ККД теплових машин. ККД теплової машини – формула. Принцип дії теплових двигунів Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплових двигунів Які значення може набувати ккд теплового двигуна
« Фізика – 10 клас»
Що таке термодинамічна система та якими параметрами характеризується її стан.
Сформулюйте перший та другий закони термодинаміки.
Саме створення теорії теплових двигунів і призвело до формулювання другого закону термодинаміки.
Запаси внутрішньої енергії у земній корі та океанах можна вважати практично необмеженими. Але для вирішення практичних завдань мати запаси енергії ще недостатньо. Необхідно так само вміти рахунок енергії приводити в рух верстати на фабриках і заводах, засоби транспорту, трактори та інші машини, обертати ротори генераторів електричного струму і т. д. Людству потрібні двигуни - пристрої, здатні виконувати роботу. Більшість двигунів на Землі - це теплові двигуни.
Теплові двигуни- це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну роботу.
Принцип дії теплових двигунів
Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури. робочого тіла(газу) на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою довкілля. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.
Одна з основних частин двигуна - посудина, наповнена газом, з рухомим поршнем. Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, який здійснює роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через T 1 . Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пари в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згорянняі газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива всередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.
Роль холодильника.
У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т 2 яка зазвичай дещо вище температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є атмосфера або спеціальні пристроїдля охолодження та конденсації відпрацьованої пари - конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижче температури навколишнього повітря.
Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина тепла неминуче передається холодильнику (атмосфері) разом із відпрацьованим парою чи вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін.
Ця частина внутрішньої енергії палива втрачається. Тепловий двигун здійснює роботу рахунок внутрішньої енергії робочого тіла. Причому в цьому процесі відбувається передача теплоти від гарячих тіл (нагрівача) до холодніших (холодильнику). Принципова схема теплового двигуна зображено малюнку 13.13.
Робоче тіло двигуна отримує від нагрівача при згоранні палива кількість теплоти Q 1 , здійснює роботу А і передає холодильнику кількість теплоти Q 2< Q 1 .
Для того, щоб двигун працював безперервно, необхідно робоче тіло повернути в початковий стан, при якому температура робочого тіла дорівнює Т 1 . Звідси випливає, що робота двигуна відбувається за замкненими процесами, що періодично повторюються, або, як кажуть, по циклу.
Цикл- це низка процесів, у яких система повертається у початковий стан.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.
Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу на роботу теплових двигунів обумовлена незворотністю процесів у природі. Якщо тепло могло мимоволі повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена на корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна. Другий закон термодинаміки може бути сформульований так:
Другий закон термодинаміки:
неможливо створити вічний двигундругого роду, який повністю перетворював би теплоту на механічну роботу.
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:
А" = Q 1 - | Q 2 |, (13.15)
де Q 1 - кількість теплоти, отриманої від нагрівача, Q2 - кількість теплоти, відданої холодильнику.
Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називають відношення роботи А", що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:
Так як у всіх двигунів кілька теплоти передається холодильнику, то η< 1.
Максимальне значення ККД теплових двигунів.
Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 а також визначити шляхи його підвищення.
Вперше максимально можливий ККД теплового двигуна обчислив французький інженер і вчений Саді Карно (1796-1832) у праці "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу" (1824).
Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Ідеальна теплова машина Карно працює за циклом, що складається з двох ізотерм та двох адіабат, причому ці процеси вважаються оборотними (рис. 13.14). Спочатку посудину з газом приводять в контакт з нагрівачем, газ ізотермічно розширюється, роблячи позитивну роботу, при температурі Т 1 при цьому він отримує кількість теплоти Q 1 .
Потім посудину теплоізолюють, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому температура знижується до температури холодильника Т 2 . Після цього газ приводять у контакт з холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти Q 2 стискаючись до об'єму V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:
Як випливає з формули (13.17), ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача та холодильника.
Головне значення цієї формули полягає в тому, що в ній вказано шлях збільшення ККД, для цього треба підвищувати температуру нагрівача або знижувати температуру холодильника.
Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 , не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини: 
Процеси, у тому числі складається цикл реальної теплової машини, є оборотними.
Формула (13.17) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим більша різниця температур нагрівача та холодильника.
Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1. Крім цього доведено, що ККД, розрахований за формулою (13.17), не залежить від робочої речовини.
Але температура холодильника, роль якого зазвичай грає атмосфера, практично не може бути нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури плавиться.
Нині основні зусилля інженерів спрямовані підвищення ККД двигунів рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння тощо.
Для парової турбіни початкові та кінцеві температури пари приблизно такі: Т 1 - 800 К і Т 2 - 300 К. При цих температурах максимальне значеннякоефіцієнта корисної дії дорівнює 62% (зазначимо, що зазвичай ККД вимірюють у відсотках). Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат приблизно дорівнює 40 %. Максимальний ККД – близько 44% – мають двигуни Дизеля.
Охорона навколишнього середовища.
Важко уявити сучасний світбез теплових двигунів Саме вони забезпечують нам комфортне життя. Теплові двигуни надають руху транспорту. Близько 80% електроенергії, незважаючи на наявність атомних станцій, виробляється за допомогою теплових двигунів.
Однак під час роботи теплових двигунів відбувається неминуче забруднення довкілля. У цьому полягає протиріччя: з одного боку, людству з кожним роком необхідно дедалі більше енергії, переважна більшість якої виходить рахунок згоряння палива, з іншого боку, процеси згоряння неминуче супроводжуються забрудненням довкілля.
При згорянні палива відбувається зменшення вмісту кисню у атмосфері. Окрім цього, самі продукти згоряння утворюють хімічні сполукишкідливі для живих організмів. Забруднення відбувається не тільки на землі, а й у повітрі, тому що будь-який політ літака супроводжується викидами шкідливих домішок в атмосферу.
Одним із наслідків роботи двигунів є утворення вуглекислого газу, який поглинає інфрачервоне випромінювання Землі, що призводить до підвищення температури атмосфери. Це так званий парниковий ефект. Вимірювання показують, що температура атмосфери протягом року підвищується на 0,05 °З. Таке безперервне підвищення температури може викликати танення льодів, що, своєю чергою, призведе до зміни рівня води у океанах, т. е. до затоплення материків.
Відзначимо ще один негативний момент під час використання теплових двигунів. Так, іноді для охолодження двигунів використовується вода з річок та озер. Нагріта вода потім повертається назад. Зростання температури у водоймах порушує природну рівновагу, це явище називають тепловим забрудненням.
Для охорони навколишнього середовища широко використовуються різні очисні фільтри, що перешкоджають викиду в атмосферу. шкідливих речовин, удосконалюються конструкції двигунів Йде безперервне вдосконалення палива, що дає при згорянні менше шкідливих речовин, а також технології його спалювання. Активно розробляються альтернативні джерела енергії, які використовують вітер, сонячне проміння, енергію ядра. Вже випускаються електромобілі та автомобілі, що працюють на сонячній енергії.
>>Фізика: Принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплових двигунів
Запаси внутрішньої енергії у земній корі та океанах можна вважати практично необмеженими. Але для вирішення практичних завдань мати запаси енергії ще недостатньо. Необхідно ще вміти за рахунок енергії приводити в рух верстати на фабриках і заводах, транспортні засоби, трактори та інші машини, обертати ротори генераторів електричного струму і т. д. Людству потрібні двигуни - пристрої, здатні виконувати роботу. Більшість двигунів на Землі - це теплові двигуни. Теплові двигуни - це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну.
Принципи дії теплових двигунівДля того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла (газу) на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.
Одна з основних частин двигуна - посудина, наповнена газом, з рухомим поршнем. Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, який здійснює роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через T1.Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пари в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння та газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива всередині самого двигуна. Температуру T 1температурою нагрівача.
Роль холодильника.У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури T 2, Яка зазвичай трохи вище температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження та конденсації відпрацьованої пари. конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижчою за температуру атмосфери.
Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина теплоти неминуче передається холодильнику (атмосфері) разом із відпрацьованим парою чи вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін. Ця частина внутрішньої енергії губиться.
Тепловий двигун здійснює роботу за рахунок внутрішньої енергії робочого тіла. Причому в цьому процесі відбувається передача теплоти від гарячих тіл (нагрівача) до холоднішим (холодильнику).
Принципова схема теплового двигуна зображено малюнку 13.11.
Робоче тіло двигуна отримує від нагрівача при згорянні палива кількість теплоти Q 1здійснює роботу A´ і передає холодильнику кількість теплоти Q 2 .
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу на роботу теплових двигунів обумовлена незворотністю процесів у природі. Якщо тепло могло мимоволі повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена на корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна.
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:
де Q 1- кількість теплоти, отримана від нагрівача, а Q 2- кількість теплоти, віддана холодильнику.
Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигунаназивають відношення роботи A´, що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:
Так як у всіх двигунів деяка кількість теплоти передається холодильнику, то η<1.
ККД теплового двигуна пропорційний різниці температур нагрівача та холодильника. При T 1 -T 2=0 двигун не може працювати.
Максимальне значення ККД теплових двигунів.Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру. T 1, та холодильником з температурою T 2. Вперше це зробив французький інженер і вчений Саді Карно (1796-1832) у праці "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу" (1824).
Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Ідеальна теплова машина Карно працює за циклом, що складається з двох ізотерм та двох адіабат. Спочатку посудину з газом приводять у контакт з нагрівачем, газ ізотермічно розширюється, роблячи позитивну роботу, при температурі T 1 ,при цьому він отримує кількість теплоти Q 1.
Потім посудину теплоізолюють, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому його температура знижується до температури холодильника T 2. Після цього газ приводять у контакт із холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти. Q 2стискаючись до обсягу V 4
Карно отримав для ККД цієї машини такий вираз:
Як і слід було очікувати, ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача та холодильника.
Головне значення цієї формули полягає в тому, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру T 1 ,та холодильником з температурою T 2, не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини
Формула (13.19) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише при температурі холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η
=1.
Але температура холодильника практично не може бути нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури плавиться.
Зараз основні зусилля інженерів спрямовані на підвищення ККД двигунів за рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння і т.д. Реальні можливості підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові та кінцеві температури пари приблизно такі: T 1≈800 K та T 2≈300 K. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює:
Підвищення ККД теплових двигунів та наближення його до максимально можливого – найважливіше технічне завдання.
Теплові двигуни здійснюють роботу завдяки різниці тиску газу на поверхнях поршнів або лопатей турбіни. Ця різниця тисків створюється за допомогою різниці температур. Максимально можливий ККД пропорційний цій різниці температур і обернено пропорційний абсолютній температурі нагрівача.
Тепловий двигун не може працювати без холодильника, роль якого зазвичай відіграє атмосфера.
???
1. Який пристрій називають тепловим двигуном?
2. Яка роль нагрівача, холодильника та робочого тіла у тепловому двигуні?
3. Що називається коефіцієнтом корисної дії двигуна?
4. Чому дорівнює максимальне значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна?
Г.Я.Мякішев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотський, Фізика 10 клас
Зміст уроку конспект урокуопорний каркас презентація уроку акселеративні методи інтерактивні технології Практика завдання та вправи самоперевірка практикуми, тренінги, кейси, квести домашні завдання риторичні питання від учнів Ілюстрації аудіо-, відеокліпи та мультимедіафотографії, картинки графіки, таблиці, схеми гумор, анекдоти, приколи, комікси притчі, приказки, кросворди, цитати Доповнення рефератистатті фішки для допитливих шпаргалки підручники основні та додаткові словник термінів інші Удосконалення підручників та уроківвиправлення помилок у підручникуоновлення фрагмента у підручнику елементи новаторства на уроці заміна застарілих знань новими Тільки для вчителів ідеальні урокикалендарний план на рік методичні рекомендації програми обговорення Інтегровані урокиЯкщо у вас є виправлення або пропозиції до цього уроку,
Тепловий двигун (машина) - це пристрій, що перетворює внутрішню енергію палива на механічну роботу, обмінюючись теплотою з оточуючими тілами. Більшість сучасних автомобільних, літакових, суднових та ракетних двигунів сконструйовано на принципах роботи теплового двигуна. Робота проводиться з допомогою зміни обсягу робочого речовини, а характеристики ефективності роботи будь-якого типу двигуна використовується величина, що називається коефіцієнтом корисної дії (ККД).
Як влаштований тепловий двигун
З погляду термодинаміки (розділ фізики, що вивчає закономірності взаємних перетворень внутрішньої та механічної енергій та передачі енергії від одного тіла іншому) будь-який тепловий двигун складається з нагрівача, холодильника та робочого тіла.
Мал. 1. Структурна схема роботи теплового двигуна.
Перша згадка про прототип теплової машини відноситься до парової турбіни, яка була винайдена ще в стародавньому Римі (ІІ століття до н.е.). Щоправда, винахід не знайшов тоді широкого застосування через відсутність у той час багатьох допоміжних деталей. Наприклад, тоді ще не було вигадано такий ключовий елемент для роботи будь-якого механізму, як підшипник.
Загальна схема роботи будь-якої теплової машини має такий вигляд:
- Нагрівач має температуру T 1 досить високу, щоб передати велику кількість теплоти Q 1 . У більшості теплових машин нагрівання виходить при згорянні паливної суміші (паливо-кисень);
- Робоче тіло (пар чи газ) двигуна здійснює корисну роботу А,наприклад, переміщають поршень або обертають турбіну;
- Холодильник поглинає частину енергії від робочого тіла. Температура холодильника Т 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .
Теплова машина (двигун) повинна працювати безперервно, тому робоче тіло повинне повернутися у вихідний стан, щоб його температура дорівнювала T 1 . Для безперервності процесу робота машини має відбуватися циклічно, періодично повторюючись. Щоб створити механізм циклічності – повернути робоче тіло (газ) у вихідний стан – потрібен холодильник, щоб охолодити газ у процесі стиснення. Холодильником може бути атмосфера (для двигунів внутрішнього згоряння) або холодна вода (для парових турбін).
Чому дорівнює ККД теплового двигуна
Для визначення ефективності теплових двигунів французький інженер-механік Саді Карно у 1824р. ввів поняття ККД теплового двигуна. Для позначення ККД використовується грецька літера η. Величина η обчислюється за допомогою формули ККД теплового двигуна:
$$η=(А\over Q1)$$
Оскільки $ А = Q1 - Q2 $ тоді
$η =(1 - Q2\over Q1)$
Оскільки у всіх двигунів частина тепла віддається холодильнику, завжди η< 1 (меньше 100 процентов).
Максимально можливий ККД ідеального теплового двигуна
Як ідеальна теплова машина Саді Карно запропонував машину з ідеальним газом як робоче тіло. Ідеальна модель Карно працює за циклом (цикл Карно), що складається з двох ізотерм та двох адіабат.
Мал. 2. Цикл Карно:.
Нагадаємо:
- Адіабатичний процес- Це термодинамічний процес, що відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем (Q=0);
- Ізотермічний процес- Це термодинамічний процес, що відбувається при постійній температурі. Так як у ідеального газу внутрішня енергія залежить лише від температури, то передана газу кількість тепла Qйде повністю на виконання роботи A (Q = A) .
Саді Карно довів, що максимально можливий ККД, що може бути досягнутий ідеальним тепловим двигуном, визначається за допомогою наступної формули:
$$ηmax=1-(T2\over T1)$$
Формула Карно дозволяє визначити максимально можливий ККД теплового двигуна. Чим більша різниця між температурами нагрівача та холодильника, тим більше ККД.
Які реальні ККД у різних типів двигунів
З наведених прикладів видно, що найбільші значення ККД (40-50%) мають двигуни внутрішнього згоряння (дизельному варіанті виконання) і реактивні двигуни на рідкому паливі.
Мал. 3. ККД реальних теплових двигунів:.
Що ми дізналися?
Отже, ми дізналися, що таке ККД двигуна. Величина ККД будь-якого теплового двигуна завжди менша за 100 відсотків. Чим більша різниця температур нагрівача T 1 і холодильника Т 2 тим більше ККД.
Тест на тему
Оцінка доповіді
Середня оцінка: 4.2. Усього отримано оцінок: 293.
Головне значення отриманої Карно формули (5.12.2) для ККД ідеальної машини полягає в тому, що вона визначає максимально можливий ККД будь-якої теплової машини.
Карно довів, спираючись на другий закон термодинаміки*, наступну теорему: будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем температуриТ 1 та холодильником температуриТ 2 , не може мати коефіцієнт корисної дії, що перевищує ККД ідеальної теплової машини
Карно фактично встановив другий закон термодинаміки до Клаузіуса і Кельвіна, коли ще перший закон термодинаміки не був сформульований суворо.
Розглянемо спочатку теплову машину, що працює за оборотним циклом із реальним газом. Цикл може бути будь-яким, важливо лише, щоб температури нагрівача та холодильника були Т 1 і Т 2 .
Припустимо, що ККД іншої теплової машини (що не працює за циклом Карно) η ’ > η . Машини працюють із загальним нагрівачем та загальним холодильником. Нехай машина Карно працює за зворотним циклом (як холодильна машина), а інша машина - за прямим циклом (рис. 5.18). Теплова машина здійснює роботу, рівну згідно з формулами (5.12.3) та (5.12.5):
Холодильну машину завжди можна сконструювати так, щоб вона брала від холодильника кількість теплоти Q 2
= |
|
Тоді згідно з формулою (5.12.7) над нею здійснюватиметься робота
(5.12.12)
Оскільки за умовою η" > η , то А» > А.Тому теплова машина може привести в дію холодильну машину та ще залишиться надлишок роботи. Ця надлишкова робота відбувається за рахунок теплоти, взятої від одного джерела. Адже холодильнику при дії одразу двох машин теплота не передається. Але це суперечить другому закону термодинаміки.
Якщо припустити, що η > η ", то можна іншу машину змусити працювати за зворотним циклом, а машину Карно - за прямим. Ми знову дійдемо суперечності з другим законом термодинаміки. Отже, дві машини, що працюють за оборотними циклами, мають однакові ККД: η " = η .
Інша річ, якщо друга машина працює за незворотним циклом. Якщо допустити η "
>
η ,
то ми знову дійдемо суперечності з другим законом термодинаміки. Однак припущення т |< г| не противоречит второму закону
термодинамики, так как необратимая
тепловая машина не может работать как
холодильная машина. Следовательно, КПД
любой тепловой машины η"
≤ η, або 
Це і є основний результат:
(5.12.13)
ККД реальних теплових машин
Формула (5.12.13) дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1.
Але температура холодильника практично не може бути набагато нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури плавиться.
Зараз основні зусилля інженерів спрямовані на підвищення ККД двигунів за рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння і т.д. Реальні можливості підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові та кінцеві температури пари приблизно такі: Т 1 = 800 К та Т 2 = 300 К. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює:
Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат приблизно дорівнює 40%. Максимальний ККД – близько 44% – мають двигуни внутрішнього згоряння.
Коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна не може перевищувати максимально можливого значення 
,
де Т 1
-
абсолютна температура нагрівача, а Т 2
-
абсолютна температура холодильника.
Підвищення ККД теплових двигунів та наближення його до максимально можливого- найважливіше технічне завдання.
Історично поява термодинаміки як науки було пов'язане із практичним завданням створення ефективного теплового двигуна (теплової машини).
Теплова машина
Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює роботу за рахунок теплоти, що надходить до двигуна. Дана машинає періодичною.
Теплова машина включає наступні обов'язкові елементи:
- робоче тіло (зазвичай газ чи пар);
- нагрівач;
- холодильник.
1. Цикл роботи теплової машини. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт
На рис.1 зобразимо цикл, яким може працювати теплова машина. У цьому циклі:
- газ розширюється від обсягу $V_1$ до обсягу $V_2$;
- газ стискається від обсягу $V_2$ до обсягу $V_1$.
Для того щоб отримати роботу, яку виконує газ, більший ніж нуль, тиск (отже, температура) у процесі розширення має бути більшим, ніж у процесі стиснення. З цією метою газ у процесі розширення теплоту одержує, а при стисканні у робочого тіла тепло відбирають. Звідси зробить висновок про те, що крім робочого тіла в тепловому двигуні повинні бути присутні ще два зовнішні тіла:
- нагрівач, що віддає робочому тілу теплоту;
- холодильник, тіло, яке забирає від робочого тіла тепло під час стиснення.
Після виконання циклу робоче тіло та всі механізми машини повертаються в колишній стан. Це означає, що зміна внутрішньої енергії робочого тіла – нуль.
На рис.1 зазначено, що у процесі розширення робоче тіло отримує кількість теплоти, що дорівнює $Q_1$. У процесі стиснення робоче тіло віддає холодильнику кількість теплоти, що дорівнює $Q_2$. Отже, за один цикл кількість теплоти, отримана робочим тілом дорівнює:
$\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$
З першого початку термодинаміки, враховуючи те, що в замкнутому циклі $ Delta U = 0 $, робота, що здійснюється робочим тілом дорівнює:
$A=Q_1-Q_2 (2).$
Для організації повторних циклів теплової машини необхідно, щоб частина своєї теплоти віддавала холодильнику. Ця вимога перебуває у згоді з другим початком термодинаміки:
Неможливо створити вічний двигун, який періодично повністю трансформував теплоту, одержувану від якогось джерела повністю в роботу.
Так, навіть у ідеального теплового двигуна кількість теплоти, що передається холодильнику, не може дорівнювати нулю, існує нижня межа величини $Q_2$.
ККД теплової машини
Зрозуміло, що наскільки ефективно працює теплова машина, слід оцінювати з огляду на повноту перетворення теплоти, отриманої від нагрівача на роботу робочого тіла.
Параметром, що показує ефективність теплового двигуна, є коефіцієнт корисної дії (ККД).
Визначення 1
ККД теплового двигуна називають відношення роботи, що виконується робочим тілом ($A$) до кількості теплоти, яку це тіло отримує від нагрівача ($Q_1$):
$\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$
Зважаючи на вираз (2) ККД теплової машини знайдемо як:
$\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$
Співвідношення (4) показує, що ККД може бути більше одиниці.
ККД холодильної машини
Обернемо цикл, який відображено на рис. 1.
Зауваження 1
Звернути цикл – це означає змінити напрям обходу контуру.
В результаті обігу циклу отримаємо цикл холодильної машини. Ця машина отримує від тіла з низькою температурою теплоту $Q_2$ і передає її нагрівачеві, що має більше високу температурукількість теплоти $Q_1$, причому $Q_1>Q_2$. Над робочим тілом відбувається робота $A'$ за цикл.
Ефективність нашого холодильника визначається коефіцієнтом, який обчислюють як:
$\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\left (5\right).$
ККД оборотної та незворотної теплової машини
ККД незворотного теплового двигуна завжди менше, ніж ККД оборотної машини, при роботі машин з однаковим нагрівачем і холодильником.
Розглянемо теплову машину, що складається з:
- циліндричної судини, яка закрита поршнем;
- газу під поршнем;
- нагрівача;
- холодильника.
- Газ отримує кілька теплоти $Q_1$ від нагрівача.
- Газ розширюється та штовхає поршень, виконує роботу $A_+0$.
- Газ стискають, холодильнику передається теплота $Q_2$.
- Робота відбувається над робочим тілом $A_-
Робота, яку виконають робоче тіло за цикл, дорівнює:
На виконання умови оборотності процесів їх треба проводити дуже повільно. Крім цього необхідно, щоб не було тертя поршня об стінки судини.
Позначимо роботу, яка здійснюється за один цикл оборотним тепловим двигуном як $A_(+0)$.
Виконаємо той же цикл з великою швидкістю та за наявності тертя. Якщо провести розширення газу швидко, тиск його біля поршня буде менше, ніж якщо газ розширюють повільно, оскільки розрідження, що виникає під поршнем, поширюється на весь об'єм з кінцевою швидкістю. У зв'язку з цим робота газу в незворотному збільшенні обсягу менша, ніж у оборотному:
Якщо стиснення газу швидко здійснити тиск біля поршня більше, ніж при повільному стисканні. Значить, величина негативної роботи робочого тіла в незворотному стисканні більша, ніж у оборотному:
Отримаємо, що робота газу в циклі $A$ незворотної машини, що обчислюється за формулою (5), виконувана за рахунок теплоти, отриманої від нагрівача буде менше, ніж робота, виконана в циклі оборотним тепловим двигуном:
Тертя, що є у незворотному тепловому двигуні, веде до переходу частини роботи виконаної газом у теплоту, що зменшує ККД двигуна.
Так, можна дійти невтішного висновку у тому, що коефіцієнт корисної дії теплового двигуна оборотної машини більше, ніж незворотній.
Зауваження 2
Тіло, з яким обмінюється теплом робоче тіло, називатимемо тепловим резервуаром.
Оборотна теплова машина здійснює цикл, у якому є ділянки, де робоче тіло здійснює обмін теплотою з нагрівачем і холодильником. Процес обміну теплом є оборотним, тільки якщо при отриманні теплоти і поверненні її при зворотному ході, робоче тіло має одну і ту ж температуру, що дорівнює температурі теплового резервуара. Якщо говорити точніше, то температура тіла, яке отримує теплоту, повинна бути на дуже малу величину менша за температуру резервуара.
Таким процесом може бути ізотермічний процес, який відбувається за температури резервуара.
Для функціонування теплового двигуна у нього має бути два теплові резервуари (нагрівач та холодильник).
Оборотний цикл, який виконується в тепловому двигуні робочим тілом, повинен бути складений з двох ізотерм (при температурах теплових резервуарів) та двох адіабат.
Адіабатичні процеси відбуваються без обміну теплом. В адіабатних процесах відбувається розширення та стиск газу (робочого тіла).
РемонтТак Так! Можете сміятися, посміхатися, відпускати різні жарти! Я дійсно мав задоволення з'їздити в селище з такою не зовсім романтичною назвою - Тазовський. Ну і що – спитайте ви. Ну, з'їздив та з'їздив. Ви, мабуть, теж їздите в якісь
Представляємо вашій увазі справжню біографію відомої вже для багатьох із передачі битва екстрасенсів відьми з Естонії – Мерілін Керро. Не дивлячись на те, що інтернет кишить різного роду подібною інформацією, де головною метою є нажива, шлях
Золотарник (лат. солідаго) – квітка родом із дитинства. Одного дня він з'являється у вашому саду непроханим гостем і скромно починає своє життя в якомусь занедбаному куточку. Проходить зовсім небагато часу, і його сонячно-жовті мітелки суцвіття
