Номер 5, страница 265 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Молекулярная физика и термодинамика. Глава 6. Термодинамика. Параграф 32. Тепловые двигатели, холодильники и кондиционеры - номер 5, страница 265.

Условие.

5. Расскажите о возможностях повышения коэффициента полезного действия теплового двигателя.

Решение.

Решение

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя — это физическая величина, показывающая, какая доля теплоты, полученной от нагревателя, превращается в полезную механическую работу. Формула для КПД ($\eta$) имеет вид:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}} = \frac{Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}} = 1 - \frac{Q_{холодильника}}{Q_{нагревателя}}$

где $A_{полезная}$ – полезная работа, $Q_{нагревателя}$ – количество теплоты, полученное от нагревателя, а $Q_{холодильника}$ – количество теплоты, отданное холодильнику (окружающей среде).

Французский инженер Сади Карно теоретически доказал, что КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно. Этот максимально возможный КПД зависит только от абсолютных температур нагревателя ($T_{нагревателя}$) и холодильника ($T_{холодильника}$):

$\eta_{max} = \frac{T_{нагревателя} - T_{холодильника}}{T_{нагревателя}} = 1 - \frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$

Анализ этой формулы показывает, что существуют два основных теоретических способа повышения КПД теплового двигателя.

Повышение температуры нагревателя ($T_{нагревателя}$)

Из формулы видно, что чем выше абсолютная температура нагревателя, тем меньше значение дроби $\frac{T_{холодильника}}{T_{нагревателя}}$, и, следовательно, тем выше КПД. В реальных двигателях (например, двигателях внутреннего сгорания) нагревателем являются горячие газы, образующиеся при сгорании топлива. Поэтому для повышения КПД инженеры стремятся увеличить температуру рабочего тела. Например, в современных газотурбинных двигателях температура газа перед турбиной может превышать $1500$ °C. Главным ограничением здесь является жаропрочность материалов, из которых изготовлены самые горячие части двигателя (камеры сгорания, лопатки турбин, поршни). Для решения этой проблемы создаются новые жаропрочные сплавы и сложные системы охлаждения.

Понижение температуры холодильника ($T_{холодильника}$)

Второй путь повышения КПД — это понижение температуры холодильника. Чем ниже $T_{холодильника}$, тем выше КПД. Однако на практике этот способ имеет серьезные ограничения. В большинстве тепловых машин в качестве холодильника используется окружающая среда — атмосферный воздух или вода из ближайшего водоема. Температуру окружающей среды мы контролировать не можем, поэтому температура холодильника практически постоянна и близка к $20-30$ °C ($~300$ К). Понизить ее искусственно в больших масштабах экономически невыгодно.

Снижение необратимых потерь энергии

Формула Карно описывает идеальный обратимый процесс. Реальные двигатели всегда менее эффективны из-за необратимых процессов, приводящих к потерям энергии. Поэтому важным направлением повышения КПД является борьба с этими потерями:

Уменьшение трения. Трение между движущимися частями двигателя (поршень-цилиндр, подшипники) приводит к превращению части механической энергии в тепло, которое бесполезно рассеивается. Снижение трения достигается за счет применения качественных смазок, новых материалов с низким коэффициентом трения и высокой точности изготовления деталей.

Уменьшение теплообмена с окружающей средой. Часть тепла от нагревателя теряется, уходя в окружающую среду через стенки двигателя. Улучшение теплоизоляции помогает снизить эти потери.

Обеспечение полноты сгорания топлива. Если топливо сгорает не полностью, то выделяется меньше теплоты ($Q_{нагревателя}$), чем могло бы, что напрямую снижает КПД. Современные системы впрыска и управления двигателем нацелены на создание оптимальной топливо-воздушной смеси для ее максимально полного сгорания.

Использование энергии выхлопных газов. У отработавших газов все еще высокая температура, и их энергия обычно теряется. В современных системах, например, в турбонаддуве, энергия выхлопных газов используется для вращения турбины, которая нагнетает воздух в цилиндры, повышая мощность и КПД. В электростанциях с комбинированным циклом горячие газы от газовой турбины используются для производства пара для паровой турбины, что значительно увеличивает общий КПД.

Ответ:

Основными способами повышения коэффициента полезного действия (КПД) теплового двигателя являются:
1. Повышение температуры нагревателя (например, температуры сгорания топлива), что ограничено жаропрочностью материалов.
2. Понижение температуры холодильника (окружающей среды), что практически трудноосуществимо.
3. Уменьшение потерь энергии в реальных условиях эксплуатации, включая снижение трения, сокращение тепловых потерь, обеспечение полноты сгорания топлива и утилизацию тепла отработавших газов.