Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Коэффициент полезного действия (КПД)

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

КПД: понятие коэффициента полезного действия

Представьте, что вы пришли на работу в офис, выпили кофе, поболтали с коллегами, посмотрели в окно, пообедали, еще посмотрели в окно — вот и день прошел. Если вы не сделали ни одного дела по работе, то можно считать, что ваш коэффициент полезного действия равен нулю.

В обратной ситуации, когда вы сделали все запланированное — КПД равен 100%.

По сути, КПД — это процент полезной работы от работы затраченной.

Вычисляется по формуле:

Формула КПД

η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа [Дж]

Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Есть такое философское эссе Альбера Камю «Миф о Сизифе». Оно основано на легенде о неком Сизифе, который был наказан за обман. Его приговорили после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх на гору, откуда этот булыжник скатывался, после чего Сизиф тащил его обратно в гору. То есть он делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Есть даже выражение «Сизифов труд», которое описывает какое-либо бесполезное действие.

Давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень с горы не скатился. Тогда, во-первых, Камю бы не написал об этом эссе, потому что никакого бесполезного труда не было. А во-вторых, КПД в таком случае был бы не нулевым.

Полезная работа в этом случае равна приобретенной булыжником потенциальной энергии. Потенциальная энергия прямо пропорционально зависит от высоты: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. То есть, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше потенциальная энергия, а значит и полезная работа.

Потенциальная энергия

Еп = mg

Еп — потенциальная энергия [Дж]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с 2

Затраченная работа здесь — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

За счет чего происходит процесс?

Ради какого результата?

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы). Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

КПД в механике

Главный секрет заключается в том, что эта формула подойдет для всех видов КПД.

η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа [Дж]

Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Дальше мы просто заменяем полезную и затраченную работы на те величины, которые ими являются.

Давайте разберемся на примере задачи.

Задача

Чтобы вкатить санки массой 4 кг в горку длиной 12 метров, мальчик приложил силу в 15 Н. Высота горки равна 2 м. Найти КПД этого процесса. Ускорение свободного падения принять равным g ≃9,8 м/с 2

Запишем формулу КПД.

Теперь задаем два главных вопроса:

Ради чего все это затеяли?

Чтобы санки в горку поднять — то есть ради приобретения телом потенциальной энергии. Значит в данном процессе полезная работа равна потенциальной энергии санок.

Потенциальная энергия

Еп = mg

Еп — потенциальная энергия [Дж]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

На планете Земля g ≃ 9,8 м/с 2

За счет чего процесс происходит?

За счет мальчика, он же тянет санки. Значит затраченная работа равна механической работе

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

Заменим формуле КПД полезную работу на потенциальную энергию, а затраченную — на механическую работу:

η = Eп/A · 100% = mgh/FS · 100%

η = 4 · 9,8 · 2/15 · 12 · 100% = 78,4/180 · 100% ≃ 43,6 %

Ответ: КПД процесса приблизительно равен 43,6%

Онлайн-курсы физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

КПД в термодинамике

В термодинамике КПД — очень важная величина. Она полностью определяет эффективность такой штуки, как тепловая машина.

Схема теплового двигателя выглядит так:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

У теплового двигателя обязательно есть нагреватель, который (не может быть!) нагревает рабочее тело, передавая ему количество теплоты Q1 или Qнагревателя (оба варианта верны, это зависит лишь от учебника, в котором вы нашли формулу).

Оставшееся количество теплоты Q2 или Qхолодильника отводится к холодильнику, после чего возвращается к нагревателю и процесс повторяется.

КПД такой тепловой машины будет равен:

КПД тепловой машины

η = (Aполезная/Qнагревателя) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа (механическая) [Дж]

Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя[Дж]

Если мы выразим полезную (механическую) работу через Qнагревателя и Qхолодильника, мы получим:

A = Qнагревателя — Qхолодильника.

Подставим в числитель и получим такой вариант формулы.

КПД тепловой машины

η = Qнагревателя − Qхолодильника/Qнагревателя · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Qнагревателя — количество теплоты, полученное от нагревателя [Дж]

Qхолодильника — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж]

А возможно ли создать тепловую машину, которая будет работать только за счет охлаждения одного тела?

Точно нет! Если у нас не будет нагревателя, то просто нечего будет передавать на механическую работу. Любой такой процесс — когда энергия не приходит из ниоткуда — означал бы возможность существования вечного двигателя.

Поскольку свидетельств такого процесса в мире не существует, то мы можем сделать вывод: вечный двигатель невозможен. Это второе начало термодинамики.

Запишем его, чтобы не забыть:

Невозможно создать периодическую тепловую машину за счет охлаждения одного тела без изменений в других телах.

Задача

Найти КПД тепловой машины, если рабочее тело получило от нагревателя 20кДж, а отдало холодильнику 10 кДж.

Решение:

Возьмем формулу для расчета КПД:

η = Qнагревателя − Qхолодильника/Qнагревателя · 100%

Решать будем в системе СИ, поэтому переведем значения из килоджоулей в джоули и затем подставим в формулу:

η = 20 000 − 10 000/20 000 · 100% = 50%

Ответ: КПД тепловой машины равен 50%.

Идеальная тепловая машина: цикл Карно

Давайте еще чуть-чуть пофантазируем: какая она — идеальная тепловая машина. Кажется, что это та, у которой КПД равен 100%.

На самом деле понятие «идеальная тепловая машина» уже существует. Это тепловая машина, у которой в качестве рабочего тела взят идеальный газ. Такая тепловая машина работает по циклу Карно. Зависимость давления от объема в этом цикле выглядит следующим образом

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

А КПД для цикла Карно можно найти через температуры нагревателя и холодильника.

КПД цикла Карно

η = Tнагревателя − Tхолодильника / Tнагревателя · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Tнагревателя — температура нагревателя [Дж]

Tхолодильника — температура холодильника [Дж]

КПД в электродинамике

Мы каждый день пользуемся различными электронными устройствами: от чайника до смартфона, от компьютера до робота-пылесоса — и у каждого устройства можно определить, насколько оно эффективно выполняет задачу, для которой оно предназначено, просто посчитав КПД.

η = (Aполезная/Aзатраченная) · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Aполезная — полезная работа [Дж]

Aзатраченная — затраченная работа [Дж]

Для электрических цепей тоже есть нюансы. Давайте разбираться на примере задачи.

Задачка, чтобы разобраться

Найти КПД электрического чайника, если вода в нем приобрела 22176 Дж тепла за 2 минуты, напряжение в сети — 220 В, а сила тока в чайнике 1,4 А.

Решение:

Цель электрического чайника — вскипятить воду. То есть его полезная работа — это количество теплоты, которое пошло на нагревание воды. Оно нам известно, но формулу вспомнить все равно полезно 😉

Количество теплоты, затраченное на нагревание

Q — количество теплоты [Дж]

c — удельная теплоемкость вещества [Дж/кг · ˚C]

tконечная — конечная температура [˚C]

tначальная — начальная температура [˚C]

Работает чайник, потому что в розетку подключен. Затраченная работа в данном случае — это работа электрического тока.

Работа электрического тока

A = (I 2 ) · Rt = (U 2 )/R · t = UIt

A — работа электрического тока [Дж]

R — сопротивление [Ом]

То есть в данном случае формула КПД будет иметь вид:

η = Q/A · 100% = Q/UIt · 100%

Переводим минуты в секунды — 2 минуты = 120 секунд. Теперь нам известны все значения, поэтому подставим их:

η = 22176/220 · 1,4 · 120 · 100% = 60%

Ответ: КПД чайника равен 60%.

Давайте выведем еще одну формулу для КПД, которая часто пригождается для электрических цепей, но применима ко всему. Для этого нужна формула работы через мощность:

Работа электрического тока

A — работа электрического тока [Дж]

Подставим эту формулу в числитель и в знаменатель, учитывая, что мощность разная — полезная и затраченная. Поскольку мы всегда говорим об одном процессе, то есть полезная и затраченная работа ограничены одним и тем же промежутком времени, можно сократить время и получить формулу КПД через мощность.

η = Pполезная/Pзатраченная · 100%

η — коэффициент полезного действия [%]

Pполезная — полезная мощность [Дж]

Pзатраченная — затраченная мощность [Дж]

Источник

Задачи на КПД теплового двигателя: примеры решений

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

У нас уже была внутренняя энергия и первое начало термодинамики, а сегодня разберемся с задачами на КПД теплового двигателя. Что поделать: праздники праздниками, но сессию ведь никто не отменял.

Присоединяйтесь к нам в телеграме и получайте полезную рассылку каждый день. А приступая к практике, не забывайте держать под рукой памятку по задачам и полезные формулы.

Задачи по физике на КПД теплового двигателя

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №1

Условие

Вода массой 175 г подогревается на спиртовке. Пока вода нагрелась от t1=15 до t2=75 градусов Цельсия, масса спиртовки уменьшилась с 163 до 157 г Вычислите КПД установки.

Решение

Коэффициент полезного действия можно вычислить как отношение полезной работы и полного количества теплоты, выделенного спиртовкой:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Полезная работа в данном случае – это эквивалент количества теплоты, которое пошло исключительно на нагрев. Его можно вычислить по известной формуле:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Полное количество теплоты вычисляем, зная массу сгоревшего спирта и его удельную теплоту сгорания.

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Подставляем значения и вычисляем:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: 27%

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №2

Условие

Старый двигатель совершил работу 220,8 МДж, при этом израсходовав 16 килограмм бензина. Вычислите КПД двигателя.

Решение

Найдем общее количество теплоты, которое произвел двигатель:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Теперь можно рассчитать КПД:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Или, умножая на 100, получаем значение КПД в процентах:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: 30%.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №3

Условие

Тепловая машина работает по циклу Карно, при этом 80% теплоты, полученной от нагревателя, передается холодильнику. За один цикл рабочее тело получает от нагревателя 6,3 Дж теплоты. Найдите работу и КПД цикла.

Решение

КПД идеальной тепловой машины:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Вычислим сначала работу, а затем КПД:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: 20%; 1,26 Дж.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №4

Условие

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Решение

Проанализируем цикл, а КПД будем вычислять через подведенное и отведенное количество теплоты. На адиабатах тепло не подводится и не отводится. На изобаре 2 – 3 тепло подводится, объем растет и, соответственно, растет температура. На изохоре 4 – 1 тепло отводится, а давление и температура падают.

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: См. выше.

Задача на вычисление КПД теплового двигателя №5

Условие

Тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 2,94 кДж и отдаёт за один цикл охладителю количество теплоты Q2 = 13,4 кДж. Найдите КПД цикла.

Решение

Запишем формулу для КПД:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: 18%

Вопросы на тему тепловые двигатели

Вопрос 1. Что такое тепловой двигатель?

Ответ. Тепловой двигатель – это машина, которая совершает работу за счет энергии, поступающей к ней в процессе теплопередачи. Основные части теплового двигателя: нагреватель, холодильник и рабочее тело.

Вопрос 2. Приведите примеры тепловых двигателей.

Ответ. Первыми тепловыми двигателями, получившими широкое распространение, были паровые машины. Примерами современного теплового двигателя могут служить:

Вопрос 3. Может ли КПД двигателя быть равен единице?

Ответ. Нет. КПД всегда меньше единицы (или меньше 100%). Существование двигателя с КПД равным единице противоречит первому началу термодинамики.

КПД реальных двигателей редко превышает 30%.

Вопрос 4. Что такое КПД?

Ответ. КПД (коэффициент полезного действия) – отношение работы, которую совершает двигатель, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Вопрос 5. Что такое удельная теплота сгорания топлива?

Ответ. Удельная теплота сгорания q – физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива массой 1 кг. При решении задач КПД можно определять по мощности двигателя N и сжигаемому за единицу времени количеству топлива.

Задачи и вопросы на цикл Карно

Затрагивая тему тепловых двигателей, невозможно оставить в стороне цикл Карно – пожалуй, самый знаменитый цикл работы тепловой машины в физике. Приведем дополнительно несколько задач и вопросов на цикл Карно с решением.

Цикл (или процесс) Карно – это идеальный круговой цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм. Назван так в честь французского инженера Сади Карно, который описал данный цикл в своем научном труде «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1894).

Задача на цикл Карно №1

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А = 73,5 кДж. Температура нагревателя t1 =100° С, температура холодильника t2 = 0° С. Найти КПД цикла, количество теплоты, получаемое машиной за один цикл от нагревателя, и количество теплоты, отдаваемое за один цикл холодильнику.

Решение

Рассчитаем КПД цикла:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

С другой стороны, чтобы найти количество теплоты, получаемое машиной, используем соотношение:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Количество теплоты, отданное холодильнику, будет равно разности общего количества теплоты и полезной работы:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: 0,36; 204,1 кДж; 130,6 кДж.

Задача на цикл Карно №2

Условие

Идеальная тепловая машина, работающая по циклу Карно, совершает за один цикл работу А=2,94 кДж и отдает за один цикл холодильнику количество теплоты Q2=13,4 кДж. Найти КПД цикла.

Решение

Формула для КПД цикла Карно:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Здесь A – совершенная работа, а Q1 – количество теплоты, которое понадобилось, чтобы ее совершить. Количество теплоты, которое идеальная машина отдает холодильнику, равно разности двух этих величин. Зная это, найдем:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: 17%.

Задача на цикл Карно №3

Условие

Изобразите цикл Карно на диаграмме и опишите его

Решение

Цикл Карно на диаграмме PV выглядит следующим образом:

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Ответ: см. выше.

Вопрос на цикл Карно №1

Сформулируйте первую теорему Карно

Ответ. Первая теорема Карно гласит: КПД тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур нагревателя и холодильника, но не зависит ни от устройства машины, ни от вида или свойств её рабочего тела.

Вопрос на цикл Карно №2

Может ли коэффициент полезного действия в цикле Карно быть равным 100%?

Ответ. Нет. КПД цикла карно будет равен 100% только в случае, если температура холодильника будет равна абсолютному нулю, а это невозможно.

Если у вас остались вопросы по теме тепловых двигателей и цикла Карно, вы можете смело задавать их в комментариях. А если нужна помощь в решении задач или других примеров и заданий, обращайтесь в профессиональный студенческий сервис.

Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Смотреть картинку Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Картинка про Вычислить кпд идеальной тепловой машины. Фото Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.

Источник

Вычислить кпд идеальной тепловой машины

Задача 7. (КПД теплового двигателя, КПД цикла Карно)
(Приведено решение в общем виде, ниже будет рассмотрена эта же задача для тех, кому тяжело разобраться)

Ответ: \( Q_ <х>= 15000 Дж \)

Почти всегда удобнее работать не с процентами, а с долями, то есть \( 25 \% = 0,25 \)

При этом наша формула будет иметь такой вид:

она будет давать ответ в долях, если нужно перевести в проценты, нужно просто умножить на сто

Ответ: \( Q_ <х>= 15000 Дж \)

Задача 7. (КПД теплового двигателя, КПД цикла Карно)
(Приведено решение для тех, кому тяжело разобраться)

Ответ: \( Q_ <х>= 15000 Дж \)

Просто вставим числа в формулу: \( \eta= \dfrac-Q_<х>>> \cdot 100 \% \)

а чтобы было совсем комфортно вставим \( x \) вместо \( Q_ <х>\)

\( 25 \cdot 200 = 20000-x \)

Ответ: \( Q_ <х>= 15000 Дж \)

Не каждому преподавателю понравится это решение

Задача 8. (КПД теплового двигателя, КПД цикла Карно)

Ответ: \( Q_ <х>= 1750 Дж \)

Почти всегда удобнее работать не с процентами, а с долями, то есть \( 30 \% = 0,3 \)

При этом наша формула будет иметь такой вид:

она будет давать ответ в долях, если нужно перевести в проценты, нужно просто умножить на сто

Ответ: \( Q_ <х>= 1750 Дж \)

Задача 9. (КПД теплового двигателя, КПД цикла Карно)

Тепловой КПД двигателя составил \( 20 \% \).
При этом количество теплоты, переданное холодильнику \(Q_х=9000 Дж \)
Какое количество теплоты двигатель получил от нагревателя?
Показать ответ Показать решение Видеорешение

Ответ: \( Q_<н>= 11250 \ Дж \)

Почти всегда удобнее работать не с процентами, а с долями, то есть \( 20 \% = 0,2 \)

При этом наша формула будет иметь такой вид:

она будет давать ответ в долях, если нужно перевести в проценты, нужно просто умножить на сто

Источник

КПД теплового двигателя

Содержание

В данном разделе вы уже познакомились с устройством и принципом работы двух видов теплового двигателя: двигателя внутреннего сгорания и паровой турбины. Используя эти механизмы, мы совершаем какую-то работу. Очевидно, что работа будет совершаться за счет энергии, которая выделяется при сгорании топлива. Но большая часть этой энергии теряется в окружающей среде. То есть, эта часть энергии не используется полезно.

Следовательно, и работу таких механизмов тогда нужно рассчитывать специальным образом. Для этого в физике разделяют работу на полную и полезную, вводят понятие коэффициента полезного действия (КПД) механизма. В данном уроке мы познакомимся с этими величинами и рассмотрим решение задач с использованием КПД.

Полезная работа теплового двигателя

Для того чтобы судить о полезной работе теплового двигателя, обратимся еще раз к его устройству. Если рассматривать его принцип работы, то устройство любого теплового двигателя можно представить в виде простой схемы (рисунок 1).

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Рабочим телом является газ или пар. Например, в паровой турбине — это пар, в газовой — газ, в двигателе внутреннего сгорания — смесь паров бензина и воздуха.

Этот газ получает некоторое количество теплоты $Q_1$ от нагревателя. Под нагревателем подразумевается не какое-то специальное механическое устройство, как можно подумать. Нагреватель в схеме теплового двигателя — это горящее топливо.

Газ нагревается и расширяется. Так он совершает работу $A_п$, используя свою внутреннюю энергию.

Но важно понимать, что часть этой внутренней энергии $Q_2$ не совершает какую-то полезную для нас работу. Она передается вместе с отработанным паром или выхлопными газами атмосфере — холодильнику.

В качестве холодильника может использоваться резервуар с водой. Отработавший пар будет в таком случае приносить дополнительную пользу — нагревать воду для ее дальнейшего использования. Но этот процесс уже требует отдельного рассмотрения.

Итак, нас интересует именно та часть энергии топлива, выделяемая при его сгорании, которая превращается в полезную работу. От величины этой части энергии зависит экономичность двигателя.

Для этой характеристики мы вводим новое понятие — коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя.

КПД теплового двигателя также как и КПД простейших механизмов, изученных вами в прошлом курсе, обозначается греческой буквой “эта” — $\eta$ и выражается в процентах.

Формула для расчета КПД теплового двигателя имеет следующий вид:

Средние значения КПД различных тепловых двигателей

В таблице 1 представлены средние значения КПД некоторых двигателей.

ДвигательКПД, %
Паровой двигатель8
Двигатель внутреннего сгорания18 — 40
Газовая турбина25 — 30
Паровая турбина40
Дизельный двигатель40 — 44
Реактивный двигатель на жидком топливе47

Таблица 1. КПД различных двигателей

Одной из важнейших технических задач при проектировании двигателей является повышение значения КПД.

Примеры задач

Дано:
$\eta = 30 \%$
$Q_1 = 600 \space кДж$

СИ:
$6 \cdot 10^5 \space Дж$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Запишем формулу для расчета КПД теплового двигателя:
$\eta = \frac$.

Чтобы использовать эту формулу необходимо значение КПД, выраженное в процентах перевести в дробь:
$\eta = 30 \% = 0.3$

Дано:
$Q_1 = 155 \space Дж$
$Q_2 = 85 \space Дж$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

Используем формулу для расчета КПД:
$\eta = \frac \cdot 100 \%$.

Дано:
$A_п = 2.3 \cdot 10^4 \space кДж$
$m = 2 \space кг$
$q = 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж><кг>$

СИ:
$2.3 \cdot 10^7 \space Дж$

Посмотреть решение и ответ

Решение:

В нашем случае нагревателем является бензин. Мы знаем его массу и удельную теплоту сгорания, поэтому можем рассчитать количество теплоты, выделенное при его сгорании по формуле:
$Q = Q_1 = qm$.
$Q_1 = 2 \space кг \cdot 4.6 \cdot 10^7 \frac<Дж> <кг>= 9.2 \cdot 10^7 \space Дж$.

Источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *