Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя: Вопрос: Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя? Ответ на вопрос – iq2u

Вопрос: Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя? Ответ на вопрос – iq2u

Точные науки Физика

Ответ:

Коэффициент полезного действия двигателя.

Что? Где? Когда? Эрудит онлайн: ответы на вопросы:

• Какая из черт отличает религию как феномен культуры?
• Какая ткань состоит из вытянутых клеток?
• Какая гора Евразии самая высокая?
• Что из перечисленного характеризует общество как динамическую систему?
• Какая из российских рек является крупнейшей в Европе?
• Какая из этих программ служит для машинного перевода текстов?
• Какая из частей операционной системы находится в ПК постоянно?
• Какая из этих групп образована по демографическому признаку?
• Какая наука изучает взаимоотношения животных между собой, с другими организмами и со средой обитания?
• Какая река была местом крещения киевлян?
• Какая из перечисленных программ относится к прикладному ПО?
• Какая клетка существует как самостоятельный организм?
• Какая задача стояла перед Древнерусским государством?
• Какая часть Африки наиболее приподнята?
• Какая температура кипения жидкости зависит от давления воздуха?

Тепловые двигатели — Физика — Презентации

Работа пара и газа при расширении. КПД теплового двигателя

Физика, 8 класс

Вперёд

Автор – Иванов Виктор Васильевич, МБОУ «СОШ с.Вязовка» Черноярского района Астраханской области, 2018 г.

1. Как изменяется внутренняя энергия пара или газа при расширении? Изменение какой физической величины свидетельствует об этом?

Жаль, ошибка…

Уменьшается; массы

Увеличивается; температуры

Подумай…

Уменьшается; температуры

Правильно!

Неверно…

Увеличивается; мощности

Вперёд

2. Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается во внутреннюю энергию газа или пара, а затем в механическую энергию, называют…

Неверно…

гидравлическими машинами

тепловыми двигателями

Правильно!

Жаль, ошибка…

простыми механизмами

Вперёд

3. Какой тепловой двигатель называют двигателем внутреннего сгорания?

Подумай…

Который имеет внутреннюю камеру сгорания топлива

У которого топливо сгорает внутри рабочего цилиндра двигателя

Правильно!

Для которого используется жидкое топливо, вводимое непосредственно в двигатель

Жаль, ошибка…

Вперёд

4. Из последовательности каких четырех тактов состоит каждый цикл работы двигателя внутреннего сгорания?

1 Впуск, расширение, воспламенение, рабочий ход

Неверно…

2 Впуск, сжатие, воспламенение, выпуск

Подумай…

3 Впуск, воспламенение, рабочий ход, выпуск

Жаль, ошибка…

4 Впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск

Правильно!

Вперёд

5. Зачем для работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания нужен маховик на его валу?

Чтобы маховик во время рабочего хода запасал энергию, нужную для работы двигателя внутреннего сгорания

Жаль, ошибка…

Чтобы маховик вращал вал двигателя в интервалах времени между рабочими ходами

Неверно…

Чтобы, получив энергию во время рабочего хода и вращаясь затем по инерции, маховик поворачивал вал двигателя для осуществления других тактов цикла его работы

Правильно!

Вперёд

6. Паровая (газовая) турбина — вид теплового двигателя

приводимого в движение струями пара (газа), давящими на лопатки дисков, находящихся на его валу

Жаль, ошибка…

Подумай…

отличающегося от двигателя внутреннего сгорания тем, что может работать на любом топливе

Неверно…

без поршня и системы зажигания топлива

для которого характерны все пункты 1,2,3

Правильно!

Вперёд

7. Наличие каких составных частей

обязательно для работы теплового двигателя?

Неверно…

Рабочего тела — пара или газа

Камера сгорания топлива или парового котла с топкой

Подумай…

Отвода отработанного пара или газа

Жаль, ошибка…

Нагревателя, рабочего тела, холодильника

Правильно!

Вперёд

8. Какая физическая величина характеризует экономичность двигателя?

Произведенная двигателем механическая работа

Подумай…

Его мощность

Жаль, ошибка…

Коэффициент полезного действия двигателя

Правильно!

Количество теплоты, полученное при сгорании топлива

Неверно…

Вперёд

9.

Коэффициент полезного действия — это физическая величина, равная

Подумай…

совершенной двигателем полезной работе

отношению произведенной двигателем полезной работы к полученной от нагревателя энергии

Правильно!

количеству теплоты, выделенной при сгорании топлива

Неверно…

Вперёд

10. По каким формулам находят коэффициент полезного действия теплового двигателя?

Жаль, ошибка…

1

2

Неверно…

3

4

Правильно!

Вперёд

12. Почему (указать главную причину) КПД теплового двигателя не может быть равен 100%?

Потому что пар (газ) отдает в тепловом двигателе только часть своей внутренней энергии и должен быть отведен в холодильник, чтобы новая порция пара могла произвести работу

Правильно!

Потому что всегда существует трение в движущихся деталях двигателя

Неверно…

Жаль, ошибка…

Потому что часть количества теплоты, выделяющегося при сгорании топлива, теряется — передается окружающим нагреватель телам

Вперёд

Подведём итоги работы

Перейди на первый вопрос. Посмотри, есть ли ошибки. Далее переходи по всем слайдам и складывай допущенные ошибки.

Если ошибок меньше 3 , то оценка « 5 ».

Если от 3 до 4 , оценка « 4 ».

Если от 5 до 6 , оценка « 3 ».

Если больше 6 , оценка « 2 ».

Проверка

Выход

Физические величины: типы, список и примеры

Физическая величина — это свойство объекта, то, что мы можем измерить с помощью инструментов или даже с помощью наших органов чувств.

Два простых примера физических величин — это масса объекта или его температура. Мы можем измерить и то, и другое с помощью инструментов, но мы также можем ощутить их руками, подняв предмет или прикоснувшись к нему.

Рис. 1 — Масса — физическая величина объекта. Масса на ускорение свободного падения дает нам вес объекта.

Какие существуют физические величины?

Существует ряд физических свойств, которые мы можем измерить. Все эти свойства связаны с размерами объекта или его строением. Семь элементарных физических величин:

• Масса: Это свойство говорит нам, сколько материи содержится в объекте. Объект с большим количеством материи имеет большую массу. Вес – это сила, действующая на массу объекта. Массу и вес часто путают. Уравнение веса: вес = масса * 92.
• Длина: это свойство, которое сообщает нам длину объекта. Это свойство связано со свойствами площади и объема.
• Время: это свойство связано с потоком событий, и оно всегда увеличивается. Как и масса, время является одним из свойств, которое не может быть отрицательным. Время говорит нам о движении вещей во Вселенной.
• Электрический заряд: это физическая величина, которая может быть положительной или отрицательной, влияет только на полярность. Это вызывает силу, действующую на материю, когда она помещена в электрическое поле. 923 молекулы вещества.
• Светимость: это мера энергии, как и температура. Светимость измеряет количество электромагнитной энергии, излучаемой объектом в виде света в единицу времени.

Разница между весом и массой

Люди постоянно путают вес и массу. Лучший способ объяснить разницу — использовать пример с мячом.

Мяч на Марсе имеет разный вес, чем на Земле. Однако материя, из которой состоит шар, остается неизменной. А если материя не меняется, то и масса тоже.

Вес — это количество силы, с которой гравитация действует на массу; это сила на массу. Таким образом, весы измеряют гравитационную силу, которая тянет вниз массу объекта.

Это также можно объяснить, используя формулу силы тяжести, которая определяет вес объекта:

Количество вещества в шаре не меняется, поэтому масса постоянна. Основное отличие — гравитация, потому что гравитация на Земле выше, чем на Марсе:

Следовательно, вес на Земле будет больше, чем на Марсе:

Что такое экстенсивные и интенсивные величины?

Физические величины делятся на две категории: экстенсивные величины и интенсивные величины. Эта классификация связана с массой объекта. Экстенсивные количества зависят от массы или размера объекта, а интенсивные — нет.

Примеры обширных физических величин

Масса и электрический заряд являются примерами обширных физических величин.

Масса зависит от размера объекта. Если у вас есть две гири из стали, и одна из них в два раза больше другой, то большая из них будет иметь удвоенную массу.

Другой пример касается электрического заряда. Если частицы объекта имеют некоторый электрический заряд, их число говорит нам, какой электрический заряд имеет объект. Если объект увеличивает свою массу, тем самым увеличивая количество частиц, электрический заряд будет больше.

Примеры интенсивных физических величин

Интенсивные физические величины не зависят от массы или размера объекта. Простыми примерами этого являются время и температура.

Мы можем измерить время, которое требуется двум объектам разной массы, чтобы переместиться из положения A в положение B. В обоих случаях время течет одинаково, независимо от состава или размера объектов.

Представьте, что у нас есть объект с температурой 100 кельвинов, которую мы делим пополам. В идеальных условиях, когда теплопередача отсутствует, две половины по-прежнему будут иметь одинаковую температуру в 100 кельвинов.

Что такое производные физические величины?

Производные физические величины — это свойства объекта, являющиеся результатом двух элементарных физических величин. Производные величины могут быть результатом отношения одной и той же физической величины (например, площади) или связи двух разных величин (например, скорости). Ниже приведены некоторые примеры производных физических величин.

Область и объем: , связанный с длиной:

Скорость и ускорение: Связано с длиной и временем:

Плотность: Связано с длиной и массой:

. отношение к ускорению и массе (на планете ускорение — это ускорение свободного падения):

Давление: отношение к силе и длине (для давления силой может быть вес, создаваемый объектом, и площадь, над которой эта сила действует относительно длины):

Каковы некоторые характеристики физических величин?

Физические величины имеют несколько характеристик, связанных с их свойствами, некоторые из которых перечислены ниже.

• Никакая физическая величина не может быть меньше нуля, за исключением значений электрического заряда и температуры.
• Некоторые физические величины могут иметь нулевое значение, например, электрический заряд или масса. В этих случаях объект электрически нейтрален (не имеет заряда) или не имеет массы (легкий).
• Некоторые физические величины являются скалярными, что означает, что они имеют только значение, но не направление. Примерами этих величин являются объем, масса и моль.
• Другие физические величины являются векторными, и в этом случае вам нужно направление, чтобы понять, что происходит. Примерами векторных величин являются скорость и ускорение.

Рис. 2 — Термометр может показывать значение ниже нуля.

Температуры ниже нуля являются результатом принятия температуры замерзания воды за нулевое (0) значение. В градусах Цельсия любая температура ниже точки замерзания воды отрицательна.

Как связаны единицы и физические величины?

Физические величины важны, потому что они позволяют нам описать объект. Объекты имеют определенную массу, определенную длину и определенное количество атомов. Единицы — это эталонные значения, которые мы используем для измерения свойств объектов.

Представьте, что вы измеряете вес двух камней. Взяв их в руки, можно сказать, что один тяжелее другого. Однако, чтобы определить их точный вес, вам необходимо сравнить их со стандартной величиной (единицей), в данном случае с килограммом.

Физические величины — ключевые выводы

• Физические величины и единицы измерения различаются. Физические величины — это физические свойства объекта, а единицы — это эталон, который мы используем для измерения свойств объекта.
• Существует два типа физических величин: элементарные величины и производные величины. Производные состоят из элементарных величин.
• Семь элементарных физических величин: масса, время, температура, моль, длина, светимость и электрический заряд.
• Некоторыми производными физическими величинами являются скорость, теплота, плотность, давление и импульс.
• Экстенсивные физические величины зависят от количества вещества или размера объекта.
• Интенсивные физические величины не зависят от количества вещества или размера объекта.
• Никакая физическая величина не может быть меньше нуля, за исключением значений электрического заряда и температуры.
• Физические величины напрямую связаны с единицами измерения в физике.

Тепловой КПД: определение, пример и двигатель

Изобретение современной паровой машины в 18 веке, несомненно, является одним из самых важных технических достижений в истории человечества. Первые паровые двигатели, изобретенные английскими инженерами Томасом Ньюкоменом и Джеймсом Уаттом, значительно ускорили промышленную революцию и сделали Великобританию новым мировым лидером в промышленности. Интересно, однако, что теоретическое понимание того, как работали эти паровые машины, было очень неточным. Не было до 19 ^й Век, когда была разработана теория тепла и движения, или Термодинамика , когда французский инженер Сади Карно, обеспокоенный промышленным превосходством Великобритании над Францией, попытался улучшить конструкцию паровых машин, рассмотрев общую модель теплоты. двигатели и их термический КПД. Это стремление к промышленной эффективности привело к созданию термодинамики как раздела теоретической физики с невероятно глубокими последствиями для нашего понимания тепла, работы и энергии. В этой статье мы углубимся в то, что такое тепловые двигатели и как мы определяем их эффективность, а затем рассмотрим цикл Карно и то, что он говорит нам о взаимосвязи между теплом и работой.

Тепловой КПД двигателя

В этой статье мы будем рассматривать термодинамическую модель теплового двигателя, чтобы объяснить концепцию теплового КПД. Итак, прежде чем более подробно рассмотреть тепловую эффективность, давайте вспомним, что именно мы подразумеваем под тепловым двигателем.

A Тепловая машина представляет собой термодинамическую систему, преобразующую теплоту в работу.

Общая модель тепловой машины представляет собой систему, обычно состоящую из газа, находящегося между двумя тепловыми резервуарами, один из которых имеет более высокую температуру, чем система, а другой — более низкую температуру. В контексте тепловой машины мы называем эти резервуары источником тепла и поглотителем соответственно. Система способна совершать работу, обозначаемую \(W\) в окружающей среде, например, толкая поршень вверх по мере расширения газа. Именно эта работа \(W\) делает двигатель полезным, например, в автомобильном двигателе эта работа используется для поворота оси, заставляющей вращаться колеса. Из-за разницы температур тепло передается от источника тепла к системе. Это обозначено \(Q_\mathrm{H}\) на рисунке 1. Часть этого тепла будет использована для совершения полезной работы в окружающей среде, в то время как часть тепла увеличит внутреннюю энергию газа, повысив его температуру. Затем разница температур между системой и радиатором вызовет поток тепла от системы к радиатору, при этом эта энергия обозначается \(Q_\mathrm{C}\).

Рис. 1. Обобщенная модель тепловой машины, как показано выше, позволяет определить тепловой КПД, не беспокоясь о точной природе потерь энергии.

Тепловой КПД Определение

Тепловые двигатели работают путем преобразования энергии, передаваемой в виде тепла, в полезную работу. Однако, как мы увидим, ни одна тепловая машина не является абсолютно эффективной, поэтому некоторое количество тепла всегда теряется в окружающую среду. Мы можем определить эту потерю тепла как отработанное тепло: чем меньше тепла теряется, тем эффективнее работает двигатель. Итак, КПД двигателя определяется количеством полезной работы, совершаемой на единицу подведенного тепла. Затем можно использовать термический КПД для количественной оценки этого КПД.

Тепловой КПД \(\eta\), или Коэффициент полезного действия, — это процент подводимого тепла \(Q\), поступающего в систему, который преобразуется системой в работу \(Вт\).

\[\eta=\frac{W}{Q}.\]

Тепловой КПД может принимать значения только между \(0\) и \(1\), \(0\%-100\%\) , в чем можно убедиться, применив первый закон термодинамики к определению \(\эта\). Рассмотрим тепловложение двигателя \(Q_\text{in}\). Предполагая, что в самом двигателе энергия не теряется, любое тепло, не преобразованное в работу, будет потеряно в виде тепла \(Q_\text{out}\) в окружающую среду. Следовательно, мы можем определить проделанную работу как \[W=Q_\text{in}-Q_\text{out}.\]

Подключив это к определению теплового КПД, мы получим

\[\begin{align}\eta&=\frac{W}{Q_\text{in}}\\&=\frac{Q_\text{in} -Q_\text{out}}{Q_\text{in}}\\&=1-\frac{Q_\text{out}}{Q_\text{in}}.\end{align}\]

Тепловой КПД может принимать значения только между \(0\) и \(1\), \(0\%-100\%\), как можно увидеть, применив первый закон термодинамики к определению для \(\eta \). Рассмотрим тепловложение двигателя \(Q_\text{in}\). Предполагая, что в самом двигателе энергия не теряется, любое тепло, не преобразованное в работу, будет потеряно в виде тепла \(Q_\text{out}\) в окружающую среду. Следовательно, мы можем определить проделанную работу как \[W=Q_\text{in}-Q_\text{out}.\]

Подключив это к определению теплового КПД, мы получим

\[\begin{align}\eta&=\frac{W}{Q_\text{in}}\\&=\frac{Q_\text{in} -Q_\text{out}}{Q_\text{in}}\\&=1-\frac{Q_\text{out}}{Q_\text{in}}.\end{align}\]

Первый закон термодинамики гарантирует, что тепло, теряемое системой, не может быть больше, чем тепло, поступающее в систему, и поэтому \(0\leq\eta\leq1\).

Первый закон термодинамики гласит, что изменение внутренней энергии системы \(\Delta U\) всегда должно быть равно разнице между теплом, подведенным к системе \(Q\), и работой выполняется системой в ее среде \(W\).

\[\Delta U=Q-W.\]

Давайте рассмотрим пример.

Если тепловой двигатель, который работает, поглощая \(500\,\mathrm{Дж}\) тепла, теряет \(200\,\mathrm{Дж}\) тепла в окружающую среду во время своего цикла, что такое тепловой КПД этого двигателя?

Ответ:

Используя приведенную выше формулу:\[\begin{align}\nu&=1-\frac{Q_\text{out}}{Q_\text{in}}\\&=1-\frac {200\,\mathrm{J}}{500\,\mathrm{J}}\\&=0,6 \quad \text{или}\quad 60\%.\end{align}\]

Как вы знаете, если вы когда-нибудь видели перегрев двигателя автомобиля, большинство тепловых двигателей крайне неэффективны. Например, средний дизельный двигатель работает с КПД около \(25\%\), а даже самый эффективный из тепловых двигателей может достигать только \(50\%-60\%\). Большая часть этой неэффективности связана с потерями тепла и силами трения внутри двигателя, а также с потерями в процессе сгорания. Однако, как мы увидим при исследовании цикла Карно, совершенная эффективность невозможна даже для идеализированных Реверсивные двигатели в соответствии с 2 ^и Законом термодинамики.

Пример тепловой эффективности

Многие устройства и технологии, необходимые в современном обществе, основаны на этой простой модели теплового двигателя, и повышение эффективности этих устройств может помочь снизить потребление энергии. Например, при покупке холодильника перед покупкой важно сравнить коэффициент полезного действия (КПД) разных моделей. Холодильник представляет собой своего рода тепловую машину в обратном направлении, в которой работа, выполняемая окружающей средой в системе, обычно в виде компрессора, для извлечения тепла из холодного резервуара (внутри холодильника) и откачки его в горячий резервуар (наружная комната).

Рис. 2. Холодильник можно представить как тепловую машину, работающую в обратном направлении, извлекающую тепло из холодного резервуара и перекачивающую его в горячий резервуар, совершая работу.

Это означает, что для холодильников КПД определяется обратно пропорционально тепловому КПД тепловой машины, так как в данном случае нас интересует, сколько тепла может быть извлечено за единицу работы. Здесь «отработанное» тепло — это тепло, переданное в систему окружающей средой \(Q_\text{in}\).

\[\begin{align}COP &= \frac{Q_\text{out}}{W_\text{in}} \\&=\frac{Q_\text{out}}{Q_\text{in }-Q_\text{out} }\\&=\frac{Q_\text{out}}{Q_\text{in}}-1\end{align}\]

Это означает, что, в отличие от теплового КПД, КПД может принимать значения больше единицы, чем выше КПД, тем больше тепла отводится за единицу работы.

Среднестатистический современный холодильник работает с КПД \(1,37.\) Если мощность холодильника составляет \(300\,\mathrm{Вт}\), сколько тепла извлекается из внутренней части холодильника в одна минута?

Ответ:

Сначала нам нужно рассчитать, какую работу совершает холодильник за одну минуту, это можно найти из определения мощности. \[\begin{align}\text{Power}&=\frac {\text {Выполненная работа}}{\text {Время}}\\ подразумевает \text{Выполненная работа}=\text{Мощность}\cdot\text{Время}\\\ подразумевает W&=300\,\mathrm{W }\cdot60\,\mathrm{s}\\&=18000\,\mathrm{J}\end{align}\]

Сочетание этого с определением COP дает нам количество удаленного тепла\[\begin{align}Q_\text{out}&=COP\cdot W\\&=1,37\cdot18\,000\,\mathrm{J} \\&=24\,660\,\mathrm{J}\end{align}\]

Тепловой КПД цикла Карно

Мы коснулись идеи, что даже для идеализированной обратимой тепловой машины \( 100\%\) КПД невозможен. Впервые это понял французский физик и инженер Сади Карно, который установил верхний предел теплового КПД тепловой машины, рассмотрев идеальный термодинамический процесс, теперь известный как цикл Карно.

Рис. 3. Сади Карно (1796-1832) получил прозвище «Отец термодинамики» благодаря своей работе над тепловыми двигателями и тепловым КПД.

Цикл Карно является наиболее эффективной тепловой машиной, потому что это обратимый процесс. В обратимом процессе энергия не теряется в окружающую среду или из-за диссипативных сил, таких как трение. Определяющей чертой обратимого процесса является отсутствие изменения чистой энтропии в системе в конце процесса.

А обратимый термодинамический процесс — это процесс, который переводит систему из некоторого начального состояния через цикл различных термодинамических состояний, прежде чем вернуть ее обратно в точное начальное состояние.

Обратимых процессов в природе не наблюдается, так как практически невозможно предотвратить возникновение сил трения как между самими молекулами жидкости, так и внутри компонентов системы, таких как поршень в тепловом двигателе. Таким образом, цикл Карно не является работающей тепловой машиной, однако он предлагает простую иллюстрацию взаимосвязи между такими величинами, как теплота, работа и температура в тепловых машинах. Давайте теперь посмотрим на особенности цикла Карно.

Цикл Карно

Цикл Карно рассматривает тепловую машину, описанную в начале этой статьи, в которой идеальный газ удерживается между двумя тепловыми резервуарами, один при \(T_\mathrm{H}\), а другой при \( T_\mathrm{C}\), с \(T_\mathrm{H}>T_\mathrm{C}\). Работа может совершаться газом над окружающей средой (или наоборот) с помощью подвижного поршня. Цикл состоит из четырех различных термодинамических процессов: изотермического расширения, изэнтропического расширения, изотермического сжатия и изэнтропического сжатия. Этот список довольно громоздкий, поэтому давайте рассмотрим некоторые определения. Во-первых, сжатие и расширение относятся к влиянию процесса на объем газа.

Сжатие — Процесс уменьшения объема газа за счет того, что среда совершает над ним работу. В случае с тепловым двигателем эта работа выполняется за счет перемещения поршня вниз.

Расширение — Процесс увеличения объема газа за счет того, что он совершает работу над окружающей средой. В тепловом двигателе газ расширяется, толкая поршень вверх.

В то время как изотермические и изоэнтропические относятся к условиям, при которых происходит процесс, и какое количество остается постоянным на всем протяжении.

Изотермический — Термодинамический процесс, во время которого система поддерживает постоянную температуру.

Изэнтропический — Это обратимый адиабатический процесс, означающий, что нет чистого изменения энтропии в конце процесса (обратимый) и что между системой и окружающей средой не происходит теплообмена на протяжении всего процесса (адиабатический).

Имея в виду эти определения, давайте пройдемся по четырем стадиям цикла Карно.

1. Изотермическое расширение: Изначально идеальный газ находится в тепловом контакте с горячим резервуаром, будучи теплоизолированным от холодного резервуара. Температура газа бесконечно мала, чем в горячем резервуаре, что позволяет передавать тепло без какого-либо изменения температуры газа. Эта передача тепла \(Q_\mathrm{H}\) заставляет газ расширяться, при этом вся тепловая энергия расходуется на работу, толкающую поршень вверх, поэтому температура не меняется. Согласно закону идеального газа, при расширении газа при постоянной температуре происходит соответствующее падение давления. Теплоперенос соответствует увеличению энтропии газа.

   \[\Delta S_\mathrm{H}=\frac{Q_\mathrm{H}}{T_\mathrm{H}}.\]

2. Изэнтропическое расширение: Затем газ термически изолирован от оба резервуара, поэтому передача тепла не может происходить. Однако расширение продолжается из-за увеличения давления, заставляющего газ совершать работу над поршнем. Эта работа, совершаемая газом, вызывает уменьшение его внутренней энергии, поэтому газ охлаждается до температуры бесконечно малой, превышающей \(T_\mathrm{C}\). Поскольку нет теплопередачи, энтропия не меняется.

3. Изотермическое сжатие: Теперь газ термически изолирован от горячего резервуара, но находится в тепловом контакте с холодным резервуаром. Поршень работает над газом, сжимающим его, при этом вся эта работа преобразуется в отработанное тепло \(Q_\mathrm{C}\), теряемое в холодном резервуаре, поэтому температура не меняется. Сжатие при постоянной температуре вызывает увеличение давления. Существует уменьшение энтропии газа, определяемое выражением \(\Delta S_\mathrm{C}=\frac{Q_\mathrm{C}}{T_\mathrm{C}}\).

4. Изэнтропическое сжатие: Газ снова термически изолирован от обоих резервуаров, при этом работа над ним продолжается со стороны окружающей среды. Эта работа, совершаемая над газом, увеличивает внутреннюю энергию газа, повышая температуру до бесконечно малого значения, меньшего, чем \(T_\mathrm{H}\), и возвращая систему в исходное состояние. В этой точке энтропия не меняется, так как нет теплопередачи.

Цикл Карно часто представляют в виде замкнутой траектории вокруг графика давление-объем, как показано на рис. 3. Кривая AB следует по траектории при фиксированной температуре, известной как изотерма , представляющая начальное изотермическое сжатие. BC представляет собой адиабатическое сжатие, наблюдаемое по тому факту, что на этом пути отсутствует теплообмен. Затем цикл завершается кривой CD, следующей за изотермой более низкой температуры, прежде чем DA возвращает систему в исходное состояние. Обратите внимание, что работа, выполненная системой, определяется площадью, ограниченной кривой.

Рис. 3. Цикл Карно можно представить в виде замкнутой кривой на графике давление-объем, как показано выше. Шаг 1 следует по кривой AB, шаг 2 следует по кривой BC, шаг 3 следует по CD, а шаг 4 следует по DA.

Итак, что этот цикл может рассказать нам о тепловом КПД тепловой машины? Что ж, давайте сначала посмотрим, как меняется энтропия системы на протяжении всего процесса. Как обратимый процесс, в цикле Карно не может быть никакого изменения чистой энтропии. Отсюда \[\Delta S_\mathrm{H}+\Delta S_\mathrm{C}=\Delta_{\text{net}}=0\]

Применяя определение энтропии, \(\Delta S=\frac {Q}{T}\), мы находим связь между теплотой, передаваемой между системой и тепловыми резервуарами, и температурой этих тепловых резервуаров.\[\begin{align}\frac{Q_\mathrm{H}} {T_\mathrm{H}}+\frac{Q_\mathrm{C}}{T_\mathrm{C}}&=0\\\ подразумевает \frac{Q_\mathrm{H}}{T_\mathrm{H }}&=-\frac{Q_\mathrm{C}}{T_\mathrm{C}}\\\ подразумевает \frac{Q_\mathrm{C}}{Q_\mathrm{H}}&=-\frac {T_\mathrm{C}}{T_\mathrm{H}}\end{align}\]

Применение этого к определению эффективности дает \[\eta=1+\frac{Q_\mathrm{C}}{Q_\mathrm{H}}=1-\frac{T_\mathrm{C}}{T_ \mathrm{H}}. \]

Это основное свойство обратимых тепловых машин, их эффективность определяется только температурами резервуаров, между которыми они работают. Чем больше соотношение между \(T_\mathrm{H}\) и \(T_\mathrm{C}\), при \(T_\mathrm{C}термодинамике. \mathrm{h}\)>

Если обратимая тепловая машина работает между двумя тепловыми резервуарами, один при \(T_1=300\,\mathrm{K}\) и один при \(T_2=400\,\mathrm{K}\), каков его тепловой КПД?

Ответ:

Используя приведенное выше уравнение, мы находим эффективность как \[\begin{align}\eta&=1-\frac{T_1}{T_2}\\&=1-\frac{300\,\ mathrm{K}}{400\,\mathrm{K}} \\&=25\%.\end{align}\]

2

^nd Закон тепловой эффективности

Сэди Карно поняла, что из-за отсутствия любой потери энергии в обратимом двигателе, КПД обратимого теплового двигателя является максимально возможным КПД любого теплового двигателя. Это было резюмировано в его весьма влиятельной теореме.

Теорема Карно утверждает, что тепловая машина, работающая между двумя тепловыми резервуарами \(T_\mathrm{H},T_\mathrm{C}\), не может иметь КПД больше, чем у обратимой тепловой машины (тепло Карно двигатель), работающий между одними и теми же двумя температурами.

Как мы видели, эффективность обратимой тепловой машины определяется только температурами тепловых резервуаров, между которыми она работает.

\[\eta=1-\frac{T_\mathrm{C}}{T_\mathrm{H}}.\]

Это уравнение говорит нам, что единственный способ для \(\eta\) равняться единице, если \(T_\mathrm{C}=0\,\mathrm{K}\), известный как абсолютный нуль. Однако третий закон термодинамики запрещает любой системе когда-либо достигать абсолютного нуля, поэтому мы видим, что наша обратимая тепловая машина не может иметь идеальный КПД.

Третий закон термодинамики гласит, что термодинамическая система не может достичь абсолютного нуля за конечное число шагов. , и никакой тепловой двигатель не может иметь больший КПД, чем двигатель Карно, по теореме Карно, то все двигатели должны иметь тепловой КПД меньше единицы.\[\begin{align}\eta&<1\\\frac{W} {Q_\text{in}}&<1\\W&

Это показывает, что тепловая энергия никогда не может быть полностью преобразована в работу во время циклического процесса, такого как тепловой двигатель. Этот факт известен как заявление Кельвина о втором законе термодинамики.

Заявление Кельвина о 2 ^nd Закон термодинамики: Невозможно полностью преобразовать тепло во время циклического процесса.

Тепловой КПД – основные выводы

• Тепловая машина – это термодинамическая система, преобразующая переданную ей энергию в виде тепла в полезную работу. Распространенной моделью тепловой машины является газ, находящийся в тепловом контакте с двумя резервуарами, один из которых имеет более высокую температуру, чем газ \(T_\mathrm{H}\), а другой — более низкую температуру \(T_\mathrm{C}\). ).
• Тепловой КПД тепловой машины – это отношение работы, выполненной системой, к подведенной системе теплоте\[\eta=\frac{W}{Q}.\]
• Тепловой КПД тепловой машины двигатель можно представить в терминах подводимой теплоты из горячего резервуара \(Q_\mathrm{H}\) и отходящего тепла, теряемого в холодный резервуар \(Q_\mathrm{C}\)\[\eta=\frac{ Q_\mathrm{H}-Q_\mathrm{C}}{Q_\mathrm{H}}=1-\frac{Q_\mathrm{C}}{Q_\mathrm{H}}.