Теплові машини й холодильники: задачі з покроковими розв’язками

Інші назви: ККД теплової машини · цикл Карно · тепловий насос

Безкоштовні задачі з теми Теплові машини й холодильники з рисунками, підказками й повними розв’язками. Щоразу нові значення, трьох рівнів: перший закон для циклу, межа Карно, холодильники й теплові насоси.

Безкоштовна задачаЛегка
будинокзовнішнє повітряHPQ̇H​ = 17 kWQ̇L​ = ?Ẇ

Тепловий насос з опалювальним коефіцієнтом 2,9 подає в будинок 17 kW теплоти. Знайдіть тепловий потік Q̇L, який він відбирає від зовнішнього повітря.

COPHP = 2,9Q̇H = 17 kW
kW
Наступна задача →

Що ви тренуєте

  1. Легкаперший закон для циклу
  2. Середнямежа Карно
  3. Складнахолодильники й теплові насоси

Основні формули

ККД
η = W/QH = 1 − QC/QH
ККД Карно
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
COP холодильника
COPR = QC/W
COP теплового насоса
COPHP = QH/W = COPR + 1
Енергетичний баланс
QH = W + QC

Вивчайте тему «Теплові машини й холодильники» з нуля

1Що таке теплова машина

Теплова машина перетворює тепло на роботу. Автомобільний двигун, парова турбіна на електростанції та реактивний двигун — усе це теплові машини.

Кожна теплова машина працює однаково. Вона бере тепло QH від чогось гарячого, перетворює його частину на роботу W, а решту QC скидає в щось холодне.

TH​TC​EQH​QC​W

Гаряче й холодне місця називають резервуарами: полум’я, котел, зовнішнє повітря, річка. Вони такі великі, що їхні температури не змінюються.

Машина працює за циклом: після кожного оберту вона повертається в той самий стан. Тому енергія не може накопичуватися всередині. Що входить, те й виходить:

QH = W + QC
Самоперевірка Машина за цикл отримує 100 kJ тепла й виконує 40 kJ роботи. Скільки тепла вона віддає?
  1. 140 kJ
  2. 2,5 kJ
  3. 40 kJ
  4. 60 kJ

Відповідь: 60 kJ. Енергія на вході дорівнює енергії на виході: QC = QH − W = 100 − 40 = 60 kJ. Додавання (140 kJ) вважає роботу вхідною величиною.

2ККД і межа Карно

Термічний ККД — це частка підведеного тепла, що стає роботою:

η = W / QH = 1 − QC / QH

Жодна машина не може перетворити все своє тепло на роботу. Завжди є тепло, яке треба відвести. Це другий закон термодинаміки.

Найкраща можлива машина між двома температурами — це ідеальна машина Карно. Її ККД залежить лише від температур резервуарів у кельвінах:

ηmax = 1 − TC / TH

Завжди спершу переводьте в кельвіни: T(K) = T(°C) + 273,15. З °C формула дає нісенітницю.

Реальна машина завжди має η < ηmax. Машина, що заявляє більше за межу Карно, неможлива.

Самоперевірка Який найвищий можливий ККД машини, що працює між 327 °C і 27 °C?
  1. 100%
  2. 50%
  3. 8,3%
  4. 91,7%

Відповідь: 50%. У кельвінах: 600,15 K і 300,15 K, тож ηmax = 1 − 300,15/600,15 = 50%. Якщо підставити значення в °C, вийде 1 − 27/327 = 91,7%, що хибно.

3Холодильники та теплові насоси

Холодильник — це машина, що працює навпаки. Робота W витрачається, а тепло перекачується з холодної сторони на гарячу.

TH​TC​RQH​QC​W

Тепловий насос — та сама машина, але для опалення: він бере тепло із холодного зовнішнього повітря й віддає його в теплий дім. Енергетичний баланс і далі QH = W + QC.

Замість ККД використовують коефіцієнт ефективності (COP): те, що вам потрібно, поділене на роботу, за яку ви платите. Він зазвичай більший за 1.

COPR = QC / W COPHP = QH / W = COPR + 1

Межі Карно, знову з температурами в кельвінах:

COPR,max = TC / (TH − TC) COPHP,max = TH / (TH − TC)
Самоперевірка Тепловий насос віддає в дім 6 kW тепла, споживаючи 2 kW електрики. Скільки тепла він бере із зовнішнього повітря?
  1. 12 kW
  2. 3 kW
  3. 4 kW
  4. 8 kW

Відповідь: 4 kW. QC = QH − W = 6 − 2 = 4 kW. Його COP дорівнює 6/2 = 3, тож 3 kW — це COP, а не тепловий потік.

4Метод крок за кроком

  1. Зобразіть пристрій між двома його резервуарами й накресліть стрілки для QH, QC і W. Вирішіть, чи це машина, чи холодильник / тепловий насос.
  2. Запишіть енергетичний баланс QH = W + QC. Він справджується для кожного пристрою, ідеального чи ні. Потужності в kW працюють так само, як кількості в kJ.
  3. Якщо температури задано, переведіть їх у кельвіни.
  4. Використовуйте правильну величину: η = W/QH для машини, COPR = QC/W для холодильника, COPHP = QH/W для теплового насоса.
  5. Для найкращого можливого пристрою використайте формулу Карно. Тоді невідоме тепло чи робота випливає з енергетичного балансу.

«Найбільша робота», «найвищий можливий ККД», «мінімальна споживана потужність» і «оборотний» — усе це вказує на межу Карно.

5Розв’язаний приклад

Простежте кожен крок. Спробуйте передбачити наступний, перш ніж його відкрити.

Розв’язаний приклад

Теплова машина працює між гарячим резервуаром за 500 °C і холодним за 25 °C. За цикл вона отримує 3000 kJ тепла. Знайдіть найбільшу роботу, яку вона може виконати. Винахідник стверджує, що виконує 2000 kJ за цикл: чи це можливо?

1

Намалюйте машину

500 °C25 °CE3000 kJQC​W = ?

Найбільшу роботу дає ідеальна машина Карно між тими самими двома резервуарами.

2

Переведіть у кельвіни

TH = 500 + 273,15 = 773,15 K
TC = 25 + 273,15 = 298,15 K
3

ККД Карно

ηmax = 1 − 298,15 / 773,15 = 1 − 0,3856 = 0,614

У найкращому разі 61,4% тепла може стати роботою.

4

Найбільша робота

Wmax = ηmax · QH = 0,6144 · 3000 = 1843 kJ
5

Перевірте відповідь

Ідеальна машина віддає QC = 3000 · 298,15/773,15 = 1157 kJ. Тоді W + QC = 1843 + 1157 = 3000 kJ, що збігається з підведеним теплом.

6

Оцініть твердження

2000 kJ — більше за 1843 kJ, які могла б дати навіть досконала машина. Твердження порушує другий закон, тож воно неможливе.

Відповідь

Wmax ≈ 1843 kJ за цикл (ηmax ≈ 61,4%), тож твердження про 2000 kJ неможливе.

6Типові помилки

  • Підставляти температури в °C у формули Карно. Завжди використовуйте кельвіни.
  • Плутати два COP. Холодильник враховує QC (відведене тепло), тепловий насос — QH (передане тепло).
  • Використовувати ККД Карно для реальної машини, коли тепла задано. Тоді η = W/QH за фактичними числами.
  • Забувати, що холодильник також віддає роботу у вигляді тепла: QH = QC + W, тож кухня отримує більше тепла, ніж відводить холодильник.
  • Записувати ККД як 61,4 замість 0,614 у розрахунку.
Самоперевірка Який найвищий можливий COP холодильника, що тримає всередині 0 °C на кухні за 27 °C?
  1. 0,91
  2. 0
  3. 10,1
  4. 11,1

Відповідь: 10,1. COPR,max = TC/(TH − TC) = 273,15/27 = 10,1. Якщо вгорі поставити TH, вийде значення для теплового насоса 11,1, а пряме використання 0 °C дає 0.

7Як виглядають екзаменаційні запитання

  • Легко: перший закон для циклу. За двома з QH, W і QC знайдіть третю або ККД. Варіації використовують електростанції (MW), холодильники й теплові насоси із заданим COP.
  • Середньо: межа Карно. Знайдіть ηmax або Wmax за температурами резервуарів. Інші задачі просять ККД за другим законом (η/ηmax), температуру холодного резервуара оборотної машини або тепло, яке віддає оборотний холодильник.
  • Складно: холодильники й теплові насоси на межі Карно: знайдіть COPmax або мінімальну споживану потужність. Інші поєднують два пристрої або просять ентропію, згенеровану реальною машиною.

Для мінімальної споживаної потужності: спершу COPmax за температурами, потім Wmin = QH/COPHP,max або QC/COPR,max.

Для ентропії, згенерованої за цикл: Sgen = QC/TC − QH/TH, і вона має бути нульовою або додатною.

Вивчайте крок за кроком у застосункуВивчайте крок за кроком у застосунку

Розв’язані приклади

Приклад 1Легка
будинокзовнішнє повітряHPQ̇H​ = 4 kWQ̇L​ = ?Ẇ

Тепловий насос з опалювальним коефіцієнтом 5 подає в будинок 4 kW теплоти. Знайдіть тепловий потік Q̇L, який він відбирає від зовнішнього повітря.

COPHP = 5Q̇H = 4 kW

Знайти: Q̇L (kW)

Показати підказки
  1. Корисний результат теплового насоса — подана теплота: COPHP = Q̇H/Ẇ.
  2. Енергетичний баланс циклу: Q̇L = Q̇H − Ẇ.
  3. Ẇ = 0,8 kW.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Споживана потужність

Ẇ = Q̇H/COP = 4/5 = 0,8 kW

Теплота, відібрана ззовні

Q̇L = Q̇H − Ẇ = 4 − 0,8 = 3,2 kW

Відповідь

Q̇L = 3,2 kW
Приклад 2Середня
TH​ = 625 °CTL​ = ?EQH​ = 3100 kJQL​ = 977 kJW

Оборотний тепловий двигун (Карно) отримує за цикл 3100 kJ теплоти від резервуара з температурою 625 °C і віддає 977 kJ. Знайдіть температуру TL холодного резервуара в °C.

TH = 625 °CQH = 3100 kJQL = 977 kJ

Знайти: TL (°C)

Показати підказки
  1. Для оборотного циклу теплоти відносяться як абсолютні температури: QL/QH = TL/TH.
  2. Використовуйте абсолютні температури: K = °C + 273,15.
  3. TH = 898,1 K.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Абсолютна температура джерела

TH = 625 + 273,15 = 898,1 K

Відношення теплот оборотного циклу

TL = TH·QL/QH = 898,1·977/3100 = 283,1 K = 9,912 °C

Відповідь

TL = 9,912 °C
Приклад 3Складна
TH​ = 20 °CTL​ = 2 °CHPQ̇H​ = 14 kWQ̇L​Ẇ = ?

Тепловий насос підтримує в будинку 20 °C, коли надворі 2 °C, і подає в будинок 14 kW теплоти. Знайдіть мінімальну потрібну потужність Ẇmin.

TH = 20 °CTL = 2 °CQ̇H = 14 kW

Знайти: Ẇmin (kW)

Показати підказки
  1. COP теплового насоса — це подана теплота, поділена на витрачену роботу: COP = QH/W. Оборотна межа — TH/(TH − TL).
  2. Використовуйте абсолютні температури: K = °C + 273,15.
  3. COP = 16,29.
Показати відповідь і покроковий розв’язок

Обмеження другого закону: жоден цикл між резервуарами з абсолютними температурами TH і TL не може перевершити оборотний цикл (Карно): ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) і COPHP,max = TH/(TH − TL). Енергія завжди зберігається: QH = W + QL.

Абсолютні температури

TH = 20 + 273,15 = 293,1 K
TL = 2 + 273,15 = 275,1 K

Найкращий можливий COP

COPHP,max = TH/(TH − TL) = 293,1/(293,1 − 275,1) = 16,29

Мінімальна потужність

Найменше роботи потребує оборотна машина, що має найбільший COP.

Ẇmin = Q̇H/COP = 14/16,29 = 0,8596 kW

Відповідь

Ẇmin = 0,8596 kW

Запитання й відповіді

Теплові машини й холодильники: що це?

Кожна теплова машина працює однаково. Вона бере тепло QH від чогось гарячого, перетворює його частину на роботу W, а решту QC скидає в щось холодне.

Гаряче й холодне місця називають резервуарами: полум’я, котел, зовнішнє повітря, річка. Вони такі великі, що їхні температури не змінюються.

Теплові машини й холодильники: як розв’язувати задачі крок за кроком?

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

Теплові машини й холодильники: які помилки найпоширеніші?
  • COP = Q<sub>H</sub>/W дає роботу; теплота ззовні тоді Q<sub>L</sub> = QH − W.
  • Це підведена робота. Теплота ззовні Q<sub>L</sub> = Q<sub>H</sub> − W.
  • Для оборотного циклу Q<sub>L</sub>/Q<sub>H</sub> = T<sub>L</sub>/T<sub>H</sub> справджується лише для абсолютних температур. Спочатку переведіть у кельвіни, потім назад у °C.
Теплові машини й холодильники: що ви тренуєте?
  • Легка: перший закон для циклу
  • Середня: межа Карно
  • Складна: холодильники й теплові насоси

Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь. Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.

Як проходить тренування

  • Кожна задача має нові значення, тож ви вивчаєте метод, а не відповідь.
  • Застрягли? Спершу відкрийте невелику підказку, а повне пояснення — лише коли воно знадобиться.
  • Ваш прогрес, помилки та збережені задачі зберігаються, тож перед іспитом ви зможете все повторити.

Теми до і після цієї

Далі

Калькулятори

Курси з цією темою

Інші теми: Машинобудування

Робочий аркуш для друку