Физика. 10 класс

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — отношение полезно используемой энергии Е_полезн к общему количеству энергии Е, получаемому системой:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#951;«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1101;«/mi»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mfrac»«msub»«mi»E«/mi»«mi»§#1087;§#1086;§#1083;§#1077;§#1079;§#1085;«/mi»«/msub»«mi»E«/mi»«/mfrac»«mo».«/mo»«/math» 

Определяемый таким образом КПД тепловых двигателей называют эффективным КПД. При этом Е = Q_полн, где Q_полн — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива.

Степень совершенства преобразования определённой части внутренней энергии нагревателей в механическую работу, происходящего в цилиндрах теплового двигателя, характеризуют термическим (термодинамическим) коэффициентом полезного действия.

Термический коэффициент полезного действия теплового двигателя — отношение работы А_ц, совершаемой рабочим телом за цикл, к количеству теплоты Q₁, полученному им от нагревателя:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#951;«/mi»«mi mathvariant=¨italic¨»t«/mi»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mfrac»«msub»«mi»A«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1094;«/mi»«/msub»«msub»«mi»Q«/mi»«mn»1«/mn»«/msub»«/mfrac»«mo».«/mo»«/math» 

Если Q₂ — количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику (Q₂ < 0), то А_ц = Q₁ + Q₂ = Q₁ – |Q₂| и

Из формулы (15.1) следует, что термический КПД теплового двигателя зависит от процессов, в которых участвует рабочее тело, и всегда меньше единицы.

Реальные тепловые двигатели имеют следующие средние значения термического КПД: дизельный двигатель — 40 %; газотурбинные установки — 25–30 %; паровая турбина — 40 %.

В автомобильных двигателях внутреннего сгорания эффективный коэффициент полезного действия определяют по экспериментальной механической мощности Р двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за промежуток времени Δt сожжено топливо массой m, имеющее удельную теплоту сгорания q, то

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi mathvariant=¨normal¨»§#951;«/mi»«mi mathvariant=¨normal¨»§#1101;«/mi»«/msub»«mo»§#160;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§#160;«/mo»«mfrac»«mrow»«mi»P«/mi»«mo»§#8710;«/mo»«mi»t«/mi»«/mrow»«mrow»«mi»q«/mi»«mi»m«/mi»«/mrow»«/mfrac»«mo».«/mo»«/math»