Принцип дії теплових двигунів
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна. Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу теплових двигунів обумовлена необоротністю процесів у природі. Якби тепло могло мимовільно повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена в корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна. Другий закон термодинаміки може бути сформульовано таким чином:
Другий закон термодинаміки
неможливо створити вічний двигун другого роду, Двигун, який повністю перетворював би теплоту в механічну роботу.
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюються двигуном, дорівнює:
де Q1 - кількість теплоти, отриманої від нагрівача, a Q2 - кількість теплоти, відданої холодильника.
Запам'ятай
Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називають відношення роботи А ', що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:
Так як у всіх двигунів деяку кількість теплоти передається холодильника, то η <1.
Максимальне значення ККД теплових двигунів. Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1. і холодильником з температурою Т2. а також визначити шляхи його підвищення.
Вперше максимально можливий ККД теплового двигуна обчислив французький інженер і вчений Сади 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 по циклу, що складається з двох ізотерм і двох адіабати, причому ці процеси вважаються оборотними (рис. 13.14). Спочатку посудину з газом призводять в контакт з нагрівачем, газ ізотермічні розширюється, здійснюючи позитивну роботу, при температурі Т1. при цьому він отримує кількість теплоти Q1.
Потім посудину теплоизолируют, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому його температура знижується до температури холодильника Т2. Після цього газ приводять у контакт з холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти Q2. стискаючись до обсягу V4 Як випливає з формули (13.17), ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача і холодильника. важливо Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1. і холодильником з температурою Т2. не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини: Процеси, з яких складається цикл реальної теплової машини, не є оборотними. Формула (13.17) дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніше, чим більше різниця температур нагрівача і холодильника. Лише при температурі холодильника, рівній 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 нижче температури навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцних. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а при досить високій температурі 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. Для парової турбіни початкові і кінцеві температури пара приблизно такі: Т1 - 800 К і Т2 - 300 К. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює 62% (відзначимо, що зазвичай ККД вимірюють у відсотках). Дійсне ж значення ККД через різного роду енергетичних втрат приблизно дорівнює 40%. Максимальний ККД - близько 44% - мають двигуни Дизеля. Охорона навколишнього середовища. Важко уявити сучасний світ без теплових двигунів. Саме вони забезпечують нам комфортне життя. Теплові двигуни приводять в рух транспорт. Близько 80% електроенергії, незважаючи на наявність атомних станцій, виробляється за допомогою теплових двигунів. Однак при роботі теплових двигунів відбувається неминуче забруднення навколишнього середовища. У цьому полягає протиріччя: з одного боку, людству з кожним роком необхідно все більше енергії, основна частина якої виходить за рахунок згоряння палива, з іншого боку, процеси згоряння неминуче супроводжуються забрудненням навколишнього середовища. При згорянні палива відбувається зменшення вмісту кисню в атмосфері. Крім цього, самі продукти згоряння утворюють хімічні сполуки, шкідливі для живих організмів. Забруднення відбувається не тільки на землі, але і в повітрі, так як будь-який політ літака супроводжується викидами шкідливих домішок в атмосферу. Одним із наслідків роботи двигунів є утворення вуглекислого газу, який поглинає інфрачервоне випромінювання поверхні Землі, що призводить до підвищення температури атмосфери. Це так званий парниковий ефект. Вимірювання показують, що температура атмосфери за рік підвищується на 0,05 ° С. Таке безперервне підвищення температури може викликати танення льодів, що, в свою чергу, призведе до зміни рівня води в океанах, т. Е. До затоплення материків. Відзначимо ще один негативний момент при використанні теплових двигунів. Так, іноді для охолодження двигунів використовується вода з річок та озер. Нагріта вода потім повертається назад. Зростання температури в 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 удосконалення палива, що дає при згорянні менше шкідливих речовин, а також технології його спалювання. Активно розробляються альтернативні джерела енергії, що використовують вітер, сонячне випромінювання, енергію ядра. Вже випускаються електромобілі і автомобілі, що працюють на сонячній енергії. Ключові слова для пошуку інформації по темі параграфа. 1. Який пристрій називають тепловим двигуном? 2. Яка роль нагрівача, холодильника і робочого тіла в тепловому двигуні? 3. Що називається коефіцієнтом корисної дії двигуна? 4. Чому дорівнює максимальне значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна?
Зразки завдань ЗНО 1) здійснює механічну роботу по збільшенню внутрішньої енергії тіла A2. Робоче тіло теплової машини отримало кількість теплоти, що дорівнює 70 кДж. При цьому холодильника передано кількість теплоти, що дорівнює 52,5 кДж. ККД такої машини 1) 1,7% 2) 17,5% 3) 25% 4)> 100% A3. Чому дорівнює коефіцієнт корисної дії парової турбіни, якщо одержане нею кількість теплоти дорівнює 1000 МДж, а корисна робота становить 400 МДж? 1) 4% 2) 25% 3) 40% 4) 60% A4. Теплова машина за цикл отримує від нагрівача 50 Дж і виконує корисну роботу, що дорівнює 100 Дж. Чому дорівнює ККД теплової машини? 1) 200% 2) 67% 3) 50% 4) така машина неможлива A5. Гарячий пар надходить в турбіну при температурі 500 ° С, а виходить з неї при температурі 30 ° С. Чому дорівнює ККД турбіни? Парову турбіну вважайте ідеальної теплової машиною. 1) 1% 2) 61% 3) 94% 4) 100%
Головне значення цієї формули полягає в тому, що в ній вказано шлях збільшення ККД, для цього треба підвищувати температуру нагрівача або знижувати температуру холодильника.
Тепловий двигун. ККД теплового двигуна
2) виробляє тепло
3) здійснює механічну роботу за рахунок підводиться кількості теплоти
4) виробляє електроенергію за рахунок здійснення роботи
Схожі статті