Коэффициент полезного действия (КПД) - термин, которые можно применить, пожалуй, к каждой системе и устройству. Даже у человека есть КПД, правда, наверно, пока не существует объективной формулы для его нахождения. В этой статье расскажем подробно, что такое КПД и как его можно рассчитать для различных систем.

КПД-определение

КПД - это показатель, характеризующий эффективность той или иной системы в отношении отдачи или преобразования энергии. КПД - безмерная величина и представляется либо числовым значением в диапазоне от 0 до 1, либо в процентах.

Общая формула

КПД обозначается символом Ƞ.

Общая математическая формула нахождения КПД записывается следующим образом:

Ƞ=А/Q, где А - полезная энергия/работа, выполненная системой, а Q - энергия, потребляемая этой системой для организации процесса получения полезного выхода.

Коэффициент полезного действия, к сожалению, всегда меньше единицы или равен ей, поскольку, согласно закону сохранения энергии, мы не можем получить работы больше, чем потрачено энергии. Кроме того, КПД, на самом деле, крайне редко равняется единице, так как полезная работа всегда сопровождается наличием потерь, например, на нагрев механизма.

КПД теплового двигателя

Тепловой двигатель - это устройство, превращающее тепловую энергию в механическую. В тепловом двигателе работа определяется разностью количества теплоты, полученного от нагревателя, и количества теплоты, отданной охладителю, а потому КПД определяется по формуле:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, где Qн - количество теплоты, полученное от нагревателя, а Qх - количество теплоты, отданное охладителю.

Считается, что высочайший КПД обеспечивают двигатели, работающие по циклу Карно. В данном случае КПД определяется по формуле:

• Ƞ=T1-T2/T1, где Т1 - температура горячего источника, T2 - температура холодного источника.

КПД электрического двигателя

Электрический двигатель - это устройство, которое преобразует электрическую энергию в механическую, так что КПД в данном случае - это коэффициент эффективности устройства в отношении преобразования электрической энергии в механическую. Формула нахождения КПД электрического двигателя выглядит так:

• Ƞ=P2/P1, где P1 - подведенная электрическая мощность, P2 - полезная механическая мощность, выработанная двигателем.

Электрическая мощность находится как произведение тока и напряжения системы (P=UI), а механическая - как отношение работы к единице времени (P=A/t)

КПД трансформатора

Трансформатор - это устройство, которое преобразует переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения, сохраняя частоту. Кроме того, трансформаторы также могут преобразовывать переменный ток в постоянный.

Коэффициент полезного действия трансформатора находится по формуле:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), где P0 - потери режима холостого хода, PL - нагрузочные потери, P2 - активная мощность, отдаваемая нагрузке, n - относительная степень нагружения.

КПД или не КПД?

Стоит заметить, что помимо КПД существует еще ряд показателей, которые характеризуют эффективность энергетических процессов, и иногда мы можем встретить описания типа - КПД порядка 130%, однако в данном случае нужно понимать, что термин применен не совсем корректно, и, вероятнее всего, автор или производитель понимает под данной аббревиатурой несколько иную характеристику.

К примеру, тепловые насосы отличаются тем, что они могут отдавать больше теплоты, чем расходуют. Так, холодильная машина может отвести от охлаждаемого объекта больше теплоты, чем затрачено в энергетическом эквиваленте на организацию отвода. Показатель эффективности холодильной машины называется холодильным коэффициентом, обозначается буквой Ɛ и определяется по формуле: Ɛ=Qx/A, где Qx - тепло, отводимое от холодного конца, A - работа, затраченная на процесс отвода. Однако иногда холодильный коэффициент называют и КПД холодильной машины.

Интересно также, что КПД котлов, работающих на органическом топливе, рассчитывается обычно по низшей теплоте сгорания, при этом он может получиться больше единицы. Тем не менее, его все равно традиционно называют КПД. Можно определять КПД котла по высшей теплоте сгорания, и тогда он всегда будет меньше единицы, однако в данном случае неудобно будет сравнивать показатели котлов с данными других установок.

Cлайд 1

Cлайд 2

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Cлайд 6

Cлайд 7

Cлайд 8

Cлайд 9

Как найти коэффициент полезного действия. Формула кпд через мощность

Как найти коэффициент полезного действия

Коэффициент полезного действия показывает отношение пригодной работы, которая выполняется механизмом либо устройством, к затраченной. Зачастую за затраченную работу принимают число энергии, которое потребляет устройство для того, дабы исполнить работу.

Вам понадобится

• - автомобиль;
• - термометр;
• - калькулятор.

Инструкция

2. При расчете КПД теплового мотора, пригодной работой считайте механическую работу, исполненную механизмом. За затраченную работу берите число теплоты, выделяемое сгоревшим топливом, которое является источником энергии для мотора.

3. Пример. Средняя сила тяги мотора автомобиля составляет 882 Н. На 100 км пути он потребляет 7 кг бензина. Определите КПД его мотора. Вначале обнаружьте пригодную работу. Она равна произведению силы F на расстояние S, преодолеваемое телом под ее воздействием Ап=F?S. Определите число теплоты, которое выделится при сжигании 7 кг бензина, это и будет затраченная работа Аз=Q=q?m, где q – удельная теплота сгорания топлива, для бензина она равна 42?10^6 Дж/кг, а m – масса этого топлива. КПД мотора будет равен КПД=(F?S)/(q?m)?100%= (882?100000)/(42?10^6?7)?100%=30%.

4. В всеобщем случае дабы обнаружить КПД, всякий тепловой машины (мотора внутреннего сгорания, парового мотора, турбины и т.д.), где работа выполняется газом, имеет показатель полезного действия равный разности теплоты отданной нагревателем Q1 и полученной холодильником Q2, обнаружьте разность теплоты нагревателя и холодильника, и поделите на теплоту нагревателя КПД= (Q1-Q2)/Q1. Тут КПД измеряется в дольных единицах от 0 до 1, дабы перевести итог в проценты, умножьте его на 100.

5. Дабы получить КПД безукоризненной тепловой машины (машины Карно), обнаружьте отношение разности температур нагревателя Т1 и холодильника Т2 к температуре нагревателя КПД=(Т1-Т2)/Т1. Это предельно допустимый КПД для определенного типа тепловой машины с заданными температурами нагревателя и холодильника.

6. Для электродвигателя обнаружьте затраченную работу как произведение мощности на время ее выполнения. Скажем, если электродвигатель крана мощностью 3,2 кВт поднимает груз массой 800 кг на высоту 3,6 м за 10 с, то его КПД равен отношению пригодной работы Ап=m?g?h, где m – масса груза, g?10 м/с? убыстрение свободного падения, h – высота на которую подняли груз, и затраченной работы Аз=Р?t, где Р – мощность мотора, t – время его работы. Получите формулу для определения КПД=Ап/Аз?100%=(m?g?h)/(Р?t) ?100%=%=(800?10?3,6)/(3200?10) ?100%=90%.

Показатель пригодного действия (КПД) - это показатель производительности какой либо системы, будь то мотор автомобиля, машина либо другой механизм. Он показывает, как результативно данная система использует получаемую энергию. Вычислить КПД дюже легко.

Инструкция

1. Почаще каждого КПД вычисляется из соотношения пригодно применяемой системой энергии ко каждой суммарно полученной энергии в определенный интервал времени. Стоит подметить, что КПД не имеет определенных единиц измерения. Впрочем, в школьной программе эту величину измеряют в процентах. Данный показатель, исходя из выше указанных данных, вычисляется по формуле:? = (A/Q)*100%, где? («эта») - это желанный КПД, A - пригодная работа системы, Q - суммированные затраты энергии, A и Q измеряются в Джоулях.

2. Указанный выше метод вычисления КПД не является исключительным, потому что пригодная работа системы (A) вычисляется по формуле:A = Po-Pi, где Po - подведенная системе энергия извне, Pi - потери энергии при работе системы. Развернув числитель указанной выше формулы, ее дозволено записать в дальнейшем виде:? = ((Po-Pi)/Po)*100%.

3. Дабы вычисление КПД было больше внятным и наглядным, дозволено разглядеть примеры.Пример 1: Пригодная работа системы равна 75 Дж, сумма затраченной для ее работы энергии составляет 100 Дж, требуется обнаружить КПД данной системы. Для решения этой задачи примените самую первую формулу:? = 75/100 = 0.75 либо 75%Ответ: КПД предложенной системы составляет 75%.

4. Пример 2: Подводимая для работы мотора энергия составляет 100 Дж, потери энергии при работе этого мотора 25 Дж, нужно вычислить КПД. Для решения предложенной задачи воспользуйтесь 2-й формулой подсчета желанного показателя:? = (100-25)/100 = 0.75 либо 75%. Результаты в обоих примерах получились идентичные, чай во втором случае были больше детально разобраны данные числителя.

Обратите внимание! Многие типы современных моторов (скажем, ракетный мотор либо турбовоздушный) имеют несколько ступеней своей работы, и для всей ступени существует свой КПД, тот, что исчисляется по всякий из указанных формул. Но дабы обнаружить всеобщий показатель, понадобится перемножить все знаменитые КПД на всех этапах работы данного мотора:? = ?1*?2*?3*…*?.

Полезный совет КПД не может быть огромнее единице, чай во время работы всякий системы неминуемо появляются потери энергии.

Попутные перевозки представляют собой разновидность транспортных перевозок, состоящую в загрузке транспортного средства, осуществляющего холостой пробег. Обстановки, когда транспорт вынужден передвигаться без груза, встречаются довольно зачастую, причем, как до, так и позже позже выполнения намеченного транспортного заказа. Для предприятия вероятность взять добавочный груз обозначает, как минимум, снижение финансовых потерь.

Инструкция

1. Оцените результативность применения попутных грузоперевозок реально для вашего предприятия. Значимым моментом, тот, что следует уяснить, является тот факт, что попутный груз может быть перевезен в то время, когда транспорт вынужденно перемещается порожняком позже осуществления первичной (стержневой) транспортной заявки. Если в деятельности вашего предприятия такие обстановки встречаются регулярно, отважно выбирайте такой метод оптимизации перевозок.

2. Оцените, какой попутный груз по массе и габаритам может перевезти ваше транспортное средство. Попутный груз может быть экономически выигрышным даже в том случае, если часть грузового пространства вашего автомобиля окажется не занятой.

3. Продумайте, из каких точек основного маршрута вы сумеете взять попутный груз. Комфортнее каждого, если такой груз вы можете получить в финальной точке планового маршрута и довезти его до места, где расположено ваше транспортное предприятие. Но такая обстановка может встретиться не неизменно. Следственно разглядите также вероятность некоторого отклонения от маршрута, просчитав, разумеется, экономическую рациональность такого метаморфозы.

4. Узнаете, не требуется ли обратная перевозка груза предприятию, в которое вы делаете плановую грузоперевозку. В этом случае значительно проще договориться о цене вопроса и обеспечить безопасность добавочного взаимовыгодного сотрудничества.

5. Обнаружьте несколько специализированных интернет-порталов, предоставляющих информационные службы в сфере грузоперевозок. Как водится, сайты таких компаний имеют соответствующие разделы, разрешающие разыскать попутный груз на пути вашего следования и оставить соответствующую заявку. В большинстве случаев применение такой вероятности требует, как минимум, регистрации на сайте. Будет совершенно, если информационный источник имеет встроенные вероятности для логистического обзора встречных предложений.

6. Не пренебрегайте сборными перевозками, когда в выбранном направлении на одном виде транспорта перевозятся грузы малого габарита от разных клиентов. При этом транспорт должен делать челночные маршруты по выбранным направлениям.

Обратите внимание! Обнаружить попутный груз - абсолютно нетрудно! Основная задача работы нашего обслуживания – поиск разных загрузок, тот, что пользователи могут осуществлять не только =с максимальным для себя удобством, но и идеально даром. При помощи нашей системы, работа которой основывается на применении современных информационных спецтехнологий, обнаружить груз дозволено дюже легко.

Полезный совет Видимо, что Вы решили купить либо взять в аренду огромный грузовой автомобиль, с подмогой которого Вы намерены зарабатывать деньги, путем перевозок грузов по России, СНГ и Европе. Все равно, наймете Вы водителя либо сами будете на нем ездить, Вам понадобятся заказчики, то есть грузы для перевозки. Тогда Вы обязательно задумаетесь либо теснее задумались, где и как обнаружить грузы для своего грузового автомобиля?

Дабы обнаружить показатель пригодного действия всякого двигателя, надобно пригодную работу поделить на затраченную и умножить на 100 процентов. Для теплового двигателя обнаружьте данную величину по отношению мощности, умноженной на продолжительность работы, к теплу, выделившемуся при сгорании топлива. Теоретически КПД теплового двигателя определяется по соотношению температур холодильника и нагревателя. Для электрических моторов обнаружьте отношение его мощности к мощности потребляемого тока.

Вам понадобится

• паспорт мотора внутреннего сгорания (ДВС), термометр, тестер

Инструкция

1. Определение КПД ДВС Обнаружьте в технической документации данного определенного двигателя его мощность. Залейте в его бак некоторое число топлива и запустите мотор, дабы он проработал некоторое время на полных циклах, развивая максимальную мощность, указанную в паспорте. С подмогой секундомера засеките время работы двигателя, выразив его в секундах. Через некоторое время остановите мотор, и слейте остатки топлива. Отняв от исходного объема залитого топлива финальный объем, обнаружьте объем израсходованного топлива. Применяя таблицу, обнаружьте его плотность и умножьте на объем, получив массу израсходованного топлива m=? V. Массу выразите в килограммах. В зависимости от вида топлива (бензин либо дизельное горючее), определите по таблице его удельную теплоту сгорания. Для определения КПД максимальную мощность умножьте на время работы двигателя и на 100%, а итог ступенчато поделите на его массу и удельную теплоту сгорания КПД =P t 100%/(q m).

2. Для совершенной тепловой машины, дозволено применить формулу Карно. Для этого узнайте температуру сгорания топлива и измерьте температуру холодильника (выхлопных газов) особым термометром. Переведите температуру, измеренную в градусах Цельсия в безусловную шкалу, для чего к значению прибавьте число 273. Для определения КПД от числа 1 отнимите отношение температур холодильника и нагревателя (температуру сгорания топлива) КПД =(1-Тхол/Тнаг) 100%. Данный вариант расчета КПД не рассматривает механическое трение и теплообмен с внешней средой.

3. Определение КПД электродвигателя Узнайте номинальную мощность электродвигателя, по технической документации. Подключите его к источнику тока, добившись максимальных циклов вала, и с подмогой тестера измерьте значение напряжения на нем и силу тока в цепи. Для определения КПД заявленную в документации мощность, поделите на произведение силы тока на напряжение, итог умножьте на 100% КПД =P 100%/(I U).

Видео по теме

Обратите внимание! Во всех расчетах КПД должен быть поменьше 100%.

Для обзора обычной динамики населения социологам нужно определить всеобщие коэффициенты. Основными из них являются показатели рождаемости, смертности, брачности и натурального прихода. Опираясь на них, дозволено составить демографическую картину в данный момент времени.

Инструкция

1. Обратите внимание на то, что всеобщий показатель представляет собой относительный показатель. Так, число родившихся за определенный период, скажем, за год, будет отличаться от всеобщего показателя рождаемости. Связано это с тем, что при его нахождении учитываются данные об всеобщем числе населения. Это делает допустимым сопоставление текущих итогов изысканий с итогами прошлых лет.

2. Определите расчетный период. Скажем, дабы обнаружить показатель брачности, нужно определить, за какой временной период число заключенных браков вас волнует. Так, данные за последнее полугодие будут в существенной мере отличаться от тех, которые вы получите при определении пятилетнего временного промежутка. Рассматривайте, что расчетный период при вычислении всеобщего показателя указывается в годах.

3. Определите всеобщую количество населения. Сходственного рода данные дозволено получить, обратившись к данным переписи населения. Для определения всеобщих показателей рождаемости, смертности, брачности и разводимости вам потребуется обнаружить произведение всеобщей численности населения и расчетного периода. Получившееся число запишите в знаменатель.

4. Поставьте на место числителя безусловный показатель, соответствующий желанному относительному. Скажем, если перед вами стоит задача определить всеобщий показатель рождаемости, то на месте числителя должно находиться число, отражающее всеобщее число рожденных детей за волнующий вас период. Если вашей целью является определение яруса смертности либо брачности, то на место числителя поставьте число усопших в расчетный период либо число вступивших в брак, соответственно.

5. Умножьте получившееся число на 1000. Это и будет желанный вами всеобщий показатель. Если же перед вами стоит задача обнаружить всеобщий показатель прихода, то вычтите из показателя рождаемости показатель смертности.

Видео по теме

Под словом «работа» воспринимается раньше каждого действие, которая дает человеку средства к существованию. Иными словами, за нее он получает физическое вознаграждение. Тем не менее, люди готовы в свое свободное время либо даром, либо за чисто символическую плату участвовать также в социально-пригодной работе, направленной на поддержка нуждающимся, благоустройство дворов и улиц, озеленение и т.д. Число таких добровольцев наверно было бы еще огромным, но они нередко не знают, где могут потребоваться их службы.

Инструкция

1. Один из самых знаменитых видов социально-пригодной работы – благотворительность. Она включает в себя подмога нуждающимся, общественно незащищенным группам населения: инвалидам, престарелым, беспризорным. Словом, каждым тем, кто по какой-то причине оказался в тяжелой жизненной обстановки.

2. Добровольцам, желающим принять посильное участие в оказание такой помощи, следует обратиться в ближайшие филантропические организации либо отделы общественной помощи. Можете навести справки в ближайшей церкви – священнослужитель наверно знает, кто из его паствы исключительно нуждается в поддержке.

3. Также вы можете проявить инициативу дословно по месту жительства - в многоквартирном доме наверно живут одинокие пенсионерки, инвалиды либо матери-одиночки, у которых весь рубль на счету. Окажите им посильную подмога. Она совсем не неукоснительно должна заключаться в денежном пожертвовании – дозволено, скажем, время от времени ходить в магазин за продуктами либо в аптеку за лекарствами.

4. Много людей желает принять участие в благоустройстве родного города. Им стоит связаться с соответствующими конструкциями здешнего муниципалитета, скажем, теми, которые отвечают за уборку территорий, озеленение. Работа наверно найдется. Помимо того, дозволено, скажем, по собственной инициативе разбить клумбу под окнами дома, посадить цветы.

5. Есть люди, дюже любящие звериных, желающие подмогнуть безнадзорным собакам и кошкам. Если вы относитесь к этой категории, свяжитесь с местными организациями зоозащитников либо с обладателями пристанищ для звериных. Ну а если вы живете в огромном городе, где есть зоопарки, узнайте у администрации, не необходимы ли помощники по уходу за звериными. Как водится, такие предложения помощи встречают с благодарностью.

6. Невозможно забывать и о воспитании подрастающего поколения. Если энтузиаст-доброволец сумеет, скажем, вести занятия в каком-либо школьном кружке либо центре культуры и творчества, он принесет этим огромную пользу. Словом, социально-пригодной работы для неравнодушных людей найдется много, на всякий вкус и вероятности. Было бы желание.

Показатель увлажнения - показатель, используемый для определения параметров микроклимата. Рассчитать его дозволено, имея информацию о выпадении осадков в регионе в течение довольно долгого периода.

Показатель увлажнения

Коэффициент увлажнения представляет собой особый показатель, разработанный экспертами в области метеорологии для оценки степени влажности микроклимата в том либо другом регионе. При этом было принято во внимание, что микроклимат представляет собой многолетнюю отзыв погодных условий в данной местности. Следственно рассматривать показатель увлажнения также было решено в долгих временных рамках: как водится, данный показатель рассчитывается на основе данных, собранных в течение года.Таким образом, показатель увлажнения показывает, насколько огромно число осадков, выпадающих в течение этого периода в рассматриваемом регионе. Это, в свою очередь, является одним из основных факторов, определяющих превалирующий тип растительности в этой местности.

Расчет показателя увлажнения

Формула расчета показателя увлажнения выглядит дальнейшим образом: K = R / E. В указанной формуле символом K обозначен собственно показатель увлажнения, а символом R - число осадков, вывалившихся в данной местности в течение года, выраженное в миллиметрах. Наконец, символом E обозначается число осадков, которое испарилось с поверхности земли, за тот же период времени. Указанное число осадков, которое также выражается в миллиметрах, зависит от типа почвы, температуры в данном регионе в определенный период времени и других факторов. Следственно невзирая на кажущуюся простоту приведенной формулы, расчет показателя увлажнения требует проведения большого числа заблаговременных измерений при помощи точных приборов и может быть осуществлен только силами довольно огромного коллектива метеорологов.В свою очередь, значение показателя увлажнения на определенной территории, рассматривающее все эти показатели, как водится, дозволяет с высокой степенью достоверности определить, какой тип растительности является преобладающим в этом регионе. Так, если показатель увлажнения превышает 1, это говорит о высоком ярусе влажности на данной территории, что влечет за собой преимущество таких типов растительности как тайга, тундра либо лесотундра. Довольный ярус влажности соответствует показателю увлажнения, равному 1, и, как водится, характеризуется преобладанием смешанных либо широколиственных лесов. Показатель увлажнения в пределах от 0,6 до 1 характерен для лесостепных массивов, от 0,3 до 0,6 - для степей, от 0,1 до 0,3 - для полупустынных территорий, а от 0 до 0,1 - для пустынь.

Видео по теме

jprosto.ru

Коэффициент полезного действия

Допустим, мы отдыхаем на даче, и нам нужно принести из колодца воды. Мы опускаем в него ведро, зачерпываем воду и начинаем поднимать. Не забыли, какова наша цель? Правильно: набрать воды. Но взгляните: мы поднимаем не только воду, но и само ведро, а также тяжёлую цепь, на которой оно висит. Это символизирует двухцветная стрелка: вес поднимаемого нами груза складывается из веса воды и веса ведра и цепи.

Рассматривая ситуацию качественно, мы скажем: наряду с полезной работой по подъёму воды мы совершаем и другую работу – подъём ведра и цепи. Разумеется, без цепи и ведра мы не смогли бы набрать воды, однако, с точки зрения конечной цели, их вес «вредит» нам. Если бы этот вес был бы меньше, то и полная совершённая работа тоже была бы меньше (при той же полезной).

Теперь перейдём к количественному изучению этих работ и введём физическую величину, называемую коэффициентом полезного действия.

Задача. Яблоки, отобранные для переработки, грузчик высыпает из корзин в грузовик. Масса пустой корзины 2 кг, а яблок в ней – 18 кг. Чему равна доля полезной работы грузчика от его полной работы?

Решение. Полной работой является перемещение яблок в корзинах. Эта работа складывается из подъёма яблок и подъёма корзин. Важно: поднятие яблок – полезная работа, а поднятие корзин – «бесполезная», потому что цель работы грузчика – переместить только яблоки.

Введём обозначения: Fя – сила, с которой руки поднимают вверх только яблоки, а Fк – сила, с которой руки поднимают вверх только корзину. Каждая из этих сил равна соответствующей силе тяжести: F=mg.

Пользуясь формулой A = ±(F||· l) , «распишем» работы этих двух сил:

Aполезн = +Fя · lя = mя g · h и Aбесполезн = +Fк · lк = mк g · h

Полная работа складывается из двух работ, то есть равна их сумме:

Aполн = Aполезн + Aбесполезн = mя g h + mк g h = (mя + mк) · g h

В задаче нас просят вычислить долю полезной работы грузчика от его полной работы. Сделаем это, поделив полезную работу на полную:

В физике такие доли принято выражать в процентах и обозначать греческой буквой «η» (читается: «эта»). В итоге получим:

η = 0,9 или η = 0,9 ·100% = 90% , что то же самое.

Это число показывает, что из 100% полной работы грузчика доля его полезной работы составляет 90%. Задача решена.

Физическая величина, равная отношению полезной работы к полной совершённой работе, в физике имеет собственное название – КПД – коэффициент полезного действия:

После вычисления КПД по этой формуле его принято умножать на 100%. И наоборот: для подстановки КПД в эту формулу его значение нужно перевести из процентов в десятичную дробь, поделив на 100%.

questions-physics.ru

КПД теплового двигателя. КПД теплового двигателя

Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших затратах топлива давала бы максимальный результат от его использования.

Устройство теплового двигателя

Прежде чем разбираться в том, что такое КПД (коэффициент полезного действия), необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая тепловую энергию в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.

Принцип функционирования

Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем - любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:

КПД = (Тнагрев. - Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.

При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.

При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.

В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с выхлопными газами или паром. Эта часть тепловой внутренней энергии неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q1. При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q2

КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД:

η*A/Qx100 %, где Q - затраченная энергия, А - полезная работа.

Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии.

КПД двигателя - это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы:

η = (Q1-Q2)/ Q1, где Q1 - теплота, полученная от нагревателя, а Q2 - отданная холодильнику.

Работа теплового двигателя

Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле:

A = |QH| - |QX|, где А - работа, QH - количество теплоты, получаемое от нагревателя, QX - количество теплоты, отдаваемое охладителю.

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

Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется.

Двигатель Карно

Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, определяется по следующей формуле:

(Тн - Тх)/ Тн = - Тх - Тн.

Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния.

Разновидности

В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие:

Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5.

Двигатель Стирлинга - прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей.

Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях.

Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие.

Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель (газовая турбина), на вал которого насаживают воздушный винт.

Другие виды тепловых двигателей

Ракетные, турбореактивные и реактивные двигатели, которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов.

Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры.

Как можно повысить КПД

Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся тепловую энергию преобразовать в электрическую, механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц.

Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.

fb.ru

Коэффициент полезного действия (КПД) - это характеристика результативности системы в отношении преобразования или передачи энергии, который определяется отношением полезно использованной энергии к суммарной энергии, полученной системой.

КПД - величина безразмерная, обычно ее выражают в процентах:

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя определяется по формуле: , где A = Q1Q2. КПД теплового двигателя всегда меньше 1.

Цикл Карно - это обратимый круговой газовый процесс, который состоит из последовательно стоящих двух изотермических и двух адиабатных процессов, выполняемых с рабочим телом.

Круговой цикл, включающий в себя две изотермы и две адиабаты, соответствует максимальному КПД.

Французский инженер Сади Карно в 1824 г. вывел формулу максимального КПД идеального теплового двигателя, где рабочее тело - это идеальный газ, цикл которого состоял из двух изотерм и двух адиабат, т. е. цикл Карно. Цикл Карно - реальный рабочий цикл теплового двигателя, свершающего работу за счет теплоты, подводимой рабочему телу в изотермическом процессе.

Формула КПД цикла Карно, т. е. максимального КПД теплового двигателя имеет вид: , где T1 - абсолютная температура нагревателя, Т2 - абсолютная температура холодильника.

Тепловые двигатели - это конструкции, в которых тепловая энергия превращается в механическую.

Тепловые двигатели многообразны как по конструкции, так и по назначению. К ним относятся паровые машины, паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели.

Однако, несмотря на многообразие, в принципе действия различных тепловых двигателей есть общие черты. Основные компоненты каждого теплового двигателя:

• нагреватель;
• рабочее тело;
• холодильник.

Нагреватель выделяет тепловую энергию, при этом нагревает рабочее тело, которое находится в рабочей камере двигателя. Рабочим телом может быть пар или газ.

Приняв количество теплоты, газ расширяется, т.к. его давление больше внешнего давления, и двигает поршень, производя положительную работу. При этом его давление падает, а объем увеличивается.

Если сжимать газ, проходя те же состояния, но в обратном направлении, то совершим ту же по абсолютному значению, но отрицательную работу. В итоге вся работа за цикл будет равна нулю.

Для того чтобы работа теплового двигателя была отлична от нуля, работа сжатия газа должна быть меньше работы расширения.

Чтобы работа сжатия стала меньше работы расширения, необходимо, чтобы процесс сжатия проходил при меньшей температуре, для этого рабочее тело нужно охладить, поэтому в конструкцию теплового двигателя входит холодильник. Холодильнику рабочее тело отдает при соприкосновении с ним количество теплоты.

Современные реалии предполагают широкую эксплуатацию тепловых двигателей. Многочисленные попытки замены их на электродвигатели пока претерпевают неудачу. Проблемы, связанные с накоплением электроэнергии в автономных системах, решаются с большим трудом.

Все еще актуальны проблемы технологии изготовления аккумуляторов электроэнергии с учетом их длительного использования. Скоростные характеристики электромобилей далеки от таковых у авто на двигателях внутреннего сгорания.

Первые шаги по созданию гибридных двигателей позволяют существенно уменьшить вредные выбросы в мегаполисах, решая экологические проблемы.

Немного истории

Возможность превращения энергии пара в энергию движения была известна еще в древности. 130 год до нашей эры: Философ Герон Александрийский представил на суд зрителей паровую игрушку - эолипил. Сфера, заполненная паром, приходила во вращение под действием исходящих из нее струй. Этот прототип современных паровых турбин в те времена не нашел применения.

Долгие годы и века разработки философа считались лишь забавной игрушкой. В 1629 г. итальянец Д. Бранки создал активную турбину. Пар приводил в движение диск, снабженный лопатками.

С этого момента началось бурное развитие паровых машин.

Тепловая машина

Превращение топлива в энергию движения частей машин и механизмов используется в тепловых машинах.

Основные части машин: нагреватель (система получения энергии извне), рабочее тело (совершает полезное действие), холодильник.

Нагреватель предназначен для того, чтобы рабочее тело накопило достаточный запас внутренней энергии для совершения полезной работы. Холодильник отводит излишки энергии.

Основной характеристикой эффективности называют КПД тепловых машин. Эта величина показывает, какая часть затраченной на нагревание энергии расходуется на совершение полезной работы. Чем выше КПД, тем выгоднее работа машины, но эта величина не может превышать 100%.

Расчет коэффициента полезного действия

Пусть нагреватель приобрел извне энергию, равную Q 1 . Рабочее тело совершило работу A, при этом энергия, отданная холодильнику, составила Q 2 .

Исходя из определения, рассчитаем величину КПД:

η= A / Q 1 . Учтем, что А = Q 1 - Q 2.

Отсюда КПД тепловой машины, формула которого имеет вид η= (Q 1 - Q 2)/ Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, позволяет сделать следующие выводы:

• КПД не может превышать 1 (или 100%);
• для максимального увеличения этой величины необходимо либо повышение энергии, полученной от нагревателя, либо уменьшение энергии, отданной холодильнику;
• увеличения энергии нагревателя добиваются изменением качества топлива;
• уменьшения энергии, отданной холодильнику, позволяют добиться конструктивные особенности двигателей.

Идеальный тепловой двигатель

Возможно ли создание такого двигателя, коэффициент полезного действия которого был бы максимальным (в идеале - равным 100%)? Найти ответ на этот вопрос попытался французский физик-теоретик и талантливый инженер Сади Карно. В 1824 его теоретические выкладки о процессах, протекающих в газах, были обнародованы.

Основной идеей, заложенной в идеальной машине, можно считать проведение обратимых процессов с идеальным газом. Начинаем с расширения газа изотермически при температуре T 1 . Количество теплоты, необходимой для этого, - Q 1. После газ без теплообмена расширяется Достигнув температуры Т 2 , газ сжимается изотермически, передавая холодильнику энергию Q 2 . Возвращение газа в первоначальное состояние производится адиабатно.

КПД идеального теплового двигателя Карно при точном расчете равен отношению разности температур нагревательного и охлаждающего устройств к температуре, которую имеет нагреватель. Выглядит это так: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

Возможный КПД тепловой машины, формула которого имеет вид: η= 1 - Т 2 / T 1 , зависит только от значения температур нагревателя и охладителя и не может быть более 100%.

Более того, это соотношение позволяет доказать, что КПД тепловых машин может быть равен единице только при достижении холодильником температур. Как известно, это значение недостижимо.

Теоретические выкладки Карно позволяют определить максимальный КПД тепловой машины любой конструкции.

Доказанная Карно теорема звучит следующий образом. Произвольная тепловая машина ни при каких условиях не способна иметь коэффициент полезного действия больше аналогичного значения КПД идеальной тепловой машины.

Пример решения задач

Пример 1. Каков КПД идеальной тепловой машины, в случае если температура нагревателя составляет 800 о С, а температура холодильника на 500 о С ниже?

T 1 = 800 о С= 1073 К, ∆T= 500 о С=500 К, η - ?

По определению: η=(T 1 - Т 2)/ T 1.

Нам не дана температура холодильника, но ∆T= (T 1 - Т 2), отсюда:

η= ∆T / T 1 = 500 К/1073 К = 0,46.

Ответ: КПД = 46%.

Пример 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за счет приобретенного одного килоджоуля энергии нагревателя совершается полезная работа 650 Дж. Какова температура нагревателя тепловой машины, если температура охладителя - 400 К?

Q 1 = 1 кДж=1000 Дж, А = 650 Дж, Т 2 = 400 К, η - ?, T 1 = ?

В данной задаче речь идет о тепловой установке, КПД которой можно вычислить по формуле:

Для определения температуры нагревателя воспользуемся формулой КПД идеальной тепловой машины:

η = (T 1 - Т 2)/ T 1 = 1 - Т 2 / T 1.

Выполнив математические преобразования, получим:

Т 1 = Т 2 /(1- η).

Т 1 = Т 2 /(1- A / Q 1).

Вычислим:

η= 650 Дж/ 1000 Дж = 0,65.

Т 1 = 400 К /(1- 650 Дж/ 1000 Дж) = 1142,8 К.

Ответ: η= 65%, Т 1 = 1142,8 К.

Реальные условия

Идеальный тепловой двигатель разработан с учетом идеальных процессов. Работа совершается только в изотермических процессах, ее величина определяется как площадь, ограниченная графиком цикла Карно.

В действительности создать условия для протекания процесса изменения состояния газа без сопровождающих его изменений температуры невозможно. Нет таких материалов, которые исключили бы теплообмен с окружающими предметами. Адиабатный процесс осуществить становится невозможно. В случае теплообмена температура газа обязательно должна меняться.

КПД тепловых машин, созданных в реальных условиях, значительно отличаются от КПД идеальных двигателей. Заметим, что протекание процессов в реальных двигателях происходит настолько быстро, что варьирование внутренней тепловой энергии рабочего вещества в процессе изменения его объема не может быть скомпенсировано притоком количества теплоты от нагревателя и отдачей холодильнику.

Иные тепловые двигатели

Реальные двигатели работают на иных циклах:

• цикл Отто: процесс при неизменном объеме меняется адиабатным, создавая замкнутый цикл;
• цикл Дизеля: изобара, адиабата, изохора, адиабата;
• процесс, происходящий при постоянном давлении, сменяется адиабатным, замыкает цикл.

Создать равновесные процессы в реальных двигателях (чтобы приблизить их к идеальным) в условиях современной технологии не представляется возможным. КПД тепловых машин значительно ниже, даже с учетом тех же температурных режимов, что и в идеальной тепловой установке.

Но не стоит уменьшать роль расчетной формулы КПД поскольку именно она становится точкой отсчета в процессе работы над повышением КПД реальных двигателей.

Пути изменения КПД

Проводя сравнение идеальных и реальных тепловых двигателей, стоит отметить, что температура холодильника последних не может быть любой. Обычно холодильником считают атмосферу. Принять температуру атмосферы можно только в приближенных расчетах. Опыт показывает, что температура охладителя равна температуре отработанных в двигателях газов, как это происходит в двигателях внутреннего сгорания (сокращенно ДВС).

ДВС - наиболее распространенная в нашем мире тепловая машина. КПД тепловой машины в этом случае зависит от температуры, созданной сгорающим топливом. Существенным отличием ДВС от паровых машин является слияние функций нагревателя и рабочего тела устройства в воздушно-топливной смеси. Сгорая, смесь создает давление на подвижные части двигателя.

Повышения температуры рабочих газов достигают, существенно меняя свойства топлива. К сожалению, неограниченно это делать невозможно. Любой материал, из которого изготовлена камера сгорания двигателя, имеет свою температуру плавления. Теплостойкость таких материалов - основная характеристика двигателя, а также возможность существенно повлиять на КПД.

Значения КПД двигателей

Если рассмотреть температура рабочего пара на входе которой равна 800 К, а отработавшего газа - 300 К, то КПД этой машины равно 62%. В действительности же эта величина не превышает 40%. Такое понижение возникает вследствие тепловых потерь при нагревании корпуса турбин.

Наибольшее значение внутреннего сгорания не превышает 44%. Повышение этого значения - вопрос недалекого будущего. Изменение свойств материалов, топлива - это проблема, над которой работают лучшие умы человечества.