Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

4) Цикл Карно.

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело – тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

https://kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно – самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м3, s = 100 км = 105 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м3, q = 46 × 106 Дж/кг.

Найти: N.

Решение:

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

.

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

Найти: Q1.

Решение

  =

– это количество теплоты, отданное холодильнику

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).

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.

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_{x}), 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_{x}) 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_{x}) может быть несколько ниже температуры окружающей атмосферы (рис. 3).

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.

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

[large boxed{ Q_{H} =  Q_{X} + A }]

(large Q_{H} left(text{Дж} right) ) – тепловая энергия, полученная от нагревателя;

(large Q_{X} left(text{Дж} right) ) – тепловая энергия, переданная холодильнику;

(large A left(text{Дж} 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_{H} — left| Q_{X} right| = A }]

Примечание: Полученная энергия берется со знаком «плюс», а утерянная – со знаком «минус». Нам уже известно, что энергия (Q_{X}), 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 frac{A}{Q_{H}}]

(large A left(text{Дж} 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.

[large boxed{eta = frac{A}{Q_{H}} }]

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).

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

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

[large boxed{ eta = frac{ Q_{H} — left| Q_{X} right|}{Q_{H}} }]

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

[large frac{ Q_{H} — left| Q_{X} right|}{Q_{H}} = frac{Q_{H}}{Q_{H}} — frac{left| Q_{X} right|}{Q_{H}} = 1 — frac{left| Q_{X} right|}{Q_{H}} ]

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

[large boxed{ eta = 1 — frac{left| Q_{X} right|}{Q_{H}} }]

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 boxed{ eta = frac{ T_{H} — T_{X}}{T_{H}} = 1 — frac{T_{X}}{T_{H}} }]

(large T_{H} left(Kright) ) – температура нагревателя в градусах Кельвина;

(large T_{X} left(Kright) ) – 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.