З давніх-давен люди намагалися перетворити енергію в механічну роботу. Вони перетворювали кінетичну енергію вітру, потенційну енергію води і т.д. Починаючи, з 18 століття почали з'являтися машини, перетворюють внутрішню енергію палива в роботу. Подібні машини працювали, завдяки тепловим двигунам.
Тепловий двигун - прилад, що перетворює теплову енергію в механічну роботу, за рахунок розширення (найчастіше газів) від високої температури.
Будь-які теплові двигуни мають складові частини:
- Нагріваючий елемент. Тіло з високою температурою щодо навколишнього середовища.
- Робоче тіло.Оскільки роботу забезпечує розширення, даний елемент повинен добре розширюватися. Як правило, використовується газ або пар.
- охолоджувач. Тіло з низькою температурою.
Робоче тіло отримує теплову енергію від нагрівача. У слідстві, воно починає розширюватися і здійснювати роботу. Щоб система могла знову зробити роботу, її потрібно повернути в початковий стан. Тому робоче тіло охолоджується, тобто зайва теплова енергія, як би скидається в охолоджуючий елемент. І система приходить в початковий стан, далі процес повторюється знову.
обчислення ККД
Для розрахунку ККД, введемо такі позначення:
Q 1-Кількість теплоти отримується від нагрівального елементу
A'- Робота здійснюються робочим тілом
Q 2-Кількість теплоти отриманої робочим тілом від охолоджувача
У процесі охолодження, тіло передає теплоту, тому Q 2< 0.
Робота такого пристрою це циклічний процес. Це означає, що після скоєння повного циклу, внутрішня енергія повернеться в початковий стан. Тоді, за першим законом термодинаміки, робота чинена робочим тілом буде дорівнює, різниці кількості теплоти отриманого від нагрівача і теплоти отриманого від охолоджувача:
Q 2 - негативна величина, тому вона береться за модулем
ККД виражається як відношення корисної роботи до повної роботі, яка виконала система. В даному випадку, повна робота буде дорівнює кількості теплоти, яке витрачено на нагрівання робочого тіла. Вся витрачена енергія виражається через Q 1.
Тому коефіцієнт корисної дії визначається як.
Роботу багатьох видів машин характеризує такий важливий показник, як ККД теплового двигуна. Інженери з кожним роком прагнуть створювати більш досконалу техніку, яка при менших давала б максимальний результат від його використання.
Пристрій теплового двигуна
Перш ніж розбиратися в тому, що таке необхідно зрозуміти, як же працює цей механізм. Без знання принципів його дії не можна з'ясувати сутність цього показника. Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює роботу завдяки використанню внутрішньої енергії. Будь-яка теплова машина, що перетворює в механічну, використовує теплове розширення речовин при підвищенні температури. У твердотільних двигунах можливо не тільки зміна обсягу речовини, але і форми тіла. Дія такого двигуна підпорядковане законам термодинаміки.
принцип функціонування
Для того щоб зрозуміти, як же працює тепловий двигун, необхідно розглянути основи його конструкції. Для функціонування приладу необхідні два тіла: гаряче (нагрівач) і холодну (холодильник, охолоджувач). Принцип дії теплових двигунів (ККД теплових двигунів) залежить від їх виду. Найчастіше холодильником виступає конденсатор пари, а нагрівачем - будь-який вид палива, що згорає в топці. ККД ідеального теплового двигуна знаходиться за такою формулою:
ККД = (Тнагрев. - Тхолод.) / Тнагрев. х 100%.
При цьому ККД реального двигуна ніколи не зможе перевищити значення, отриманого згідно з цією формулою. Також цей показник ніколи не перевищить вищезгаданого значення. Щоб підвищити ККД, найчастіше збільшують температуру нагрівача і зменшують температуру холодильника. Обидва ці процесу будуть обмежені реальними умовами роботи обладнання.
При функціонуванні теплового двигуна відбувається робота, у міру якої газ починає втрачати енергію і охолоджується до якоїсь температури. Остання, як правило, на кілька градусів вище навколишньої атмосфери. Це температура холодильника. Таке спеціальне пристрій призначений для охолодження з подальшою конденсацією відпрацьованої пари. Там, де є конденсатори, температура холодильника іноді нижче температури навколишнього середовища.
В тепловому двигуні тіло при нагріванні і розширенні не здатна віддати всю свою внутрішню енергію для здійснення роботи. Якась частина теплоти буде передана холодильника разом з або парою. Ця частина теплової неминуче втрачається. Робоче тіло при згорянні палива отримує від нагрівача певну кількість теплоти Q 1. При цьому воно ще робить роботу A, в ході якої передає холодильнику частина теплової енергії: Q 2 ККД характеризує ефективність двигуна в сфері перетворення і передачі енергії. Цей показник часто вимірюється у відсотках. Формула ККД: η * A / Qx100%, де Q - витрачена енергія, А - корисна робота. Виходячи із закону збереження енергії, можна зробити висновок, що ККД буде завжди менше одиниці. Іншими словами, корисної роботи ніколи не буде більше, ніж на неї витрачено енергії. ККД двигуна - це відношення корисної роботи до енергії, повідомленої нагрівачем. Його можна представити у вигляді такої формули: η = (Q 1 -Q 2) / Q 1, де Q 1 - теплота, отримана від нагрівача, а Q 2 - віддана холодильнику. Робота, що здійснюється тепловим двигуном, розраховується за такою формулою: A = | Q H | - | Q X |, де А - робота, Q H - кількість теплоти, що отримується від нагрівача, Q X - кількість теплоти, що віддається охолоджувача. | Q H | - | Q X |) / | Q H | = 1 - | Q X | / | Q H | Він дорівнює відношенню роботи, яку здійснює двигун, до кількості отриманої теплоти. Частина теплової енергії при цій передачі втрачається. Максимальна ККД теплового двигуна зазначається у приладу Карно. Це обумовлено тим, що в зазначеній системі він залежить тільки від абсолютної температури нагрівача (Тн) і охолоджувача (Тх). ККД теплового двигуна, що працює за визначається за такою формулою: (Тн - Тх) / Тн = - Тх - Т н. Закони термодинаміки дозволили вирахувати максимальний ККД, який можливий. Вперше цей показник обчислив французький вчений і інженер Саді Карно. Він придумав теплову машину, яка функціонувала на ідеальному газу. Вона працює за циклом з 2 ізотерм і 2 адіабат. Принцип її роботи доволі простий: до посудини з газом підводять контакт нагрівача, внаслідок чого робоче тіло розширюється ізотермічні. При цьому воно функціонує і отримує певну кількість теплоти. Після посудину теплоизолируют. Незважаючи на це, газ продовжує розширюватися, але вже адіабатно (без теплообміну з навколишнім середовищем). В цей час його температура знижується до показників холодильника. У цей момент газ контактує з холодильником, внаслідок чого віддає йому певну кількість теплоти при ізометричному стисненні. Потім посудину знову теплоизолируют. При цьому газ адіабатно стискається до початкового об'єму і стану. В наш час існує багато типів теплових двигунів, які працюють за різними принципами і на різному паливі. У всіх у них свій ККД. До них належать такі: Двигун внутрішнього згоряння (поршневий), що представляє собою механізм, де частина хімічної енергії палива, що згорає переходить в механічну енергію. Такі прилади можуть бути газовими і рідинними. Розрізняють 2 і 4-тактний двигун. У них може бути робочий цикл безперервної дії. За методом приготування суміші палива такі двигуни бувають карбюраторними (із зовнішнім сумішоутворенням) і дизельними (з внутрішнім). За видами перетворювача енергії їх поділяють на поршневі, реактивні, турбінні, комбіновані. ККД таких машин не перевищує показника в 0,5. Двигун Стірлінга - прилад, в якому робоче тіло знаходиться в замкнутому просторі. Він є різновидом двигуна зовнішнього згоряння. Принцип його дії заснований на періодичному охолодженні / нагріванні тіла з отриманням енергії внаслідок зміни його обсягу. Це один з найбільш ефективних двигунів. Турбінний (роторний) двигун із зовнішнім згорянням палива. Такі установки найчастіше зустрічаються на теплових електричних станціях. Турбінний (роторний) ДВС використовується на теплових електростанціях в піковому режимі. Не так сильно поширений, як інші. Турбіновінтовой двигун за рахунок гвинта створює деяку частину тяги. Решту він отримує за рахунок вихлопних газів. Його конструкція являє собою роторний двигун на вал якого насаджують повітряний гвинт. Ракетні, турбореактивні, які отримують тягу за рахунок віддачі вихлопних газів. Твердотільні двигуни використовують в якості палива тверде тіло. При роботі змінюється його обсяг, а форма. При експлуатації обладнання використовується гранично малий перепад температури. Чи можливо підвищення ККД теплового двигуна? Відповідь потрібно шукати в термодинаміки. Вона вивчає взаємні перетворення різних видів енергії. Встановлено, що не можна всю наявну механічну і т. П. При цьому перетворення їх в теплову відбувається без будь-яких обмежень. Це можливо через те, що природа теплової енергії заснована на неврегульованих (хаотичному) русі частинок. Чим сильніше розігрівається тіло, тим швидше будуть рухатися складові його молекули. Рух частинок стане ще більш безладним. Поряд з цим все знають, що порядок можна легко перетворити в хаос, який дуже важко впорядкувати. У теоретичній моделі теплового двигуна розглядаються три тіла: нагрівач, робоче тілоі холодильник. Нагрівач - тепловий резервуар (велике тіло), температура якого постійна. У кожному циклі роботи двигуна робоче тіло отримує деяку кількість теплоти від нагрівача, розширюється і здійснює механічну роботу. Передача частини енергії, отриманої від нагрівача, холодильника необхідна для повернення робочого тіла в початковий стан. Так як в моделі передбачається, що температура нагрівача і холодильника не змінюється в ході роботи теплового двигуна, то при завершенні циклу: нагрівання-розширення-охолодження-стиснення робочого тіла вважається, що машина повертається в початковий стан. Для кожного циклу на підставі першого закону термодинаміки можна записати, що кількість теплоти Qнагр, отримана від нагрівача, кількість теплоти | Qхол |, віддане холодильника, і досконала робочим тілом робота Апов'язані між собою співвідношенням: A = Qнагр - | Qхол |. У реальних технічних пристроях, які називаються тепловими машинами, робоче тіло нагрівається за рахунок тепла, що виділяється при згорянні палива. Так, в паровій турбіні електростанції нагрівачем є топка з гарячим вугіллям. У двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ) продукти згоряння можна вважати нагрівачем, а надлишок повітря - робочим тілом. Як холодильника в них використовується повітря атмосфери або вода природних джерел. Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна (ККД)називається відношення роботи, яку здійснюють двигуном, до кількості теплоти, отриманого від нагрівача: Коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менше одиниці і виражається у відсотках. Неможливість перетворення усієї кількості теплоти, отриманого від нагрівача, в механічну роботу є платою за необхідність організації циклічного процесу і випливає з другого закону термодинаміки. У реальних теплових двигунах ККД визначають по експериментальній механічної потужності Nдвигуна і спалює за одиницю часу кількості палива. Так, якщо за час tспалено паливо масою mі питомою теплотою згоряння q, то Для транспортних засобів довідкової характеристикою часто є обсяг Vпалива, що спалюється на шляху sпри механічної потужності двигуна Nі при швидкості. У цьому випадку, з огляду на щільність r палива, можна записати формулу для розрахунку ККД: Існує кілька формулювань другого закону термодинаміки. Одна з них свідчить, що неможливий теплової двигун, який здійснював би роботу тільки за рахунок джерела теплоти, тобто без холодильника. Світовий океан міг би служити для нього, практично, невичерпним джерелом внутрішньої енергії (Вільгельм Оствальд, 1901). Інші формулювання другого закону термодинаміки еквівалентні даній. формулювання Клаузіуса(1850): неможливий процес, при якому тепло мимовільно переходило б від тел менш нагрітих до тіл більш нагрітих. формулювання Томсона(1851): неможливий круговий процес, єдиним результатом якого було б виробництво роботи за рахунок зменшення внутрішньої енергії теплового резервуара. формулювання Клаузіуса(1865): все мимовільні процеси в замкнутій нерівноважної системі відбуваються в такому напрямку, при якому ентропія системи зростає; в стані теплової рівноваги вона максимальна і постійна. формулювання Больцмана(1 877): замкнута система багатьох частинок мимоволі переходить з більш упорядкованого стану в менш впорядковане. Неможливий мимовільний вихід системи з положення рівноваги. Больцман ввів кількісну міру безладу в системі, що складається з багатьох тіл - ентропію. Якщо задана модель робочого тіла в тепловому двигуні (наприклад, ідеальний газ), то можна розрахувати зміна термодинамічних параметрів робочого тіла в ході розширення і стиснення. Це дозволяє обчислити ККД теплового двигуна на підставі законів термодинаміки. На малюнку показані цикли, для яких можна розрахувати ККД, якщо робочим тілом є ідеальний газ і задані параметри в точках переходу одного термодинамічної процесу в інший. Ізобарно-ізохорний Ізохорно-Адіабатний Ізобарно-Адіабатний Ізобарно-ізохорно-ізотермічний Ізобарно-ізохорно-лінійний Найбільшим ККД при заданих температурах нагрівача Tнагр і холодильника Tхол володіє теплової двигун, де робоче тіло розширюється і стискається по циклу Карно(Рис. 2), графік якого складається з двох ізотерм (2-3 і 4-1) і двох адіабати (3-4 і 1-2). теорема Карнодоводить, що ККД такого двигуна не залежить від використовуваного робочого тіла, тому його можна обчислити, використовуючи співвідношення термодинаміки для ідеального газу: Інтенсивне використання теплових машин на транспорті і в енергетиці (теплові та атомні електростанції) відчутно впливає на біосферу Землі. Хоча про механізми впливу життєдіяльності людини на клімат Землі йдуть наукові суперечки, багато вчених відзначають чинники, завдяки яким може відбуватися такий вплив: Вихід з створюється екологічної кризи лежить в підвищенні ККД теплових двигунів (ККД сучасних теплових машин рідко перевищує 30%); використанні справних двигунів і нейтралізаторів шкідливих вихлопних газів; використанні альтернативних джерел енергії (сонячні батареї і обігрівачі) і альтернативних засобів транспорту (велосипеди та ін.). ККД теплового двигуна.Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюються двигуном, дорівнює: де - теплота, отримана від нагрівача, - теплота, віддана холодильнику. Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи здійснюють двигуном, до кількості теплоти отриманого від нагрівача: Так як у всіх двигунів деяку кількість теплоти передається холодильника, то у всіх випадках Максимальне значення ККД теплових двигунів.Французький інженер і вчений Сади Карно (1796 1832) у праці «Роздуми про рушійну силу вогню» (1824) поставив за мету: з'ясувати, за яких умов робота теплового двигуна буде найбільш ефективною, т. Е. За яких умов двигун буде мати максимальний ККД. Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він вирахував ККД цієї машини, що працює з нагрівачем температури і холодильником температури Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, спираючись на другий закон термодинаміки, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем температури і холодильником температури не може мати коефіцієнт корисної дії, що перевищує ККД ідеальної теплової машини. Формула (4.18) дає теоретичну межу для максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніше, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише при температурі холодильника, рівній абсолютному нулю, Але температура холодильника практично не може бути набагато нижче температури навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцних. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а при досить високій температурі плавиться. Зараз основні зусилля інженерів спрямовані на підвищення ККД двигунів за рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння і т. Д. Реальні можливості для підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові і кінцеві температури пара приблизно такі: При цих температурах максимальне значення ККД одно: Дійсне ж значення ККД через різного роду енергетичних втрат одно: Підвищення ККД теплових двигунів, наближення його до максимально можливого - найважливіша технічна задача. Теплові двигуни і охорона природи.Повсюдне застосування теплових двигунів з метою одержання зручної для використання енергії в найбільшою мірою, порівняно з усіма іншими видами виробничих процесів, пов'язане з впливом на навколишнє середовище. Згідно з другим законом термодинаміки виробництво електричної і механічної енергії в принципі не може бути здійснено без відведення в навколишнє середовище значних кількостей теплоти. Це не може не призводити до поступового підвищення середньої температури на Землі. Зараз споживана потужність становить 1010 кВт. Коли ця потужність досягне то середня температура підвищиться помітним чином (приблизно на один градус). Подальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня світового океану. Але цим далеко не вичерпуються негативні наслідки застосування теплових двигунів. Топки теплових електростанцій, двигуни внутрішнього згоряння автомобілів і т. Д. Безперервно викидають в атмосферу шкідливі для рослин, тварин і людини речовини: сірчисті з'єднання (при згорянні кам'яного вугілля), оксиди азоту, вуглеводні, оксид вуглецю (СО) і ін. Особливу небезпеку в цьому відношенні представляють автомобілі, число яких загрозливо зростає, а очищення відпрацьованих газів утруднена. На атомних електростанціях встає проблема захоронення шкідливих радіоактивних відходів. Крім того, застосування парових турбін на електростанціях вимагає великих площ під ставки для охолодження відпрацьованого пара Зі збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді. У 1980 р в нашій країні для цих цілей було потрібно близько води, т. Е. Близько 35% водопостачання всіх галузей господарства. Все це ставить ряд серйозних проблем перед суспільством. Поряд з найважливішим завданням підвищення ККД теплових двигунів потрібно проводити ряд заходів з охорони навколишнього середовища. Необхідно підвищувати ефективність споруджень, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин; домагатися більш повного згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже зараз не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом СО у відпрацьованих газах. Обговорюється можливість створення електромобілів, здатних конкурувати зі звичайними, і можливість застосування пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах, наприклад у двигунах, що працюють на суміші водню з киснем. Доцільно для економії площі та водних ресурсів споруджувати цілі комплекси електростанцій, в першу чергу атомних, із замкнутим циклом водопостачання. Інший напрямок прикладених зусиль - це збільшення ефективності використання енергії, боротьба за її економію. Рішення перерахованих вище проблем життєво важливо для людства. І ці проблеми з максимальним успіхом можуть бути вирішені в соціалістичному суспільстві з плановим розвитком економіки в масштабах країни. Але організація охорони навколишнього середовища вимагає зусиль в масштабі земної кулі. 1. Які процеси називаються незворотними? 2. Назвіть найбільш типові незворотні процеси. 3. Наведіть приклади незворотних процесів, які не згаданих в тексті. 4. Сформулюйте другий закон термодинаміки. 5. Якби річки потекли назад, означало б це порушення закону збереження енергії? 6. Який пристрій називають тепловим двигуном? 7. Яка роль нагрівача, холодильника і робочого тіла теплового двигуна? 8. Чому в теплових двигунах можна використовувати в якості джерела енергії внутрішню енергію океану? 9. Що називається коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна? 10. Чому дорівнює максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна? Сучасні реалії припускають широку експлуатацію теплових двигунів. Численні спроби заміни їх на електродвигуни поки зазнають невдачі. Проблеми, пов'язані з накопиченням електроенергії в автономних системах, вирішуються з великими труднощами. Все ще актуальні проблеми технології виготовлення акумуляторів електроенергії з урахуванням їх тривалого використання. Швидкісні характеристики електромобілів далекі від таких у авто на двигунах внутрішнього згоряння. Перші кроки по створенню гібридних двигунів дозволяють істотно зменшити шкідливі викиди в мегаполісах, вирішуючи екологічні проблеми. Можливість перетворення енергії пара в енергію руху була відома ще в давнину. 130 рік до нашої ери: Філософ Герон Олександрійський представив на суд глядачів парову іграшку - еоліпіл. Сфера, заповнена парою, приходила в обертання під дією що виходять з неї струменів. Цей прототип сучасних парових турбін в ті часи не знайшов застосування. Довгі роки і століття розробки філософа вважалися лише забавною іграшкою. В 1629 році італієць Д. Бранко створив активну турбіну. Пара пускала в рух диск, забезпечений лопатками. З цього моменту почався бурхливий розвиток парових машин. Перетворення палива в енергію руху частин машин і механізмів використовується в теплових машинах. Основні частини машин: нагрівач (система отримання енергії ззовні), робоче тіло (здійснює корисну дію), холодильник. Нагрівач призначений для того, щоб робоче тіло накопичило достатній запас внутрішньої енергії для здійснення корисної роботи. Холодильник відводить надлишки енергії. Основною характеристикою ефективності називають ККД теплових машин. Ця величина показує, яка частина витраченої на нагрівання енергії витрачається на вчинення корисної роботи. Чим вище ККД, тим вигідніше робота машини, але ця величина не може перевищувати 100%. Нехай нагрівач придбав ззовні енергію, рівну Q 1. Робоче тіло вчинила роботу A, при цьому енергія, віддана холодильнику, склала Q 2. Виходячи з визначення, розрахуємо величину ККД: η = A / Q 1. Врахуємо, що А = Q 1 - Q 2. Звідси ККД теплової машини, формула якого має вигляд η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, дозволяє зробити наступні висновки: Чи можливе створення такого двигуна, коефіцієнт корисної дії якого був би максимальним (в ідеалі - рівним 100%)? Знайти відповідь на це питання спробував французький фізик-теоретик і талановитий інженер Саді Карно. У 1824 його теоретичні викладки про процеси, що протікають в газах, були оприлюднені. Основною ідеєю, закладеної в ідеальній машині, можна вважати проведення оборотних процесів з ідеальним газом. Починаємо з розширення газу ізотермічні при температурі T 1. Кількість теплоти, необхідної для цього, - Q 1. Після газ без теплообміну розширюється Досягнувши температури Т 2, газ стискається ізотермічні, передаючи холодильника енергію Q 2. Повернення газу в первісний стан виробляється адіабатно. ККД ідеального теплового двигуна Карно при точному розрахунку дорівнює відношенню різниці температур нагрівального і охолоджуючого пристроїв до температури, яку має нагрівач. Виглядає це так: η = (T 1 - Т 2) / T 1. Можливий ККД теплової машини, формула якого має вигляд: η = 1 - Т 2 / T 1, залежить тільки від значення температур нагрівача і охолоджувача і не може бути більше 100%. Більш того, це співвідношення дозволяє довести, що ККД теплових машин може бути дорівнює одиниці тільки при досягненні холодильником температур. Як відомо, це значення недосяжно. Теоретичні викладки Карно дозволяють визначити максимальний ККД теплової машини будь-якої конструкції. Доведена Карно теорема звучить наступний чином. Довільна теплова машина ні за яких умов не здатна мати коефіцієнт корисної дії більше аналогічного значення ККД ідеальної теплової машини. Приклад 1. Який ККД ідеальної теплової машини, в разі якщо температура нагрівача становить 800 о С, а температура холодильника на 500 о С нижче? T 1 = 800 о С = 1 073 К, ΔT = 500 о С = 500 К, η -? За визначенням: η = (T 1 - Т 2) / T 1. Нам не дана температура холодильника, але ΔT = (T 1 - Т 2), звідси: η = ΔT / T 1 = 500 К / 1 073 К = 0,46. Відповідь: ККД = 46%. Приклад 2. Визначте ККД ідеальної теплової машини, якщо за рахунок придбаного одного кілоджоулі енергії нагрівача відбувається корисна робота 650 Дж. Яка температура нагрівача теплової машини, якщо температура охолоджувача - 400 К? Q 1 = 1 кДж = 1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η -?, T 1 =? У цьому завданню йдеться про тепловий установці, ККД якої можна обчислити за формулою: Для визначення температури нагрівача скористаємося формулою ККД ідеальної теплової машини: η = (T 1 - Т 2) / T 1 = 1 - Т 2 / T 1. Виконавши математичні перетворення, отримаємо: Т 1 = Т 2 / (1 η). Т 1 = Т 2 / (1 A / Q 1). обчислимо: η = 650 Дж / 1000 Дж = 0,65. Т 1 = 400 К / (1 650 Дж / 1000 Дж) = 1142,8 К. Відповідь: η = 65%, Т 1 = 1142,8 К. Ідеальний тепловий двигун розроблений з урахуванням ідеальних процесів. Робота відбувається тільки в ізотермічних процесах, її величина визначається як площа, обмежена графіком циклу Карно. Насправді створити умови для протікання процесу зміни стану газу без супроводжуючих його змін температури неможливо. Немає таких матеріалів, які виключили б теплообмін з навколишніми предметами. Адіабатний процес здійснити стає неможливо. У разі теплообміну температура газу обов'язково повинна змінюватися. ККД теплових машин, створених в реальних умовах, значно відрізняються від ККД ідеальних двигунів. Зауважимо, що протікання процесів в реальних двигунах відбувається настільки швидко, що варіювання внутрішньої теплової енергії робочої речовини в процесі зміни його обсягу не може бути скомпенсировано припливом кількості теплоти від нагрівача і віддачею холодильника. Реальні двигуни працюють на інших циклах: Створити рівноважні процеси в реальних двигунах (щоб наблизити їх до ідеальних) в умовах сучасної технології не представляється можливим. ККД теплових машин значно нижче, навіть з урахуванням тих же температурних режимів, що і в ідеальної теплової установці. Але не варто применшувати роль розрахункової формули ККД оскільки саме вона стає точкою відліку в процесі роботи над підвищенням ККД реальних двигунів. Проводячи порівняння ідеальних і реальних теплових двигунів, варто відзначити, що температура холодильника останніх не може бути будь-хто. Зазвичай холодильником вважають атмосферу. Прийняти температуру атмосфери можна тільки в наближених розрахунках. Досвід показує, що температура охолоджувача дорівнює температурі відпрацьованих в двигунах газів, як це відбувається в двигунах внутрішнього згоряння (скорочено ДВС). ДВС - найбільш поширена в нашому світі теплова машина. ККД теплової машини в цьому випадку залежить від температури, створеної згорає паливом. Істотною відмінністю ДВС від парових машин є злиття функцій нагрівача і робочого тіла пристрою в повітряно-паливної суміші. Згораючи, суміш створює тиск на рухомі частини двигуна. Підвищення температури робочих газів досягають, істотно змінюючи властивості палива. На жаль, необмежено це робити неможливо. Будь-який матеріал, з якого виготовлена камера згоряння двигуна, має свою температуру плавлення. Теплостійкість таких матеріалів - основна характеристика двигуна, а також можливість істотно вплинути на ККД. Якщо розглянути температура робочого пара на вході якої дорівнює 800 К, а відпрацьованого газу - 300 К, то ККД цієї машини одно 62%. Насправді ж ця величина не перевищує 40%. Таке зниження виникає внаслідок теплових втрат при нагріванні корпуса турбін. Найбільше значення внутрішнього згоряння не перевищує 44%. Підвищення цього значення - питання недалекого майбутнього. Зміна властивостей матеріалів, палива - це проблема, над якою працюють кращі уми людства.Робота теплового двигуна
двигун Карно
різновиди
Інші види теплових двигунів
Як можна підвищити ККД
ККД теплового двигуна (машини)
Другий закон термодинаміки
ККД теплового двигуна з ідеальним газом як робоче тіло
Цикл Карно. ККД ідеального теплового двигуна
Екологічні наслідки роботи теплових двигунів
Трішки історії
теплова машина
Розрахунок коефіцієнта корисної дії
Ідеальний тепловий двигун
Приклад вирішення завдань
реальні умови
Інші теплові двигуни
Шляхи зміни ККД
Значення ККД двигунів
