Номер 4, страница 220, часть 1 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

4. Как можно повысить КПД тепловых машин?

Коэффициент полезного действия (КПД) любой тепловой машины, обозначаемый $\eta$ (эта), определяется как отношение совершённой полезной работы $A_{полезная}$ к количеству теплоты $Q_{нагревателя}$, полученному от нагревателя:

$\eta = \frac{A_{полезная}}{Q_{нагревателя}}$

Так как работа совершается за счёт разницы между полученной теплотой от нагревателя и теплотой $Q_{холодильника}$, отданной холодильнику ($A_{полезная} = Q_{нагревателя} - Q_{холодильника}$), формулу можно переписать:

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

Из этой формулы видно, что для повышения КПД необходимо уменьшить долю тепла, отдаваемого холодильнику.

Максимально возможный КПД для тепловой машины, работающей между двумя источниками тепла, был определен французским инженером Сади Карно. Этот КПД идеальной тепловой машины зависит только от абсолютных температур нагревателя ($T_{нагревателя}$) и холодильника ($T_{холодильника}$), выраженных в Кельвинах:

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

Анализ формулы Карно показывает два фундаментальных способа повышения теоретического предела КПД:

1. Повышение температуры нагревателя ($T_{нагревателя}$). Чем выше температура рабочего тела в момент получения им энергии (например, температура пара в турбине или газов в цилиндре ДВС), тем выше будет КПД. Это основной путь повышения эффективности современных тепловых электростанций и двигателей.

2. Понижение температуры холодильника ($T_{холодильника}$). Чем ниже температура, при которой отводится тепло, тем выше КПД. В качестве холодильника обычно выступает окружающая среда (воздух, вода в реке), поэтому возможности для значительного понижения этой температуры ограничены.

Помимо этих теоретических путей, в реальных тепловых машинах КПД повышают практическими методами, направленными на снижение потерь энергии:

- Уменьшение потерь на трение между движущимися частями машины за счет использования качественных смазок, подшипников качения и улучшения аэродинамики.

- Уменьшение тепловых потерь в окружающую среду через стенки цилиндров и другие части двигателя с помощью теплоизоляции.

- Обеспечение более полного сгорания топлива в двигателях внутреннего сгорания путем оптимизации смесеобразования и системы зажигания.

- Использование систем турбонаддува в ДВС, которые повышают давление воздуха в цилиндрах, что приводит к росту мощности и более эффективному сгоранию топлива.

- Применение регенерации тепла, то есть использование теплоты отработанных газов для предварительного подогрева топлива, воздуха или воды, поступающих в двигатель.

- Использование комбинированных циклов (например, парогазовых установок), где горячие выхлопные газы газовой турбины используются для производства пара для паровой турбины, что позволяет утилизировать остаточное тепло.

Ответ: Повысить КПД тепловых машин можно двумя основными способами, вытекающими из термодинамики: повышением температуры нагревателя и понижением температуры холодильника. На практике это достигается за счет использования жаропрочных материалов, позволяющих поднять рабочие температуры, а также путем снижения различных энергетических потерь: уменьшения трения, улучшения теплоизоляции, обеспечения полного сгорания топлива и использования тепла отработанных газов (регенерация).