Физика > Тепловые двигатели
Принцип работы теплового двигателя в термодинамике: второй закон термодинамики, циклический процесс, эффективность теплового двигателя, формулы, теплообмен.
В термодинамике тепловой двигатель выступает системой, осуществляющей трансформацию тепловой энергии в механическую работу.
Задача обучения
- Выяснить, почему эффективность выступает главнейшим параметром для тепловых двигателей.
Основные пункты
- Циклический процесс возвращает систему в стартовое положение. Большая часть тепловых двигателей (поршневые и вращающиеся турбины) применяют циклические процессы.
- Второй закон термодинамики: в системе теплопередачи невозможно полностью трансформировать в работу при циклическом процессе.
- Эффективность теплового двигателя (Eff) – выходная мощность двигателя (W), деленная теплопередачей на двигатель:
(Qc и Qh – передача тепла в горячий (двигатель) и холодный (окружающая среда)).
Термины
- Тепловая энергия – внутренняя энергия при термодинамическом балансе.
- Внутренняя энергия – сумма всей энергии в системе, включая кинетическую и потенциальную.
Тепловой двигатель – система, трансформирующая тепловую энергию в механическую работу. К ним относятся бензиновые, дизельные, реактивные и паровые турбины. Все они используют тепло из источника. Передача тепла от горячего тела – Qh, а холодное – Qc. Температуры их обозначаются соответственно: Th и Tc.
(а) – Теплообмен осуществляется спонтанно от горячего тела к прохладному (подчиняется второму закону термодинамики). (b) – Тепловой двигатель (круг) использует часть теплопередачи, чтобы выполнить работу. Объекты именуются горячими и холодными резервуарами. Qh – теплопередача из горячего резервуара, W – выход работы, Qc – передача в холодный
Горячий резервуар нагревается внешним воздействием, поэтому работа выполняется максимально эффективно. Но нам бы хотелось выровнять W и Qh, чтобы не переносить тепло во внешний мир (Qc = 0). К сожалению, этого не случится. Второй закон термодинамики указывает на то, что при переносе тепла нельзя полностью преобразовать его в работу в циклическом процессе.
Циклический процесс заставляет систему возвращаться в исходное положение. Второй закон доходчиво объясняет, что такие двигатели не располагают идеальной трансформацией теплопередачи в работу.
КПД
Что можно сказать о КПД теплового двигателя? Итак, циклический процесс вынуждает систему постоянно начинать все сначала. Внутренняя энергия (U) системы одинакова на первом и последнем этапе цикла, так что ΔU = 0. В первом законе указано, что ΔU = Q – W (Q – чистый теплообмен во время цикла, а W – чистая работа). Так как ΔU = 0, то W = Q. Поэтому выполняемая системой работа приравнивается к чистой передаче тепла в систему или W = Qh - Qc (циклический процесс), как отображено на рисунке (b).
Эффективность выступает важнейшим параметром для теплового двигателя. Загвоздка лишь в том, что во всех процессах присутствует трата тепла на внешнюю среду (Qc). Если трансформируем энергию в работу, то всегда вынуждены получать меньше, чем вкладываем. Эффективность определяется в качестве выходной мощности, разделенной на теплопередачу:
Eff = W/Qh.
В циклическом процессе W = Qh – Qc, поэтому можно выразить как:
(для циклического процесса).
100% эффективность возможна только, если теплопередача в окружающую среду отсутствует (Qc = 0).
Раздел Физика |
|||||
Введение | |||||
Первый закон термодинамики | |||||
Второй закон термодинамики | |||||
Энтропия | |||||
Третий закон термодинамики |