Тепловая машина с кпд 4 выполняет полезную работу 3 кдж
Цели урока:
- Расширить представления учащихся о коэффициенте полезного действия, способы его определения для идеальной и реальной тепловых машин, пути его повышения.
- Экологические аспекты применения тепловых машин.
- Расширить представления о разных видах тепловых машин.
Оборудование к уроку: LCD проектор, компьютер, таблица с циклом Карно.
Учащиеся заранее получают задания по подготовке электронных презентаций о С. Карно и по разным видам тепловых двигателей: внутреннего сгорания, дизельного, паровой турбины, турбореактивного двигателя и т.д.
Ход урока
Актуализация знаний учащихся в виде устного фронтального опроса.
В чем состоит 1 закон термодинамики?
В чем смысл 2 закона термодинамики?
Из каких основных частей состоит любая тепловая машина? Охарактеризуйте роль каждой из этих частей?
Какие виды тепловых машин вы знаете?
Что называется коэффициентом полезного действия и что он характеризует?
Объяснение нового материала:
Любая машина, устройство можно характеризовать такой величиной как коэффициент полезного действия. Как можно определить эту величину для тепловой машины? Какова полезная работа в тепловой машине? Для этого можно вспомнить геометрический смысл работы.
Это площадь фигуры под графиком в системе координат (р,V). За один замкнутый цикл полезная работа будет численно равна площади фигуры, ограничивающей заданный цикл. Чем больше будет площадь этой фигуры, тем больше будет полезная работа. Что же затрачивается в этом случае? Это количество теплоты, полученное газом от нагревателя Qн. Тогда коэффициент полезного действия будет равен:
; .
Для реальных тепловых двигателей коэффициент полезного действия равен из-за разного рода энергетических потерь приблизительно равен 40%, Максимальный КПД – около 44%-имеет двигатели внутреннего сгорания. Можно ли повысить коэффициент полезного действия? Из-за того, что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД не может равняться единице. Чему же может быть равен максимально возможный КПД теплового двигателя с температурой нагревателя Т1 и температурой холодильника Т2? Ответ на этот вопрос дал французский инженер и ученый Сади Карно. ( презентация о С. Карно). Им была предложена тепловая машина, в которой осуществляется замкнутый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, проводимый с идеальным газом. Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1, получая при этом от нагревателя количество теплоты Q1. Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окружающими телами. Далее следует изотермическое сжатие газа при температуре Т2. Газ отдает при этом процессе холодильнику количество теплоты Q2. Далее газ сжимается адиабатно и возвращается в исходное состояние. Работа, совершаемая газом, численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла. Коэффициент полезного действия идеальной тепловой машины:
Эта формула дает теоретический предел для максимального значения коэффициента полезного действия тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, КПД будет равен 1.
Температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышение температуры нагревателя ограничивается теплостойкостью и жаропрочностью материалов, из которых изготавливают цилиндры и поршни двигателей. Пути повышения КПД инженеры видят в уменьшении трения в частях двигателей и потерь топлива вследствие его неполного сгорания. Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния продуктов сгорания. Основные проблемы, связанные с использованием тепловых машин:
- Постепенное уменьшение кислорода в атмосфере.
- Повышение концентрации углекислого газа в атмосфере Земли и, как следствие повышение температуры атмосферы (парниковый эффект)
- Загрязнение атмосферы азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека, флоры и фауны.
Проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей, являются глобальными для всей планеты. Для их решения необходимо проводить ряд мероприятий по охране окружающей среды. Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях. Уже сейчас не допускаются к эксплуатации автомобили с повышенным содержанием СО в отработанных газах. Осуществляется перевод автомобилей на сжиженный газ в качестве топлива, а для бензиновых двигателей разрабатывается переход на топливо стандарта «Евро 4» и «Евро 5». Обсуждается возможность использования в качестве топлива водорода, в результате сгорания которого образуется вода. В настоящее время практически все мировые автопроизводители разработали машины с электрическими двигателями, которые возможно в будущем заменят тепловые двигатели.
Закрепление.
- Тепловой двигатель произвел работу, равную 700 Дж. При сжигании топлива в нем выделилось количество теплоты 3000 Дж. Чему равен коэффициент полезного действия этого двигателя?
А. 7%; Б. 23%; В. 30%; Г. 11,5%. - Тепловая машина с КПД 4% выполняет полезную работу 3кДж. Какое количество теплоты машина получает от нагревателя?
А. 0,75 кДж; Б. 7,5 кДж; В. 75 кДж; Г. 750 кДж. - В камере сгорания ракетного двигателя температура равна 3000 К. Коэффициент полезного действия такого двигателя теоретически может достигнуть значения 70%. Определите температуру струи газа, вытекающей из сопла двигателя.
А. 10000 К; Б. 2100 К; В. 900 К; Г. 4300 К. - При разработке нового автомобиля необходимо решать экологическую проблему…
А. увеличения мощности двигателя;
Б. уменьшения токсичности выхлопных газов;
В. Улучшения комфортности салона;
Г. уменьшения мощности двигателей.
Ответы: 1. Б; 2. В; 3. В; 4.Б.
Домашнее задание: п. 84, упр.15(15,16)
Презентация.
У нас уже была внутренняя энергия и первое начало термодинамики, а сегодня разберемся с задачами на КПД теплового двигателя. Что поделать: праздники праздниками, но сессию ведь никто не отменял.
Присоединяйтесь к нам в телеграме и получайте полезную рассылку каждый день. А приступая к практике, не забывайте держать под рукой памятку по задачам и полезные формулы.
Задачи по физике на КПД теплового двигателя
Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1
Условие
Вода массой 175 г подогревается на спиртовке. Пока вода нагрелась от t1=15 до t2=75 градусов Цельсия, масса спиртовки уменьшилась с 163 до 157 г Вычислите КПД установки.
Решение
Коэффициент полезного действия можно вычислить как отношение полезной работы и полного количества теплоты, выделенного спиртовкой:
Полезная работа в данном случае – это эквивалент количества теплоты, которое пошло исключительно на нагрев. Его можно вычислить по известной формуле:
Полное количество теплоты вычисляем, зная массу сгоревшего спирта и его удельную теплоту сгорания.
Подставляем значения и вычисляем:
Ответ: 27%
Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2
Условие
Старый двигатель совершил работу 220,8 МДж, при этом израсходовав 16 килограмм бензина. Вычислите КПД двигателя.
Решение
Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:
Теперь можно рассчитать КПД:
Или, умножая на 100, получаем значение КПД в процентах:
Ответ: 30%.
Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3
Условие
Тепловая машина работает по циклу Карно, при этом 80% теплоты, полученной от нагревателя, передается холодильнику. За один цикл рабочее тело получает от нагревателя 6,3 Дж теплоты. Найдите работу и КПД цикла.
Решение
КПД идеальной тепловой машины:
По условию:
Вычислим сначала работу, а затем КПД:
Ответ: 20%; 1,26 Дж.
Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4
Условие
На диаграмме изображен цикл дизельного двигателя, состоящий из адиабат 1–2 и 3–4, изобары 2–3 и изохоры 4–1. Температуры газа в точках 1, 2, 3, 4 равны T1 , T2 , T3 , T4 соответственно. Найдите КПД цикла.
Решение
Проанализируем цикл, а КПД будем вычислять через подведенное и отведенное количество теплоты. На адиабатах тепло не подводится и не отводится. На изобаре 2 – 3 тепло подводится, объем растет и, соответственно, растет температура. На изохоре 4 – 1 тепло отводится, а давление и температура падают.
Аналогично:
Получим результат:
Ответ: См. выше.
Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5
Условие
Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 = 13,4 кДж. Найдите КПД цикла.
Решение
Запишем формулу для КПД:
Отсюда:
Ответ: 18%
Вопросы на тему тепловые двигатели
Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?
Ответ. Тепловой двигатель – это машина, которая совершает работу за счет энергии, поступающей к ней в процессе теплопередачи. Основные части теплового двигателя: нагреватель, холодильник и рабочее тело.
Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.
Ответ. Первыми тепловыми двигателями, получившими широкое распространение, были паровые машины. Примерами современного теплового двигателя могут служить:
- ракетный двигатель;
- авиационный двигатель;
- газовая турбина.
Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?
Ответ. Нет. КПД всегда меньше единицы (или меньше 100%). Существование двигателя с КПД равным единице противоречит первому началу термодинамики.
КПД реальных двигателей редко превышает 30%.
Вопрос 4. Что такое КПД?
Ответ. КПД (коэффициент полезного действия) – отношение работы, которую совершает двигатель, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.
Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?
Ответ. Удельная теплота сгорания q – физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива массой 1 кг. При решении задач КПД можно определять по мощности двигателя N и сжигаемому за единицу времени количеству топлива.
Задачи и вопросы на цикл Карно
Затрагивая тему тепловых двигателей, невозможно оставить в стороне цикл Карно – пожалуй, самый знаменитый цикл работы тепловой машины в физике. Приведем дополнительно несколько задач и вопросов на цикл Карно с решением.
Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).
Задача на цикл Карно №1
Условие
Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 73,5 кДж. Температура нагревателя t1 =100° С, температура холодильника t2 = 0° С. Найти КПД цикла, количество теплоты, получаемое машиной за один цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику.
Решение
Рассчитаем КПД цикла:
С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:
Количество теплоты, отданное холодильнику, будет равно разности общего количества теплоты и полезной работы:
Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.
Задача на цикл Карно №2
Условие
Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А=2,94 кДж и отдает за один цикл холодильнику количество теплоты Q2=13,4 кДж. Найти КПД цикла.
Решение
Формула для КПД цикла Карно:
Здесь A – совершенная работа, а Q1 – количество теплоты, которое понадобилось, чтобы ее совершить. Количество теплоты, которое идеальная машина отдает холодильнику, равно разности двух этих величин. Зная это, найдем:
Ответ: 17%.
Задача на цикл Карно №3
Условие
Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его
Решение
Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:
- 1-2. Изотермическое расширение, рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты q1;
- 2-3. Адиабатическое расширение, тепло не подводится;
- 3-4. Изотермическое сжатие, в ходе которого тепло передается холодильнику;
- 4-1. Адиабатическое сжатие.
Ответ: см. выше.
Вопрос на цикл Карно №1
Сформулируйте первую теорему Карно
Ответ. Первая теорема Карно гласит: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела.
Вопрос на цикл Карно №2
Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?
Ответ. Нет. КПД цикла карно будет равен 100% только в случае, если температура холодильника будет равна абсолютному нулю, а это невозможно.
Если у вас остались вопросы по теме тепловых двигателей и цикла Карно, вы можете смело задавать их в комментариях. А если нужна помощь в решении задач или других примеров и заданий, обращайтесь в профессиональный студенческий сервис.
1. Вспоминай формулы по каждой теме
2. Решай новые задачи каждый день
3. Вдумчиво разбирай решения
Идеальная тепловая машина с КПД 55(%) за цикл работы получает от нагревателя 100 Дж. Какую полезную работу машина совершает за цикл? (Ответ дайте в джоулях.)
Под полезной работой понимается работа, которую совершила тепловая машина за цикл.
КПД тепловой машины можно найти по формуле: [eta=dfrac{A_text{ц}}{Q_{text{н}}}] Выразим работу, совершенную тепловой машиной за цикл: [A_text{ц}=eta cdot Q_{text{н}}] [A_text{ц}=0,55cdot100text{ Дж}=55text{ Дж}]
Ответ: 55
Тепловая машина за цикл работы получает от нагревателя количество теплоты, равное 100 Дж, и отдает холодильнику количество теплоты, равное 40 Дж. Чему равен КПД тепловой машины? (Ответ дайте в процентах.)
КПД тепловой машины можно найти по формуле: [eta=1-dfrac{Q_{text{х}}}{Q_{text{н}}}] [eta =1-dfrac{40text{ Дж}}{100text{ Дж}}=0,6=60%]
Ответ: 60
Тепловая машина за цикл совершает работу 50 Дж и отдает холодильнику количество теплоты, равное 100 Дж. Чему равен КПД тепловой машины? (Ответ дайте в долях единицы и округлите до сотых.)
КПД тепловой машины: [eta=1-dfrac{Q_{text{х}}}{Q_{text{н}}}] Зная работу тепловой машины за цикл и количество теплоты, отданное холодильнику, можно найти количество теплоты, принятое нагревателем: [A=Q_{text{н}}-Q_{text{х}}] [Q_{text{н}}=A+Q_{text{х}}] [Q_text{н}=50text{ Дж}+100text{ Дж}=150text{ Дж}] Найдем КПД тепловой машины: [eta=1-dfrac{100text{ Дж}}{150text{ Дж}}approx 0,33]
Ответ: 0,33
Тепловая машина с КПД 60(%) за цикл работы отдает холодильнику количество теплоты, равное 100 Дж. Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.)
КПД тепловой машины можно найти по формуле: [eta=1-dfrac{Q_{text{х}}}{Q_{text{н}}}] Выразим отсюда количество теплоты, которое машина получает от нагревателя за цикл: [Q_{text{н}}=dfrac{Q_{text{х}}}{1-eta}] [Q_text{н} = dfrac{100text{ Дж}}{1-0,6}=250 text{ Дж}]
Ответ: 250
КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, равен (eta= 60%). Если температуру нагревателя увеличить в два раза, а температуру холодильника уменьшить в 2 раза, чему будет равен КПД тепловой машины? (Ответ дайте в процентах.)
КПД идеальной тепловой машины в первом случае: [eta_o=1-dfrac{T_{text{х}o}}{T_{text{н}o}}] Выразим отсюда отношение температуры холодильника к температуре нагревателя: [dfrac{T_{text{х}o}}{T_{text{н}o}}=1-0,6=0,4] Найдем КПД тепловой машины во втором случае: [eta=1-dfrac{T_{text{х}}}{T_{text{н}}},] где температура холодильника уменьшилась в два раза (T_{text{х}} = dfrac{T_{text{х}o}}{2} ), а температура нагревателя увеличилась в 2 раза (T_{text{н}} = 2T_{text{н}o}). [eta=1-dfrac{1}{4}cdotdfrac{T_{text{х}o}}{T_{text{н}o}}] [eta=1-dfrac{1}{4}cdot{0,4}=0,9=90%]
Ответ: 90
В некотором циклическом процессе КПД двигателя 50%, за цикл газ отдаёт холодильнику 50 Дж. Чему равна теплота, отданная от нагревателя рабочему телу?
“Досрочная волна 2019 вариант 1”
КПД вычисляется по формуле: [eta = 1-dfrac{Q_x}{Q_text{ н}}] Откуда теплота: [Q_text{ н}=dfrac{Q_x}{1-eta}=dfrac{50text{ Дж}}{1-0,5=100text{ Дж}}]
Ответ: 100
Если идеальная тепловая машина за цикл совершает полезную работу 50 Дж и отдает холодильнику 50 Дж, то каков ее КПД? (Ответ дайте в процентах.)
“Досрочная волна 2019 вариант 2”
КПД: [eta =dfrac{A}{A+Q_x}=dfrac{50text{ кДж}}{50text{ кДж}+50text{ кДж}}=0,5]
Ответ: 50