Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна

Відповідно до закону збереження енергії робота, здійснювана двигуном, дорівнює:

Тепловий двигун Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна,

де Q — кількість теплоти, отримана від нагрівача. Q2 — кількість теплоти, віддана холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називається відношення роботи A’, чиненої двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Тепловий двигун Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна,

Так як у всіх двигунів деяку кількість теплоти передається холодильника, то η < 1. ККД теплового двигуна пропорційний різниці температур нагрівача і холодильника. При T1 – T2 = 0 двигун не може працювати.

Цикл Карно.

Цикл Карно — це круговий оборотний процес, що складається з двох ізотермічних і двох адиабатических процесів.

Вперше цей процес був розглянутий французьким інженером і науковцем Н. Л. С. Карно в 1824 р. у книзі «Роздуми про рушійну силу вогню й про машини, здатних розвивати цю силу».

Метою досліджень Карно було з’ясування причин недосконалості теплових машин того часу (вони мали ККД ≤ 5 %) і пошуки шляхів їх удосконалення.

Вибір двох ізотермічних і двох адиабатических процесів був обумовлений тим, що робота газу при ізотермічному розширенні відбувається за рахунок внутрішньої енергія нагрівача, а при адиабатном процесі — за рахунок внутрішньої енергії розширюється газу. У цьому циклі виключений контакт тіл з різною температурою, отже, виключена теплопередача без учинення роботи.

Цикл Карно — найефективніший з усіх можливих. Його ККД максимальний.

Тепловий двигун Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна,

На малюнку зображені термодинамічні процеси циклу. В процесі ізотермічного розширення (1-2) при температурі T1, робота здійснюється за рахунок зміни внутрішньої енергії нагрівача, тобто за рахунок підведення газу до кількості теплоти Q:

A12 = Q1,

Охолодження газу перед стисненням (3-4) відбувається при адиабатном розширення (2-3). Зміна внутрішньої енергії ΔU23 при адиабатном процесі (Q = 0) повністю перетворюється в механічну роботу:

A23 = -ΔU23,

Температура газу в результаті адіабатичного розширення (2-3) знижується до температури холодильника T2 < T1. В процесі (3-4) газ стискується ізотермічно, передаючи холодильнику кількість теплоти Q2:

A34 = Q2,

Цикл завершується процесом адіабатичного стиснення (4-1), при якому газ нагрівається до температури Т1.

Максимальне значення ККД теплових двигунів, що працюють на ідеальному газі, по циклу Карно:

Тепловий двигун Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна,

Суть формули виражена в доведеною С. Карно теоремі про те, що ККД будь-якого теплового двигуна не може перевищувати ККД циклу Карно, здійснюваного при тій же температурі нагрівача і холодильника.

Посилання на основну публікацію