Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Полезная работа — двигатель

Полезная работа двигателя при ходе вверх расходуется на подъем жидкости. [1]

Сгорание является важнейшим процессом, обусловливающим полезную работу двигателя , так как при этом происходит превращение химической энергии топлива в тепловую и далее в механическую. [2]

Отношение той части энергии, которая пошла на совершение полезной работы двигателя , ко всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя. [3]

Работа, произведенная в течение цикла, а следовательно и полезная работа двигателя с одним единственным источником тепла, будет отрицательна или в крайнем случае равна нулю. [4]

При сгорании топлива в цилиндрах лишь незначительная часть тепла превращается в полезную работу двигателя ( 20 — 35 %), большая же часть его уходит на различные потери. Значительную часть тепла уносят отработавшие газы, остальное тепло передается стенкам цилиндров и камер сгорания. Для того чтобы избежать их перегрева, это тепло необходимо отвести и передать окружающему воздуху. Для отвода тепла у двигателей грузовых автомобилей и автобусов применяется жидкостная система охлаждения. [5]

При прочих равных условиях с изменением теплового заряда в циклах двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин будет меняться эффективный КПД в связи с тем, что работа холостого хода двигателя будет составлять различную долю от полезной работы двигателя . [7]

Площадь верхней петли индикаторной диаграммы положительна, поскольку составляющие ее процессы направлены по часовой стрелке. Она представляет собой полезную работу двигателя за один цикл, называемую индикаторной работой. [8]

Работа на этом последнем участке кругового процесса совершается за счет некоторой доли положительной работы, полученной на первом участке. Lcm составляет положительную полезную работу двигателя за один цикл, передаваемую при помощи специального механизма внешнему объекту работы. [9]

Мощность, которая расходуется на это, называют реактивной, а мощность, идущую на полезную работу двигателей и других приемников электроэнергии — активной. [10]

В цилиндры двигателя внутреннего сгорания вводят топливо и необходимый для его сгорания воздух. При сгорании топлива значительно нагреваются газы ( продукты сгорания), образовавшиеся в цилиндре. Газы, расширяясь при нагревании, давят на поршень, который через шатун приводит во вращение коленчатый вал двигателя. Полезная работа двигателя расходуется на привод рабочих органов той машины, на которой установлен двигатель. [11]

В цилиндры двигателя внутреннего сгорания вводят топливо и необходимый для его сгорания воздух. При сгорании топлива значительно повышается температура и давление газов ( продуктов сгорания), образовавшихся в цилиндре. Газы при нагревании давят на поршень, который через шатун приводит во вращение коленчатый вал двигателя. Полезная работа двигателя расходуется на привод рабочих органов машины, на которой он установлен. [12]

Наддув по этой системе увеличивает мощность двигателя. Это происходит в том случае, когда прирост мощности от нагнетателя превышает мощность, потребляемую приводом. Следует отметить, что этот избыток мощности снижается по мере уменьшения нагрузки двигателя вследствие увеличения относительной работы, затрачиваемой на привод нагнетателя. Из-за расхода части полезной работы двигателя на привод нагнетателя его экономичность снижается. В качестве наддувочных агрегатов обычно используют нагнетатели объемного типа и центробежные компрессоры. Центробежные компрессоры компактны вследствие их большой быстроходности. Однако ненадежность механического привода центробежного компрессора и повышенная шумность агрегата при работе снижают его достоинства. Как правило, приводные центробежные компрессоры используют для наддува четырехтактных двигателей. В двухтактных двигателях наибольшее распространение имеют объемные нагнетатели типа Рут. [13]

В течение цикла работа сил давления газа при расширении должна быть больше работы при сжатии. Это необходимо для того, чтобы в целом за цикл работа сил давления была положительной. Температура газа при его сжатии должна быть ниже, чем при расширении. Тогда давление газа во всех промежуточных состояниях при сжатии будет меньше, чем при расширении, и будет выполнено условие, необходимое для получения положительной работы, которую часто называют полезной работой двигателя . [14]

От какого-либо источника тепла с температурой выше температуры окружающей среды к рабочему телу подводится тепло. С приходом поршня в крайнее положение расширение рабочего тела заканчивается. Чтобы двигатель работал, необходимо поршень привести в первоначальное положение, а рабочее тело в первоначальное состояние. При этом часть работы L2 будет затрачена на сжатие рабочего тела. Разность работ расширения и сжатия определяет величину полезной работы двигателя , которая может быть использована для приведения в действие машин. [15]

КПД тепловой машины, формула

КПД теплового двигателя

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.

Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счёт своей внутренней энергии. Часть энергии передаётся атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершённой полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

КПД теплового двигателя определяют по формуле

где А_п — полезная работа, Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику, Q₁ — Q₂ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвёртую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼, или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20—40%, паровых турбин — немногим выше 30%.

Вопросы

1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива превращается в механическую энергию?
2. Что называют КПД теплового двигателя?
3. Почему КПД двигателя не может быть не только больше 100%, но и равен 100%?
4. Какой такт работы двигателя внутреннего сгорания изображён на рисунке 29?

Упражнение 17

1. Можно ли за счёт внутренней энергии тела, равной 200 Дж, совершить механическую работу в 200 Дж?
2. Тепловая машина за цикл получает от нагревателя количество теплоты, равное 155 Дж, а холодильнику отдаёт количество теплоты, равное 85 Дж. Определите КПД машины.
3. Определите количество теплоты, отданное двигателем внутреннего сгорания холодильнику, если его КПД равен 30%, а полезная работа равна 450 Дж.

Задание

Подготовьте доклад на одну из тем (по выбору). История изобретения паровых машин.

• История изобретения турбин.
• Первые паровозы Стефенсона и Черепановых.
• Достижения науки и техники в строительстве паровых турбин.
• Использование энергии Солнца на Земле.

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.

Цикл Карно.

Цикл Карно — это круговой обратимый процесс, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических процессов.

Впервые этот процесс был рассмотрен французским инженером и ученым Н. Л. С. Карно в 1824 г. в книге «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Целью исследований Карно было выяснение причин несовершенства тепловых машин того времени (они имели КПД ≤ 5 %) и поиски путей их усовершенствования.

Выбор двух изотермических и двух адиабатических процессов был обусловлен тем, что работа газа при изотермическом расширении совершается за счет внутренней энергия нагревателя, а при адиабатном процессе — за счет внутренней энергии расширяющегося газа. В этом цикле исключен контакт тел с разной температурой, следовательно, исключена теплопередача без совершения работы.

Цикл Карно — самый эффективный из всех возможных. Его КПД максимален.

На рисунке изображены термодинамические процес­сы цикла. В процессе изотермического расширения (1-2) при температуре T₁, работа совершается за счет измене­ния внутренней энергии нагревателя, т. е. за счет подве­дения к газу количества теплоты Q:

Охлаждение газа перед сжатием (3-4) происходит при адиабатном расширении (2-3). Изменение внутренней энергии ΔU₂₃ при адиабатном процессе (Q = 0) полностью преобразуется в механическую работу:

Температура газа в результате адиабатического рас­ширения (2-3) понижается до температуры холодильни­ка T₂ T₁. В процессе (3-4) газ изотермически сжимает­ся, передавая холодильнику количество теплоты Q₂:

Цикл завершается процессом адиабатического сжатия (4-1), при котором газ нагревается до температуры Т₁.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей, работающих на идеальном газе, по циклу Карно:

Как устроен тепловой двигатель

С точки зрения термодинамики (раздел физики, изучающий закономерности взаимных превращений внутренней и механической энергий и передачи энергии от одного тела другому) любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела.

Рис. 1. Структурная схема работы теплового двигателя:.

Первое упоминание о прототипе тепловой машине относится к паровой турбине, которая была изобретена еще в древнем Риме (II век до н.э.). Правда, изобретение не нашло тогда широкого применения из-за отсутствия в то время многих вспомогательных деталей. Например, тогда еще не был придуман такой ключевой элемент для работы любого механизма, как подшипник.

Общая схема работы любой тепловой машины выглядит так:

Нагреватель имеет температуру T₁ достаточно высокую, чтобы передать большое количество теплоты Q₁.

В большинстве тепловых машин нагревание получается при сгорании топливной смеси (топливо-кислород);

Тепловая машина (двигатель) должен работать непрерывно, поэтому рабочее тело должно вернуться в исходное состояние, чтобы его температура стала равна T₁. Для непрерывности процесса работа машины должна происходить циклически, периодически повторяясь. Чтобы создать механизм цикличности — вернуть рабочее тело (газ) в исходное состояние — нужен холодильник, чтобы охладить газ в процессе сжатия. Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или холодная вода (для паровых турбин).

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Определение. КПД (Коэффициент полезного действия) теплового двигателя – отношение полезной работы, выполненной рабочим телом, к количеству теплоты, переданной телу от нагревателя.

Если же учесть сохранение энергии: энергия, отошедшая от нагревателя, никуда не исчезает — часть её отводится в виде работы, остальная часть приходит на холодильник:

Это выражение для КПД в частях, при необходимости получить значение КПД в процентах необходимо умножить полученное число на 100. КПД в системе измерения СИ – безразмерная величина и, как видно из формулы, не может быть больше одного (или 100).

Следует также сказать, что данное выражение называется реальным КПД или КПД реальной тепловой машины (теплового двигателя). Если же предположить, что нам каким-то образом удастся полностью избавиться от недостатков конструкции двигателя, то мы получим идеальный двигатель, и его КПД будет вычисляться по формуле КПД идеальной тепловой машины. Эту формулу получил французский инженер Сади Карно (рис. 5):

То есть КПД идеального двигателя зависит только от температур нагревателя и холодильника.

Рис. 5. Сади Карно (Источник)

Для понимания того, какого порядка значения КПД различных тепловых машин, рассмотрим следующую таблицу, в которой приведены различные примеры тепловых двигателей (рис. 6):

Темой следующего урока будет рассмотрение тепловых процессов, проходящих без притока теплоты, – адиабатических.

1. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Молекулярная физика. Термодинамика. – М.: Дрофа, 2010.
2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика 10 класс. – М.: Илекса, 2005.
3. Касьянов В.А. Физика 10 класс. – М.: Дрофа, 2010.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Files.school-collection.edu.ru (Источник).
2. Фестиваль педагогически идей (Источник).
3. Кафедра ТЭФ, КМФ (Источник).

1. Стр. 87: № 676–680. Физика. Задачник. 10-11 классы. Рымкевич А.П. – М.: Дрофа, 2013. (Источник)
2. При сгорании топлива в тепловом двигателе выделилось количество теплоты 20 кДж, а холодильнику передалось 120 кДж. Каков КПД двигателя?
3. Какой КПД идеальной тепловой машины, если температура нагревателя равна 347, а температура холодильника – 37?
4. *Может ли процесс, происходящий с газом в тепловом двигателе, быть описан следующим образом в координатах P-V?

Коэффициент полезного действия

Полезное действие

Рассмотрим устройство, которое поднимает груз массы m на высоту H. В идеальном случае работа совершается только против силы тяжести. Таким образом, энергия, которую необходимо затратить для подъема груза, равна mgH. Но в реальности в любом устройстве наличествует сила трения; а также сила тяжести действует и на само устройство.

Рис. 1. Подъем груза через блок.

Таким образом, та энергия, которую необходимо затратить в идеальном случае, называется полезной работой, а вся энергия, необходимая для выполнения задачи – затраченной работой.

Что такое коэффициент полезного действия

Отношение полезной работы к затраченной – это коэффициент полезного действия. Для двигателя внутреннего сгорания, на котором работает большая часть автомобилей, КПД колеблется в пределах 20-25%. Часть энергии тратится на нагрев деталей, часть – на преодоление трения, вдобавок к этому не всё топливо сгорает, а еще большая доля тепла выходит с выхлопными газами. Для сравнения КПД электромобиля составляет примерно 94%.

Рис. 2. Потери ДВС.

Формула коэффициента полезного действия в общем виде выглядит так:

где А – полезная работа, а Q – вся энергия, затраченная на выполнения задачи

КПД теплового двигателя циклической машины определяется по формуле:

где $Q_1 – Q_2$ – разность полученного тепла и тепла, отданного холодильнику.

Максимальный КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, равен:

где $T_1$ – температура нагревателя, а $T_2$ – холодильника.

Рис. 3. Цикл Карно.

В случае электродвигателя КПД можно найти по формуле:

где P_2 – полезная мощность, затраченная на преобразование электрической энергии в механическую, а P_1 – общая мощность двигателя.

Задачи

• В чайник налили 1,5 л холодной воды, ее температура – 283˚ К. Чтобы довести ее до кипения, понадобилось 6 минут. Сила тока, потребляемая чайником – 11 А. Напряжение в электрической сети – 228 В. Рассчитать КПД чайника.

Решение

Полезной работой в этом случае будет энергия, которая необходима для разогрева воды от 283˚ К до 373˚ К. Затраченной работой будет мощность чайника, умноженная на время закипания. Поэтому формулу КПД чайника запишем так:

Так как $m = rho V$, а $P = UI$, то окончательная формула КПД чайника будет выглядеть так:

Подставив в нее данные из условия, получим, что $eta = 0,63$. Или в процентах – 63%.

• С помощью механического устройства груз массой 9 кг подняли на 20 м. КПД устройства – 70%. Найти силу, которую необходимо приложить к устройству, чтобы поднять груз.

Решение

И $F = <90 over 0,7>= 130 Н$ – сила, которую необходимо приложить к устройству.

Что мы узнали?

В ходе урока были разобраны два важнейших понятия – полезная работа и затраченная работа, было дано определение коэффициента полезного действия, приведена его общая формула, а также ее частные вариации для различных устройств. В заключении урока разобраны две задачи.

Формула полезной работы в физике для КПД

Вы будете перенаправлены на Автор24

КПД (коэффициент полезного действия) — величина, характеризующая соотношение используемой энергии к затрачиваемой, т.е. энергетическую эффективность системы.

КПД измеряется в процентах или указывается как десятичная дробь от 0 до 1. КПД 50% (или, что тоже самое– 0,5) означает, что только половина энергии используется для выполнения работы. Остальная рассеивается в окружающем пространстве, как правило, в форме тепла.

Коэффициент полезного действия паровозов, применявшихся для железнодорожных перевозок в XIX — первой половине XX вв., составлял менее 10%, т.е. 90 и более процентов тепла от сжигаемого в топках угля улетучивалось в атмосферу, не выполняя полезной работы по вращению колес, приводящему к движению состав. Для сравнения: КПД пришедших на смену паровозам тепловозов (в них используются не паровые, а дизельные двигатели) достигает 40%.

КПД в формулах обозначают греческой буквой $eta$ (эта).

, где $A_п$ — полезная работа, $A_з$ — затраченная.

Полезная работа и потери энергии

«Полезность» выполняемой работы — величина субъективная, связанная с человеческим восприятием, поэтому о КПД говорят чаще всего применительно к искусственно созданным системам. Несмотря на то, что технологии совершенствуются, избежать потерь в рукотворных системах инженерам не удастся:

• в механических устройствах часть затрачиваемой энергии всегда тратится на преодоление сил трения между соприкасающимися деталями (эти силы уменьшают за счет более тщательной обработки и смазки);
• в электрических системах часть энергии рассеивается в виде тепла при преодолении сопротивления проводников (явление сверхпроводимости еще не применимо к практике и требует низких температур);
• в нагревательных приборах утечки происходят в силу дефектов теплоизоляции и т.п.

, где $A_з$ — работа затраченная, $A_п$ — работа полезная.

Готовые работы на аналогичную тему

Потери энергии можно сводить к минимуму, но полностью исключить их невозможно. Какое бы совершенное устройство мы не придумали, КПД никогда не достигнет единицы в силу второго закона термодинамики, действие которого исключает создание механизмов с КПД равным или большим 100%.

КПД различных физических процессов

Методики подсчета КПД разнятся в зависимости от физической природы явлений, задействованных в преобразующих энергию системах.

При практических расчетах, связанных с движением, знаменатель формулы КПД удобнее представить не как работу (произведение силы на расстояние), а как затраченную энергию, выделившуюся, например, при сжигании топлива:

, где $A_п$ — выполненная системой полезная работа, $Q$ — затраченная системой энергия.

Например, зная сколько бензина истрачено двигателем автомобиля (количество выделившегося в результате тепла можно легко подсчитать), а также массу, скорость и пройденное расстояние, легко найти КПД.

Если речь идет не об автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, а об электромобиле, то затраты энергии в знаменателе можно подсчитать как произведение средних тока и напряжения за время движения рассматриваемого транспортного средства.

Поскольку мощность представляет собой работу, выполняемую в единицу времени, КПД иногда бывает удобно посчитать как соотношение входной и выходной мощностей системы:

, где $P_$ — мощность на входе системы, $P_$ — на выходе.

Такой подход удобен, например, при расчете КПД солнечных батарей. В знаменателе в этом случае будет мощность светового излучения, падающего на их поверхность, в числителе — мощность генерируемого тока.

Лебедка, потребляющая мощностью 500 Вт, за время 10 с подняла груз массой 70 кг на высоту 5м. Найти КПД лебедки.

Лебедка преодолела силу тяжести, совершив работу

$A_л = m cdot g cdot h$

, где $m$ — масса, $g$ — ускорение свободного падения, $h$ высота.

Подставив значения, получаем:

$A = 70 cdot 9,8 cdot 5 = 3430 Дж$

Затраченную энергию найдем через мощность и время:

, где $Q$ — энергия, $P$ — мощность, $t$ — время.

Подставив значения, получаем:

$Q = 500 Вт cdot 10 с = 5000 Дж$

КПД находим как соотношение

Ответ: КПД лебедки равен 68,6%.