Θερμικός κινητήρας είναι ένας κινητήρας που εκτελεί εργασίες σε βάρος μιας πηγής θερμικής ενέργειας.
Θερμική ενέργεια ( θερμάστρα Q) από την πηγή μεταφέρεται στον κινητήρα, ενώ μέρος της λαμβανόμενης ενέργειας ο κινητήρας ξοδεύει για την εκτέλεση εργασιών W, αχρησιμοποίητη ενέργεια ( Ψυγείο Q) αποστέλλεται σε ψυγείο, ο ρόλος του οποίου μπορεί να εκτελεστεί, για παράδειγμα, από τον ατμοσφαιρικό αέρα. Ο θερμικός κινητήρας μπορεί να λειτουργήσει μόνο εάν η θερμοκρασία του ψυγείου είναι μικρότερη από τη θερμοκρασία του θερμαντήρα.
Ο συντελεστής απόδοσης (COP) μιας θερμικής μηχανής μπορεί να υπολογιστεί με τον τύπο: Απόδοση = W/Q ng.
Απόδοση = 1 (100%) εάν όλη η θερμική ενέργεια μετατραπεί σε εργασία. Απόδοση=0 (0%) εάν δεν μετατραπεί θερμική ενέργεια σε εργασία.
Η απόδοση μιας πραγματικής θερμικής μηχανής βρίσκεται στην περιοχή από 0 έως 1, όσο υψηλότερη είναι η απόδοση, τόσο πιο αποδοτικός είναι ο κινητήρας.
Q x / Q ng \u003d T x / T ng Αποδοτικότητα \u003d 1- (Q x / Q ng) Αποδοτικότητα \u003d 1- (T x / T ng)
Λαμβάνοντας υπόψη τον τρίτο θερμοδυναμικό νόμο, που λέει ότι η θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν (T=0K) δεν μπορεί να επιτευχθεί, μπορούμε να πούμε ότι είναι αδύνατο να αναπτυχθεί μια θερμική μηχανή με απόδοση=1, αφού T x >0 είναι πάντα.
Η απόδοση της θερμικής μηχανής θα είναι τόσο μεγαλύτερη, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του θερμαντήρα και τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του ψυγείου.
Η λειτουργία πολλών τύπων μηχανών χαρακτηρίζεται από έναν τόσο σημαντικό δείκτη όπως η απόδοση μιας θερμικής μηχανής. Κάθε χρόνο, οι μηχανικοί προσπαθούν να δημιουργήσουν πιο προηγμένο εξοπλισμό, ο οποίος, με λιγότερο, θα έδινε το μέγιστο αποτέλεσμα από τη χρήση του.
Συσκευή θερμικής μηχανής
Πριν καταλάβουμε τι είναι, είναι απαραίτητο να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί αυτός ο μηχανισμός. Χωρίς να γνωρίζουμε τις αρχές της δράσης του, είναι αδύνατο να ανακαλύψουμε την ουσία αυτού του δείκτη. Μια θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που λειτουργεί χρησιμοποιώντας εσωτερική ενέργεια. Κάθε θερμική μηχανή που μετατρέπεται σε μηχανική χρησιμοποιεί τη θερμική διαστολή ουσιών με την αύξηση της θερμοκρασίας. Σε κινητήρες στερεάς κατάστασης, είναι δυνατό όχι μόνο να αλλάξει ο όγκος της ύλης, αλλά και το σχήμα του αμαξώματος. Η λειτουργία ενός τέτοιου κινητήρα υπόκειται στους νόμους της θερμοδυναμικής.
Λειτουργική αρχή
Για να κατανοήσουμε πώς λειτουργεί ένας θερμικός κινητήρας, είναι απαραίτητο να εξετάσουμε τα βασικά του σχεδιασμού του. Για τη λειτουργία της συσκευής χρειάζονται δύο σώματα: ζεστό (καλοριφέρ) και κρύο (ψυγείο, ψυγείο). Η αρχή λειτουργίας των θερμικών μηχανών (η απόδοση των θερμικών μηχανών) εξαρτάται από τον τύπο τους. Συχνά, ο συμπυκνωτής ατμού λειτουργεί ως ψυγείο και κάθε τύπος καυσίμου που καίγεται στον κλίβανο λειτουργεί ως θερμαντήρας. Η απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής βρίσκεται από τον ακόλουθο τύπο:
Αποδοτικότητα = (Theating - Tcold.) / Theating. x 100%.
Ταυτόχρονα, η απόδοση ενός πραγματικού κινητήρα δεν μπορεί ποτέ να υπερβεί την τιμή που προκύπτει σύμφωνα με αυτόν τον τύπο. Επίσης, αυτός ο δείκτης δεν θα υπερβεί ποτέ την παραπάνω τιμή. Για να αυξήσετε την απόδοση, τις περισσότερες φορές αυξάνετε τη θερμοκρασία του θερμαντήρα και μειώνετε τη θερμοκρασία του ψυγείου. Και οι δύο αυτές διαδικασίες θα περιορίζονται από τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας του εξοπλισμού.
Κατά τη λειτουργία μιας θερμικής μηχανής, γίνεται εργασία, καθώς το αέριο αρχίζει να χάνει ενέργεια και ψύχεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Το τελευταίο είναι συνήθως μερικές μοίρες πάνω από την περιβάλλουσα ατμόσφαιρα. Αυτή είναι η θερμοκρασία του ψυγείου. Μια τέτοια ειδική συσκευή έχει σχεδιαστεί για ψύξη με επακόλουθη συμπύκνωση του ατμού εξαγωγής. Όπου υπάρχουν συμπυκνωτές, η θερμοκρασία του ψυγείου είναι μερικές φορές χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος.
Σε μια θερμική μηχανή, το σώμα, όταν θερμαίνεται και διαστέλλεται, δεν είναι σε θέση να δώσει όλη την εσωτερική του ενέργεια για να κάνει εργασία. Μέρος της θερμότητας θα μεταφερθεί στο ψυγείο μαζί με τον ατμό. Αυτό το μέρος του θερμικού χάνεται αναπόφευκτα. Κατά την καύση του καυσίμου, το ρευστό εργασίας λαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας Q 1 από τη θερμάστρα. Ταυτόχρονα, εξακολουθεί να κάνει το έργο Α, κατά το οποίο μεταφέρει μέρος της θερμικής ενέργειας στο ψυγείο: Q 2 Η απόδοση χαρακτηρίζει την απόδοση του κινητήρα στον τομέα της μετατροπής και της μετάδοσης ενέργειας. Αυτός ο δείκτης μετριέται συχνά ως ποσοστό. Φόρμουλα απόδοσης: η*A/Qx100%, όπου Q είναι η καταναλωμένη ενέργεια, το Α είναι χρήσιμο έργο. Με βάση το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η απόδοση θα είναι πάντα μικρότερη από τη μονάδα. Με άλλα λόγια, δεν θα υπάρξει ποτέ πιο χρήσιμη εργασία από την ενέργεια που δαπανάται σε αυτήν. Η απόδοση του κινητήρα είναι ο λόγος της χρήσιμης εργασίας προς την ενέργεια που παρέχεται από τη θερμάστρα. Μπορεί να αναπαρασταθεί ως ο ακόλουθος τύπος: η \u003d (Q 1 -Q 2) / Q 1, όπου Q 1 είναι η θερμότητα που λαμβάνεται από τη θερμάστρα και Q 2 δίνεται στο ψυγείο. Η εργασία που εκτελείται από μια θερμική μηχανή υπολογίζεται με τον ακόλουθο τύπο: A = |Q H | - |Q X |, όπου A είναι έργο, Q H είναι η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα, Q X είναι η ποσότητα θερμότητας που δίνεται στον ψύκτη. |Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H | Είναι ίσο με την αναλογία της εργασίας που κάνει ο κινητήρας προς την ποσότητα της θερμότητας που λαμβάνει. Μέρος της θερμικής ενέργειας χάνεται κατά τη διάρκεια αυτής της μεταφοράς. Η μέγιστη απόδοση μιας θερμικής μηχανής σημειώνεται για τη συσκευή Carnot. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι σε αυτό το σύστημα εξαρτάται μόνο από την απόλυτη θερμοκρασία του θερμαντήρα (Тн) και του ψυγείου (Тх). Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής που λειτουργεί καθορίζεται από τον ακόλουθο τύπο: (Tn - Tx) / Tn = - Tx - Tn. Οι νόμοι της θερμοδυναμικής επέτρεψαν τον υπολογισμό της μέγιστης δυνατής απόδοσης. Για πρώτη φορά αυτός ο δείκτης υπολογίστηκε από τον Γάλλο επιστήμονα και μηχανικό Sadi Carnot. Εφηύρε μια θερμική μηχανή που λειτουργούσε με ιδανικό αέριο. Λειτουργεί σε έναν κύκλο 2 ισόθερμων και 2 αδιαβάτων. Η αρχή της λειτουργίας του είναι αρκετά απλή: μια επαφή θερμαντήρα φέρεται στο δοχείο με αέριο, ως αποτέλεσμα της οποίας το ρευστό εργασίας διαστέλλεται ισοθερμικά. Ταυτόχρονα λειτουργεί και δέχεται μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας. Αφού το δοχείο είναι θερμομονωμένο. Παρόλα αυτά, το αέριο συνεχίζει να διαστέλλεται, αλλά ήδη αδιαβατικά (χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον). Αυτή τη στιγμή, η θερμοκρασία του πέφτει στο ψυγείο. Αυτή τη στιγμή, το αέριο βρίσκεται σε επαφή με το ψυγείο, με αποτέλεσμα να του δίνει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας κατά την ισομετρική συμπίεση. Στη συνέχεια το δοχείο μονώνεται και πάλι θερμικά. Σε αυτή την περίπτωση, το αέριο συμπιέζεται αδιαβατικά στον αρχικό του όγκο και κατάσταση. Σήμερα, υπάρχουν πολλοί τύποι θερμικών μηχανών που λειτουργούν με διαφορετικές αρχές και με διαφορετικά καύσιμα. Όλα έχουν τη δική τους αποτελεσματικότητα. Αυτά περιλαμβάνουν τα ακόλουθα: Ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης (έμβολο), ο οποίος είναι ένας μηχανισμός όπου μέρος της χημικής ενέργειας του καυσίμου που καίγεται μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια. Τέτοιες συσκευές μπορεί να είναι αέριο και υγρό. Υπάρχουν δίχρονοι και τετράχρονοι κινητήρες. Μπορεί να έχουν συνεχή κύκλο λειτουργίας. Σύμφωνα με τη μέθοδο παρασκευής ενός μείγματος καυσίμου, τέτοιοι κινητήρες είναι καρμπυρατέρ (με εξωτερικό σχηματισμό μείγματος) και ντίζελ (με εσωτερικό). Ανάλογα με τους τύπους μετατροπέων ενέργειας, χωρίζονται σε έμβολο, πίδακα, τουρμπίνα, συνδυασμένα. Η απόδοση τέτοιων μηχανών δεν υπερβαίνει το 0,5. Κινητήρας Stirling - μια συσκευή στην οποία το υγρό εργασίας βρίσκεται σε κλειστό χώρο. Είναι ένα είδος κινητήρα εξωτερικής καύσης. Η αρχή της λειτουργίας του βασίζεται στην περιοδική ψύξη/θέρμανση του σώματος με την παραγωγή ενέργειας λόγω αλλαγής του όγκου του. Αυτός είναι ένας από τους πιο αποδοτικούς κινητήρες. Στροβιλοκινητήρας (περιστροφικός) με εξωτερική καύση καυσίμου. Τέτοιες εγκαταστάσεις συναντώνται συχνότερα σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς. Οι τουρμπίνες (περιστροφικοί) κινητήρες εσωτερικής καύσης χρησιμοποιούνται σε θερμοηλεκτρικούς σταθμούς σε κατάσταση αιχμής. Όχι τόσο συνηθισμένο όσο άλλοι. Ένας κινητήρας στροβιλοκινητήρα παράγει μέρος της ώθησης λόγω της προπέλας. Τα υπόλοιπα προέρχονται από καυσαέρια. Ο σχεδιασμός του είναι ένας περιστροφικός κινητήρας στον άξονα του οποίου είναι τοποθετημένη μια έλικα. Πύραυλοι, turbojet και οι οποίοι δέχονται ώθηση λόγω της επιστροφής των καυσαερίων. Οι κινητήρες στερεάς κατάστασης χρησιμοποιούν ένα στερεό σώμα ως καύσιμο. Όταν εργάζεστε, δεν αλλάζει ο όγκος του, αλλά το σχήμα του. Κατά τη λειτουργία του εξοπλισμού, χρησιμοποιείται μια εξαιρετικά μικρή διαφορά θερμοκρασίας. Είναι δυνατόν να αυξηθεί η απόδοση μιας θερμικής μηχανής; Η απάντηση πρέπει να αναζητηθεί στη θερμοδυναμική. Μελετά τους αμοιβαίους μετασχηματισμούς διαφορετικών τύπων ενέργειας. Έχει διαπιστωθεί ότι όλα τα διαθέσιμα μηχανικά κ.λπ., είναι αδύνατη.Ταυτόχρονα, η μετατροπή τους σε θερμική ενέργεια γίνεται χωρίς κανέναν περιορισμό. Αυτό είναι δυνατό λόγω του γεγονότος ότι η φύση της θερμικής ενέργειας βασίζεται στην άτακτη (χαοτική) κίνηση των σωματιδίων. Όσο περισσότερο θερμαίνεται το σώμα, τόσο πιο γρήγορα θα κινούνται τα μόρια που το αποτελούν. Η κίνηση των σωματιδίων θα γίνει ακόμη πιο ασταθής. Μαζί με αυτό, όλοι γνωρίζουν ότι η τάξη μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε χάος, το οποίο είναι πολύ δύσκολο να παραγγελθεί. >>Φυσική: Η αρχή λειτουργίας των θερμικών μηχανών. Συντελεστής απόδοσης (COP) θερμικών μηχανών Τα αποθέματα εσωτερικής ενέργειας στον φλοιό της γης και στους ωκεανούς μπορούν να θεωρηθούν πρακτικά απεριόριστα. Αλλά για να λυθούν πρακτικά προβλήματα, δεν αρκεί η ύπαρξη ενεργειακών αποθεμάτων. Είναι επίσης απαραίτητο να μπορούμε να χρησιμοποιούμε ενέργεια για να θέσουμε σε κίνηση εργαλειομηχανές σε εργοστάσια, μέσα μεταφοράς, τρακτέρ και άλλες μηχανές, να περιστρέφουμε τους ρότορες των γεννητριών ηλεκτρικού ρεύματος κ.λπ. Η ανθρωπότητα χρειάζεται κινητήρες - συσκευές ικανές να κάνουν εργασία. Οι περισσότεροι από τους κινητήρες στη Γη είναι θερμικές μηχανές. Οι θερμικές μηχανές είναι συσκευές που μετατρέπουν την εσωτερική ενέργεια του καυσίμου σε μηχανική ενέργεια. όπου Q1είναι η ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τον θερμαντήρα και Ε2- την ποσότητα θερμότητας που δίνεται στο ψυγείο. Εφόσον σε όλους τους κινητήρες κάποια ποσότητα θερμότητας μεταφέρεται στο ψυγείο, τότε η<1. Όπως ήταν αναμενόμενο, η απόδοση της μηχανής Carnot είναι ευθέως ανάλογη με τη διαφορά μεταξύ των απόλυτων θερμοκρασιών του θερμαντήρα και του ψυγείου. Ο τύπος (13.19) δίνει το θεωρητικό όριο για τη μέγιστη τιμή απόδοσης των θερμικών μηχανών. Δείχνει ότι ο θερμικός κινητήρας είναι πιο αποδοτικός, όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία του θερμαντήρα και τόσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του ψυγείου. Μόνο όταν η θερμοκρασία του ψυγείου είναι ίση με απόλυτο μηδέν, η
=1. ??? G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Φυσική τάξη 10 Εάν έχετε διορθώσεις ή προτάσεις για αυτό το μάθημα, Συντελεστής αποδοτικότητας (COP)είναι ένα μέτρο της απόδοσης ενός συστήματος από την άποψη της μετατροπής ή μεταφοράς ενέργειας, το οποίο καθορίζεται από την αναλογία της ενέργειας που χρησιμοποιείται ωφέλιμα προς τη συνολική ενέργεια που λαμβάνει το σύστημα. αποδοτικότητα- η τιμή είναι αδιάστατη, συνήθως εκφράζεται ως ποσοστό: Ο συντελεστής απόδοσης (COP) μιας θερμικής μηχανής καθορίζεται από τον τύπο: , όπου A = Q1Q2. Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι πάντα μικρότερη από 1. Κύκλος Carnot- Πρόκειται για μια αναστρέψιμη κυκλική διεργασία αερίου, η οποία αποτελείται από δύο διαδοχικές ισοθερμικές και δύο αδιαβατικές διεργασίες που εκτελούνται με ένα λειτουργικό ρευστό. Ο κυκλικός κύκλος, που περιλαμβάνει δύο ισόθερμες και δύο αδιαβάτες, αντιστοιχεί στη μέγιστη απόδοση. Ο Γάλλος μηχανικός Sadi Carnot το 1824 εξήγαγε μια φόρμουλα για τη μέγιστη απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής, όπου το ρευστό εργασίας είναι ένα ιδανικό αέριο, ο κύκλος του οποίου αποτελούνταν από δύο ισόθερμες και δύο adiabat, δηλαδή τον κύκλο Carnot. Ο κύκλος Carnot είναι ο πραγματικός κύκλος εργασίας μιας θερμικής μηχανής που εκτελεί εργασία λόγω της θερμότητας που παρέχεται στο λειτουργικό ρευστό σε μια ισοθερμική διαδικασία. Ο τύπος για την απόδοση του κύκλου Carnot, δηλαδή η μέγιστη απόδοση μιας θερμικής μηχανής, είναι: Θερμικές μηχανές- Πρόκειται για κατασκευές στις οποίες η θερμική ενέργεια μετατρέπεται σε μηχανική. Οι θερμικοί κινητήρες είναι διαφορετικοί τόσο ως προς το σχεδιασμό όσο και ως προς τον σκοπό. Αυτές περιλαμβάνουν ατμομηχανές, ατμοστρόβιλους, κινητήρες εσωτερικής καύσης, κινητήρες τζετ. Ωστόσο, παρά την ποικιλομορφία, υπάρχουν κοινά χαρακτηριστικά στην αρχή της λειτουργίας διαφόρων θερμικών μηχανών. Τα κύρια συστατικά κάθε θερμικής μηχανής: Ο θερμαντήρας απελευθερώνει θερμική ενέργεια, ενώ θερμαίνει το υγρό εργασίας, το οποίο βρίσκεται στο θάλαμο εργασίας του κινητήρα. Το ρευστό εργασίας μπορεί να είναι ατμός ή αέριο. Έχοντας δεχτεί την ποσότητα της θερμότητας, το αέριο διαστέλλεται, επειδή. η πίεσή του είναι μεγαλύτερη από την εξωτερική πίεση και κινεί το έμβολο, παράγοντας θετικό έργο. Ταυτόχρονα, η πίεσή του πέφτει και ο όγκος του αυξάνεται. Αν συμπιέσουμε το αέριο, περνώντας από τις ίδιες καταστάσεις, αλλά προς την αντίθετη κατεύθυνση, τότε θα εκτελέσουμε την ίδια απόλυτη τιμή, αλλά αρνητικό έργο. Ως αποτέλεσμα, όλη η εργασία για τον κύκλο θα είναι ίση με μηδέν. Προκειμένου το έργο μιας θερμικής μηχανής να είναι μη μηδενικό, το έργο της συμπίεσης του αερίου πρέπει να είναι μικρότερο από το έργο της διαστολής. Προκειμένου το έργο της συμπίεσης να γίνει μικρότερο από το έργο της διαστολής, είναι απαραίτητο η διαδικασία συμπίεσης να πραγματοποιείται σε χαμηλότερη θερμοκρασία, για αυτό το υγρό εργασίας πρέπει να ψύχεται, επομένως, ένα ψυγείο περιλαμβάνεται στο σχεδιασμό του θερμική μηχανή. Το υγρό εργασίας εκπέμπει την ποσότητα θερμότητας στο ψυγείο όταν έρχεται σε επαφή με αυτό. Η σύγχρονη πραγματικότητα περιλαμβάνει την ευρεία λειτουργία των θερμικών μηχανών. Πολλές προσπάθειες αντικατάστασής τους με ηλεκτροκινητήρες έχουν αποτύχει μέχρι στιγμής. Τα προβλήματα που σχετίζονται με τη συσσώρευση ηλεκτρικής ενέργειας σε αυτόνομα συστήματα επιλύονται με μεγάλη δυσκολία. Εξακολουθούν να είναι επίκαιρα τα προβλήματα της τεχνολογίας για την κατασκευή συσσωρευτών ηλεκτρικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπόψη τη μακροχρόνια χρήση τους. Τα χαρακτηριστικά ταχύτητας των ηλεκτρικών οχημάτων απέχουν πολύ από αυτά των αυτοκινήτων με κινητήρες εσωτερικής καύσης. Τα πρώτα βήματα προς τη δημιουργία υβριδικών κινητήρων μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις επιβλαβείς εκπομπές στις μεγαλουπόλεις, λύνοντας περιβαλλοντικά προβλήματα. Η δυνατότητα μετατροπής της ενέργειας του ατμού σε ενέργεια κίνησης ήταν γνωστή στην αρχαιότητα. 130 π.Χ.: Ο φιλόσοφος Ήρων από την Αλεξάνδρεια παρουσίασε στους παρευρισκόμενους ένα παιχνίδι ατμού - αιολιπίλ. Μια σφαίρα γεμάτη με ατμό άρχισε να περιστρέφεται υπό τη δράση πίδακες που προέρχονταν από αυτήν. Αυτό το πρωτότυπο των σύγχρονων ατμοστρόβιλων δεν βρήκε εφαρμογή εκείνες τις μέρες. Για πολλά χρόνια και αιώνες, η ανάπτυξη του φιλοσόφου θεωρούνταν μόνο ένα διασκεδαστικό παιχνίδι. Το 1629, ο Ιταλός D. Branchi δημιούργησε μια ενεργή τουρμπίνα. Ο ατμός θέτει σε κίνηση έναν δίσκο εξοπλισμένο με λεπίδες. Από εκείνη τη στιγμή άρχισε η ραγδαία ανάπτυξη των ατμομηχανών. Η μετατροπή του καυσίμου σε ενέργεια για την κίνηση τμημάτων μηχανών και μηχανισμών χρησιμοποιείται σε θερμικές μηχανές. Τα κύρια μέρη των μηχανών: ένας θερμαντήρας (ένα σύστημα λήψης ενέργειας από το εξωτερικό), ένα υγρό εργασίας (εκτελεί μια χρήσιμη δράση), ένα ψυγείο. Ο θερμαντήρας έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει ότι το υγρό εργασίας έχει συσσωρεύσει επαρκή παροχή εσωτερικής ενέργειας για την εκτέλεση χρήσιμης εργασίας. Το ψυγείο αφαιρεί την υπερβολική ενέργεια. Το κύριο χαρακτηριστικό της απόδοσης ονομάζεται απόδοση των θερμικών μηχανών. Αυτή η τιμή δείχνει ποιο μέρος της ενέργειας που δαπανάται για θέρμανση δαπανάται για την εκτέλεση χρήσιμης εργασίας. Όσο υψηλότερη είναι η απόδοση, τόσο πιο κερδοφόρα είναι η λειτουργία του μηχανήματος, αλλά αυτή η τιμή δεν μπορεί να υπερβαίνει το 100%. Αφήστε τη θερμάστρα να αποκτήσει από έξω ενέργεια ίση με Q 1 . Το υγρό εργασίας έκανε το έργο Α, ενώ η ενέργεια που δόθηκε στο ψυγείο ήταν Q 2 . Με βάση τον ορισμό, υπολογίζουμε την απόδοση: η= A / Q 1 . Λαμβάνουμε υπόψη ότι A \u003d Q 1 - Q 2. Από εδώ, η απόδοση της θερμικής μηχανής, ο τύπος της οποίας έχει τη μορφή η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, μας επιτρέπει να βγάλουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα: Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένας τέτοιος κινητήρας, του οποίου η απόδοση θα ήταν μέγιστη (ιδανικά, ίση με 100%); Ο Γάλλος θεωρητικός φυσικός και ταλαντούχος μηχανικός Sadi Carnot προσπάθησε να βρει την απάντηση σε αυτό το ερώτημα. Το 1824, οι θεωρητικοί του υπολογισμοί σχετικά με τις διεργασίες που συμβαίνουν στα αέρια δημοσιοποιήθηκαν. Η κύρια ιδέα πίσω από ένα ιδανικό μηχάνημα είναι να πραγματοποιήσει αναστρέψιμες διεργασίες με ένα ιδανικό αέριο. Ξεκινάμε με τη διαστολή του αερίου ισόθερμα σε θερμοκρασία T 1 . Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για αυτό είναι Q 1. Αφού το αέριο διαστέλλεται χωρίς ανταλλαγή θερμότητας. Έχοντας φτάσει στη θερμοκρασία T 2, το αέριο συμπιέζεται ισοθερμικά, μεταφέροντας ενέργεια Q 2 στο ψυγείο. Η επιστροφή του αερίου στην αρχική του κατάσταση είναι αδιαβατική. Η απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής Carnot, όταν υπολογίζεται με ακρίβεια, είναι ίση με την αναλογία της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των συσκευών θέρμανσης και ψύξης προς τη θερμοκρασία που έχει ο θερμαντήρας. Μοιάζει με αυτό: η=(T 1 - T 2)/ T 1. Η πιθανή απόδοση μιας θερμικής μηχανής, ο τύπος της οποίας είναι: η= 1 - T 2 / T 1 , εξαρτάται μόνο από τη θερμοκρασία του θερμαντήρα και του ψυγείου και δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 100%. Επιπλέον, αυτή η αναλογία μας επιτρέπει να αποδείξουμε ότι η απόδοση των θερμικών μηχανών μπορεί να είναι ίση με τη μονάδα μόνο όταν το ψυγείο φτάσει σε θερμοκρασίες. Όπως γνωρίζετε, αυτή η τιμή είναι ανέφικτη. Οι θεωρητικοί υπολογισμοί του Carnot καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της μέγιστης απόδοσης μιας θερμικής μηχανής οποιουδήποτε σχεδίου. Το θεώρημα που αποδείχθηκε από τον Carnot είναι το εξής. Μια αυθαίρετη θερμική μηχανή σε καμία περίπτωση δεν είναι ικανή να έχει συντελεστή απόδοσης μεγαλύτερο από την παρόμοια τιμή απόδοσης μιας ιδανικής θερμικής μηχανής. Παράδειγμα 1 Ποια είναι η απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής εάν η θερμοκρασία του θερμαντήρα είναι 800°C και η θερμοκρασία του ψυγείου είναι 500°C χαμηλότερη; T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -? Εξ ορισμού: η=(T 1 - T 2)/ T 1. Δεν μας δίνεται η θερμοκρασία του ψυγείου, αλλά ΔT = (T 1 - T 2), από εδώ: η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46. Απάντηση: αποδοτικότητα = 46%. Παράδειγμα 2 Προσδιορίστε την απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής εάν εκτελούνται 650 J χρήσιμης εργασίας λόγω της αποκτηθείσας ενέργειας του θερμαντήρα ενός κιλοτζουλ. Ποια είναι η θερμοκρασία του θερμαντήρα θερμομηχανής εάν η θερμοκρασία του ψυκτικού είναι 400 K; Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T 1 \u003d? Σε αυτό το πρόβλημα, μιλάμε για μια θερμική εγκατάσταση, η απόδοση της οποίας μπορεί να υπολογιστεί από τον τύπο: Για να προσδιορίσουμε τη θερμοκρασία του θερμαντήρα, χρησιμοποιούμε τον τύπο για την απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής: η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1. Αφού εκτελέσουμε μαθηματικούς μετασχηματισμούς, παίρνουμε: T 1 \u003d T 2 / (1- η). T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1). Ας υπολογίσουμε: η= 650 J / 1000 J = 0,65. T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K. Απάντηση: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K. Ο ιδανικός θερμικός κινητήρας έχει σχεδιαστεί με γνώμονα τις ιδανικές διαδικασίες. Η εργασία γίνεται μόνο σε ισοθερμικές διεργασίες, η τιμή της ορίζεται ως η περιοχή που οριοθετείται από το γράφημα του κύκλου Carnot. Στην πραγματικότητα, είναι αδύνατο να δημιουργηθούν συνθήκες για τη διαδικασία αλλαγής της κατάστασης ενός αερίου χωρίς να συνοδεύονται από αλλαγές στη θερμοκρασία. Δεν υπάρχουν υλικά που θα αποκλείουν την ανταλλαγή θερμότητας με τα γύρω αντικείμενα. Η αδιαβατική διαδικασία δεν είναι πλέον δυνατή. Στην περίπτωση μεταφοράς θερμότητας, η θερμοκρασία του αερίου πρέπει απαραίτητα να αλλάξει. Η απόδοση των θερμικών μηχανών που δημιουργούνται σε πραγματικές συνθήκες διαφέρει σημαντικά από την απόδοση των ιδανικών κινητήρων. Σημειώστε ότι οι διεργασίες σε πραγματικούς κινητήρες είναι τόσο γρήγορες που η διακύμανση της εσωτερικής θερμικής ενέργειας της ουσίας εργασίας στη διαδικασία αλλαγής του όγκου της δεν μπορεί να αντισταθμιστεί από την εισροή θερμότητας από το θερμαντήρα και να επιστρέψει στο ψυγείο. Οι πραγματικοί κινητήρες λειτουργούν σε διαφορετικούς κύκλους: Δεν είναι δυνατόν να δημιουργηθούν διαδικασίες ισορροπίας σε πραγματικούς κινητήρες (για να τους φέρουμε πιο κοντά στους ιδανικούς) υπό τις συνθήκες της σύγχρονης τεχνολογίας. Η απόδοση των θερμικών κινητήρων είναι πολύ χαμηλότερη, ακόμη και αν ληφθούν υπόψη τα ίδια καθεστώτα θερμοκρασίας όπως σε μια ιδανική θερμική εγκατάσταση. Αλλά δεν πρέπει να μειώσετε τον ρόλο του τύπου υπολογισμού απόδοσης, καθώς είναι αυτό που γίνεται το σημείο εκκίνησης στη διαδικασία εργασίας για την αύξηση της απόδοσης των πραγματικών κινητήρων. Κατά τη σύγκριση ιδανικών και πραγματικών θερμικών κινητήρων, αξίζει να σημειωθεί ότι η θερμοκρασία του ψυγείου του τελευταίου δεν μπορεί να είναι καμία. Συνήθως η ατμόσφαιρα θεωρείται ψυγείο. Είναι δυνατή η αποδοχή της θερμοκρασίας της ατμόσφαιρας μόνο σε κατά προσέγγιση υπολογισμούς. Η εμπειρία δείχνει ότι η θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού είναι ίση με τη θερμοκρασία των καυσαερίων στους κινητήρες, όπως συμβαίνει στους κινητήρες εσωτερικής καύσης (συντομογραφία κινητήρες εσωτερικής καύσης). Το ICE είναι η πιο κοινή θερμική μηχανή στον κόσμο μας. Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής σε αυτή την περίπτωση εξαρτάται από τη θερμοκρασία που δημιουργείται από το καύσιμο που καίγεται. Μια ουσιαστική διαφορά μεταξύ μιας μηχανής εσωτερικής καύσης και των ατμομηχανών είναι η συγχώνευση των λειτουργιών του θερμαντήρα και του ρευστού εργασίας της συσκευής στο μείγμα αέρα-καυσίμου. Καίγοντας, το μείγμα δημιουργεί πίεση στα κινούμενα μέρη του κινητήρα. Η αύξηση της θερμοκρασίας των αερίων εργασίας επιτυγχάνεται με σημαντική αλλαγή των ιδιοτήτων του καυσίμου. Δυστυχώς, δεν είναι δυνατό να γίνει αυτό επ' αόριστον. Οποιοδήποτε υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένος ο θάλαμος καύσης ενός κινητήρα έχει το δικό του σημείο τήξης. Η αντίσταση στη θερμότητα τέτοιων υλικών είναι το κύριο χαρακτηριστικό του κινητήρα, καθώς και η ικανότητα να επηρεάζει σημαντικά την απόδοση. Εάν λάβουμε υπόψη τη θερμοκρασία του ατμού εργασίας στην είσοδο του οποίου είναι 800 K και τα καυσαέρια είναι 300 K, τότε η απόδοση αυτής της μηχανής είναι 62%. Στην πραγματικότητα, αυτή η τιμή δεν υπερβαίνει το 40%. Μια τέτοια μείωση συμβαίνει λόγω απωλειών θερμότητας κατά τη θέρμανση του περιβλήματος του στροβίλου. Η υψηλότερη τιμή εσωτερικής καύσης δεν υπερβαίνει το 44%. Η αύξηση αυτής της αξίας είναι θέμα του άμεσου μέλλοντος. Η αλλαγή των ιδιοτήτων των υλικών, των καυσίμων είναι ένα πρόβλημα πάνω στο οποίο εργάζονται τα καλύτερα μυαλά της ανθρωπότητας.Λειτουργία θερμικού κινητήρα
Κινητήρας Carnot
ποικιλίες
Άλλοι τύποι θερμικών μηχανών
Πώς μπορείτε να αυξήσετε την αποτελεσματικότητα
Αρχές λειτουργίας θερμικών μηχανών.Για να λειτουργήσει ο κινητήρας, απαιτείται διαφορά πίεσης και στις δύο πλευρές του εμβόλου του κινητήρα ή των πτερυγίων του στροβίλου. Σε όλες τις θερμικές μηχανές, αυτή η διαφορά πίεσης επιτυγχάνεται αυξάνοντας τη θερμοκρασία του ρευστού εργασίας (αερίου) κατά εκατοντάδες ή χιλιάδες βαθμούς σε σύγκριση με τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας συμβαίνει κατά την καύση του καυσίμου.
Ένα από τα κύρια μέρη του κινητήρα είναι ένα δοχείο γεμάτο με αέριο με κινητό έμβολο. Το ρευστό εργασίας σε όλες τις θερμικές μηχανές είναι ένα αέριο που λειτουργεί κατά τη διάρκεια της διαστολής. Ας υποδηλώσουμε την αρχική θερμοκρασία του ρευστού εργασίας (αερίου) που διέρχεται Τ1.Αυτή η θερμοκρασία σε ατμοστρόβιλους ή μηχανές αποκτάται από τον ατμό σε λέβητα ατμού. Σε κινητήρες εσωτερικής καύσης και αεριοστρόβιλους, η αύξηση της θερμοκρασίας συμβαίνει όταν καίγεται καύσιμο μέσα στον ίδιο τον κινητήρα. Θερμοκρασία Τ1θερμοκρασία του θερμαντήρα."
Ο ρόλος του ψυγείουΚαθώς γίνεται η εργασία, το αέριο χάνει ενέργεια και αναπόφευκτα ψύχεται σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία. Τ2, η οποία είναι συνήθως ελαφρώς υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Την φωνάζουν θερμοκρασία ψυγείου. Το ψυγείο είναι η ατμόσφαιρα ή οι ειδικές συσκευές για την ψύξη και τη συμπύκνωση των καυσαερίων - πυκνωτές. Στην τελευταία περίπτωση, η θερμοκρασία του ψυγείου μπορεί να είναι ελαφρώς χαμηλότερη από τη θερμοκρασία της ατμόσφαιρας.
Έτσι, στον κινητήρα, το υγρό εργασίας κατά τη διάρκεια της διαστολής δεν μπορεί να δώσει όλη την εσωτερική του ενέργεια για να κάνει εργασία. Μέρος της θερμότητας μεταφέρεται αναπόφευκτα στο ψυγείο (ατμόσφαιρα) μαζί με τον ατμό εξάτμισης ή τα καυσαέρια από κινητήρες εσωτερικής καύσης και αεριοστρόβιλους. Αυτό το μέρος της εσωτερικής ενέργειας χάνεται.
Ένας θερμικός κινητήρας εκτελεί εργασία λόγω της εσωτερικής ενέργειας του ρευστού εργασίας. Επιπλέον, σε αυτή τη διαδικασία, η θερμότητα μεταφέρεται από τα θερμότερα σώματα (θερμαντήρας) στα ψυχρότερα (ψυγείο).
Ένα σχηματικό διάγραμμα θερμικής μηχανής φαίνεται στο Σχήμα 13.11.
Το σώμα εργασίας του κινητήρα λαμβάνει από τον θερμαντήρα κατά την καύση του καυσίμου την ποσότητα της θερμότητας Q1κάνει τη δουλειά ΕΝΑ´ και μεταφέρει την ποσότητα της θερμότητας στο ψυγείο Ε2 .
Συντελεστής απόδοσης (COP) θερμικής μηχανής.Η αδυναμία πλήρους μετατροπής της εσωτερικής ενέργειας του αερίου σε έργο θερμικών μηχανών οφείλεται στο μη αναστρέψιμο των διεργασιών στη φύση. Εάν η θερμότητα μπορούσε να επιστρέψει αυθόρμητα από το ψυγείο στη θερμάστρα, τότε η εσωτερική ενέργεια θα μπορούσε να μετατραπεί πλήρως σε χρήσιμη εργασία χρησιμοποιώντας οποιαδήποτε θερμική μηχανή.
Σύμφωνα με το νόμο της διατήρησης της ενέργειας, το έργο που εκτελεί ο κινητήρας είναι:
Συντελεστής απόδοσης (COP) θερμικής μηχανήςπου ονομάζεται σχέση εργασίας ΕΝΑεκτελείται από τον κινητήρα στην ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα:
Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του θερμαντήρα και του ψυγείου. Στο T1-T2=0 ο κινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει.
Η μέγιστη τιμή της απόδοσης των θερμικών μηχανών.Οι νόμοι της θερμοδυναμικής καθιστούν δυνατό τον υπολογισμό της μέγιστης δυνατής απόδοσης μιας θερμικής μηχανής που λειτουργεί με μια θερμάστρα που έχει θερμοκρασία Τ1, και ένα ψυγείο με θερμοκρασία Τ2. Αυτό έγινε για πρώτη φορά από τον Γάλλο μηχανικό και επιστήμονα Sadi Carnot (1796-1832) στο έργο του «Στοχασμοί στην κινητήρια δύναμη της φωτιάς και στις μηχανές ικανές να αναπτύξουν αυτή τη δύναμη» (1824).
Ο Carnot βρήκε μια ιδανική θερμική μηχανή με ιδανικό αέριο ως υγρό εργασίας. Ένας ιδανικός θερμικός κινητήρας Carnot λειτουργεί σε έναν κύκλο που αποτελείται από δύο ισόθερμες και δύο αδιαβάτες. Αρχικά, ένα δοχείο με αέριο έρχεται σε επαφή με έναν θερμαντήρα, το αέριο διαστέλλεται ισοθερμικά, κάνοντας θετική εργασία, σε θερμοκρασία T1,ενώ δέχεται την ποσότητα της θερμότητας Q1.
Στη συνέχεια το δοχείο μονώνεται θερμικά, το αέριο συνεχίζει να διαστέλλεται ήδη αδιαβατικά, ενώ η θερμοκρασία του μειώνεται στη θερμοκρασία του ψυγείου Τ2. Μετά από αυτό, το αέριο έρχεται σε επαφή με το ψυγείο, υπό ισοθερμική συμπίεση, δίνει στο ψυγείο την ποσότητα θερμότητας Ε2, συρρικνώνεται σε όγκο V 4
Ο Carnot έλαβε την ακόλουθη έκφραση για την απόδοση αυτής της μηχανής:
Η κύρια έννοια αυτού του τύπου είναι ότι κάθε πραγματική θερμική μηχανή που λειτουργεί με θερμάστρα που έχει θερμοκρασία T1,και ψυγείο με θερμοκρασία Τ2, δεν μπορεί να έχει απόδοση που υπερβαίνει την απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής. 
Αλλά η θερμοκρασία του ψυγείου πρακτικά δεν μπορεί να είναι χαμηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Μπορείτε να αυξήσετε τη θερμοκρασία του θερμαντήρα. Ωστόσο, οποιοδήποτε υλικό (στερεό) έχει περιορισμένη αντίσταση στη θερμότητα ή αντοχή στη θερμότητα. Όταν θερμαίνεται, χάνει σταδιακά τις ελαστικές του ιδιότητες και λιώνει σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία.
Τώρα οι κύριες προσπάθειες των μηχανικών στοχεύουν στην αύξηση της απόδοσης των κινητήρων μειώνοντας την τριβή των μερών τους, τις απώλειες καυσίμου λόγω της ατελούς καύσης κ.λπ. Οι πραγματικές ευκαιρίες για αύξηση της απόδοσης εδώ είναι ακόμα μεγάλες. Έτσι, για έναν ατμοστρόβιλο, η αρχική και η τελική θερμοκρασία ατμού είναι περίπου ως εξής: Τ1≈800 K και Τ2≈300 K. Σε αυτές τις θερμοκρασίες, η μέγιστη τιμή της απόδοσης είναι:
Η αύξηση της απόδοσης των θερμικών μηχανών και η προσέγγισή της στο μέγιστο δυνατό είναι η σημαντικότερη τεχνική πρόκληση.
Οι θερμικές μηχανές λειτουργούν λόγω της διαφοράς στην πίεση του αερίου στις επιφάνειες των εμβόλων ή των πτερυγίων του στροβίλου. Αυτή η διαφορά πίεσης δημιουργείται από τη διαφορά θερμοκρασίας. Η μέγιστη δυνατή απόδοση είναι ανάλογη με αυτή τη διαφορά θερμοκρασίας και αντιστρόφως ανάλογη με την απόλυτη θερμοκρασία του θερμαντήρα.
Ένας θερμικός κινητήρας δεν μπορεί να λειτουργήσει χωρίς ψυγείο, τον ρόλο του οποίου παίζει συνήθως η ατμόσφαιρα.
1. Ποια συσκευή ονομάζεται θερμική μηχανή;
2. Ποιος είναι ο ρόλος του θερμαντήρα, του ψυγείου και του ρευστού εργασίας σε έναν θερμικό κινητήρα;
3. Τι ονομάζεται απόδοση του κινητήρα;
4. Ποια είναι η μέγιστη τιμή απόδοσης μιας θερμικής μηχανής;
, όπου Τ1 είναι η απόλυτη θερμοκρασία του θερμαντήρα, Τ2 είναι η απόλυτη θερμοκρασία του ψυγείου.Λίγο ιστορία
θερμική μηχανή
Υπολογισμός απόδοσης
Ιδανικός θερμικός κινητήρας
Παράδειγμα επίλυσης προβλημάτων
Πραγματικές συνθήκες
Άλλες θερμικές μηχανές
Τρόποι αλλαγής της αποτελεσματικότητας
Τιμές απόδοσης κινητήρα
