Arskama.ru

Автомобильный журнал
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое эффективность теплового двигателя

Второй закон термодинамики. Энтропия. Определение энтропии. Эффективность теплового двигателя. Тепловой цикл Карно. Неубывание энтропии

2-й закон термодинамики. Энтропия. Определение энтропии. Эффективность теплового двигателя. Тепловой цикл Карно. Неубывание энтропии. Вариант для печати.

Второй закон связан с понятием энтропии, являющейся мерой хаоса (или мерой порядка). Второй закон термодинамики гласит, что для вселенной в целом энтропия возрастает.

Существует два классических определения второго закона термодинамики :

  1. Кельвина и Планка: Не существует циклического процесса, который извлекает количество теплоты из резервуара при определенной температуре и полностью превращает эту теплоту в работу. (Невозможно построить периодически действующую машину, которая не производит ничего другого, кроме поднятия груза и охлаждения резервуара теплоты)
  2. Клаузиуса: Не существует процесса, единственным результатом которого является передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому. (Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет охлаждения теплового резервуара)

Оба определения второго закона термодинамики опираются на первый закон термодинамики, утверждающий, что энергия убывает. Второй закон связан с понятием энтропии (S).

Энтропия порождается всеми процессами, она связана с потерей системы способности совершать работу. Рост энтропии — стихийный процесс. Если объем и энергия системы постоянны, то любое измение в системе увеличивает энтропию. Если же объем или энергия системы меняются, энтропия системы уменьшается. Однако, энтропия вселенной при этом не уменьшается.

Для того, чтобы энергию можно было использовать, в системе должны быть области с высоким и низким уровнями энергии. Полезная работа производится в результате передачи энергии от области с высоким уровнем энергии к области с низким уровнем энергии.

  • 100% энергии не может быть преобразовано в работу
  • Энтропия может вырабатываться, но не может быть уничтожена

Эффективность теплового двигателя

Эффективность теплового двигателя, действующего между двумя энергетическими уровнями , определена в пересчете на абсолютные температуры

  • η = ( Th — Tc ) / Th = 1 — Tc / Th
    • где
    • η = эффективность
    • Th = верхняя граница температуры (K)
    • Tc = нижняя граница температуры (K)

Для того, чтобы достичь максимальной эффективности Tc должна быть на столько низкой, на сколько это возможно. Чтобы эффект был 100% -м, Tc должна равнятся 0 по шкале Kельвина. Практически это невозможно, поэтому эффективность всегда меньше 1 (менее 100%).

  • Изменение энтропии > 0 Необратимый процесс
  • Изменение энтропии= 0 Двусторонний процесс (обратимый)
  • Изменение энтропии

Изменение энтропии системы вызвано изменением содержания тепла в ней. Изменение энтропии равно изменению тепла системы деленной на среднюю абсолютную температуру ( Ta):

Тепловой цикл Карно. Цикл Карно— идеальный термодинамический цикл.

dS = dH / Ta Сумма значений (dH / T) для каждого полного цикла Карно равна 0. Это происходит из-за того, что каждому положительному H противостоит отрицательное значение H.

В тепловом двигателе, газ (реверсивно) нагревается (reversibly heated), а затем охлаждается. Модель цика следующая: Положение 1 —( изотермическое расширение) —> Положение 2 —( адиабатическое расширение) —> Положение 3 —(изотермическое сжатие) —> Положение 4 —(адиабатическое сжатие) —> Положение 1

  • Положение 1 — Положение 2: Изотермическое расширение
    • Изотермическое расширение. В начале процесса рабочее тело имеет температуру Th , то есть температуру нагревателя. Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты QH. При этом объём рабочего тела увеличивается. QH=∫Tds=Th (S2-S1) =Th ΔS
  • Положение 2 — Положение 3: Адиабатическое расширение
    • Адиабатическое (изоэнтропическое) расширение. Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура уменьшается до температуры холодильника.
  • Положение 3 — Положение 4: Изотермическое сжатие
    • Изотермическое сжатие. Рабочее тело, имеющее к тому времени температуру Tc, приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься, отдавая холодильнику количество теплоты Qc. Qc=Tc(S2-S1)=Tc ΔS
  • Положение 4 — Положение 1: Адиабатическое сжатие
    • Адиабатическое (изоэнтропическое) сжатие. Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя.

При изотермических процессах температура остаётся постоянной, при адиабатических отсутствует теплообмен, а значит, сохраняется энтропия. Поэтому цикл Карно удобно представить в координатах T и S (температура и энтропия). Законы термодинамики были определены эмперическим путем (эксперементально). Второй закон термодинамики — это обощение экспериментов, связанных с энтропией. Известно, что dS системы плюс dS окружающей среды равно или больше 0 — закон неубывания энтропии. Энтропия адиабатически изолированной системы не меняется!

Пример — Энтропия при нагревании воды

  • Процесс нагревания 1 кг воды от при нормальных условиях.C (273 до 373 K) o 0 до 100
    • C = 0 кДж/кг (удельная — на единицу массы) o при 0 см. удельная энтальпия для воды
    • Удельная энтальпия для воды при 100 o C = 419 кДж/кг
      • Изменение удельной энтропии :
      • dS = dH / Ta= ((419 кДж/кг) — (0 кДж/кг)) / ((273 К + 373 К)/2)= 1.297 кДж/кг*К

Пример — Энтропия при испарении воды

  • Процесс превращения 1 кг воды при 100 o C (373 K) в насыщенный пар при 100 o C (373 K) при нормальных условиях.
    • Удельная энтальпия пара при 100 o C (373 K) до испарения = 0 кДж/кг
    • Удельная теплота парообразования 100 o C (373 K) при испарении = 2 258 кДж/кг
      • Изменение удельной энтропии:
      • dS = dH / Ta= (2 258 — 0) / ((373 + 373)/2)= 6.054 кДж/кг*К

Полное изменение удельной энтропии испарения воды — это сумма удельной энтропии воды (при 0 o C) плюс удельная энтропия пара (при температуре 100 o C).

Читать еще:  Что такое двигатель с анодным слоем

КПД квантового теплового двигателя впервые превысил максимальный КПД классического двигателя

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

Физики из Великобритании и Израиля построили первый квантовый тепловой двигатель, эффективность которого превышает максимальную эффективность классического теплового двигателя. В качестве рабочего тела такого двигателя выступают два когерентных энергетических уровня NV-центра с наименьшей энергией, а в качестве тепловых резервуаров — возбужденные уровни. Работу, совершаемую двигателем, ученые измеряли с помощью микроволновых импульсов. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics, препринт работы выложен на сайте arXiv.org.

Классический тепловой двигатель превращает тепло в работу, периодически нагревая и охлаждая рабочее тело. В рамках классической термодинамики можно показать, что максимальным коэффициентом полезного действия (КПД) среди тепловых двигателей обладает двигатель Карно, цикл которого состоит из периодов изотермического и адиабатического расширения и сжатия. На практике эффективность тепловых двигателей, работающих при сравнимых температурах нагревателя и холодильника, значительно ниже, чем у двигателя Карно. В частности, КПД паровых машин примерно в два раза меньше максимального достижимого КПД.

Теоретически эффективность теплового двигателя можно повысить за счет квантовых эффектов, которые не учитывает классическая термодинамика. Первыми такую возможность рассмотрели около шестидесяти лет назад физики Генри Сковил (Henry Scovil) и Эрих Шульц-Дюбуа (Erich Schulz-DuBois), которые связали эффективность трехуровневого мазера с эффективностью цикла Карно. А в 2015 году группа физиков под руководством Раама Уздина (Raam Uzdin) наконец разработала схему квантового двигателя, эффективность которого превышает эффективность цикла Карно. Для этого ученые рассмотрели двигатель, который работает в так называемом режиме малого действия (small-action limit), то есть совершает за цикл работу, малую по сравнению с постоянной Планка. В этом режиме корреляции между энергетическими уровнями двигателя играют важную роль, а потому могут существенно повысить его эффективность. Впрочем, подтвердить это предположение на практике физики не смогли.

Группа ученых под руководством Джеймса Клатцова (James Klatzow) наконец проверила предположение группы Уздина и построила квантовый двигатель, эффективность которого превышает эффективность классического двигателя, работающего в тех же условиях. Чтобы построить такой двигатель, физики использовали NV-центры — точечные дефекты алмаза, которые возникают при замещении атома углерода атомом азота. С одной стороны, такой центр ведет себя как водородоподобный атом; с другой стороны, заселенность его энергетических уровней удобно контролировать и измерять с помощью вспышек лазера. Во внешнем магнитном поле NV-центр можно рассматривать как когерентный магнитный двигатель, в котором два уровня с самой низкой энергией выступают в качестве рабочего тела, а возбужденные уровни моделируют тепловые резервуары с разными температурами. Чтобы связать рабочее тело с тепловыми резервуарами и извлечь из него работу, ученые светили на NV-центр оптическим и микроволновым лазером. Кроме того, ученые контролировали когерентность двух квантовых состояний рабочего тела в начале каждого цикла, изменяя продолжительность «теплового» лазерного импульса.

Схема эксперимента (a) и фотография установки (b)

James Klatzow et al. / Physical Review Letters, 2019

ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ МАШИН. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей: 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.

Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.

T1 – температура нагревателя;

T2 –температура холодильника;

Q1 – теплота, полученная

Q2 – теплота, отданная

A’ – работа, выполненная

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклических процессов – циклов. Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Читать еще:  Z16xer схема управления двигателем

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: .

Французский инженер Сади Карно рассмотрел идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно. КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре и холодильником при температуре : . Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.

КПД тепловых двигателей невысок, поэтому важнейшей технической задачей является его повышение. Тепловые двигатели имеют два существенных недостатка. Во-первых, в большинстве тепловых двигателей используется органическое топливо, добыча которого быстро истощает ресурсы планеты. Во-вторых, в результате сгорания топлива в окружающую среду выбрасывается огромное количество вредных веществ, что создает значительные экологические проблемы.

С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин связано открытие в 1850 г. немецким физиком Р. Клазиусом второго начала термодинамики: невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

Физические величины и их единицы измерения:

Наименование величинаОбозначениеЕдиница измеренияФормула
Относительная молекулярная массаMr (эм эр)безразмерная величина
Масса одной молекулы (атома)mкг
Массаmкг
Молярная массаM
Количество веществаν (ню)моль (моль) ;
Число частицN (эн)безразмерная величина
Давлениеp (пэ)Па (паскаль)
Концентрацияn (эн)
ОбъёмV (вэ)
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы Дж (джоуль)
Температура по шкале Цельсияt°C
Температура по шкале КельвинаTК (кельвин)
Средняя квадратичная скорость молекул
Поверхностное натяжениеσ (сигма)
Абсолютная влажностьρ (ро)
Относительная влажностьφ (фи)%
Внутренняя энергияU (у)Дж (джоуль)
РаботаА (а)Дж (джоуль)
Количество теплотыQ (ку)Дж (джоуль)

Физические постоянные:

Атомная единица массы 1а.е.м.=1,6606∙10 -27 кг.

Масса молекулы углерода mc = 1,995∙10 -26 кг.

Число Авогадро NA=6,02∙10 23 моль -1

Постоянная Больцмана k=1,38∙10 -23 .

Универсальная газовая постоянная R=8,31

1. Развина Т. И. и др. Физика для школьника и абитуриента. – Минск: Сэр-Вит, 2009. – 296 с.

2. Жилко В. В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения – Мн.: Нар. асвета, 2002. – 282 с.: ил.

3. Жилко В. В. Физика: Учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. учреждений с рус. яз. обучения с 12-летним сроком обучения – 2-ое изд., исправленное. – Минск.: Нар. асвета, 2008. – 359 с.: ил.

4. Буров Л. И., Стрельченя В. М. Физика от А до Я. – Мн.: Парадокс, 2000. — 560с.

ФИЗИКА. Учебное пособие для учащихся.

Часть 1. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.

Составитель: Зинковский В. Н. — преподаватель физики УО «Жлобинский ГПТК»

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.003 с) .

КПД теплового двигателя с формулой

Вы будете перенаправлены на Автор24

Исторически появление термодинамики как науки было связано с практической задачей создания эффективного теплового двигателя (тепловой машины).

Тепловая машина

Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу за счет поступающей к двигателю теплоты. Данная машина является периодической.

Тепловая машина включает в себя следующие обязательные элементы:

  • рабочее тело (обычно газ или пар);
  • нагреватель;
  • холодильник.

Рисунок 1. Цикл работы тепловой машины. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

На рис.1 изобразим цикл, по которому может работать тепловая машина. В этом цикле:

  • газ расширяется от объема $V_1$ до объема $V_2$;
  • газ сжимается от объема $V_2$ до объема $V_1$.

Для того чтобы получить работу, которую выполняет газ, большей чем ноль, давление (следовательно, температура) в процессе расширения должно быть больше, чем в процессе сжатия. С этой целью газ в процессе расширения теплоту получает, а при сжатии у рабочего тела тепло отбирают. Отсюда сделает вывод о том, что кроме рабочего тела в тепловом двигателе должны присутствовать еще два внешних тела:

  • нагреватель, отдающий рабочему телу теплоту;
  • холодильник, тело, которое забирает от рабочего тела тепло в ходе сжатия.

После выполнения цикла рабочее тело и все механизмы машины возвращаются в прежнее состояние. Это означает, что изменение внутренней энергии рабочего тела — ноль.

На рис.1 указано, что в процессе расширения рабочее тело получает количество теплоты, равное $Q_1$. В процессе сжатия рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты, равное $Q_2$. Следовательно, за один цикл количество теплоты, полученное рабочим телом равно:

Читать еще:  Генератор из коллекторного двигателя схема

Готовые работы на аналогичную тему

$Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$

Из первого начала термодинамики, учитывая то, что в замкнутом цикле $Delta U=0$, работа, совершаемая рабочим телом равна:

Для организации повторных циклов тепловой машины необходимо, чтобы она часть своей теплоты отдавала холодильнику. Данное требование находится в согласии со вторым началом термодинамики:

Невозможно создать вечный двигатель, который периодически трансформировал полностью теплоту, получаемую от некоего источника полностью в работу.

Так, даже у идеального теплового двигателя количество теплоты, передаваемое холодильнику, не может равняться нулю, существует нижний предел величины $Q_2$.

КПД тепловой машины

Понятно, что насколько эффективно работает тепловая машина, следует оценивать, учитывая полноту превращения теплоты, полученной от нагревателя в работу рабочего тела.

Параметром, который показывает эффективность теплового двигателя, является коэффициент полезного действия (КПД).

КПД теплового двигателя называют отношение работы, выполняемой рабочим телом ($A$) к количеству теплоты, которое это тело получает от нагревателя ($Q_1$):

Принимая во внимание выражение (2) КПД тепловой машины найдем как:

Соотношение (4) показывает, что КПД не может быть больше единицы.

КПД холодильной машины

Обратим цикл, который отображен на рис. 1.

Обратить цикл – это значит, изменить направление обхода контура.

В результате обращения цикла получим цикл холодильной машины. Эта машина получает от тела с низкой температурой теплоту $Q_2$ и передает ее нагревателю, имеющему более высокую температуру количество теплоты $Q_1$, причем $Q_1>Q_2$. Над рабочим телом совершается работа $A’$ за цикл.

Эффективность нашего холодильника определяется коэффициентом, который вычисляют как:

КПД обратимой и необратимой тепловой машины

КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем КПД обратимой машины, при работе машин с одинаковыми нагревателем и холодильником.

Рассмотрим тепловую машину, состоящую из:

  • цилиндрического сосуда, который закрыт поршнем;
  • газа под поршнем;
  • нагревателя;
  • холодильника.
  1. Газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя.
  2. Газ расширяется и толкает поршень, выполняет работу $A_+0$.
  3. Газ сжимают, холодильнику передается теплота $Q_2$.
  4. Работа совершается над рабочим телом $A_-

Работа, которую выполнят рабочее тело за цикл, равна:

Для выполнения условия обратимости процессов их надо проводить очень медленно. Кроме этого необходимо, чтобы отсутствовало трение поршня о стенки сосуда.

Обозначим работу, совершаемую за один цикл обратимым тепловым двигателем как $A_<+0>$.

Выполним тот же цикл с большой скоростью и при наличии трения. Если провести расширение газа быстро, давление его около поршня будет меньше, чем если газ расширяют медленно, поскольку возникающее под поршнем разрежение распространяется на весь объем с конечной скоростью. В этой связи, работа газа в необратимом увеличении объема меньше, чем в обратимом:

Если выполнить сжатие газа быстро давление около поршня больше, чем при медленном сжатии. Значит, величина отрицательной работы рабочего тела в необратимом сжатии больше, чем в обратимом:

Получим, что работа газа в цикле $A$ необратимой машины, вычисляемая по формуле (5), выполняемая за счет теплоты, полученной от нагревателя будет меньше, чем работа, выполненная в цикле обратимым тепловым двигателем:

Трение, имеющееся в необратимом тепловом двигателе, ведет к переходу части работы выполненной газом в теплоту, что уменьшает КПД двигателя.

Так, можно сделать вывод о том, что коэффициент полезного действия теплового двигателя обратимой машины больше, чем необратимой.

Тело, с которым обменивается теплом рабочее тело, станем называть тепловым резервуаром.

Обратимая тепловая машина совершает цикл, в котором имеются участки, где рабочее тело совершает обмен теплотой с нагревателем и холодильником. Процесс обмена теплом является обратимым, только если при получении теплоты и возвращении ее при обратном ходе, рабочее тело обладает одной и той же температурой, равной температуре теплового резервуара. Если говорить более точно, то температура тела, которое получает теплоту, должная быть на очень малую величину менее температуры резервуара.

Таким процессом может быть изотермический процесс, который происходит при температуре резервуара.

Для функционирования теплового двигателя у него должно быть два тепловых резервуара (нагреватель и холодильник).

Обратимый цикл, который выполняется в тепловом двигателе рабочим телом, должен быть составлен из двух изотерм (при температурах тепловых резервуаров) и двух адиабат.

Адиабатические процессы происходят без обмена теплом. В адиабатных процессах происходит расширение и сжатие газа (рабочего тела).

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector