Топлинни машини: КПД, цикъл на Карно, хладилници
Топлинната машина получава количество топлина Q1 от нагревателя, извършва работа A и отдава Q2 на охладителя: A = Q1 − Q2. Коефициентът на полезно действие е η = A/Q1 = 1 − Q2/Q1 и винаги е по-малък от 1 (втори принцип на термодинамиката). Най-голям КПД при дадени температури има идеалната машина на Карно: η = 1 − T2/T1, като температурите са в келвини. Хладилникът работи обратно: с работа A пренася топлина от студеното тяло към по-топлото.
Какво да запомним
- η = A/Q1 = (Q1 − Q2)/Q1.
- Карно: ηmax = 1 − T2/T1, T в келвини.
- Хладилник: Qотдадено = Qотнето + A.
- Вечен двигател от втори род е невъзможен.
Пример
При нагревател 527 °C (800 K) и охладител 27 °C (300 K) най-големият възможен КПД е 1 − 300/800 = 62,5%; ако се сметне с градуси по Целзий, грешно се получават около 95%.
Проверете се: 10 въпроса
Натиснете въпроса, за да видите верния отговор и обяснението.
Как се нарича отношението на извършената работа към полученото от нагревателя количество топлина?
- Мощност
- Коефициент на полезно действие
- Топлоемкост
- Вътрешна енергия
Отговор: Коефициент на полезно действие
η = A/Q1; изразява се в проценти.
Топлинна машина получава 1000 J от нагревателя и отдава 600 J на охладителя. Какъв е КПД ѝ?
- 40%
- 60%
- 160%
- 4%
Отговор: 40%
A = 1000 − 600 = 400 J; η = 400/1000 = 0,4.
Какъв е максималният КПД на машина на Карно с нагревател 600 K и охладител 300 K?
- 25%
- 75%
- 100%
- 50%
Отговор: 50%
η = 1 − 300/600 = 0,5.
Двигател с КПД 25% извършва работа 500 J. Колко топлина отдава на охладителя?
- 2000 J
- 500 J
- 1500 J
- 125 J
Отговор: 1500 J
Q1 = A/η = 2000 J; Q2 = 2000 − 500 = 1500 J.
Хладилник отнема 300 J от камерата, като се извършва работа 100 J. Колко топлина отдава той в стаята?
- 200 J
- 300 J
- 100 J
- 400 J
Отговор: 400 J
Отдадената топлина е сборът от отнетата топлина и работата: 300 + 100 = 400 J.
Кой закон забранява вечния двигател от втори род?
- Първият принцип на термодинамиката
- Законът на Бойл-Мариот
- Законът на Хук
- Вторият принцип на термодинамиката
Отговор: Вторият принцип на термодинамиката
Невъзможно е цялата получена топлина да се превърне в работа без отдаване на част от нея на охладител.
Кое е работното тяло в двигателя с вътрешно горене?
- Буталото
- Газът в цилиндъра
- Коляновият вал
- Охлаждащата течност
Отговор: Газът в цилиндъра
Газът се разширява при нагряване и извършва работа върху буталото.
Нагревателят на идеална машина е 527 °C, а охладителят е 27 °C. Какъв е максималният КПД?
- 62,5%
- 94,9%
- 37,5%
- 50%
Отговор: 62,5%
T1 = 800 K, T2 = 300 K; η = 1 − 300/800 = 0,625.
Как трябва да се промени температурата на охладителя, за да нарасне КПД на машината на Карно?
- Да се повиши
- Да стане равна на тази на нагревателя
- Да се понижи
- Не влияе
Отговор: Да се понижи
η = 1 − T2/T1 расте, когато T2 намалява.
Двигател с полезна мощност 20 kW и КПД 25% работи 1 час. Колко топлина получава от горивото?
- 72 MJ
- 18 MJ
- 80 MJ
- 288 MJ
Отговор: 288 MJ
A = 20 000 W · 3600 s = 72 MJ; Q = A/η = 72/0,25 = 288 MJ.