Чему равна полезная работа для идеального теплового двигателя


Чему равна полезная работа теплового двигателя в предельном идеальном случае?

Обучайтесь и развивайтесь всесторонне вместе с нами, делитесь знаниями и накопленным опытом, расширяйте границы знаний и ваших умений.
поделиться знаниями или
запомнить страничку
  • Все категории
  • экономические 42,812
  • гуманитарные 33,433
  • юридические 17,864
  • школьный раздел 595,728
  • разное 16,700

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах. 

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте. 

Как быстро и эффективно исправить почерк?  Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью. 

Полезные работы и энергия Гиббса

Современная теория гальванических элементов [1, 3, 8] основана на прямом преобразовании энергии (ΔrG) окислительно-восстановительных реакций в электрическую работу. Однако на примере VHEB ясно, что энергия химических реакций сначала преобразуется в тепловую энергию термостата (окружающей среды), а затем тепловая энергия извлекается из термостата и преобразуется в работу с помощью специальных устройств. При этом предполагается, что в гальванических элементах полезная работа совершается по механизму, аналогичному VHEB [12, 13].Значение ΔrG используется для расчета электрической работы, что, однако, не означает, что электрическая работа выполняется за счет энергии Гиббса, тем более, что было показано, что энергия Гиббса не является энергией. Электрическая работа гальванического элемента возникает из-за разряда электродов. Электрический заряд электродов вызывается химическими реакциями в электродах.

Механизм производства электроэнергии в гальванических элементах будет решен путем анализа поведения одного иона. Но это не означает, что термодинамика будет применяться к реальному одиночному иону: термодинамические параметры одного иона подразумевают усредненные параметры многих ионов.

5.1. Гальваническая ячейка

Для простоты будет рассмотрена ячейка Даниэля, состоящая из цинкового (№1) и медного (№2) электродов (рис. 3). Активность солей в растворах обозначена цифрами а 1 и а 2 соответственно. Пусть ячейка с разомкнутой внешней цепью находится в равновесии. Замкните на время внешнюю цепь, и два электрона перейдут от цинка к медному электроду. Баланс клетки нарушен.Теперь рассмотрим установление равновесия на цинковом электроде (рис. 3). Для этого ион цинка должен покинуть металлическую пластину и уйти в объем. Растворение ионов цинка описывается изменением функции Гиббса

, где ΔrG1o - стандартное изменение функции Гиббса при растворении. Далее ион проникает в раствор с выполнением работы (w1g) в электрическом поле

, где n - число электронов, участвующих в реакциях, F - постоянная Фарадея, а ΔMet1solφ1 - разность потенциалов раствор и металл.Работа, описанная в уравнении (17), - это электрическая работа, затрачиваемая на зарядку электрода. Выполняется при отборе тепловой энергии раствора из-за отсутствия в системе других источников энергии. Поскольку в равновесии химический потенциал ионов в растворе равен химическому потенциалу металла, можно вывести уравнение электрохимического равновесия

ΔrG1o + RTlna1 + nFΔMet1solφ1 = 0, E18

, которое легко дает выражение для обеих работ, выполненных над первый электрод и его гальванический потенциал [3]

w1g = nFΔMet1solφ1 = −ΔrG1o − RTlna1, E19ΔMet1solφ1 = −ΔrG1onF − RTlna1nF.E20

Последний потенциал для полуячейки. Таким образом, подход, основанный на рассмотрении поведения одного иона, дает общее выражение для электродного потенциала.

Рисунок 3.

Установление равновесия на электродах

Изменение энтальпии электрода включает энтальпию растворения и расход тепловой энергии при переносе ионов в раствор. Уравнение для энтальпии растворения легко получить из ур. (16)

Δrh2 = Δrh2o-RT2∂lna1∂T, E21

, где Δrh2o - стандартное изменение энтальпии во время растворения ионов.Суммарное изменение энтальпии первого электрода (Δh2, термостат) складывается из выражений −Δrh2 и −wg1

Δh2, термостат = −Δrh2 − wg1 = −TΔrS1o + RTlna1 + RT2∂lna1∂T = −TΔrS1, E22

, где ΔrS1o - стандартное изменение энтропии при растворении иона, а ΔrS1 - изменение энтропии при растворении иона на первом электроде, которое составляет

ΔrS1 = ΔrS1o-Rlna1-RT∂lna1∂T.E23

Как следует из ур. Согласно (22) изменение энтальпии, относящееся к первому электроду, не зависит от процессов, происходящих на втором.Таким образом, изучая выделение или поглощение тепла на отдельном электроде, можно рассчитать изменение энтропии за счет выхода ионов одного типа в объем.

Соответствующее выражение для второго электрода имеет ту же форму, но индекс "1" следует заменить на индекс "2":

w2g = nFΔMet2solφ2 = −ΔrG2o − RTlna2E25ΔMet2solφ2 = −ΔrG2onF − RTlna2nF.E26Δrh3o = Δrh3 = ∂T, E27ΔrS2 = ΔrS2o − Rlna2 − RT∂lna2∂T, E28Δh3, термостат = −Δrh3 − w2g = −TΔrS2o + RTlna2 + RT2∂lna2∂T = −TΔrS2.E29

При работе гальванического элемента процессы на втором электроде имеют противоположную направленность, что следует учитывать при рассмотрении параметров термодинамической ячейки.

Уравнения (20) и (26) позволяют получить уравнение Нернста для потенциала клетки [3]

E = −ΔMet2solφ2 + ΔMet1solφ1 = −ΔrGonF − RTnFlna1a2, E30

, где E - потенциал клетки, ΔrGo = ΔrG1o − ΔrG2o.

Электрическая работа гальванического элемента (Wel) возникает в результате преобразования потенциальной энергии заряженных электродов в электрическую энергию.Потенциальная энергия возникает из тепловой энергии обоих электродов при переносе ионов в раствор и равна

wel = w1g − w2g = −ΔrGo − RTlna1a2 = −wuseful.E31

Изменение энтальпии термостата имеет вид

ΔHthermostat = Δh2 , термостат-Δh3, термостат = -TΔrS, E32

, что хорошо согласуется с аналогичным выражением, описанным уравнением. (14), для VHEB. Подробное уравнение для ΔH термостата можно получить после подстановки соответствующих выражений (22) и (29) в (32)

ΔHthermostat = −T (ΔrS1o − ΔrS2o) −RTln (a2 / a1) −RT2 (∂lna2∂T − ∂lna1∂ Т).Е33

Сумма ур. (31) и (33) дает полную энергию (электрическая работа + тепло), производимая гальваническим элементом

wel + ΔHthermostat = −ΔrHo − RT2 (∂lna2∂T − ∂lna1∂T) .E34

Из уравнения ( 34) следует, что полная энергия, производимая гальваническим элементом, равна теплу, выделяемому в результате окислительно-восстановительной реакции.

Таким образом, подход, основанный на анализе поведения одного иона, дает те же результаты, что и современная теория. Однако он использует не загадочное прямое преобразование химической энергии (ΔrG) в электрическую работу, а концепцию преобразования химической энергии в тепловую, а затем тепловая энергия термостата (окружающей среды) преобразуется в потенциальную энергию заряженных электродов [12, 13].Электрическая энергия гальванического элемента возникает по схеме:

теплота реакции → энергия термостата → потенциальная энергия заряженных электродов → электрическая энергия.

Таким образом, в различных системах с однородной температурой полезная работа производится одним и тем же механизмом за счет обмена тепловой энергией с термостатом (окружающей средой). Прямого преобразования химической энергии в полезную работу не наблюдается. К сожалению, в гальваническом элементе процессы тепловыделения и производства полезной работы не могут быть пространственно разделены, потому что оба они происходят в двойном слое.Таким образом, гальванические элементы бесперспективны в производстве двойного количества энергии.

5.2. Концентрационная ячейка

Рассмотрим теперь концентрирующую ячейку, состоящую из двух электродов, например, цинковых с различной активностью раствора. Стандартные изменения функции Гиббса, энтальпии и энтропии для концентрационной ячейки стремятся к нулю из-за одинаковой химической природы обоих электродов. По определению считалось, что a2> a1. Из ур. (31) следует

wel = RTln (a2 / a1) = - wuseful, E35

, что является обычным выражением для электрической энергии концентрационной ячейки.Из ур. (34) следует

wel + ΔHthermostat = −RT2 (∂lna2∂T − ∂lna1∂T) .E36

Для системы, в которой действия не зависят от температуры, электрическая энергия возникает из энергии термостата (окружающей среды)

wel = −ΔHthermostat = −wuseful, E37

, что вполне согласуется с общепринятыми представлениями.

.

Тепловая эффективность - Energy Education

Рис. 1: Объем работы для данного количества тепла дает системе ее тепловой КПД. [1]

Тепловые двигатели превращают тепло в работу. Тепловой КПД выражает долю тепла, которая становится полезной работой. Тепловой КПД представлен символом [math] \ eta [/ math] и может быть рассчитан с помощью уравнения:

[математика] \ eta = \ frac {W} {Q_H} [/ математика]

Где:

[math] W [/ math] - полезная работа и

[math] Q_H [/ math] - общее количество тепловой энергии, потребляемой от горячего источника. [2]

Тепловые двигатели часто работают с КПД от 30% до 50% из-за практических ограничений. Тепловые двигатели не могут достичь 100% теплового КПД ([math] \ eta = 1 [/ math]) согласно Второму закону термодинамики. Это невозможно, потому что в тепловом двигателе всегда образуется некоторое количество отработанного тепла, что показано на рисунке 1 термином [math] Q_L [/ math]. Хотя полная эффективность теплового двигателя невозможна, есть много способов повысить общую эффективность системы.

Пример

Если вводится 200 джоулей тепловой энергии в качестве тепла ([math] Q_H [/ math]), и двигатель выполняет работу 80 Дж ([math] W [/ math]), то эффективность составляет 80 Дж / 200 Дж, что эффективность 40%.

Тот же результат может быть получен путем измерения отработанного тепла двигателя. Например, если в двигатель вложено 200 Дж, а отходящее тепло составляет 120 Дж, то должно быть выполнено 80 Дж работы, что дает КПД 40%.

Эффективность Карно

основная статья

Существует максимально достижимый КПД теплового двигателя, который был определен физиком Сади Карно.Следуя законам термодинамики, уравнение для этого оказывается

[математика] \ eta_ {max} = 1 - \ frac {T_L} {T_H} [/ math]

Где

[math] T_L [/ math] - это температура холодной «раковины» и

[math] T_H [/ math] - это температура теплового резервуара.

Это описывает эффективность идеализированного двигателя, которая в действительности недостижима. [3] Из этого уравнения, чем ниже температура стока [math] T_L [/ math] или чем выше температура источника [math] T_H [/ math], тем больше работы доступно от теплового двигателя.Энергия для работы исходит от уменьшения общей энергии жидкости, используемой в системе. Следовательно, чем больше изменение температуры, тем больше это уменьшение в жидкости и, следовательно, больше энергии, доступной для выполнения работы. [4]

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

  1. ↑ Это изображение было сделано командой Energy Education.
  2. ↑ Механика двигателя TPUB. (4 апреля 2015 г.). Тепловой КПД [Онлайн]. Доступно: http://enginemechanics.tpub.com/14075/css/14075_141.htm
  3. ↑ Hyperphysics, Cycle Carnot [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/carnot.html
  4. ↑ Р. А. Хинрихс и М. Кляйнбах, «Тепло и работа», в книге Энергия: ее использование и окружающая среда , 4-е изд. Торонто, Онтарио. Канада: Томсон Брукс / Коул, 2006, глава 4, раздел E, стр 115
.

PPT - ГЛАВА 3 ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Презентация PowerPoint, скачать бесплатно

  • ГЛАВА 3 ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ Stephenson's Rocket, 1829 Современный промышленный дизельный двигатель Промышленная газовая турбина

  • Тепловая энергия (Резюме) • Тепловая энергия или внутренняя энергия являются следствием коллективной кинетической энергии (движения) атомов / молекул в веществе. • Показателем средней скорости частиц является ТЕМПЕРАТУРА вещества • Температура описывается как мера «горячего» или «холодного» объекта. • Количество тепловой энергии зависит от массы (количества частиц) и температура • На шкале температур Кельвина есть абсолютный ноль, все материалы с температурой выше 0K имеют тепловую (внутреннюю) энергию - даже то, что мы называем «холодным» материалом. • Тепловая энергия возникает в результате преобразования многих других форм энергии и обычно последняя форма энергии в преобразованиях цепей, а также в частичных преобразованиях по цепочке.• Для того, чтобы тепло было полезным, оно должно транспортироваться от места, где оно генерируется, туда, где оно необходимо.

  • Тепловой перенос • Существует три способа транспортировки тепловой энергии • Проводимость • Конвекция • Излучение • Проводимость • Столкновения между соседними частицы приводят к увеличению тепловой энергии на расстоянии от источника тепла • Например, Кочерга в огне • Передача тепла через дно кастрюли от источника энергии • Передача тепла от печи к котлу • Конвекция (пассивная или принудительная) • Передача тепловой энергии путем физического перемещения материала в массе • E .грамм. Распределение тепловой энергии в воде от дна кастрюли (пассивное) • Распределение горячего воздуха в системе отопления дома (принудительное) • Охлаждение компьютера вентилятором (принудительное) • Излучение • Передача тепловой энергии посредством генерации электромагнитных волны от любого вещества с температурой выше абсолютного нуля • Например, Передача тепловой энергии от Солнца к Земле • Передача тепловой энергии от электрического огня человеку • Передача тепловой энергии из атмосферы во Вселенную

  • Эквивалентность механической и тепловой (внутренней) энергии - Рамфорд • Раннее наблюдение преобразования механической работы в тепловую энергию произошло во время сверления пушек графом Рамфордом (~ 1800 г.) • Вода в стволе, используемая для охлаждения ствола пушки, выкипела и ее нужно было регулярно пополнять • Работа Сделано было усилие инструмента в направлении реза металла, умноженное на пройденное расстояние.

  • Эквивалентность механической и тепловой (внутренней) энергии - Джоуль • Это было количественно определено в экспериментах Джоуля в 1843 году, которые сравнивали повышение температуры массы воды с измеренным количеством работы, выполняемой над водой. к следующим эквивалентам: • 1 ккал (1000 кал) 4186 Дж. • 1 британская тепловая единица 777,9 фунт-сила-футов

  • Аппарат для механического эквивалента тепла Джоуля. Потеря гравитационной потенциальной энергии гирь равна увеличению тепловой энергии воды.Работа на воде осуществляется за счет силы, создаваемой лопастями, умноженной на расстояние, на которое они перемещаются в воде.

  • Преобразование тепловой энергии в механическую работу • Это привело к пониманию того, как может происходить обратное, а именно: • Преобразование тепловой (внутренней) энергии в механическую энергию • Технология для этого дает ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ

  • Что такое тепловой двигатель? • Тепловой двигатель - это общее название устройств, преобразующих тепловую (внутреннюю) энергию в механическую.• В большинстве практических устройств тепло используется для кипячения жидкости и увеличения давления газа, который затем создается для создания силы на поверхности, которая может использоваться для выполнения механической работы • (сила x расстояние в направлении силы) • Практические устройства технически очень сложны, но для наших целей тепловые двигатели будут рассмотрены в упрощенном виде на термодинамической диаграмме, показанной на следующей странице:

  • Принципиальная схема теплового двигателя Тепловой поток от горячего резервуара Тепловой поток в холодный резервуар

  • Энергосодержание топлива (1) • Энергия, запасенная в топливе, высвобождается в виде тепловой (внутренней) энергии в результате того, что топливо подвергается ЭКЗОТЕРМИЧЕСКОЙ химической реакции • Поскольку кислород в большом количестве воздух и является реактивным элементом, экзотермической реакцией выбора является окисление топлива.• Это заставляет молекулы топлива соединяться с кислородом, образовывать другие соединения и выделять тепло. • Скорость горения определяет скорость производства тепловой энергии, т. Е. Производимую мощность. • Ее можно увеличить за счет дополнительного кислорода - например, в ракетных двигателях, двигателях внутреннего сгорания с наддувом

  • Энергосодержание топлива (2) • Углерод C + O2 CO2 + 33 МДж / кг • Водород 2h3 + O2 2h3O + 142 МДж / кг • Гептан C7h26 + 11O2 7CO2 + 8h3O + 48,1 МДж / кг • Выделяемая энергия также называется теплотой сгорания.• Большинство реакций окисления топлива протекают очень медленно при нормальных температурах, поэтому топливо расположено так, что оно нагревается за счет части тепла сгорания. В таком устройстве процесс известен как сжигание.

  • Горение (1) • Горение - это быстрое окисление, которое происходит, когда топливо используется для производства тепловой энергии • Некоторая часть производимой тепловой энергии используется для поддержания топлива при достаточно высокой температуре, чтобы реакция с кислородом протекает быстро.

  • Горение (2) • Для обеспечения быстрой реакции топливо необходимо сначала нагреть до высокой температуры • E.грамм. использование уже горящего топлива (например, спички) для зажигания свечи • Инициирование горения бензина в двигателе внутреннего сгорания за счет дуги на свече зажигания • После инициирования быстрой реакции она продолжается без дополнительной помощи из-за высокого температура поддерживается за счет части теплоты сгорания.

  • Горение (3) • Топливо различается по температуре, необходимой для протекания быстрой реакции окисления • Например, угольное топливо для осветительных приборов может гореть спичкой • В то время как древесный уголь должен быть сильно увеличен более высокая температура для продолжения горения • Бензин воспламеняется при относительно низкой температуре • Температура для возникновения воспламенения называется FLASHPOINT

  • Термодинамика (1) • Наука термодинамики возникла в 19 веке как развитие паровой двигатель прогрессировал.• Это изучение физики процессов, которые позволяют нам преобразовывать тепловую (внутреннюю) энергию жидкостей в механическую энергию. • Наблюдения показывают, что тепловые двигатели не полностью преобразуют тепловую энергию в механическую.

  • Термодинамика (2) • Двигатель всегда отводит некоторое количество тепла. • Например, вода, окружающая двигатель автомобиля, становится горячей. • Паровые турбины электростанции отбрасывают тепловую энергию, которая должна рассеиваться в озерах, реках или градирнях.• Это заставляет нас интересоваться эффективностью тепловых двигателей. • Какая часть тепловой энергии преобразуется в механическую? • Какие факторы определяют эффективность? • Чтобы продемонстрировать и рассчитать эффективность теплового двигателя, мы должны сначала дополнительно рассмотреть температуры.

  • Температура (1) • Температура вещества - это показатель, связанный со средней скоростью частиц, составляющих вещество. • Фактические используемые числа зависят от используемой шкалы температур • Некоторые точки на шкале определены, потому что они происходят от четко определенных и воспроизводимых температур • E.грамм. Кипящая вода, тающий лед • В повседневной жизни обычно используются следующие весы: • Температура кипения по Фаренгейту 212 ° F; Таяние льда 32 ° F 180 шагов по 1 градусу • Цельсия (Цельсия) Кипение 100 ° C; Таяние льда 0 ° C 100 шагов по 1 градусу • Они связаны соотношением: ° C = 5/9 (° F-32)

  • Температура (2) • Проблема в том, что обычно используемые шкалы допускают отрицательные температуры, которые несовместимо с их представлением о средней скорости (положительной скалярной величине) частиц.• В термодинамических расчетах мы обходим это путем определения другой шкалы • Шкала Кельвина K • Один градус К - это тот же шаг, что и один градус Цельсия • Экспериментально было обнаружено, что средняя скорость равна нулю при -273 ° C • Это определено как 0K • Таким образом, K = ° C + 273 или ° C = K - 273

  • Второй закон термодинамики • Это очень важный закон, связанный с преобразованием тепловой энергии • Он исключает вечные двигатели • Утверждается различными способами, но применительно к тепловым двигателям: • Невозможно извлечь тепло из горячего резервуара и преобразовать его в механическую энергию с отводом тепловой энергии в более холодный резервуар.• Дополнением к этому является то, что невозможно передать тепло от более холодного резервуара к более горячему без выполнения работ в системе. • Мы можем применить это к идеальному тепловому двигателю (далее)

  • Схема теплового двигателя - КПД • Для теплового двигателя мы можем определить: • КПД = выполненная механическая работа / поданная тепловая энергия • Эфф. = W / Qhot • Или Eff. = (Qhot - Qcold) / Qhot • Для реверсивного теплового двигателя: • Qhot / Qcold = Thot / Tcold • Где T в ° K • (Карно 1824) • Эфф.= (1-Qcold / Qhot) • Таким образом, Eff. = (1-Tcold / Thot)

  • Эффективность практических тепловых двигателей • Мы рассмотрим некоторые практические тепловые двигатели и рассчитаем их максимальную термодинамическую эффективность. (См. Книгу для более подробной информации.) • Необходимые шаги • Eff = (1-Tc / Th), Tc и Th - температуры холодного и горячего резервуаров соответственно • Необходимо вычислить Tc и Th по шкале Кельвина • Подставить в формулу Eff для определения максимальной эффективности двигателя • Обратите внимание, что проверка формулы говорит нам, что если Th >> Tc, эффективность будет выше.

  • Тепловые двигатели - паровой двигатель • Паровой двигатель • Поршень и цилиндр (двигатели поездов с 1830-х по 1950-е годы) • Th = 250 ° C = (250 + 273) K = 523K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 523) = 0,43 или 43% • Паровая турбина (корабли, ископаемые и атомные электростанции ) • Th = 550 ° C = (550 + 273) K = 823K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 823) = 0,64 или 64%

  • Тепловые двигатели - внутреннего сгорания • Двигатели внутреннего сгорания • Бензиновый двигатель (автомобили, частные самолеты, небольшая садовая техника) • Th = 700 ° C = (700 + 273) K = 973K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 973) = 0.69 или 69% • Дизельный двигатель (большие грузовики, корабли, локомотивы, сельскохозяйственная техника) • Th = 950 ° C = (950 + 273) K = 1223K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 1223) = 0,76 или 76%

  • Тепловой двигатель - газовая турбина • Газовая турбина (Пассажирские и оборонные самолеты, электростанции) • Th = 1500 ° C = (1500 + 273) K = 1773K; • Tc = 25 ° C = (25 + 273) K = 298K • Eff = (1-Tc / Th) = (1-298 / 1773) = 0,83 или 83% • Если Tc = -40 ° C (стратосфера) • Eff = (1-Tc / Th) = (1-233 / 1773) = 0.87 или 87%

  • Тепловые насосы • Напомним, что при обсуждении второго закона термодинамики мы говорили, что тепло может течь из холодного резервуара в горячий резервуар, если в системе выполняется работа. • Это основа теплового насоса, используемого для отопления помещений, и может быть представлена ​​термодинамической диаграммой, аналогичной диаграмме теплового двигателя, но с обратными потоками тепла и энергии. • Поскольку потребляемая энергия поступает из резервуара больше, чем из внешнего источника • Это означает, что доставляется больше энергии, чем обеспечивается внешним источником W • Условия для этого описываются • Коэффициент полезного действия (COP)

  • Коэффициент полезного действия (COP) Принцип Карно

  • Тепловые насосы (2) • Примеры расчета COP для отопления помещений • Умеренный климат • Внутренняя температура = 22 ° C (72 ° F) = (22 + 273) K = 295K • Наружная температура = 0 ° C (32 ° F) = (0 + 273) K = 273K • COP = 295 / (295 - 273) = 295/22 = 13.4 • Холодный климат • Внутренняя температура = 22 ° C (72 ° F) = (22 + 273) K = 295K • Наружная температура = -30 ° C (-22 ° F) = (- 30 + 273) K = 243K • COP = 295 / (295 - 243) = 295/52 = 5,7

  • Тепловые насосы (3) • Таким образом, мы видим два важных результата • COP намного выше в умеренном климате, чем в холодном климате • Это прогнозируется что на каждый ватт энергии, подаваемой на тепловой насос, в здание поступает 5-13 ватт тепловой энергии. • На практике эти значения COP не могут быть достигнуты, но в умеренном климате возможны цифры 2-6.

  • На практике тепловые насосы являются сложными и довольно дорогостоящими элементами Тепловые насосы (3) Тепловой насос работает по тому же принципу, что и холодильник.Эквивалент теплообменника на задней стенке холодильника поставляет энергию в здание.

  • Электричество (1) • Электричество - это название, данное форме энергии, которая возникает в результате разделения положительного и отрицательного заряда в устройствах. • Мера энергии, доступной для преобразования, определяется напряжением объекта, которое представляет собой работу, необходимую для обеспечения единичного заряда того же знака, что и напряжение, с места измерения напряжения относительно заряженного объекта.• Обратите внимание, что сила между одинаковыми зарядами - это отталкивание, между разными зарядами - притяжение. Это называется силой КУЛОМБА. • Концепция работы, совершаемой путем перемещения заряда под действием кулоновской силы, приводит к концепции электрического тока, который представляет собой заряд, движущийся с постоянной скоростью в проводниках (твердом, жидком или газовом (плазменном))

  • Электричество ( 2) • Электрический ток возникает в результате подключения НАГРУЗКИ между заряженным объектом и точкой, относительно которой измеряется его напряжение.• Мощность, подаваемая на нагрузку, равна P = I x V, где I - ток через нагрузку, а V - напряжение на ней. • Обратите внимание на то, что такая же мощность может возникнуть в результате высокого тока и небольшого напряжения или наоборот. • Электрический ток создает магнитное поле, которое создает силы, действующие на определенные материалы (например, железо), а также на магнитное поле, создаваемое другими токами. • Если ток непостоянен, часть электрической энергии преобразуется в энергию электромагнитных волн.

  • Майкл Фарадей 1791 - 1867 Производство электроэнергии (1) • Электроэнергия является одной из самых удобных форм энергии для бесчисленных применений в промышленности, бизнесе и дома.• Большая часть электроэнергии, производимой в этой стране, производится с помощью теплового двигателя, который обеспечивает механическую энергию для привода электрогенератора. • Это только один из нескольких способов выработки электроэнергии. • Электрогенератор основан на принципе физики, открытом британским физиком Майклом Фарадеем в 1831 году.

  • Производство электрической энергии (2) • Этот принцип называется • Электромагнитная индукция • При относительном движении между проводником и • магнитным полем в проводнике индуцируется напряжение, и • он может вызывать электрический ток, если проводник подключен к внешней цепи.• Таким образом, перемещение провода в присутствии магнитного поля может использоваться для выработки электроэнергии. • Индуцированное напряжение (электрическая энергия) зависит от: • силы магнитного поля • скорости движения проводника • длины проводника

  • Выработка электрической энергии (2) • Поскольку искусственные сильные магнитные поля ограничены довольно небольшими объемами, движение провода также должно быть ограничено, чтобы находиться в пределах этого объема • Это достигается за счет использования вращающейся системы • Длина проволоки увеличиваются в размерах за счет наматывания ее в катушку • Высокая скорость движения относительно скорости магнитного поля контролируется скоростью вращения катушки

  • Выработка электроэнергии (2) • Принципиальная схема показывает, почему переменный ток (AC) вырабатывается генератором • Генерация постоянного тока (DC) возможна при использовании другого устройства • Когда использование электроэнергии стало широко распространенным, произошла битва между сторонниками Сторонники переменного и постоянного тока • Сторонники переменного тока выиграли по причинам, которые будут обсуждены позже

  • Турбина среднего давления Турбина высокого давления Электрический генератор Турбина низкого давления Электрический генератор Производство электроэнергии (4) Паровой турбогенератор Уголь: 10 572 тонн / день Производство пара: 3650 фунтов на квадратный дюйм 1000 ° F 8x106 фунтов / час Электрическая мощность: 1150 МВт КПД: 39.3%

  • Электростанции Вт Qh • Основной источник энергии - ископаемое / ядерное топливо • Потоки энергии теплового двигателя - Qh, Qc, Вт • Производство электроэнергии - электромагнитная индукция в генераторе Qc

  • Распределение электроэнергии • Электрическая мощность = Ток x Напряжение • P = I x V • Потери мощности из-за сопротивления проводов • Потери = I2 Rwires • Желательно, чтобы ток в длинных проводах был как можно более низким • Таким образом, необходимо использовать высокое напряжение для длительные пробеги от электростанции до пользователей • Переменный ток лучше всего подходит для этого из-за легкости повышения / понижения напряжения с помощью трансформатора.• Стандартные напряжения распределения • Электростанция 25 000 В • Междугородние 345 000 В • Городское распределение 440 В • Внутри зданий 120 В • Распределительная сеть упрощает распределение нагрузки Распределение электрических кабелей и опор

  • Использование электроэнергии (1) • Электроэнергия - это очень удобный вид энергии. • Поставляется компактно и непрерывно по проводам. • Легко контролируется переключателями. другие виды энергии • Некоторые двигатели могут выделять озон при возникновении искры • Преобразование в тепловую энергию для обогрева помещений близко к 100% эффективности

  • Использование электроэнергии (2) • Электричество имеет некоторые недостатки • Возможность поражения электрическим током • Чрезмерный ток может привести к перегреву проводов и оплавлению или возгоранию изоляции. • Электростанции могут выбрасывать в атмосферу большое количество загрязняющих веществ • Воздушные провода неприглядны • Хранение громоздко с использованием батарей

  • Использование электроэнергии (3) • В будущем могут быть задействованы топливные элементы • Местное производство на уровне дома • Потребуется электроснабжение водорода для топливных элементов, которые должны быть разработаны • Могут обеспечивать энергию для транспортировки

  • Когенерация • Мы видели ранее, что тепловые двигатели должны отбрасывать тепловую энергию при более низкой температуре, чем входная энергия • Использование части или всей этой отклоненной энергии называется КОГЕНЕРАЦИЯ • E.грамм. современная угольная электростанция использует тепловые двигатели с КПД 38% • Таким образом, 62% входящей тепловой энергии используется для других целей, для которых требуется тепловая энергия при более низкой температуре. • Например, отопление помещений за счет отказа от тепловой энергии электростанций. • Все мы используем когенерацию в наших автомобильных обогревателях. • Эти устройства отбирают тепло, отводимое двигателем внутреннего сгорания, и используют его для обогрева помещения в автомобиле.

  • Цели обучения (1) • Понять, что подразумевается под тепловой (или внутренней) энергией материала • Понять, что любой материал с температурой выше абсолютного нуля имеет тепловую энергию • Знать три метода передачи тепловой энергии • Знайте о ранняя работа, показывающая, что выполнение работы может привести к преобразованию в тепловую энергию.(Рамфорд, Джоуль) • Знайте, что в целом означает термин «тепловой двигатель» • Знайте, что химическая энергия топлива может быть использована для производства тепловой энергии, которая будет использоваться в тепловых двигателях посредством экзотермических реакций окисления • Поймите, что для извлечения тепла Процесс окисления должен быть ускорен в процессе, называемом «Горение» • Знайте, что подразумевается под термином «Термодинамика» • Знайте, какое свойство материала выражается его температурой • Помните о различных температурных шкалах.

  • Цели обучения (2) • Знать, что подразумевается под абсолютной шкалой или температурной шкалой Кельвина и как преобразовывать шкалу Кельвина в шкалу Цельсия. • Знать изложение второго закона термодинамики применительно к тепловым двигателям.• Поймите, что второй закон термодинамики подразумевает, что ни один тепловой двигатель не может быть эффективен на 100% • Знать упрощенную схему теплового двигателя и то, как с ее помощью записать его эффективность в терминах тепла на входе, работы и тепла • Понять, как применить принцип Карно для расчета эффективности теплового двигателя с точки зрения температуры горячего и холодного резервуаров, прикрепленных к двигателю • Знать несколько примеров практических тепловых двигателей • Знать, что подразумевается под тепловым насосом • Знать, как температуры резервуары для горячей и холодной воды, присоединенные к тепловому насосу, определяют его максимальный коэффициент полезного действия.

  • Цели обучения (3) • Знать разницу между напряжением и электрическим током • Знать, как электрическая мощность в нагрузке связана с напряжением на нагрузке и током, протекающим через нее • Помните о производстве электрическая энергия из механической энергии за счет электромагнитной индукции, открытый Майклом Фарадеем • Поймите принцип генератора переменного тока как практическое средство преобразования механической энергии в электрическую. • Знать основные компоненты электростанции, работающей на ископаемом топливе. • Понимать, почему передача электроэнергии на большие расстояния лучше всего осуществляется при высоких напряжениях. • Знать приблизительные уровни напряжения для передачи электроэнергии в различных частях цепи передачи.• Помните об относительно простых способах изменения уровней переменного напряжения с помощью устройства, называемого трансформатором. • Поймите, что подразумевается под термином «когенерация» и некоторые примеры когенерации

  • .

    Смотрите также