Принцип действия и КПД тепловой машины.Цикл Карно и его КПД

Принцип действия и КПД тепловой машины. Цикл Карно и его КПД

10 класс

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1. Понятие теплового двигателя;

2. Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3. КПД теплового двигателя;

4. Цикл Карно.

Понятие теплового двигателя

Тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Принципиальная схема теплового двигателя

Нагреватель

температура

– количество теплоты полученное от нагревания

= - – работа, совершаемая за цикл

Рабочее

тело

– количество теплоты, отданное холодильнику

Холодильник

температура

Коэффициент полезного действия теплового двигателя

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

– количество теплоты полученное от нагревателя

– количество теплоты, отданное холодильнику

=- – работа, совершаемая двигателем за цикл.

- эту формулу используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Мощность и КПД двигателя

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

= N t

=

Тогда коэффициент полезного действия теплового двигателя равен

– удельная теплота сгорания топлива

– масса топлива, израсходованного за цикл

N – мощность двигателя

t- время работы

Карно́ Ни­ко­ла Ле­о­нар Са­ди

Карно́ Ни­ко­ла Ле­о­нар Са­ди - французский фи­зик, один из ос­но­ва­те­лей тер­мо­ди­на­ми­ки.

В своём единственном опубликованном труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» рассмотрел в общем виде вопрос о «получении движения из тепла».

Ввел в физику понятие идеального кругового процесса (цикл Карно) , впервые пришёл к выводу о том, что полезная работа производится только при переходе теплоты от нагретого тела к более холодному, причём величина работы обусловлена разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от природы вещества, которое передаёт теплоту (теорема Карно). 

Карно́ Ни­ко­ла Ле­о­нар Са­ди

(1796 – 1832гг.)

Цикл Карно

Сади Карно, выяснил при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД.

Цикл, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов является самым эффективным, имеющим максимальный КПД:

- КПД идеальной тепловой машины

A изотермический подвод тепла

B – адиабатное расширение

C – изотермический отвод тепла

D – адиабатное сжатие

КПД реального теплового двигателя

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. 

- КПД идеальной тепловой машины

, следовательно 100%

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Пути повышения КПД теплового двигателя.

Формула для КПД идеальной тепловой машины

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 = 0, КПД теплового двигателя η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть 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.

Применение тепловых двигателей

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели:

на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания;

на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками;

в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех ТЭС, АЭС для получения пара высокой температуры.

КПД различных двигателей

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

КПД различных двигателей

Двигатель

КПД двигателя

Паровой двигатель

8 %

Паровая машина

40 %

Газовая турбина

25 - 30 %

Двигатель внутреннего сгорания

18 - 24%

Дизельный двигатель

40 - 44%.

Реактивный двигатель

25%.

Задача 1

Каков КПД идеальной тепловой машины, если температура нагревателя 387а температура холодильника 27?

Дано: СИ:

= 387 660 К

= 27 300 К

__________

- ?

Задача 1

Решение:

Дано: СИ:

= 387 660 К

- КПД идеальной тепловой машины.

= 27 300 К

= 55%

__________

- ?

Ответ: 55%

Задача 2

Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: СИ:

=180км/ч 50 м/с,

V = 15 л 0,015 м 3 ,

s = 100 км 10 5  м,

= 25% 0,25,

ρ = 700 кг/м 3 ,

q = 46 10 6  Дж/кг.

_______________

Найти: N.

Решение задачи 2

КПД теплового двигателя:

= N t - работа двигателя.

Время работы двигателя t = , следовательно = .

= qm - количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина.

Масса топлива m = , следовательно = q.

Учитывая всё это, получим: = , отсюда N =

N = = 60375Вт

Ответ: N = 60375 Вт.

Задача 3.

Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано:

ɳ = 25% = 0,25

N = 4000 Вт

t = 20 с

___________

Найти: Q 1 .

Решение задачи 3

Решение:

= N t

=

= 320000Дж

Ответ: 320000 Дж

Дано:

= 25% = 0,25

N = 4000 Вт

t = 20 с

___________ - ?

Задача 4

Определите КПД двигателя автомобиля, которому для выполнения работы 110,4 МДж потребовалось 8 кг бензина.

Дано:

= 110,4 МДж 110,4 Дж

q = 4,6

m = 8 кг

______________

- ?

Решение задачи 4

Решение:

Дано:

100%

= 110,4 МДж 110,4 Дж

q = 4,6

= qm

= 4,6 8 кг = 368 Дж

m = 8 кг

100% = 30%

______________

Ответ: 30%

- ?

Задача 5

На теплоходе установлен дизельный двигатель мощностью 80 кВт с КПД 30%. На сколько километров пути ему хватит 1 т дизельного топлива при скорости движения 20 км/ч? Удельная теплота сгорания дизельного топлива 43 МДж/кг.

Дано: СИ:

= 30% = 0,3

N = 80 кВт 80 000 Вт

m = 1 т кг

= 20

q = 43

___________

- ?

Решение задачи 5

- КПД двигателя

= N t – механическая работа, где t = - время работы двигателя следовательно = .

= qm - количество теплоты, выделяющееся при сгорании топлива. Учитывая всё это, получим:

. Откуда s =

s = = 896 000 м 900 км

Домашнее задание

§ 88

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2021г. – С. 288 – 292.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. - М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

http:// kvant.mccme.ru/1973/12/teplovye_mashiny.htm