Расчет кпд тепловой машины. Тепловой двигатель. Коэффициент полезного действия теплового двигателя. Кпд реальных тепловых машин

Коэффициент полезного действия (КПД) - термин, которые можно применить, пожалуй, к каждой системе и устройству. Даже у человека есть КПД, правда, наверно, пока не существует объективной формулы для его нахождения. В этой статье расскажем подробно, что такое КПД и как его можно рассчитать для различных систем.

КПД-определение

КПД - это показатель, характеризующий эффективность той или иной системы в отношении отдачи или преобразования энергии. КПД - безмерная величина и представляется либо числовым значением в диапазоне от 0 до 1, либо в процентах.

Общая формула

КПД обозначается символом Ƞ.

Общая математическая формула нахождения КПД записывается следующим образом:

Ƞ=А/Q, где А - полезная энергия/работа, выполненная системой, а Q - энергия, потребляемая этой системой для организации процесса получения полезного выхода.

Коэффициент полезного действия, к сожалению, всегда меньше единицы или равен ей, поскольку, согласно закону сохранения энергии, мы не можем получить работы больше, чем потрачено энергии. Кроме того, КПД, на самом деле, крайне редко равняется единице, так как полезная работа всегда сопровождается наличием потерь, например, на нагрев механизма.

КПД теплового двигателя

Тепловой двигатель - это устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. В тепловом двигателе работа определяется разностью количества теплоты, полученного от нагревателя, и количества теплоты, отданной охладителю, а потому КПД определяется по формуле:

Ƞ=Qн-Qх/Qн, где Qн - количество теплоты, полученное от нагревателя, а Qх - количество теплоты, отданное охладителю.

Считается, что высочайший КПД обеспечивают двигатели, работающие по циклу Карно. В данном случае КПД определяется по формуле:

Ƞ=T1-T2/T1, где Т1 - температура горячего источника, T2 - температура холодного источника.

КПД электрического двигателя

Электрический двигатель - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, так что КПД в данном случае - это коэффициент эффективности устройства в отношении преобразования электрической энергии в механическую. Формула нахождения КПД электрического двигателя выглядит так:

Ƞ=P2/P1, где P1 - подведенная электрическая мощность, P2 - полезная механическая мощность, выработанная двигателем.

Электрическая мощность находится как произведение тока и напряжения системы (P=UI), а механическая - как отношение работы к единице времени (P=A/t)

КПД трансформатора

Трансформатор - это устройство, которое преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, сохраняя частоту. Кроме того, трансформаторы также могут преобразовывать переменный ток в постоянный.

Коэффициент полезного действия трансформатора находится по формуле:

Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), где P0 - потери режима холостого хода, PL - нагрузочные потери, P2 - активная мощность, отдаваемая нагрузке, n - относительная степень нагружения.

КПД или не КПД?

Стоит заметить, что помимо КПД существует еще ряд показателей, которые характеризуют эффективность энергетических процессов, и иногда мы можем встретить описания типа - КПД порядка 130%, однако в данном случае нужно понимать, что термин применен не совсем корректно, и, вероятнее всего, автор или производитель понимает под данной аббревиатурой несколько иную характеристику.

К примеру, тепловые насосы отличаются тем, что они могут отдавать больше теплоты, чем расходуют. Так, холодильная машина может отвести от охлаждаемого объекта больше теплоты, чем затрачено в энергетическом эквиваленте на организацию отвода. Показатель эффективности холодильной машины называется холодильным коэффициентом, обозначается буквой Ɛ и определяется по формуле: Ɛ=Qx/A, где Qx - тепло, отводимое от холодного конца, A - работа, затраченная на процесс отвода. Однако иногда холодильный коэффициент называют и КПД холодильной машины.

Интересно также, что КПД котлов, работающих на органическом топливе, рассчитывается обычно по низшей теплоте сгорания, при этом он может получиться больше единицы. Тем не менее, его все равно традиционно называют КПД. Можно определять КПД котла по высшей теплоте сгорания, и тогда он всегда будет меньше единицы, однако в данном случае неудобно будет сравнивать показатели котлов с данными других установок.

Из-за того что часть теплоты при работе тепловых двигателей неизбежно передается холодильнику, КПД двигателей не может равняться единице. Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем температуры Тг и холодильником температуры Т2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно.
Идеальная тепловая машина Карно
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Все процессы в машине Карно рассматриваются как равновесные (обратимые).
В машине осуществляется круговой процесс или цикл, при котором система после ряда преобразований возвращается в исходное состояние. Цикл Карно состоит из двух изотерм и

двух, адиабат (рис. 5.16). Кривые 1 -2 и 3-4 - это изотермы, а 2-3 и 4-1 - адиабаты.
Сначала газ расширяется изотермически при температуре Т1. При этом он получает от нагревателя количество теплоты Затем он расширяется адиабатно и не обменивается теплотой с окру-жающими телами. Далее следует
изотермическое сжатие газа при о~ ^
температуре Т2. Газ отдает в этом рис g jg
процессе холодильнику количество теплоты Q2 Наконец газ сжимается адиабатно и возвращается в начальное состояние.
При изотермическом расширении газ совершает работу > 0, равную количеству теплоты При адиабатном рас-ширении 2-3 положительная работа А"3 равна уменьшению внутренней энергии при охлаждении газа от температуры 7\ до температуры Т2: А"3 = -AU12 = ЩТХ) - U (Т2).
Изотермическое сжатие при температуре Т2 требует совершения над газом работы А2. Газ совершает соответственно отри цательную работу А 2
Q2. Наконец, адиабатное сжатие требует совершения над газом работы А4 = AU21. Работа самого
Карно Никола Леонар Сади (1796- 1832) - талантливый французский инженер и физик, один из основателей термодинамики. В своем труде «Раз-мышление о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824 г.) впервые показал, что тепловые двигатели могут совершать работу лишь в процессе перехода теплоты от горячего тела к холодному. Карно придумал идеальную тепловую машину, вычислил коэффициент полезного действия идеальной машины и доказал, что этот коэффициент является максимально возможным для любого реального теплового двигателя. газа А\ = -Л4 = -At/2i = - ЩТх). Поэтому суммарная ра
бота газа при двух адиабатных процессах равна нулю.
За цикл газ совершает работу
А"= А[ + A"2=Q1 + Q2 = IQJ - |Q2|. (5.12.1)
Эта работа численно равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла (заштрихована на рис. 5.16).
Для вычисления коэффициента полезного действия нужно вычислить работы при изотермических процессах 1-2 и 3-4. Расчеты приводят к следующему результату:
(5.12.2) Коэффициент полезного действия тепловой машины Карно равен отношению разности абсолютных температур нагревателя и холодильника к абсолютной температуре нагревателя.
Можно выразить работу, совершаемую машиной за цикл, и количество отданной холодильнику теплоты Q2 через КПД ма-шины и полученное от нагревателя количество теплоты Согласно определению КПД
Л" = л Количество теплоты
Q2 = А" - = TlQi - Qi = QiOl - D- (5.12.4)
Так как t) |Q2| = (1-71)QI. (5.12.5)
Идеальная холодильная машина
Цикл Карно обратим, поэтому его можно провести в обратном направлении. Это будет уже не тепловая машина, а идеальная холодильная машина.
Процессы пойдут в обратном порядке. Работа А совершается для приведения в действие машины. Количество теплоты Qx передается рабочим телом нагревателю более высокой тем-пературы, а количество теплоты Q2 поступает к рабочему телу от холодильника (рис. 5.17). Теплота передается от холодного тела к горячему, поэтому машина и называется холодильной.?
Количество теплоты Q
"г

Количество теплоты Q2
РаботаА
ХОЛОДИЛЬНИК температуры Т2
Рис. 5.17
Но второму закону термодинамики это не противоречит: теплота переходит не сама собой, а за счет совершения работы.
Выразим количества теплоты Q1 и Q2 через работу А и КПД машины Т|. Так как согласно формуле (5.12.3) А" = riQj = -А, то

(5.12.6)
Передаваемое рабочим телом количество теплоты, как всегда, отрицательно. Очевидно, |Qj| = ^. Согласно выражению
(5.12.4) количество теплоты Q2 = QiCn ~ 1) или с учетом соотношения (5.12.3) (5.12.7)
q2= V1a>0- Такое количество теплоты получает рабочее тело от холо-дильника.
Холодильная машина работает как тепловой насос. Горячему телу передается количество теплоты Qj, большее того ко- личества, которое забирается от холодильника. Согласно фор-муле (5.12.7) Q2 = ^ -А = -Qj - А. Отсюда
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
Эффективность холодильной машины определяется отно-
шением є = -г, так как ее назначение отнимать как можно
большее количество теплоты от охлаждаемой системы при совершении как можно меньшей работы. Величина є называется холодильным коэффициентом. Для идеальной холодильной машины согласно формулам (5.12.7) и (5.12.2)
Qn Т2
т. е. холодильный коэффициент тем больше, чем меньше разность температур, и тем меньше, чем меньше температура того тела, от которого отбирается теплота. Очевидно, холодильный коэффициент может быть больше единицы. Для реальных холодильников он более трех. Разновидностью холодильной машины является кондиционер, который забирает теплоту из комнаты и передает ее окружающему воздуху.
Тепловой насос
При отоплении помещений электрообогревателями энергетически выгоднее использовать тепловой насос, а не просто нагреваемую током спираль. Насос дополнительно будет передавать в помещение количество теплоты Q2 из окружающего воздуха. Однако это не делают из-за дороговизны холодильной установки по сравнению с обычной электрической печкой или камином.
При использовании теплового насоса практический интерес представляет количество теплоты Qj, получаемое нагреваемым телом, а не количество теплоты Q2, отдаваемое холодному телу. Поэтому характеристикой теплового насоса является так на-
lQi|
зываемый отопительный коэффициент?от= .
Для идеальной машины, учитывая соотношения (5.12.6) и (5.12.2), будем иметь Єот=т^V" (5.12.10)
1 1 ~ 1 2
где 7"1 - абсолютная температура нагреваемого помещения, а Г2 - абсолютная температура атмосферного воздуха. Таким образом, отопительный коэффициент всегда больше единицы. Для реальных устройств при температуре окружающей среды t2 = 0 °С и температуре помещения t-l = 25 °С єот = 12. В помещение передается количество теплоты, почти в 12 раз превышающее количество затраченной электроэнергии.
Максимальный КПД тепловых машин
(теорема Карно)
Главное значение полученной Карно формулы (5.12.2) для КПД идеальной машины состоит в том, что она определяет максимально возможный КПД любой тепловой машины.
Карно доказал, основываясь на втором законе термодинамики, следующую теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем температуры Tt и холодильником температуры Т2, не может иметь коэффициент полезного действия, превышающий КПД идеальной тепловой машины.
Рассмотрим вначале тепловую машину, работающую по об-ратимому циклу с реальным газом. Цикл может быть любым, важно лишь, чтобы температуры нагревателя и холодильника были Т1ъТ2.
Допустим, что КПД другой тепловой машины (не работающей по циклу Карно) г\" > Г|. Машины работают с общим нагревателем и общим холодильником. Пусть машина Карно работает по обратному циклу (как холодильная машина), а другая машина - по прямому циклу (рис. 5.18). Тепловая машина совершает работу, равную согласно формулам (5.12.3) и (5.12.5)
A" = r\"Q[ = ^_,\Q"2\. (5.12.11)
Холодильную машину всегда можно сконструировать так, чтобы она брала от холодильника количество теплоты Q2 = \Q2\.

Тогда согласно формуле (5.12.7) над ней будет совершаться работа
А = (5.12.12)
Так как по условию Г|" > т|, то А" > А. Поэтому тепловая машина может привести в действие холодильную машину, да еще останется избыток работы. Эта избыточная работа совершается за счет теплоты, взятой от одного источника. Ведь холодильнику при действии сразу двух машин теплота не передается. Но это противоречит второму закону термодинамики.
Если допустить, что Т| > Т|", то можно другую машину заставить работать по обратному циклу, а машину Карно - по прямому. Мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Следовательно, две машины, работающие по обратимым циклам, имеют одинаковые КПД: г|" = Г|.
Иное дело, если вторая машина работает по необратимому циклу. Если допустить Г)" > Г), то мы опять придем к противоречию со вторым законом термодинамики. Однако допущение Г)"

Это и есть основной результат:

(5.12.13)
КПД реальных тепловых машин
Формула (5.12.13) дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, Г| = 1.
Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.
Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 = 800 К и Т2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно
Т1 - Т2
Лтах= =0,62 = 62%.
Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели внутреннего сгорания.
Коэффициент полезного действия любого теплового
двигателя не может превышать максимально воз-
Т1~Т2
можного значения Лщах = -^-» - абсолют-
11
ная температура нагревателя, а Т2 - абсолютная
температура холодильника.
Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая
техническая задача.

Тепловым называется двигатель, выполняющий работу за счет источника тепловой энергии.

Тепловая энергия (Q нагревателя ) от источника передается двигателю, при этом часть полученной энергии двигатель тратит на выполнение работы W , неизрасходованная энергия (Q холодильника ) отправляется в холодильник, роль которого может выполнять, например окружающий воздух. Тепловой двигатель может работать только в том случае, если температура холодильника меньше температуры нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя можно рассчитать по формуле: КПД = W/Q нг .

КПД=1 (100%) в том случае, если вся тепловая энергия превращается в работу. КПД=0 (0%) в том случае, если никакая тепловая энергия не превращается в работу.

КПД реального теплового двигателя лежит в промежутке от 0 до 1, чем выше КПД, тем эффективнее двигатель.

Q х /Q нг = T х /T нг КПД = 1-(Q х /Q нг) КПД = 1-(T х /T нг)

Учитывая третье начало термодинамики , которое гласит, что температуру абсолютного нуля (Т=0К) достичь невозможно, можно сказать, что невозможно разработать тепловой двигатель с КПД=1, поскольку всегда T х >0.

КПД теплового двигателя будет тем больше, чем выше температура нагревателя, и ниже температура холодильника.

Но температура холодильника практически не может быть намного ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится. Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими. Так, для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 = 800 К и T 2 = 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно: Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40%. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя не может превышать максимально возможного значения

где T 1 - абсолютная температура нагревателя, а Т 2 - абсолютная температура холодильника. Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному - важнейшая техническая задача. Коэффициент полезного действия тепловой машины Рабочее тело, получая некоторое количество теплоты Q 1 от нагревателя, часть этого количества теплоты, по модулю равную |Q2|,отдает холодильнику. Поэтому совершаемая работа не может быть больше A = Q 1 - |Q 2 |. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины:

Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по замкнутому циклу, всегда меньше единицы. Задача теплоэнергетики состоит в том, чтобы сделать КПД как можно более высоким, т. е. использовать для получения работы как можно большую часть теплоты, полученной от нагревателя. Как этого можно достигнуть? Впервые наиболее совершенный циклический процесс, состоящий из изотерм и адиабат, был предложен французским физиком и инженером С. Карно в 1824 г. 42.Энтропия. Второй закон термодинамики. Энтропи́я в естественных науках - мера беспорядка системы, состоящей из многих элементов. В частности, в статистической физике - мера вероятности осуществления какого-либо макроскопического состояния; в теории информации - мера неопределённости какого-либо опыта (испытания), который может иметь разные исходы, а значит и количество информации; в исторической науке, для экспликации феномена альтернативности истории (инвариантности и вариативности исторического процесса). Энтропия в информатике - степень неполноты, неопределённости знаний. Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при обратимых процессах, тогда как внеобратимых - её изменение всегда положительно. , где dS - приращение энтропии; δQ - минимальная теплота подведенная к системе; T - абсолютная температура процесса; Употребление в различных дисциплинах § Термодинамическая энтропия - термодинамическая функция, характеризующая меры неупорядоченности системы, то есть неоднородности расположения движения её частиц термодинамической системы. § Информационная энтропия - мера неопределённости источника сообщений, определяемая вероятностями появления тех или иных символов при их передаче. § Дифференциальная энтропия - энтропия для непрерывных распределений § Энтропия динамической системы - в теории динамических систем мера хаотичности в поведении траекторий системы. § Энтропия отражения - часть информации о дискретной системе, которая не воспроизводится при отражении системы через совокупность своих частей. § Энтропия в теории управления - мера неопределённости состояния или поведения системы в данных условиях. Энтропия - функция состояния системы, равная в равновесном процессе количеству теплоты, сообщённой системе или отведённой от системы, отнесённому к термодинамической температуре системы. Энтропия - функция, устанавливающая связь между макро- и микро- состояниями; единственная функция в физике, которая показывает направленность процессов. Энтропия - функция состояния системы, которая не зависит от перехода из одного состояния в другое, а зависит только от начального и конечного положения системы. Второе начало термодинамики - физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами. Второе начало термодинамики гласит, что невозможен самопроизвольный переход тепла от тела, менее нагретого, к телу, более нагретому. Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не должна равняться 0. Второе начало термодинамики является постулатом, не доказываемым в рамках термодинамики. Оно было создано на основе обобщения опытных фактов и получило многочисленные экспериментальные подтверждения. 43.Эффективное сечение рассеяния. Средняя длина свободного пробега молекул. Средняя длина свободного пробега молекул

Предположим, что все молекулы, кроме рассматриваемой, неподвижны. Молекулы будем считать шарами с диаметром d. Столкновения будут происходить всякий раз, когда центр неподвижной молекулы окажется на расстоянии меньшем или равном d от прямой, вдоль которой двигается центр рассматриваемой молекулы. При столкновениях молекула изменяет направление своего движения и затем движется прямолинейно до следующего столкновения. Поэтому центр движущейся молекулы ввиду столкновений движется по ломаной линии (рис. 1).

рис. 1

Молекула столкнется со всеми неподвижными молекулами, центры которых находятся в пределах ломаного цилиндра диаметром 2d. За секунду молекула проходит путь, равный . Поэтому число происходящих за это время столкновений равно числу молекул, центры которых попадают внутрь ломаного цилиндра, имеющего суммарную длину и радиус d. Его объем примем равным объему соответствующего спрямленного цилиндра, т. е. равным Если в единице объема газа находится n молекул, то число столкновений рассматриваемой молекулы за одну секунду будет равно

(3.1.2)

В действительности движутся все молекулы. Поэтому число столкновений за одну секунду будет несколько большим полученной величины, так как вследствие движения окружающих молекул рассматриваемая молекула испытала бы некоторое число соударений даже в том случае, если бы она сама оставалась неподвижной.Предположение о неподвижности всех молекул, с которыми сталкивается рассматриваемая молекула, будет снято, если в формулу (3.1.2) вместо средней скорости представить среднюю скорость относительного движения рассматриваемой молекулы. В самом деле, если налетающая молекула движется со средней относительной скоростью , то молекула, с которой она сталкивается, оказывается покоящейся, что и предполагалось при получении формулы (3.1.2). Поэтому формулу (3.1.2) следует написать в виде:

Так как углы и скорости и , с которыми сталкиваются молекулы, очевидно, являются независимыми случайными величинами, то среднее

С учетом последнего равенства формулу (3.1.4) можно переписать в виде:

Длина свободного пробега молекулы - это среднее расстояние (обозначаемое λ), которое частица пролетает за время свободного пробега от одного столкновения до следующего.

Длина свободного пробега каждой молекулы различна, поэтому в кинетической теории вводится понятие средней длины свободного пробега (<λ>). Величина <λ> является характеристикой всей совокупности молекул газа при заданных значениях давления и температуры.

Где σ - эффективное сечение молекулы, n - концентрация молекул.