ККД теплового двигуна

Тепловим називається двигун, який виконує роботу за рахунок джерела теплової енергії.

Теплова енергія (Qнагревателя) від джерела передається двигуну, при цьому частина отриманої енергії двигун витрачає на виконання роботи W, невитрачених енергія (Qхолодільніка) відправляється в холодильник, роль якого може виконувати, наприклад навколишнє повітря. Тепловий двигун може працювати тільки в тому випадку, якщо температура холодильника менше температури нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна можна розрахувати за формулою: ККД = W / Qнг.

ККД = 1 (100%) в тому випадку, якщо вся теплова енергія перетворюється в роботу. ККД = 0 (0%) в тому випадку, якщо жодна теплова енергія не перетворюється в роботу.

ККД реального теплового двигуна лежить в проміжку від 0 до 1, чим вище ККД, тим ефективніше двигун.

Відповідно до закону збереження енергії (перший початок термодинаміки), теплова енергія, яка потрапляє в двигун, дорівнює сумі роботи, яку виконує двигун, і теплової енергії, відданої в холодильник:

Qнг = W + Qх
W = Qнг-Qх
ККД = W / Qнг = (Qнг-Qх) / Qнг = 1 (Qх / Qнг)
Припустимо, двигун, що має ККД = 0,8, виконує роботу в 100 Дж. Скільки теплової енергії він використовує, і скільки відводить в холодильник?

Вирішити поставлене завдання не складає труднощів.

ККД = W / Qнг
0,8 = 100 / Qнг
Qнг = 100 / 0,8 = 125 Дж
W = Qнг-Qх
100 = 125-Qх
Qх = 125-100 = 25 Дж
принцип Карно
Будь-який інженер, який займається розробкою теплового двигуна, прагне розробити двигун з максимально можливим ККД. Ідеальний варіант, коли ККД = 1, в такому випадку вся, отримана двигуном, теплова енергія використовувалася б на роботу, при цьому в холодильник не надходило б нічого. Однак, в реальному житті здійснити подібне неможливо, оскільки в реальному двигуні деяка частина енергії витрачається на неминучі втрати в тертьових механізмах.

Якби інженерам вдалося винайти двигун, в якому не було б втрат, то система б завжди поверталася в початкове положення – такий процес називається оборотним. Всі реальні двигуни витрачають частину теплової енергії на подолання тертя, тому процеси називаються незворотними.

Одним з перших, хто в 19 столітті зайнявся вивченням даної проблеми, був Санді Карно, який сформулював наступний принцип (принцип Карно): жоден необоротний двигун не може володіти абсолютним ККД, як оборотний, при цьому, все оборотні двигуни, які працюють в проміжку між однаковими максимальними і однаковими мінімальними температурами, мають один і той же ККД.

Якщо на практиці винайти оборотний двигун неможливо, то ніхто не заважає ізобрасті його “на папері”. Так і вчинив Карно, який сформулював свої принципи для ідеального двигуна (двигуна Карно). Двигун Карно отримує теплову енергію від нагрівача, який має постійну температуру Tнагревателя. Відпрацьована теплова енергія йде в холодильник з постійною температурою Тхолодільніка.

Оскільки температури нагрівача і холодильника постійні, ставлення подається і відводиться теплової енергії буде дорівнює відношенню їх температур (в Кельвіна):

Qх / Qнг = TХ / Tнг
ККД = 1 (Qх / Qнг)
ККД = 1 (TХ / Tнг)
З огляду на третій початок термодинаміки, яке свідчить, що температуру абсолютного нуля (Т = 0ДО) досягти неможливо, можна сказати, що неможливо розробити тепловий двигун з ККД = 1, оскільки завжди TХ> 0.

ККД теплового двигуна буде тим більше, чим вище температура нагрівача, і нижче температура холодильника.

ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Фізика атома