Η εργασία που κάνει ο κινητήρας είναι:

Αυτή η διαδικασία εξετάστηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο μηχανικό και επιστήμονα N. L. S. Carnot το 1824 στο βιβλίο «Reflections on κινητήρια δύναμηφωτιά και για μηχανές ικανές να αναπτύξουν αυτή τη δύναμη».

Στόχος της έρευνας του Carnot ήταν να ανακαλύψει τους λόγους για την ατέλεια των θερμικών μηχανών εκείνης της εποχής (είχαν απόδοση ≤ 5%) και να βρει τρόπους βελτίωσης τους.

Ο κύκλος Carnot είναι ο πιο αποτελεσματικός από όλους. Η αποτελεσματικότητά του είναι μέγιστη.

Το σχήμα δείχνει τις θερμοδυναμικές διεργασίες του κύκλου. Κατά την ισοθερμική διαστολή (1-2) σε θερμοκρασία Τ 1 , η εργασία γίνεται λόγω αλλαγής της εσωτερικής ενέργειας του θερμαντήρα, δηλαδή λόγω παροχής θερμότητας στο αέριο Q:

ΕΝΑ 12 = Q 1 ,

Η ψύξη αερίου πριν από τη συμπίεση (3-4) λαμβάνει χώρα κατά την αδιαβατική διαστολή (2-3). Αλλαγή στην εσωτερική ενέργεια ΔU 23 κατά τη διάρκεια μιας αδιαβατικής διαδικασίας ( Q = 0) μετατρέπεται πλήρως σε μηχανική εργασία:

ΕΝΑ 23 = -ΔU 23 ,

Η θερμοκρασία του αερίου ως αποτέλεσμα της αδιαβατικής διαστολής (2-3) πέφτει στη θερμοκρασία του ψυγείου Τ 2 < Τ 1 . Στη διαδικασία (3-4), το αέριο συμπιέζεται ισόθερμα, μεταφέροντας την ποσότητα της θερμότητας στο ψυγείο Ε 2:

A 34 = Q 2,

Ο κύκλος τελειώνει με τη διαδικασία της αδιαβατικής συμπίεσης (4-1), κατά την οποία το αέριο θερμαίνεται σε θερμοκρασία Τ 1.

Μέγιστη τιμή απόδοσης ιδανικών θερμικών κινητήρων αερίου σύμφωνα με τον κύκλο Carnot:

.

Η ουσία του τύπου εκφράζεται στο αποδεδειγμένο ΜΕ. Το θεώρημα του Carnot ότι η απόδοση οποιασδήποτε θερμικής μηχανής δεν μπορεί να υπερβαίνει την απόδοση ενός κύκλου Carnot που πραγματοποιείται στην ίδια θερμοκρασία του θερμαντήρα και του ψυγείου.

Η σύγχρονη πραγματικότητα απαιτεί την ευρεία χρήση θερμικών μηχανών. Πολλές προσπάθειες αντικατάστασής τους με ηλεκτροκινητήρες έχουν αποτύχει μέχρι στιγμής. Προβλήματα που σχετίζονται με την αποθήκευση ενέργειας σε αυτόνομα συστήματα, επιλύονται με μεγάλη δυσκολία.

Τα προβλήματα της τεχνολογίας κατασκευής μπαταριών ηλεκτρικής ενέργειας, λαμβάνοντας υπόψη τη μακροχρόνια χρήση τους, εξακολουθούν να είναι επίκαιρα. Χαρακτηριστικά ταχύτηταςτα ηλεκτρικά οχήματα απέχουν πολύ από αυτά των αυτοκινήτων με κινητήρες εσωτερικής καύσης.

Τα πρώτα βήματα για τη δημιουργία υβριδικούς κινητήρεςκαθιστούν δυνατή τη σημαντική μείωση των επιβλαβών εκπομπών στις μεγαλουπόλεις, επιλύοντας περιβαλλοντικά προβλήματα.

Λίγη ιστορία

Η δυνατότητα μετατροπής της ενέργειας του ατμού σε ενέργεια κίνησης ήταν γνωστή στην αρχαιότητα. 130 π.Χ.: Ο φιλόσοφος Ήρων από την Αλεξάνδρεια παρουσίασε στο κοινό ένα ατμοπαιχνίδι -αιολιπίλ. Η σφαίρα γεμάτη με ατμό άρχισε να περιστρέφεται υπό την επίδραση των πίδακες που προέρχονταν από αυτήν. Αυτό το πρωτότυπο των σύγχρονων ατμοστρόβιλων δεν χρησιμοποιήθηκε εκείνη την εποχή.

Για πολλά χρόνια και αιώνες, οι εξελίξεις του φιλοσόφου θεωρούνταν απλώς ένα διασκεδαστικό παιχνίδι. Το 1629, ο Ιταλός D. Branchi δημιούργησε μια ενεργή τουρμπίνα. Ο ατμός οδήγησε έναν δίσκο εξοπλισμένο με λεπίδες.

Από αυτή τη στιγμή άρχισε η ραγδαία ανάπτυξη ατμομηχανές.

Θερμομηχανή

Η μετατροπή του καυσίμου σε ενέργεια κίνησης εξαρτημάτων και μηχανισμών μηχανής χρησιμοποιείται σε θερμικές μηχανές.

Τα κύρια μέρη των μηχανών: θερμάστρα (σύστημα λήψης ενέργειας από το εξωτερικό), υγρό εργασίας (εκτελεί χρήσιμη δράση), ψυγείο.

Ο θερμαντήρας έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει ότι το ρευστό εργασίας συσσωρεύει 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 πόσο από την ενέργεια 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%.

Υπολογισμός απόδοσης

Αφήστε τη θερμάστρα να αποκτήσει από έξω ενέργεια ίση με Q 1 . Το υγρό εργασίας εκτελούσε το έργο Α, ενώ η ενέργεια που δόθηκε στο ψυγείο ανερχόταν σε Q 2.

Με βάση τον ορισμό, υπολογίζουμε την τιμή απόδοσης:

η= A / Q 1 . Ας λάβουμε υπόψη ότι A = Q 1 - Q 2.

Ως εκ τούτου, η απόδοση της θερμικής μηχανής, ο τύπος της οποίας είναι η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, μας επιτρέπει να βγάλουμε τα ακόλουθα συμπεράσματα:

• Η απόδοση δεν μπορεί να υπερβαίνει το 1 (ή το 100%).
• Για να μεγιστοποιηθεί αυτή η τιμή, είναι απαραίτητο είτε να αυξηθεί η ενέργεια που λαμβάνεται από τη θερμάστρα είτε να μειωθεί η ενέργεια που δίνεται στο ψυγείο.
• Η αύξηση της ενέργειας του θερμαντήρα επιτυγχάνεται με την αλλαγή της ποιότητας του καυσίμου.
• η μείωση της ενέργειας που δίνεται στο ψυγείο σας επιτρέπει να επιτύχετε χαρακτηριστικά σχεδίουκινητήρες.

Ιδανικός θερμικός κινητήρας

Είναι δυνατόν να δημιουργηθεί ένας 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 είναι ενσωματωμένη τέλειο αυτοκίνητο, μπορούμε να εξετάσουμε τη διεξαγωγή αναστρέψιμων διεργασιών με ένα ιδανικό αέριο. Ξεκινάμε διαστέλλοντας το αέριο ισόθερμα στη θερμοκρασία T 1 . Η ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για αυτό είναι Q 1. Στη συνέχεια, το αέριο διαστέλλεται χωρίς εναλλαγή θερμότητας, αφού φτάσει στη θερμοκρασία T 2, το αέριο συμπιέζεται ισόθερμα, μεταφέροντας ενέργεια Q 2 στο ψυγείο. Το αέριο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση αδιαβατικά.

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 του θερμαντήρα. 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 τις θερμοκρασίες του θερμαντήρα και του ψυγείου και δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 100%.

Επιπλέον, αυτή η σχέση μας επιτρέπει να αποδείξουμε ότι η απόδοση των θερμικών μηχανών μπορεί να είναι ίσο με έναμόνο όταν το ψυγείο φτάσει σε θερμοκρασία. Όπως είναι γνωστό, 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. Σε καμία περίπτωση μια αυθαίρετη θερμική μηχανή δεν μπορεί να έχει απόδοση μεγαλύτερη από την ίδια τιμή απόδοσης μιας ιδανικής θερμικής μηχανής.

Παράδειγμα επίλυσης προβλημάτων

Παράδειγμα 1. Ποια είναι η απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής εάν η θερμοκρασία του θερμαντήρα είναι 800 o C και η θερμοκρασία του ψυγείου είναι 500 o C χαμηλότερη;

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 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), επομένως:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Απάντηση: Αποδοτικότητα = 46%.

Παράδειγμα 2. Προσδιορίστε την απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής εάν, λόγω της αποκτηθείσας ενέργειας του θερμαντήρα ενός χιλιοτζάουλ, χρήσιμη εργασία 650 J. Ποια είναι η θερμοκρασία του θερμαντήρα εάν η θερμοκρασία του ψυχρότερου είναι 400 K;

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η - ?, T 1 = ?

Σε αυτό το πρόβλημα μιλάμε για μια θερμική εγκατάσταση, η απόδοση της οποίας μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

Για να προσδιορίσουμε τη θερμοκρασία του θερμαντήρα, χρησιμοποιούμε τον τύπο για την απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Αφού εκτελέσουμε μαθηματικούς μετασχηματισμούς, παίρνουμε:

T 1 = T 2 /(1- η).

T 1 = T 2 / (1- A / Q 1).

Ας υπολογίσουμε:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Απάντηση: η= 65%, Τ 1 = 1142,8 Κ.

Πραγματικές συνθήκες

Ένας ιδανικός θερμικός κινητήρας έχει σχεδιαστεί με γνώμονα τις ιδανικές διαδικασίες. Η εργασία εκτελείται μόνο σε ισοθερμικές διεργασίες, η τιμή της καθορίζεται ως η περιοχή που περιορίζεται από το γράφημα του κύκλου Carnot.

Στην πραγματικότητα, είναι αδύνατο να δημιουργηθούν συνθήκες για να συμβεί η διαδικασία αλλαγής της κατάστασης ενός αερίου χωρίς συνοδευτικές αλλαγές θερμοκρασίας. Δεν υπάρχουν υλικά που θα αποκλείουν την ανταλλαγή θερμότητας με τα γύρω αντικείμενα. Η αδιαβατική διαδικασία καθίσταται αδύνατη να πραγματοποιηθεί. Στην περίπτωση ανταλλαγής 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 η ροή των διεργασιών σε πραγματικούς κινητήρεςσυμβαίνει τόσο γρήγορα που η διακύμανση της εσωτερικής θερμικής ενέργειας της ουσίας εργασίας κατά τη διαδικασία αλλαγής του όγκου της δεν μπορεί να αντισταθμιστεί από την εισροή θερμότητας από τον θερμαντήρα και τη μεταφορά στο ψυγείο.

Άλλες θερμικές μηχανές

Οι πραγματικοί κινητήρες λειτουργούν σε διαφορετικούς κύκλους:

• Otto cycle: μια διαδικασία με σταθερό όγκο αλλάζει αδιαβατικά, δημιουργώντας έναν κλειστό κύκλο.
• Κύκλος ντίζελ: ισοβαρή, αδιαβατική, ισόχωρη, αδιαβατική;
• η διαδικασία που συμβαίνει σε σταθερή πίεση αντικαθίσταται από μια αδιαβατική, κλείνοντας τον κύκλο.

Δημιουργήστε διαδικασίες ισορροπίας σε πραγματικούς κινητήρες (για να τους φέρετε πιο κοντά στους ιδανικούς) υπό συνθήκες μοντέρνα τεχνολογίαδεν φαίνεται δυνατό. Η απόδοση των θερμικών κινητήρων είναι πολύ χαμηλότερη, ακόμη και αν ληφθεί υπόψη το ίδιο συνθήκες θερμοκρασίας, όπως σε ιδανική θερμική εγκατάσταση.

Αλλά ο ρόλος της φόρμουλας υπολογισμού της απόδοσης δεν πρέπει να μειωθεί, καθώς είναι ακριβώς αυτό που γίνεται το σημείο εκκίνησης στη διαδικασία εργασίας για την αύξηση της απόδοσης των πραγματικών κινητήρων.

Τρόποι αλλαγής της αποτελεσματικότητας

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. Η θερμοκρασία της ατμόσφαιρας μπορεί να γίνει αποδεκτή 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 ICE).

Το ICE είναι η πιο κοινή θερμική μηχανή στον κόσμο μας. Η απόδοση της θερμικής μηχανής σε αυτή την περίπτωση εξαρτάται από τη θερμοκρασία που δημιουργείται από το καύσιμο που καίγεται. Ουσιώδης τιμά τον ICEαπό τις ατμομηχανές είναι η συγχώνευση των λειτουργιών του θερμαντήρα και του ρευστού εργασίας της συσκευής σε μίγμα αέρα-καυσίμου. Καθώς το μείγμα καίγεται, δημιουργεί πίεση στα κινούμενα μέρη του κινητήρα.

Επιτυγχάνεται αύξηση της θερμοκρασίας των αερίων εργασίας, αλλάζοντας σημαντικά τις ιδιότητες του καυσίμου. Δυστυχώς, αυτό δεν μπορεί να γίνει 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.

Τιμές απόδοσης κινητήρα

Εάν λάβουμε υπόψη τη θερμοκρασία του ατμού εργασίας στην είσοδο του οποίου είναι 800 K και τα καυσαέρια - 300 K, τότε η απόδοση αυτού του μηχανήματος είναι 62%. Στην πραγματικότητα, αυτή η τιμή δεν υπερβαίνει το 40%. Αυτή η μείωση συμβαίνει λόγω των 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 και των καυσίμων είναι ένα πρόβλημα πάνω στο οποίο εργάζονται τα καλύτερα μυαλά της ανθρωπότητας.

Όταν μιλάμε για την αναστρεψιμότητα των διαδικασιών, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι πρόκειται για κάποιο είδος εξιδανίκευσης. Όλες οι πραγματικές διαδικασίες είναι μη αναστρέψιμες, γι' αυτό και οι κύκλοι στους οποίους λειτουργούν είναι θερμικές μηχανές, είναι επίσης μη αναστρέψιμες και επομένως μη ισορροπημένες. Ωστόσο, για να απλοποιηθούν οι ποσοτικές αξιολογήσεις τέτοιων κύκλων, είναι απαραίτητο να θεωρηθούν ως ισορροπημένοι, δηλαδή σαν να αποτελούνταν μόνο από διαδικασίες ισορροπίας. Αυτό απαιτείται από μια καλά ανεπτυγμένη συσκευή κλασικής θερμοδυναμικής.

Διάσημος κύκλος ιδανικός κινητήραςΤο Carnot θεωρείται ότι είναι μια αντίστροφη κυκλική διαδικασία ισορροπίας. Σε πραγματικές συνθήκες, κανένας κύκλος δεν μπορεί να είναι ιδανικός, αφού υπάρχουν απώλειες. Εμφανίζεται μεταξύ δύο πηγών θερμότητας με σταθερές θερμοκρασίες στην ψύκτρα Τ 1και ψύκτρα Τ 2, καθώς και το υγρό εργασίας, το οποίο λαμβάνεται ως ιδανικό αέριο(Εικ. 3.1).

Ρύζι. 3.1.Κύκλος θερμικής μηχανής

Πιστεύουμε ότι Τ 1 > Τ 2 και η απομάκρυνση θερμότητας από την ψύκτρα και η παροχή θερμότητας στην ψύκτρα δεν επηρεάζουν τις θερμοκρασίες τους, Τ 1Και Τ 2παραμένει σταθερό. Ας υποδηλώσουμε τις παραμέτρους αερίου στην αριστερή ακραία θέση του εμβόλου του θερμικού κινητήρα: πίεση – Σ 1Ενταση ΗΧΟΥ - V 1, θερμοκρασία Τ 1 . Αυτό είναι το σημείο 1 στο γράφημα στους άξονες P-V.Αυτή τη στιγμή, το αέριο (ρευστό εργασίας) αλληλεπιδρά με την ψύκτρα, η θερμοκρασία της οποίας είναι επίσης Τ 1 . Καθώς το έμβολο κινείται προς τα δεξιά, η πίεση του αερίου στον κύλινδρο μειώνεται και ο όγκος αυξάνεται. Αυτό θα συνεχιστεί έως ότου το έμβολο φτάσει στη θέση που καθορίζεται από το σημείο 2, όπου οι παράμετροι του ρευστού εργασίας (αερίου) λαμβάνουν τις τιμές P 2 , V 2 , Τ 2. Η θερμοκρασία σε αυτό το σημείο παραμένει αμετάβλητη, αφού η θερμοκρασία του αερίου και της ψύκτρας είναι ίδιες κατά τη μετάβαση του εμβόλου από το σημείο 1 στο σημείο 2 (διαστολή). Μια διαδικασία κατά την οποία Τδεν αλλάζει, ονομάζεται ισόθερμη και η καμπύλη 1–2 ονομάζεται ισόθερμη. Σε αυτή τη διαδικασία, η θερμότητα περνά από τον πομπό θερμότητας στο ρευστό εργασίας Ε 1.

Στο σημείο 2, ο κύλινδρος είναι πλήρως απομονωμένος από το εξωτερικό περιβάλλον (δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας) και στο περαιτέρω κίνησηέμβολο προς τα δεξιά, μια μείωση της πίεσης και μια αύξηση του όγκου εμφανίζεται κατά μήκος της καμπύλης 2-3, η οποία ονομάζεται αδιαβατικός(διαδικασία χωρίς ανταλλαγή θερμότητας με το εξωτερικό περιβάλλον). Όταν το έμβολο μετακινηθεί στην άκρα δεξιά θέση (σημείο 3), η διαδικασία επέκτασης θα τελειώσει και οι παράμετροι θα έχουν τις τιμές P 3, V 3 και η θερμοκρασία θα γίνει ίση με τη θερμοκρασία της ψύκτρας Τ 2. Με αυτή τη θέση του εμβόλου, η μόνωση του ρευστού εργασίας μειώνεται και αλληλεπιδρά με την ψύκτρα. Αν τώρα αυξήσουμε την πίεση στο έμβολο, θα κινηθεί προς τα αριστερά σε σταθερή θερμοκρασία Τ 2(συμπίεση). Αυτό σημαίνει ότι αυτή η διαδικασία συμπίεσης θα είναι ισοθερμική. Σε αυτή τη διαδικασία η θερμότητα Ε 2θα περάσει από το ρευστό εργασίας στην ψύκτρα. Το έμβολο, κινούμενο προς τα αριστερά, θα έρθει στο σημείο 4 με τις παραμέτρους P4, V4και T 2, όπου το ρευστό εργασίας απομονώνεται και πάλι από το εξωτερικό περιβάλλον. Περαιτέρω συμπίεση συμβαίνει κατά μήκος μιας αδιαβατικής καμπύλης 4–1 με την αύξηση της θερμοκρασίας. Στο σημείο 1, η συμπίεση τελειώνει στις παραμέτρους του ρευστού εργασίας P 1, V 1, T 1. Το έμβολο επέστρεψε στην αρχική του κατάσταση. Στο σημείο 1, αφαιρείται η απομόνωση του ρευστού εργασίας από το εξωτερικό περιβάλλον και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Απόδοση ενός ιδανικού κινητήρα Carnot.

Πρόβλημα 15.1.1.Τα σχήματα 1, 2 και 3 δείχνουν γραφήματα τριών κυκλικών διεργασιών που συμβαίνουν με ένα ιδανικό αέριο. Σε ποια από αυτές τις διεργασίες ολοκλήρωσε το αέριο σε έναν κύκλο; θετική δουλειά?

Πρόβλημα 15.1.3.Ένα ιδανικό αέριο, έχοντας ολοκληρώσει μια ορισμένη κυκλική διαδικασία, επέστρεψε στην αρχική του κατάσταση. Η συνολική ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από το αέριο κατά τη διάρκεια ολόκληρης της διαδικασίας (η διαφορά μεταξύ της ποσότητας θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα και της ποσότητας θερμότητας που δίνεται στο ψυγείο) είναι ίση με . Πόση δουλειά έγινε από το αέριο κατά τη διάρκεια του κύκλου;

Πρόβλημα 15.1.5. Το σχήμα δείχνει ένα γράφημα της κυκλικής διαδικασίας που συμβαίνει με το αέριο. Οι παράμετροι της διαδικασίας φαίνονται στο γράφημα. Πόση δουλειά κάνει το αέριο κατά τη διάρκεια αυτής της κυκλικής διαδικασίας;

Πρόβλημα 15.1.6. Ένα ιδανικό αέριο υφίσταται μια κυκλική διαδικασία το γράφημα σε συντεταγμένες φαίνεται στο σχήμα. Είναι γνωστό ότι η διεργασία 2-3 είναι ισοχορική στις διεργασίες 1-2 και 3-1, το αέριο που εκτελείται και, αντίστοιχα. Πόση δουλειά έγινε από το αέριο κατά τη διάρκεια του κύκλου;

Πρόβλημα 15.1.7.Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής φαίνεται

Πρόβλημα 15.1.8.Κατά τη διάρκεια του κύκλου, ο θερμικός κινητήρας δέχεται μια ποσότητα θερμότητας από τη θερμάστρα και μεταφέρει μια ποσότητα θερμότητας στο ψυγείο. Ποιος τύπος καθορίζει την απόδοση ενός κινητήρα;

Πρόβλημα 15.1.10.Η απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής που λειτουργεί σύμφωνα με τον κύκλο Carnot είναι 50%. Η θερμοκρασία του θερμαντήρα διπλασιάζεται, αλλά η θερμοκρασία του ψυγείου δεν αλλάζει. Ποια θα είναι η απόδοση της ιδανικής θερμικής μηχανής που θα προκύψει;

Στο θεωρητικό μοντέλο μιας θερμικής μηχανής, λαμβάνονται υπόψη τρία σώματα: θερμάστρα, υγρό εργασίαςΚαι ψυγείο.

Θερμαντήρας – θερμική δεξαμενή (μεγάλο σώμα), η θερμοκρασία της οποίας είναι σταθερή.

Σε κάθε κύκλο λειτουργίας του κινητήρα, το υγρό εργασίας λαμβάνει μια ορισμένη ποσότητα θερμότητας από το θερμαντήρα, διαστέλλεται και εκτελεί μηχανικές εργασίες. Η μεταφορά μέρους της ενέργειας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα στο ψυγείο είναι απαραίτητη για την επαναφορά του ρευστού εργασίας στην αρχική του κατάσταση.

Εφόσον το μοντέλο υποθέτει ότι η θερμοκρασία του θερμαντήρα και του ψυγείου δεν αλλάζει κατά τη λειτουργία της θερμικής μηχανής, τότε με την ολοκλήρωση του κύκλου: θέρμανση-διαστολή-ψύξη-συμπίεση του ρευστού εργασίας, θεωρείται ότι το μηχάνημα επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση.

Για κάθε κύκλο, με βάση τον πρώτο θερμοδυναμικό νόμο, μπορούμε να γράψουμε ότι η ποσότητα της θερμότητας Qθερμότητα που λαμβάνεται από τη θερμάστρα, ποσότητα θερμότητας | Qκρύο| ΕΝΑσχετίζονται μεταξύ τους με τη σχέση:

ΕΝΑ = Qζέστη – | Qκρύο|.

Σε πραγματικό τεχνικές συσκευές, που ονομάζονται θερμικές μηχανές, το ρευστό εργασίας θερμαίνεται λόγω της θερμότητας που απελευθερώνεται κατά την καύση του καυσίμου. Έτσι, μέσα ατμοστρόβιλοςΣε ένα εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, ο θερμαντήρας είναι ένας φούρνος γεμάτος με καυτό άνθρακα. Σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης (ICE), τα προϊόντα καύσης μπορούν να θεωρηθούν ως θερμαντήρες και η περίσσεια αέρα μπορεί να θεωρηθεί ως λειτουργικό ρευστό. Χρησιμοποιούν ατμοσφαιρικό αέρα ή νερό από φυσικές πηγές ως ψυγείο.

Απόδοση θερμικής μηχανής (μηχανής)

Απόδοση θερμικής μηχανής (αποδοτικότητα)είναι ο λόγος της εργασίας που εκτελεί ο κινητήρας προς την ποσότητα θερμότητας που λαμβάνεται από το θερμαντήρα:

Η απόδοση οποιασδήποτε θερμικής μηχανής είναι μικρότερη από τη μονάδα και εκφράζεται ως ποσοστό. Η αδυναμία μετατροπής ολόκληρης της ποσότητας θερμότητας που λαμβάνεται από τη θερμάστρα σε μηχανική εργασία είναι το τίμημα που πρέπει να πληρωθεί για την ανάγκη οργάνωσης μιας κυκλικής διαδικασίας και προκύπτει από τον δεύτερο θερμοδυναμικό νόμο.

Στις πραγματικές θερμικές μηχανές, η απόδοση καθορίζεται από την πειραματική μηχανική ισχύ Νκινητήρα και την ποσότητα καυσίμου που καίγεται ανά μονάδα χρόνου. Έτσι, αν με τον καιρό tμάζα καυσίμων που κάηκε Μκαι ειδική θερμότητα καύσης q, Οτι

Για Οχηματο χαρακτηριστικό αναφοράς είναι συχνά ο όγκος Vέκαψαν καύσιμα καθ' οδόν μικρόσε μηχανική ισχύ κινητήρα Νκαι με ταχύτητα. Σε αυτή την περίπτωση, λαμβάνοντας υπόψη την πυκνότητα r του καυσίμου, μπορούμε να γράψουμε τον τύπο για τον υπολογισμό της απόδοσης:

Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

Υπάρχουν διάφορα σκευάσματα δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Ένας από αυτούς λέει ότι είναι αδύνατο να υπάρχει μια θερμική μηχανή που να λειτουργεί μόνο λόγω μιας πηγής θερμότητας, δηλ. χωρίς ψυγείο. Οι ωκεανοί του κόσμου θα μπορούσαν να του χρησιμεύσουν ως μια πρακτικά ανεξάντλητη πηγή εσωτερικής ενέργειας (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Άλλες συνθέσεις του δεύτερου θερμοδυναμικού νόμου είναι ισοδύναμες με αυτήν.

Σκεύασμα Clausius(1850): μια διαδικασία κατά την οποία η θερμότητα θα μεταφερόταν αυθόρμητα από λιγότερο θερμαινόμενα σώματα σε πιο θερμαινόμενα σώματα είναι αδύνατη.

Διατύπωση Thomson(1851): μια κυκλική διαδικασία είναι αδύνατη, το μόνο αποτέλεσμα της οποίας θα ήταν η παραγωγή έργου με τη μείωση της εσωτερικής ενέργειας της θερμικής δεξαμενής.

Σκεύασμα Clausius(1865): όλες οι αυθόρμητες διεργασίες σε ένα κλειστό σύστημα μη ισορροπίας συμβαίνουν προς μια κατεύθυνση στην οποία αυξάνεται η εντροπία του συστήματος. σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας είναι μέγιστο και σταθερό.

Σκεύασμα Boltzmann(1877): ένα κλειστό σύστημα πολλών σωματιδίων περνά αυθόρμητα από μια πιο διατεταγμένη κατάσταση σε μια λιγότερο τακτική. Το σύστημα δεν μπορεί να αφήσει αυθόρμητα τη θέση ισορροπίας του. Ο Boltzmann εισήγαγε ένα ποσοτικό μέτρο της διαταραχής σε ένα σύστημα που αποτελείται από πολλά σώματα - εντροπία.

Απόδοση θερμικής μηχανής με ιδανικό αέριο ως ρευστό εργασίας

Εάν δοθεί ένα μοντέλο του ρευστού εργασίας σε μια θερμική μηχανή (για παράδειγμα, ένα ιδανικό αέριο), τότε είναι δυνατό να υπολογιστεί η μεταβολή στις θερμοδυναμικές παραμέτρους του ρευστού εργασίας κατά τη διάρκεια της διαστολής και της συμπίεσης. Αυτό σας επιτρέπει να υπολογίσετε Θερμική απόδοσηκινητήρας που βασίζεται στους νόμους της θερμοδυναμικής.

Το σχήμα δείχνει κύκλους για τους οποίους η απόδοση μπορεί να υπολογιστεί εάν το λειτουργικό ρευστό είναι ιδανικό αέριο και οι παράμετροι καθορίζονται στα σημεία μετάβασης μιας θερμοδυναμικής διεργασίας σε μια άλλη.

	Ισοβαρικό-ισοχωρικό
	Ισοχωρική-αδιαβατική
	Ισοβαρικό-αδιαβατικό
	Ισοβαρικό-ισοχωρικό-ισόθερμο
	Ισοβαρικό-ισοχωρικό-γραμμικό

Κύκλος Carnot. Απόδοση μιας ιδανικής θερμικής μηχανής

Η υψηλότερη απόδοση σε ρυθμίστε τις θερμοκρασίεςθερμάστρα Τθερμάστρα και ψυγείο ΤΗ αίθουσα διαθέτει θερμική μηχανή, όπου το υγρό εργασίας διαστέλλεται και συστέλλεται ανάλογα Κύκλος Carnot(Εικ. 2), η γραφική παράσταση της οποίας αποτελείται από δύο ισόθερμες (2–3 και 4–1) και δύο αδιαμπάτ (3–4 και 1–2).

Θεώρημα Carnotαποδεικνύει ότι η απόδοση ενός τέτοιου κινητήρα δεν εξαρτάται από το λειτουργικό ρευστό που χρησιμοποιείται, επομένως μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τις θερμοδυναμικές σχέσεις για ένα ιδανικό αέριο:

Περιβαλλοντικές συνέπειες των θερμικών μηχανών

Η εντατική χρήση θερμικών μηχανών στις μεταφορές και την ενέργεια (θερμικοί και πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής) επηρεάζει σημαντικά τη βιόσφαιρα της Γης. Αν και υπάρχουν επιστημονικές διαφωνίες σχετικά με τους μηχανισμούς επιρροής της ανθρώπινης δραστηριότητας στο κλίμα της Γης, πολλοί επιστήμονες σημειώνουν τους παράγοντες λόγω των οποίων μπορεί να συμβεί μια τέτοια επίδραση:

1. Το φαινόμενο του θερμοκηπίου είναι η αύξηση της συγκέντρωσης του διοξειδίου του άνθρακα (προϊόν της καύσης σε θερμαντήρες θερμικών μηχανών) στην ατμόσφαιρα. Το διοξείδιο του άνθρακα επιτρέπει την ορατή και την υπεριώδη ακτινοβολία από τον Ήλιο να περάσει, αλλά απορροφά την υπέρυθρη ακτινοβολία από τη Γη στο διάστημα. Αυτό οδηγεί σε αύξηση της θερμοκρασίας των κατώτερων στρωμάτων της ατμόσφαιρας, αυξημένους ανέμους τυφώνων και παγκόσμιο λιώσιμο των πάγων.
2. Άμεση επίδραση δηλητηριώδους καυσαέριαγια την άγρια ​​ζωή (καρκινογόνα, αιθαλομίχλη, όξινη βροχή από υποπροϊόντα καύσης).
3. Καταστροφή του στρώματος του όζοντος κατά τις πτήσεις αεροπλάνων και τις εκτοξεύσεις πυραύλων. Το όζον στην ανώτερη ατμόσφαιρα προστατεύει όλη τη ζωή στη Γη από την υπερβολική υπεριώδη ακτινοβολία του Ήλιου.

Η διέξοδος από την αναδυόμενη περιβαλλοντική κρίση βρίσκεται στην αύξηση της απόδοσης των θερμικών μηχανών (η απόδοση των σύγχρονων θερμικών μηχανών σπάνια υπερβαίνει το 30%). χρήση κινητήρων και επιβλαβών εξουδετερωτών καυσαερίων. χρήση εναλλακτικών πηγών ενέργειας ( ηλιακούς συλλέκτεςκαι θερμάστρες) και εναλλακτικά μέσα μεταφοράς (ποδήλατα κ.λπ.).