Відношення корисної роботи досконалої двигуном до енергії. Принципи дії теплових двигунів Структурна схема роботи теплового двигуна

Тепловим називається двигун, який виконує роботу за рахунок джерела теплової енергії.

Теплова енергія ( Q нагрівача) від джерела передається двигуну, при цьому частина одержаної енергії двигун витрачає на виконання роботи W, невитрачена енергія ( Q холодильника) відправляється в холодильник, роль якого може виконувати, наприклад навколишнє повітря. Тепловий двигун може працювати тільки в тому випадку, якщо температура холодильника менше температури нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна можна розрахувати за формулою: ККД = W/Q нг.

ККД=1 (100%) у разі, якщо вся теплова енергія перетворюється на роботу. ККД=0 (0%) у разі, якщо ніяка теплова енергія не перетворюється на роботу.

ККД реального теплового двигуна лежить у проміжку від 0 до 1, чим вище ККД, тим ефективніший двигун.

Q х / Q нг = T х / T нг ККД = 1-(Q х / Q нг) ККД = 1- (T х / T нг)

Враховуючи третій початок термодинаміки, яке свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т=0К) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД=1, оскільки завжди T х >0.

ККД тепловогодвигуна буде тим більше, чим вище температура нагрівача, і нижче температура холодильника.

Коефіцієнт корисної дії (ККД)- це характеристика результативності системи щодо перетворення чи передачі енергії, що визначається ставленням корисно використаної енергії до сумарної енергії, отриманої системою.

ККД- величина безрозмірна, зазвичай її виражають у відсотках:

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна визначається за формулою: де A = Q1Q2. ККД теплового двигуна завжди менше 1.

Цикл Карно- це оборотний круговий газовий процес, який складається з послідовно двох ізотермічних і двох адіабатних процесів, що виконуються з робочим тілом.

Круговий цикл, що включає дві ізотерми і дві адіабати, відповідає максимальному ККД.

Французький інженер Саді Карно 1824 р. вивів формулу максимального ККД ідеального теплового двигуна, де робоче тіло - це ідеальний газ, цикл якого складався з двох ізотерм і двох адіабат, тобто цикл Карно. Цикл Карно - реальний робочий цикл теплового двигуна, що робить роботу за рахунок теплоти, що підводиться робочому тілу в ізотермічному процесі.

Формула ККД циклу Карно, тобто максимального ККД теплового двигуна має вигляд: , де T1 – абсолютна температура нагрівача, Т2 – абсолютна температура холодильника.

Теплові двигуни- це конструкції, у яких теплова енергія перетворюється на механічну.

Теплові двигуни різноманітні як за конструкцією, так і за призначенням. До них відносяться парові машини, парові турбіни, двигуни внутрішнього згоряння, реактивні двигуни.

Однак, незважаючи на різноманіття, у принципі дії різних теплових двигунів є загальні риси. Основні компоненти кожного теплового двигуна:

• нагрівач;
• робоче тіло;
• холодильник.

Нагрівач виділяє теплову енергіюпри цьому нагріває робоче тіло, яке знаходиться в робочій камері двигуна. Робочим тілом може бути пара чи газ.

Взявши кількість теплоти, газ розширюється, т.к. його тиск більший за зовнішній тиск, і рухає поршень, виробляючи позитивну роботу. При цьому його тиск знижується, а обсяг збільшується.

Якщо стискати газ, проходячи ті ж стани, але у зворотному напрямку, то зробимо ту ж за абсолютним значенням, але негативну роботу. У результаті вся робота за цикл дорівнюватиме нулю.

Для того щоб робота теплового двигуна була відмінна від нуля, робота стиснення газу повинна бути меншою за роботу розширення.

Щоб робота стиснення стала меншою за роботу розширення, необхідно, щоб процес стиснення проходив при меншій температурі, для цього робоче тіло потрібно охолодити, тому в конструкцію теплового двигуна входить холодильник. Холодильнику робоче тіло віддає при зіткненні з ним кількість теплоти.

Головне значення отриманої Карно формули (5.12.2) для ККД ідеальної машини полягає в тому, що вона визначає максимально можливий ККД будь-якої теплової машини.

Карно довів, спираючись на другий закон термодинаміки*, наступну теорему: будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем температуриТ 1 та холодильником температуриТ 2 , не може мати коефіцієнт корисної дії, що перевищує ККД ідеальної теплової машини

Карно фактично встановив другий закон термодинаміки до Клаузіуса і Кельвіна, коли ще перший закон термодинаміки не був сформульований суворо.

Розглянемо спочатку теплову машину, що працює за оборотним циклом з реальним газом. Цикл може бути будь-яким, важливо лише, щоб температури нагрівача та холодильника були Т 1 і Т 2 .

Припустимо, що ККД іншої теплової машини (що не працює за циклом Карно) η ’ > η . Машини працюють із загальним нагрівачем та загальним холодильником. Нехай машина Карно працює за зворотним циклом (як холодильна машина), а інша машина - за прямим циклом (рис. 5.18). Теплова машина здійснює роботу, рівну згідно з формулами (5.12.3) та (5.12.5):

Холодильну машину завжди можна сконструювати так, щоб вона брала від холодильника кількість теплоти Q 2 = ||

Тоді згідно з формулою (5.12.7) над нею здійснюватиметься робота

(5.12.12)

Оскільки за умовою η" > η , то А» > А.Тому теплова машина може привести в дію холодильну машину та ще залишиться надлишок роботи. Ця надлишкова робота відбувається за рахунок теплоти, взятої від одного джерела. Адже холодильнику при дії одразу двох машин теплота не передається. Але це суперечить другому закону термодинаміки.

Якщо припустити, що η > η ", то можна іншу машину змусити працювати за зворотним циклом, а машину Карно - за прямим. Ми знову дійдемо суперечності з другим законом термодинаміки. Отже, дві машини, що працюють за оборотними циклами, мають однакові ККД: η " = η .

Інша річ, якщо друга машина працює за незворотним циклом. Якщо допустити η " > η , то ми знову дійдемо суперечності з другим законом термодинаміки. Однак припущення т |< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, або

Це і є основний результат:

(5.12.13)

ККД реальних теплових машин

Формула (5.12.13) дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1.

Але температура холодильника практично не може бути набагато нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури 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. Реальні можливості підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові та кінцеві температури пари приблизно такі: Т 1 = 800 К та Т 2 = 300 К. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює:

Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат приблизно дорівнює 40%. Максимальний ККД- близько 44% – мають двигуни внутрішнього згоряння.

Коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна не може перевищувати максимально можливого значення
, де Т 1 - абсолютна температура нагрівача, а Т 2 - абсолютна температура холодильника.

Підвищення ККД теплових двигунів та наближення його до максимально можливого- найважливіше технічне завдання.

>>Фізика: Принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплових двигунів

Запаси внутрішньої енергії в земної корита океанах можна вважати практично необмеженими. Але для вирішення практичних завдань мати запаси енергії ще недостатньо. Необхідно ще вміти за рахунок енергії рухати верстати на фабриках і заводах, засоби транспорту, трактори та інші машини, обертати ротори генераторів електричного струмуі т. д. Людству потрібні двигуни - пристрої, здатні виконувати роботу. Більшість двигунів на Землі - це теплові двигуни. Теплові двигуни - це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну.
Принципи дії теплових двигунівДля того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла (газу) на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою довкілля. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.
Одна з основних частин двигуна - посудина, наповнена газом, з рухомим поршнем. Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, який здійснює роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через T1.Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пари в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння та газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива всередині самого двигуна. Температуру T 1температурою нагрівача.
Роль холодильника.У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури T 2, Яка зазвичай трохи вище температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є ​​атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження та конденсації відпрацьованої пари. конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижчою за температуру атмосфери.
Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина теплоти неминуче передається холодильнику (атмосфері) разом із відпрацьованим парою чи вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін. Ця частина внутрішньої енергії губиться.
Тепловий двигун здійснює роботу за рахунок внутрішньої енергії робочого тіла. Причому в цьому процесі відбувається передача теплоти від гарячих тіл (нагрівача) до холоднішим (холодильнику).
Принципова схематеплового двигуна зображено малюнку 13.11.
Робоче тіло двигуна отримує від нагрівача при згорянні палива кількість теплоти Q 1здійснює роботу A´ і передає холодильнику кількість теплоти Q 2 .
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу на роботу теплових двигунів обумовлена ​​незворотністю процесів у природі. Якщо тепло могло мимоволі повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена на корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна.
Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:

де Q 1- кількість теплоти, отримана від нагрівача, а Q 2- кількість теплоти, віддана холодильнику.
Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигунаназивають відношення роботи A´, що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Так як у всіх двигунів деяка кількість теплоти передається холодильнику, то η<1.
ККД теплового двигуна пропорційний різниці температур нагрівача та холодильника. При T 1 -T 2=0 двигун не може працювати.
Максимальне значення ККД теплових двигунів.Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру. T 1, та холодильником з температурою T 2. Вперше це зробив французький інженер і вчений Саді 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 за циклом, що складається з двох ізотерм та двох адіабат. Спочатку посудину з газом приводять у контакт з нагрівачем, газ ізотермічно розширюється, роблячи позитивну роботу, при температурі T 1 ,при цьому він отримує кількість теплоти Q 1.
Потім посудину теплоізолюють, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому його температура знижується до температури холодильника T 2. Після цього газ приводять у контакт із холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти. Q 2стискаючись до обсягу V 4 . Потім посудину знову термоізолюють, газ стискається адіабатно до об'єму. V 1і повертається до початкового стану.
Карно отримав для ККД цієї машини такий вираз:

Як і слід було очікувати, ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача та холодильника.
Головне значення цієї формули полягає в тому, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру T 1 ,та холодильником з температурою T 2, не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини

Формула (13.19) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише при температурі холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η =1.
Але температура холодильника практично не може бути нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури 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. Реальні можливості підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові та кінцеві температури пари приблизно такі: T 1≈800 K та T 2≈300 K. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює: