Слайд 1

Общинска автономна образователна институция „Средно училище № 1”, Малая Вишера, Новгородска област Алгоритъм за решаване на проблеми за определяне на ефективността. топлинен цикъл според графиката на зависимостта на налягането от обема Съставител Лукянец Надежда Николаевна учител по физика от най-висока квалификационна категория 2011 г.

Слайд 2

Задачата е да се определи ефективността от графиката на налягането спрямо обема. Изчислете ефективността на топлинна машина, използваща моноатомен идеален газ като работен флуид и работеща в съответствие с цикъла, показан на фигурата. Появата на нови рисунки и записи става само след щракване на мишката.

Слайд 3

Задачата е да се определи ефективността от графиката на налягането спрямо обема. Изчислете ефективността на топлинна машина, използваща моноатомен идеален газ като работен флуид и работеща в съответствие с цикъла, показан на фигурата.

Слайд 4

Съвет № 1 Следователно е необходимо във всеки процес да се определи количеството получена или отдадена топлина чрез промяната на температурата. Количеството топлина се изчислява въз основа на първия закон на термодинамиката.

Слайд 5

Подсказка № 2 Работата, извършена във всеки процес, е числено равна на площта на фигурата, оградена под графиката в координати P(V). Площта на защрихованата фигура е равна на работата в процес 2-3, а площта на защрихованата фигура е равна на работата в процес 4-1 и именно тази работа на газа е отрицателна , защото от 4 до 1 силата на звука намалява. Работата за цикъл е равна на сумата от тези работи. Следователно работата, извършена от газа за цикъл, е числено равна на площта на този цикъл.

Слайд 6

Алгоритъм за решаване на задачата. 1. Запишете формулата за ефективност. 2. Определете работата на газа въз основа на площта на фигурата на процеса в координати P, V. 3. Анализирайте при кой от процесите количеството топлина се поглъща и не се отделя. 4. Използвайки 1-ви закон на термодинамиката, изчислете количеството получена топлина. 5. Изчислете ефективността.

Слайд 7

1. Запишете формулата за ефективност. 2. Определете работата на газа въз основа на площта на фигурата на процеса в координати P, V. Решение

Слайд 8

1. Процес 1–2. V = const, P T Q се абсорбира 2. Процес 2 – 3. P = const, V , T Q се абсорбира 3. Процес 3 – 4. V = const, P , T Q се освобождава 4. Процес 4 – 1. P = const, V , T Q освободен 3. Анализирайте при кой от процесите количеството топлина се поема и не се отделя.

Слайд 9

За процес 1-2 4. Използвайки 1-ви закон на термодинамиката, изчислете количеството получена топлина. следователно За изохоричен процес извадете горното от долното уравнение

Работата, извършена от двигателя, е:

Този процес е разгледан за първи път от френския инженер и учен N. L. S. Carnot през 1824 г. в книгата „Размисли върху движещата сила на огъня и върху машините, способни да развият тази сила“.

Целта на изследването на Карно беше да открие причините за несъвършенството на топлинните двигатели от онова време (те имаха ефективност ≤ 5%) и да намери начини за тяхното подобряване.

Цикълът на Карно е най-ефективният от всички. Ефективността му е максимална.

Фигурата показва термодинамичните процеси на цикъла. По време на изотермично разширение (1-2) при температура T 1 , работата се извършва поради промяна във вътрешната енергия на нагревателя, т.е. поради подаването на топлина към газа Q:

А 12 = Q 1 ,

Охлаждането на газа преди компресия (3-4) възниква по време на адиабатно разширение (2-3). Промяна във вътрешната енергия ΔU 23 по време на адиабатен процес ( Q = 0) се превръща напълно в механична работа:

А 23 = -ΔU 23 ,

Температурата на газа в резултат на адиабатно разширение (2-3) пада до температурата на хладилника T 2 < T 1 . В процеса (3-4) газът е изотермично компресиран, пренасяйки количеството топлина към хладилника Въпрос 2:

A 34 = Q 2,

Цикълът завършва с процеса на адиабатно компресиране (4-1), при който газът се нагрява до температура Т 1.

Максимална стойност на ефективност на идеални газови топлинни двигатели според цикъла на Карно:

.

Същността на формулата се изразява в доказана СЪС. Теорема на Карно, че ефективността на която и да е топлинна машина не може да надвишава ефективността на цикъл на Карно, извършен при една и съща температура на нагревателя и хладилника.

Как да намерите коефициента на полезно действие. Формула за ефективност чрез мощност

Как да намерим ефективност

Ефективността показва съотношението на използваемата работа, извършена от механизъм или устройство, към изразходваната работа. Често изразходваната работа е количеството енергия, което устройството консумира, за да извърши работа.

Ще имаш нужда

• - автомобилни;
• - термометър;
• - калкулатор.

Инструкции

2. Когато изчислявате ефективността на топлинен двигател, считайте механичната работа, извършена от механизма, като подходяща работа. За изразходваната работа вземете количеството топлина, отделена от изгореното гориво, което е източник на енергия за двигателя.

3. Пример. Средната теглителна сила на автомобилен двигател е 882 N. Той изразходва 7 кг бензин на 100 км пробег. Определете ефективността на неговия двигател. Първо намерете подходяща работа. Тя е равна на произведението на силата F и разстоянието S, изминато от тялото под нейното въздействие Аn=F?S. Определете количеството топлина, което ще се отдели при изгаряне на 7 kg бензин, това ще бъде изразходваната работа Az = Q = q?m, където q е специфичната топлина на изгаряне на горивото, за бензина е равна на 42? 10^6 J/kg и m е масата на това гориво. Ефективността на двигателя ще бъде равна на ефективност=(F?S)/(q?m)?100%= (882?100000)/(42?10^6?7)?100%=30%.

4. Като цяло, за да се открие ефективността, всеки топлинен двигател (двигател с вътрешно горене, парен двигател, турбина и т.н.), където работата се извършва от газ, има индекс на ефективност, равен на разликата в топлината, отделена от нагревател Q1 и получена от хладилника Q2, намерете разликата в топлината на нагревателя и хладилника и разделете на топлината на ефективността на нагревателя = (Q1-Q2)/Q1. Тук ефективността се измерва в подкратни единици от 0 до 1; за да преобразувате резултата в проценти, умножете го по 100.

5. За да получите ефективността на безупречен топлинен двигател (машина на Карно), намерете съотношението на температурната разлика между нагревателя T1 и хладилника T2 към температурата на ефективността на нагревателя = (T1-T2)/T1. Това е максимално допустимият коефициент на полезно действие за даден тип топлинна машина при зададени температури на нагревателя и хладилника.

6. За електрически двигател намерете изразходваната работа като произведение на мощността и времето, необходимо за завършването му. Да речем, ако електродвигател на кран с мощност 3,2 kW повдигне товар с тегло 800 kg на височина 3,6 m за 10 s, тогава неговата ефективност е равна на отношението на подходяща работа Аp=m?g?h, където m е масата на товара, g?10 m /С? ускорение на свободното падане, h е височината, на която е повдигнат товарът, и изразходваната работа Az=P?t, където P е мощността на двигателя, t е времето на неговата работа. Вземете формулата за определяне на ефективността=Ap/Az?100%=(m?g?h)/(P?t)?100%=%=(800?10?3.6)/(3200?10)?100% =90%.

Индикаторът за производителност (ефективност) е показател за производителността на всяка система, било то автомобилен двигател, машина или друг механизъм. Той показва колко ефективно дадена система използва енергията, която получава. Изчисляването на ефективността е много лесно.

Инструкции

1. През повечето време ефективността се изчислява от съотношението на използваната от системата енергия към всяка обща енергия, получена за определен интервал от време. Струва си да се отбележи, че ефективността няма специфични мерни единици. Но в училищната програма тази стойност се измерва като процент. Този показател, въз основа на горните данни, се изчислява по формулата:? = (A/Q)*100%, къде? („това“) е желаната ефективност, A е използваемата производителност на системата, Q е общата консумация на енергия, A и Q се измерват в джаули.

2. Горният метод за изчисляване на ефективността не е изключителен, тъй като използваемата работа на системата (A) се изчислява по формулата: A = Po-Pi, където Po е енергията, доставена на системата отвън, Pi е загуба на енергия по време на работа на системата. След разширяване на числителя на горната формула, тя може да бъде записана в следната форма:? = ((Po-Pi)/Po)*100%.

3. За да направите изчисляването на ефективността по-ясно и визуално, можете да разгледате примери Пример 1: Полезната работа на системата е 75 J, количеството енергия, изразходвано за нейната работа, е 100 J, необходимо е да се определи ефективност на тази система. За да разрешите този проблем, използвайте първата формула:? = 75/100 = 0,75 или 75% Отговор: Ефективността на предложената система е 75%.

4. Пример 2: Доставената енергия за работа на двигателя е 100 J, загубата на енергия по време на работа на този двигател е 25 J, трябва да се изчисли ефективността. За да разрешите предложения проблем, използвайте втората формула за изчисляване на желания показател:? = (100-25)/100 = 0,75 или 75%. Резултатите и в двата примера бяха идентични; във втория случай данните от числителя бяха анализирани по-подробно.

Забележка! Много видове съвременни двигатели (да речем ракетен двигател или турбо-въздушен двигател) имат няколко етапа на работа и за целия етап има своя собствена ефективност, която се изчислява по всяка от горните формули. Но за да намерите универсален индикатор, ще трябва да умножите всички известни КПД на всички етапи на работа на даден двигател: = ?1*?2*?3*…*?.

Полезен съвет: Ефективността не може да бъде по-голяма от единица, по време на работа на всяка система неизбежно възникват загуби на енергия.

Свързаният транспорт е вид транспортен транспорт, който се състои от товарене на превозно средство, което прави празен ход. Ситуациите, когато транспортът е принуден да се движи без товар, възникват доста често, както преди, така и по-късно след изпълнението на планираната транспортна поръчка. За едно предприятие вероятността да поеме допълнителен товар означава най-малко намаляване на финансовите загуби.

Инструкции

1. Оценете ефективността на използването на съпътстващ товарен транспорт в действителност за вашето предприятие. Важен момент, който трябва да се разбере, е фактът, че свързаният товар може да бъде транспортиран в момент, когато транспортът е принуден да се движи празен след завършване на първичната (основна) заявка за транспорт. Ако такива ситуации се случват редовно в дейността на вашето предприятие, смело изберете този метод за оптимизиране на транспорта.

2. Преценете какъв свързан товар може да транспортира вашето превозно средство по отношение на тегло и размери. Преминаването на товари може да бъде икономически изгодно дори ако част от товарното пространство на вашия автомобил е незаето.

3. Помислете от кои точки на основния маршрут ще можете да вземете преминаващ товар. За всички е по-удобно, ако можете да получите такъв товар в крайната точка на планирания маршрут и да го транспортирате до мястото, където се намира вашето транспортно предприятие. Но такава ситуация не винаги може да се случи. Следователно, помислете и за вероятността от известно отклонение от маршрута, като, разбира се, изчислите икономическата рационалност на такава метаморфоза.

4. Разберете дали фирмата, до която извършвате редовен превоз на товари, изисква обратен превоз на товари. В този случай е много по-лесно да се споразумеят за цената на емисията и да се гарантира сигурността на допълнително взаимноизгодно сътрудничество.

5. Намерете няколко специализирани интернет портала, които предоставят информационни услуги в областта на превоза на товари. Както обикновено, уебсайтовете на такива компании имат съответните секции, които ви позволяват да намерите свързани товари по маршрута си и да оставите съответната заявка. В повечето случаи използването на такава вероятност изисква най-малко регистрация на сайта. Ще бъде перфектно, ако източникът на информация има вградени вероятности за логистичен преглед на насрещните оферти.

6. Не пренебрегвайте консолидирания транспорт, когато малки товари от различни клиенти се транспортират в избраната посока с един вид транспорт. В този случай транспортът трябва да направи совалкови маршрути в избрани посоки.

Забележка! Откриването на преминаващ товар абсолютно не е трудно! Основната задача на нашата услуга е да търси различни изтегляния, нещо, което потребителите могат да правят не само с максимално удобство, но и безплатно. С помощта на нашата система, чиято работа се основава на използването на съвременни информационни технологии, товарите могат да бъдат открити много лесно.

Полезни съвети Очевидно сте решили да закупите или наемете огромен камион, с помощта на който възнамерявате да печелите пари, като транспортирате стоки в цяла Русия, ОНД и Европа. Няма значение дали ще наемете шофьор или ще го карате сами, ще имате нужда от клиенти, тоест товар за транспортиране. Тогава определено ще мислите или вече сте мислили къде и как да намерите товар за вашия камион?

За да се намери индикаторът за правилната работа на който и да е двигател, е необходимо годната работа да се раздели на изразходваната и да се умножи по 100 процента. За топлинен двигател намерете тази стойност чрез съотношението на мощността, умножена по продължителността на работа, към топлината, отделена при изгарянето на горивото. Теоретично ефективността на топлинния двигател се определя от съотношението на температурите на хладилника и нагревателя. За електрически двигатели намерете съотношението на неговата мощност към мощността на консумирания ток.

Ще имаш нужда

• паспорт на двигател с вътрешно горене (ICE), термометър, тестер

Инструкции

1. Определяне на ефективността на двигател с вътрешно горене Намерете мощността му в техническата документация на даден двигател. Напълнете резервоара му с определено количество гориво и стартирайте двигателя, така че да работи известно време на пълни цикли, развивайки максималната мощност, посочена в паспорта. С помощта на хронометър запишете времето на работа на двигателя, като го изразите в секунди. След известно време спрете двигателя и източете останалото гориво. Като извадите крайния обем от първоначалния обем излято гориво, намерете обема на изразходваното гориво. Използвайки таблицата, намерете нейната плътност и умножете по обем, получавайки масата на изразходваното гориво m =? V. Изразете масата в килограми. В зависимост от вида на горивото (бензин или дизел) определете неговата специфична топлина на изгаряне от таблицата. За да определите ефективността, умножете максималната мощност по времето на работа на двигателя и по 100% и разделете резултата стъпаловидно на неговата маса и ефективност на специфичната топлина на изгаряне =P t 100%/(q m).

2. За перфектен топлинен двигател е възможно да се приложи формулата на Карно. За да направите това, разберете температурата на изгаряне на горивото и измерете температурата на хладилника (отработените газове) със специален термометър. Преобразувайте температурата, измерена в градуси по Целзий, в безусловна скала, като към стойността добавите числото 273. За да определите ефективността от числото 1, извадете съотношението на температурите на хладилника и нагревателя (температура на изгаряне на горивото) Ефективност = (1 -Tcol/Tnag) 100%. Тази опция за изчисляване на ефективността не отчита механично триене и топлообмен с външната среда.

3. Определяне на коефициента на полезно действие на електродвигател Намерете номиналната мощност на електродвигателя, съгласно техническата документация. Свържете го към източник на ток, като постигнете максимални цикли на вала и с помощта на тестер измерете напрежението върху него и тока във веригата. За да определите ефективността, разделете мощността, посочена в документацията, на произведението от ток и напрежение, умножете общата сума по 100% ефективност =P 100%/(I U).

Видео по темата

Забележка! При всички изчисления ефективността трябва да бъде по-малка от 100%.

За да прегледат нормалната динамика на населението, социолозите трябва да определят общите коефициенти. Основните са показателите за раждаемостта, смъртността, брачността и естествения доход. Въз основа на тях е възможно да се направи демографска картина към даден момент.

Инструкции

1. Моля, имайте предвид, че общият показател е относителен показател. Така броят на ражданията за определен период, да речем за една година, ще се различава от общия коефициент на раждаемост. Това се дължи на факта, че при намирането му се вземат предвид данните за общото население. Това дава възможност да се сравнят текущите резултати от изследванията с резултатите от предишни години.

2. Определете периода на фактуриране. Например, за да намерите броя на браковете, трябва да определите през какъв период от време броят на браковете ви засяга. По този начин данните за последните шест месеца ще се различават значително от тези, които ще получите при определяне на петгодишен период. Имайте предвид, че периодът на изчисление при изчисляване на общия показател е посочен в години.

3. Определете общото население. Подобни типове данни могат да бъдат получени чрез позоваване на данни от преброяването на населението. За да определите общите показатели за раждаемост, смъртност, брак и развод, ще трябва да намерите произведението на общото население и периода на изчисление. Запишете полученото число в знаменателя.

4. На мястото на числителя поставете безусловен показател, съответстващ на желания относителен. Да речем, ако сте изправени пред задачата да определите универсалната раждаемост, тогава на мястото на числителя трябва да има число, което отразява общия брой деца, родени през периода, който ви засяга. Ако целта ви е да определите степента на смъртност или брачност, тогава на мястото на числителя поставете съответно броя на починалите през изчислителния период или броя на сключилите брак.

5. Умножете полученото число по 1000. Това ще бъде общият показател, който желаете. Ако сте изправени пред задачата да намерите общ показател за доходите, извадете смъртността от раждаемостта.

Видео по темата

Думата „работа“ се отнася до всяко действие, което дава на човек средства за съществуване. С други думи, той получава физическа награда за това. Въпреки това хората са готови в свободното си време, безплатно или срещу чисто символично възнаграждение, да се включат и в обществено полезна работа, насочена към подпомагане на нуждаещи се, облагородяване на дворове и улици, озеленяване и др. Броят на такива доброволци вероятно все още ще бъде огромен, но те често не знаят къде могат да бъдат необходими техните услуги.

Инструкции

1. Един от най-известните видове обществено полезен труд е благотворителността. Тя включва подпомагане на нуждаещи се, социално уязвими групи от населението: хора с увреждания, възрастни хора, бездомни. С една дума, на всеки, който по някаква причина е изпаднал в трудна житейска ситуация.

2. Доброволците, които желаят да участват в предоставянето на такава помощ, трябва да се свържат с най-близките филантропични организации или отдели за обществено подпомагане. Можете да направите справка в най-близката църква - вероятно духовникът знае кой от паството му има особена нужда от подкрепа.

3. Можете също така да поемете инициативата буквално по местоживеене - в жилищен блокВероятно има самотни пенсионери, хора с увреждания или самотни майки, които имат цялата рубла в сметката си. Дайте им всяка възможна помощ. Не е задължително да се състои в парично дарение - допустимо е, да речем, от време на време да отидете до хранителния магазин или до аптеката, за да си купите лекарства.

4. Много хора искат да участват в облагородяването на родния си град. Те трябва да се свържат със съответните структури на местната община, да речем, тези, които отговарят за почистването на териториите и озеленяването. Сигурно ще има работа. Освен това е позволено, да речем, по собствена инициатива да направите цветна леха под прозорците на къщата и да засадите цветя.

5. Има хора, които наистина обичат животните и искат да помогнат на бездомните кучета и котки. Ако попадате в тази категория, свържете се с местни организации за правата на животните или собственици на приюти за животни. Е, ако живеете в огромен град, където има зоологически градини, попитайте администрацията дали са необходими помощници, които да се грижат за животните. Както обикновено, подобни предложения за помощ се посрещат с благодарност.

6. Невъзможно е да забравим за образованието на по-младото поколение. Ако ентусиазиран доброволец може, да речем, да води часове в някакъв училищен клуб или културен и творчески център, той ще донесе огромна полза. С една дума, има много социално подходяща работа за грижовни хора, за всеки вкус и вероятност. Ще има желание.

Индексът на влажност е индикатор, използван за определяне на параметрите на микроклимата. Може да се изчисли, ако имате информация за валежите в региона за доста дълъг период.

Индекс на влажност

Коефициентът на овлажняване е специален показател, разработен от експерти в областта на метеорологията за оценка на степента на влажност на микроклимата в определен регион. Взето е предвид, че микроклиматът представлява дългосрочна реакция на метеорологичните условия в даден район. Следователно беше решено също да се вземе предвид индикаторът за влага за дълъг период от време: както обикновено, този индикатор се изчислява въз основа на данни, събрани през годината.Така индикаторът за влага показва колко голямо е количеството на валежите, паднали през този период е в разглеждания регион. Това от своя страна е един от основните фактори, определящи преобладаващия тип растителност в този район.

Изчисляване на индекса на влага

Формулата за изчисляване на индикатора за влага е следната: K = R / E. В тази формула символът K означава действителния индикатор за влага, а символът R показва количеството на валежите, паднали в даден район през годината, изразено в милиметри. И накрая, символът E представлява количеството валежи, които са се изпарили от земната повърхност през същия период от време. Посоченото количество валежи, което също се изразява в милиметри, зависи от вида на почвата, температурата в даден район в определен момент и други фактори. Следователно, въпреки привидната простота на дадената формула, изчисляването на индикатора за влага изисква голям брой предварителни измервания с помощта на прецизни инструменти и може да се извърши само от доста голям екип от метеоролози.От своя страна стойността на индикатора за влага на определена територия, като се вземат предвид всички тези показатели, както обикновено, ни позволява да определим с висока степен на надеждност кой тип растителност преобладава в този регион. По този начин, ако индексът на влажност надвишава 1, това показва високо ниво на влажност в дадена област, което води до предимство на такива видове растителност като тайга, тундра или горска тундра. Задоволителното ниво на влага съответства на индекс на влага от 1 и, както обикновено, се характеризира с преобладаване на смесени или широколистни гори. Индексът на влажност от 0,6 до 1 е типичен за лесостепните райони, от 0,3 до 0,6 - за степите, от 0,1 до 0,3 - за полупустинните райони и от 0 до 0,1 - за пустините.

Видео по темата

jprosto.ru

Ефективност

Да речем, че си почиваме в дачата и трябва да вземем вода от кладенеца. Спускаме кофата в нея, загребваме водата и започваме да я вдигаме. Забравихте ли каква е нашата цел? Точно така: вземете малко вода. Но вижте: ние вдигаме не само водата, но и самата кофа, както и тежката верига, на която виси. Това е символизирано с двуцветна стрелка: теглото на товара, който вдигаме, е сумата от теглото на водата и теглото на кофата и веригата.

Разглеждайки ситуацията качествено, ще кажем: наред с полезната работа по вдигане на вода, ние извършваме и друга работа - повдигане на кофата и веригата. Разбира се, без веригата и кофата не бихме могли да черпим вода, но от гледна точка на крайната цел теглото им ни „вреди“. Ако това тегло беше по-малко, тогава общата извършена работа също би била по-малка (при същата полезна работа).

Сега нека преминем към количествено изследване на тези произведения и да въведем физическа величина, наречена ефективност.

Задача. Товарачът изсипва избраните за обработка ябълки от кошниците в камиона. Масата на празна кошница е 2 кг, а ябълките в нея са 18 кг. Какъв е делът на полезната работа на товарача от общата му работа?

Решение. Пълната работа е преместването на ябълки в кошници. Тази работа се състои от повдигане на ябълки и повдигане на кошници. Важно: повдигането на ябълки е полезна работа, но повдигането на кошници е „безполезно“, тъй като целта на работата на товарача е да премества само ябълките.

Нека въведем обозначението: Fя е силата, с която ръцете повдигат само ябълките нагоре, а Fк е силата, с която ръцете повдигат само кошницата нагоре. Всяка от тези сили е равна на съответната сила на гравитацията: F=mg.

Използвайки формулата A = ±(F||· l) , ние „изписваме“ работата на тези две сили:

Полезно = +Fя · lя = mя g · h и АБезполезно = +Fк · lк = mк g · h

Общата работа се състои от две работи, тоест тя е равна на тяхната сума:

Afull = Auseful + Auseless = mя g h + mк g h = (mя + mк) · g h

В задачата ни се иска да изчислим дела на полезната работа на товарача от общата му работа. Нека направим това, като разделим полезната работа на общата сума:

Във физиката такива дялове обикновено се изразяват като проценти и се обозначават с гръцката буква „η“ (да се чете „това“). В резултат получаваме:

η = 0,9 или η = 0,9 100% = 90%, което е същото.

Това число показва, че от 100% от общата работа на товарача делът на неговата полезна работа е 90%. Проблемът е решен.

Физическа величина, равна на съотношението на полезна работа към общата извършена работа, има свое име във физиката - ефективност - коефициент на ефективност:

След изчисляване на ефективността с помощта на тази формула, тя обикновено се умножава по 100%. И обратно: за да се замени ефективността в тази формула, нейната стойност трябва да се преобразува от процент в десетична дроб, като се раздели на 100%.

questions-physics.ru

Ефективност на топлинния двигател. Ефективност на топлинния двигател

Работата на много видове машини се характеризира с такъв важен показател като ефективността на топлинния двигател. Всяка година инженерите се стремят да създадат по-модерно оборудване, което с по-нисък разход на гориво би дало максимален резултат от използването му.

Устройство за топлинен двигател

Преди да разберете какво е ефективност, е необходимо да разберете как работи този механизъм. Без да се познават принципите на неговото действие, е невъзможно да се разбере същността на този индикатор. Топлинният двигател е устройство, което извършва работа, използвайки вътрешна енергия. Всеки топлинен двигател, който преобразува топлинната енергия в механична енергия, използва топлинното разширение на веществата с повишаване на температурата. В твърдотелните двигатели е възможно не само да се промени обемът на дадено вещество, но и формата на тялото. Действието на такъв двигател се подчинява на законите на термодинамиката.

Принцип на работа

За да разберете как работи един топлинен двигател, е необходимо да разгледате основите на неговия дизайн. За работата на устройството са необходими две тела: топло (нагревател) и студено (хладилник, охладител). Принципът на работа на топлинните двигатели (КПД на топлинния двигател) зависи от техния тип. Често хладилникът е парен кондензатор, а нагревателят е всякакъв вид гориво, което гори в пещта. Ефективността на идеална топлинна машина се намира по следната формула:

Ефективност = (Theat - Cool) / Theat. х 100%.

В този случай ефективността на истински двигател никога не може да надвиши стойността, получена съгласно тази формула. Освен това тази цифра никога няма да надвиши горепосочената стойност. За да се увеличи ефективността, най-често температурата на нагревателя се повишава, а температурата на хладилника се намалява. И двата процеса ще бъдат ограничени от действителните работни условия на оборудването.

Когато топлинният двигател работи, се извършва работа, тъй като газът започва да губи енергия и се охлажда до определена температура. Последният обикновено е с няколко градуса по-висок от околната атмосфера. Това е температурата на хладилника. Това специално устройство е предназначено за охлаждане и последваща кондензация на отработената пара. Когато има кондензатори, температурата на хладилника понякога е по-ниска от температурата на околната среда.

В топлинен двигател, когато едно тяло се нагрява и разширява, то не е в състояние да отдаде цялата си вътрешна енергия, за да извърши работа. Част от топлината ще бъде прехвърлена към хладилника заедно с изгорели газове или пара. Тази част от топлинната вътрешна енергия неизбежно се губи. По време на изгарянето на гориво работният флуид получава определено количество топлина Q1 от нагревателя. В същото време той все още извършва работа А, по време на която предава част от топлинната енергия на хладилника: Q2

Ефективността характеризира ефективността на двигателя в областта на преобразуването и предаването на енергия. Този показател често се измерва като процент. Формула за ефективност:

η*A/Qx100%, където Q е изразходваната енергия, A е полезната работа.

Въз основа на закона за запазване на енергията можем да заключим, че ефективността винаги ще бъде по-малка от единица. С други думи, никога няма да има по-полезна работа от енергията, изразходвана за нея.

Ефективността на двигателя е съотношението на полезната работа към енергията, доставена от нагревателя. Може да се представи под формата на следната формула:

η = (Q1-Q2)/ Q1, където Q1 е топлината, получена от нагревателя, а Q2 е топлината, отдадена на хладилника.

Работа на топлинен двигател

Работата, извършена от топлинен двигател, се изчислява по следната формула:

A = |QH| - |QX|, където A е работа, QH е количеството топлина, получено от нагревателя, QX е количеството топлина, дадено на охладителя.

|QH| - |QX|)/|QH| = 1 - |QX|/|QH|

То е равно на съотношението на извършената от двигателя работа към количеството получена топлина. Част от топлинната енергия се губи по време на този трансфер.

Двигател на Карно

Максималната ефективност на топлинния двигател се наблюдава в устройството на Карно. Това се дължи на факта, че в тази система зависи само от абсолютната температура на нагревателя (Tn) и охладителя (Tx). Ефективността на топлинен двигател, работещ по цикъла на Карно, се определя по следната формула:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

Законите на термодинамиката позволиха да се изчисли максималната възможна ефективност. Този показател е изчислен за първи път от френския учен и инженер Сади Карно. Той изобретил топлинен двигател, работещ с идеален газ. Работи в цикъл от 2 изотерми и 2 адиабати. Принципът на неговото действие е доста прост: към съд с газ е свързан нагревател, в резултат на което работната течност се разширява изотермично. В същото време той функционира и получава определено количество топлина. След това съдът се топлоизолира. Въпреки това газът продължава да се разширява, но адиабатно (без топлообмен с околната среда). По това време температурата му пада до тази на хладилник. В този момент газът влиза в контакт с хладилника, в резултат на което отделя известно количество топлина при изометрично компресиране. След това съдът отново се топлоизолира. В този случай газът е адиабатично компресиран до първоначалния си обем и състояние.

Разновидности

В днешно време има много видове топлинни двигатели, които работят на различни принципи и с различни горива. Всички те имат собствена ефективност. Те включват следното:

Двигател с вътрешно горене (бутало), който е механизъм, при който част от химическата енергия на горящото гориво се преобразува в механична енергия. Такива устройства могат да бъдат газ и течност. Има 2-тактови и 4-тактови двигатели. Те могат да имат непрекъснат работен цикъл. Според метода на приготвяне на горивната смес такива двигатели са карбураторни (с външно смесване) и дизелови (с вътрешно). Според вида на енергийния преобразувател те се делят на бутални, реактивни, турбинни и комбинирани. Ефективността на такива машини не надвишава 0,5.

Двигателят на Стърлинг е устройство, в което работният флуид се намира в затворено пространство. Това е вид двигател с външно горене. Принципът на действието му се основава на периодично охлаждане/нагряване на тялото с производство на енергия поради промени в неговия обем. Това е един от най-ефективните двигатели.

Турбинен (роторен) двигател с външно горене на гориво. Такива инсталации най-често се намират в топлоелектрически централи.

Турбинните (роторни) двигатели с вътрешно горене се използват в топлоелектрически централи в пиков режим. Не е толкова широко разпространен, колкото другите.

Турбинният двигател генерира част от тягата си чрез перката си. Останалото получава от отработените газове. Дизайнът му е ротационен двигател (газова турбина), на чийто вал е монтирано витло.

Други видове топлинни двигатели

Ракетни, турбореактивни и реактивни двигатели, които получават тяга от изгорелите газове.

Двигателите в твърдо състояние използват твърда материя като гориво. По време на работа не се променя обемът, а формата. При работа на оборудването се използва изключително малка температурна разлика.

Как можете да увеличите ефективността

Възможно ли е да се увеличи ефективността на топлинен двигател? Отговорът трябва да се търси в термодинамиката. Изучава взаимните трансформации на различните видове енергия. Установено е, че е невъзможно цялата налична топлинна енергия да се преобразува в електрическа, механична и др. Преобразуването им в топлинна енергия обаче става без никакви ограничения. Това е възможно поради факта, че природата на топлинната енергия се основава на неподреденото (хаотично) движение на частиците.

Колкото повече се нагрява едно тяло, толкова по-бързо ще се движат съставните му молекули. Движението на частиците ще стане още по-хаотично. Заедно с това всеки знае, че редът лесно може да се превърне в хаос, който е много труден за ред.

fb.ru

Съвременните реалности изискват широкото използване на топлинни двигатели. Многобройните опити за замяната им с електрически двигатели досега са се провалили. Проблемите, свързани с натрупването на електроенергия в автономните системи, са трудни за решаване.

Проблемите на технологията за производство на електрически батерии, като се има предвид тяхната дългосрочна употреба, все още са актуални. Скоростните характеристики на електрическите превозни средства са далеч от тези на автомобилите с двигатели с вътрешно горене.

Първите стъпки за създаване на хибридни двигатели могат значително да намалят вредните емисии в мегаполисите, решавайки екологичните проблеми.

Малко история

Възможността за преобразуване на енергията на парата в енергия на движение е била известна още в древността. 130 пр. н. е.: Философът Херон от Александрия представя на публиката парна играчка - еолипиле. Сферата, пълна с пара, започна да се върти под въздействието на струите, излизащи от нея. Този прототип на модерни парни турбини не се използва в онези дни.

В продължение на много години и векове разработките на философа се смятаха просто за забавна играчка. През 1629 г. италианецът Д. Бранчи създава активна турбина. Парата задвижваше диск, оборудван с остриета.

От този момент нататък започва бързото развитие на парните машини.

Топлинна машина

Превръщането на горивото в енергията на движение на машинни части и механизми се използва в топлинните двигатели.

Основните части на машините: нагревател (система за получаване на енергия отвън), работна течност (извършва полезно действие), хладилник.

Нагревателят е проектиран да гарантира, че работният флуид натрупва достатъчно количество вътрешна енергия за извършване на полезна работа. Хладилникът премахва излишната енергия.

Основната характеристика на ефективността се нарича ефективност на топлинните двигатели. Тази стойност показва каква част от енергията, изразходвана за отопление, се изразходва за извършване на полезна работа. Колкото по-висока е ефективността, толкова по-рентабилна е работата на машината, но тази стойност не може да надвишава 100%.

Изчисляване на ефективността

Нека нагревателят придобие отвън енергия, равна на Q 1 . Работният флуид извърши работа А, докато енергията, дадена на хладилника, възлиза на Q 2.

Въз основа на дефиницията изчисляваме стойността на ефективността:

η= A / Q 1 . Нека вземем предвид, че A = Q 1 - Q 2.

Следователно ефективността на топлинния двигател, чиято формула е η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, ни позволява да направим следните заключения:

• Ефективността не може да надвишава 1 (или 100%);
• за да се увеличи максимално тази стойност, е необходимо или да се увеличи енергията, получена от нагревателя, или да се намали енергията, отдадена на хладилника;
• увеличаването на енергията на нагревателя се постига чрез промяна на качеството на горивото;
• Конструктивните характеристики на двигателите могат да намалят енергията, дадена на хладилника.

Идеален топлинен двигател

Възможно ли е да се създаде двигател, чиято ефективност ще бъде максимална (в идеалния случай равна на 100%)? Френският теоретичен физик и талантлив инженер Сади Карно се опита да намери отговора на този въпрос. През 1824 г. неговите теоретични изчисления за процесите, протичащи в газовете, са публикувани.

Основната идея, присъща на идеалната машина, може да се счита за извършване на обратими процеси с идеален газ. Започваме с изотермично разширяване на газа при температура T 1 . Количеството топлина, необходимо за това е Q 1. След това газът се разширява без топлообмен.Достигнал температурата T 2, газът се компресира изотермично, предавайки енергия Q 2 на хладилника. Газът се връща в първоначалното си състояние адиабатно.

Ефективността на идеалната топлинна машина на Карно, когато е точно изчислена, е равна на съотношението на температурната разлика между нагревателните и охлаждащите устройства към температурата на нагревателя. Изглежда така: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Възможната ефективност на топлинен двигател, чиято формула е: η = 1 - T 2 / T 1, зависи само от температурите на нагревателя и охладителя и не може да бъде повече от 100%.

Освен това тази връзка ни позволява да докажем, че ефективността на топлинните двигатели може да бъде равна на единица само когато хладилникът достигне температури. Както е известно, тази стойност е недостижима.

Теоретичните изчисления на Карно позволяват да се определи максималната ефективност на топлинен двигател от всякакъв дизайн.

Теоремата, доказана от Карно, е следната. При никакви обстоятелства произволна топлинна машина не може да има ефективност, по-голяма от същата стойност на ефективност на идеална топлинна машина.

Пример за решаване на проблем

Пример 1. Каква е ефективността на идеална топлинна машина, ако температурата на нагревателя е 800 o C, а температурата на хладилника е с 500 o C по-ниска?

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 500 K, η - ?

По дефиниция: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Не ни е дадена температурата на хладилника, но ∆T= (T 1 - T 2), следователно:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Отговор: Ефективност = 46%.

Пример 2. Определете ефективността на идеална топлинна машина, ако поради придобития един килоджаул нагревателна енергия се извърши полезна работа от 650 J. Каква е температурата на нагревателя на топлинната машина, ако температурата на охладителя е 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η - ?, T 1 = ?

В тази задача говорим за термична инсталация, чиято ефективност може да се изчисли по формулата:

За да определим температурата на нагревателя, използваме формулата за ефективност на идеален топлинен двигател:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

След като извършим математически трансформации, получаваме:

T 1 = T 2 /(1- η).

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).

Нека изчислим:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Отговор: η= 65%, T 1 = 1142,8 К.

Реални условия

Идеалният топлинен двигател е проектиран с идеални процеси в ума. Работата се извършва само при изотермични процеси, нейната стойност се определя като площта, ограничена от графиката на цикъла на Карно.

В действителност е невъзможно да се създадат условия за протичане на процеса на промяна на състоянието на газа без съпътстващи температурни промени. Няма материали, които да изключват топлообмен с околните предмети. Адиабатичният процес става невъзможен за осъществяване. В случай на топлообмен температурата на газа трябва задължително да се промени.

Ефективността на топлинните двигатели, създадени в реални условия, се различава значително от ефективността на идеалните двигатели. Имайте предвид, че процесите в реалните двигатели протичат толкова бързо, че изменението на вътрешната топлинна енергия на работното вещество в процеса на промяна на неговия обем не може да бъде компенсирано от притока на топлина от нагревателя и прехвърлянето към хладилника.

Други топлинни двигатели

Реалните двигатели работят на различни цикли:

• Цикъл на Ото: процес с постоянен обем се променя адиабатично, създавайки затворен цикъл;
• Дизелов цикъл: изобарен, адиабатен, изохорен, адиабатен;
• процесът, протичащ при постоянно налягане, се заменя с адиабатен, затваряйки цикъла.

Не е възможно да се създадат равновесни процеси в реални двигатели (да се доближат до идеалните) при съвременните технологии. Ефективността на топлинните двигатели е значително по-ниска, дори като се вземат предвид същите температурни условия, както при идеална термична инсталация.

Но ролята на формулата за изчисляване на ефективността не трябва да се намалява, тъй като именно тя се превръща в отправна точка в процеса на работа за повишаване на ефективността на реалните двигатели.

Начини за промяна на ефективността

Когато сравняваме идеални и реални топлинни двигатели, заслужава да се отбележи, че температурата на хладилника на последния не може да бъде никаква. Обикновено атмосферата се счита за хладилник. Температурата на атмосферата може да се приеме само в приблизителни изчисления. Опитът показва, че температурата на охлаждащата течност е равна на температурата на отработените газове в двигателите, както е при двигателите с вътрешно горене (съкратено ДВГ).

ICE е най-често срещаният топлинен двигател в нашия свят. Ефективността на топлинния двигател в този случай зависи от температурата, създадена от горящото гориво. Съществена разлика между двигателите с вътрешно горене и парните двигатели е сливането на функциите на нагревателя и работния флуид на устройството в сместа въздух-гориво. Докато сместа гори, тя създава натиск върху движещите се части на двигателя.

Постига се повишаване на температурата на работните газове, като значително се променят свойствата на горивото. За съжаление това не може да се прави безкрайно. Всеки материал, от който е направена горивната камера на двигателя, има своя собствена точка на топене. Топлинната устойчивост на такива материали е основната характеристика на двигателя, както и способността значително да повлияе на ефективността.

Стойности на ефективността на двигателя

Ако вземем предвид температурата на работната пара на входа на която е 800 K, а изгорелите газове - 300 K, тогава ефективността на тази машина е 62%. В действителност тази стойност не надвишава 40%. Това намаление се дължи на топлинни загуби при нагряване на корпуса на турбината.

Най-високата стойност на вътрешното горене не надвишава 44%. Увеличаването на тази стойност е въпрос на близко бъдеще. Промяната на свойствата на материалите и горивото е проблем, върху който работят най-добрите умове на човечеството.

Коефициентът на полезно действие (ефективност) е термин, който може да се приложи към, може би, всяка система и устройство. Дори човек има коефициент на ефективност, въпреки че вероятно все още няма обективна формула за намирането му. В тази статия ще обясним подробно какво е ефективност и как може да се изчисли за различни системи.

Определение за ефективност

Ефективността е показател, който характеризира ефективността на системата по отношение на изхода или преобразуването на енергия. Ефективността е неизмерима величина и се представя или като числова стойност в диапазона от 0 до 1, или като процент.

Обща формула

Ефективността се обозначава със символа Ƞ.

Общата математическа формула за намиране на ефективността е написана, както следва:

Ƞ=A/Q, където A е полезната енергия/работа, извършена от системата, а Q е енергията, консумирана от тази система за организиране на процеса на получаване на полезна продукция.

Коефициентът на ефективност, за съжаление, винаги е по-малък или равен на единица, тъй като според закона за запазване на енергията не можем да получим повече работа от изразходваната енергия. В допълнение, ефективността всъщност изключително рядко е равна на единица, тъй като полезната работа винаги е придружена от загуби, например за нагряване на механизма.

Ефективност на топлинния двигател

Топлинният двигател е устройство, което преобразува топлинната енергия в механична енергия. В топлинен двигател работата се определя от разликата между количеството топлина, получено от нагревателя, и количеството топлина, отдадено на охладителя, и следователно ефективността се определя по формулата:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, където Qн е количеството топлина, получено от нагревателя, а Qх е количеството топлина, отдадено на охладителя.

Смята се, че най-висока ефективност се осигурява от двигатели, работещи по цикъла на Карно. В този случай ефективността се определя по формулата:

• Ƞ=T1-T2/T1, където T1 е температурата на горещия извор, T2 е температурата на студения извор.

Ефективност на електродвигателя

Електрическият мотор е устройство, което преобразува електрическата енергия в механична енергия, така че ефективността в този случай е коефициентът на ефективност на устройството при преобразуването на електрическата енергия в механична енергия. Формулата за намиране на ефективността на електродвигател изглежда така:

• Ƞ=P2/P1, където P1 е подадената електрическа мощност, P2 е полезната механична мощност, генерирана от двигателя.

Електрическата мощност се намира като произведение на системния ток и напрежение (P=UI), а механичната мощност като съотношението на работа за единица време (P=A/t)

Ефективност на трансформатора

Трансформаторът е устройство, което преобразува променлив ток от едно напрежение в променлив ток от друго напрежение, като същевременно поддържа честотата. В допълнение, трансформаторите могат също да преобразуват променлив ток в постоянен ток.

Ефективността на трансформатора се намира по формулата:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), където P0 е загубата на празен ход, PL е загубата на натоварване, P2 е активната мощност, подадена към товара, n е относителната степен на натоварване.

Ефективност или неефективност?

Струва си да се отбележи, че в допълнение към ефективността, има редица показатели, които характеризират ефективността на енергийните процеси, като понякога можем да срещнем описания като - ефективност от порядъка на 130%, но в този случай трябва да разберем, че терминът не е използван напълно правилно и най-вероятно авторът или производителят разбира това съкращение като малко по-различна характеристика.

Например термопомпите се отличават с това, че могат да отделят повече топлина, отколкото консумират. Така една хладилна машина може да отнеме повече топлина от охлаждания обект, отколкото е изразходвана в енергиен еквивалент за организиране на отстраняването. Индикаторът за ефективност на хладилната машина се нарича коефициент на охлаждане, обозначен с буквата Ɛ и определен по формулата: Ɛ=Qx/A, където Qx е топлината, отведена от студения край, A е работата, изразходвана за процеса на отвеждане . Понякога обаче хладилният коефициент се нарича още ефективност на хладилната машина.

Интересно е също, че ефективността на котлите, работещи с органично гориво, обикновено се изчислява въз основа на по-ниската калоричност и може да бъде по-голяма от единица. Все още обаче традиционно се нарича ефективност. Възможно е да се определи ефективността на котела по по-високата калоричност и тогава тя винаги ще бъде по-малка от единица, но в този случай ще бъде неудобно да се сравнява производителността на котлите с данни от други инсталации.