таких двигателей.

Так называемые «атмосферники» — атмосферные двигатели внутреннего сгорания, в которых не применяются дополнительные турбины и компрессоры, повышающие рабочее давление в цилиндрах, могут без капитального ремонта прослужить на автомобилях весьма длительное время.

Некоторые автомобили, оснащенные особо удачными конструкциями двигателей, успевали без капитального ремонта двигателя проехать до 1 миллиона километров. Из-за этого, такие конструкции двигателей получили в народе название «миллионники». К сожалению, ныне выпуск подобных двигателей резко сокращен, из экономических соображений.

Выводы

  1. В настоящее время изобретено много тепловых двигателей, имеющих различную конструкцию. Но любая тепловая машина всегда содержит нагреватель, холодильник и рабочее тело.
  2. Нагреватель нужен для того, чтобы сообщать тепловую энергию рабочему телу.
  3. В качестве рабочего тела используется горячий пар, или раскаленный газ. Рабочее тело полученную тепловую энергию делит на две части. За счет одной части газ расширяется и совершает работу. Вторую часть энергии передается холодильнику.
  4. Никакая тепловая машина не может работать без холодильника. Тепловая энергия, передаваемая холодильнику, рассеивается в окружающую среду и теряется безвозвратно. Даже КПД идеального теплового двигателя будет меньше единицы.
  5. Показатель полезного действия можно посчитать, взяв отношение совершенной работы A к полученному от нагревателя количеству теплоты Q.
  6. Реальные двигатели внутреннего сгорания, сконструированные инженером Дизелем, имеют максимальный КПД 44 процента. Это непревзойденный на сегодняшний день показатель среди всех выпускаемых промышленностью тепловых машин, не оснащенных дополнительными компрессорами.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *