Тепловые машины. Коэффициент полезного действия. Цикл Карно.

Тепловые машины

Тепловой машиной называется периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.

КПД

Коэффициент полезного действия (КПД) — характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой; обозначается обычно η. КПД является безразмерной величиной и часто измеряется в процентах.

Максимальным КПД обладают машины у которых только обратимые процессы.

η - коэффициент полезного действия(КПД) теплового двигателя

Аполезн - полезная работа, совершенная двигателем, Дж.

Q – общее количество теплоты, полученное двигателем, Дж.

КПД=

КПД – коэф. полезного действия теплового двигателя

Q1 - количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя.

Q2 - количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику

Цикл Карно(в его случае только обратимый)

Основываясь на втором начале термодинамики, Карно вывел теорему, носящую его имя.

Теорема карно

Из всех периодически действующих тепловых машин, имеющих одинаковые температуры нагревателей и холодильников, наибольшим КПД обладают обратимые машины. Причем КПД обратимых машин, равны друг другу и не зависят от конструкции машины и от природы рабочего вещества.
При этом КПД меньше единицы.

Цикл, изученный Карно, является самым экономичным и представляет собой круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Тепловой машиной называется периодически действующий двигнатель, совершающий работу за счет, получаемого изве тепла и имеющего нагрватель,холодильник и рабочее тело.

Будем считат, что нагрватель и холодильник имеют бесконченую теплоемкость, т.е. их температуры не изменяются в процессе передачи тепла.

Как видим, на всех стадиях крувого процесса нигде не допускается сопрокосновенность тел с разной температурой, т.е. нет необратимых процессов теплопроводности. Весь цикл проводится обратимо(бесконечно медленно), значит η-max.

Из равенства следует

Итак, полезная работа A =

КПД η равен: η= = =1- =1-

Видно, что η <1 зависит от разности температур между нагревателем и холодильником (и не зависит от конструкции машины и рода рабочего тела).
Это еще одна формулировка теоремы Карно.
Цикл Карно, рассмотренный выше, был на всех стадиях проведен так, что не было необратимых процессов, (не было соприкосновения тел с разными температурами). Поэтому здесь самый большой КПД. БОЛЬШЕ ПОЛУЧИТЬ В ПРИНЦИПЕ НЕВОЗМОЖНО.

26. Тепловые машины. Абсолютная термодинамическая шкала температур

Тепловые машины

Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.

Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние. Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.
Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой.

Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар).

Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла.
Если охладить пар, то его легче сжать, следовательно, работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.

Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты.

Обратный цикл используется в холодильных машинах – периодически действующих установках, в которых за счет работы внешних сил теплота Q₂ от холодного тела переносится к телу с более высокой температурой