Роботу багатьох видів машин характеризує такий важливий показник, як ККД теплового двигуна. Інженери з кожним роком прагнуть створювати досконалішу техніку, яка при менших давала б максимальний результат від його використання.
Пристрій теплового двигуна
Перш ніж розбиратися в тому, що таке необхідно зрозуміти, як працює цей механізм. Без знання принципів його дії не можна з'ясувати суть цього показника. Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює роботу завдяки використанню внутрішньої енергії. Будь-яка теплова машина, що перетворює на механічну, використовує теплове розширення речовин у разі підвищення температури. У твердотільних двигунах можлива не лише зміна об'єму речовини, а й форми тіла. Дія такого двигуна підпорядкована законам термодинаміки.
Принцип функціонування
Для того щоб зрозуміти, як працює тепловий двигун, необхідно розглянути основи його конструкції. Для функціонування приладу необхідні два тіла: гаряче (нагрівач) та холодне (холодильник, охолоджувач). Принцип дії теплових двигунів (ККД теплових двигунів) залежить від їхнього виду. Найчастіше холодильником виступає конденсатор пари, а нагрівачем будь-який вид палива, що згорає в топці. ККД ідеального теплового двигуна знаходиться за такою формулою:
ККД = (нагрів. - Тхолод.) / Тнагрів. х 100%.
При цьому ККД реального двигуна ніколи не зможе перевищити значення, отриманого згідно з цією формулою. Також цей показник ніколи не перевищить вищезазначеного значення. Щоб підвищити ККД, найчастіше збільшують температуру нагрівача та зменшують температуру холодильника. Обидва ці процеси будуть обмежені реальними умовами роботи устаткування.
При функціонуванні теплового двигуна відбувається робота, у міру якої газ починає втрачати енергію і охолоджується до певної температури. Остання, як правило, на кілька градусів вище за навколишню атмосферу. Це температура холодильника. Такий спеціальний пристрій призначений для охолодження з наступною конденсацією відпрацьованої пари. Там, де є конденсатори, температура холодильника іноді нижче температури навколишнього середовища.
У тепловому двигуні тіло при нагріванні та розширенні не здатне віддати всю свою внутрішню енергію для виконання роботи. Якась частина теплоти буде передана холодильнику разом із або парою. Ця частина теплової неминуче губиться. Робоче тіло при згорянні палива одержує від нагрівача певну кількість теплоти Q 1 . При цьому воно ще виконує роботу A, під час якої передає холодильнику частину теплової енергії: Q 2 ККД характеризує ефективність двигуна у сфері перетворення та передачі енергії. Цей показник часто вимірюється у відсотках. Формула ККД: η*A/Qx100 %, де Q - витрачена енергія, А - корисна робота. Виходячи із закону збереження енергії, можна дійти невтішного висновку, що ККД буде завжди менше одиниці. Іншими словами, корисної роботи ніколи не буде більше, ніж на неї витрачено енергію. ККД двигуна – це відношення корисної роботи до енергії, повідомленої нагрівачем. Його можна подати у вигляді такої формули: η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , де Q 1 - Тепло, отримана від нагрівача, а Q 2 - Віддана холодильнику. Робота, що здійснюється тепловим двигуном, розраховується за такою формулою: A = | Q H | - |Q X |, де А - робота, Q H - кількість теплоти, що отримується від нагрівача, Q X - кількість теплоти, що віддається охолоджувачу. |Q H | - | Q X |) / | Q H | = 1 - | Q X | / | Q H | Він дорівнює відношенню роботи, яку здійснює двигун, до кількості отриманої теплоти. Частина теплової енергії при цій передачі губиться. Максимальне КПД теплового двигуна відзначається у приладу Карно. Це зумовлено тим, що у зазначеній системі він залежить тільки від абсолютної температури нагрівача (Тн) та охолоджувача (Тх). ККД теплового двигуна, що працює по визначається за такою формулою: (Тн - Тх) / Тн = - Тх - Тн. Закони термодинаміки дозволили вирахувати максимальний ККД, який можливий. Вперше цей показник вирахував французький вчений та інженер Саді Карно. Він вигадав теплову машину, яка функціонувала на ідеальному газі. Вона працює за циклом з 2 ізотерм та 2 адіабат. Принцип її роботи досить простий: до посудини з газом підводять контакт нагрівача, унаслідок чого робоче тіло розширюється ізотермічно. При цьому воно функціонує та отримує певну кількість теплоти. Після посудини теплоізолюють. Попри це газ продовжує розширюватися, але вже адіабатно (без теплообміну з навколишнім середовищем). Саме тоді його температура знижується до показників холодильника. У цей момент газ контактує з холодильником, внаслідок чого віддає певну кількість теплоти при ізометричному стиску. Потім посудину знову теплоізолюють. При цьому газ адіабатно стискається до початкового обсягу та стану. В наш час існує багато типів теплових двигунів, які працюють за різними принципами та на різному паливі. Усі мають свій ККД. До них належать такі: Двигун внутрішнього згоряння (поршневий), що є механізмом, де частина хімічної енергії згоряючого палива переходить в механічну енергію. Такі прилади можуть бути газовими та рідинними. Розрізняють 2- та 4-тактні двигуни. У них може бути робочий цикл безперервної дії. За методом приготування суміші палива такі двигуни бувають карбюраторними (із зовнішнім сумішоутворенням) та дизельними (з внутрішнім). За видами перетворювача енергії їх поділяють поршневі, реактивні, турбінні, комбіновані. ККД таких машин не перевищує показника 0,5. Двигун Стірлінга – прилад, в якому робоче тіло знаходиться у замкнутому просторі. Він є різновидом двигуна зовнішнього згоряння. Принцип його дії ґрунтується на періодичному охолодженні/нагріві тіла з отриманням енергії внаслідок зміни його об'єму. Це один із найефективніших двигунів. Турбінний (роторний) двигун із зовнішнім згорянням палива. Такі установки найчастіше трапляються на теплових електричних станціях. Турбінний (роторний) ДВЗ використовується на теплових електричних станціях у піковому режимі. Не дуже поширений, як інші. Турбіногвинтовий двигун за рахунок гвинта створює деяку частину тяги. Решту він одержує за рахунок вихлопних газів. Його конструкція є роторним двигуном на вал якого насаджують повітряний гвинт. Ракетні, турбореактивні та які отримують тягу за рахунок віддачі вихлопних газів. Твердотільні двигуни використовують як паливо тверде тіло. Працюючи змінюється не його обсяг, а форма. Під час експлуатації обладнання використовується гранично малий перепад температури. Чи можливе підвищення ККД теплового двигуна? Відповідь потрібно шукати у термодинаміці. Вона вивчає взаємні перетворення різних видів енергії. Встановлено, що не можна всю наявну механічну тощо. При цьому перетворення їх на теплову відбувається без будь-яких обмежень. Це можливо через те, що природа теплової енергії ґрунтується на невпорядкованому (хаотичному) русі частинок. Чим сильніше розігрівається тіло, тим швидше рухатимуться його молекули. Рух частинок стане ще безладнішим. Поряд із цим усі знають, що порядок можна легко перетворити на хаос, який дуже важко впорядкувати. З давніх-давен люди намагалися перетворити енергію в механічну роботу. Вони перетворювали кінетичну енергію вітру, потенційну енергію води тощо. Починаючи з 18 століття почали з'являтися машини, що перетворюють внутрішню енергію палива на роботу. Подібні машини працювали завдяки тепловим двигунам. Тепловий двигун – прилад, що перетворює теплову енергію на механічну роботу, за рахунок розширення (найчастіше газів) від високої температури. Будь-які теплові двигуни мають складові частини: Робоче тіло одержує теплову енергію від нагрівача. У результаті воно починає розширюватися і виконувати роботу. Щоб система могла знову зробити роботу, її треба повернути у вихідний стан. Тому робоче тіло охолоджується, тобто зайва теплова енергія, як би скидається в елемент, що охолоджує. І система входить у початковий стан, далі процес повторюється знову. Для розрахунку ККД введемо такі позначення: Q 1 –Кількість теплоти, що отримується від нагрівального елемента A'– Робота, що здійснюється робочим тілом Q 2 –Кількість теплоти отриманої робочим тілом від охолоджувача У процесі охолодження тіло передає теплоту, тому Q 2< 0. Робота такого пристрою – це циклічний процес. Це означає, що після здійснення повного циклу внутрішня енергія повернеться у вихідний стан. Тоді, за першим законом термодинаміки, робота, що здійснюється робочим тілом буде дорівнює, різниці кількості теплоти отриманого від нагрівача і теплоти отриманого від охолоджувача: Q 2 - Від'ємна величина, тому вона береться за модулем ККД виражається як ставлення корисної роботи до повної роботи, що виконала система. В даному випадку, повна робота дорівнюватиме кількості теплоти, яка витрачена на нагрівання робочого тіла. Вся витрачена енергія виражається через Q1. Тому коефіцієнт корисної дії визначається як. ККД теплового двигуна.Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює: де – теплота, отримана від нагрівача, – теплота, віддана холодильнику. Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи, що здійснюється двигуном, до кількості теплоти отриманої від нагрівача: Так як у всіх двигунів деяка кількість теплоти передається холодильнику, то у всіх випадках Максимальне значення ККД теплових двигунів.Французький інженер і вчений Саді Карно (1796-1832) у праці «Роздум про рушійну силу вогню» (1824) поставив за мету: з'ясувати, за яких умов робота теплового двигуна буде найбільш ефективною, тобто за яких умов двигун матиме максимальний ККД. Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він обчислив ККД цієї машини, що працює з нагрівачем температури та холодильником температури Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, спираючись на другий закон термодинаміки, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем температури та холодильником температури, не може мати коефіцієнт корисної дії, що перевищує ККД ідеальної теплової машини. Формула (4.18) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим вище температура нагрівача і нижче температура холодильника. Лише при температурі холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, Але температура холодильника практично не може бути набагато нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість, або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за досить високої температури плавиться. Зараз основні зусилля інженерів спрямовані на підвищення ККД двигунів за рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння і т.д. Реальні можливості підвищення ККД тут все ще залишаються великими. Так, для парової турбіни початкові і кінцеві температури пари приблизно такі: При цих температурах максимальне значення ККД дорівнює: Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат одно: Підвищення ККД теплових двигунів, наближення його до максимально можливого – найважливіше технічне завдання. Теплові двигуни та охорона природи.Повсюдне застосування теплових двигунів з метою отримання зручної для використання енергії найбільшою мірою, порівняно з усіма іншими видами виробничих процесів, пов'язані з впливом довкілля. Згідно з другим законом термодинаміки виробництво електричної та механічної енергії в принципі не може бути здійснено без відведення в довкілля значних кількостей теплоти. Це може призводити до поступового підвищення середньої температури Землі. На даний момент споживана потужність становить близько 1010 кВт. Коли ця потужність досягне, то середня температура підвищиться помітним чином (приблизно на один градус). Подальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків та катастрофічного підвищення рівня світового океану. Але цим не вичерпуються негативні наслідки застосування теплових двигунів. Топки теплових електростанцій, двигуни внутрішнього згоряння автомобілів і т. д. безперервно викидають в атмосферу шкідливі для рослин, тварин і людини речовини: сірчисті сполуки (при згорянні кам'яного вугілля), оксиди азоту, вуглеводні, оксид вуглецю (СО) та ін. Особливу небезпеку у цьому плані представляють автомобілі, кількість яких загрозливо зростає, а очищення відпрацьованих газів утруднена. На атомних електростанціях постає проблема захоронення небезпечних радіоактивних відходів. Крім того, застосування парових турбін на електростанціях вимагає великих площ під ставки для охолодження відпрацьованої пари З збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді. У 1980 р. нашій країні цих цілей вимагалося біля води, т. е. близько 35% водопостачання всіх галузей господарства. Все це ставить низку серйозних проблем перед суспільством. Поряд із найважливішим завданням підвищення ККД теплових двигунів потрібно проводити низку заходів щодо охорони навколишнього середовища. Необхідно підвищувати ефективність споруд, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин; домагатися повнішого згоряння палива в автомобільних двигунах. Вже зараз не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом СО у відпрацьованих газах. Обговорюється можливість створення електромобілів, здатних конкурувати зі звичайними, та можливість застосування пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах, наприклад, у двигунах, що працюють на суміші водню з киснем. Доцільно для економії площі та водних ресурсів споруджувати цілі комплекси електростанцій, насамперед атомних, із замкнутим циклом водопостачання. Інший напрямок зусиль, що додаються - це збільшення ефективності використання енергії, боротьба за її економію. Вирішення перерахованих вище проблем є життєво важливим для людства. І ці проблеми з максимальним успіхом можуть бути вирішені у соціалістичному суспільстві з плановим розвитком економіки в масштабах країни. Але організація охорони навколишнього середовища вимагає зусиль у масштабі земної кулі. 1. Які процеси називаються незворотними? 2. Назвіть типові незворотні процеси. 3. Наведіть приклади незворотних процесів, не згаданих у тексті. 4. Сформулюйте другий закон термодинаміки. 5. Якби річки потекли назад, чи означало б це порушення закону збереження енергії? 6. Який пристрій називають тепловим двигуном? 7. Яка роль нагрівача, холодильника та робочого тіла теплового двигуна? 8. Чому в теплових двигунах не можна використовувати як джерело енергії внутрішню енергію океану? 9. Що називається коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна? 10. Чому дорівнює максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна? Історично поява термодинаміки як науки було пов'язане із практичним завданням створення ефективного теплового двигуна (теплової машини). Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює роботу за рахунок теплоти, що надходить до двигуна. Ця машина є періодичною. Теплова машина включає наступні обов'язкові елементи: 1. Цикл роботи теплової машини. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт На рис.1 зобразимо цикл, яким може працювати теплова машина. У цьому циклі: Для того щоб отримати роботу, яку виконує газ, більший ніж нуль, тиск (отже, температура) у процесі розширення має бути більшим, ніж у процесі стиснення. З цією метою газ у процесі розширення теплоту одержує, а при стисканні у робочого тіла тепло відбирають. Звідси зробить висновок про те, що крім робочого тіла в тепловому двигуні повинні бути присутні ще два зовнішні тіла: Після виконання циклу робоче тіло та всі механізми машини повертаються в колишній стан. Це означає, що зміна внутрішньої енергії робочого тіла – нуль. На рис.1 зазначено, що у процесі розширення робоче тіло отримує кількість теплоти, що дорівнює $Q_1$. У процесі стиснення робоче тіло віддає холодильнику кількість теплоти, що дорівнює $Q_2$. Отже, за один цикл кількість теплоти, отримана робочим тілом дорівнює: $\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$ З першого початку термодинаміки, враховуючи те, що в замкнутому циклі $ Delta U = 0 $, робота, що здійснюється робочим тілом дорівнює: $A=Q_1-Q_2 (2).$ Для організації повторних циклів теплової машини необхідно, щоб частина своєї теплоти віддавала холодильнику. Ця вимога перебуває у згоді з другим початком термодинаміки: Неможливо створити вічний двигун, який періодично повністю трансформував теплоту, одержувану від якогось джерела повністю в роботу. Так, навіть у ідеального теплового двигуна кількість теплоти, що передається холодильнику, не може дорівнювати нулю, існує нижня межа величини $Q_2$. Зрозуміло, що наскільки ефективно працює теплова машина, слід оцінювати з огляду на повноту перетворення теплоти, отриманої від нагрівача на роботу робочого тіла. Параметром, що показує ефективність теплового двигуна, є коефіцієнт корисної дії (ККД). Визначення 1 ККД теплового двигуна називають відношення роботи, що виконується робочим тілом ($A$) до кількості теплоти, яку це тіло отримує від нагрівача ($Q_1$): $\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$ Зважаючи на вираз (2) ККД теплової машини знайдемо як: $\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$ Співвідношення (4) показує, що ККД може бути більше одиниці. Обернемо цикл, який відображено на рис. 1. Зауваження 1 Звернути цикл – це означає змінити напрям обходу контуру. В результаті обігу циклу отримаємо цикл холодильної машини. Ця машина отримує від тіла з низькою температурою теплоту $Q_2$ і передає її нагрівачеві, що має вищу температуру кількість теплоти $Q_1$, причому $Q_1>Q_2$. Над робочим тілом відбувається робота $A'$ за цикл. Ефективність нашого холодильника визначається коефіцієнтом, який обчислюють як: $\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\left (5\right).$ ККД незворотного теплового двигуна завжди менше, ніж ККД оборотної машини, при роботі машин з однаковим нагрівачем і холодильником. Розглянемо теплову машину, що складається з: Робота, яку виконають робоче тіло за цикл, дорівнює: На виконання умови оборотності процесів їх треба проводити дуже повільно. Крім цього необхідно, щоб не було тертя поршня об стінки судини. Позначимо роботу, яка здійснюється за один цикл оборотним тепловим двигуном як $A_(+0)$. Виконаємо той же цикл з великою швидкістю та за наявності тертя. Якщо провести розширення газу швидко, тиск його біля поршня буде менше, ніж якщо газ розширюють повільно, оскільки розрідження, що виникає під поршнем, поширюється на весь об'єм з кінцевою швидкістю. У зв'язку з цим робота газу в незворотному збільшенні обсягу менша, ніж у оборотному: Якщо стиснення газу швидко здійснити тиск біля поршня більше, ніж при повільному стисканні. Значить, величина негативної роботи робочого тіла в незворотному стисканні більша, ніж у оборотному: Отримаємо, що робота газу в циклі $A$ незворотної машини, що обчислюється за формулою (5), виконувана за рахунок теплоти, отриманої від нагрівача буде менше, ніж робота, виконана в циклі оборотним тепловим двигуном: Тертя, що є у незворотному тепловому двигуні, веде до переходу частини роботи виконаної газом у теплоту, що зменшує ККД двигуна. Так, можна дійти невтішного висновку у тому, що коефіцієнт корисної дії теплового двигуна оборотної машини більше, ніж незворотній. Зауваження 2 Тіло, з яким обмінюється теплом робоче тіло, називатимемо тепловим резервуаром. Оборотна теплова машина здійснює цикл, у якому є ділянки, де робоче тіло здійснює обмін теплотою з нагрівачем і холодильником. Процес обміну теплом є оборотним, тільки якщо при отриманні теплоти і поверненні її при зворотному ході, робоче тіло має одну і ту ж температуру, що дорівнює температурі теплового резервуара. Якщо говорити точніше, то температура тіла, яке отримує теплоту, повинна бути на дуже малу величину менша за температуру резервуара. Таким процесом може бути ізотермічний процес, який відбувається за температури резервуара. Для функціонування теплового двигуна у нього має бути два теплові резервуари (нагрівач та холодильник). Оборотний цикл, який виконується в тепловому двигуні робочим тілом, повинен бути складений з двох ізотерм (при температурах теплових резервуарів) та двох адіабат. Адіабатичні процеси відбуваються без обміну теплом. В адіабатних процесах відбувається розширення та стиск газу (робочого тіла). Сучасні реалії передбачають широку експлуатацію теплових двигунів. Численні спроби заміни їх на електродвигуни поки зазнають невдачі. Проблеми, пов'язані з накопиченням електроенергії в автономних системах, вирішуються з великими труднощами. Досі актуальними є проблеми технології виготовлення акумуляторів електроенергії з урахуванням їх тривалого використання. Швидкісні характеристики електромобілів далекі від таких у автомобілів на двигунах внутрішнього згоряння. Перші кроки створення гібридних двигунів дозволяють істотно зменшити шкідливі викиди в мегаполісах, вирішуючи екологічні проблеми. Можливість перетворення енергії пари на енергію руху була відома ще в давнину. 130 до нашої ери: Філософ Герон Олександрійський представив на суд глядачів парову іграшку - еоліпіл. Сфера, заповнена парою, приходила в обертання під дією струменів, що виходять з неї. Цей прототип сучасних парових турбін на той час не знайшов застосування. Довгі роки та століття розробки філософа вважалися лише забавною іграшкою. У 1629 р. італієць Д. Бранки створив активну турбіну. Пара рухала диск, з лопатками. З цього моменту почався бурхливий розвиток парових машин. Перетворення палива в енергію руху частин машин та механізмів використовується в теплових машинах. Основні частини машин: нагрівач (система отримання енергії ззовні), робоче тіло (здійснює корисну дію), холодильник. Нагрівач призначений для того, щоб робоче тіло накопичило достатній запас внутрішньої енергії для здійснення корисної роботи. Холодильник відводить надлишки енергії. Основною характеристикою ефективності називають ККД теплових машин. Ця величина показує, яка частина витраченої нагрівання енергії витрачається на здійснення корисної роботи. Чим вище ККД, тим вигідніша робота машини, але ця величина не може перевищувати 100%. Нехай нагрівач придбав ззовні енергію, що дорівнює Q 1 . Робоче тіло зробило роботу A, причому енергія, віддана холодильнику, склала Q 2 . Виходячи з визначення, розрахуємо величину ККД: η = A / Q 1 . Врахуємо, що А = Q1 – Q2. Звідси ККД теплової машини, формула якого має вигляд η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, дозволяє зробити такі висновки: Чи можливе створення такого двигуна, коефіцієнт корисної дії якого був би максимальним (в ідеалі – рівним 100%)? Знайти відповідь на це запитання спробував французький фізик-теоретик та талановитий інженер Саді Карно. У 1824 р. його теоретичні викладки про процеси, що протікають у газах, були оприлюднені. Основною ідеєю, закладеною в ідеальній машині, можна вважати проведення оборотних процесів з ідеальним газом. Починаємо з розширення газу ізотермічно за температури T 1 . Кількість теплоти, необхідної для цього - Q 1. Після газ без теплообміну розширюється Досягши температури Т 2 газ стискається ізотермічно, передаючи холодильнику енергію Q 2 . Повернення газу до початкового стану здійснюється адіабатно. ККД ідеального теплового двигуна Карно при точному розрахунку дорівнює відношенню різниці температур нагрівального та охолоджувального пристроїв до температури, яку має нагрівач. Виглядає так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1. Можливий ККД теплової машини, формула якого має вигляд: η = 1 - Т 2 / T 1 залежить тільки від значення температур нагрівача і охолоджувача і не може бути більше 100%. Більш того, це співвідношення дозволяє довести, що ККД теплових машин може дорівнювати одиниці тільки при досягненні холодильником температур. Як відомо, це значення недосяжно. Теоретичні викладки Карно дозволяють визначити максимальний ККД теплової машини будь-якої конструкції. Доведена Карно теорема звучить так. Довільна теплова машина ні за яких умов не здатна мати коефіцієнт корисної дії більше за аналогічне значення ККД ідеальної теплової машини. приклад 1. Який ККД ідеальної теплової машини, якщо температура нагрівача становить 800 про З, а температура холодильника на 500 про З нижче? T 1 = 800 про З= 1073 К, ∆T= 500 про З=500 К, -? За визначенням: η=(T 1 - Т 2)/T 1. Нам не дано температури холодильника, але ∆T= (T 1 - Т 2), звідси: η = ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46. Відповідь: ККД = 46%. приклад 2. Визначте ККД ідеальної теплової машини, якщо за рахунок придбаного одного кілоджоуля енергії нагрівача здійснюється корисна робота 650 Дж. Яка температура нагрівача теплової машини, якщо температура охолоджувача - 400 К? Q 1 = 1 кДж = 1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η -?, T 1 =? У цій задачі йдеться про теплову установку, ККД якої можна обчислити за формулою: Для визначення температури нагрівача скористаємося формулою ККД ідеальної теплової машини: η = (T 1 - Т 2) / T 1 = 1 - Т 2 / T 1. Виконавши математичні перетворення, отримаємо: Т 1 = Т 2 / (1 - η). Т 1 = Т 2 / (1-A / Q 1). Обчислимо: η = 650 Дж / 1000 Дж = 0,65. Т 1 = 400 К/(1-650 Дж/1000 Дж) = 1142,8 К. Відповідь: η = 65%, Т 1 = 1142,8 До. Ідеальний тепловий двигун розроблено з урахуванням ідеальних процесів. Робота відбувається лише в ізотермічних процесах, її величина визначається як площа, обмежена графіком циклу Карно. Насправді створити умови для протікання процесу зміни стану газу без змін температури, що його супроводжують, неможливо. Немає таких матеріалів, які б виключили теплообмін з навколишніми предметами. Адіабатний процес здійснити стає неможливо. У разі теплообміну температура газу обов'язково має змінюватись. ККД теплових машин, створених у реальних умовах, значно відрізняються від ККД ідеальних двигунів. Зауважимо, що перебіг процесів у реальних двигунах відбувається настільки швидко, що варіювання внутрішньої теплової енергії робочої речовини в процесі зміни його об'єму не може бути компенсовано припливом кількості теплоти від нагрівача та віддачею холодильнику. Реальні двигуни працюють на інших циклах: Створити рівноважні процеси в реальних двигунах (щоб наблизити їх до ідеальних) в умовах сучасної технології неможливо. ККД теплових машин значно нижчий, навіть з урахуванням тих же температурних режимів, що і в ідеальній тепловій установці. Але не варто зменшувати роль розрахункової формули ККД, оскільки саме вона стає точкою відліку в процесі роботи над підвищенням ККД реальних двигунів. Проводячи порівняння ідеальних та реальних теплових двигунів, варто зазначити, що температура холодильника останніх не може бути будь-якою. Зазвичай холодильником вважають атмосферу. Прийняти температуру атмосфери можна лише у наближених розрахунках. Досвід показує, що температура охолоджувача дорівнює температурі відпрацьованих у двигунах газів, як це відбувається в двигунах внутрішнього згоряння (скорочено ДВЗ). ДВС - найпоширеніша у світі теплова машина. ККД теплової машини в цьому випадку залежить від температури, створеної паливом, що згорає. Істотною відмінністю ДВС від парових машин є злиття функцій нагрівача та робочого тіла пристрою у повітряно-паливній суміші. Згоряючи, суміш створює тиск на рухомі частини двигуна. Підвищення температури робочих газів досягають, суттєво змінюючи властивості палива. На жаль, необмежено це робити неможливо. Будь-який матеріал, з якого виготовлено камеру згоряння двигуна, має свою температуру плавлення. Теплостійкість таких матеріалів – основна характеристика двигуна, а також можливість суттєво вплинути на ККД. Якщо розглянути температура робочої пари на вході якої дорівнює 800 К, а відпрацьованого газу - 300 К, то ККД цієї машини дорівнює 62%. Насправді ж ця величина вбирається у 40%. Таке зниження виникає внаслідок теплових втрат під час нагрівання корпусу турбін. Найбільше значення внутрішнього згоряння вбирається у 44%. Підвищення цього значення – питання недалекого майбутнього. Зміна властивостей матеріалів, палива – це проблема, над якою працюють найкращі уми людства.Робота теплового двигуна
Двигун Карно
Різновиди
Інші види теплових двигунів
Як можна підвищити ККД
Обчислення ККД
Теплова машина
ККД теплової машини
ККД холодильної машини
ККД оборотної та незворотної теплової машини
Трохи історії
Теплова машина
Розрахунок коефіцієнта корисної дії
Ідеальний тепловий двигун
Приклад розв'язання задач
Реальні умови
Інші теплові двигуни
Шляхи зміни ККД
Значення ККД двигунів
