Коэффициент полезного действия и холодильный коэффициент
Запрос «КПД» перенаправляется сюда; см. также другие значения.
Коэффицие́нт поле́зного де́йствия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η («эта»)[1]. КПД является безразмерной величиной и часто выражается в процентах.
Определение[править | править код]
Математически КПД определяется как
где А — полезная работа (энергия), а Q — затраченная энергия.
Если КПД выражается в процентах, эту формулу иногда записывают в виде
.
Здесь умножение на не несёт содержательного смысла, поскольку . В связи с этим второй вариант записи формулы менее предпочтителен (одна и та же физическая величина может быть выражена в различных единицах независимо от формул, где она участвует).
В силу закона сохранения энергии и в результате неустранимых потерь энергии КПД реальных систем всегда меньше единицы, то есть невозможно получить полезной работы больше или столько, сколько затрачено энергии.
КПД теплово́го дви́гателя — отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле
,
где — количество теплоты, полученное от нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику. Наибольшим КПД среди циклических машин, оперирующих при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2, обладают тепловые двигатели, работающие по циклу Карно; этот предельный КПД равен
.
Другие похожие показатели[править | править код]
Не все показатели, характеризующие эффективность энергетических процессов, соответствуют вышеприведённому описанию. Даже если они традиционно или ошибочно называются «коэффициент полезного действия», они могут иметь другие свойства, в частности, превышать 100 %.
КПД котлов[править | править код]
КПД котлов на органическом топливе традиционно рассчитывается по низшей теплоте сгорания; при этом предполагается, что влага продуктов сгорания покидает котёл в виде перегретого пара. В конденсационных котлах эта влага конденсируется, теплота конденсации полезно используется. При расчёте КПД по низшей теплоте сгорания он в итоге может получиться больше единицы. В данном случае корректнее было бы считать его по высшей теплоте сгорания, учитывающей теплоту конденсации пара; однако при этом показатели такого котла трудно сравнивать с данными о других установках.
Тепловые насосы и холодильные машины[править | править код]
Достоинством тепловых насосов как нагревательной техники является возможность получать больше теплоты, чем расходуется энергии на их работу. Холодильная машина может отвести от охлаждаемого конца больше теплоты, чем затрачивается энергии на организацию процесса.
Эффективность машин характеризует холодильный коэффициент[en]
,
где — тепло, отбираемое от холодного конца (в холодильных машинах холодопроизводительность); — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).
Для тепловых насосов используют термин коэффициент трансформации
,
где — тепло конденсации, передаваемое теплоносителю; — затрачиваемая на этот процесс работа (или электроэнергия).
В идеальной машине , отсюда для идеальной машины
Наилучшими показателями производительности для холодильных машин обладает обратный цикл Карно: в нём холодильный коэффициент
,
где , — температуры горячего и холодного концов, K[2]. Данная величина, очевидно, может быть сколь угодно велика; хотя практически к ней трудно приблизиться, холодильный коэффициент может превосходить единицу. Это не противоречит первому началу термодинамики, поскольку, кроме принимаемой в расчёт энергии A (напр., электрической), в тепло Q идёт и энергия, отбираемая от холодного источника.
Литература[править | править код]
- Пёрышкин А. В. Физика. 8 класс. — Дрофа, 2005. — 191 с. — 50 000 экз. — ISBN 5-7107-9459-7..
Примечания[править | править код]
35. Термодинамический КПД и холодильный коэффициент циклов
Источники, имеющие высокую температуру (Т1) и отдающие теплоту рабочему телу, называются теплоот-датчиками. Источники, имеющие низкую температуру (Т2) и получающие теплоту от рабочего вещества, называются теплоприемниками.
На РУ-диаграмме полезная работа кругового процесса равна площади, образованной кривыми прямого и обратного хода процесса и заключенной внутри цикла. Если на графике линия расширения расположена над линией сжатия, направление цикла происходит по часовой стрелке и произведенная в процессе работа потребляется внешними устройствами, такой цикл является прямым. Если на диаграмме линия сжатия расположена выше линии расширения, направление цикла происходит против часовой стрелки и работа совершается с помощью внешнего источника, такой цикл является обратным.
Полезную работу двигателя возможно получить только в случае, когда работа расширения больше работы по сжатию. Преобразование теплоты в механическую работу является несамопроизвольным процессом и обязательно должно сопровождаться компенсацией.
Тепловые устройства считаются идеальными, если в них нет потерь. Цикл также считается идеальным, если образован только обратимыми явлениями. В тепловых двигателях оценку экономичности идеального прямого цикла называют термическим коэффициентом полезного действия. Он равен отношению теплоты, которая преобразовалась в ходе цикла в работу, ко всей подведенной теплоте и обозначается ht(«эта», греческая буква):
где 1ц– полезная работа;
q1 – подведенная теплота;
q2– отведенная теплота. Внешняя работа при обратном цикле равна:
1ц = q1 – q2,
где q1– отведенная теплота к горячему источнику;
q2– отведенная теплота от холодного источника.
Для обратного идеального цикла существует термин холодильного КПД, который обозначается ?t:
Можно сформулировать второй закон термодинамики таким образом: «В тепловом двигателе преобразование теплоты в механическую работу на 100% невозможно».
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Читайте также
Коэффициент использования основных типов изоляторов и изоляционных конструкций (стеклянных и фарфоровых)
Коэффициент использования основных типов изоляторов и изоляционных конструкций (стеклянных и фарфоровых)
Вопрос. Как следует определять коэффициент использования k изоляционных конструкций, составленных из однотипных изоляторов?Ответ. Следует определять какk = kи ·
43. Равномерное движение и коэффициент сопротивления по длине. Формула Шези. Средняя скорость и расход потока
43. Равномерное движение и коэффициент сопротивления по длине. Формула Шези. Средняя скорость и расход потока
При ламинарном движении (если оно равномерное) ни живое сечение, ни средняя скорость, ни эпюра скоростей по длине не меняются со временем.При равномерном движении
56. Коэффициент расхода системы
56. Коэффициент расхода системы
Требуется выяснить вопрос о расходе, если истечение происходит по трубам, соединенным в одну систему, но имеющих разные геометрические данные. Здесь нужно рассмотреть каждый случай отдельно. Приведем некоторые из них.1. Истечение
Термодинамический культуризм
Термодинамический культуризм
Многие женщины пытаются избавиться от лишнего веса, но часто даже самые строгие диеты оказываются бесполезными. Внутренний «весостат», поддерживающий вес человека постоянным, очень трудно сбить с толку; организм просто начинает более
§ 7.ТАКТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТАНКОВ.
§ 7.ТАКТИЧЕСКИЙ КОЭФФИЦИЕНТ ТАНКОВ.
Существует три способа уменьшения уязвимости танков от пулеметного и орудийного огня: 1) увеличение непробиваемости брони танков, что достигается увеличением ее толщины, улучшением качества и расположением отдельных частей брови так,
КАТЕГОРИИ:
Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)
Исследование любого прямого цикла показывает, что для получения положительной работы необходимо к рабочему телу на некотором участке цикла подвести теплоту q1 от внешнего источника (теплоотдатчика) и отвести на другом участке цикла теплоту q2 внешнему источнику теплоты. При этом на пути AEB рабочее тело совершит работу расширения lp= пл.АЕВСД, а н пути ВКА — работу сжатия lсж.=АКВСД. В результате осуществления прямого цикла овне будет отдана положительная работ, равная разности между работой расширения и сжатия. Эта работа lпол = lрас – lсж
Соотношение между количеством теплоты q1 и q2 и полезной работой lполопределяется 1-м законом ТТД: Q=Q1-Q2=U2-U1+Lц , (5.1)
Т.к. в цикле конечное состояние тела совпадет с начальным, то изменение внутренней энергии рабочего тела не происходит (в ввиду совершения кругового процесса и того, что внутренняя энергия является функцией состояния) и равно 0, поэтому (U2=U1; U2-U1=0),
q1-q2=Lц, (5.2)
Чем больше подведённая теплота q1, и чем меньше отведённая q2, тем больше количество теплоты превращается в цикле в работу , а следовательно, тем выше эффективность цикла.
Степень совершенства преобразования теплоты в механическую работу в ТД цикле оценивается термическим коэффициентом полезного действия. Термическим КПД ТД цикла называется отношение работы, совершённой в прямом обратимом термодинамическом цикле, и теплоте, сообщённой рабочему телу от внешних источников:
, (5.3)
Термический КПД цикла показывает, какое количество получаемой теплоты машина превращает в работу в конкретных условиях протекания идеального цикла. Чем больше , тем совершеннее цикл и тепловая машина. Значение термического КПД всегда меньше 1. Если бы =1, то либо q1 = ∞, либо q2=0, что на практике неосуществимо.
Рассмотрим теперь обратный цикл, который проходит в направлении против часовой стрелки и изображается в p1 v – диаграмме (5.1) пл.АЕВК. Расширение рабочего тела в этом цикле совершается при более низкой температуре, чем сжатия и работа расширения пл. AKBMN получается меньше работа сжатия пл. AEBMN.
В обратном цикле от холодного источника температурой Т2 подводится и раб. телу теплота q2 и затрачивается работа lц, переходящая в равное количество теплоты, которые вместе передаются горячему источнику с температурой Т1: , (5.4)
Таким образом, при затрате извне работы, теплота будет перетекать от холодного источника к горячему.
Степень совершенства обратного цикла определяется холодильным коэффициентом Е. Холодильный коэффициент цикла представляет собой отношение количества теплоты q2, отведённой в обратном термодинамическом цикле от охлаждаемой системы к работе lц, затраченной в этом цикле: , (5.5)
Холодильнsй коэффициент показывает, что переход теплоты с более высокого на более низкий уровень не является процессом самопроизвольным и может быть осуществлён лишь при наличии компенсирующего процесса — превращения определённого количества работы в теплоту, передаваемую потом горячим теплоприёмником вместе с теплотой, отнимаемой у холодного источника теплоты.
В отличие от цикла теплового двигателя, холодильный коэффициент Е может быть и меньше и больше и равен 1.
Дата добавления: 2014-11-29; Просмотров: 1188; Нарушение авторских прав?
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Рекомендуемые страницы:
Читайте также:
Коэффициент полезного действия механизмов (КПД)
Если круговой процесс на диаграмме P-V протекает по часовой стрелке, то часть тепловой энергии, полученной от нагревателя, превращается в работу. Так работает тепловая машина.
Известно, что вечный двигатель невозможен. Это связано с тем, что для любого механизма справедливо утверждение: совершённая с помощью этого механизма полная работа (в том числе на нагревание механизма и окружающей среды, на преодоление силы трения) всегда больше полезной работы.
Например, больше половины работы двигателя внутреннего сгорания совершается впустую тратится на нагревание составных частей двигателя; некоторое количество теплоты уносят выхлопные газы. Часто необходимо оценивать эффективность механизма, целесообразность его использования. Поэтому, чтобы рассчитывать, какая часть от совершённой работы тратится впустую и какая часть с пользой, вводится специальная физическая величина, которая показывает эффективность механизма. Эта величина называется коэффициентом полезного действия механизма η = (А_полн /А_полезн) * 100 %,
Холодильный коэффициент.
Если круговой процесс на диаграмме P-V протекает против часовой стрелки, то тепловая энергия передается от холодильника (тела с меньшей температурой) к нагревателю (телу с большей температурой) за счет работы внешней силы. Так работает холодильная машина.
Холодильный коэффициент холодильной машины равен отношению тепловой энергии Q, отобранной от холодильника за цикл, к затраченной работе :
Цикл Карно. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины. ТЕПЛОПЕРЕДАЧА И ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ В РАБОТУ. «ОБЕСЦЕНИВАНИЕ ТЕПЛОТЫ НАГРЕВАТЕЛЯ». ИДЕАЛЬНАЯ ТЕПЛОВАЯ МАШИНА И ПРОБЛЕМЫ ЭКОЛОГИИ.
Отсюда коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен
Цикл Карно состоит из четырёх стадий:
· Изотермическое расширение
· Адиабатическое расширение
· Изотермическое сжатие
· Адиабатическое сжатие
Рассмотрим теплообмен 2-х тел – изолированную систему: T1 > T2. Изменение энтропии равно.
В изолированной системе возможны лишь процессы, ведущие к возрастанию энтропии.
Возрастание энтропии при теплообмене тел приводит к уменьшению доступности тепла для преобразования его в работу, т.е. обесцениванию тепловой энергии.
Из 1-го начала dQ = dU + dA
с учётом dS = dQ ⁄ T получаем dU = TdS – dA
Экологические проблемы использования тепловых машин. Мы живём в XXI веке, который невозможно представить без электростанций и автомобилей. Большая доля электростанций в мире – тепловые, то есть сжигающие топливо (уголь или газ). Автомобили, работающие на электричестве – редкость, все остальные сжигают топливо (бензин). При этом есть два губительных для окружающей среды обстоятельства.
Во-первых, выхлопные газы загрязняют атмосферу, делают её непригодной для нормальной жизнедеятельности человека. Во-вторых, выделяющееся тепло изменяет климат Земли и наносит непоправимый вред природе, животным и человеку. Поэтому задача человечества – переходить на более безопасные для окружающей среды двигатели.
Обратимые и необратимые процессы. Приведенная теплота. Направленность процесса теплопередачи. Приведенная теплота в термодинамических циклах. Неравенство Клаузиуса. Энтропия, как функция состояния. Второе начало термодинамики
Обратимый процесс – если процесс может быть проведен в обратном направлении с теми же промежуточными путями.
Приведенная теплота.
Отношение теплоты Q в изотермическом процессе к температуре, при которой происходила передача теплоты, называется приведенной теплотой.
Для подсчета приведенной теплоты в произвольном процессе необходимо разбить этот процесс на бесконечно малые участки, где Т можно считать константой. Приведенная теплота на таком участке будет равна .
Направленность процесса
Теплота всегда самопроизвольно переходит только от более нагретых тел к менее нагретым, т. е. самопроизвольный или естественный процесс теплообмена обладает свойством определенной направленности — в сторону тел с более низкой температурой. При этом процесс теплообмена прекратится при достижении равенства температур.
для обратимого цикла Карно
Так как любой замкнутый цикл можно представить как сумму бесконечного числа циклов Карно, то для любого замкнутого обратимого цикла выражение (9.26) будет справедливо и его можно записать в следующем виде
– Равенство Клаузиуса
Необратимый цикл Карно.В этом случае
И все равенства превращаются в неравенства
; ; ; ; ; ; ;
Неравенство Клаузиуса
Таким образом, сумма приведенных теплот любого цикла равна нулю (обратимый процесс) или меньше нуля (необратимый процесс).
Энтропия
Функция состояния, полный дифференциал которой равен , называется энтропией (от греч. entropia – поворот, превращение) – мера способности теплоты превращаться в другие виды энергии.
Энтропия S – это отношение полученной или отданной теплоты к температуре, при которой происходил этот процесс.
Для обратимых процессов изменение энтропии
Это выражение называется равенство Клаузиуса.
В любом обратимом процессе изменения энтропии равно 0 . В термодинамике доказывается, что S системы совершающей необратимой цикл возрастает Выражения (1) и (2) относятся только к замкнутым системам, если же система обменивается теплотой с внешней средой, то её S может вести себя любым образом. Соотношения (1) и(2) можно представить в виде неравенства Клаузиуса ΔS ≥ 0 т.е. энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов) либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов).
Второе начало термодинамики
Второе начало термодинамики, принцип, устанавливающий необратимость макроскопических процессов, протекающих с конечной скоростью.
Другая формулировка второго начала термодинамики основывается на понятии энтропии:
«Энтропия изолированной системы не может уменьшаться» (закон неубывания энтропии).
Второе начало термодинамики, как и первое формулируется несколькими способами 1. Энтропия изолированной системы при протекании необратимого процесса может только возрастать dS≥0.2. Клаузиус сформулировал второе начало термодинамики следующим образом: Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых был бы переход от тела менее нагретого к телу более нагретому. (Второе начало термодинамики не запрещает такой переход (например, такой переход происходит в холодильной машине)однако этот переход не является единственным результатом процесса, сопровождается изменениями в окружающих телах, связанных с совершением работы A’) 3.Кельвну принадлежит еще одна формулировка второго начала термодинамики: Невозможны такие процессы, единственным конечным результатом которых являлось бы отнятие от некоторого тела определенного количества тепла и превращение этого тела полностью в работу. С точки зрения статистической физики второе начало термодинамики имеет статистический характер: оно справедливо для наиболее вероятного поведения системы.