КПД теплового двигателя

7. Термодинамика
КПД теплового двигателя.
Пар или газ, расширяясь, может совершить работу. При этом внутренняя энергия пара превращается в
механическую энергию.
Тепловой двигатель — устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
Принцип работы теплового двигателя:
Q
U A - количество теплоты, переданное системе расходуется на совершение этой системой
механической работы и на увеличение ее внутренней энергии (т.е. система должно отдать тепло в окружающее
пространство) - 1-й з-н термодинамики.
Принципиальная схема работы тепловых двигателей изображена на рисунке:
Tн — температура нагревателя;
Tх — температура холодильника;
Qн — количество теплоты, переданное от нагревателя за цикл;
Qх — количество теплоты, переданное за цикл холодильнику (окружающей среде);
A = Qн –Qх — полезная работа, совершаемая рабочим телом при расширении.
Для характеристики работоспособности двигателей введено понятие коэффициента
полезного действия - КПД.
КПД теплового двигателя может быть вычислен по формуле:
A
Q
н
Q Q
н
х
Q
н
КПД может выражаться и в процентах, тогда расчетная формула будет иметь вид
A
100 %
Q
н
Q Q
н
х 100 %
Q
н
Ни один тепловой двигатель не может иметь КПД больше либо равный 100%. КПД реальных двигателей всегда
менее 100%.
Идеальная тепловая машина - машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815) - работает на идеальном газе. Цикл
работы идеальной тепловой машины – наиболее энергетически выгодный, то есть наименее энергозатратный, он
состоит из двух изотерм (в изотермических процессах все переданное системе тепло идет на совершение ею работы) и
двух адиабат (в адиабатных процессах отсутствуют теплопотери, и работа совершается за счет изменения внутренней
энергии системы):
1 - 2 - при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически ( при
температуре Тн).
2 -3 - газ расширяется адиабатно (температура рабочего тела уменьшается от
значения Тн.до значения Тх).
После контакта с холодильником:
3 -4 - изотермическое сжатие (при температуре Тх);
4 -1 - адиабатное сжатие (температура системы увеличивается от значения Тх до
значения Тн).
Максимальный КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, можно рассчитать по формуле:
T T
н х 100 %
T
н
где Тн — температура нагревателя;
Тх — температура холодильника.
Теорема Карно: КПД реальной тепловой машины не может быть больше КПД идеальной машины, работающей
в том же интервале температур.
Таким образом, при заданных температурах нагревателя и холодильника КПД идеального теплового двигателя –
максимально возможный, но тоже меньше 100%.
Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу, называется холодильной машиной.