Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.

Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.

Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.

Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.

Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.

Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:

A = Q n — Q ‘ c h ( 1 ) .

Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:

Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:

η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.

Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.

Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:

a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.

КПД теплового двигателя

Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:

η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .

Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .

Принцип работы теплового двигателя

Идеальная машина, модель которой разработал Карно, работает по обратимому циклу, состоящему из двух изотерм ( 1 — 2 , 4 — 3 ) и двух адиабат ( 2 — 3 , 4 — 1 ) , изображенная на рисунке 1 . В качестве рабочего тела выбран идеальный газ. Прохождение адиабатного процесса происходит без подвода и отвода тепла.

Участок 1 — 2 характеризуется сообщением рабочему телу от нагревателя с температурой T n количества тепла Q n . При изотермическом процессе запись примет вид:

Q n = T n ( S 2 — S 1 ) ( 6 ) , где S 1 , S 2 являются энтропиями в соответствующих точках цикла из рисунка 1 .

Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:

— Q c h = T c h ( S 1 — S 2 ) ( 7 ) .

Выражение, записанное в скобках в ( 7 ) , указывает на приращение энтропии процесса 3 — 4 .

Принцип действия тепловых двигателей КПД

Произведем подстановку ( 6 ) , ( 7 ) в определение КПД теплового двигателя и получаем:

η = T n ( S 2 — S 1 ) + T c h ( S 1 — S 2 ) T n ( S 2 — S 1 ) = T n — T c h T n ( 8 ) .

В выведенном выражении ( 8 ) не выполнялось предположений о свойствах рабочего тела и устройстве теплового двигателя.

По уравнению ( 8 ) видно, что для увеличения КПД следует повышать T n и понижать T c h . Достижение значения абсолютного нуля невозможно, поэтому единственное решение для роста КПД – увеличение T n .

Задача по созданию теплового двигателя, совершающего работу без холодильника, очень интересна. В физике она получила название вечного двигателя второго рода. Такая задача не находится в противоречии с первым законом термодинамики. Данная проблема считается неразрешимой, как и создание вечного двигателя первого рода. Этот опытный факт в термодинамике приняли в качестве постулата – второго начала термодинамики.

Рассчитать КПД теплового двигателя с температурой нагревания 100 ° С и температурой холодильника, равной 0 ° С . Считать тепловую машину идеальной.

Решение

Необходимо применение выражения для КПД теплового двигателя, которое записывается как:

η = T n — T c h T n .

Используя систему С И , получим:

T n + 100 ° C + 273 = 373 ( К ) . T c h = 0 ° C + 273 = 273 ( К ) .

Подставляем числовые значения и вычисляем:

η = 373 — 273 373 = 0 , 27 = 27 % .

Ответ: КПД теплового двигателя равняется 27 % .

Найти КПД цикла, представленного на рисунке 2 , если в его пределах объем идеального газа проходит изменения n раз. Считать рабочим веществом газ с показателем адиабаты γ .

Решение

Основная формула для вычисления КПД, необходимая для решения данной задачи:

η = Q n — Q ‘ n Q n ( 2 . 1 ) .

Получения тепла газом происходит во время процесса 1 — 2 Q 12 = Q n :

Q 12 = ∆ U 12 + A 12 ( 2 . 2 ) , где A 12 = 0 потому как является изохорным процессом. Отсюда следует:

Q 12 = ∆ U 12 = i 2 R T 2 — T 1 ( 2 . 3 ) .

Процесс, когда газ отдает тепло, обозначается как 3 — 4 , считается изохорным — Q 34 = Q ‘ c h . Формула примет вид:

Q 34 = ∆ U 34 = i 2 v R T 4 — T 3 ( 2 . 4 ) .

Адиабатные процессы проходят без подвода и отвода тепла.

Произведем подстановку полученных количеств теплоты в выражение для КПД, тогда:

η = i 2 v R T 2 — T 1 + i 2 v R T 4 — T 3 i 2 v R T 2 — T 1 = T 2 — T 1 + T 4 — T 3 T 2 — T 1 = 1 — T 3 — T 4 T 2 — T 1 ( 2 . 5 ) .

Следует применить уравнение для адиабаты процессу 2 — 3 :

T 2 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 2 = T 3 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 3 n γ — 1 ( 2 . 6 ) .

Используем выражение для адиабаты процесса 4 — 1 :

T 1 V 1 γ — 1 = T 3 V 2 γ — 1 → T 1 = T 4 V 2 γ — 1 V 1 γ — 1 = T 4 n γ — 1 ( 2 . 7 ) .

Перейдем к нахождению разности температур T 2 — T 1 :

T 2 — T 1 = T 3 — T 4 n Г — 1 ( 2 . 8 ) .

Произведем подстановку из ( 2 . 8 ) в ( 2 . 5 ) :

η = 1 — T 3 — T 4 T 3 — T 4 n γ — 1 = 1 — 1 n γ — 1 = 1 — n 1 — γ ( 2 . 9 ) .

Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика эффективности механизма преобразующего энергию. КПД обычно обозначается символом η, и представляет собой отношение полезной работы к полной работе.

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

Полезная работа — это та работа, которая требуется от данного механизма.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя подразумевает отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

В науку и технику определение КПД двигателя ввёл в 1824 году французский инженер Сади Карно.

Понятие максимального значения

В силу закона сохранения энергии часть теплоты при передаче неизбежно теряется. Также часть энергии всегда отдается холодильнику. Вывод: невозможно получить полезной работы больше или столько же, сколько затрачено энергии.

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

Как устроен тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

• рабочего тела;
• нагревателя;
• холодильника.

В основе работы двигателя лежит циклический процесс.

Нагреватель с помощью, например, сгорания топливной смеси выделяет большое количество теплоты и передает ее рабочему телу.

Рабочее тело, например пар, газ или жидкость, при нагревании расширяется и совершает работу, к примеру, вращает турбину или перемещает поршень.

Холодильник нужен, чтобы вернуть рабочее тело в начальное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Таким образом обеспечивается цикличность, и тепловой двигатель работает непрерывно.

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно разработал французский физик С. Карно.

Рабочая часть двигателя Карно — поршень в заполненном газом цилиндре. Двигатель Карно — идеальная машина, она возможна только в теории. Поэтому в ней силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю.

Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. При адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет контакта тел с разной температурой, поэтому исключена теплопередача без совершения работы. Такой цикл называют циклом Карно.

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0).

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q=A).

Функционирует двигатель Карно следующим образом:

1. Цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара тепло.
2. Цилиндр окружается теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется. Газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается. Газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией. Газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется, и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД двигателя Карно.

Расчет коэффициента полезного действия

Формула для расчета КПД теплового двигателя:

Где Q₁ — количество энергии, которую дает нагреватель; A — работу совершаемую рабочим телом; Q₂ — количество энергии, которая отдается холодильнику.

Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула приобретает следующий вид:

Где T₁ — температура нагревателя; T₂ — температура холодильника.

Формула Карно позволяет вычислить предельный (максимально возможный) КПД теплового двигателя.

Построение графика КПД теплового двигателя

Работа, которую производит рабочее тело, в циклическом процессе численно равна площади цикла на графике зависимости давления от объема. Если цикл проходит по часовой стрелке, работа численно равна со знаком «+», если против часовой, то со знаком «-».

Для построения такого графика необходимо:

1. Отложить объем рабочего тела (V) по оси абсцисс.
2. Отложить давление рабочего тела (p) по оси ординат.
3. Расположить на графике точки изотермы и адиабаты.

Для цикла Карно график будет выглядеть следующим образом:

Пример решения задачи

Рассчитать КПД идеального теплового двигателя с температурой нагревания 1000º K и температурой холодильника равной 500° K.

Выбирая техническое устройство, всегда обращают внимание на эффективность его работы. Иными словами, насколько высока энергоэффективность. Получить ответ на этот вопрос можно, если произвести вычисление коэффициента его полезного действия. Тогда становится понятным, насколько затраченные усилия будут обеспечивать полезный результат работы.

Понятие КПД (коэффициента полезного действия)

Термин «КПД» широко используется не только среди профессионалов, но и в быту. Под ним понимают, насколько совершенная работа превышает полезную, т.е. ту, ради которой механизм или прибор приобретается.

Учеными разработана специальная формула, из которой следует, что КПД всегда меньше единицы. Чтобы рассчитать коэффициент, нужно полезную работу, выраженную в Джоулях, разделить на энергию, которая затрачена на эту работу. Поскольку энергия также выражается в Джоулях, конечная расчетная величина безразмерна.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Объяснить бытовым языком данное понятие можно так: энергия, выделяемая от плиты, на которой должен закипеть чайник, расходуется не только на его нагревание. Она должна нагреть саму посудину, воздух вокруг нее, сам нагревательный элемент. И только ее часть будет расходоваться на передачу воде. Чтобы сориентироваться, насколько долго будет закипать чайник одного объема на различного вида печах, нужно знать их КПД.

В поисках наиболее эффективного прибора не стоит стремиться к единице. Такого не бывает. Например, КПД атомной электростанции примерно равно 35%.

Происходит это по двум причинам:

1. Исходя из закона сохранения энергии, получить больше работы, чем затрачено энергии, невозможно.
2. Любая работа сопровождается определенными потерями, будь-то нагревание тары или преодоление сил трения при движении по поверхности.

Термин КПД применим практически к каждому процессу, в котором имеется затраченная и полезная работа.

Применение в различных сферах физики

Характеризуя КПД, следует учитывать, что он не является константой, поскольку в каждом случае свои особенности энергозатрат. С другой стороны, он не может быть установлен изолированно от конкретных процессов. Если рассмотреть работу электродвигателя, величина его КПД сложится исходя из преобразования энергии тока в механическую работу.

В данном случае КПД рассматривается не как соотношение полезной и общей работы, а как соотношение отдаваемой мощности и подводимой к рабочему механизму.

В формулу (η=P₂₁) должны быть включены P₁ – первичная мощность и P₂ – мощность прибора.

В качестве первого примера выведем формулу КПД для варианта определения с величинами работы и затраченной энергии (формула для определения КПД теплового двигателя). Условными обозначениями в ней будут являться:
Ап – работа полезная;

• Q₁ – количество энергии (или тепла), полученной от нагревающего устройства;
• Q₂ – количество энергии (или тепла), отданное в процессе деятельности;
• Q₁ – Q₂ – та энергия (или тепло), которая пошла на процесс.

В итоге получится выражение:

Теперь выразим формулу через соотношение мощностей. Условные обозначения следующие:

Р_отд – полезная (эффективная) мощность ;

Р_подв – номинальная мощность.

Формула будет выглядеть так:

Если затрата или передача энергии происходит неоднократно, общий КПД равен сумме КПД на каждом участке процесса:

Какой буквой обозначается, единицы измерения

В вышеприведенной формуле искомая величина коэффициента полезного действия обозначается буквой η, которая произносится «эта».

Для упрощения понимания величины, КПД чаще выражается в процентах.

Физическая формула КПД

С учетом изложенных выше особенностей и необходимости выражения результата в %, физические формулы приобретают усовершенствованный внешний вид:

Примеры расчета КПД

Формула применяется для расчетов коэффициентов машин различного типа.

Задача 1

Имеется 10 кг дров, теплота сгорания которых составляет 95 Дж/кг. При их сгорании в помещении объемом 75 м3 установилась температура 22оС (допускаем, что удельная теплоемкость воздуха равна 1,3 кДж/ кгхград).

Решение состоит из нескольких действий:

1. 1300 Дж умножить на 75 (объем) и 22 (температуру). Получаем 2 145 кДж. Это то тепло, выраженное в кДж, которое поступило в воздух помещения.
2. 10700000Дж умножаем на 10 (количество дров) =10х107 кДж.
3. При делении полезного тепла и полного, выработанного обогревателем, получаем значение 2,5%. Это говорит о низкой эффективности прибора и большой затрате дров и необходимости внесения конструктивных изменений, например, оборудования возможности дымоходам нагревать не только воздух, но и предметы в помещении.

Задача 2

В доме установлен электробойлер объемом 80 литров. Нагревательный элемент имеет мощность 2 кВт. Было замечено, что для нагревания воды от 12 о С до 70 о С уходит 3 часа. Нужно определить КПД прибора.

Дополнительные данные: плотность воды составляет 1000 кг/м 3 , ее теплоемкость – 4200 Дж/кг* о С.

Решать задачу нужно по формуле:

\(\eta=(c\times\rho\times V\times(T_2-T_1)\div N\times t)\times100\%=90\%\)

Задача 3

Температура воды, налитой в котел паровой машины, составляет 160 о С. Температура холодильника – 10 о С. Коэффициент полезного действия машины – 60%. В топке сжигается 200 кг угля. Его удельная теплота сгорания – 2,9 • 107 Дж/кг. О какой максимальной работе может идти речь для данной машины?

Решение следующее. А_макс возможна для идеальной тепловой машины, которая функционирует по циклу Карно. Ее КПД равно (Т₁-Т₂)/Т₁. В этой формуле Т₁ и Т₂ – температуры нагревателя, холодильника.

Определяем КПД, пользуясь формулой: \( \eta\;=\;A\div Q_1\) . В этой формуле А – работа тепловой машины, Q₁ – теплота, полученная от нагревателя. С другой стороны, она равна \(\eta_1\times m\times q\) .

Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.

Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

В 1774 году выдающийся английский изобретатель Дж. Уатт создал паровую машину, т. е. первый в мире тепловой двигатель.

В 1886 г. немецким изобретателем Г. Даймлером был создан первый автомобиль с бензиновым ДВС. В 1887 г. немецкий инженер Дизель разработал ДВС, в котором топливо самовоспламенялось вследствие сжатия горючей смеси.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД), который вычисляют по формуле:

где $Q_1$ – количество теплоты, полученное от нагревателя,

$Q_2$ – количество теплоты, отданное холодильнику.

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

$A = Nt$, тогда $\eta = Nt/qm$.

В XIX веке французский инженер Сади Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. КПД машины Карно определяется по формуле:

где $T_1$ – температура нагревателя,

$T_2$ – температура холодильника.

Формула расчёта КПД машины Карно даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей.

Двигатель внутреннего сгорания

Влияние тепловых двигателей на здоровье человека

Вещества, содержащиеся в выхлопных газах (СО, СО₂, СН₄, SO₂, NO₂ и другие), наносят большой вред окружающей среде. Считается, что один автомобиль выделяет 1000–1200 вредных компонентов, многие из которых очень токсичны.

Коварным газом является оксид углерода СО, или угарный газ. В легких он соединяется с гемоглобином крови в 200–300 раз быстрее, чем кислород. При сильном отравлении человек может погибнуть от кислородного голодания. Зарегистрированы случаи, когда, попадая в районы интенсивного автомобильного движения, люди теряли сознание. Угарный газ угнетает также активность ферментов клеток печени, сердца, мозга, повышает уровень сахара в крови.

Более 100 лет назад английский химик А. Смит ввёл понятие кислотные дожди, но о них стали говорить только в последнее время. Как они образуются? Какое влияние они оказывают на природу? Содержащиеся в выбросах автомобилей газы, такие, как углекислый, сернистый, оксиды азота, растворяясь в дождевой воде, образуют кислоты.

Кислотные осадки (дождь, туман, снег), приводят к загрязнению как поверхностных, так и грунтовых вод.

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Принцип действия теплового двигателя: нагревающийся газ в двигателе расширяется, давит на поршень или лопасти турбины и тем самым производит механическую работу.

Структурная схема работы теплового двигателя

Основными структурными частями теплового двигателя являются нагреватель, рабочее тело (газ или пар) и холодильник.

1. Нагреватель — устройство или процесс, передающий теплоту рабочему телу. Обычно нагревателем является сгорающее топливо.
2. Рабочее тело — газ, который нагревается и, расширяясь, выполняет работу.
3. Холодильник — охлаждает рабочее тело до исходной температуры. В качестве холодильника может использоваться как специальное устройство, так и окружающая среда.

Двигатель внутреннего сгорания использует теплоту, полученную при сгорании топлива внутри двигателя. Конструкция таких двигателей сложнее и изобрели их позже, чем двигатели внешнего сгорания. Применяются в основном на транспорте. Поршневые двигатели автомобилей, реактивные авиационные двигатели, газовые турбины, ракетные двигатели — это двигатели внутреннего сгорания. Ракетный химический двигатель может работать в безвоздушном пространстве.

КПД тепловых машин

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

Тепловой двигатель (машина) — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, обмениваясь теплотой с окружающими телами. Большинство современных автомобильных, самолетных, судовых и ракетных двигателей сконструированы на принципах работы теплового двигателя. Работа производится за счет изменения объема рабочего вещества, а для характеристики эффективности работы любого типа двигателя используется величина, которая называется коэффициентом полезного действия (КПД).

Как устроен тепловой двигатель

С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.

Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.

Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:

Нагреватель имеет температуру T₁ достаточно высокую, чтобы передать большое количество теплоты Q₁.

Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T₁. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).

Чему равен КПД теплового двигателя

Для определения эффективности тепловых двигателей французский инженер-механик Сади Карно в 1824г. ввел понятие КПД теплового двигателя. Для обозначения КПД используется греческая буква η. Величина η вычисляется с помощью формулы КПД теплового двигателя:

Поскольку $ А =Q1 – Q2$, тогда

Поскольку у всех двигателей часть тепла отдается холодильнику, то всегда η < 1 (меньше 100 процентов).

Максимально возможный КПД идеального теплового двигателя

В качестве идеальной тепловой машины Сади Карно предложил машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная модель Карно работает по циклу (цикл Карно), состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

• Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0);
• Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q = A).

Сади Карно доказал, что максимально возможный КПД, который может быть достигнут идеальным тепловым двигателем, определяется с помощью следующей формулы:

Формула Карно позволяет вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя. Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД.

Какие реальные КПД у разных типов двигателей

Из приведенных примеров видно, что самые большие значения КПД (40-50%) имеют двигатели внутреннего сгорания (в дизельном варианте исполнения) и реактивные двигатели на жидком топливе.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое КПД двигателя. Величина КПД любого теплового двигателя всегда меньше 100 процентов. Чем больше разность температур нагревателя T₁ и холодильника Т₂, тем больше КПД.

В данном разделе вы уже познакомились с устройством и принципом работы двух видов теплового двигателя: двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Используя эти механизмы, мы совершаем какую-то работу. Очевидно, что работа будет совершаться за счет энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Но большая часть этой энергии теряется в окружающей среде. То есть эта часть энергии не используется полезно.

Следовательно, и работу таких механизмов тогда нужно рассчитывать специальным образом. Для этого в физике разделяют работу на полную и полезную, вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД) механизма. На данном уроке мы познакомимся с этими величинами и рассмотрим решение задач с использованием КПД.

Полезная работа теплового двигателя

Для того чтобы судить о полезной работе теплового двигателя, обратимся еще раз к его устройству. Если рассматривать его принцип работы, то устройство любого теплового двигателя можно представить в виде простой схемы (рисунок 1).

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Рабочим телом является газ или пар. Например, в паровой турбине — это пар, в газовой — газ, в двигателе внутреннего сгорания — смесь паров бензина и воздуха.

Этот газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя. Под нагревателем подразумевается не какое-то специальное механическое устройство, как можно подумать. Нагреватель в схеме теплового двигателя — это горящее топливо.

Газ нагревается и расширяется. Так он совершает работу $A_п$, используя свою внутреннюю энергию.

Но важно понимать, что часть этой внутренней энергии $Q_2$ не совершает какую-то полезную для нас работу. Она передается вместе с отработанным паром или выхлопными газами атмосфере — холодильнику.

В качестве холодильника может использоваться резервуар с водой. Отработавший пар будет в таком случае приносить дополнительную пользу — нагревать воду для ее дальнейшего использования. Но этот процесс уже требует отдельного рассмотрения.

Итак, нас интересует именно та часть энергии топлива, выделяемая при его сгорании, которая превращается в полезную работу. От величины этой части энергии зависит экономичность двигателя.

КПД теплового двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.

КПД теплового двигателя также как и КПД простейших механизмов, изученных вами в прошлом курсе, обозначается греческой буквой “эта” — $\eta$ и выражается в процентах.

Формула для расчета КПД теплового двигателя имеет следующий вид:

где $A_п$ — полезная работа,
$Q_1$ — количество теплоты, полученное от нагревателя,
$Q_2$ — количество теплоты, отданное холодильнику,
$Q_1 — Q_2 = A_п$ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы.

Например, при сгорании топлива выделяется определенное количество энергии. Одна пятая этой энергии пошла на совершение полезной работы. Это означает, что КПД двигателя равен $\frac$ или $20 \%$.

Средние значения КПД различных тепловых двигателей

В таблице 1 представлены средние значения КПД некоторых двигателей.

Двигатель	КПД, %
Паровой двигатель	8
Двигатель внутреннего сгорания	18 — 40
Газовая турбина	25 — 30
Паровая турбина	40
Дизельный двигатель	40 — 44
Реактивный двигатель на жидком топливе	47

Таблица 1. КПД различных двигателей

Обратите внимание, что КПД всегда меньше единицы — меньше $100 \%$. Это означает, что холодильник всегда получает некоторое количество теплоты от нагревателя.

Одной из важнейших технических задач при проектировании двигателей является повышение значения КПД.

Упражнения

Упражнение №1

КПД теплового двигателя составляет $30 \%$. Рассчитайте полезную работу, совершенную двигателем, если он получил от нагревателя $600 \space кДж$ энергии.

Дано:$\eta = 30 \%$
$Q_1 = 600 \space кДж$

СИ:$6 \cdot 10^5 \space Дж$

$A_п — ?$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Запишем формулу для расчета КПД теплового двигателя:
$\eta = \frac$.

Выразим отсюда полезную работу $A_п$:
$A_п = \eta \cdot Q_1$.

Чтобы использовать эту формулу необходимо значение КПД, выраженное в процентах перевести в дробь:
$\eta = 30 \% = 0.3$

Рассчитаем $A_п$:
$A_п = 0.3 \cdot 6 \cdot 10^5 \space Дж = 1.8 \cdot 10^5 \space Дж$.

Ответ: $A_п = 1.8 \cdot 10^5 \space Дж$.

Упражнение №2

За цикл работы тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты, равное $155 \space Дж$, и отдает холодильнику количество теплоты равное $85 \space Дж$. Вычислите КПД тепловой машины.

Дано:
$Q_1 = 155 \space Дж$
$Q_2 = 85 \space Дж$

$\eta — ?$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Используем формулу для расчета КПД:
$\eta = \frac \cdot 100 \%$.

Ответ: $\eta = 45 \%$.

Упражнение №3

На рисунке 2 изображен один из четырех тактов двигателя внутреннего сгорания. Опишите, что происходит в его процессе.
При этом была совершена работа, равная $2.3 \cdot 10^4 \space кДж$, и израсходован бензин массой $2 \space кг$. Вычислите КПД этого двигателя. Удельная теплота сгорания бензина равна $4.6 \cdot 10^7 \frac$.

Дано:$A_п = 2.3 \cdot 10^4 \space кДж$
$m = 2 \space кг$
$q = 4.6 \cdot 10^7 \frac$

СИ:$2.3 \cdot 10^7 \space Дж$

$\eta -?$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

На рисунке 2 оба клапана закрыты, а свеча подожгла горючую смесь. Поршень движется вниз и вращает коленчатый вал. Это третий такт — рабочий ход. Именно в ходе этого такта рабочее тело двигателя совершает полезную работу $A_п$.

Запишем формулу для расчета КПД этого двигателя:
$\eta = \frac$,
где $Q_1$ — это количество теплоты, получаемое двигателем от нагревателя.

В нашем случае нагревателем является бензин. Мы знаем его массу и удельную теплоту сгорания, поэтому можем рассчитать количество теплоты, выделенное при его сгорании по формуле:
$Q = Q_1 = qm$.
$Q_1 = 2 \space кг \cdot 4.6 \cdot 10^7 \frac = 9.2 \cdot 10^7 \space Дж$.