Принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплових двигунів - Гіпермаркет знань. Принципи дії теплових двигунів Ккд теплового двигуна дорівнює що означає

На уроці я працював

активно / пасивно

Своєю роботою на уроці я

задоволений / незадоволений

Урок для мене видався

коротким / довгим

За урок я

не втомився / втомився

І корисні формули.

Завдання з фізики на ККД теплового двигуна

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №1

Умова

Вода масою 175 г підігрівається на спиртівці. Поки вода нагрілася від t1 \u003d 15 до t2 \u003d 75 градусів Цельсія, маса спиртівки зменшилася з 163 до 157 г Обчисліть ККД установки.

Рішення

Коефіцієнт корисної дії можна обчислити як відношення корисної роботи і загальної кількості теплоти, виділеного спиртівкою:

Корисна робота в даному випадку - це еквівалент кількості теплоти, яке пішло виключно на нагрів. Його можна обчислити за відомою формулою:

Загальна кількість теплоти обчислюємо, знаючи масу згорілого спирту і його питому теплоту згоряння.

Підставляємо значення і обчислюємо:

відповідь: 27%

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №2

Умова

Старий двигун зробив роботу 220,8 МДж, при цьому витративши 16 кілограм бензину. Обчисліть ККД двигуна.

Рішення

Знайдемо загальна кількість теплоти, яке справив двигун:

Або, множачи на 100, отримуємо значення ККД у відсотках:

відповідь: 30%.

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №3

Умова

Теплова машина працює за циклом Карно, при цьому 80% теплоти, отриманої від нагрівача, передається холодильнику. За один цикл робоче тіло отримує від нагрівача 6,3 Дж теплоти. Знайдіть роботу і ККД циклу.

Рішення

ККД ідеальної теплової машини:

За умовою:

Обчислимо спочатку роботу, а потім ККД:

відповідь: 20%; 1,26 Дж.

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №4

Умова

На діаграмі зображено цикл дизельного двигуна, що складається з адіабат \u200b\u200b1-2 і 3-4, ізобари 2-3 і ізохорами 4-1. Температури газу в точках 1, 2, 3, 4 рівні T1, T2, T3, T4 відповідно. Знайдіть ККД циклу.

Рішення

Проаналізуємо цикл, а ККД будемо обчислювати через підведене і відведений кількість теплоти. На АДІАБАТА тепло не підводиться і не відводиться. На ізобарі 2 - 3 тепло підводиться, обсяг зростає і, відповідно, зростає температура. На Ізохор 4 - 1 тепло відводиться, а тиск і температура падають.

аналогічно:

Отримаємо результат:

відповідь: Див. вище.

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №5

Умова

Теплова машина, яка працює за циклом Карно, здійснює за один цикл роботу А \u003d 2,94 кДж і віддає за один цикл охолоджувача кількість теплоти Q2 \u003d 13,4 кДж. Знайдіть ККД циклу.

Рішення

Запишемо формулу для ККД:

відповідь: 18%

Питання на тему теплові двигуни

Питання 1. Що таке тепловий двигун?

Відповідь. Тепловий двигун - це машина, яка робить роботу за рахунок енергії, що надходить до неї в процесі теплопередачі. Основні частини теплового двигуна: нагрівач, холодильник і робоче тіло.

Питання 2. Наведіть приклади теплових двигунів.

Відповідь. Першими тепловими двигунами, які отримали широке поширення, були парові машини. Прикладами сучасного теплового двигуна можуть служити:

• ракетний двигун;
• авіаційний двигун;
• газова турбіна.

Питання 3. Чи може ККД двигуна дорівнювати одиниці?

Відповідь. Ні. ККД завжди менше одиниці (або менше 100%). Існування двигуна з ККД рівним одиниці суперечить першому закону термодинаміки.

ККД реальних двигунів рідко перевищує 30%.

Питання 4. Що таке ККД?

Відповідь. ККД (коефіцієнт корисної дії) - відношення роботи, яку здійснює двигун, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача.

Питання 5. Що таке питома теплота згоряння палива?

Відповідь. Питома теплота згоряння q - фізична величина, яка показує, яка кількість теплоти виділяється при згорянні палива масою 1 кг. При вирішенні завдань ККД можна визначати за потужністю двигуна N і спалює за одиницю часу кількості палива.

Завдання і питання на цикл Карно

Порушуючи тему теплових двигунів, неможливо залишити осторонь цикл Карно - мабуть, найвідоміший цикл роботи теплової машини в фізиці. Наведемо додатково кілька завдань і питань на цикл Карно з рішенням.

Цикл (або процес) Карно - це ідеальний кругової цикл, що складається з двох адіабати і двох ізотерм. Названий так на честь французького інженера Сади Карно, який описав цей цикл в своїй науковій праці «Про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» (1894).

Завдання на цикл Карно №1

Умова

Ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, здійснює за один цикл роботу А \u003d 73,5 кДж. Температура нагрівача t1 \u003d 100 ° С, температура холодильника t2 \u003d 0 ° С. Знайти ККД циклу, кількість теплоти, що отримується машиною за один цикл від нагрівача, і кількість теплоти, що віддається за один цикл холодильника.

Рішення

Розрахуємо ККД циклу:

З іншого боку, щоб знайти кількість теплоти, що отримується машиною, використовуємо співвідношення:

Кількість теплоти, віддане холодильника, дорівнюватиме різниці загальної кількості теплоти і корисної роботи:

відповідь: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Завдання на цикл Карно №2

Умова

Ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, здійснює за один цикл роботу А \u003d 2,94 кДж і віддає за один цикл холодильнику кількість теплоти Q2 \u003d 13,4 кДж. Знайти ККД циклу.

Рішення

Формула для ККД циклу Карно:

Тут A - досконала робота, а Q1 - кількість теплоти, яке знадобилося, щоб її зробити. Кількість теплоти, яке ідеальна машина віддає холодильника, дорівнює різниці двох цих величин. Знаючи це, знайдемо:

відповідь: 17%.

Завдання на цикл Карно №3

Умова

Зобразіть цикл Карно на діаграмі і опишіть його

Рішення

Цикл Карно на діаграмі PV виглядає наступним чином:

• 1-2. Ізотермічне розширення, робоче тіло отримує від нагрівача кількість теплоти q1;
• 2-3. Адіабатичне розширення, тепло не підводиться;
• 3-4. Ізотермічне стиснення, в ході якого тепло передається холодильника;
• 4-1. Адіабатичне стиснення.

відповідь: див. вище.

Питання на цикл Карно №1

Сформулюйте першу теорему Карно

Відповідь. Перша теорема Карно говорить: ККД теплової машини, що працює за циклом Карно, залежить тільки від температур нагрівача і холодильника, але не залежить ні від пристрою машини, ні від виду або властивостей її робочого тіла.

Питання на цикл Карно №2

Чи може коефіцієнт корисної дії в циклі Карно бути рівним 100%?

Відповідь. Ні. ККД циклу карно буде дорівнює 100% тільки в разі, якщо температура холодильника буде дорівнює абсолютному нулю, а це неможливо.

Якщо у вас залишилися питання по темі теплових двигунів і циклу Карно, ви можете сміливо ставити їх в коментарях. А якщо потрібна допомога у вирішенні завдань або інших прикладів і завдань, звертайтеся в

ККД теплового двигуна. Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюються двигуном, дорівнює:

де - теплота, отримана від нагрівача, - теплота, віддана холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи здійснюють двигуном, до кількості теплоти отриманого від нагрівача:

Так як у всіх двигунів деяку кількість теплоти передається холодильника, то у всіх випадках

Максимальне значення ККД теплових двигунів. Французький інженер і вчений Сади Карно (1796 1832) у праці «Роздуми про рушійну силу вогню» (1824) поставив за мету: з'ясувати, за яких умов робота теплового двигуна буде найбільш ефективною, т. Е. За яких умов двигун буде мати максимальний ККД.

Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він вирахував ККД цієї машини, що працює з нагрівачем температури і холодильником температури

Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, спираючись на другий закон термодинаміки, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем температури і холодильником температури не може мати коефіцієнт корисної дії, що перевищує ККД ідеальної теплової машини.

Формула (4.18) дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніше, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише при температурі холодильника, рівній абсолютному нулю,

Але температура холодильника практично не може бути набагато 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. Реальні можливості для підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові і кінцеві температури пара приблизно такі: При цих температурах максимальне значення ККД одно:

Дійсне ж значення ККД через різного роду енергетичних втрат одно:

Підвищення ККД теплових двигунів, наближення його до максимально можливого - найважливіша технічна задача.

Теплові двигуни і охорона природи. Повсюдне застосування теплових двигунів з метою одержання зручної для використання енергії в найбільшою мірою, порівняно з

усіма іншими видами виробничих процесів, пов'язане з впливом на навколишнє середовище.

Згідно з другим законом термодинаміки виробництво електричної і механічної енергії в принципі не може бути здійснено без відведення в навколишнє середовище значних кількостей теплоти. Це не може не призводити до поступового підвищення середньої температури на Землі. Зараз споживана потужність становить 1010 кВт. Коли ця потужність досягне то середня температура підвищиться помітним чином (приблизно на один градус). Подальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня світового океану.

Але цим далеко не вичерпуються негативні наслідки застосування теплових двигунів. Топки теплових електростанцій, двигуни внутрішнього згоряння автомобілів і т. Д. Безперервно викидають в атмосферу шкідливі для рослин, тварин і людини речовини: сірчисті з'єднання (при згорянні кам'яного вугілля), оксиди азоту, вуглеводні, оксид вуглецю (СО) і ін. Особливу небезпеку в цьому відношенні представляють автомобілі, число яких загрозливо зростає, а очищення відпрацьованих газів утруднена. На атомних електростанціях встає проблема захоронення шкідливих радіоактивних відходів.

Крім того, застосування парових турбін на електростанціях вимагає великих площ під ставки для охолодження відпрацьованого пара Зі збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді. У 1980 р в нашій країні для цих цілей було потрібно близько води, т. Е. Близько 35% водопостачання всіх галузей господарства.

Все це ставить ряд серйозних проблем перед суспільством. Поряд з найважливішим завданням підвищення ККД теплових двигунів потрібно проводити ряд заходів з охорони навколишнього середовища. Необхідно підвищувати ефективність споруджень, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин; домагатися більш повного згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже зараз не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом СО у відпрацьованих газах. Обговорюється можливість створення електромобілів, здатних конкурувати зі звичайними, і можливість застосування пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах, наприклад у двигунах, що працюють на суміші водню з киснем.

Доцільно для економії площі та водних ресурсів споруджувати цілі комплекси електростанцій, в першу чергу атомних, із замкнутим циклом водопостачання.

Інший напрямок прикладених зусиль - це збільшення ефективності використання енергії, боротьба за її економію.

Рішення перерахованих вище проблем життєво важливо для людства. І ці проблеми з максимальним успіхом можуть

бути вирішені в соціалістичному суспільстві з плановим розвитком економіки в масштабах країни. Але організація охорони навколишнього середовища вимагає зусиль в масштабі земної кулі.

1. Які процеси називаються незворотними? 2. Назвіть найбільш типові незворотні процеси. 3. Наведіть приклади незворотних процесів, які не згаданих в тексті. 4. Сформулюйте другий закон термодинаміки. 5. Якби річки потекли назад, означало б це порушення закону збереження енергії? 6. Який пристрій називають тепловим двигуном? 7. Яка роль нагрівача, холодильника і робочого тіла теплового двигуна? 8. Чому в теплових двигунах можна використовувати в якості джерела енергії внутрішню енергію океану? 9. Що називається коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна?

10. Чому дорівнює максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна?

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

Теплова енергія ( Q нагрівача) Від джерела передається двигуну, при цьому частина отриманої енергії двигун витрачає на виконання роботи W, Невитрачених 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 \u003d W / Q нг.

ККД \u003d 1 (100%) в тому випадку, якщо вся теплова енергія перетворюється в роботу. ККД \u003d 0 (0%) в тому випадку, якщо жодна теплова енергія не перетворюється в роботу.

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

Q х / Q нг \u003d T х / T нг ККД \u003d 1 (Q х / Q нг) ККД \u003d 1 (T х / T нг)

З огляду на третій початок термодинаміки, яке свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т \u003d 0ДО) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД \u003d 1, оскільки завжди T х\u003e 0.

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

Фізика, 10 клас

Урок 25. Теплові двигуни. ККД теплових двигунів

Перелік питань, що розглядаються на уроці:

1) Поняття теплового двигуна;

2) Пристрій і принцип дії теплового двигуна;

3) ККД теплового двигуна;

4) Цикл Карно.

Глосарій по темі

Тепловий двигун -пристрій, в якому внутрішня енергія палива перетворюється в механічну.

ККД (коефіцієнт корисної дії) - це відношення корисної роботи, досконалою даними двигуном, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача.

Двигун внутрішнього згоряння - двигун, в якому паливо згорає безпосередньо в робочій камері (всередині) двигуна.

Реактивний двигун - двигун, що створює необхідну для руху силу тяги за допомогою перетворення внутрішньої енергії палива в кінетичну енергію реактивного струменя робочого тіла.

цикл Карно - це ідеальний круговий процес, що складається з двох адіабатних і двох ізотермічних процесів.

нагрівач - пристрій, від якого робоче тіло отримує енергію, частина якої йде на здійснення роботи.

холодильник - тіло, що поглинає частину енергії робочого тіла (навколишнє середовище або спеціальні пристрої для охолодження і конденсації відпрацьованої пари, тобто конденсатори).

робоче тіло - тіло, яке розширюючись, здійснює роботу (їм є газ або пар)

Основна та додаткова література по темі уроку:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Соцький М.М. Фізіка.10 клас. Підручник для загальноосвітніх організацій М .: Просвещение, 2017. - С. 269 - 273.

2. Римкевіч А.П. Збірник завдань з фізики. 10-11 клас. -М .: Дрофа, 2014. - С. 87 - 88.

Відкриті електронні ресурси по темі уроку

Теоретичний матеріал для самостійного вивчення

Казки і міфи різних народів свідчать про те, що люди завжди мріяли швидко переміщатися з одного місця в інше або швидко здійснювати ту чи іншу роботу. Для досягнення цієї мети потрібні були пристрої, які могли б здійснювати роботу або переміщатися в просторі. Спостерігаючи за навколишнім світом, винахідники прийшли до висновку, що для полегшення праці і швидкого пересування потрібно використовувати енергію інших тіл, наприклад, води, вітру і т.д. Чи можна використовувати внутрішню енергію пороху або іншого виду палива для своїх цілей? Якщо ми візьмемо пробірку, наллємо туди воду, закриємо її корком і будемо нагрівати. При нагріванні вода закипить, і утворили пари води виштовхнуть пробку. Пар розширюючись здійснює роботу. На цьому прикладі ми бачимо, що внутрішня енергія палива перетворилася в механічну енергію рухомої пробки. При заміні пробки поршнем здатним переміщатися всередині трубки, а саму трубку циліндром, то ми отримаємо найпростіший тепловий двигун.

Тепловий двигун -тепловим двигуном називається пристрій, в якому внутрішня енергія палива перетворюється в механічну.

Згадаймо будова найпростішого двигуна внутрішнього згоряння. Двигун внутрішнього згоряння складається з циліндра, всередині якого переміщається поршень. Поршень за допомогою шатуна з'єднується з колінчастим валом. У верхній частині кожного циліндра є два клапана. Один з клапанів називають впускним, а інший - випускним. Для забезпечення плавності ходу поршня на колінчастому валі укріплений важкий маховик.

Робочий цикл ДВС складається з чотирьох тактів: впуск, стиснення, робочий хід, випуск.

Під час першого такту відкривається впускний клапан, а випускний клапан залишається закритим. Рухомий вниз поршень засмоктує в циліндр горючу суміш.

У другому такті обидва клапана закриті. Рухомий вгору поршень стискає горючу суміш, яка при стисненні нагрівається.

У третьому такті, коли поршень виявляється в верхньому положенні, суміш підпалюється електричною іскрою свічки. Запалав суміш утворює розпечені гази, тиск яких становить 3 -6 МПа, а температура сягає 1600 -2200 градусів. Сила тиску штовхає поршень вниз, рух якого передається колінчастого валу з маховиком. Отримавши сильний поштовх маховик буде далі обертатися за інерцією, забезпечуючи рух поршня і при наступних тактах. Під час цього такту обидва клапана залишаються закритими.

У четвертому такті відкривається випускний клапан і відпрацьовані гази рухаються поршнем виштовхуються через глушник (на малюнку не показаний) в атмосферу.

Будь теплової двигун включає в себе три основні елементи: нагрівач, робоче тіло, холодильник.

Для визначення ефективності роботи теплового двигуна вводять поняття ККД.

Коефіцієнтом корисної дії називають відношення корисної роботи, досконалою даними двигуном, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача.

Q 1 - кількість теплоти отримане від нагрівання

Q 2 - кількість теплоти, віддане холодильника

- робота, що здійснюються двигуном за цикл.

Цей ККД є реальним, тобто як раз цю формулу і використовують для характеристики реальних теплових двигунів.

Знаючи потужність N і час роботи t двигуна роботу, що здійснюються за цикл можна знайти за формулою

Передача невикористаної частини енергії холодильника.

У XIX столітті в результаті робіт з теплотехніки французький інженер Саді Карно запропонував інший спосіб визначення ККД (через термодинамічну температуру).

Головне значення цієї формули полягає в тому, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1, і холодильником з температурою Т2, не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини. Сади Карно, з'ясовуючи при якому замкнутому процесі теплової двигун буде мати максимальний ККД, запропонував використовувати цикл, що складається з 2 адіабатних і двох ізотермічних процесів

Цикл Карно - найефективніший цикл, що має максимальний ККД.

Не існує теплового двигуна, у якого ККД \u003d 100% або 1.

Формула дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніше, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише при температурі холодильника, рівній абсолютному нулю, η \u003d 1.

Але температура холодильника 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. Реальні можливості для підвищення ККД тут все ще залишаються великими.

Підвищення ККД теплових двигунів і наближення його до максимально можливого - найважливіша технічна задача.

Теплові двигуни - парові турбіни, встановлюють також на всіх АЕС для отримання пари високої температури. На всіх основних видах сучасного транспорту переважно використовуються теплові двигуни: на автомобільному - поршневі двигуни внутрішнього згоряння; на водному - двигуни внутрішнього згоряння і парові турбіни; на залізничному - тепловози з дизельними установками; в авіаційному - поршневі, турбореактивні і реактивні двигуни.

Порівняємо експлуатаційні характеристики теплових двигунів.

Паровий двигун - 8%.

Парова турбіна - 40%.

Газова турбіна - 25-30%.

Двигун внутрішнього згоряння - 18-24%.

Дизельний двигун - 40 44%.

Реактивний двигун - 25%.

Широке використання теплових двигунів не проходить безслідно для навколишнього середовища: поступово зменшується кількість кисню і збільшується кількість вуглекислого газу в атмосфері, повітря забруднюється шкідливими для здоров'я людини хімічними сполуками. Виникає загроза зміни клімату. Тому знаходження шляхів зменшення забруднення навколишнього середовища є сьогодні однією з найбільш актуальних науково-технічних проблем.

Приклади і розбір рішення завдань

1 . Яку середню потужність розвиває двигун автомобіля, якщо при швидкості 180 км / год витрата бензину становить 15 л на 100 км шляху, а ККД двигуна 25%?