Тепловые двигатели. | Объединение учителей Санкт-Петербурга

Основные ссылки

CSS adjustments for Marinelli theme

Объединение учителей Санкт-Петербурга

Форма поиска

Поиск

Вы здесь

Главная » Тепловые двигатели.

Тепловые двигатели.
Машины, преобразующие внутреннюю энергию механическую работу называют тепловыми двигателями
Хронология изобретений: 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. А1а2>А1б2 — по модулю (из сравнения площадей). А1а2>0 А1б2<0 Суммарная работа за циклический процесс численно равна площади, ограниченной линией процесса. Из второго з-на термодинамики: ни один тепловой двигатель не может иметь кпд равный единице (100%).  , где А — работа двигателя за цикл, Q — количество теплоты, полученное двигателем  за цикл.
Принцип работы теплового двигателя: Q = A’ + ΔU — количество теплоты, переданное системе расходуется на совершение этой системой механической работы и на увеличение ее внутренней энергии (т.е. система должно отдать тепло в окружающее пространство) — 1-й з-н термодинамики.	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. A’ = Q1 — Q2 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) 4 — 0 — выпуск
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.

Теги: 

конспект

Открытый урок по теме «Тепловые двигатели»

Методическая копилка —

Физика

Муниципальное казённое общеобразовательное учреждение «Сеймицкая средняя общеобразовательная школа» Солнцевского района Курской области»

План урока на тему:

«Тепловые двигатели»

                                         Составила: Фильчакова С.Н. учитель физики

                                                       МКОУ «Сеймицкая СОШ»

Солнцевского района Курской области

2014 год.

Класс: 8 класс

Дата:.25.11.2014 г

Тема урока: ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ.

Тип урока: нестандартный.

Цели урока:

Образовательная:рассмотреть устройство и принцип действия ДВС; показать области их применения, выявить проблемы, возникающие при их эксплуатации; рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях, объяснить принцип действия тепловых двигателей.

Развивающая: развивать монологическую речь учащихся, развивать умения излагать и воспринимать новый материал; содействовать формированию навыков сравнения, обобщения, логического мышления,   поддерживать интерес к предмету.

Воспитательная:показать значение тепловых двигателей в жизни человека; объяснить принцип действия тепловых двигателей, рассмотреть, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека; выяснить пути охраны окружающей среды.

Оборудование к уроку: компьютер, мультимедиапроектор, экран, штатив, пробирка, пробка, стакан с водой, спиртовка.

Раздаточный материал: Групповая работа по карточкам.

Информационные технологии: презентация «Тепловые двигатели».

План урока:

Этап урока	Приемы и методы	Время (мин)
Организационный этап.	Знакомство с классом	1 мин
Подготовка учащихся к учебно-познавательной деятельности.	Опыт «Преобразование энергии газа в механическую энергию». Групповая работа по карточкам.	10 мин
Изучение нового материала.	Показ слайдов, объяснение нового материала. Беседа.	10 мин
Самостоятельная работа учащихся	Беседа на экологическую тему. Ответы на вопросы	6 мин
Заключение.	Вопросы и задания для закрепления темы урока	3 мин

Ход урока:

Этап урока	Деятельность учителя	Деятельность ученика
I. Организационный этап.	Здравствуйте. Я рада вас видеть. Сегодня проведу у вас открытый урок по физике. Надеюсь, что наш урок будет для вас интересен и полезен. Проведем разминку и настроимся на физику. Однако, будьте внимательными, так как после разминки вы должны будете сформулировать тему урока.	Настрой учащихся на урок.
II. Подготовка учащихся к учебно-познавательной деятельности.	Класс делится на 2 группы В 3 веке до нашей эры великий греческий математик и механик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара.   Опыт            «Преобразование энергии газа в механическую энергию». Приборы и материалы: штатив, пробирка, пробка, стакан с водой, спиртовка. Использовать внутреннюю энергию – значит совершить за счет нее полезную работу, например поднять груз, перевезти вагоны и. т.п. А это, в свою очередь, означает, что внутреннюю энергию необходимо превратить в механическую. 1.Как это сделать с помощью приборов и материалов которые у вас есть? Какая группа быстрее соберет схему опыта, по данным приборам и материалам. 2.Что мы будем наблюдать? Вывод опыта: При нагревании воды в закрытой пробкой пробирке увеличивается количество пара, находящегося под пробкой, и повышается его давление на пробку. Наконец, давление пара выталкивает пробку, при этом пар совершает работу. Часть первоначальной энергии пара пошло на совершение работы по выталкиванию пробки. Внутренняя энергия пара превратилась в механическую энергию. Так как пар выходит еще достаточно горячий, то оставшуюся энергию он отдает окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру. Групповая работа по карточкам. Раздаю карточки. Кроссворд Процесс понижения температуры тела. (ТЕМПЕРАТУРА) Вещество, удельная теплоемкость которого равна 4200 Дж/кг ͦС. (ВОДА) Жидкость, которая применяется в термометрах в районах Крайнего Севера. (СПИРТ) Один из видов осадков. (СНЕГ) Процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое. (ПЛАВЛЕНИЕ) Физическая величина, которая характеризует степень нагретости вещества. (ТЕМПЕРАТУРА) Один из факторов, влияющих на скорость испарения. (ВЕТЕР) Греческая буква, обозначающая удельную теплоемкость вещества. (ЛЯМБДА) Расплавленный металл, способный заморозить воду. (РТУТЬ) По вертикали в выделенном столбике читаем «ДВИГАТЕЛЬ».	Собирают схему. Делают опыт «Преобразование энергии газа в механическую энергию». Наблюдают. Делают вывод по проведенному опыту. объяснить принцип действия тепловых двигателей, рассмотреть, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека; выяснить пути охраны окружающей среды. Отгадывают кроссворд.
III.Изучение нового материала.	Это только часть нашей темы. Разберемся, что такое двигатель? Какие двигатели вы знаете? Какая энергия (энергия чего) может превращаться в механическую энергию? Записать тему урока «Тепловой двигатель». Тепловой двигатель –Тепловыми двигателями — называют устройства, в которых внутренняя энергия пара   или газа (рабочего тела)   превращается в механическую энергию. Т.е. за счет внутренней энергии пара совершается полезная работа – поднимается груз, перевозится груз, откачивается вода и т. д. Принцип действия тепловых машин. При нагревании внутренняя энергия газа или пара увеличивается, пар расширяется и совершает работу (выталкивает пробку из пробирки). Существуют несколько видов тепловых двигателей: — паровая машина; — двигатель внутреннего сгорания;      — паровая и газовая турбины; — реактивный двигатель. ДВС был создан в 1860 г. французским инженером Э.Ленуаром. Быстро пошло его усовершенствование и теперь это самый распространенный тепловой двигатель и двигатель вообще. Рассмотрим простейший одноцилиндровый двигатель. 2-хтактный и 4-хтактные ДВС. Устройство ДВС: Коленчатый вал. Цилиндр. Поршень Шатун Впускной клапан. Выпускной клапан. Свеча зажигания. Принцип работы ДВС: Четырёхтактные ДВС работают на автомобилях и лёгких самолётах. На схеме показаны четыре такта работы двигателя: Впуск -> Сжатие -> Рабочий ход -> Выпуск Показываем анимацию двигателя. Посмотрим, как работает ДВС. Мертвые точки – верхняя и нижняя. Ход поршня – расстояние между мертвыми точками. 1 рабочий цикл проходит за 4 хода (такта). Повторим название тактов. Применение ДВС	Слушают лекцию, составляют опорный конспект.
IV.Самостоятельная работа учащихся	Экологические проблемы, связанные с использованием тепловых двигателей. На каком топливе работают ДВС? Какие существуют недостатки этого теплового двигателя? Вы хотите жить в таком районе? Экологические проблемы применения ДВС. Кто подскажет решение этой проблемы?	Учащиеся ищут пути решения данной проблемы. Отвечают на заданные вопросы.
V.Заключение	Что нового узнали на этом уроке? Кто применил энергию газа в пушке? Какие виды тепловых двигателей вы узнали? Кто создал дизельный двигатель? Как устроен двигатель? Принцип работы двигателя? Наш урок прошел интересно. Я доволен вашей работой. Надеюсь, вы добьетесь новых успехов в учебе. Спасибо!	Учащиеся отвечают на заданные вопросы.

4.2 Тепловые двигатели — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описать функцию и компоненты тепловой машины
• Объясните КПД двигателя
• Расчет КПД двигателя для заданного цикла идеального газа

Тепловой двигатель — это устройство, используемое для извлечения тепла из источника и последующего преобразования его в механическую работу, которая используется во всех видах приложений. Например, паровой двигатель поезда старого образца может производить работу, необходимую для движения поезда. В связи с конструкцией и применением тепловых двигателей возникает несколько вопросов. Например, каков максимальный процент извлеченной теплоты, который можно использовать для совершения работы? Оказывается, это вопрос, на который можно ответить только с помощью второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики можно формально сформулировать несколькими способами. Одно представленное до сих пор утверждение касается направления спонтанного теплового потока, известного как утверждение Клаузиуса. Несколько других утверждений основаны на тепловых двигателях. Всякий раз, когда мы рассматриваем тепловые двигатели и связанные с ними устройства, такие как холодильники и тепловые насосы, мы не используем нормальные знаки для теплоты и работы . Для удобства мы предполагаем, что символы Qh, Qc, Qh, Qc и W представляют только количество переданного тепла и произведенной работы, независимо от того, кто является отдающим или получающим. Входит ли тепло в систему или выходит из нее, и работа, совершаемая системой или системой, указывается соответствующими знаками перед символами и направлением стрелок на диаграммах.

Получается, что для создания тепловой машины нам нужно более одного источника/поглотителя тепла. Мы вернемся к этому позже в этой главе, когда будем сравнивать различные формулировки второго закона термодинамики. На данный момент мы предполагаем, что тепловой двигатель построен между источником тепла (высокотемпературным резервуаром или горячим резервуаром) и поглотителем тепла (низкотемпературным резервуаром или холодным резервуаром), схематично представленным на рис. 4.4. Двигатель поглощает тепло QhQh от источника тепла (горячего резервуара) с температурой по Кельвину Th,Th, использует часть этой энергии для выполнения полезной работы Вт , а затем сбрасывает оставшуюся энергию в виде тепла QcQc в теплоотвод (холодный резервуар) с температурой Кельвина Tc.Tc. Электростанции и двигатели внутреннего сгорания являются примерами тепловых двигателей. Электростанции используют пар, произведенный при высокой температуре, для привода электрогенераторов, при этом отводя тепло в атмосферу или близлежащий водоем в роли поглотителя тепла. В двигателе внутреннего сгорания горячая газовоздушная смесь используется для толкания поршня, и аналогичным образом тепло отводится в окружающую атмосферу.

Рисунок
4.4

Схематическое изображение тепловой машины. Энергия перетекает из горячего резервуара в холодный резервуар при совершении работы.

Современные тепловые двигатели имеют множество различных конструкций. Примеры включают двигатели внутреннего сгорания, такие как те, которые используются в большинстве автомобилей сегодня, и двигатели внешнего сгорания, такие как паровые двигатели, используемые в старых поездах с паровыми двигателями. На рис. 4.5 представлена ​​фотография работающей атомной электростанции. Атмосфера вокруг реакторов действует как резервуар холода, а тепло, выделяемое в результате ядерной реакции, обеспечивает тепло от горячего резервуара.

Рисунок
4,5

Тепло, выделяемое атомной электростанцией, поступает в градирни, где выбрасывается в атмосферу.

Тепловые двигатели работают, перемещая рабочее вещество через цикл. В паровой электростанции рабочим веществом является вода, которая сначала находится в жидком состоянии, затем испаряется, затем используется для привода турбины и, наконец, снова конденсируется в жидкое состояние. Как и все рабочие вещества в циклических процессах, когда вода возвращается в исходное состояние, она повторяет ту же последовательность.

На данный момент мы предполагаем, что циклы тепловых двигателей обратимы, поэтому потери энергии на трение или другие необратимые эффекты отсутствуют. Предположим, что двигатель, изображенный на рис. 4.4, совершает один полный цикл и что Qh, Qc, Qh, Qc и W представляют обмен теплоты и работу, выполненную за этот цикл. Так как начальное и конечное состояния системы одинаковы, то для цикла ΔEint=0ΔEint=0. Таким образом, из первого начала термодинамики имеем

0005

, так что

W=Qh-Qc.W=Qh-Qc.

4.1

Наиболее важной мерой тепловой машины является ее эффективность ( e ), которая представляет собой просто «то, что мы получаем», деленное на «то, что мы вкладываем» в течение каждого цикла, как определено как e=Wout/Qin.e= Вут / Цинь.

Для тепловой машины, работающей между двумя тепловыми резервуарами, мы получаем Вт и добавляем Qh,Qh, поэтому КПД машины равен

e=WQh=1−QcQh.e=WQh=1−QcQh.

4.2

Здесь мы использовали уравнение 4.1, W=Qh-Qc,W=Qh-Qc, на последнем шаге этого выражения для эффективности.

Пример
4.1

Газонокосилка

Газонокосилка рассчитана на КПД 25,0%25,0% и среднюю мощность 3,00 кВт. Каковы (а) средняя работа и (б) минимальный выброс тепла в воздух газонокосилкой за одну минуту использования?

Стратегия

Из средней мощности, т. е. скорости производства работы, мы можем вычислить работу, выполненную за заданное прошедшее время. Затем, исходя из приведенного КПД, мы можем вычислить минимальный тепловой расход Qc=Qh(1-e)Qc=Qh(1-e) с Qh=Qc+W.Qh=Qc+W.

Решение

1. Средняя работа, выполняемая газонокосилкой, составляет

   Вт=PΔt=3,00×103×60×1,00Дж=180кДж.W=PΔt=3,00×103×60×1,00Дж=180кДж.

2. Минимальное тепло, выделяемое в воздух, определяется выражением

   Qc=Qh(1−e)=(Qc+W)(1−e),Qc=Qh(1−e)=(Qc+W)(1−e),

   что приводит к

   Qc=W(1/e-1)=180×(1/0,25-1)кДж=540кДж. Qc=W(1/e-1)=180×(1/0,25-1)кДж=540кДж.

Значение

С ростом КПД минимальное тепловыделение падает. Это помогает нашей окружающей среде и атмосфере, поскольку не выбрасывается столько отработанного тепла.

Тепловые двигатели и их эффективность – Колледж физики

Глава 15 Термодинамика

Резюме

• Назовите выражения второго закона термодинамики.
• Рассчитайте КПД и выбросы углекислого газа угольной электростанции, используя характеристики второго закона.
• Опишите и дайте определение циклу Отто.

 

Рис. 1. Эти льдины тают во время арктического лета. Некоторые из них замерзают зимой, но второй закон термодинамики предсказывает, что молекулам воды, содержащимся в этих конкретных льдинах, крайне маловероятно, чтобы они преобразовали характерную аллигатороподобную форму, которую они сформировали, когда снимок был сделан летом 2009 года.. (кредит: Патрик Келли, Береговая охрана США, Геологическая служба США)

Второй закон термодинамики касается направления самопроизвольных процессов. Многие процессы протекают самопроизвольно только в одном направлении, т. е. необратимы при данном наборе условий. Хотя необратимость наблюдается в повседневной жизни — например, разбитое стекло не возвращается в исходное состояние — полная необратимость — это статистическое утверждение, которое нельзя увидеть в течение жизни Вселенной. Точнее необратимый процесс зависит от пути. Если процесс может идти только в одном направлении, то обратный путь принципиально иной и процесс не может быть обратимым. Например, как отмечалось в предыдущем разделе, теплота включает передачу энергии от более высокой температуры к более низкой. Холодный объект при соприкосновении с горячим никогда не становится холоднее, передавая тепло горячему объекту и делая его горячее. Кроме того, механическая энергия, например кинетическая энергия, может быть полностью преобразована в тепловую энергию трения, но обратное невозможно. Горячий неподвижный объект никогда самопроизвольно не остывает и не приходит в движение. Еще одним примером является расширение струи газа, введенной в один из углов вакуумной камеры. Газ расширяется, заполняя камеру, но никогда не собирается в углу. Беспорядочное движение молекул газа могло бы привести их всех обратно в угол, но этого никогда не происходит. (См. рис. 2.)

Рисунок 2. Примеры односторонних процессов в природе. а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего к холодному, а не от холодного к горячему. (b) Тормоза этого автомобиля преобразуют его кинетическую энергию в передачу тепла окружающей среде. Обратный процесс невозможен. (c) Выброс газа, впущенного в эту вакуумную камеру, быстро расширяется, чтобы равномерно заполнить все части камеры. Беспорядочные движения молекул газа никогда не вернут их в угол.

Тот факт, что определенные процессы никогда не происходят, говорит о том, что существует закон, запрещающий им происходить. Первый закон термодинамики допускает их возникновение — ни один из этих процессов не нарушает закон сохранения энергии. Закон, запрещающий эти процессы, называется вторым законом термодинамики. Мы увидим, что второй закон можно сформулировать разными способами, которые могут показаться разными, но на самом деле они эквивалентны. Как и все законы природы, второй закон термодинамики дает представление о природе, и несколько его утверждений подразумевают, что он широко применим, коренным образом влияя на многие, казалось бы, несопоставимые процессы.

Уже знакомое нам направление теплопередачи от горячего к холодному лежит в основе нашей первой версии второго закона термодинамики .

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ (ПЕРВОЕ ВЫРАЖЕНИЕ)

Теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении.

Другой способ сформулировать это: ни один процесс не может иметь своим единственным результатом передачу тепла от более холодного объекта к более горячему.

Теперь давайте рассмотрим устройство, которое использует теплопередачу для выполнения работы. Как отмечалось в предыдущем разделе, такое устройство называется тепловым двигателем, и оно схематически показано на рис. 3(б). Бензиновые и дизельные двигатели, реактивные двигатели и паровые турбины — все это тепловые двигатели, которые работают, используя часть теплопередачи из какого-либо источника. Теплопередача от горячего объекта (или горячего резервуара) обозначается как [латекс] {Q _ {\ text {h}}}, [/латекс], а теплопередача в холодный объект (или холодный резервуар) — [латекс] {Q_ {\text{c}}},[/latex], а работа, совершаемая двигателем, равна [latex]{W}. [/latex] Температуры горячего и холодного резервуаров равны [latex]{T_{\text{ h}}}[/latex] и [latex]{T_{\text{c}}},[/latex] соответственно.

Рис. 3. (а) Теплопередача происходит самопроизвольно от горячего объекта к холодному, в соответствии со вторым законом термодинамики. б) Тепловая машина, представленная здесь кружком, использует часть теплопередачи для совершения работы. Горячие и холодные объекты называются горячими и холодными резервуарами. Q _h – теплоотдача из горячего резервуара, W – работа, Q _c – теплопередача в холодный резервуар.

Поскольку горячий резервуар нагревается снаружи, что требует больших затрат энергии, важно, чтобы работа выполнялась максимально эффективно. На самом деле, мы хотели бы, чтобы [латекс]{W}[/латекс] был равен [латекс]{Q_{\текст{ч}}},[/латекс] и чтобы не было передачи тепла в окружающую среду ( [латекс ]{Q_{\text{c}}=0}[/latex] ). К сожалению, это невозможно. Второй закон термодинамики также утверждает относительно использования теплопередачи для выполнения работы (второе выражение второго закона):

ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ (ВТОРОЕ ВЫРАЖЕНИЕ)

Ни в одной системе теплопередача от резервуара не может полностью превратиться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.

Циклический процесс возвращает систему, например газ в цилиндре, в исходное состояние в конце каждого цикла. В большинстве тепловых двигателей, таких как поршневые двигатели и вращающиеся турбины, используются циклические процессы. Второй закон, только что изложенный в его второй форме, ясно утверждает, что такие двигатели не могут иметь совершенного преобразования теплопередачи в совершенную работу. Прежде чем перейти к основным причинам ограничений на преобразование теплопередачи в работу, нам необходимо изучить отношения между [латекс]{W},\:{Q_{\text{h}}},[/латекс] и [латекс ]{Q_{\text{c}}},[/latex] и определить КПД циклической тепловой машины. Как уже отмечалось, циклический процесс возвращает систему в исходное состояние в конце каждого цикла. Внутренняя энергия [латекс]{U}[/латекс] такой системы одинакова в начале и в конце каждого цикла, то есть [латекс]{\Delta{U}=0}.[/латекс] Первый закон термодинамики утверждает, что

[латекс] {\ Delta {U} = QW}, [/латекс]

, где [латекс]{Q}[/латекс] — чистая теплопередача во время цикла ([латекс]{Q=Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}}}[/latex ] ) и [latex]{W}[/latex] — это чистая работа, проделанная системой. Поскольку [latex]{\Delta{U}=0}[/latex] для полного цикла, мы имеем

[латекс]{0=Q-W},[/латекс]

так что

[латекс]{W=Q}.[/латекс]

Таким образом, чистая работа, совершаемая системой, равна чистой передаче тепла в систему, или

[латекс]{W=Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}}\text{(циклический процесс)}},[/latex]

, как схематично показано на рисунке 3(b). Проблема в том, что во всех процессах происходит некоторая теплопередача [латекс]{Q_{\text{c}}}[/латекс] в окружающую среду, и обычно очень значительная.

При преобразовании энергии в работу мы всегда сталкиваемся с проблемой того, что получаем меньше, чем вкладываем. Мы определяем эффективность преобразования [латекс]{Эфф}[/латекс] как отношение полезной выходной работы к затрат энергии (или, другими словами, отношение того, что мы получаем, к тому, что мы тратим). В этом духе мы определяем эффективность тепловой машины как ее чистую выходную мощность [латекс]{W}[/латекс], деленную на теплопередачу двигателю [латекс]{Q_{\текст{ч}}};[ /латекс], то есть

[латекс] {Эфф \: =} [/ латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {W} {Q _ {\ текст {ч}}}}. [/латекс]

Так как [латекс]{W=Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}}}[/latex] в циклическом процессе, мы также можем выразить это как

[латекс] {Эфф \: =} [/ латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {Q _ {\ текст {ч}} — Q _ {\ текст {с}}} {Q _ {\ текст {ч}}}} [/латекс] [латекс] {= 1-}[/латекс] [латекс] {\ гидроразрыва {Q _ {\ текст {с}}} {Q _ {\ текст {ч}}}} [/латекс] [латекс] \text{(циклический процесс)},[/latex]

разъясняет, что КПД 1, или 100%, возможен только при отсутствии передачи тепла в окружающую среду ([latex]{Q_{\text{c}}=0}[/latex] ). Обратите внимание, что все [латекс]{Q}\текст{s}[/латекс] положительны. Направление теплопередачи указывается знаком плюс или минус. Например, [latex]{Q_{\text{c}}}[/latex] находится вне системы, поэтому ему предшествует знак минус. 96\text{ J}}[/latex] теплопередачи при сгорании, сколько[latex]{\text{CO}_2}[/latex] выделяет в сутки эта электростанция?

Стратегия для (a)

Мы можем использовать [латекс]{W=Q_{\text{h}}-Q_{\text{c}}}[/латекс], чтобы найти результат работы [латекс] {W},[/latex] при условии, что на электростанции используется циклический процесс. В этом процессе вода кипятится под давлением с образованием высокотемпературного пара, который используется для работы паровых турбин-генераторов, а затем конденсируется обратно в воду, чтобы снова запустить цикл. 98\text{ кг CO}_2}.[/latex]

Это 370 000 метрических тонн [латекса]{\text{CO}_2}[/latex], производимого каждый день.

Обсуждение

Если вся выходная мощность преобразуется в электроэнергию в течение одного дня, то средняя выходная мощность составит 1180 МВт (это остается вам решить в конце главы). Это значение примерно соответствует размеру крупной обычной электростанции. Найденный КПД приемлемо близок к значению 42%, данному для угольных электростанций. Это означает, что полностью 590,2% энергии — это передача тепла в окружающую среду, что обычно приводит к нагреванию озер, рек или океана возле электростанции и в целом связано с потеплением планеты. Хотя законы термодинамики ограничивают эффективность таких установок, включая установки, работающие на ядерном топливе, нефти и природном газе, передача тепла в окружающую среду может использоваться и иногда используется для обогрева домов или для промышленных процессов. В целом низкая стоимость энергии не делает более экономичным более эффективное использование отработанного тепла от большинства тепловых двигателей. Электростанции, работающие на угле, производят наибольшее количество [латекс] {\ текст {CO} _2} [/ латекс] на единицу выходной энергии (по сравнению с природным газом или нефтью), что делает уголь наименее эффективным ископаемым топливом.

С информацией, приведенной в Примере 1, мы можем найти такие характеристики, как эффективность тепловой машины, не зная, как работает тепловая машина, но дальнейшее изучение механизма двигателя даст нам более глубокое понимание. На рис. 4 показана работа обычного четырехтактного бензинового двигателя. Четыре показанных шага завершают цикл этой тепловой машины, возвращая смесь бензина и воздуха в исходное состояние.

Цикл Отто показанный на рис. 5(а), используется в четырехтактных двигателях внутреннего сгорания, хотя на самом деле истинные циклы Отто не соответствуют точно тактам двигателя.

Адиабатический процесс AB соответствует почти адиабатическому такту сжатия бензинового двигателя. В обоих случаях над системой (газовой смесью в цилиндре) совершается работа, повышающая ее температуру и давление. По пути BC цикла Отто передача тепла [латекс] {Q_{\text{h}}}[/латекс] в газ происходит при постоянном объеме, вызывая дальнейшее повышение давления и температуры. Этот процесс соответствует сжиганию топлива в двигателе внутреннего сгорания и происходит настолько быстро, что объем почти не меняется. Путь CD в цикле Отто — это адиабатическое расширение, которое действует на внешний мир точно так же, как рабочий ход двигателя внутреннего сгорания действует при его почти адиабатическом расширении. Работа, совершаемая системой на пути CD, больше, чем работа, совершаемая системой на пути AB, потому что давление больше, а значит, есть чистый выход работы. По пути DA в цикле Отто теплообмен [латекс]{Q_{\text{c}}}[/латекс] от газа при постоянном объеме снижает его температуру и давление, возвращая в исходное состояние. В двигателе внутреннего сгорания этот процесс соответствует выпуску горячих газов и впуску воздушно-бензиновой смеси при значительно более низкой температуре. В обоих случаях по этому конечному пути происходит передача тепла в окружающую среду.

Чистая работа, выполненная циклическим процессом, представляет собой площадь внутри замкнутого пути на диаграмме [latex]{PV}[/latex], такой как внутренний путь ABCDA на рис. 5. Обратите внимание, что в каждом вообразимом циклическом процессе это абсолютно необходимо для передачи тепла от системы, чтобы получить чистую выходную мощность. В цикле Отто передача тепла происходит по пути DA. Если теплопередача не происходит, то обратный путь тот же, а чистая работа равна нулю. Чем ниже температура на пути АВ, тем меньшую работу необходимо совершить для сжатия газа. Площадь внутри замкнутого пути тогда больше, поэтому двигатель выполняет больше работы и, следовательно, более эффективен. Точно так же, чем выше температура на пути CD, тем больше выходная мощность. (См. рис. 6.) Таким образом, эффективность зависит от температуры горячего и холодного резервуаров. В следующем разделе мы увидим, каков абсолютный предел эффективности тепловой машины и как он связан с температурой.

Рис. 4. В четырехтактном бензиновом двигателе внутреннего сгорания передача тепла в работу происходит в циклическом процессе, показанном здесь. Поршень соединен с вращающимся коленчатым валом, который выполняет работу над газом в цилиндре. а) Воздух смешивается с топливом во время такта впуска. (b) Во время такта сжатия топливовоздушная смесь быстро сжимается в почти адиабатическом процессе, когда поршень поднимается при закрытых клапанах. Работа совершается на газе. (c) Рабочий такт состоит из двух отдельных частей. Во-первых, топливовоздушная смесь воспламеняется, почти мгновенно преобразовывая химическую потенциальную энергию в тепловую, что приводит к значительному увеличению давления. Затем поршень опускается, и газ работает, оказывая силу на расстоянии в почти адиабатическом процессе. (d) Такт выпуска выпускает горячий газ, чтобы подготовить двигатель к следующему циклу, начиная снова с такта впуска. Рис. 5. PV схема упрощенного цикла Отто, аналогичного используемому в двигателе внутреннего сгорания. Точка А соответствует началу такта сжатия двигателя внутреннего сгорания. Пути AB и CD являются адиабатическими и соответствуют такту сжатия и рабочему такту двигателя внутреннего сгорания соответственно. Траектории BC и DA являются изохорными и приводят к тем же результатам, что и части зажигания и выхлопа-впуска, соответственно, цикла двигателя внутреннего сгорания. Работа совершается газом по пути AB, но больше работы совершается газом по пути CD, так что получается чистая работа. Рис. 6. Этот цикл Отто производит больший объем работы, чем цикл на рисунке, потому что начальная температура пути CD выше, а начальная температура пути AB ниже. Площадь внутри петли больше, что соответствует большему выходу чистой работы.

• Два выражения второго закона термодинамики таковы: (i) теплопередача происходит самопроизвольно от тел с более высокой температурой к телам с более низкой температурой, но никогда самопроизвольно в обратном направлении; и (ii) ни в какой системе теплопередача от резервуара не может полностью преобразовываться в работу в циклическом процессе, при котором система возвращается в исходное состояние.
• Необратимые процессы зависят от пути и не возвращаются в исходное состояние. Циклические процессы — это процессы, которые возвращаются в исходное состояние в конце каждого цикла.
• В циклическом процессе, таком как тепловой двигатель, чистая работа, выполненная системой, равна чистой передаче тепла в систему, или [латекс] {W = Q _ {\ text {h}} — Q _ {\ text {c }}},[/latex], где [latex]{Q_{\text{h}}}[/latex] — теплопередача от горячего объекта (горячего резервуара), а [latex]{Q_{\text{c }}}[/latex] — передача тепла в холодный объект (холодный резервуар).
• Эффективность может быть выражена как [latex]{Eff=\frac{W}{Q_{\text{h}}}},[/latex] отношение объема работы, деленное на количество подводимой энергии.