коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Физика. 10 класс

Конспект урока

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

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).

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

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

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула 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 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.

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

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Учитывая всё это, мы можем записать:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Время работы двигателя можно найти по формуле:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем.

Подставим числовые значения величин:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем= коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем– это количество теплоты, отданное холодильнику

Источник

Коэффициент полезного действия (КПД)

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

КПД: понятие коэффициента полезного действия

Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.

В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.

По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.

Вычисляется по формуле:

Формула КПД

η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа [Дж]

Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман. Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору. То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.

Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.

Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.

Потенциальная энергия

Еп = mg

Еп — потенциальная энергия [Дж]

g — ускорение свободного падения [м/с^2]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с^2

Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

КПД в механике

Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.

η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа [Дж]

Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются.

Давайте разберемся на примере задачи.

Задача

Чтобы вкатить санки массой 4 кг в горку длиной 12 метров, мальчик приложил силу в 15 Н. Высота горки равна 2 м. Найти КПД этого процесса. Ускорение свободного падения принять равным g ≃9,8 м/с^2

Запишем формулу КПД.

η = (Aполезная/Aзатраченная) * 100%

Теперь задаем два главных вопроса:

Ради чего все это затеяли?

Чтобы санки в горку поднять — то есть ради приобретения телом потенциальной энергии. Значит в данном процессе полезная работа равна потенциальной энергии санок.

Потенциальная энергия

Еп = mgh

Еп — потенциальная энергия [Дж]

g — ускорение свободного падения [м/с^2]

На планете Земля g ≃9,8 м/с^2

За счет чего процесс происходит?

За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:

η = Eп/A * 100% = mgh/FS * 100%

η = 4*9,8*2/15*12 * 100% = 78,4/180 * 100% ≃ 43,6 %

Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6 %

КПД в термодинамике

В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.

Схема теплового двигателя выглядит так:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q1 или Qнагревателя (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).

Оставшееся количество теплоты Q2 или Qхолодильника отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.

КПД такой тепловой машины будет равен:

КПД тепловой машины

η = (Aполезная/Qнагревателя) * 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа (механическая) [Дж]

Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]

Если мы выразим полезную (механическую) работу через Qнагревателя и Qхолодильника, мы получим:

A = Qнагревателя — Qхолодильника.

Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.

КПД тепловой машины

η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]

Qхолодильника — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]

А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела?

Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя.

Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.

Запишем его, чтобы не забыть:

Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.

Задача

Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.

Решение:

Возьмем формулу для расчета КПД:

η = Qнагревателя — Qхолодильника/Qнагревателя * 100%

η = 20 — 10/20 *100% = 50%

Ответ: КПД тепловой машины равен 50%

Идеальная тепловая машина: цикл Карно

Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.

На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.

КПД цикла Карно

η = Tнагревателя — Tхолодильника /Tнагревателя *100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Tнагревателя — температура нагревателя[Дж]

Tхолодильника — температура холодильника [Дж]

КПД в электродинамике

Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.

η = Aполезная/Aзатраченная *100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа [Дж]

Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.

Задачка, чтобы разобраться

Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.

Решение:

Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно 😉

Количество теплоты, затраченное на нагревание

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг*˚C]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

Работает чайник, потому что в розетку подключен. Затраченная работа в данном случае — это работа электрического тока.

Работа электрического тока

A = (I^2)*Rt = (U^2)/R *t = UIt

A — работа электрического тока [Дж]

R — сопротивление [Ом]

То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:

η = Q/A *100% = Q/UIt *100%

Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь намм известны все значения, поэтому подставим их:

η = 22176/220*1,4*120 *100% = 60%

Ответ: КПД чайника равен 60%.

Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:

Работа электрического тока

A — работа электрического тока [Дж]

Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.

η = Pполезная/Pзатраченная *100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Pполезная — полезная мощность [Дж]

Pзатраченная — затраченная мощность [Дж]

Источник

Физика. 10 класс

Конспект урока

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

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).

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

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

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула 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 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.

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

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Учитывая всё это, мы можем записать:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Время работы двигателя можно найти по формуле:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем.

Подставим числовые значения величин:

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем= коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем

коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Смотреть картинку коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Картинка про коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем. Фото коэффициент полезного действия тепловой машины тем выше чем– это количество теплоты, отданное холодильнику

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *