Краткое содержание & опорный конспект • ФГОС

§ 26. КПД теплового двигателя

Учебник: Физика. 8 класс
Авторы: И. М. Перышкин, А. И. Иванов
Иллюстрация к § 26. КПД теплового двигателя 🔍 Нажмите для зума

ТРИАДА ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ И БАЛАНС ЭНЕРГИИ

Все известные тепловые двигатели — от двигателей внутреннего сгорания до мощных паровых турбин — преобразуют внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Однако в любом двигателе лишь часть теплоты сгорания превращается в полезное движение, а остальная энергия неизбежно теряется.

Для осуществления непрерывного циклического процесса в любой тепловой машине принципиально необходимо наличие трёх составных частей:

  1. Нагреватель: источник тепловой энергии (камера сгорания топлива, топка котла, ядерный реактор). Сгорая, топливо передаёт рабочему телу количество теплоты $Q_1$ при высокой температуре $T_1$.
  2. Рабочее тело: газ или перегретый водяной пар. При нагревании рабочее тело расширяется при высоком давлении и совершает полезную механическую работу $A$, толкая поршень или вращая лопатки ротора турбины.
  3. Холодильник: тело или среда с более низкой температурой $T_2 < T_1$ (окружающая атмосфера, радиатор, охлаждающая вода реки или градирни).

Почему двигатель не может работать без холодильника?

Чтобы машина могла совершать работу непрерывно, рабочее тело после расширения необходимо вернуть в исходное состояние — то есть сжать его обратно до первоначального объёма. Но если сжимать горячий газ при том же давлении, придётся затратить в точности ту же работу, которая была получена при расширении, и суммарный полезный результат будет равен нулю!

Чтобы работа сжатия была существенно меньше работы расширения, газ перед сжатием необходимо охладить, уменьшив его давление. Для этого рабочее тело приводят в тепловой контакт с холодильником, отдавая ему количество теплоты $Q_2$.

Согласно фундаментальному закону сохранения энергии, совершённая газом работа в идеальном цикле равна разности полученного и отданного тепла:

$$A = Q_1 - Q_2$$

В реальных двигателях полезная механическая работа оказывается ещё меньше из-за трения в подшипниках и сочленениях, неполного сгорания топлива и паразитного нагрева металлических деталей корпуса.


КОЭФФИЦИЕНТ ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ (КПД)

Для количественной оценки энергетической эффективности двигателя в физике используется специальная характеристика:

КПД обозначают греческой буквой $\eta$ («эта») и рассчитывают по формуле:

$$\eta = \frac{A}{Q_1}$$

Подставляя выражение для работы $A = Q_1 - Q_2$, получаем:

$$\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} = 1 - \frac{Q_2}{Q_1}$$

Чаще всего значение КПД выражают в процентах:

$$\eta = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} \cdot 100\%$$

Так как рабочее тело обязано передавать холодильнику часть теплоты ($Q_2 > 0$), полезная работа $A$ всегда строго меньше полученного количества теплоты $Q_1$. Поэтому КПД любого теплового двигателя всегда строго меньше 1 (меньше 100%).


РЕАЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ КПД И ПРИЧИНЫ ПОТЕРЬ

В современной технике средние значения КПД распределяются следующим образом:

Главные причины, почему невозможно достичь 100% КПД:

  1. Термодинамический предел (второй закон термодинамики): теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому. Чтобы замкнуть термодинамический цикл, передача части энергии холодильнику ($Q_2 > 0$) физически неизбежна.
  2. Тепловые потери: раскалённые выхлопные газы уносят с собой в атмосферу огромное количество теплоты.
  3. Механическое трение: часть энергии расходуется на преодоление трения поршневых колец о стенки цилиндра, трения в подшипниках и приводе газораспределения.
  4. Химический недожог топлива: из-за скоротечности процесса часть углеводородов сгорает не полностью.

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ ЗАЩИТЫ БИОСФЕРЫ

Гигантские масштабы сжигания угля, мазута, газа и бензина поставили человечество перед острейшими экологическими вызовами:

Перспективные научно-технические решения:


⭐ Шпаргалка к ответу у доски

📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ

  • Триада теплового двигателя:

1) Нагреватель ($Q_1$, $T_1$) — сообщает энергию рабочему телу;

2) Рабочее тело (газ или пар) — совершает полезную работу расширения $A$;

3) Холодильник ($Q_2$, $T_2 < T_1$) — охлаждает рабочее тело для облегчения обратного сжатия.

  • Баланс энергии цикла: По закону сохранения энергии $A = Q_1 - Q_2$.
  • Определение КПД ($\eta$): Отношение совершённой двигателем полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
$$\eta = \frac{A}{Q_1} = \frac{Q_1 - Q_2}{Q_1} \cdot 100\%$$
  • Почему КПД строго меньше 100%:

1) Чтобы вернуть газ в исходное состояние, часть теплоты обязательно должна быть передана холодильнику ($Q_2 > 0$);

2) Неизбежны потери на трение в механизмах, нагрев стенок и теплоту выхлопных газов.

  • КПД реальных двигателей:
    • Автомобильные бензиновые ДВС: 20–25% (до 30%);
    • Дизельные двигатели: ~35% (до 40–45%);
    • Паровые турбоагрегаты ТЭС/АЭС: 40–50%.
  • Главные экологические угрозы: Выбросы угарного газа CO, оксидов азота, сернистого газа $SO_2$ (кислотные дожди), сажи, парникового газа $CO_2$.
  • Пути оздоровления планеты: Газомоторное топливо, экологически чистые водородные двигатели ($H_2 \rightarrow H_2O$), электромобили, установка каталитических нейтрализаторов и фильтров.
🎬 Интерактивное обучение

Посмотрите видеоурок к параграфу § 26

Полноразмерное видео, кликабельные таймкоды к ключевым моментам урока и проверочный экспресс-тест на усвоение знаний.

Открыть видеоурок →