Конспект на тему "КПД тепловых двигателей"
план-конспект урока по физике

Принцип действия и КПД тепловых двигателей

Глоссарий по теме:

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело - тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар).

Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика – это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии топлива. Запасы топлива в недрах Земли и океанах можно считать практически неограниченными. Для того чтобы использовать его внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счет этой энергии совершать механическую работу.

Устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем. Именно двигатели приводят в движение станки на фабриках и заводах, транспортные средства, комбайны и другие машины, вращают роторы генераторов электрического тока. Основная часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели.

Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель. Все они имеют различия в конструкции и некоторые особенности работы, но принципы их действия одинаковы.

 В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию, следовательно, необходимо иметь систему, за счет внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя.

Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твердые тела, поэтому в качестве рабочего тела используют газ или пар. В паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания – газ, состоящий из смеси бензина и воздуха.

Поскольку работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела, то для её увеличения рабочее тело нужно нагреть до некоторой температуры Т1. Для этого в состав двигателя входит нагреватель.

В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. В паровой турбине нагреватель - это самостоятельное устройство – паровой котел. В нем пар нагревается за счет энергии сгорающего топлива.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры T2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. В двигателях внутреннего сгорания холодильником является атмосфера, в паровой турбине – специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара конденсаторы. Конденсаторы понижают температуру газа гораздо сильнее, чем атмосфера.

Следовательно, только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, превращается в полезную работу. Часть теплоты неизбежно передается холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется.

Тепловой двигатель совершает работу за счет внутренней энергии рабочего тела. Причем в этом процессе происходит передача теплоты от более горячего нагревателя к более холодному холодильнику.

Так как тепло не может возвращаться от холодильника к нагревателю, то часть внутренней энергии теряется и не может превратиться в полезную работу. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна разности количества теплоты, полученное от нагревателя, и количества теплоты, отданное холодильнику.

Коэффициентом полезного действия или сокращенно КПД теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной 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 (ссылка):

То есть КПД идеального двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника.

https://www.youtube.com/watch?v=95XLXLqkcyI&feature=emb_logo

Сейчас, разрабатывая новые двигатели, инженеры основные усилия направляют на повышение коэффициента полезного действия тепловых двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива из-за его неполного сгорания. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Тепловые двигатели могут совершать работу благодаря разности давлений газа на поверхностях поршней или лопастей турбины. Эта разность давлений создается с помощью разности температур. Максимально возможный коэффициент полезного действия тепловых двигателей равен отношению этой разности температур к абсолютной температуре нагревателя. Тепловой двигатель не может работать без холодильника, роль которого чаще всего играет атмосфера.