Как поступить
в Онлайн-школу и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Тепловые машины

02.03.2024
2469
0

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

План урока

  • Общая схема работы тепловых двигателей
  • Коэффициент полезного действия
  • Формула Карно

Цели урока

  • знать общую схему работы теплового двигателя; понятие «коэффициент полезного действия» и формулу для расчёта КПД; формулу Карно
  • уметь объяснять, какие превращения энергии происходят в тепловом двигателе за цикл; находить КПД теплового двигателя

Разминка

  • Что общего в механизмах работы двигателя внутреннего сгорания и газотурбинного двигателя?
  • Известно, что в двигателях внутреннего сгорания в качестве топлива используется бензин. Всё ли полученное от бензина тепло идёт на совершение полезной работы?
  • Что такое коэффициент полезного действия?

Общая схема работы тепловых двигателей

Процесс превращения внутренней энергии в механическую работу, происходящий в любом тепловом двигателе, можно представить с помощью схемы, изображённой на рисунке 1.
 

В начале цикла температура рабочего вещества всегда меньше температуры нагревателя Tн, в результате теплообмена рабочее вещество получает от нагревателя некоторое количество теплоты Qн.

Рис. 1. Схема работы теплового двигателя

Получив тепло, рабочее вещество нагревается и расширяется. Во время рабочего хода рабочее вещество за счёт своей внутренней энергии совершает механическую работу.
 

После завершения рабочего хода двигатель необходимо вернуть в исходное состояние: удалить отработанное рабочее вещество, преодолев силы трения между деталями механизма, и ввести новое рабочее вещество. 

 

Таким образом, часть энергии, полученной от нагревателя, тратится на совершение перечисленных процессов, в результате полезная работа двигателя всегда меньше количества теплоты, которое было получено от нагревателя.


Полезная механическая работа А, совершаемая тепловым двигателем, всегда меньше полной работы, которую совершает рабочее вещество при расширении. 

 

Невозможно превратить всё тепло, полученное от нагревателя, в полезную работу.


Часть тепла, которая не идёт на совершение полезной работы, передаётся холодильнику (теплоприёмнику), температура которого Tх всегда меньше температуры нагревателя Tн. Количество теплоты, отданное холодильнику, обозначается Qх. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является окружающая среда, в паровых турбинах — конденсатор.


В идеальном случае полезная работа теплового двигателя равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя Qн, и количества теплоты, отданного холодильнику QхA = Qн - Qх.


Коэффициент полезного действия

Физическая величина, называемая коэффициент полезного действия (КПД), показывает, какая часть тепловой энергии, полученной от нагревателя, идёт на совершение полезной работы:

 

η = AQн  ·100 %,

 

где η — КПД теплового двигателя, выраженный в процентах;
А [Дж] — полезная работа;
Qн [Дж] — количество теплоты, полученное от нагревателя.


Физическая величина, равная отношению полезной работы А к количеству теплоты, полученному рабочим веществом от нагревателя Qн, называется коэффициент полезного действия (КПД) :

 

η = AQн · 100 %.


Чем больше КПД, тем большая часть энергии нагревателя пошла на совершение полезной работы, тем меньше потери, тем эффективнее двигатель.
 

Так как избежать потерь на трение и на теплообмен с окружающей средой невозможно, коэффициент полезного действия не может быть равен 100 %.

 

Учтём, что в формуле выше Qн — количество теплоты, полученной от нагревателя за время t, А — полезная работа, совершённая за то же время t. Тогда формулу для расчёта КПД будет справедливо записать через мощности:

 

η = NполN · 100 %,

 

где Nпол [Вт] — полезная мощность;
N [Вт] — тепловая мощность, получаемая рабочим веществом.

 

В таблице 1 представлены значения КПД некоторых двигателей.

 

Таблица 1. КПД некоторых двигателей

Тип двигателя

КПД, %

Паровая машина

1

Поршневой паровой двигатель паровоза

8

Карбюраторный двигатель внутреннего сгорания

20–30

Дизельный двигатель внутреннего сгорания

35–40

Газовая турбина

36

Паровая турбина

35–46

Формула Карно

В 1824 г. было доказано, что максимальный КПД не может превышать величину, равную:

 

η = Tн - TхTн · 100 %,

 

где Tн [К] — температура нагревателя в градусах Кельвина;
Tх [К] — температура холодильника в градусах Кельвина.

 

Данная формула названа формулой Карно в честь французского учёного Николы Сади Карно (1796–1832), который её вывел и доказал.
 

Формула Карно показывает, как добиться увеличения КПД: необходимо максимально увеличить температуру нагревателя и одновременно снизить температуру холодильника до минимально возможного значения.


Пример 1

 

Определите максимальный КПД тепловой машины, если температура нагревателя равна 127 ℃, а температура холодильника — 27 ℃.


Решение
 

1. Переведём значения температур нагревателя и холодильника в кельвины:

Tн = 127 °C = 400 К;

Tх=27 °C=300 К.

 

2. Воспользуемся формулой Карно:

 

η = Tн - TхTн = 400 - 300400 = 100400 = 0,25 (25 %).

 

Ответ: η = 25 %.


Итоги

 

  • Полезная механическая работа А, совершаемая тепловым двигателем, всегда меньше полной работы, которую совершает рабочее вещество при расширении. Невозможно превратить всё тепло, полученное от нагревателя, в полезную работу.
  • В идеальном случае полезная работа теплового двигателя равна разности количества теплоты, полученного от нагревателя Qн, и количества теплоты, отданного холодильнику QхA = Qн - Qх.
  • Физическая величина, равная отношению полезной работы А к количеству теплоты, полученному рабочим веществом от нагревателя Qн, называется коэффициентом полезного действия (КПД) η = AQн · 100 %.
  • Максимальный КПД теплового двигателя можно рассчитать по формуле:η = Tн - TхTн · 100 %.


Контрольные вопросы

 

1. Почему невозможно превратить в полезную работу всё тепло, полученное от нагревателя?
2. В чем заключается физический смысл коэффициента полезного действия?
3. Как найти максимальный КПД?


Предыдущий урок
Постоянный электрический ток. Электрический ток. Условия его возникновения. Электрическая цепь. Электрический ток в металлах. Направление электрического тока. Сила тока
Постоянный электрический ток
Следующий урок
Тепловые машины. Поршневые двигатели внутреннего сгорания. Паровые и газовые турбины. Турбореактивные двигатели и реактивные двигатели ракет
Тепловые машины
Урок подготовил(а)
teacher
Андрей Михайлович
Учитель физики
Опыт работы: 12 лет
Поделиться:
  • Распределение температур и осадков

    География

  • Степень с целым показателем и её свойства

    Алгебра

  • The environment. Окружающая среда

    Английский язык

Зарегистрируйся, чтобы присоединиться к обсуждению урока

Добавьте свой отзыв об уроке, войдя на платфому или зарегистрировавшись.

Отзывы об уроке:
Пока никто не оставил отзыв об этом уроке