КПД тепловой машины. Цикл Карно

КПД тепловой машины. Цикл Карно

***

Что такое тепловая машина? Это устройство, в котором происходит преобразование теплоты в механическую работу или, наоборот, работы в теплоту. Они бывают двух типов.

Первый тип - тепловые двигатели. Второй тип - холодильные машины.

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели совершают механическую работу за счёт подводимого количества теплоты. Примеры тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.

Тепловой двигатель работает циклами. Цикл - это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние. Для двигателя внутреннего сгорания, например, эти процессы называются тактами. Один рабочий цикл в двигателе происходит за четыре хода или такта поршня, поэтому такие двигатели называют четырёхтактными.

Для того, чтобы двигатель совершал работу, необходимо, чтобы возникла разность давлений, например, по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела, которым всегда выступает газ, на сотни или даже тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды.

Двигатель состоит из сосуда, наполненного газом, с подвижным поршнем / парового котла. Также у двигателя может быть кондесатор - специальное устройство для охлаждения и конденсации отработанного пара. Такое устройство называют холодильником. Холодильником может выступать и атмосфера.

Количество теплоты, полученное от нагревателя, могут обозначать как Q₁, количество теплоты, отданное холодильнику - как Q₂.

Тепловой двигатель создан, чтобы совершать механическую работу. Однако в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла будет передаваться холодильнику вместе с отработанным паром или выхопными газами. Соответственно, работа - это разница между количеством теплоты, полученным от нагревателя и переданным холодильнику.

Цикл теплового двигателя в координатах pV происходит по часовой стрелке.

КПД тепловой машины (двигателя)

Где и как эта тема фигурирует в ЕГЭ? Для экзамена необходимо уметь считать коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

КПД — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. КПД обозначают греческой буквой η (читается как «эта»).

Для КПД существует две основные формулы, которые могут фигурировать в нескольких видах, так как можно использовать в формуле количество теплоты, а можно работу газа и одно из количеств теплоты. А можно почленно поделить числитель на знаменатель, и тогда формула будет состоять из разности единицы и отношения количества теплоты, переданного холодильнику, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД могут измерять в процентах или долях. В задачах (особенно во второй части) более удобно использовать доли. Таким образом, значение КПД всегда меньше 100% или меньше 1, так как тепло не может самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю.

И напоминаю формулу работы газа. Количество теплоты, отданное газом, явзяется величиной отрицательной, поэтому используем модуль.

Цикл Карно

Существует целая отрасль энергетики и теплотехники - теплоэнергетика, задача которой - сделать КПД как можно более высоким, то есть использовать для получения работы как можно большую часть количества теплоты, полученного от нагревателя. И такой способ есть.

Французский физик и инженер Сади Карно в 1824 г. создал тепловую машину с наибольшим КПД. В цикле Карно при расширении или сжатии газа используют процессы, которые позволяют исключить уменьшение энергии горячего тела, происходящее без совершения работы. Как раз для этого используют изотермический и адиабатный процессы.

Данная машина совершает циклический процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Отличить изотерму от адиабаты можно по крутости графика. Адиабата всегда круче изотермы (то есть участок графика идёт более круто вверх или вниз) в сравнении с изотермой.

Цикл Карно состоит из 4 участков, участки 2-3 и 4-1 представляют собой адиабаты. В адиабатном процессе газ совершает работу (или внешние силы совершают работу над газом) без сообщения газу теплоты. Таким образом, адиабатный процесс происходит без теплообмена с окружающей средой. Остальные 2 участка цикла Карно (1-2 и 3-4) - изотермы.

Если запустить цикл Карно в обратном направлении, то машина Карно будет действовать как холодильная машина.

Максимальный КПД идеального цикла можно выразить через температуры нагревателя и холодильника.

Холодильные машины

Холодильные машины, напротив, передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника. Типичный пример холодильной машины - это холодильник. В нём тепло забирают от холодильной камеры и передают в окружающее пространство.

***