Как найти кпд кислорода

В связи с большим практическим прорывом в этой области и появлением множества работающих устройств по расщеплению воды с коэффициентом полезного действия больше единицы, (КПД>100%) мы решили прояснить некоторые моменты для сомневающихся и просто для тех, кто решил заняться практикой и начал сборку подобных устройств. 

Начнем с того, что все расчеты и цифры приведены для нормальных условий, то есть для среднего давления и комнатной температуры. Мы не будем утомлять Вас сложными формулами, а приведем лишь полезные цифры и информацию, которые помогут на практике.

При расщеплении воды может вырабатываться как отдельно кислород и водород, так и их смесь, называемая газом Брауна или гремучим газом (в народе и на СЕ слэнге «гремучка»). В любом случае топливом является только водород и именно его нужно считать и учитывать.

Основным параметром любого топлива, в том числе и водорода, является его теплотворная способность или удельная теплота сгорания топлива, которые показывают сколько джоулей тепловой энергии будет выделено при сгорании определенного веса или объема вещества. Так как водород —  это газ, то нам для расчетов будет удобнее использовать количество Джоулей, выделяемых при сжигании одного литра водорода. То есть Дж/л.  Из справочников мы возьмем минимальное усредненное значение, которое равно 10 800 кДж/м3, что в нашем случае составляет  10800 Дж/л. Теперь нам придется вспомнить, каким образом эти цифры можно сопоставить с привычными нам при расчете энергии. За основу давайте возьмем электричество и соответственно его единицы измерения киловатт часы. Тут все просто, 1 ватт мощности это один Джоуль выделяемый за  секунду. Отсюда мы без труда выводим следующие цифры, которые пригодятся всем практикам в дальнейшем

— 1 киловатт час электроэнергии это 1 Джоуль * 1000 * 3600 = 3,6 Мега Джоуля или 3,6МДж.

— 1 литр водорода при сжигании выделяет в пересчете на электроэнергию 0,003кВт*часа = 3Ватт часа энергии.

— При КПД приблизительно равном 100%, установка потребляющая мощность 1кВт должна вырабатывать 333,(3) литра водорода в час.

— При КПД приблизительно равном 100% установка потребляющая мощность 1кВт, должна вырабатывать 5,(5) литра водорода в минуту.

Дальше все просто! Имея эти цифры мы без труда можем рассчитать КПД любой установки.

Возьмем для примера классические, продаваемые ныне водородные сварки, которые при потреблении 1,8кВт часа электроэнергии, вырабатывают около 6 литров водорода в минуту. Отсюда следует, что работают они с КПД приблизительно равным 60%. Считается это так: мы знаем, что однокиловаттная  установка вырабатывает 5,(5) литра водорода в минуту, а у нас потребление 1,8кВт, значит нам нужно 5,(5) умножить на 1.8, получаем 10. То есть мы выяснили, что для работы со стопроцентным КПД данная установка должна вырабатывать 10 литров водорода, а нам известно со слов производителя, что вырабатывает она максимум 6, значит нам остается только 6 разделить на 10 и умножить на 100%, отсюда и получена цифра в 60%.

С водородом мы разобрались и по-моему тут все просто, теперь давайте сделаем то же самое для газа Брауна или «гремучки». Так как газ Брауна содержит в себе две части водорода и одну часть кислорода, а топливом является только водород, то все наши полученные выше цифры необходимо умножить приблизительно на две третьих (2/3). Отсюда мы получаем:

— 1 литр газа Брауна при сжигании выделяет в пересчете на электроэнергию 0,002кВт*часа = 2Ватт часа энергии.

— При КПД приблизительно равном 100%, установка потребляющая мощность в 1кВт должна вырабатывать 500 литров газа Брауна в час.

— При КПД приблизительно равном 100% установка потребляющая мощность в 1кВт, должна вырабатывать 8,(3) литра газа Брауна в минуту.

Вот и все основные цифры, которые могут понадобиться для приблизительной теоретической оценки вырабатываемого электролизерами газа и его эффективности. Следует также еще раз особо отметить, что цифры даны минимальные и относятся они только к сугубо теоретическим аспектам, которые далеко не всегда подтверждаются на практике. . К ним смело можно прибавить 10%.

Рассмотрим один из недавних примеров, достоверность которого нам известна доподлинно, равно как и все приведенные ниже цифры.

Мы уже публиковали по нему несколько статей и видео, а по последним опытам можем только лишь добавить, что в настоящий момент прототип генератора при потребление от сети тока в девять ампер, вырабатывает в минуту 24 литра газа Брауна. По расчетам получается следующее:

9*220=1,98кВт, таким образом получается, что при 100% КПД выработка газа должна быть 1,98*8,3=16 литров в минуту, а при реальных 24-х литрах установка по всем теоретическим расчетам работает с КПД превышающим 150%, что само по себе не может не радовать. Но все дело в том, что на практике этот КПД еще в несколько раз выше. Рассмотрим еще один вполне конкретный пример.

Были проведены опыты с обычным четырехкиловаттным бензиновым генератором, который был переделан на газ Брауна и был запущен в режиме самозапитки.

На практике были получены следующие основные цифры: на собственную работу, то есть на выработку четырех киловатт энергии генератор тратил только два киловатта вырабатываемой мощности, отдавая оставшиеся два киловатта в полезную нагрузку. При этом электролизер был менее эффективной модели, который от двух киловатт вырабатывал не более 18 литров водорода в минуту и даже меньше, но при этом двигатель все равно устойчиво работал, отдавая в нагрузку два киловатта полезной мощности. Если вспомнить, что КПД классического двигателя внутреннего сгорания не превышает 30%, то есть всего 30% из подаваемого газа идет на генерацию электроэнергии, то получаются совершенно другие цифры.

На практике получается, что даже этот, далеко не самый эффективный на данный момент электролизер, работает с КПД превышающим 600%!

На вопрос «откуда дровишки», то есть откуда же берется этот самый прирост энергии, мы ответить пока не можем и оставляем его физикам-теоретикам. Мы можем лишь еще раз подтвердить, что все описанное выше имеет место быть в том виде, в котором мы и описали и каждый желающий сможет в этом убедиться. Добавим лишь, что мы не посягаем на правильность первого и второго начала термодинамики и на закон сохранения энергии, находя их вполне адекватными и рабочими, что в нашем случае подразумевает только лишь наличие и использование в данной установке дополнительно какого-либо другого вида энергии, который тем не менее пока не вписывается в рамки классической теоретической физики.

На правах рекламы, продолжаем знакомить Вас с интересными сайтами.

На этом сайте продается Тренинг уверенности в себе со скидкой. К сожалению мы сами не проходили данный курс, по этому ничего о нем сказать не можем, но выглядит красиво.

ЗАДАЧА
5.1.1
Кислород массой 0,2 кг нагревают от
температуры 27
С до 127
С. Найти изменение энтропии, если
известно, что начальное и конечное
давление газа одинаковы.

Дано:
0,2 кг; 27
С ; 127
С; µ =
0,032 кг/моль.

Найти:
S
-?

Решение

Энтропия
является функцией состояния
термодинамической системы, изменение
которой в случае обратимого процесса
равно приведенной теплоте процесса,
т.е.

или
в интегральной форме
.

В
нашем случае совершается обратимый
изобарический процесс, для которого
количество тепла при нагревании может
быть найдено по формуле

.

Подставляя

в
подинтегральное выражение, получим

.

Используя
формулу теплоемкости

,
где

,
получим

(Дж/К).

ЗАДАЧА
5.1.2 Идеальная
холодильная машина работает в интервале
температур от 15 до –10⁰С.
Работа за один цикл равна 2·10⁴
Дж. Вычислить количество теплоты,
отданной теплоприемнику за один цикл,
и холодильный коэффициент.

Дано: Т₁
= 15⁰С
= 288 К; Т₂
= -10⁰С
= 263 К; А
= 2·10⁴
Дж.

Найти:
Q₁
-? ₂
-?

Решение

Идеальная
холодильная машина работает по обратному
циклу Карно. Расширение происходит при
более низкой температуре Т₂,
чем сжатие Т₁.
КПД обратного и прямого циклов Карно
одинаковы при работе с идеальным газом
и равны

;

= 0,087.

Количество
теплоты, отданной теплоприемнику за
один цикл,

,
отсюда

;

Q₂
=
=2,1·10⁵
Дж.

Q₁
= 2,1·10⁵
+2·10⁴
= 2,3·10⁵
Дж.

Холодильная
машина за каждый цикл будет передавать
более горячему телу 2,3·10⁵
Дж, из которых 2,0·10⁴
Дж берется за счет превращения работы
в теплоту, а остальные 2,1·10⁵
Дж переносятся от холодного тела.

Холодильный
коэффициент ₂
равен

= 10,5.

ЗАДАЧА
5.1.3 Паровая машина
мощность которой 14,7
кВт потребляет за 1ч работы 8,1 кг угля с
удельной теплотой сгорания 3,3·10⁷
Дж/кг. Температура котла 200 ⁰С,
холодильника 58 ⁰С.
Найдите КПД этой машины и сравните его
с кпд идеальной тепловой машины.

Дано: m
= 8,1 кг; N
= 14,7·10 ³
Вт; q
= 3,3·10⁷
Дж/кг; Т₁
= 473 К; Т₂
= 331 К;

t
= 1 ч = 3600 с.

Найти:

Решение

КПД
тепловой машины равен отношению
производимой механической работы А
к затраченному
количеству теплоты Q₁,
выделяющемуся при сгорании угля:
.
Произведённая за это же время работа
равна:

.
Таким образом,

или
.

,

.

Коэффициент
полезного действия идеальной тепловой
машины больше КПД реальной машины.

ЗАДАЧА
5.1.4 В ходе обратимого
изотермического процесса, протекающего
при температуре 350 К, тело совершило
работу 80 Дж, а внутренняя энергия тела
получила приращение 7,5 Дж. Найти приращение
энтропии тела.

Дано:
Т
= 350 К; А
= 80 Дж;

.

Найти:
S
-?

Решение

Из
первого начала термодинамики вытекает,
что в ходе процесса тело получило
количество теплоты:
.
С учётом того, что температура постоянна,

.

5.2 Задачи к теме «Второе начало термодинамики. Циклы. Кпд циклов»

406. Некоторый
тепловой двигатель на каждые 5 кДж тепла,
полученные от нагревателя, производит
3 кДж работы. Сколько тепла он передает
холодильнику? Каков КПД этого двигателя?

407.
Некоторый тепловой двигатель на каждые
20 кДж тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Сколько тепла
он передает холодильнику? Каков КПД
этого двигателя?

408.
Некоторый тепловой двигатель на каждые
10 кДж тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Сколько тепла
он передает холодильнику? Каков КПД
этого двигателя?

409.Некоторый
тепловой двигатель на каждые 5 кДж тепла,
полученные от нагревателя, производит
3 кДж работы. Температура нагревателя
1000°C.
Какова максимально возможная температура
холодильника?

410.
Некоторый тепловой двигатель на каждые
20 кДж тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Температура
нагревателя 1000°C.
Какова максимально возможная температура
холодильника?

411.
Некоторый тепловой двигатель на каждые
10 кДж тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Температура
нагревателя 1000°C.
Какова максимально возможная температура
холодильника?

412.
Некоторый тепловой двигатель на каждые
5 кДж тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Температура
холодильника 25°C.
Какова минимально возможная температура
нагревателя?

413.
Некоторый тепловой двигатель на каждые
20 кДж тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Температура
холодильника 25°C.
Какова минимально возможная температура
нагревателя?

414.
Некоторый
тепловой двигатель на каждые 10 кДж
тепла, полученные от нагревателя,
производит 3 кДж работы. Температура
холодильника 25°C.
Какова минимально возможная температура
нагревателя?

1. Каков
   максимально возможный КПД теплового
   двигателя, работающего при температуре
   нагревателя 1000°C
   и температуре холодильника 200°C?

416.
Каков максимально возможный КПД теплового
двигателя, работающего при температуре
нагревателя 1500°C
и температуре холодильника 300°C?

417.
Каков
максимально возможный КПД теплового
двигателя, работающего при температуре
нагревателя 2000°C
и температуре холодильника 500°C?

418. Каков
максимально возможный КПД теплового
двигателя, работающего при температуре
помещения 25°C
и температуре окружающей среды –30°C?

419.
Каков максимально возможный КПД теплового
двигателя, работающего при температуре
помещения 20°C
и температуре окружающей среды 0°C?

420.
Каков максимально возможный КПД теплового
двигателя, работающего при температуре
помещения 25°C
и температуре окружающей среды –10°C?

1. Каков
   максимально возможный КПД холодильника,
   работающего при температуре помещения
   25°C
   и температуре морозильного отделения
   –30°C?

2. Каков
   максимально возможный КПД холодильника,
   работающего при температуре помещения
   20°C
   и температуре морозильного отделения
   -100°C?

3. Найти
   работу тепловой машины за один цикл,
   изображенной на рисунке 23, и КПД цикла.

4. В
   идеальной тепловой машине количество
   теплоты, полученное от нагревателя,
   равно 6,3 кДж. 80% этой теплоты передаётся
   холодильнику. Найти КПД машины и работу
   за один цикл.

5. Газ
   в идеальной тепловой машине получает
   от нагревателя теплоту 42 кДж. Какую
   работу совершает газ, если абсолютная
   температура нагревателя в три раза
   выше, чем температура холодильника?
   Сколько тепла газ отдает холодильнику?

6. При
   совершении цикла Карно газ получил от
   нагревателя 16,8 кДж энергии и совершил
   5,6 кДж работы. Во сколько раз температура
   нагревателя выше температуры холодильника?

7. Тепловая
   машина за цикл получает от нагревателя
   200 Дж тепла и совершает полезную работу
   60 Дж. Определить КПД этой машины.

8. Во
   сколько раз температура нагревателя
   больше температуры холодильника, если
   при цикле Карно с идеальным газом КПД
   составил 50%?

9. Идеальный
   газ в идеальной тепловой машине совершает
   цикл Карно, КПД которого 40% . На сколько
   процентов изменится КПД цикла Карно,
   если на 20% увеличить температуру
   нагревателя и на 10% уменьшить температуру
   охладителя?

10. Идеальная
    тепловая машина с КПД 60% за цикл работы
    получает от нагревателя 100 Дж. Какую
    полезную работу машина совершает за
    цикл?

11. Один
    киломоль идеального газа совершает
    цикл, состоящий из двух изохор и двух
    изобар. При этом объем газа изменяется
    от 25 м³
    до 50 м³,
    а давление изменяется от 1 атм до 2 атм.
    Во сколько раз работа, совершаемая при
    таком цикле, меньше работы, совершаемой
    при цикле

Карно,
изотермы которого соответствуют
наибольшей и наименьшей температурам
рассматриваемого цикла, если п
ри
изотермическом расширении объем
увеличился в 2 раза?

1. Один
   моль газа совершает цикл, состоящий из
   изохоры, изотермы и изобары
   (рисунок 21). Определить температуру для
   характерных точек цикла и работу цикла,
   если V₁
   =0,015 м³,
   p₁
   = 10⁵
   Па, p₂
   = 310⁵
   Па.

Рисунок
21

1. Двухатомный
   газ совершает цикл Карно, график
   которого изображен на рисунке 22. В
   состоянии В
   объем газа 12 л, давление 20 атм, а в
   состоянии С
   объем равен 16 л, давление 5 атм. Найти
   КПД цикла.

Рисунок
22

1. Вывести
   формулу для КПД цикла, состоящего из
   двух изобар и двух адиабат. Считать,
   что рабочее вещество является идеальным
   газом.

2. Газ,
   совершающий цикл Карно, получает от
   нагревателя 62 кДж теплоты. Какую работу
   совершает газ, если абсолютная температура
   нагревателя в два раза выше, чем
   температура холодильника?

3. Д
   вигатель
   работает как машина Карно и за цикл
   получает от нагревателя 3 кДж тепла.
   Температура нагревателя 600 К, температура
   холодильника 300 К. Найти совершаемую
   работу за цикл и количество теплоты,
   отдаваемое при этом холодильнику.

4. Идеальный
   многоатомный газ совершает цикл,
   изображенный на рисунке 23. Определить
   термический КПД цикла.

Рисунок
23

1. Совершая
   замкнутый цикл, газ получил от нагревателя
   9,8 кДж теплоты. Термический КПД цикла
   равен 0,25. Какую работу совершил газ?
   Какое количество теплоты газ отдал
   холодильнику?

2. В
   сосуде содержится две различные
   молекулы. Каким числом способов могут
   быть распределены эти молекулы между
   левой и правой половинами сосуда?
   Используя формулу Больцмана, найти
   энтропию системы в случаях: 1) когда
   одна из половин сосуда пустая; 2) когда
   молекулы распределены в сосуде поровну.

3. В
   сосуде содержится два атома гелия и
   два атома неона. Каким числом способов
   могут быть распределены эти атомы между
   левой и правой половинами сосуда?
   Используя формулу Больцмана, найти
   энтропию в трех случаях: а) все атомы
   соберутся в одной половине; б) в одной
   находится 3, в другой 1; в) в обеих частях
   объема находятся по две частицы.

4. Как
   ведет себя энтропия термодинамической
   системы при адиабатическом процессе?

5. Азот
   массой 0,5 кг нагревают изохорически от
   температуры 27С
   до 127С.
   Найти изменение энтропии.

6. При
   температуре 0С
   расплавили 1 кг льда. Найти изменение
   энтропии льда, если теплота плавления
   льда равна 3,3310⁵
   Дж/кг.

7. Один
   киломоль кислорода расширился
   изотермически вдвое. Найти изменение
   энтропии при этом процессе.

8. Смесь
   водорода массой 0,02 кг и кислорода 0,32
   кг нагревают при постоянном давлении
   от 27С
   до 327С.
   Найти изменение энтропии смеси.

9. Стальная
   гиря массой 2 кг вынута из холодильной
   камеры с температурой 73С
   и внесена в помещение с температурой
   +27С.
   Найти изменение энтропии гири, если
   теплоемкость стали 460 Дж/(кгК).

10. В
    чайнике при нормальном давлении выкипел
    стакан воды (200 г). Найти изменение
    энтропии этой воды, если скрытая теплота
    парообразования воды равна 2,2610⁶
    Дж/кг.

11. Два
    киломоля азота расширились изотермически
    втрое. Найти изменение энтропии при
    этом процессе.

12. КПД
    цикла Карно равен 0,3. При изотермическом
    расширении газ получил от нагревателя
    200 Дж энергии. Определить работу,
    совершаемую при изотермическом сжатии.

13. Современный
    энергетический блок (паровой
    котел-турбина-генератор) мощностью 200
    МВт потребляет в час 75 т угля с удельной
    теплотой сгорания 25 МДж/кг. Температура
    перегретого пара перед входом в турбину
    570⁰
    С, в конденсаторе 30 ºС. Найти фактический
    КПД энергетического блока и сравнить
    его КПД цикла Карно, осуществленного
    между такими же температурами.

14. Газ
    совершает цикл Карно. Абсолютная
    температура холодильника 290 К. Во сколько
    раз увеличится КПД, если температура
    нагревателя повысится от 400 К до 600 К?

15. Вывести
    формулу для КПД цикла, состоящего из
    двух изохор и двух адиабат. Считать,
    что рабочее вещество является идеальным
    газом.

16. Идеальный
    газ совершает цикл Карно. Температура
    Т₁ нагревателя
    в три раза выше температуры Т₂
    охладителя. Нагреватель передал газу
    количество теплоты Q₁=42
    кДж. Какую работу совершил газ?

17. Идеальный
    газ, совершающий цикл Карно, получив
    от нагревателя количество теплоты
    Q₁=804
    кДж, совершил работу А=1180 Дж. Найти
    термический КПД этого цикла. Во сколько
    раз температура нагревателя больше
    температуры охладителя?

18. При
    совершении цикла Карно газ совершил
    работу 1 кДж и отдал холодильнику 4 кДж
    теплоты. Во сколько раз температура
    нагревателя больше температуры
    холодильника?

456.Газ,
совершающий цикл Карно, отдал холодильнику
2/3 полученной от нагревателя теплоты.
Определить работу изотермического
сжатия газа, совершающего цикл Карно,
если температуры нагревателя и
холодильника 600К и 300К соответственно
и газ получает от нагревателя за цикл
8 кДж теплоты.

457.Идеальная
холодильная машина работает по обратному
циклу Карно в интервале температур
от 100 до 9⁰
С. Работа
машины за цикл

А=-1,55
кДж. Найти: 1) холодильный коэффициент;
2) количество тепла, отводимого от
охлаждаемого тепла за цикл. Примечание.
Холодильным коэффициентом называют
отношение количества тепла, отводимого
от охлаждаемого тела, к затраченной
работе А =-А.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Чему равен коэффициент полезного действия теплового двигателя если рабочий газ кислород

«Физика — 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q₂

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т₁, при этом он получает количество теплоты Q₁.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т₂. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q₂, сжимаясь до объёма V₄

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое 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 счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т₁ — 800 К и Т₂ — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский

Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

Что такое КПД

Коэффициент полезного действия (КПД) — это характеристика эффективности механизма преобразующего энергию. КПД обычно обозначается символом η, и представляет собой отношение полезной работы к полной работе.

Полная работа — это вся работа совершенная приложенной силой.

Полезная работа — это та работа, которая требуется от данного механизма.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя подразумевает отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

В науку и технику определение КПД двигателя ввёл в 1824 году французский инженер Сади Карно.

Понятие максимального значения

В силу закона сохранения энергии часть теплоты при передаче неизбежно теряется. Также часть энергии всегда отдается холодильнику. Вывод: невозможно получить полезной работы больше или столько же, сколько затрачено энергии.

Значение КПД любого механизма всегда меньше единицы.

Как устроен тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей:

В основе работы двигателя лежит циклический процесс.

Нагреватель с помощью, например, сгорания топливной смеси выделяет большое количество теплоты и передает ее рабочему телу.

Рабочее тело, например пар, газ или жидкость, при нагревании расширяется и совершает работу, к примеру, вращает турбину или перемещает поршень.

Холодильник нужен, чтобы вернуть рабочее тело в начальное состояние. Он поглощает часть энергии рабочего тела. Таким образом обеспечивается цикличность, и тепловой двигатель работает непрерывно.

Идеальный тепловой двигатель Карно

Модель двигателя Карно разработал французский физик С. Карно.

Рабочая часть двигателя Карно — поршень в заполненном газом цилиндре. Двигатель Карно — идеальная машина, она возможна только в теории. Поэтому в ней силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю.

Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. При изотермическом расширении работа газа совершается за счет внутренней энергии нагревателя. При адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле нет контакта тел с разной температурой, поэтому исключена теплопередача без совершения работы. Такой цикл называют циклом Карно.

Адиабатический процесс — это термодинамический процесс, происходящий без теплообмена с окружающей средой (Q=0).

Изотермический процесс — это термодинамический процесс, происходящий при постоянной температуре. Так как у идеального газа внутренняя энергия зависит только от температуры, то переданное газу количество тепла Q идет полностью на совершение работы A (Q=A).

Функционирует двигатель Карно следующим образом:

1. Цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара тепло.
2. Цилиндр окружается теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется. Газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается. Газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией. Газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется, и цикл повторяется вновь с первой фазы.

Чем больше разница между температурами нагревателя и холодильника, тем больше КПД двигателя Карно.

Расчет коэффициента полезного действия

Формула для расчета КПД теплового двигателя:

Где Q₁ — количество энергии, которую дает нагреватель; A — работу совершаемую рабочим телом; Q₂ — количество энергии, которая отдается холодильнику.

Для расчета КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, формула приобретает следующий вид:

Где T₁ — температура нагревателя; T₂ — температура холодильника.

Формула Карно позволяет вычислить предельный (максимально возможный) КПД теплового двигателя.

Построение графика КПД теплового двигателя

Работа, которую производит рабочее тело, в циклическом процессе численно равна площади цикла на графике зависимости давления от объема. Если цикл проходит по часовой стрелке, работа численно равна со знаком «+», если против часовой, то со знаком «-».

Для построения такого графика необходимо:

1. Отложить объем рабочего тела (V) по оси абсцисс.
2. Отложить давление рабочего тела (p) по оси ординат.
3. Расположить на графике точки изотермы и адиабаты.

Для цикла Карно график будет выглядеть следующим образом:

Пример решения задачи

Рассчитать КПД идеального теплового двигателя с температурой нагревания 1000º K и температурой холодильника равной 500° K.

Применим формулу измерения КПД для идеального теплового двигателя:

КПД теплового двигателя

В тепловых двигателях используется энергия сгорающего топлива. Однако, не вся энергия сгорающего топлива затрачивается на полезную работу, часть энергии безвозвратно рассеивается в окружающую среду.

Чем меньше эта утерянная часть теплоты, тем выше будет эффективность двигателя и его коэффициент полезного действия. Тем больше полезной работы сможет совершить газ при расширении, толкая поршень двигателя, или раскручивая диск газовой турбины.

Элементы тепловой машины

Конструкции тепловых машин отличаются разнообразием. Однако, из каких бы частей двигатель не состоял, он всегда содержит рабочее тело, холодильник и нагреватель (рис. 1).

Например, в двигателе внутреннего сгорания рабочим телом будут пары топлива и воздух.

В двигателе внутреннего сгорания роль нагревателя совместно выполняют свеча и поршень. Однако, поршень выполняет функции нагревателя только тогда, когда он сжимает газ. А свеча зажигает сжатый газ с помощью искры и вызывает горение топлива.

Чтобы передать остатки тепловой энергии атмосфере, двигатели с воздушным охлаждением имеют специальные ребристые поверхности на наружной части цилиндров.

А двигатели, в которых используется жидкостное (водяное) охлаждение, содержат насос, прокачивающий жидкость в специальных полостях двигателя и радиатор с вентилятором. Жидкость интенсивно охлаждается в радиаторе, а вентилятор обеспечивает обдув, чтобы ускорить охлаждение. Температура охлаждающей жидкости всегда выше температуры окружающего воздуха.

Какие функции выполняет каждый элемент

От нагревателя рабочее тело — газ, или пар, получает запас тепловой энергии (рис. 2). Затем, полученная энергия делится на две, как правило, неравные части. За счет одной части совершается работа.

А оставшаяся часть передается холодильнику (например, атмосфере) и рассеивается окружающей средой.

Роль холодильника в тепловом двигателе

Совершая работу, рабочее тело – расширяющийся газ, охлаждается. Температура (T_), до которой газ охладился, называется температурой холодильника.

Так как газ, расширяясь, охлаждается, а при охлаждении энергию нужно куда-то девать, то никакая тепловая машина без холодильника работать не сможет. Чтобы функционировать, тепловая машина обязательно должна отдавать часть тепловой энергии холодильнику.

Обычно температура (T_) немного выше температуры окружающей среды. Но если речь идет о паровых машинах, оснащенных специальным приспособлением для конденсации отработанного пара и его охлаждения – конденсатором, то (T_) может быть несколько ниже температуры окружающей атмосферы (рис. 3).

Примечание: Паровой конденсатор применяется только в конструкциях паровых двигателей.

На какие части делится энергия нагревателя

Мы выяснили, что за счет одной части энергии газ совершает работу. Вторая часть полученной от нагревателя энергии передается холодильнику, который затем рассеивает ее в окружающее пространство (рис. 4).

Эта теплота выбрасывается в атмосферу вместе с отработанным паром, или сгоревшими выхлопными газами турбин и двигателей внутреннего сгорания – то есть, теряется безвозвратно. Главное то, что никакой газ не превращает свою внутреннюю энергию в работу полностью. Часть энергии неизбежно будет утеряна.

На полезную работу тратится только часть полученной энергии.

Посмотрев на рисунок 4, легко составить связь между энергией нагревателя, работой и энергией холодильника.

(large Q_ left(text <Дж>right) ) – тепловая энергия, полученная от нагревателя;

(large Q_ left(text <Дж>right) ) – тепловая энергия, переданная холодильнику;

(large A left(text <Дж>right) ) – работа, которую совершил расширяющийся газ (пар);

Так как часть энергии теряется, работа всегда будет меньше полученной энергии. Работу и энергию измеряют в джоулях. Работа – это затраченная энергия, то есть, разница между конечной и начальной энергией.

[large boxed < Q_— left| Q_ right| = A >]

Примечание: Полученная энергия берется со знаком «плюс», а утерянная – со знаком «минус». Нам уже известно, что энергия (Q_), переданная холодильнику и утерянная, будет отрицательной. Запишем ее по модулю, чтобы не учитывать в формуле ее знак.

Формулы коэффициента полезного действия

Мы уже выяснили, что работа газа всегда меньше полученной теплоты. Чтобы ответить на вопрос, какую часть от полученной теплоты будет составлять работа, составим дробь:

(large A left(text <Дж>right) ) – работа газа;

Эту дробь обозначают греческой буквой «эта» (eta) и называют коэффициентом полезного действия (КПД). Так как этот коэффициент дает понятие о том, как соотносятся работа, совершенная газом и, полученная им тепловая энергия.

Числитель этой дроби всегда меньше знаменателя, математики такие дроби называют правильными. Если КПД теплового двигателя описывается правильной дробью, значит, он не может превышать единицу (рис. 5).

КПД теплового двигателя не превышает единицу, так как описывается правильной дробью.

Если подставить в числитель выражение для работы, получим развернутое выражение для вычисления КПД:

Правая часть уравнения – это две дроби, имеющие одинаковые знаменатели. Если записать правую часть в виде отдельных дробей, то можно получить такое соотношение:

Подставим его в выражение для КПД и получим еще одну формулу:

Какой максимальный КПД может иметь тепловой двигатель

Талантливый французский ученый и инженер Сади Карно в 1824 году придумал идеальную тепловую машину. В качестве рабочего тела в ней выступал идеальный газ. А сосуд, в который заключен газ, обернут теплоизоляцией, которую можно мысленно снять, когда возникнет такая необходимость.

Проведя мысленный эксперимент, Карно рассчитал, какую часть полученной энергии можно превратить в полезную работу при идеальных условиях. Другими словами, он рассчитал, какой максимально возможный КПД может иметь идеальный тепловой двигатель.

Для КПД идеального двигателя он получил такую формулу:

(large T_ left(Kright) ) – температура нагревателя в градусах Кельвина;

(large T_ left(Kright) ) – температура холодильника в градусах Кельвина;

Из формулы следует:

Чем больше различаются температуры нагревателя и холодильника, тем выше будет КПД.

Если температура нагревателя сравняется с температурой холодильника, то полезной работы машина не совершит (large eta = 0 ).

Максимальный КПД даже для идеального теплового двигателя всегда меньше единицы.

Температура холодильника не может равняться абсолютному нулю, так как достигнуть абсолютного нуля температуры не получается.

Примечание: В идеальном двигателе нет потерь энергии, так как полностью отсутствует трение между его движущимися частями. В реальных двигателях трение есть, поэтому КПД реальных двигателей всегда ниже, чем КПД идеального двигателя.

КПД реальных тепловых двигателей

КПД лучших образцов реальных двигателей, выпускаемых мировой промышленностью:

• паровых машин — менее 10 процентов.
• большинства двигателей внутреннего сгорания – до 30 процентов.
• газовых турбин — примерно 40 процентов.
• двигателя внутреннего сгорания Дизеля – около 44 процентов.

В настоящее время инженеры и ученые-физики работают над тем, чтобы в реальных двигателях уменьшить трение и потери тепловой энергии. Чтобы повысить давление в цилиндре, применяют дополнительные компрессоры и турбины. Это дает выигрыш еще в несколько процентов полезности, однако, сокращает срок службы таких двигателей.

Так называемые «атмосферники» — атмосферные двигатели внутреннего сгорания, в которых не применяются дополнительные турбины и компрессоры, повышающие рабочее давление в цилиндрах, могут без капитального ремонта прослужить на автомобилях весьма длительное время.

Некоторые автомобили, оснащенные особо удачными конструкциями двигателей, успевали без капитального ремонта двигателя проехать до 1 миллиона километров. Из-за этого, такие конструкции двигателей получили в народе название «миллионники». К сожалению, ныне выпуск подобных двигателей резко сокращен, из экономических соображений.