Тепловая машина. КПД

Описанные нами циклические процессы чаще всего происходят в, так называемых, тепловых машинах. Тепловой двигатель (тепловая машина) – устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Логика всех тепловых машин, в теории, одинакова (рис. 1).

Тепловая машина

Рис. 1. Тепловая машина

Классически, тепловая машина состоит нагревательного элемента, рабочего тела и холодильной установки. Каждый из этих элементов может инженерно выглядит как угодно, рабочее тело чаще всего газ. Нагреватель отдаёт рабочему телу теплоту \displaystyle {{Q}_{1}}, при этом рабочее тело (газ) расширяется и совершает работу (\displaystyle A), часть энергии уходит к холодильнику \displaystyle {{Q}_{2}} (на самом деле, холодильником может служить окружающая среда и \displaystyle {{Q}_{2}} — это банальные теплопотери).

Тогда, исходя из закона сохранения энергии:

\displaystyle {{Q}_{1}}=A+\left| {{{Q}_{2}}} \right| (1)

  • где
    • \displaystyle {{Q}_{1}} — теплота, отданная нагревателем (принятая рабочим телом),
    • \displaystyle \left| {{{Q}_{2}}} \right| — модуль теплоты, принятая холодильником (отданная рабочим телом),
    • \displaystyle A — работа газа.

Для характеристики тепловой машины вводят понятие КПД тепловой машины (коэффициент полезного действия). КПД, как физический параметр, везде одинаков: отношение полезной работы к затраченной. В нашей системе полезной является работа газа (\displaystyle A), затраченной, в нашем случае, является энергия, принятая от нагревателя (\displaystyle {{Q}_{1}}), тогда:

\displaystyle \eta =\frac{A}{{{{Q}_{1}}}}=\frac{{{{Q}_{1}}-\left| {{{Q}_{2}}} \right|}}{{{{Q}_{1}}}}=1-\frac{{\left| {{{Q}_{2}}} \right|}}{{{{Q}_{1}}}} (2)

  • где
    • \displaystyle \eta — КПД.

Важно: необходимо помнить, что \displaystyle {{Q}_{2}} — абсолютное значение теплоты, т.е. следим, чтобы значение этой теплоты было положительным.

Вывод: задачи на КПД тепловой машины относятся к любой из формулировок соотношения (2). Поиск \displaystyle {{Q}_{1}}, \displaystyle {{Q}_{2}} или \displaystyle A чаще всего идёт через первое начало термодинамики и уравнение Менделеева-Клапейрона.

Добавить комментарий