Az elméleti modellben hőerőgép három testet kell figyelembe venni: fűtőtest, dolgozó testés hűtőszekrény.

Fűtő - termikus tartály (nagy test), amelynek hőmérséklete állandó.

A motor működésének minden egyes ciklusában a munkafolyadék bizonyos mennyiségű hőt kap a fűtőberendezéstől, kitágul és teljesít gépészeti munka. A fűtőberendezésből kapott energia egy részének a hűtőszekrénybe való átvitele szükséges ahhoz, hogy a munkafolyadék eredeti állapotába kerüljön.

Mivel a modell azt feltételezi, hogy a fűtőelem és a hűtőszekrény hőmérséklete nem változik a hőmotor működése közben, így a ciklus végén: a munkafolyadék fűtése-tágulása-hűtése-sűrítése, úgy tekintjük, hogy a gép visszatér. eredeti állapotába.

Minden ciklusra a termodinamika első főtétele alapján felírhatjuk, hogy a hőmennyiség K fűtőberendezéstől kapott terhelés, hőmennyiség | K hűvös |, amelyet a hűtőnek adnak, és a dolgozó szerv által végzett munka DE kapcsolatban állnak egymással:

A = K terhelés – | K hideg|.

Valós technikai eszközök, melyeket hőmotoroknak neveznek, a munkafolyadékot az üzemanyag égése során felszabaduló hő melegíti fel. Tehát egy erőmű gőzturbinájában a fűtőberendezés egy forró szénnel ellátott kemence. A motorban belső égés(ICE) égéstermékei fűtőelemnek, a felesleges levegő pedig munkaközegnek tekinthetők. Hűtőszekrényként a légkör levegőjét vagy természetes forrásból származó vizet használják fel.

Hőmotor (gép) hatásfoka

A hőmotor hatékonysága (hatékonyság) a motor által végzett munka és a fűtőelemtől kapott hőmennyiség aránya:

Bármely hőmotor hatásfoka egynél kisebb, és százalékban van kifejezve. A fűtőberendezésből kapott teljes hőmennyiség mechanikai munkává alakításának lehetetlensége a ciklikus folyamat megszervezésének ára, és a termodinamika második főtételéből következik.

Valódi hőgépeknél a hatásfokot a kísérleti mechanikai teljesítmény határozza meg N motor és az egységnyi idő alatt elégetett üzemanyag mennyisége. Szóval, ha időben t tömegüzemanyag égett el més fajlagos égéshő q, akkor

Mert Jármű a referenciajellemző gyakran a térfogat Vútközben égett az üzemanyag s mechanikus motorteljesítmény mellett Nés sebességgel. Ebben az esetben, figyelembe véve az üzemanyag r sűrűségét, felírhatunk egy képletet a hatásfok kiszámításához:

A termodinamika második főtétele

Számos készítmény létezik termodinamika második főtétele. Az egyik azt mondja, hogy lehetetlen olyan hőgép, ami csak egy hőforrás miatt működne, pl. hűtőszekrény nélkül. A világóceán gyakorlatilag kimeríthetetlen belső energiaforrásként szolgálhatna számára (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

A termodinamika második főtételének más megfogalmazásai ezzel egyenértékűek.

Clausius megfogalmazása(1850): lehetetlen olyan folyamat, amelyben a hő spontán módon átkerülne a kevésbé fűtött testekről a melegebb testekre.

Thomson megfogalmazása(1851): lehetetlen körkörös folyamat, amelynek egyetlen eredménye a termikus tározó belső energiájának csökkentésével munka termelése lenne.

Clausius megfogalmazása(1865): egy zárt, nem egyensúlyi rendszerben minden spontán folyamat olyan irányban megy végbe, amelyben a rendszer entrópiája nő; termikus egyensúlyi állapotban maximális és állandó.

Boltzmann megfogalmazása(1877): sok részecske zárt rendszere spontán módon rendezettebb állapotból kevésbé rendezettbe kerül. A rendszer spontán kilépése az egyensúlyi helyzetből lehetetlen. Boltzmann bevezette a rendezetlenség mennyiségi mértékét egy sok testből álló rendszerben - entrópia.

Ideális gázzal működő hőgép hatásfoka

Ha adott a hőgépben lévő munkaközeg modellje (például ideális gáz), akkor kiszámítható a munkaközeg termodinamikai paramétereinek változása a tágulás és összehúzódás során. Ez lehetővé teszi a számítást termikus hatásfok a termodinamika törvényein alapuló motor.

Az ábra azokat a ciklusokat mutatja, amelyekre a hatásfok számítható, ha a munkaközeg ideális gáz, és a paraméterek az egyik termodinamikai folyamat átmeneti pontjain vannak beállítva a másikba.

	Izobár-izokór
	Izokór-adiabatikus
	Izobár-adiabatikus
	Izobár-izokór-izoterm
	Izobár-izokor-lineáris

Carnot ciklus. Az ideális hőmotor hatásfoka

A legnagyobb hatékonyság a beállított hőmérsékletek fűtőtest T fűtés és hűtőszekrény T hidegnek van egy hőmotorja, ahol a munkafolyadék kitágul és együtt húzódik Carnot ciklus(2. ábra), melynek grafikonja két izotermából (2–3 és 4–1) és két adiabátból (3–4 és 1–2) áll.

Carnot tétele bizonyítja, hogy egy ilyen motor hatásfoka nem függ a felhasznált munkaközegtől, így ideális gáz esetén a termodinamikai összefüggések segítségével számítható ki:

A hőmotorok környezeti következményei

A hőmotorok intenzív felhasználása a közlekedésben és az energetikában (hő- és atomerőművek) jelentősen befolyásolja a Föld bioszféráját. Bár vannak tudományos viták az emberi tevékenységnek a Föld klímára gyakorolt ​​hatásának mechanizmusairól, sok tudós rámutat azokra a tényezőkre, amelyek miatt ilyen hatás előfordulhat:

1. Az üvegházhatás a szén-dioxid (termikus gépek fűtőberendezéseiben keletkező égéstermék) koncentrációjának növekedése a légkörben. A szén-dioxid a Nap látható és ultraibolya sugárzását továbbítja, de elnyeli a Föld infravörös sugárzását. Ez a légkör alsóbb rétegeinek hőmérsékletének növekedéséhez, a hurrikánszelek fokozódásához és a globális jégolvadáshoz vezet.
2. A mérgező anyagok közvetlen hatása kipufogógázokélővilágra (rákkeltő anyagok, szmog, égés melléktermékeiből származó savas esők).
3. Az ózonréteg tönkretétele repülőgép-repülések és rakétaindítások során. A felső légkör ózonja megvédi a Föld minden élővilágát a Nap túlzott ultraibolya sugárzásától.

A kialakuló ökológiai válságból a kiutat a hőgépek hatásfokának növelése jelenti (a modern hőgépek hatásfoka ritkán haladja meg a 30%-ot); üzemképes motorok és káros kipufogógázok semlegesítőinek használata; alternatív energiaforrások használata ( napelemekés fűtőtestek) és alternatív közlekedési eszközök (kerékpárok stb.).

A modern valóság a hőgépek széles körben elterjedt működését jelenti. Számos kísérlet villanymotorra cserélésére eddig kudarcot vallott. Az elektromosság felhalmozódásával kapcsolatos problémák autonóm rendszerek nagy nehezen megoldják.

Továbbra is aktuálisak a villamosenergia-akkumulátorok gyártásának technológiai problémái, figyelembe véve azok hosszú távú használatát. Sebesség jellemzői Az elektromos járművek messze állnak a belső égésű motoros autókétól.

A létrehozás első lépései hibrid motorok jelentősen csökkentheti a káros kibocsátást a nagyvárosokban, megoldva a környezeti problémákat.

Egy kis történelem

A gőzenergia mozgási energiává alakításának lehetősége már az ókorban ismert volt. Kr.e. 130: Az alexandriai Heron filozófus gőzjátékot, az aeolipilt mutatott be a közönségnek. Egy gőzzel teli gömb forogni kezdett a belőle kiáramló sugarak hatására. Ez a prototípus a modern gőzturbinák akkoriban nem talált alkalmazást.

Sok éven és évszázadon át a filozófus fejlődését csak szórakoztató játéknak tekintették. 1629-ben az olasz D. Branchi létrehozott egy aktív turbinát. A gőz mozgásba lendített egy pengékkel felszerelt korongot.

Ettől a pillanattól kezdve elkezdődött a gyors fejlődés gőzgépek.

hőerőgép

Az üzemanyag energiává alakítását a gépek és mechanizmusok alkatrészeinek mozgatásához a hőgépekben használják.

A gépek fő részei: fűtőtest (külről energiát nyerő rendszer), munkafolyadék (hasznos műveletet végez), hűtőszekrény.

A fűtőberendezést úgy tervezték, hogy a munkafolyadék elegendő belső energiát halmozott fel a hasznos munka elvégzéséhez. A hűtőszekrény eltávolítja a felesleges energiát.

A hatékonyság fő jellemzőjét a hőmotorok hatásfokának nevezik. Ez az érték megmutatja, hogy a fűtésre fordított energia mekkora részét fordítják hasznos munkára. Minél nagyobb a hatásfok, annál jövedelmezőbb a gép üzemeltetése, de ez az érték nem haladhatja meg a 100%-ot.

Hatékonysági számítás

Hagyja, hogy a fűtőelem kívülről szerezze be a Q 1 -gyel egyenlő energiát. A munkaközeg A munkát végezte, míg a hűtőnek adott energia Q 2 volt.

A definíció alapján kiszámítjuk a hatékonyságot:

η= A/Q 1 . Figyelembe vesszük, hogy A \u003d Q 1 - Q 2.

Innentől a hőmotor hatásfoka, amelynek képlete η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, lehetővé teszi a következő következtetések levonását:

• A hatásfok nem haladhatja meg az 1-et (vagy 100%-ot);
• ennek az értéknek a maximalizálása érdekében vagy növelni kell a fűtőberendezéstől kapott energiát, vagy csökkenteni kell a hűtőszekrénynek adott energiát;
• a fűtőelem energiájának növelése az üzemanyag minőségének megváltoztatásával érhető el;
• csökkenti a hűtőnek adott energiát, lehetővé teszi, hogy elérje tervezési jellemzők motorok.

Ideális hőmotor

Lehetséges olyan motort létrehozni, amelynek hatásfoka maximális lenne (ideális esetben 100%)? Sadi Carnot francia elméleti fizikus és tehetséges mérnök próbálta megtalálni a választ erre a kérdésre. 1824-ben hozták nyilvánosságra elméleti számításait a gázokban lezajló folyamatokról.

A fő gondolat mögött tökéletes autó, megfontolhatjuk reverzibilis folyamatok végrehajtását ideális gázzal. Kezdjük a gáz izotermikus tágulásával T 1 hőmérsékleten. Az ehhez szükséges hőmennyiség Q 1. Miután a gáz hőcsere nélkül kitágul, a T 2 hőmérséklet elérése után a gáz izotermikusan összenyomódik, a Q 2 energiát átadva a hűtőnek. A gáz visszatérése eredeti állapotába adiabatikus.

Az ideális Carnot-fűtőmotor hatásfoka, ha pontosan kiszámítjuk, egyenlő a fűtő- és hűtőberendezések közötti hőmérséklet-különbség és a fűtőelem hőmérsékletének arányával. Így néz ki: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Egy hőmotor lehetséges hatásfoka, amelynek képlete: η= 1 - T 2 / T 1 , csak a fűtő és a hűtő hőmérsékletétől függ, és nem lehet több 100%-nál.

Sőt, ez az arány lehetővé teszi annak bizonyítását, hogy a hőgépek hatásfoka lehet egyenlő eggyel csak akkor, ha elérte a hűtőszekrény hőmérsékletét. Mint tudják, ez az érték elérhetetlen.

Carnot elméleti számításai lehetővé teszik bármely kivitelű hőgép maximális hatásfokának meghatározását.

A Carnot által bizonyított tétel a következő. Egy tetszőleges hőmotor semmilyen körülmények között nem képes nagyobb hatásfokú együtthatóra, mint egy ideális hőgép hatásfokának hasonló értéke.

Példa problémamegoldásra

1. példa Mekkora az ideális hőmotor hatásfoka, ha a fűtés hőmérséklete 800°C, a hűtő hőmérséklete pedig 500°C-kal alacsonyabb?

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

Definíció szerint: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nem a hűtőszekrény hőmérsékletét adjuk meg, hanem ∆T = (T 1 - T 2), innen:

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

Válasz: hatékonyság = 46%.

2. példa Határozza meg az ideális hőgép hatásfokát, ha a megszerzett egy kilojoule fűtőenergia miatt hasznos munka 650 J. Mekkora a hőmotor fűtésének hőmérséklete, ha a hűtőfolyadék hőmérséklete 400 K?

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

Ebben a feladatban egy hőberendezésről beszélünk, amelynek hatásfoka a következő képlettel számítható ki:

A fűtőelem hőmérsékletének meghatározásához az ideális hőmotor hatásfokának képletét használjuk:

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

A matematikai transzformációk végrehajtása után a következőket kapjuk:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

Számoljunk:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

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

Valós körülmények

Az ideális hőmotort az ideális folyamatok szem előtt tartásával tervezték. A munka csak izoterm folyamatokban történik, értéke a Carnot-ciklusgráf által határolt terület.

Valójában lehetetlen feltételeket teremteni a gáz állapotának megváltoztatásához anélkül, hogy a hőmérséklet változása kísérné. Nincsenek olyan anyagok, amelyek kizárnák a környező tárgyakkal való hőcserét. Az adiabatikus folyamat már nem lehetséges. Hőátadás esetén a gáz hőmérsékletének szükségszerűen változnia kell.

A valós körülmények között létrehozott hőgépek hatásfoka jelentősen eltér a hatásfoktól ideális motorok. Vegye figyelembe, hogy a folyamatok a igazi motorok olyan gyorsan megy végbe, hogy a munkaanyag belső hőenergiájának változását a térfogatának változása során nem tudja kompenzálni a fűtőberendezésből beáramló és a hűtőbe visszavezetett hő.

Egyéb hőmotorok

A valódi motorok különböző ciklusokban működnek:

• Otto-ciklus: az állandó térfogatú folyamat adiabatikusan változik, zárt ciklust hozva létre;
• Dízelciklus: izobar, adiabát, izochor, adiabát;
• az állandó nyomáson végbemenő folyamatot adiabatikus váltja fel, lezárva a ciklust.

Hozzon létre egyensúlyi folyamatokat valós motorokban (hogy közelebb hozza őket az ideálishoz) feltételek mellett modern technológia nem tűnik lehetségesnek. A hőmotorok hatásfoka még ugyanezt figyelembe véve is jóval alacsonyabb hőmérsékleti viszonyok, mint egy ideális termikus telepítésnél.

De nem szabad csökkentenie a hatásfokszámítási képlet szerepét, mivel ez lesz a kiindulópont a valódi motorok hatékonyságának növelésére irányuló munka folyamatában.

A hatékonyság megváltoztatásának módjai

Az ideális és a valódi hőgépek összehasonlításakor érdemes megjegyezni, hogy az utóbbiak hűtőszekrényének hőmérséklete nem lehet akármilyen. Általában a légkört hűtőszekrénynek tekintik. A légkör hőmérséklete csak hozzávetőleges számításokkal mérhető. A tapasztalatok azt mutatják, hogy a hűtőfolyadék hőmérséklete megegyezik a motorokban lévő kipufogógázok hőmérsékletével, ahogy az a belső égésű motoroknál (rövidítve belső égésű motoroknál) történik.

Az ICE a leggyakoribb hőmotor a világon. A hőmotor hatásfoka ebben az esetben az égő tüzelőanyag által létrehozott hőmérséklettől függ. Alapvető kitüntetése ICE gőzgépekből a fűtőberendezés és a készülék munkatestének funkcióinak egybeolvadása levegő-üzemanyag keverék. Égéskor a keverék nyomást hoz létre a motor mozgó részein.

A munkagázok hőmérsékletének növekedése az üzemanyag tulajdonságainak jelentős megváltoztatásával érhető el. Sajnos ezt nem lehet a végtelenségig csinálni. Minden anyag, amelyből a motor égésterét készítik, saját olvadásponttal rendelkezik. Az ilyen anyagok hőállósága a motor fő jellemzője, valamint az a képesség, hogy jelentősen befolyásolják a hatékonyságot.

Motor hatásfok értékek

Ha figyelembe vesszük a munkagőz hőmérsékletét, amelynek bemeneténél 800 K, a kipufogógázé pedig 300 K, akkor ennek a gépnek a hatásfoka 62%. A valóságban ez az érték nem haladja meg a 40%-ot. Ez a csökkenés a turbinaház fűtése során fellépő hőveszteségek miatt következik be.

A belső égés legmagasabb értéke nem haladja meg a 44%-ot. Ennek az értéknek a növelése a közeljövő kérdése. Az anyagok, üzemanyagok tulajdonságainak megváltoztatása olyan probléma, amelyen az emberiség legjobb elméje dolgozik.

A motor által végzett munka a következő:

Ezzel a folyamattal először N. L. S. Carnot francia mérnök és tudós foglalkozott 1824-ben a Reflections on című könyvében. hajtóerő tűz és az ezen erő fejlesztésére képes gépekről.

Carnot kutatásának célja az volt, hogy feltárja az akkori hőgépek tökéletlenségének okait (≤ 5%-os hatásfokuk volt), és megoldásokat találjon ezek fejlesztésére.

A Carnot-ciklus a leghatékonyabb az összes közül. Hatékonysága maximális.

Az ábra a körfolyamat termodinamikai folyamatait mutatja. Az izoterm tágulás folyamatában (1-2) hőmérsékleten T 1 , a munka a fűtőberendezés belső energiájának változtatásával, azaz a hőmennyiség gázba juttatásával történik K:

A 12 = K 1 ,

A gáz kompresszió előtti lehűlése (3-4) az adiabatikus expanzió során (2-3) történik. A belső energia változása ΔU 23 adiabatikus folyamatban ( Q=0) teljesen mechanikai munkává alakítják át:

A 23 = -ΔU 23 ,

A gáz hőmérséklete az adiabatikus tágulás következtében (2-3) a hűtőszekrény hőmérsékletére csökken T 2 < T 1 . A folyamatban (3-4) a gáz izotermikusan összenyomódik, a hőmennyiséget átadva a hűtőnek Q2:

A 34 = Q 2,

A ciklust az adiabatikus kompressziós folyamat (4-1) fejezi be, amelyben a gázt hőmérsékletre melegítik. T 1.

Az ideális gázzal üzemelő hőgépek hatásfokának maximális értéke a Carnot-ciklus szerint:

.

A képlet lényege a bizonyított TÓL TŐL. Carnot tétele, amely szerint egyetlen hőmotor hatásfoka nem haladhatja meg a fűtő és a hűtőszekrény azonos hőmérsékletén végrehajtott Carnot-ciklus hatásfokát.

15.1.1. probléma. Az 1., 2. és 3. ábrán három ciklikus folyamat grafikonja látható, amelyek ideális gázzal játszódnak le. A folyamatok közül melyikben fejeződött be a gáz egy ciklust pozitív munka?

15.1.3. probléma. Ideális gáz, miután befejezett valamilyen ciklikus folyamatot, visszatért a kezdeti állapotba. A gáz által a teljes folyamat során kapott teljes hőmennyiség (a fűtőberendezéstől kapott és a hűtőszekrénynek adott hőmennyiség különbsége) egyenlő. Milyen munkát végez a gáz a ciklus során?

15.1.5. probléma. Az ábra a gázzal végbemenő ciklikus folyamat grafikonját mutatja. A folyamat paraméterei a grafikonon láthatók. Milyen munkát végez a gáz e ciklikus folyamat során?

15.1.6. probléma. Az ideális gáz ciklikus folyamatot hajt végre, a koordinátákban megadott grafikon az ábrán látható. Ismeretes, hogy a 2–3. folyamat izokhorikus, az 1–2. és 3–1. folyamatban a gáz működött, ill. Milyen munkát végez a gáz a ciklus során?

15.1.7. probléma. A hőmotor hatásfoka megmutatja

15.1.8. probléma. A ciklus során a hőmotor bizonyos mennyiségű hőt kap a fűtőberendezéstől, és a hőmennyiséget a hűtőnek adja. Mi a képlet a motor hatásfokának meghatározásához?

15.1.10. probléma. A Carnot-ciklus szerint működő ideális hőmotor hatásfoka 50%. A fűtőelem hőmérséklete megduplázódik, a hűtőszekrény hőmérséklete nem változik. Mekkora lesz az így létrejövő ideális hőmotor hatásfoka?