Тепловий двигун види теплових ккд. ККД теплового двигуна. ККД теплового двигуна – формула визначення. Максимально можливий ККД ідеального теплового двигуна

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 та вчений Саді Карно (1796 1832) у праці «Роздум про рушійною силоювогню» (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 газомяк 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 вища температура нагрівача і нижча 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 достатньо високій температуріплавиться.

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 та кінцеві температури пари приблизно такі: При цих температурах максимальне значенняККД одно:

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

всіма 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 згорянняавтомобілів 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. яких загрозливо зростає, а очищення відпрацьованих газів утруднене. 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; добиватися повного 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?

І корисні формули.

Завдання з фізики на ККД теплового двигуна

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №1

Умова

Вода масою 175 г підігрівається на спиртівці. Поки вода нагрілася від t1 = 15 до t2 = 75 градусів Цельсія, маса спиртування зменшилася з 163 до 157 г. Обчисліть ККД установки.

Рішення

Коефіцієнт корисної дії можна обчислити як відношення корисної роботи та повної кількості теплоти, виділеної спиртовкою:

Корисна робота в даному випадку– це еквівалент кількості теплоти, яка пішла винятково на нагрівання. Його можна обчислити за відомою формулою:

Повну кількість теплоти обчислюємо, знаючи масу спирту, що згорів, і його питому теплоту згоряння.

Підставляємо значення та обчислюємо:

Відповідь: 27%

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №2

Умова

Старий двигун здійснив роботу 220,8 МДж, при цьому витративши 16 кілограмів бензину. Обчисліть ККД двигуна.

Рішення

Знайдемо загальну кількість теплоти, яку виробив двигун:

Або, помножуючи на 100, отримуємо значення ККД у відсотках:

Відповідь: 30%.

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №3

Умова

Теплова машина працює за циклом Карно, причому 80% теплоти, отриманої від нагрівача, передається холодильнику. За один цикл робоче тіло отримує від нагрівача 6,3 Дж теплоти. Знайдіть роботу та ККД циклу.

Рішення

ККД ідеальної теплової машини:

За умовою:

Обчислимо спочатку роботу, а потім ККД:

Відповідь: 20%; 1,26 Дж.

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №4

Умова

На діаграмі зображено цикл дизельного двигуна, що складається з адіабат ​​1-2 і 3-4, ізобари 2-3 та ізохори 4-1. Температури газу в точках 1, 2, 3, 4 рівні T1, T2, T3, T4 відповідно. Знайдіть ККД циклу.

Рішення

Проаналізуємо цикл, а ККД будемо обчислювати через підведену та відведену кількість теплоти. На адіабатах тепло не підводиться та не відводиться. На ізобарі 2 - 3 тепло підводиться, обсяг зростає і, відповідно, зростає температура. На ізохорі 4 – 1 тепло відводиться, а тиск та температура падають.

Аналогічно:

Отримаємо результат:

Відповідь:Див. вище.

Завдання на обчислення ККД теплового двигуна №5

Умова

Теплова машина, що працює за циклом Карно, здійснює за один цикл роботу А = 2,94 кДж та віддає за один цикл охолоджувачу кількість теплоти Q2 = 13,4 кДж. Знайдіть ККД циклу.

Рішення

Запишемо формулу для ККД:

Відповідь: 18%

Запитання на тему теплові двигуни

Запитання 1.Що таке тепловий двигун?

Відповідь.Тепловий двигун - це машина, яка здійснює роботу за рахунок енергії, що надходить до неї в процесі теплопередачі. Основні частини теплового двигуна: нагрівач, холодильник та робоче тіло.

Запитання 2.Наведіть приклади теплових двигунів.

Відповідь.Першими тепловими двигунами, які набули широкого поширення, були парові машини. Прикладами сучасного теплового двигуна можуть бути:

• ракетний двигун;
• авіаційний двигун;
• газова турбіна.

Запитання 3.Чи може ККД двигуна дорівнювати одиниці?

Відповідь.Ні. ККД завжди менше одиниці (або менше 100%). Існування двигуна з ККД рівним одиниці суперечить першому початку термодинаміки.

ККД реальних двигуніврідко перевищує 30%.

Запитання 4.Що таке ККД?

Відповідь.ККД (коефіцієнт корисної дії) - відношення роботи, яку здійснює двигун, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача.

Запитання 5.Що таке питома теплота згоряння палива?

Відповідь.Питома теплота згоряння q– фізична величина, яка показує, скільки теплоти виділяється при згорянні палива масою 1 кг. При вирішенні завдань ККД можна визначати за потужністю двигуна N і кількості палива, що спалюється за одиницю часу.

Завдання та питання на цикл Карно

Торкаючись теми теплових двигунів, неможливо залишити осторонь цикл Карно - мабуть, найзнаменитіший цикл роботи теплової машини у фізиці. Наведемо додатково кілька завдань та питань на цикл Карно з рішенням.

Цикл (або процес) Карно - це ідеальний круговий цикл, що складається з двох адіабат ​​та двох ізотерм. Названий так на честь французького інженера Саді Карно, який описав даний цикл у своїй науковій праці «Про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» (1894).

Завдання на цикл Карно №1

Умова

Ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, здійснює за цикл роботи А = 73,5 кДж. Температура нагрівача t1 = 100 ° С, температура холодильника t2 = 0 ° С. Знайти ККД циклу, кількість теплоти, що отримується машиною за один цикл від нагрівача, і кількість теплоти, що віддається за один цикл холодильнику.

Рішення

Розрахуємо ККД циклу:

З іншого боку, щоб знайти кількість теплоти, яку отримує машина, використовуємо співвідношення:

Кількість теплоти, віддана холодильнику, буде дорівнює різниці загальної кількості теплоти та корисної роботи:

Відповідь: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Завдання на цикл Карно №2

Умова

Ідеальна теплова машина, що працює за циклом Карно, здійснює за цикл роботи А=2,94 кДж і віддає за цикл холодильнику кількість теплоти Q2=13,4 кДж. Знайти ККД циклу.

Рішення

Формула для ККД циклу Карно:

Тут A – досконала робота, а Q1 – кількість теплоти, яка знадобилася, щоб її зробити. Кількість теплоти, яке ідеальна машина віддає холодильнику, дорівнює різниці двох цих величин. Знаючи це, знайдемо:

Відповідь: 17%.

Завдання на цикл Карно №3

Умова

Зобразіть цикл Карно на діаграмі та опишіть його

Рішення

Цикл Карно на діаграмі PV виглядає так:

• 1-2. Ізотермічне розширення, робоче тіло одержує від нагрівача кількість теплоти q1;
• 2-3. Адіабатичне розширення, тепло не підводиться;
• 3-4. Ізотермічний стиск, під час якого тепло передається холодильнику;
• 4-1. Адіабатичний стиск.

Відповідь:див. вище.

Питання на цикл Карно №1

Сформулюйте першу теорему Карно

Відповідь.Перша теорема Карно говорить: ККД теплової машини, що працює за циклом Карно, залежить тільки від температур нагрівача та холодильника, але не залежить ні від пристрою машини, ні від виду чи властивостей її робочого тіла.

Питання на цикл Карно №2

Чи може коефіцієнт корисної дії в циклі Карно дорівнювати 100%?

Відповідь.Ні. ККД циклу карно дорівнюватиме 100% тільки у випадку, якщо температура холодильника дорівнюватиме абсолютному нулю, а це неможливо.

Якщо у вас залишилися питання по темі теплових двигунів та циклу Карно, ви можете сміливо задавати їх у коментарях. А якщо потрібна допомога у вирішенні завдань або інших прикладів та завдань, звертайтесь до

Тепловим називається двигун, який виконує роботу за рахунок джерела теплової енергії.

Теплова енергія ( Q нагрівача) від джерела передається двигуну, при цьому частина одержаної енергії двигун витрачає на виконання роботи W, невитрачена енергія ( Q холодильника) відправляється в холодильник, роль якого може виконувати, наприклад навколишнє повітря. Тепловий двигун може працювати тільки в тому випадку, якщо температура холодильника менше температури нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна можна розрахувати за формулою: ККД = W/Q нг.

ККД=1 (100%) у тому випадку, якщо вся теплова енергіяперетворюється на роботу. ККД=0 (0%) у тому випадку, якщо ніяка теплова енергія не перетворюється на роботу.

ККД реального теплового двигуна лежить у проміжку від 0 до 1, чим вище ККД, тим ефективніший двигун.

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

Враховуючи третій початок термодинаміки, яке свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т=0К) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД=1, оскільки завжди T х >0.

ККД теплового двигуна буде тим більшою, чим вище температура нагрівача, і нижче температура холодильника.

Історично поява термодинаміки як науки було пов'язане із практичним завданням створення ефективного теплового двигуна (теплової машини).

Теплова машина

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:

• робоче тіло (зазвичай газ чи пар);
• нагрівач;
• холодильник.

1. Цикл роботи теплової машини. Автор24 - інтернет-біржа студентських робіт

На рис.1 зобразимо цикл, яким може працювати теплова машина. У цьому циклі:

• газ розширюється від обсягу $V_1$ до обсягу $V_2$;
• газ стискається від обсягу $V_2$ до обсягу $V_1$.

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:

• нагрівач, що віддає робочому тілу теплоту;
• холодильник, тіло, яке забирає від робочого тіла тепло під час стиснення.

Після виконання циклу робоче тіло і всі механізми машини повертаються до попереднього стану. 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 $Q_2$.

ККД теплової машини

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.

ККД холодильної машини

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 оборотної та незворотної теплової машини

ККД незворотного теплового двигуна завжди менше, ніж ККД оборотної машини, при роботі машин з однаковим нагрівачем і холодильником.

Розглянемо теплову машину, що складається з:

• циліндричної судини, яка закрита поршнем;
• газу під поршнем;
• нагрівача;
• холодильника.

1. Газ отримує кілька теплоти $Q_1$ від нагрівача.
2. Газ розширюється та штовхає поршень, виконує роботу $A_+0$.
3. Газ стискають, холодильнику передається теплота $Q_2$.
4. Робота відбувається над робочим тілом $A_-

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 виконати стиск газу швидко тиск близько 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.

Примітка 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).

« Фізика – 10 клас»

Що таке термодинамічна система та якими параметрами характеризується її стан.
Сформулюйте перший та другий закони термодинаміки.

Саме створення теорії теплових двигунів і призвело до формулювання другого закону термодинаміки.

Запаси внутрішньої енергії у земній корі та океанах можна вважати практично необмеженими. Але для вирішення практичних завдань мати запаси енергії ще недостатньо. Необхідно так само вміти рахунок енергії приводити в рух верстати на фабриках і заводах, засоби транспорту, трактори та інші машини, обертати ротори генераторів електричного струму і т. д. Людству потрібні двигуни - пристрої, здатні виконувати роботу. Більшість двигунів на Землі - це теплові двигуни.

Теплові двигуни- це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну роботу.

Принцип дії теплових двигунів

Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури. робочого тіла(газу) на сотні чи тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.

Одна з основних частин двигуна - посудина, наповнена газом, з рухомим поршнем. Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, який здійснює роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через T 1 . Цю температуру в парових турбінах або машинах набуває пари в паровому котлі. У двигунах внутрішнього згоряння та газових турбінах підвищення температури відбувається при згорянні палива всередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.

Роль холодильника.

У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т 2 яка зазвичай дещо вище температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є ​​атмосфера або спеціальні пристрої для охолодження та конденсації відпрацьованої пари. конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижче температури навколишнього повітря.

Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина тепла неминуче передається холодильнику (атмосфері) разом із відпрацьованим парою чи вихлопними газами двигунів внутрішнього згоряння та газових турбін.

Ця частина внутрішньої енергії палива втрачається. Тепловий двигун здійснює роботу рахунок внутрішньої енергії робочого тіла. Причому в цьому процесі відбувається передача теплоти від гарячих тіл (нагрівача) до холоднішого (холодильника). Принципова схематеплового двигуна зображено малюнку 13.13.

Робоче тіло двигуна отримує від нагрівача при згорянні палива кількість теплоти Q 1 , здійснює роботу А і передає холодильнику кількість теплоти Q 2< Q 1 .

Для того, щоб двигун працював безперервно, необхідно робоче тіло повернути в початковий стан, при якому температура робочого тіла дорівнює Т 1 . Звідси випливає, що робота двигуна відбувається по замкненим процесам, що періодично повторюються, або, як кажуть, по циклу.

Цикл- це низка процесів, у яких система повертається у початковий стан.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.

Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу на роботу теплових двигунів обумовлена ​​незворотністю процесів у природі. Якщо тепло могло мимоволі повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена на корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна. Другий закон термодинаміки може бути сформульований так:

Другий закон термодинаміки:
неможливо створити вічний двигун другого роду, який повністю перетворював би теплоту на механічну роботу.

Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:

А" = Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

де Q 1 - кількість теплоти, отриманої від нагрівача, Q2 - кількість теплоти, відданої холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називають відношення роботи А", що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Так як у всіх двигунів кілька теплоти передається холодильнику, то η< 1.

Максимальне значення ККД теплових двигунів.

Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 а також визначити шляхи його підвищення.

Вперше максимально можливий ККД теплового двигуна обчислив французький інженер і вчений Саді Карно (1796-1832) у праці "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу" (1824).

Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Ідеальна теплова машина Карно працює за циклом, що складається з двох ізотерм та двох адіабат, причому ці процеси вважаються оборотними (рис. 13.14). Спочатку посудину з газом приводять в контакт з нагрівачем, газ ізотермічно розширюється, роблячи позитивну роботу, при температурі Т 1 при цьому він отримує кількість теплоти Q 1 .

Потім посудину теплоізолюють, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому температура знижується до температури холодильника Т 2 . Після цього газ приводять у контакт з холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти Q 2 стискаючись до об'єму V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Як випливає з формули (13.17), ККД машини Карно прямо пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача та холодильника.

Головне значення цієї формули полягає в тому, що в ній вказано шлях збільшення ККД, для цього треба підвищувати температуру нагрівача або знижувати температуру холодильника.

Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 , не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини: Процеси, у тому числі складається цикл реальної теплової машини, є оборотними.

Формула (13.17) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим більша різниця температур нагрівача та холодильника.

Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1. Крім цього доведено, що ККД, розрахований за формулою (13.17), не залежить від робочої речовини.

Але температура холодильника, роль якого зазвичай грає атмосфера, практично не може бути 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.

Нині основні зусилля інженерів спрямовані підвищення ККД двигунів рахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння тощо.

Для парової турбіни початкові і кінцеві температури пари приблизно такі: Т 1 - 800 К і Т 2 - 300 К. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює 62% (зазначимо, що ККД вимірюють у відсотках). Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат приблизно дорівнює 40 %. Максимальний ККД – близько 44% – мають двигуни Дизеля.

Охорона навколишнього середовища.

Важко уявити сучасний світбез теплових двигунів Саме вони забезпечують нам комфортне життя. Теплові двигуни рухають транспорт. Близько 80% електроенергії, незважаючи на наявність атомних станцій, виробляється за допомогою теплових двигунів.

Однак під час роботи теплових двигунів відбувається неминуче забруднення довкілля. У цьому полягає протиріччя: з одного боку, людству з кожним роком необхідно дедалі більше енергії, переважна більшість якої виходить рахунок згоряння палива, з іншого боку, процеси згоряння неминуче супроводжуються забрудненням довкілля.

При згорянні палива відбувається зменшення вмісту кисню у атмосфері. Крім того, самі продукти згоряння утворюють хімічні сполуки, шкідливі для живих організмів. Забруднення відбувається не тільки на землі, а й у повітрі, тому що будь-який політ літака супроводжується викидами шкідливих домішок в атмосферу.

Одним із наслідків роботи двигунів є утворення вуглекислого газу, який поглинає інфрачервоне випромінювання Землі, що призводить до підвищення температури атмосфери. Це так званий парниковий ефект. Вимірювання показують, що температура атмосфери протягом року підвищується на 0,05 °З. Таке безперервне підвищення температури може викликати танення льодів, що, своєю чергою, призведе до зміни рівня води у океанах, т. е. до затоплення материків.

Відзначимо ще один негативний момент під час використання теплових двигунів. Так, іноді для охолодження двигунів використовується вода з річок та озер. Нагріта вода потім повертається назад. Зростання температури у водоймах порушує природну рівновагу, це явище називають тепловим забрудненням.

Для охорони навколишнього середовища широко використовуються різні очисні фільтри, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, удосконалюються конструкції двигунів Йде безперервне вдосконалення палива, що дає при згорянні менше шкідливих речовин, а також технології його спалювання. Активно розробляються альтернативні джерела енергії, які використовують вітер, сонячне проміння, енергію ядра. Вже випускаються електромобілі та автомобілі, що працюють на сонячній енергії.