КПД теплового двигателя - Тепловые процессы

Физический словарик

Коэффициент (от лат. coefficientis) - обычно постоянная или известная величина - множитель при переменной или известной величине.

Локомотив (от лат. loco moveo - сдвигаю с места) - паросиловая установка.

Перпетуум-мобиле (от лат. perpetuum mobile - вечно движущийся) - вечный двигатель.

Историческая справка

Родоначальник современной железной дороги - выдающийся английский изобретатель Джордж Стефенсон. В сентябре 1825 г. лучший из серии сконструированных им паровозов, «Локомоушн», совершил первую поездку по линии Стоктон - Дарлингтон протяженностью 21 км со скоростью около 12 км/ч. Спустя несколько лет был создан знаменитый локомотив «Ракета».

В России первую железную дорогу с паровой тягой построил талантливый уральский мастер Мирон Ефимович Черепанов, которому помогал его отец Ефим Алексеевич. Паровоз Черепановых начал ходить в августе 1834 г. в Нижнем Тагиле на Выйском заводе Демидовых. По железной дороге длиной 854 м перевозили грузы массой до 3,3 т со скоростью 13-16 км/ч.

В 1836-1838 гг. была построена Царскосельская железная дорога общего пользования (27 км), соединившая Петербург с Царским Селом и Павловском. Важнейшая стройка того времени - двухколейная железная дорога Петербург - Москва (649,7 км). Первые поезда пошли по ней в 1851 г. Большой вклад в сооружение дороги внесли выдающиеся русские инженеры и ученые П. П. Мельников, Н. О. Крафт, Н. И. Липин, Д. И. Журавский.

Самым первым типом тяговой машины для передвижения поездов -локомотива был паровоз. Паровозы отличались простотой конструкции, способностью работать на любом топливе и легкостью управления. Самым серьезным недостатком паровозов являлся низкий КПД, 7-9 %.

Так, в 1912 г. по проекту инженеров В. И. Лопушинского и М. Е. Правосудовича в России начали выпускать мощные грузовые локомотивы серии Э. Машинисты любили их за надежность, простоту управления и обслуживания. Масса паровоза в рабочем состоянии составляла 79 т. Локомотив развивал скорость до 65 км/ч, имел КПД 8 %.

Характеристики тепловых двигателей

Двигатели	Мощность, кВт	КПД, %
ДВС: карбюраторный дизельный Турбины: паровая газовая Реактивный	1-200 15-2 200 3 · 105 12 · 105 3 · 107	~ 25 ~ 5 ~ 30 ~ 27 ~ 80

Применение тепловых машин и проблемы охраны окружающей среды

При сжигании топлива в тепловых машинах требуется большое количество кислорода. На сгорание разнообразного топлива расходуется от 10 до 25 % кислорода, производимого зелеными растениями.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу эквивалентные количества диоксида углерода (углекислого газа). Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Сейчас во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно 200-250 млн. т золы и около 60 млн. т диоксида серы.

Кроме промышленности: воздух загрязняет и транспорт, прежде всего автомобильный (жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей).

Схемы для запоминания формул расчета КПД тепловых двигателей

Задачи на перевод единиц измерения в СИ

25 кВт = 25 000 Вт

0,045 МДж = 45 000 Дж

80 км/ч = 22,2 м/с

3,5 км/с = 3 500 м/с

9,0 кВт = 9 000 Вт

14 кДж/кг = 14 000 Дж/кг

120 мин = 7200 с

2,5 ч = 9 000 с

780 кДж = 780 000 Дж

Качественные задачи и вопросы

1. Один из учеников при решении получил ответ, что КПД теплового двигателя равен 200 %. Правильно ли решил ученик задачу? (Нет. КПД теплового двигателя не может быть больше 100% или равен 100%.)

2. КПД теплового двигателя 45 %. Что означает это число? (45 % энергии идет на полезную работу, а 55 % энергии тратится впустую на обогрев атмосферы, двигателя и т. д.)

3. Может ли КПД теплового двигателя быть равен: 1,8; 50; 4; 90; 100 %? (КПД теплового двигателя всегда меньше 100%.)

Задачи для любителей биологии

В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. Считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70-80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3 700 Вт, а женщины - 2 600 Вт.

КПД мышц человека равен 20 %. Что это означает? Какую часть энергии мышцы тратят впустую? (20 % энергии тратится на полезную работу; 80 % энергии мышцы тратят впустую.)