Кпд теплового двигателя равен 80 температура нагревателя если температура холодильника равна 300 к

Обновлено: 14.05.2024

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.

Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T₁. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т₁ называют температурой нагревателя.

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т₂, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q₁, совершает работу А' и передаёт холодильнику количество теплоты Q₂

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т₁, при этом он получает количество теплоты Q₁.

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т₂. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q₂, сжимаясь до объёма V₄

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое 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 счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

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 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Основы термодинамики. Тепловые явления - Физика, учебник для 10 класса - Класс!ная физика

Под полезной работой понимается работа, которую совершила тепловая машина за цикл.
КПД тепловой машины можно найти по формуле: \[\eta=\dfrac>>>\] Выразим работу, совершенную тепловой машиной за цикл: \[A_\text=\eta \cdot Q_>\] \[A_\text=0,55\cdot100\text< Дж>=55\text< Дж>\]

Тепловая машина за цикл работы получает от нагревателя количество теплоты, равное 100 Дж, и отдает холодильнику количество теплоты, равное 40 Дж. Чему равен КПД тепловой машины? (Ответ дайте в процентах.)

Тепловая машина за цикл совершает работу 50 Дж и отдает холодильнику количество теплоты, равное 100 Дж. Чему равен КПД тепловой машины? (Ответ дайте в долях единицы и округлите до сотых.)

КПД тепловой машины: \[\eta=1-\dfrac>>>>\] Зная работу тепловой машины за цикл и количество теплоты, отданное холодильнику, можно найти количество теплоты, принятое нагревателем: \[A=Q_>-Q_>\] \[Q_>=A+Q_>\] \[Q_\text=50\text< Дж>+100\text< Дж>=150\text< Дж>\] Найдем КПД тепловой машины: \[\eta=1-\dfrac>>\approx 0,33\]

Тепловая машина с КПД 60 \(\%\) за цикл работы отдает холодильнику количество теплоты, равное 100 Дж. Какое количество теплоты за цикл машина получает от нагревателя? (Ответ дайте в джоулях.)

КПД тепловой машины можно найти по формуле: \[\eta=1-\dfrac>>>>\] Выразим отсюда количество теплоты, которое машина получает от нагревателя за цикл: \[Q_>=\dfrac>>\] \[Q_\text = \dfrac>=250 \text< Дж>\]

КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, равен \(\eta= 60\%\) . Если температуру нагревателя увеличить в два раза, а температуру холодильника уменьшить в 2 раза, чему будет равен КПД тепловой машины? (Ответ дайте в процентах.)

КПД идеальной тепловой машины в первом случае: \[\eta_o=1-\dfraco>>o>>\] Выразим отсюда отношение температуры холодильника к температуре нагревателя: \[\dfraco>>o>>=1-0,6=0,4\] Найдем КПД тепловой машины во втором случае: \[\eta=1-\dfrac>>>>,\] где температура холодильника уменьшилась в два раза \(T_> = \dfraco>> \) , а температура нагревателя увеличилась в 2 раза \(T_> = 2T_o>\) . \[\eta=1-\dfrac\cdot\dfraco>>o>>\] \[\eta=1-\dfrac\cdot=0,9=90\%\]

В некотором циклическом процессе КПД двигателя 50%, за цикл газ отдаёт холодильнику 50 Дж. Чему равна теплота, отданная от нагревателя рабочему телу?

и совершает за один цикл работу 3 кДж. Количество теплоты, полученное за один цикл рабочим телом от нагревателя, равно

1) 2 кДж 2) 3 кДж 3) 6 кДж 4) 9 кДж

Известно, что , – сразу переходим к шкале температур Кельвина. Зная температуры нагревателя и холодильника, можем найти КПД машины:

КПД машины еще можно записать иначе: =" />
, откуда искомое количество теплоты: >=/=6*10^3" />
, или 6 кДж

2. КПД тепловой машины 30%. За 10 с рабочему телу машины поступает от нагревателя 3 кДж теплоты. Средняя полезная мощность машины равна

1) 9 Вт 2) 30 Вт 3) 90 Вт 4) 300 Вт

Средняя полезная мощность машины – это скорость выполнения работы, или работа, произведенная в единицу времени. Время у нас есть – 10 секунд, осталось найти производимую работу. Зная КПД, это сделать несложно:

=" />
, =0,3*3*10^3=0,9*10^3=900" />
Дж.

Вт

3.Температура холодильника тепловой машины 400 К, температура нагревателя на 200 К больше, чем у холодильника. Максимально возможный КПД машины равен

1) 1/5 2) 1/3 3) 1/2 4) 3/5

Определим температуру нагревателя: .

4. Идеальная тепловая машина работает по циклу Карно, совершая за один цикл работу 2 кДж. Количество теплоты 2 кДж рабочее тело двигателя отдает за один цикл холодильнику, температура которого

. Температура нагревателя равна

1)
2)
3)
4)

Известно, что " />
Дж, Дж. Переходим к шкале Кельвина: . Если машина идеальная и потерь тепла не происходит, то тепло, взятое от нагревателя, пойдет на выполнение работы и частично будет передано холодильнику: Дж. Тогда КПД машины ==0,5" />
, а теперь можем записать КПД через температуры нагревателя и холодильника:

=1- " />
, откуда и найдем температуру нагревателя: , К, и не забудем, что ответ нам предложено дать в градусах Цельсия: C" />

5. Иде­аль­ная теп­ло­вая ма­ши­на с тем­пе­ра­ту­рой хо­ло­диль­ни­ка 300 К и тем­пе­ра­ту­рой на­гре­ва­те­ля 400 К за один цикл своей ра­бо­ты по­лу­ча­ет от на­гре­ва­те­ля ко­ли­че­ство теп­ло­ты 10 Дж. За счёт со­вер­ша­е­мой ма­ши­ной ра­бо­ты груз мас­сой 10 кг под­ни­ма­ет­ся вверх с по­верх­но­сти земли. На какую вы­со­ту над землёй под­ни­мет­ся этот груз через 100 цик­лов ра­бо­ты ма­ши­ны?

1) 7,5 м
2) 10 м
3) 0,1 м
4) 2,5 м

Работа, которую совершает машина, пойдет на подъем груза. То есть нужно определить работу, совершаемую за цикл, и затем узнать, какая работа совершена за 100 циклов. Тело поднимается вверх, значит, его потенциальная энергия увеличивается. Вся работа, таким образом, пойдет на увеличение этой потенциальной энергии, и мы узнаем, на какую высоту подняли тело. Делаем!

Сначала работа за цикл. Известно, что Дж, К, К. КПД машины (она идеальная): =1- =1- 300/400=1/4" />
, КПД через работу: =" />
, а работа за один цикл тогда Q_1=10=2,5" />
Дж. Понятно, что за 100 циклов будет совершена в 100 раз большая работа: 250 Дж.

Теперь пора вспомнить формулу потенциальной энергии: , и, наконец, находим высоту: =250/10*10=2,5" />
м.

6. Иде­аль­ная теп­ло­вая ма­ши­на имеет тем­пе­ра­ту­ру хо­ло­диль­ни­ка 300 К и на­гре­ва­те­ля 800 К. Ко­ли­че­ство теп­ло­ты, по­сту­па­ю­щее за один цикл ра­бо­ты ма­ши­ны от на­гре­ва­те­ля к ра­бо­че­му телу, уве­ли­чи­ли на 160 Дж. Опре­де­ли­те, как и на сколь­ко из­ме­ни­лось ко­ли­че­ство теп­ло­ты, ко­то­рое отдаёт ра­бо­чее тело хо­ло­диль­ни­ку, если из­вест­но, что КПД теп­ло­вой ма­ши­ны остал­ся не­из­мен­ным?

1) уве­ли­чи­лось на 30 Дж
2) уве­ли­чи­лось на 60 Дж
3) умень­ши­лось на 60 Дж
4) умень­ши­лось на 160 Дж

Найдем КПД машины: =1- =1- 300/800=5/8" />
. КПД машины можно записать ==/Q_1=1- Q_2/Q_1=5/8" />
. Тогда , Q_1" />
.

Теперь изменим количество теплоты на 160 Дж: . Тогда (Q_1+160)=Q_1+60" />
. Итак, количество теплоты, отдаваемое холодильнику, вырастет на 60 Дж.

7. На гра­фи­ке при­ве­де­на за­ви­си­мость КПД иде­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны от тем­пе­ра­ту­ры ее хо­ло­диль­ни­ка. Чему равна тем­пе­ра­ту­ра на­гре­ва­те­ля этой теп­ло­вой ма­ши­ны?

2) 700 К
3) 1000 К
4) 1200 К

Возьмем на графике какую-нибудь точку, которой будут соответствовать целые значения КПД и температуры холодильника, например:

,

,

K.

Читайте также:

  
• Духовой шкаф бош с функцией самоочистки
  
• Миксер поларис инструкция по применению
  
• Можно ли держать самогон в морозилке
  
• Встраиваемая посудомоечная машина beko din 26420 обзор
  
• Кофе с сахаром взбить миксером как в пену