Кпд теплового двигателя. Цикл карно(уч.10кл.Стр.275-280 )

Определение и работа теплового двигателя (см.выше уч.10кл.)

Определение замкнутого цикла термодинамического процесса

Определение понятия КПД и его физический смысл

Формула. Единицы измерения

КПД всегда меньше 1.

Цикл Сади Карно. График и физический смысл на примере поршня

Термодинамические процессы цикла Карно (по графику)

Максимально значение КПД из цикла Карно

Пути повышения КПД теплового двигателя

Тепловым двигателем называется двигатель, который производит механическую работу за счет энергии, выделившейся при сгорании топлива.

Некоторые виды тепловых двигателей:

• паровая машина;

• паровая турбина;

• двигатель внутреннего сгорания;

• реактивный двигатель.

Физические основы работы всех тепловых двигателей одинаковы.

Тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

- рабочее тело (газ или пар), совершающее работу

- нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу

- холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела

Необходимое условие для циклического получения механической работы в тепловом двигателе – наличие нагревателя и холодильника.

Для непрерывного совершения механической работы термодинамический цикл должен быть замкнутым.

Замкнутый процесс (цикл) – совокупность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в исходное состояние.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия.

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя (КПД) – отношение работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, полученному им от нагревателя:

η =

Процесс работы теплового двигателя:

Рабочее тело приводят в контакт с нагревателем , поэтому рабочее тело получает от нагревателя .

За счет этого количества теплоты рабочее тело совершает механическую работу.

Затем рабочее тело приводят в контакт с холодильником , поэтому рабочее тело отдает тепло холодильнику.

Таким образом возвращается в исходное состояние.

Теперь рабочее тело приводят в контакт с нагревателем и все происходит сначала.

В циклическом тепловом двигателе нельзя преобразовать в механическую работу все количество теплоты Q_н, получаемое он нагревателя. Некоторое количество теплоты Q_х отдается холодильнику. Поэтому работа за цикл не может быть больше:

A = Q_н– Q_х

Коэффициент полезного действия теплового двигателя всегда меньше единицы

η = = = 1 -

Круговой цикл не реализуется при отсутствии холодильника. Q_х=0.

Цикл Карно

В начале XIX века французский инженер Сади Карно исследовал пути повышения КПД тепловых двигателей. Он предложил цикл, который должен совершать идеальный газ в некоторой тепловой машине, такой, что при этом получается максимально возможный КПД.

Цикл Карно состоит из двух изотермических и двух адиабатных процессов.

Выбор именно этих процессов обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергии нагревателя, а при адиабатном процессе за счет внутренней энергии расширяющегося газа.

В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, а значит, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно – самый эффективный из всех возможных циклов, имеющий максимальный КПД,

Идеальный газ приводят в контакт с нагревателем и предоставляют ему возможность расширяться изотермически, то есть при температуре нагревателя.

Когда расширившийся газ перейдет в состояние 2, его теплоизолируют от нагревателя и дают ему возможность расширяться адиабатически, то есть газ совершает работу за счет убыли его внутренней энергии.

Расширяясь адиабатически газ охлаждается до тех пор, пока его температура не будет равна температуре холодильника (состояние 3).

Теперь газ приводят в контакт с холодильником сжимают изотермически. Газ отдает холодильнику . Газ переходит в состояние 4.

Затем газ теплоизолируют от холодильника и сжимают адиабатически. При этом температура газа увеличивается и достигает температуры нагревателя. Процесс повторяется сначала.

В процессе изотермического расширения 1-2 при температуре Т₁ работа совершается за счет изменения внутренней энергии нагревателя, т.е. за счет подводимого к газу количества тепла

A₁₂ = Q₁

Охлаждение газа перед сжатием происходит при адиабатном расширении 2-3. Все изменение внутренней энергии при таком процессе (Q=0) преобразуется в механическую работу

A₂₃ = - ∆U₂₃

Температура газа в результате адиабатного расширения 2-3 понижается до температуры холодильника T₂<T₁.

В процессе 3-4 газ изотермически сжимается, передавая холодильнику количество теплоты Q₂.

A₃₄ = A_сж = Q₂

Цикл завершается процессом адиабатного сжатия 4-1 (Q=0), при котором газ нагревается до температуры Т₁.

Максимальный КПД теплового двигателя Карно

η_max = =

Q₁ – подводимое количество теплоты

Q₂ – отводимое количество теплоты

Карно показал, что КПД любой другой тепловой машины (то есть с другим рабочим телом или работающей по другому циклу) будет меньше, чем КПД цикла Карно.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Для повышения КПД теплового двигателя следует понижать температуру холодильника и увеличивать температуру нагревателя.

Понижать температуру холодильника искусственно невыгодно, так как это требует дополнительных затрат энергии.

Повышать температуру нагревателя можно тоже до определенного предела, так как различные материалы обладают различной жаропрочностью при высоких температурах.

Однако формула Карно показала, что существуют неиспользованные резервы повышения КПД, так как практический КПД очень сильно отличается от КПД цикла Карно.

Действительное значение КПД приблизительно равно 40%.

Двигатели Дизеля 20-40%, паровые турбины –выше 30%.