КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя - формула определения. Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики Тепловой двигатель виды тепловых кпд

Темой текущего урока будет рассмотрение процессов, происходящих во вполне конкретных, а не абстрактных, как в прошлых уроках, устройствах - тепловых двигателях. Мы дадим определение таким машинам, опишем их основные составляющие и принцип действия. Также в ходе этого урока будет рассмотрен вопрос о нахождении КПД - коэффициента полезного действия тепловых машин, как реального, так и максимально возможного.

Тема: Основы термодинамики
Урок: Принцип действия теплового двигателя

Темой прошлого урока был первый закон термодинамики, который задавал связь между некоторым количеством теплоты, которое было передано порции газа, и работой, совершаемой этим газом при расширении. И теперь пришло время сказать, что эта формула вызывает интерес не только при неких теоретических расчётах, но и во вполне практическом применении, ведь работа газа есть не что иное как полезная работа, какую мы извлекаем при использовании тепловых двигателей.

Определение. Тепловой двигатель - устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую работу (рис. 1).

Рис. 1. Различные примеры тепловых двигателей (), ()

Как видно из рисунка, тепловыми двигателями являются любые устройства, работающие по вышеуказанному принципу, и они варьируются от невероятно простых до очень сложных по конструкции.

Все без исключения тепловые двигатели функционально делятся на три составляющие (см. рис. 2):

• Нагреватель
• Рабочее тело
• Холодильник

Рис. 2. Функциональная схема теплового двигателя ()

Нагревателем является процесс сгорания топлива, которое при сгорании передаёт большое количество теплоты газу, нагревая тот до больших температур. Горячий газ, который является рабочим телом, вследствие повышения температуры, а следовательно, и давления, расширяется, совершая работу . Конечно же, так как всегда существует теплопередача с корпусом двигателя, окружающим воздухом и т. д., работа не будет численно равняться переданной теплоте - часть энергии уходит на холодильник, которым, как правило, является окружающая среда.

Проще всего можно представить себе процесс, происходящий в простом цилиндре под подвижным поршнем (например, цилиндр двигателя внутреннего сгорания). Естественно, чтобы двигатель работал и в нём был смысл, процесс должен происходить циклически, а не разово. То есть после каждого расширения газ должен возвращаться в первоначальное положение (рис. 3).

Рис. 3. Пример циклической работы теплового двигателя ()

Для того чтобы газ возвращался в начальное положение, над ним необходимо выполнить некую работу (работа внешних сил). А так как работа газа равна работе над газом с противоположным знаком, для того чтобы за весь цикл газ выполнил суммарно положительную работу (иначе в двигателе не было бы смысла), необходимо, чтобы работа внешних сил была меньше работы газа. То есть график циклического процесса в координатах P-V должен иметь вид: замкнутый контур с обходом по часовой стрелке. При данном условии работа газа (на том участке графика, где объём растёт) больше работы над газом (на том участке, где объём уменьшается) (рис. 4).

Рис. 4. Пример графика процесса, протекающего в тепловом двигателе

Раз мы говорим о некоем механизме, обязательно нужно сказать, каков его КПД.

Определение. КПД (Коэффициент полезного действия) теплового двигателя - отношение полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты, переданной телу от нагревателя.

Если же учесть сохранение энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает - часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на холодильник:

Получаем:

Это выражение для КПД в частях, при необходимости получить значение КПД в процентах необходимо умножить полученное число на 100. КПД в системе измерения СИ - безразмерная величина и, как видно из формулы, не может быть больше одного (или 100).

Следует также сказать, что данное выражение называется реальным КПД или КПД реальной тепловой машины (теплового двигателя). Если же предположить, что нам каким-то образом удастся полностью избавиться от недостатков конструкции двигателя, то мы получим идеальный двигатель, и его КПД будет вычисляться по формуле КПД идеальной тепловой машины. Эту формулу получил французский инженер Сади Карно (рис. 5):

Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом.

Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания.

Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы.

Немного истории

Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку - эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.

Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.

С этого момента началось бурное развитие паровых машин.

Тепловая машина

Превращение топлива в энергию движения частей машин и механизмов используется в тепловых машинах.

Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник.

Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии.

Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%.

Расчет коэффициента полезного действия

Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 .

Исходя из определения, рассчитаем величину КПД:

η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 - Q 2.

Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы:

• КПД не может превышать 1 (или 100%);
• для максимального увеличения этой величины необходимо либо повышение энергии, полученной от нагревателя, либо уменьшение энергии, отданной холодильнику;
• увеличения энергии нагревателя добиваются изменением качества топлива;
• уменьшения энергии, отданной холодильнику, позволяют добиться конструктивные особенности двигателей.

Идеальный тепловой двигатель

Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале - равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы.

Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, - Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно.

КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 - Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%.

Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо.

Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции.

Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины.

Пример решения задач

Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?

T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η - ?

По определению: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 - Т 2), отсюда:

η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.

Ответ: КПД = 46%.

Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя - 400 К?

Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η - ?, T 1 = ?

В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле:

Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины:

η = (T 1 - Т 2)/ T 1 = 1 - Т 2 / T 1.

Выполнив математические преобразования, получим:

Т 1 = Т 2 /(1- η).

Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1).

Вычислим:

η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65.

Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К.

Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К.

Реальные условия

Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно.

В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться.

КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику.

Иные тепловые двигатели

Реальные двигатели работают на иных циклах:

• цикл Отто: процесс при неизменном объеме меняется адиабатным, создавая замкнутый цикл;
• цикл Дизеля: изобара, адиабата, изохора, адиабата;
• процесс, происходящий при постоянном давлении, сменяется адиабатным, замыкает цикл.

Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке.

Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей.

Пути изменения КПД

Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС).

ДВС - наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя.

Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов - основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД.

Значения КПД двигателей

Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа - 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин.

Наибольшее значение внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения - вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива - это проблема, над которой работают лучшие умы человечества.

Издревле люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т.д. Начиная, с 18 века начали появляться машины, преобразовывающие внутреннею энергию топлива в работу. Подобные машины работали, благодаря тепловым двигателям.

Тепловой двигатель – прибор, преобразующий тепловую энергию в механическую работу, за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.

Любые тепловые двигатели имеют составные части:

• Нагревательный элемент . Тело с высокой температурой относительно окружающей среды.
• Рабочее тело. Поскольку работу обеспечивает расширение, данный элемент должен хорошо расширяться. Как правило, используется газ или пар.
• Охладитель . Тело с низкой температурой.

Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В следствии, оно начинает расширяться и совершать работу. Чтобы система могла вновь совершить работу, её нужно вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть излишняя тепловая энергия, как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в изначальное состояние, далее процесс повторяется снова.

Вычисление КПД

Для расчета КПД, введем следующие обозначения:

Q 1 –Количество теплоты получаемое от нагревательного элемента

A’– Работа совершаемая рабочим телом

Q 2 –Количество теплоты полученной рабочим телом от охладителя

В процессе охлаждения, тело передает теплоту, поэтому Q 2 < 0.

Работа такого устройства это циклический процесс. Это означает, что после совершения полного цикла, внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда, по первому закону термодинамики, работа совершаемая рабочим телом будет равна, разности количества теплоты полученного от нагревателя и теплоты полученного от охладителя:

Q 2 – отрицательная величина, поэтому она берется по модулю

КПД выражается как отношение полезной работы к полной работе, которая выполнила система. В данном случае, полная работа будет равно количеству теплоты, которое израсходовано на нагревание рабочего тела. Вся затраченная энергия выражается через Q 1 .

Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.

Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики*, следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Т 1 и холодильником температуры Т 2 , не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

* Карно фактически установил второй закон термодинамики до Клаузиуса и Кельвина, когда еще первый закон термодинамики не был сформулирован строго.

Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по обратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т 1 и Т 2 .

Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) η’ > η. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина - по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5):

Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q 2 = ||

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа

(5.12.12)

Так как по условию η" > η, то А" > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.

Если допустить, что η > η", то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно - по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: η" = η.

Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить η" > η, то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение т|" < г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, или

Это и есть основной результат:

(5.12.13)

Кпд реальных тепловых машин

Формула (5.12.13) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 = 800 К и Т 2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно:

Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели внутреннего сгорания.

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения
, где Т 1 - абсолютная температура нагревателя, а Т 2 - абсолютная температура холодильника.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая техническая задача.

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель , рабочее тело и холодильник .

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Q нагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Q хол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

A = Q нагр – |Q хол|.

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q , то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики . Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию .

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).