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.
Работа, совершаемая двигателем, равна:
Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».
Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.
Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.
На рисунке изображены термодинамические процес-сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T 1 , работа совершается за счет измене-ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве-дения к газу количества теплоты Q :
A 12 = Q 1 ,
Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU 23 при адиабатном процессе (Q = 0 ) полностью преобразуется в механическую работу:
A 23 = -ΔU 23 ,
Температура газа в результате адиабатического рас-ширения (2-3) понижается до температуры холодильни-ка T 2 < T 1 . В процессе (3-4) газ изотермически сжимает-ся, передавая холодильнику количество теплоты Q 2 :
A 34 = Q 2 ,
Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т 1 .
Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:
.
Суть формулы выражена в доказанной С . Карно теореме о том, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД цикла Карно, осуществляемого при той же температуре нагревателя и холодильника.
Наверное, каждый задавался вопросом о КПД (Коэффициенте Полезного Действия) двигателя внутреннего сгорания. Ведь чем выше этот показатель, тем эффективнее работает силовой агрегат. Самым эффективным на данный момент времени считается электрический тип, его КПД может достигать до 90 – 95 %, а вот у моторов внутреннего сгорания, будь то дизель или бензин он мягко сказать, далек от идеала …
Если честно, то современные варианты моторов намного эффективнее своих собратьев, которые были выпущены лет так 10 назад, и причин этому масса. Сами подумайте раньше вариант 1,6 литра, выдавал всего 60 – 70 л.с. А сейчас это значение может достигать 130 – 150 л.с. Это кропотливая работа над увеличением КПД, в который каждый «шажок» дается методом проб и ошибок. Однако давайте начнем с определения.
– это значение отношения двух величин, мощности которая подается на коленчатый вал двигателя к мощности получаемой поршнем, за счет давления газов, которые образовались путем воспламенения топлива.
Если сказать простым языком, то это преобразование термической или тепловой энергии, которая появляется при сгорании топливной смеси (воздух и бензин) в механическую. Нужно отметить что такое уже бывало, например у паровых силовых установок — также топливо под воздействием температуры толкало поршни агрегатов. Однако там установки были в разы больше, да и само топливо было твердое (обычно уголь или дрова), что затрудняло его перевозку и эксплуатацию, постоянно нужно было «поддавать» в печь лопатами. Моторы внутреннего сгорания намного компактнее и легче «паровых», да и топливо намного проще хранить и перевозить.
Подробнее о потерях
Если забегать вперед, то можно уверенно сказать что КПД бензинового двигателя находится в пределах от 20 до 25 %. И на это много причин. Если взять поступающее топливо и пересчитать его на проценты, то мы как бы получаем «100% энергии», которая передается двигателю, а дальше пошли потери:
1) Топливная эффективность . Не все топливо сгорает, небольшая его часть уходит с отработанными газами, на этом уровне мы уже теряем до 25% КПД. Конечно, сейчас топливные системы улучшаются, появился инжектор, но и он далек от идеала.
2) Второе это тепловые потер и . Двигатель прогревает себя и множество других элементов, такие как радиаторы, свой корпус, жидкость которая в нем циркулирует. Также часть тепла уходит с выхлопными газами. На все это еще до 35% потери КПД.
3) Третье это механические потери . НА всякого рода поршни, шатуны, кольца – все места, где есть трение. Сюда можно отнести и потери от нагрузки генератора, например чем больше электричества вырабатывает генератор, тем сильнее он тормозит вращение коленвала. Конечно, смазки также шагнули вперед, но опять же полностью трение еще никому не удалось победить – потери еще 20 %
Таким образом, в сухом остатке, КПД равняется около 20%! Конечно из бензиновых вариантов есть выделяющиеся варианты, у которых этот показатель увеличен до 25%, но их не так много.
ТО есть если ваш автомобиль расходует топлива 10 литров на 100 км, то из них всего 2 литра уйдут непосредственно на работу, а остальные это потери!
Конечно можно увеличить мощность, например за счет расточки головки, смотрим небольшое видео.
Если вспомнить формулу то получается:
У какого двигателя самый большой КПД?
Теперь хочу поговорить о бензиновом и дизельном вариантах, и выяснить кто же из них наиболее эффективный.
Если сказать простыми, языком и не лезть в дебри технических терминов то – если сравнить два КПД – эффективнее из них, конечно же дизель и вот почему:
1) Бензиновый двигатель преобразует только 25 % энергии в механическую, а вот дизельный около 40%.
2) Если оснастить дизельный тип турбонаддувом, то можно достигнуть КПД в 50-53%, а это очень существенно.
Так почему он так эффективен? Все просто — не смотря на схожей тип работы (и тот и другой являются агрегатами внутреннего сгорания) дизель выполняет свою работу намного эффективнее. У него большее сжатие, да и топливо воспламеняется от другого принципа. Он меньше нагревается, а значит происходит экономия на охлаждении, у него меньше клапанов (экономия на трении), также у него нет, привычных нам, катушек зажигания и свечей, а значит не требуется дополнительные энергетические затраты от генератора. Работает он с меньшими оборотами, не нужно бешено раскручивать коленвал — все это делает дизельный вариант чемпионом по КПД.
О топливной эффективности дизеля
ИЗ более высокого значения коэффициента полезного действия – следует и топливная эффективность. Так, например двигатель 1,6 литра может расходовать по городу всего 3 – 5 литров, в отличие от бензинового типа, где расход 7 – 12 литров. У дизеля намного , сам двигатель зачастую компактнее и легче, а так же в последнее время и экологичнее. Все эти положительные моменты, достигаются благодаря большему значению , есть прямая зависимость КПД и сжатия, смотрим небольшую табличку.
Однако не смотря на все плюсы у него также много и минусов.
Как становится понятно, КПД двигателя внутреннего сгорания далек от идеала, поэтому будущее однозначно за электрическими вариантами – осталось только найти эффективные аккумуляторы, которые не боятся мороза и долго держат заряд.
Цикл Карно́ - обратимый круговой процесс, в котором совершается превращение теплоты в работу (или работы в теплоту). Состоит из последовательно чередующихся двух изотермических и двухадиабатных процессов, где рабочее тело - идеальный газ. Впервые рассмотрен Н. Л. С. Карно (1824) в связи с определением КПДтепловых машин. Цикл Карно - самый эффективный цикл из всех возможных, он имеет максимальный КПД.
КПД цикла Карно:
Отсюда видно, что КПД цикла Карно с идеальным газом зависит только от температуры награвателя (Tн) и холодильника (Тх).
Из уравнения следуют выводы:
1. Для повышения КПД тепловой машины нужно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;
2. КПД тепловой машины всегда меньше 1.
Цикл Карно обратим, так как все его составные части являются равновесными процессами.
Вопрос 20:
Наиболее простым и качественно верно отображающим поведение реального газа, является уравнение Ван-дер-Ваальса
Уравнение состояния газа Ван-дер-Ваальса - уравнение, связывающее основныетермодинамические величины в модели газа Ван-дер-Ваальса.
Хотя модель идеального газа хорошо описывает поведение реальных газов при низких давленияхи высоких температурах, в других условиях её соответствие с опытом гораздо хуже. В частности, это проявляется в том, что реальные газы могут быть переведены в жидкое и даже в твёрдое состояние, а идеальные - не могут.
Термическим уравнением состояния (или, часто, просто уравнением состояния) называется связь между давлением, объёмом и температурой.
Для одного моля газа Ван-дер-Ваальса оно имеет вид.
В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель , рабочее тело и холодильник .
Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.
В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.
Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.
Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Q нагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Q хол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:
A = Q нагр – |Q хол|.
В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.
КПД теплового двигателя (машины)
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.
В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q , то
Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:
Второй закон термодинамики
Существует несколько формулировок второго закона термодинамики . Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).
Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.
Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.
Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.
Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.
Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию .
КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела
Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.
На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.
|
|
Изобарно-изохорный |
|
Изохорно-адиабатный |
|
Изобарно-адиабатный |
|
Изобарно-изохорно-изотермический |
|
|
Изобарно-изохорно-линейный |
Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя
Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).
Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:
Экологические последствия работы тепловых двигателей
Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:
- Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
- Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
- Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.
Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).