Что такое тепловой двигатель в физике определение

Тепловой двигатель

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 ) .

Ответ: КПД цикла равняется η = 1 — n 1 — Г .

Тепловые двигатели.

Тепловые двигатели.

Машины, преобразующие внутреннюю энергию механическую работу называют тепловыми двигателями

1690 — пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) — теоретически

1698 — пароатмосферная машина Т.Севери (Англия)

1705 — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена (Англия)

1763 — паровая машина И.Ползунова (Россия)

1774 — паровая машина Д.Уатта (Англия)

1860 — двигатель внутреннего сгорания Ленуара (Франция)

1865 — двигатель внутреннего сгорания Н.Отто (Германия)

1871 — холодильная машина К.Линде (Германия)

1887 — паровая турбина К.Лаваля (Швеция)

1897 — двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (Германия)

Круговой (циклический) процесс — если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл.

Читать еще:  Альфа ромео 156 характеристики двигателя

А1а21б2 — по модулю (из сравнения площадей).

А1б2 Q = A’ + ΔU

Нагреватель передает тепло рабочему телу при температуре Т1.

Рабочее тело совершает полезную механическую работу A’.

Холодильник (охладитель) получает часть тепла, обеспечивая циклический процесс.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя:

Кпд реальных двигателей:

турбореактивный — 20 -30%; карбюраторный — 25 -30%, дизельный — 35-45%.

0 — 1 — впуск горючей смеси (изобара)

1 — 2 — сжатие (адиабата)

2 — загорание горючей смеси

2 -3 -резкое возрастание давления (изохора)

3 -4 — рабочий ход (адиабата)

Идеальная тепловая машина — машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815).

Машина работает на идеальном газе.

1 — 2 — при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически.

2 — 3 — газ расширяется адиабатно.

После контакта с холодильником:

3 — 4 — изотермическое сжатие;

4 — 1 — адиабатное сжатие.

КПД идеальной машины:

η является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива.

Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.

Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу наз. холодильной машиной.

Значение тепловых двигателей

Цели по содержанию: Образовательная: ввести понятие теплового двигателя, виды тепловых двигателей, принцип действия тепловых двигателей, роль тепловых двигателей для решения экологических проблем/

Воспитательная: способствовать формированию культуры умственного труда, способствовать развитию экологической культуры

Развивающая: продолжить формирование умений анализировать информацию, формулировать выводы

Тип урока: урок изучения нового материала

Форма урока: фронтальная, индивидуальная, работа в парах, работа в группах.

Опорные понятия, термины: Три виды энергии, переход из одного вида энергии в другой.

Оборудование для учителя: проектор, компьютер, компьютеры для учащихся. оборудование к опыту: пробирка с водой, пробка, спиртовка, штатив с лапкой. изображения механизмов, модели 2, 4-тактного двигателя, паровая турбина

Оборудование для учащихся: проекты учащихся на темы «История создания двигателей», «Влияние двигателей на окружающую среду», «Как изменить кпд двигателя»

Домашнее задание: §§ 21, 22, подготовить доклад или презентацию по истории тепловых двигателей.

Структура урока

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

УУД

Методы обучения

Способ организации деятельности

1. Организационный момент

Беседа: создание положительного настроя на работу

Учащиеся готовятся к уроку, организовывают рабочее место

Kоммуникативная

планировать свою деятельность

Словесный, мотивация учебной деятельности

2. мобилизующее начало урока сообщение темы урока

●Обобщение и формулировка темы урока

Показать изображения механизмов: реактивный двигатель, паровая машина, паровоз, самолет, легковой автомобиль

●Назвать механизмы, ●наводящими вопросами помочь сформулировать тему урока

Отвечают на вопросы

Учащиеся формулируют тему: «Тепловые двигатели»

Коммуникативная

Регулятивные

Выдвигать версии, обнаруживать и формулировать учебную проблему

Познавательные: наблюдать, делать выводы, анализировать объекты с целью выделения признаков

Личностные

Отстаивать точку зрения

Наглядный, словесный проблемный

3. Целеполагания и мотивации

Показывает модели двухтактного, четырехтактного двигателя и паровую турбину

Учащиеся обсуждают и делают выводы. Целями урока будут:

Регулятивные:

Личностные

Отстаивать точку зрения,

Коммуникативные

Развитие речевой деятельности

Оформлять свои мысли в устной форме

Познавательные: наблюдать, строить логические цепочки рассуждений

Наглядный, словесный, познавательный

4. Актуализация знаний

По тем же моделям задает вопросы:

Учащиеся отвечают на вопросы

Регулятивные: Обнаруживать учебную проблему и выдвигать версии

Личностные

Искать свою позицию,

Строить логическую цепочку рассуждений

Коммуникативная

Познавательные: Применять известные факты для ответов на вопросы

5. изучение нового материала

задает наводящие вопросы, помогающие сформулировать выводы

● какое преобразование энергий происходило в опыте

● что совершает работу по выталкиванию пробки

● Как это можно применить в механизме

● Как будут называться такие механизмы

Самостоятельно выполняют эксперимент: нагревание пробирки с водой, плотно закрытой пробкой

●Энергия топлива (преобразованная во внутреннюю энергию воды) переходит во внутреннюю энергию воздуха. Внутренняя энергия воздуха превратилась в кинетическую энергию пробки.

●Воздух совершил работу – вытолкнул пробку.

Учащиеся формулируют определение: Тепловые двигатели- машины, которые преобразуют внутреннюю энергию в механическую

Выполняют запись в тетрадь, работа с определением: подчеркивание главных слов в определении

Регулятивные: работа по плану, сверяя свои действия с целью

Личностные: Уметь оценивать результат, делать выводы

Познавательные: наблюдать, делать выводы, Выдвигать гипотезы и их обосновывать, сравнивать, формулировать определение

Коммуникативные: Взаимодействовать, слушать, учитывать разные мнения

Наглядный, словесный, познавательный комплексный метод формирования информационной компетенции (учебно-исследовательская работа, предполагающая лабораторное наблюдение)

виды тепловых двигателей

Регулятивные: Уметь слушать, анализировать

Познавательные: наблюдать

Коммуникативные: Слушать

Личностные: Понимать значение обучения

словесный, Метод проектов

Комплексный метод формирования информационной компетенции(информационные учебные проекты)

Показывает иллюстрации двигателей.

учащиеся определяют вид двигателя

Познавательные: работа по распознаванию вида двигателя

Личностные: Делать выбор

Коммуникативные: Принимают решения, строят высказывания

Регулятивные: Выдвигать версии

Учитель знакомит учащихся с устройством двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим принцип работы тепловых машин на примере

Записывают название частей двс

Регулятивные: Уметь слушать, анализировать

Личностные: Осознавать необходимость изучения данной темы

Коммуникативные: Слушать

Познавательные: Анализировать объект с целью выделения существенных признаков

Наглядный, словесный, познавательный

Запустить анимацию «работа двс»

Учащиеся знакомятся с работой двс, описывают работу двс по плану. Заполняют таблицу

(можно воспользоваться учебником рис 25 стр 54)

Коммуникативные: Высказывают точку зрения, организовывать учебное взаимодействие, сотрудничать

Личностные: Понимают значение и смысл содержания

Познавательные: Уметь использовать компьютерные технологии, осуществлять поиск необходимой информации, преобразовывают информацию в таблицу

Регулятивные: Выдвигают версии

работа с учебным материалом

Вывести на экран заполненную таблицу

Учащиеся сверяют заполненные таблицы с таблицей на экране

Коммуникативные: Подтверждают свою позицию, корректируют свое мнение

Регулятивные: Сличение с образцом, вносить коррективы в действие после его завершения

Личностные: Оценивать усваиваемое содержание

Познавательные: Анализировать, делать выводы, сравнивать с образцом

Наглядный, Технология оценивания образовательных достижений

6. Закрепление изученного

●Для чего в двигателе автомобилей делают несколько цилиндров?

●Объясните зачем в цилиндры дизельного двигателя( двигателя с воспламенением топлива от сжатия) жидкое топливо подается в распыленном состоянии? Лукашик 1137

Отвечают на вопросы

Коммуникативные: Отстаивать точку зрения, слушать

Познавательные: Устанавливать причинно-следственные связи, делают выводы

Регулятивные: Выдвигают версии, дополняют ответы

Личностные: Отстаивать свою точку зрения

●Отражается ли неполное сгорание топлива в двигателе внутреннего сгорания на его кпд, на его окружающей среде?

Читать еще:  Двигатель ваз 11126 характеристики

Обсуждают домашние заготовки, формулируют мнение группы

Регулятивные: Обнаруживать учебную проблему, выдвигать версии

Личностные: Искать свою позицию

Коммуникативные: Выражать свои мысли, договариваться и приходить к общему решению в совместной деятельности

Познавательные: Осуществляют поиск необходимой информации

Проблемно-ориентированная дискуссия учащихся)

Работа в группах

7. Систематизация и обобщение

Проверить усвоение материала, выявить проблемы понимания материала

Отвечают на вопросы теста(2 экземпляра). Один экземпляр учащиеся сдают учителю, второй проверяет сосед по парте

Подводят итог урока

Регулятивные: Определять степень успешности своей работы, осуществлять итоговый контроль

Личностные: Оценивать усваиваемое содержание

Коммуникативные: Быть готовым корректировать свою точку зрения

Познавательные: Отвечать на вопросы

Тест с взаимопроверкой

Технология оценивания образовательных достижений

Методы формирования коммуникативной компетенции, ориентированные на письменную компетенцию (проверка работы, выполненной товарищем)

Методы формирования компетенции разрешения проблем (коллективное подведение итогов)

8. Домашнее задание

§21,22 Подготовить сообщение с презентацией о других видах тепловых машин. Реактивные двигатели, турбины, паровые машины, холодильные установки.

По плану: 1) история развития;

2) современное применение двигателей;

3) их влияние на окружающую среду.

Задают вопросы по содержанию домашнего задания

Регулятивные: Уметь слушать,

Личностные: Прогнозировать свою деятельность

Коммуникативные: Планировать свою деятельность

Познавательные: Работа на создание источников информации

Формирование готовности к самообразованию на основе устойчивой учебно-познавательной деятельности

Благодарит учащихся за работу на уроке, спрашивает , что было непонятно на уроке

Анализируют свою деятельность

Личностные: Оценивать усваиваемое содержание

Коммуникативные: Выражать свои мысли

Регулятивные: Определять степень успешности своей работы

Технология оценивания образовательных достижений

Тепловые машины

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть 0′ alt=’A>0′ /> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2 ).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Читать еще:  Что такое давление масла в двигателе ваз 2106

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3 ).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4 ).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector