Mootori töö on järgmine:

Seda protsessi käsitles esmakordselt prantsuse insener ja teadlane N. L. S. Carnot 1824. aastal raamatus Reflections on liikumapanev jõud tule ja masinate kohta, mis suudavad seda jõudu arendada.

Carnot’ uurimistöö eesmärgiks oli välja selgitada tolleaegsete soojusmasinate ebatäiuslikkuse põhjused (nende kasutegur oli ≤ 5%) ja leida võimalusi nende parandamiseks.

Carnot' tsükkel on kõige tõhusam. Selle efektiivsus on maksimaalne.

Joonisel on kujutatud tsükli termodünaamilised protsessid. Isotermilise paisumise protsessis (1-2) temperatuuril T 1 , töö toimub küttekeha siseenergia muutmise teel, st soojushulga gaasiga varustamisega. K:

A 12 = K 1 ,

Gaasi jahutamine enne kokkusurumist (3-4) toimub adiabaatilise paisumise ajal (2-3). Muutus sisemises energias ΔU 23 adiabaatilises protsessis ( Q = 0) on täielikult teisendatud mehaaniline töö:

A 23 = -ΔU 23 ,

Gaasi temperatuur adiabaatilise paisumise tagajärjel (2-3) langeb külmiku temperatuurini. T 2 < T 1 . Protsessis (3-4) surutakse gaas isotermiliselt kokku, kandes soojushulga üle külmkappi Q2:

A 34 = Q 2,

Tsükli lõpetab adiabaatiline kokkusurumine (4-1), mille käigus gaas kuumutatakse temperatuurini T 1.

Ideaalsel gaasil töötavate soojusmasinate efektiivsuse maksimaalne väärtus vastavalt Carnot' tsüklile:

.

Valemi olemus väljendub tõestatud FROM. Carnot’ teoreem, mille kohaselt ei saa ühegi soojusmasina kasutegur ületada küttekeha ja külmiku samal temperatuuril läbi viidud Carnot’ tsükli efektiivsust.

Kaasaegne tegelikkus hõlmab soojusmasinate laialdast kasutamist. Arvukad katsed neid elektrimootoritega asendada on seni ebaõnnestunud. Elektrienergia kogunemisega seotud probleemid autonoomsed süsteemid lahendatakse suurte raskustega.

Endiselt on aktuaalsed elektriakude valmistamise tehnoloogia probleemid, võttes arvesse nende pikaajalist kasutamist. Kiiruse omadused elektrisõidukid on kaugel mootoriga autode omadest sisepõlemine.

Esimesed sammud loomiseks hübriidmootorid võib märkimisväärselt vähendada kahjulikke heitkoguseid megalinnades, lahendades keskkonnaprobleeme.

Natuke ajalugu

Võimalus auruenergiat liikumisenergiaks muuta oli tuntud juba antiikajal. 130 eKr: Aleksandria filosoof Heron esitles publikule aurumänguasja – aeolipiili. Auruga täidetud kera hakkas sellest väljuvate jugade toimel pöörlema. See kaasaegsete auruturbiinide prototüüp ei leidnud neil päevil rakendust.

Aastaid ja sajandeid peeti filosoofi arengut ainult lõbusaks mänguasjaks. 1629. aastal lõi itaallane D. Branchi aktiivse turbiini. Aur pani teradega varustatud ketta liikuma.

Sellest hetkest algas kiire areng aurumootorid.

soojusmootor

Kütuse muundamist energiaks masinate ja mehhanismide osade liikumiseks kasutatakse soojusmasinates.

Masinate põhiosad: küttekeha (väljastpoolt energia saamise süsteem), töövedelik (teostab kasulikku toimingut), külmik.

Kütteseade on konstrueeritud tagama, et töövedelikus on kogunenud piisav sisemine energiavaru kasuliku töö tegemiseks. Külmkapp eemaldab liigse energia.

Tõhususe peamist omadust nimetatakse soojusmasinate efektiivsuseks. See väärtus näitab, milline osa küttele kuluvast energiast kulub kasuliku töö tegemiseks. Mida suurem on efektiivsus, seda tulusam on masina töö, kuid see väärtus ei tohi ületada 100%.

Tõhususe arvutamine

Küttekeha omandab väljastpoolt energia, mis võrdub Q 1 . Töövedelik töötas A, samas kui külmikusse antud energia oli Q 2 .

Definitsiooni põhjal arvutame efektiivsuse:

η = A/Q1. Arvestame, et A \u003d Q 1 - Q 2.

Siit lähtuvalt võimaldab soojusmasina efektiivsus, mille valem on kujul η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, teha järgmised järeldused:

• Kasutegur ei tohi ületada 1 (või 100%);
• selle väärtuse maksimeerimiseks on vajalik kas küttekehast saadava energia suurendamine või külmikule antava energia vähendamine;
• küttekeha energia suurenemine saavutatakse kütuse kvaliteedi muutmisega;
• vähendades külmkapile antavat energiat, võimaldavad teil saavutada disainifunktsioonid mootorid.

Ideaalne soojusmootor

Kas on võimalik luua sellist mootorit, mille kasutegur oleks maksimaalne (ideaaljuhul võrdne 100%)? Sellele küsimusele püüdis vastust leida prantsuse teoreetiline füüsik ja andekas insener Sadi Carnot. 1824. aastal avalikustati tema teoreetilised arvutused gaasides toimuvate protsesside kohta.

Põhiidee taga ideaalne auto, võime kaaluda pöörduvate protsesside läbiviimist ideaalse gaasiga. Alustame gaasi isotermilisest paisumisest temperatuuril T 1 . Selleks vajalik soojushulk on Q 1. Pärast gaasi paisumist ilma soojusvahetuseta.. Saavutanud temperatuuri T 2, surutakse gaas isotermiliselt kokku, kandes energia Q 2 üle külmikusse. Gaasi tagasipöördumine algsesse olekusse on adiabaatiline.

Ideaalse Carnot' soojusmasina efektiivsus on täpselt arvutatuna võrdne kütte- ja jahutusseadmete temperatuuride erinevuse ja kütteseadme temperatuuride vahekorraga. See näeb välja selline: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Soojusmasina, mille valem on: η= 1 - T 2 / T 1 , võimalik kasutegur sõltub ainult küttekeha ja jahuti temperatuurist ega tohi olla suurem kui 100%.

Veelgi enam, see suhe võimaldab meil tõestada, et soojusmasinate efektiivsus võib olla võrdne ühega ainult siis, kui külmkapi temperatuur on saavutatud. Nagu teate, on see väärtus kättesaamatu.

Carnot’ teoreetilised arvutused võimaldavad määrata mis tahes konstruktsiooniga soojusmasina maksimaalset kasutegurit.

Carnot' tõestatud teoreem on järgmine. Suvalise soojusmasina kasutegur ei ole mingil juhul suurem kui ideaalse soojusmasina samasugune kasutegur.

Näide probleemi lahendamisest

Näide 1 Kui suur on ideaalse soojusmasina kasutegur, kui küttekeha temperatuur on 800°C ja külmiku temperatuur 500°C madalam?

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C = 500 K, η -?

Definitsiooni järgi: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Meile ei anta külmiku temperatuuri, vaid ∆T = (T 1 - T 2), siit:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Vastus: efektiivsus = 46%.

Näide 2 Määrake ideaalse soojusmasina kasutegur, kui tänu omandatud ühe kilodžauli küttekeha energiale kasulikku tööd 650 J. Mis on soojusmasina küttekeha temperatuur, kui jahutusvedeliku temperatuur on 400 K?

Q 1 \u003d 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 \u003d?

Selles ülesandes räägime soojuspaigaldist, mille efektiivsust saab arvutada valemiga:

Küttekeha temperatuuri määramiseks kasutame ideaalse soojusmasina efektiivsuse valemit:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

Pärast matemaatiliste teisenduste sooritamist saame:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

Arvutame:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

T 1 \u003d 400 K / (1–650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Vastus: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K.

Reaalsed tingimused

Ideaalne soojusmootor on loodud ideaalseid protsesse silmas pidades. Tööd tehakse ainult isotermilistes protsessides, selle väärtus on määratletud Carnot’ tsükligraafikuga piiratud alana.

Tegelikult on võimatu luua tingimusi gaasi oleku muutmise protsessiks ilma temperatuurimuutusteta. Puuduvad materjalid, mis välistaks soojusvahetuse ümbritsevate objektidega. Adiabaatiline protsess pole enam võimalik. Soojusülekande korral peab gaasi temperatuur tingimata muutuma.

Reaalsetes tingimustes loodud soojusmasinate kasutegur erineb oluliselt ideaalsete mootorite kasutegurist. Pange tähele, et protsessid päris mootorid toimub nii kiiresti, et tööaine sisemise soojusenergia muutumist selle mahu muutmise protsessis ei saa kompenseerida soojuse sissevooluga küttekehast ja tagasivooluga jahutisse.

Muud soojusmasinad

Päris mootorid töötavad erinevatel tsüklitel:

• Otto tsükkel: protsess konstantsel mahul muutub adiabaatiliselt, luues suletud tsükli;
• Diisli tsükkel: isobaar, adiabaat, isohor, adiabaat;
• konstantsel rõhul toimuv protsess asendatakse adiabaatilisega, mis sulgeb tsükli.

Looge reaalsetes mootorites tasakaaluprotsesse (et viia need ideaalsetele lähemale) tingimustes moodne tehnoloogia ei tundu võimalik. Soojusmasinate kasutegur on isegi sama arvesse võttes palju väiksem temperatuuri tingimused, nagu ideaalses soojuspaigaldises.

Kuid te ei tohiks vähendada kasuteguri arvutamise valemi rolli, kuna see on lähtepunktiks tegelike mootorite efektiivsuse suurendamise protsessis.

Tõhususe muutmise viisid

Kui võrrelda ideaalseid ja tõelisi soojusmasinaid, siis tasub teada, et viimaste külmiku temperatuur ei saa olla suvaline. Tavaliselt peetakse atmosfääri külmkapiks. Atmosfääri temperatuuri saab võtta ainult ligikaudsete arvutustega. Kogemused näitavad, et jahutusvedeliku temperatuur on võrdne mootorites olevate heitgaaside temperatuuriga, nagu see on sisepõlemismootorite (lühendatult sisepõlemismootorite) puhul.

ICE on meie maailma kõige levinum soojusmootor. Soojusmasina kasutegur sõltub sel juhul põleva kütuse tekitatud temperatuurist. Oluline auhind ICE aurumasinatest on küttekeha ja seadme töökeha funktsioonide sulandumine sisse õhu-kütuse segu. Põlemisel tekitab segu mootori liikuvatele osadele survet.

Töögaaside temperatuuri tõus saavutatakse kütuse omaduste olulise muutmisega. Kahjuks pole seda võimalik lõputult teha. Igal materjalil, millest mootori põlemiskamber on valmistatud, on oma sulamistemperatuur. Selliste materjalide kuumakindlus on mootori peamine omadus, samuti võime oluliselt mõjutada efektiivsust.

Mootori efektiivsuse väärtused

Kui arvestada tööauru temperatuuri, mille sisselaskeava juures on 800 K ja heitgaasi 300 K, siis on selle masina kasutegur 62%. Tegelikkuses ei ületa see väärtus 40%. Selline langus tuleneb soojuskadudest turbiini korpuse kuumutamisel.

Sisepõlemise kõrgeim väärtus ei ületa 44%. Selle väärtuse suurendamine on lähituleviku küsimus. Materjalide ja kütuste omaduste muutmine on probleem, mille kallal inimkonna parimad vaimud töötavad.

Kui räägime protsesside pöörduvusest, siis tuleb arvestada, et see on mingi idealiseerimine. Kõik reaalsed protsessid on pöördumatud ja seega ka tsüklid, millel nad töötavad termomasinad, on samuti pöördumatud ja seega mittetasakaalulised. Selliste tsüklite kvantitatiivsete hinnangute lihtsustamiseks on aga vaja neid käsitleda tasakaalulistena, see tähendab, nagu koosneksid need ainult tasakaaluprotsessidest. Seda nõuab klassikalise termodünaamika hästi arenenud aparaat.

kuulus tsükkel ideaalne mootor Carnot’d peetakse tasakaaluliseks pöördringprotsessiks. Reaalsetes tingimustes ei saa ükski tsükkel olla ideaalne, kuna seal on kaotusi. See toimub kahe püsiva temperatuuriga soojusallika vahel jahutusradiaatori juures. T 1 ja soojusvastuvõtja T 2 , samuti töökeha, mida võetakse kui ideaalne gaas(joonis 3.1).

Riis. 3.1. Soojusmootori tsükkel

Me usume seda T 1 > T 2 ja soojuse eemaldamine jahutusradiaatorist ja soojusvarustus jahutusradiaatorisse ei mõjuta nende temperatuure, T1 Ja T2 püsima konstantsena. Määrakem gaasiparameetrid soojusmasina kolvi vasakpoolses äärmises asendis: rõhk - R 1 helitugevus - V 1, temperatuur Tüks . See on telgedel oleva graafiku punkt 1 P-V. Sel hetkel interakteerub gaas (töövedelik) soojusallikaga, mille temperatuur samuti on Tüks . Kui kolb liigub paremale, siis gaasi rõhk silindris väheneb ja maht suureneb. See jätkub seni, kuni kolb jõuab punktis 2 määratud asendisse, kus töövedeliku (gaasi) parameetrid omandavad väärtused P 2, V 2, T2. Temperatuur sellel hetkel jääb muutumatuks, kuna kolvi üleminekul punktist 1 punkti 2 (paisumine) on gaasi ja jahutusradiaatori temperatuur sama. Selline protsess, mille käigus T ei muutu, seda nimetatakse isotermiliseks ja kõverat 1–2 nimetatakse isotermiks. Selle protsessi käigus kantakse soojus soojusallikast töövedelikku. Q1.

Punktis 2 on silinder väliskeskkonnast täielikult isoleeritud (soojusvahetus puudub) ja kl edasine liikumine kolb paremale, toimub rõhu langus ja mahu suurenemine piki kõverat 2-3, mida nimetatakse adiabaatiline(protsess ilma soojusvahetuseta keskkonnaga). Kui kolb liigub äärmisesse parempoolsesse asendisse (punkt 3), paisumisprotsess lõpeb ja parameetrite väärtused on P 3 , V 3 ja temperatuur muutub võrdseks jahutusradiaatori temperatuuriga. T 2. Kolvi sellises asendis väheneb töövedeliku isolatsioon ja see interakteerub jahutusradiaatoriga. Kui nüüd tõstame rõhku kolvile, siis liigub see konstantsel temperatuuril vasakule T 2(kompressioon). Seega on see kokkusurumisprotsess isotermiline. Selles protsessis soojendage Q2 liigub töövedelikust jahutusradiaatorisse. Vasakule liikuv kolb jõuab parameetritega punkti 4 P4, V4 ja T2, kus töövedelik on taas keskkonnast isoleeritud. Edasine kokkusurumine toimub piki 4–1 adiabaati koos temperatuuri tõusuga. Punktis 1 lõpeb kokkusurumine töövedeliku parameetritega P 1, V 1, T 1. Kolb naasis algsesse olekusse. Punktis 1 eemaldatakse töövedeliku isolatsioon väliskeskkonnast ja tsüklit korratakse.

Ideaalse Carnot’ mootori kasutegur.

Ülesanne 15.1.1. Joonistel 1, 2 ja 3 on graafikud kolmest ideaalse gaasiga toimuvast tsüklilisest protsessist. Millises neist protsessidest viis gaas läbi tsükli positiivne töö?

Ülesanne 15.1.3. Ideaalne gaas naasis pärast tsüklilist protsessi lõppu oma algolekusse. Gaasi poolt kogu protsessi jooksul vastuvõetud soojushulk (kerisest saadud ja külmikusse antud soojushulga vahe) võrdub . Millist tööd teeb gaas tsükli ajal?

Ülesanne 15.1.5. Joonisel on kujutatud gaasiga toimuva tsüklilise protsessi graafik. Protsessi parameetrid on näidatud graafikul. Millist tööd teeb gaas selle tsüklilise protsessi käigus?

Ülesanne 15.1.6. Ideaalne gaas teostab tsüklilist protsessi, graafik koordinaatides on näidatud joonisel. Teadaolevalt on protsess 2–3 isohooriline, protsessides 1–2 ja 3–1 gaas töötas ja vastavalt. Millist tööd teeb gaas tsükli ajal?

Ülesanne 15.1.7. Soojusmasina kasutegur näitab

Ülesanne 15.1.8. Tsükli jooksul saab soojusmasin küttekehast teatud koguse soojust ja annab soojushulga külmikusse. Mis on mootori efektiivsuse määramise valem?

Ülesanne 15.1.10. Ideaalse Carnot tsükli järgi töötava soojusmasina kasutegur on 50%. Küttekeha temperatuur kahekordistub, külmiku temperatuur ei muutu. Milline on tulemuseks oleva ideaalse soojusmasina efektiivsus?

Soojusmasina teoreetilises mudelis vaadeldakse kolme keha: küttekeha, töötav keha Ja külmkapp.

Küttekeha - termiline reservuaar (suur korpus), mille temperatuur on konstantne.

Igas mootori töötsüklis saab töövedelik küttekehast teatud koguse soojust, paisub ja teeb mehaanilist tööd. Osa küttekehast saadud energia ülekandmine külmikusse on vajalik töövedeliku algsesse olekusse naasmiseks.

Kuna mudel eeldab, et küttekeha ja külmiku temperatuur ei muutu soojusmasina töötamise ajal, siis tsükli lõpus: töövedeliku kuumutamine-paisumine-jahutus-kokkusurumine, loetakse, et masin naaseb. algsesse olekusse.

Iga tsükli kohta võime termodünaamika esimese seaduse alusel kirjutada, et soojushulk K kütteseadmelt saadud koormus, soojushulk | K cool |, antud külmikusse ja tööorgani poolt tehtud tööd AGA on omavahel seotud:

A = K koormus – | K külm|.

Päriselt tehnilised seadmed, mida nimetatakse soojusmootoriteks, soojendatakse töövedelikku kütuse põlemisel vabaneva soojusega. Jah, sisse auruturbiin elektrijaama küttekeha on kuuma kivisöega ahi. Sisepõlemismootoris (ICE) võib põlemisprodukte pidada küttekehaks ja liigset õhku töövedelikuks. Külmikuna kasutavad nad atmosfääriõhku või looduslikest allikatest pärit vett.

Soojusmasina (masina) efektiivsus

Soojusmootori efektiivsus (efektiivsus) on mootori tehtud töö ja kütteseadmest saadava soojushulga suhe:

Iga soojusmasina kasutegur on väiksem kui üks ja seda väljendatakse protsentides. Kogu kerisest saadava soojushulga mehaaniliseks tööks muutmise võimatus on tsüklilise protsessi korraldamise vajaduse eest makstav hind ja tuleneb termodünaamika teisest seadusest.

Päris soojusmasinate puhul määrab kasuteguri eksperimentaalne mehaaniline võimsus N mootor ja ajaühikus põletatud kütuse kogus. Nii et kui õigel ajal t põles massikütus m ja eripõlemissoojus q, siis

Sest Sõiduk võrdlustunnuseks on sageli maht V teel põles kütus s mehaanilise mootori võimsusel N ja kiirusega. Sel juhul, võttes arvesse kütuse tihedust r, saame efektiivsuse arvutamiseks kirjutada valemi:

Termodünaamika teine ​​seadus

On mitmeid koostisi termodünaamika teine ​​seadus. Üks neist ütleb, et võimatu on soojusmasin, mis teeks tööd ainult tänu soojusallikale, st. ilma külmikuta. Maailma ookean võiks talle olla praktiliselt ammendamatu siseenergia allikas (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Teised termodünaamika teise seaduse sõnastused on samaväärsed sellega.

Clausiuse sõnastus(1850): võimatu on protsess, mille käigus soojus kandub spontaanselt vähem kuumutatud kehadelt rohkem kuumenenud kehadele.

Thomsoni sõnastus(1851): võimatu on ringprotsess, mille ainsaks tulemuseks oleks töö tootmine termilise reservuaari siseenergia vähendamise teel.

Clausiuse sõnastus(1865): kõik spontaansed protsessid suletud mittetasakaalusüsteemis toimuvad sellises suunas, milles süsteemi entroopia suureneb; termilise tasakaalu seisundis on see maksimaalne ja konstantne.

Boltzmanni sõnastus(1877): paljudest osakestest koosnev suletud süsteem läheb spontaanselt rohkem korrastatud olekust vähem järjestatud olekusse. Süsteemi spontaanne väljumine tasakaaluasendist on võimatu. Boltzmann tutvustas häire kvantitatiivset mõõdet süsteemis, mis koosneb paljudest kehadest - entroopia.

Ideaalse gaasiga töövedelikuga soojusmasina kasutegur

Kui on antud soojusmasina töövedeliku mudel (näiteks ideaalne gaas), siis on võimalik arvutada töövedeliku termodünaamiliste parameetrite muutus paisumisel ja kokkutõmbumisel. See võimaldab teil arvutada termiline efektiivsus termodünaamika seadustel põhinev mootor.

Joonisel on näidatud tsüklid, mille kasutegurit saab arvutada, kui töövedelik on ideaalne gaas ja parameetrid on seatud ühe termodünaamilise protsessi ülemineku punktidesse teisele.

	Isobaar-isohooriline
	Isokoor-adiabaatiline
	Isobaar-adiabaatiline
	Isobaarne-isohooriline-isotermiline
	Isobaarne-isohooriline-lineaarne

Carnot' tsükkel. Ideaalse soojusmasina kasutegur

Suurim tõhusus juures seatud temperatuurid küttekeha T küte ja külmkapp T külmal on soojusmootor, kus töövedelik paisub ja tõmbub kokku Carnot' tsükkel(joon. 2), mille graafik koosneb kahest isotermist (2–3 ja 4–1) ning kahest adiabaadist (3–4 ja 1–2).

Carnot’ teoreem tõestab, et sellise mootori kasutegur ei sõltu kasutatavast töövedelikust, seega saab selle arvutada ideaalse gaasi termodünaamiliste seoste abil:

Soojusmasinate keskkonnamõjud

Soojusmasinate intensiivne kasutamine transpordis ja energeetikas (soojus- ja tuumaelektrijaamad) mõjutab oluliselt Maa biosfääri. Kuigi inimelu Maa kliimale mõjumehhanismide üle käivad teaduslikud vaidlused, toovad paljud teadlased välja tegurid, mille tõttu selline mõju võib tekkida:

1. Kasvuhooneefekt on süsinikdioksiidi (soojusmasinate küttekehade põlemisprodukt) kontsentratsiooni suurenemine atmosfääris. Süsinikdioksiid edastab Päikeselt nähtavat ja ultraviolettkiirgust, kuid neelab Maa infrapunakiirgust. See toob kaasa atmosfääri alumiste kihtide temperatuuri tõusu, orkaanituulte sagenemise ja globaalse jää sulamise.
2. Mürgistuse otsene mõju väljaheite gaasid elusloodusele (kantserogeenid, sudu, põlemise kõrvalsaaduste happevihmad).
3. Osoonikihi hävitamine lennukilendude ja rakettide stardi ajal. Ülemiste atmosfäärikihtide osoon kaitseb kogu elu Maal Päikesest tuleva liigse ultraviolettkiirguse eest.

Väljapääs tekkivast ökoloogilisest kriisist peitub soojusmasinate kasuteguri tõstmises (tänapäevaste soojusmasinate kasutegur ületab harva 30%); töökorras mootorite ja kahjulike heitgaaside neutralisaatorite kasutamine; alternatiivsete energiaallikate kasutamine ( päikesepaneelid ja küttekehad) ja alternatiivsed transpordivahendid (jalgrattad jne).