Физика · конспекты
★0
Физика › 8 класс › Изменение агрегатных состояний вещества

Тема 25КПД теплового двигателя

★★★
Термины темы — найди их в тексте:частьНагревательРабочее телоХолодильникКоэффициент полезного действия

Любой тепловой двигатель превращает в работу лишь часть энергии топлива. Остальное неизбежно уходит в окружающую среду.

Схема теплового двигателя

  • Нагреватель — здесь сгорает топливо; рабочее тело получает от него теплоту Q1Q_1.
  • Рабочее тело (газ или пар) расширяется и совершает работу AA.
  • Холодильник (часто — окружающий воздух) получает теплоту Q2Q_2: рабочее тело нужно остудить, чтобы вернуть в начальное состояние.
Нагреватель → рабочее тело → холодильник
Нагреватель → рабочее тело → холодильник Иллюстрация: light-fizika.ru

По закону сохранения энергии

A=Q1−Q2A=Q_1-Q_2

На деле работа ещё меньше: часть энергии уходит на трение и нагрев деталей.

Определение

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

КПД теплового двигателя
η=AQ1⋅100 %=Q1−Q2Q1⋅100 %\eta=\frac{A}{Q_1}\cdot100\,\%=\frac{Q_1-Q_2}{Q_1}\cdot100\,\%

Если вся теплота от сгорания топлива: Q1=q mQ_1=q\,m.

Так как Q2Q_2 всегда больше нуля, КПД всегда меньше 100 %.

КПД разных двигателей

ДвигательКПД
Паровозоколо 8–10 %
Бензиновый ДВС20–25 %
Дизельоколо 35 %
Паровая турбина электростанциидо 40–50 %
Пример

Двигатель автомобиля, сжигая 1 кг бензина, совершил работу 1,15⋅1071{,}15\cdot10^7 Дж. Каков его КПД?

Q1=qm=4,6⋅107⋅1=4,6⋅107 ДжQ_1=qm=4{,}6\cdot10^7\cdot1=4{,}6\cdot10^7\ \text{Дж}
η=1,15⋅1074,6⋅107⋅100 %=25 %\eta=\frac{1{,}15\cdot10^7}{4{,}6\cdot10^7}\cdot100\,\%=25\,\%
В жизни

Тепловые двигатели загрязняют воздух выхлопными газами и выбрасывают углекислый газ. Поэтому повышают их КПД, ставят фильтры и катализаторы, переходят на электротранспорт и чистое топливо.

Образ для запоминания

КПД — «доля пользы»: из каждых 100 Дж энергии бензина двигатель автомобиля превращает в работу только около 25 Дж, остальное уходит теплом «на ветер».

⚗ Мини-опыт

Выберите двигатель и массу сожжённого топлива. Сравните полезную работу и потери. У какого двигателя КПД больше? Почему КПД нельзя сделать 100 %?

▶ Симуляция PhET

На вкладке «Системы» соберите любую цепочку и найдите, где энергия уходит в тепло окружающей среды. Такие потери есть в любой машине.

Виды и преобразование энергийОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Что показывает КПД теплового двигателя?
η=A/Q1\eta=A/Q_1.
2Может ли КПД теплового двигателя быть равен 100 %?
Q2>0Q_2>0, поэтому A<Q1A<Q_1.
3У какого двигателя КПД больше?
Турбины — до 40–50 %, паровоз — около 8–10 %.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Двигатель получил от нагревателя 1000 Дж и совершил работу 250 Дж. Каков его КПД?

    Ответ

    η=2501000⋅100 %=25 %\eta=\dfrac{250}{1000}\cdot100\,\%=25\,\%.

    Как получилось?

  2. Рабочее тело получило 500 кДж и отдало холодильнику 300 кДж. Какую работу совершил двигатель и каков его КПД?

    Ответ

    A=200A=200 кДж; η=40 %\eta=40\,\%.

    Как получилось?

  3. КПД двигателя 30 %, он получил 2 МДж теплоты. Какую работу он совершил?

    Ответ

    A=0,3⋅2=0,6A=0{,}3\cdot2=0{,}6 МДж.

    Как получилось?

  4. Двигатель совершил работу 46 МДж, сжигая 4 кг бензина. Каков его КПД?

    Ответ

    Q1=4,6⋅107⋅4=1,84⋅108Q_1=4{,}6\cdot10^7\cdot4=1{,}84\cdot10^8 Дж; η=4,6⋅1071,84⋅108=25 %\eta=\dfrac{4{,}6\cdot10^7}{1{,}84\cdot10^8}=25\,\%.

    Как получилось?

  5. Почему КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %?

    Ответ

    Часть теплоты обязательно отдаётся холодильнику, часть уходит на трение и нагрев деталей.

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Какую работу совершит дизель с КПД 35 %, сжигая 10 кг дизельного топлива? (q=4,2⋅107q=4{,}2\cdot10^7 Дж/кг)

    Ответ

    A=0,35⋅4,2⋅107⋅10=1,47⋅108A=0{,}35\cdot4{,}2\cdot10^7\cdot10=1{,}47\cdot10^8 Дж =147=147 МДж.

    Как получилось?

  2. Автомобиль на 100 км пути расходует 8 кг бензина, КПД двигателя 25 %. Какова средняя сила тяги?

    Ответ

    A=0,25⋅4,6⋅107⋅8=9,2⋅107A=0{,}25\cdot4{,}6\cdot10^7\cdot8=9{,}2\cdot10^7 Дж; F=As=9,2⋅107105=920F=\dfrac{A}{s}=\dfrac{9{,}2\cdot10^7}{10^5}=920 Н.

    Как получилось?

  3. Сколько бензина сожжёт двигатель с КПД 20 %, чтобы совершить работу 23 МДж?

    Ответ

    Q1=230,2=115Q_1=\dfrac{23}{0{,}2}=115 МДж; m=1,15⋅1084,6⋅107=2,5m=\dfrac{1{,}15\cdot10^8}{4{,}6\cdot10^7}=2{,}5 кг.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

КПД теплового двигателя
η=AQ1⋅100 %\eta=\dfrac{A}{Q_1}\cdot100\,\%
Работа теплового двигателя
A=Q1−Q2A=Q_1-Q_2
Три части теплового двигателя
Нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.