Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Кпд идеального теплового двигателя

Двигатель
Кпд идеального теплового двигателя - Получите невероятные возможности Причины неэффективности Понятие максимального значения Устройства внешнего и внутреннего сгорания КПД теплового двигателя (машины)

Из уравнения (2) следует, что существует два способа повышения эффективности: a) увеличить температуру нагревателя — b) уменьшить температуру холодильника. Ни один из этих методов не является перспективным.

Тепловой двигатель

Термодинамика возникла как наука, основной задачей которой является создание наиболее эффективного теплового двигателя.

Тепловой двигатель или тепловой двигатель — это обычный двигатель, выполняющий экзотермическую работу.

Как правило, работа теплового двигателя выполняется газами при их расширении. Газ в нем называется рабочей средой. Часто его заменяют воздухом или водяным паром. Газ расширяется при повышении температуры и давления.

Устройство, с помощью которого рабочее тело получает тепло Qn, называется нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к объему V 2 V 2> V 1 и сокращение обратно к исходному объему. Чтобы увеличить значение работы, совершаемой за цикл, выше нуля, необходимо увеличить температуру и давление, которые должны быть больше, чем сжатие. Это означает, что определенное количество тепла отдается телу при расширении и отводится при сжатии. Поэтому, помимо нагревателя, тепловой двигатель должен иметь холодильник, к которому рабочее тело может подводить тепло.

Рабочий орган выполняет свою задачу по кругу. Очевидно, что изменение внутренней энергии газов в двигателе равно нулю. Если при расширении от радиатора к рабочему телу выделяется тепло количества Qn, то при сжатии Q’c h тепло рабочего тела передается холодильнику, считая ΔU = 0, согласно первому закону термодинамики. Значение газового проекта в процессе циркуляции описывается следующим образом

Таким образом, тепло Q’ch ≠ 0. КПД двигателя определяется количеством тепла, рассеянного нагревателем и преобразованного в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом доходности (COP), который определяется как

( Утверждение уравнения (2) при учете (1) принимает вид

η = Qn —Q’c h Q n (3), выход всегда.

Машина, которая получает определенное количество тепла Qch от тела с самой низкой температурой и отдает Q’n телу с самой высокой температурой при Q n> Q c h, называется холодильной машиной.

Эта машина должна выполнить задание A’ во время цикла. Эффективность холодильной машины зависит от расчетного холодильного коэффициента

a = Q’n A’= Q’n Q’n-Q c h (4).

КПД необратимого теплового двигателя всегда будет ниже, чем КПД обратимого цикла.

КПД теплового двигателя

Французский инженер СаадиКарно обнаружил, что степень эффективности теплового двигателя зависит от температуры нагревателя Tn и холодильника Tch. Геометрия конструкции теплового двигателя и выбор рабочей среды не влияют на идеальную производительность теплового двигателя.

ηmax= T n-T c h T n (5).

Все реальные тепловые машины могут иметь КПД ≤ или макс.

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, смоделированная Карнаухом, работает в обратимом цикле, состоящем из двух изотерм (1-2, 4-3) и двух невозмущенных (2-3, 4-1), как показано на рисунке 1. В качестве рабочей жидкости выбран идеальный газ. Адиабатический процесс протекает без подвода и отвода тепла.

Принципы работы тепловых машин

Участки 1-2 характеризуются передачей рабочему телу от нагревателя теплоты Qn при температуре Tn. Для изотермических процессов символика выглядит следующим образом

Q n = T n(S 2-S 1) (6), где S 1 и S 2 — энтропии в соответствующих точках круга на рисунке 1.

Разделы 3-4 характеризуются тем, что к холодильнику подводится тепло при температуре T c h от идеального газа, при этом теплоотдача равна теплоотдаче газа — Q c h, что выглядит следующим образом.

—Q c h = T c h (S 1-S 2) (7).

( Уравнение в скобках в (7) показывает увеличение энтропии для процессов 3-4.

Из уравнения (2) следует, что существует два способа повышения эффективности: a) увеличить температуру нагревателя — b) уменьшить температуру холодильника. Ни один из этих методов не является перспективным.

Как устроен тепловой двигатель

Тепловые двигатели состоят из трех основных частей

В основе работы двигателя лежит циркуляционный процесс.

Процесс циркуляции

При сгорании нагревателя, например, смеси, выделяется большое количество тепла, которое передается рабочим органам.

Рабочее тело, например, пар, газ или жидкость, расширяется при нагревании и совершает работу. Турбина поворачивается или перемещает поршень.

Охладитель необходим для возвращения рабочего тела в исходное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Это обеспечивает рециркуляцию и поддерживает работу теплового двигателя.

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно была разработана французским физиком Ш. Карно.

Рабочей частью двигателя Карно является поршень в цилиндре, заполненном газом. Машина Карно является идеальной машиной и возможна только теоретически. Таким образом, в этом случае силы трения и тепловые потери между поршнем и цилиндром считаются нулевыми.

Механическая работа максимальна, когда рабочее тело совершает цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. В адиабатическом процессе это происходит за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет теплопередачи без работы, так как нет контакта между объектами с разными температурами. Этот цикл известен как цикл Карно.

Адиабатические процессы — это термодинамические процессы, протекающие без передачи тепла в окружающую среду (Q = 0).

Изотермические процессы — это термодинамические процессы, протекающие при постоянной температуре. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, поэтому количество тепла Q, переданное газу, полностью передается проекту A (Q = A).

Работа двигателя Карнауха заключается в следующем.

  1. Баллон соприкасается с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. Во время этой фазы газ получает тепло от горячего бака.
  2. Цилиндр окружен изоляцией для сохранения количества тепла, доступного газу. Газ продолжает расширяться до тех пор, пока температура не снизится до температуры холодного резервуара.
  3. На третьем этапе удаляется изоляция. Газ в баллоне, который находится в контакте с холодильным сосудом, сжимается, и часть тепла передается холодильному сосуду.
  4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружен изоляцией. Газ сжимается, поднимая поршень, пока его температура не сравняется с температурой горячего бака. Затем изоляция удаляется, и цикл повторяется с первой фазы.

Чем больше разница между самой теплой и самой холодной температурами, тем выше эффективность двигателя Карнауха.

Расчет коэффициента полезного действия

Уравнение для расчета КПД тепловых двигателей:.

Где Q1 — количество энергии, отданной нагревателем — A — работа, совершенная рабочим телом — Q2 -это количество энергии, отданной охладителю.

Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула имеет вид

где T1 температура нагревателя — T2 — температура холодильника.

Тип Карно позволяет рассчитать предельную (максимально возможную) производительность тепловой машины.

Построение графика КПД теплового двигателя

В круговом процессе работа, производимая рабочим телом, численно равна площади цикла онголи давления. По мере продвижения цикла по часовой стрелке проект становится численно равным символу ‘+’. Противоположное направление часовых меток равно символу ‘-‘.

Чтобы построить такой график, необходимо

  1. Отнимите объем рабочего (v) от оси краевой линии.
  2. Снимите давление рабочей среды (p) с линии.
  3. Нарисуйте изотермические и адиабатические знаки.

В случае круга Карно график имеет следующий вид

Круг Карно

Где Q1 — количество энергии, отданной нагревателем — A — работа, совершенная рабочим телом — Q2 -это количество энергии, отданной охладителю.

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения степени тепловой машины французский инженер-механик Садикарно в 1824 году ввел понятие степени тепловой эффективности. Для эффективности используются греческие буквы. Тип производительности теплового двигателя рассчитывается с помощью.

$ a = q1 -q2 $, далее следует.

поскольку все двигатели отдают часть своего тепла холодильнику.< 1 (меньше 100 процентов).

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

Санди Карнос предложил идеальную газовую машину в качестве средства для работы идеальной тепловой машины. Идеальная модель Карно работает в круге (круг Карно), состоящем из двух изотерм и двух прилипаний.

Круг Карнауха:.

Рисунок 2.Круг Карно:.

  • Адиабатические процессы — это термодинамические процессы, протекающие без теплообмена с окружающей средой (q = 0).
  • Изотермические процессы — это термодинамические процессы, протекающие при постоянной температуре. Поскольку внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры, количество тепла Q, переданное газу, полностью преобразуется в проект A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимальная производительность, которая может быть достигнута идеальной тепловой машиной, определяется следующими типами

Тип Карно позволяет рассчитать максимальный КПД тепловой машины. Чем больше разница между температурой нагрева и низкой температурой, тем больше выход.

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Примеры показывают, что двигатели внутреннего сгорания (дизельный вариант) и газовый топливный газ имеют самый высокий КПД (40-50%).

Фактическая производительность тепловой машины:.

Рисунок 3. Фактическая производительность тепловой машины:.

Показателем производительности хладагента является холодильный коэффициент, который равен отношению тепла, отводимого от холодильника, к внешнему источнику тепла.

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Участвуя в этом видеокурсе, студенты узнают, что называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя. Расскажите о роли тепловых машин в жизни человека.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеокурсам, вам необходимо приобрести их из списка и добавить в свой личный кабинет.

Согласно уравнению (8), может показаться, что для улучшения производительности необходимо увеличить t n и уменьшить t c h. Поскольку невозможно достичь значения абсолютного нуля, единственным решением для повышения эффективности является увеличение t n .

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели являются серьезным бременем для окружающей среды. Их широкое использование имеет ряд негативных последствий.

— Когда в атмосферу выбрасывается большое количество тепловой энергии, температура планеты повышается. Более теплый климат может привести к образованию ледников и катастрофическим бедствиям. — Накопление углекислого газа в атмосфере также приводит к повышению климатических температур и замедляет отток тепла от Земли в космос (парниковый эффект). — Состояние окружающей среды ухудшается из-за высокой концентрации продуктов сгорания.

Это проблемы культурного масштаба. Для устранения пагубного воздействия тепловых машин необходимо повысить производительность, снизить токсичные выбросы, разработать новые виды топлива и экономить энергию.

Оцените статью