Nel modello teorico motore termico si considerano tre corpi: stufa, corpo di lavoro e frigo.

Riscaldatore: un serbatoio termico (corpo grande), la cui temperatura è costante.

In ogni ciclo di funzionamento del motore, il fluido di lavoro riceve una certa quantità di calore dal riscaldatore, si espande ed esegue un lavoro meccanico. Il trasferimento di parte dell'energia ricevuta dal riscaldatore al frigorifero è necessario per riportare il fluido di lavoro allo stato originale.

Poiché il modello presuppone che la temperatura del riscaldatore e del frigorifero non cambi durante il funzionamento del motore termico, quindi alla fine del ciclo: riscaldamento-espansione-raffreddamento-compressione del fluido di lavoro, si ritiene che la macchina ritorni al suo stato originario.

Per ogni ciclo, in base alla prima legge della termodinamica, possiamo scrivere che la quantità di calore Q carico ricevuto dal riscaldatore, quantità di calore | Q cool |, dato al frigorifero, e il lavoro svolto dal corpo che lavora MA sono collegati tra loro da:

UN = Q carico – | Q freddo|.

In realtà dispositivi tecnici, che sono chiamati motori termici, il fluido di lavoro viene riscaldato dal calore rilasciato durante la combustione del carburante. Quindi, in una turbina a vapore di una centrale elettrica, il riscaldatore è una fornace con carbone ardente. Nel motore combustione interna(ICE) i prodotti della combustione possono essere considerati un riscaldatore e l'aria in eccesso può essere considerata un fluido di lavoro. Come frigorifero utilizzano l'aria dell'atmosfera o l'acqua di fonti naturali.

Efficienza di un motore termico (macchina)

Coefficiente azione utile motore termico (efficienza)è il rapporto tra il lavoro svolto dal motore e la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore:

L'efficienza di qualsiasi motore termico è inferiore a uno ed è espressa in percentuale. L'impossibilità di convertire in lavoro meccanico l'intera quantità di calore ricevuta dal riscaldatore è il prezzo da pagare per la necessità di organizzare un processo ciclico e deriva dalla seconda legge della termodinamica.

Nei motori termici reali, l'efficienza è determinata dalla potenza meccanica sperimentale N motore e la quantità di carburante consumato per unità di tempo. Quindi, se in tempo t combustibile di massa bruciato m e calore specifico di combustione q, poi

Per Veicolo la caratteristica di riferimento è spesso il volume v carburante bruciato lungo la strada S alla potenza meccanica del motore N e in velocità. In questo caso, tenendo conto della densità r del carburante, possiamo scrivere una formula per il calcolo dell'efficienza:

Seconda legge della termodinamica

Esistono diverse formulazioni seconda legge della termodinamica. Uno di loro dice che un motore termico è impossibile, che funzionerebbe solo a causa di una fonte di calore, ad es. senza frigorifero. L'oceano mondiale potrebbe servire per esso come una fonte praticamente inesauribile di energia interna (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Altre formulazioni della seconda legge della termodinamica sono equivalenti a questa.

Formulazione di Clausius(1850): è impossibile un processo in cui il calore si trasferisca spontaneamente da corpi meno riscaldati a corpi più riscaldati.

La formulazione di Thomson(1851): è impossibile un processo circolare il cui unico risultato sarebbe la produzione di lavoro per riduzione dell'energia interna del serbatoio termico.

Formulazione di Clausius(1865): tutti i processi spontanei in un sistema chiuso di non equilibrio avvengono in una tale direzione in cui l'entropia del sistema aumenta; in uno stato di equilibrio termico è massima e costante.

Formulazione di Boltzmann(1877): un sistema chiuso di molte particelle passa spontaneamente da uno stato più ordinato a uno meno ordinato. L'uscita spontanea del sistema dalla posizione di equilibrio è impossibile. Boltzmann introdusse una misura quantitativa del disordine in un sistema costituito da molti corpi: entropia.

Rendimento di una macchina termica con un gas ideale come fluido di lavoro

Se viene fornito il modello del fluido di lavoro nel motore termico (ad esempio, gas ideale), quindi è possibile calcolare la variazione dei parametri termodinamici del fluido di lavoro durante l'espansione e la contrazione. Ciò consente di calcolare l'efficienza di un motore termico in base alle leggi della termodinamica.

La figura mostra i cicli per i quali è possibile calcolare l'efficienza se il fluido di lavoro è un gas ideale ei parametri sono impostati nei punti di transizione da un processo termodinamico all'altro.

	Isobarico-isocoro
	Isocoro-adiabatico
	Isobarico-adiabatico
	Isobarico-isocoro-isotermo
	Isobarico-isocoro-lineare

Ciclo di Carnot. Rendimento di un motore termico ideale

La massima efficienza a temperature impostate stufa T riscaldamento e frigorifero T il freddo ha un motore termico in cui il fluido di lavoro si espande e si contrae Ciclo di Carnot(Fig. 2), il cui grafico è costituito da due isoterme (2–3 e 4–1) e due adiabati (3–4 e 1–2).

Il teorema di Carnot dimostra che l'efficienza di un tale motore non dipende dal fluido di lavoro utilizzato, quindi può essere calcolata utilizzando le relazioni termodinamiche per un gas ideale:

Conseguenze ambientali dei motori termici

L'uso intensivo di motori termici nei trasporti e nell'energia (centrali termiche e nucleari) influisce in modo significativo sulla biosfera terrestre. Sebbene esistano controversie scientifiche sui meccanismi dell'influenza dell'attività umana sul clima terrestre, molti scienziati sottolineano i fattori a causa dei quali può verificarsi tale influenza:

1. L'effetto serra è un aumento della concentrazione di anidride carbonica (prodotto della combustione nei riscaldatori delle macchine termiche) nell'atmosfera. L'anidride carbonica trasmette la radiazione visibile e ultravioletta dal Sole, ma assorbe la radiazione infrarossa dalla Terra. Ciò porta ad un aumento della temperatura degli strati inferiori dell'atmosfera, un aumento dei venti degli uragani e lo scioglimento globale dei ghiacci.
2. Influenza diretta di velenosi gas di scarico sulla fauna selvatica (sostanze cancerogene, smog, piogge acide da sottoprodotti della combustione).
3. Distruzione dello strato di ozono durante i voli aerei e il lancio di razzi. L'ozono dell'atmosfera superiore protegge tutta la vita sulla Terra dall'eccessiva radiazione ultravioletta del Sole.

La via d'uscita dall'emergente crisi ecologica sta nell'aumentare l'efficienza dei motori termici (l'efficienza dei moderni motori termici raramente supera il 30%); uso di motori riparabili e neutralizzatori di gas di scarico nocivi; utilizzo di fonti energetiche alternative ( pannelli solari e riscaldatori) e mezzi di trasporto alternativi (biciclette, ecc.).

Le realtà moderne comportano il funzionamento diffuso dei motori termici. Numerosi tentativi di sostituirli con motori elettrici sono finora falliti. Problemi associati all'accumulo di elettricità in sistemi autonomi si risolvono con grande difficoltà.

Ancora rilevanti sono i problemi della tecnologia per la fabbricazione di accumulatori di energia elettrica, tenendo conto del loro utilizzo a lungo termine. Caratteristiche di velocità i veicoli elettrici sono lontani da quelli delle auto con motore a combustione interna.

Primi passi per creare motori ibridi può ridurre significativamente le emissioni nocive nelle megalopoli, risolvendo i problemi ambientali.

Un po' di storia

La possibilità di convertire l'energia del vapore in energia di movimento era nota nell'antichità. 130 a.C.: Il filosofo Airone di Alessandria presenta al pubblico un giocattolo a vapore - aeolipil. Una sfera piena di vapore iniziò a ruotare sotto l'azione dei getti che emanavano da essa. Questo prototipo di moderno turbine a vapore a quel tempo non ha trovato applicazione.

Per molti anni e secoli, lo sviluppo del filosofo è stato considerato solo un giocattolo divertente. Nel 1629, l'italiano D. Branchi creò una turbina attiva. Il vapore metteva in moto un disco dotato di lame.

Da quel momento iniziò il rapido sviluppo motori a vapore.

motore termico

La conversione del combustibile in energia per il movimento di parti di macchine e meccanismi viene utilizzata nei motori termici.

Le parti principali delle macchine: un riscaldatore (un sistema per ottenere energia dall'esterno), un fluido di lavoro (svolge un'azione utile), un frigorifero.

Il riscaldatore è progettato per garantire che il fluido di lavoro abbia accumulato una fornitura sufficiente di energia interna per eseguire un lavoro utile. Il frigorifero rimuove l'energia in eccesso.

La caratteristica principale dell'efficienza è chiamata efficienza dei motori termici. Questo valore mostra quale parte dell'energia spesa per il riscaldamento viene spesa per svolgere un lavoro utile. Maggiore è l'efficienza, più redditizio è il funzionamento della macchina, ma questo valore non può superare il 100%.

Calcolo dell'efficienza

Lascia che il riscaldatore acquisisca dall'esterno l'energia pari a Q 1 . Il fluido di lavoro ha svolto il lavoro A, mentre l'energia ceduta al frigorifero è stata Q 2 .

Sulla base della definizione, calcoliamo l'efficienza:

η= LA / Q 1 . Prendiamo in considerazione che A \u003d Q 1 - Q 2.

Da qui efficienza termica macchina, la cui formula è η \u003d (Q 1 - Q 2) / Q 1 \u003d 1 - Q 2 / Q 1, ci consente di trarre le seguenti conclusioni:

• L'efficienza non può superare 1 (o 100%);
• per massimizzare questo valore è necessario o un aumento dell'energia ricevuta dal riscaldatore o una diminuzione dell'energia ceduta al frigorifero;
• un aumento dell'energia del riscaldatore si ottiene modificando la qualità del combustibile;
• riducendo l'energia data al frigorifero, ti permettono di raggiungere caratteristiche del progetto motori.

Motore termico ideale

È possibile creare un tale motore, la cui efficienza sarebbe massima (idealmente, pari al 100%)? Il fisico teorico francese e ingegnere di talento Sadi Carnot ha cercato di trovare la risposta a questa domanda. Nel 1824 furono resi pubblici i suoi calcoli teorici sui processi che si verificano nei gas.

L'idea principale dietro macchina perfetta, possiamo considerare di effettuare processi reversibili con un gas ideale. Iniziamo con l'espansione isoterma del gas ad una temperatura T 1 . La quantità di calore richiesta per questo è Q 1. Dopo che il gas si è espanso senza scambio di calore, raggiunta la temperatura T 2, il gas viene compresso isotermicamente, trasferendo l'energia Q 2 al frigorifero. Il ritorno del gas allo stato originario è adiabatico.

L'efficienza di un motore termico di Carnot ideale, quando calcolata con precisione, è uguale al rapporto tra la differenza di temperatura tra i dispositivi di riscaldamento e raffreddamento e la temperatura che ha il riscaldatore. Assomiglia a questo: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Il possibile rendimento di un motore termico, la cui formula è: η= 1 - T 2 / T 1 , dipende solo dalla temperatura del riscaldatore e del raffreddatore e non può essere superiore al 100%.

Inoltre, questo rapporto ci consente di dimostrare che l'efficienza dei motori termici può essere uguale a uno solo quando viene raggiunta la temperatura del frigorifero. Come sai, questo valore è irraggiungibile.

I calcoli teorici di Carnot consentono di determinare la massima efficienza di un motore termico di qualsiasi tipo.

Il teorema dimostrato da Carnot è il seguente. Un motore termico arbitrario in nessun caso è in grado di avere un coefficiente di efficienza maggiore del valore simile dell'efficienza di un motore termico ideale.

Esempio di risoluzione dei problemi

Esempio 1 Qual è l'efficienza di un motore termico ideale se la temperatura del riscaldatore è di 800°C e quella del frigorifero è inferiore di 500°C?

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

Per definizione: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Non ci viene data la temperatura del frigorifero, ma ∆T = (T 1 - T 2), da qui:

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

Risposta: efficienza = 46%.

Esempio 2 Determinare l'efficienza di un motore termico ideale se, a causa del kilojoule acquisito di energia del riscaldatore, lavoro utile 650 J. Qual è la temperatura del riscaldatore del motore termico se la temperatura del liquido di raffreddamento è di 400 K?

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

In questo problema, stiamo parlando di un impianto termico, la cui efficienza può essere calcolata con la formula:

Per determinare la temperatura del riscaldatore, utilizziamo la formula per l'efficienza di un motore termico ideale:

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

Dopo aver eseguito le trasformazioni matematiche, otteniamo:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

Calcoliamo:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

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

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

Condizioni reali

Il motore termico ideale è progettato tenendo conto dei processi ideali. Il lavoro viene svolto solo nei processi isotermici, il suo valore è definito come l'area delimitata dal grafico del ciclo di Carnot.

È infatti impossibile creare le condizioni per il processo di cambiamento di stato di un gas senza accompagnare cambiamenti di temperatura. Non ci sono materiali che escludano lo scambio termico con gli oggetti circostanti. Il processo adiabatico non è più possibile. Nel caso di trasferimento di calore, la temperatura del gas deve necessariamente cambiare.

L'efficienza dei motori termici creati in condizioni reali differisce in modo significativo dall'efficienza dei motori ideali. Si noti che i processi in motori veri si verifica così rapidamente che la variazione dell'energia termica interna della sostanza di lavoro nel processo di modifica del suo volume non può essere compensata dall'afflusso di calore dal riscaldatore e dal ritorno al dispositivo di raffreddamento.

Altri motori termici

I motori reali operano su cicli diversi:

• Ciclo Otto: il processo a volume costante cambia adiabaticamente creando un ciclo chiuso;
• Ciclo diesel: isobara, adiabat, isocora, adiabat;
• il processo che avviene a pressione costante è sostituito da uno adiabatico, chiudendo il ciclo.

Creare processi di equilibrio in motori reali (per avvicinarli a quelli ideali) in condizioni tecnologia moderna non sembra possibile. L'efficienza dei motori termici è molto inferiore, anche tenendo conto dello stesso condizioni di temperatura, come in un impianto termico ideale.

Ma non dovresti ridurre il ruolo della formula di calcolo dell'efficienza, poiché è lei che diventa il punto di partenza nel processo di lavoro per aumentare l'efficienza dei motori reali.

Modi per cambiare l'efficienza

Quando si confrontano i motori termici ideali e reali, vale la pena notare che la temperatura del frigorifero di quest'ultimo non può essere nessuna. Di solito l'atmosfera è considerata un frigorifero. La temperatura dell'atmosfera può essere presa solo in calcoli approssimativi. L'esperienza mostra che la temperatura del liquido di raffreddamento è uguale alla temperatura dei gas di scarico nei motori, come nel caso dei motori a combustione interna (abbreviati motori a combustione interna).

ICE è il motore termico più comune nel nostro mondo. L'efficienza di un motore termico in questo caso dipende dalla temperatura creata dal combustibile che brucia. Essenziale onora l'ICE dai motori a vapore è la fusione delle funzioni del riscaldatore e del corpo di lavoro del dispositivo in miscela aria-carburante. Bruciando, la miscela crea pressione sulle parti mobili del motore.

Un aumento della temperatura dei gas di lavoro si ottiene modificando in modo significativo le proprietà del carburante. Sfortunatamente, non è possibile farlo a tempo indeterminato. Qualsiasi materiale di cui è composta la camera di combustione di un motore ha un proprio punto di fusione. La resistenza al calore di tali materiali è la caratteristica principale del motore, nonché la capacità di influire in modo significativo sull'efficienza.

Valori di efficienza del motore

Se consideriamo la temperatura del vapore di lavoro all'ingresso del quale è di 800 K e il gas di scarico è di 300 K, l'efficienza di questa macchina è del 62%. In realtà, questo valore non supera il 40%. Tale diminuzione si verifica a causa delle perdite di calore durante il riscaldamento dell'involucro della turbina.

Il valore massimo di combustione interna non supera il 44%. Aumentare questo valore è una questione del prossimo futuro. Cambiare le proprietà dei materiali, i combustibili è un problema su cui stanno lavorando le migliori menti dell'umanità.

Quando parliamo di reversibilità dei processi, si dovrebbe tenere conto del fatto che si tratta di una sorta di idealizzazione. Tutti i processi reali sono irreversibili, quindi anche i cicli con cui operano i motori termici sono irreversibili, e quindi non in equilibrio. Tuttavia, per semplificare le stime quantitative di tali cicli, è necessario considerarli di equilibrio, cioè come se consistessero solo di processi di equilibrio. Ciò è richiesto dall'apparato ben sviluppato della termodinamica classica.

Il famoso ciclo della macchina di Carnot ideale è considerato un processo circolare inverso di equilibrio. In condizioni reali, nessun ciclo può essere ideale, poiché ci sono perdite. Avviene tra due fonti di calore con temperature costanti al dissipatore di calore. T1 e ricevitore di calore T 2, così come il fluido di lavoro, che viene preso come un gas ideale (Fig. 3.1).

Riso. 3.1. Ciclo del motore termico

crediamo che T1 > T 2 e la rimozione del calore dal dissipatore di calore e la fornitura di calore al dissipatore di calore non influiscono sulle loro temperature, T1 e T2 rimanere costante. Designiamo i parametri del gas nella posizione estrema sinistra del pistone del motore termico: pressione - R 1 volume - V 1, temperatura T uno . Questo è il punto 1 sul grafico sugli assi PV. In questo momento, il gas (fluido di lavoro) interagisce con la fonte di calore, la cui temperatura è anche T uno . Man mano che il pistone si sposta verso destra, la pressione del gas nel cilindro diminuisce e il volume aumenta. Questo continuerà fino a quando il pistone arriverà nella posizione determinata dal punto 2, dove i parametri del fluido di lavoro (gas) assumeranno i valori P 2 , V 2 , T2. La temperatura in questo punto rimane invariata, poiché la temperatura del gas e del dissipatore è la stessa durante il passaggio del pistone dal punto 1 al punto 2 (espansione). Tale processo in cui T non cambia, si chiama isoterma e la curva 1-2 si chiama isoterma. In questo processo, il calore viene trasferito dalla fonte di calore al fluido di lavoro. Q1.

Al punto 2 il bollitore è completamente isolato dall'ambiente esterno (non c'è scambio termico) e al ulteriore movimento pistone a destra, si verifica una diminuzione della pressione e un aumento del volume lungo una curva 2-3, che viene chiamata adiabatico(processo senza scambio termico con l'ambiente). Quando il pistone si sposta nella posizione estrema destra (punto 3), il processo di espansione terminerà e i parametri avranno i valori P 3 , V 3 , e la temperatura diventerà uguale alla temperatura del dissipatore T 2. Con questa posizione del pistone, l'isolamento del fluido di lavoro è ridotto e interagisce con il dissipatore di calore. Se ora aumentiamo la pressione sul pistone, si sposterà a sinistra a temperatura costante T2(compressione). Quindi, questo processo di compressione sarà isotermico. In questo processo, calore D2 passerà dal fluido di lavoro al dissipatore di calore. Il pistone, spostandosi verso sinistra, arriverà al punto 4 con i parametri P4, V4 e T 2 dove il fluido di lavoro è nuovamente isolato dall'ambiente. Un'ulteriore compressione si verifica lungo un adiabat 4-1 con un aumento della temperatura. Al punto 1, la compressione termina ai parametri del fluido di lavoro P1, V1, T1. Il pistone è tornato al suo stato originale. Al punto 1 si toglie l'isolamento del fluido di lavoro dall'ambiente esterno e si ripete il ciclo.

Rendimento di una macchina di Carnot ideale.

motore termico- un motore in cui l'energia interna del combustibile che brucia viene convertita in lavoro meccanico.

Qualsiasi motore termico è costituito da tre parti principali: stufa, corpo di lavoro(gas, liquido, ecc.) e frigorifero. Il funzionamento del motore si basa su un processo ciclico (questo è un processo in cui il sistema ritorna al suo stato originale).

Ciclo di Carnot

Nei motori termici, si sforzano di ottenere la conversione più completa dell'energia termica in energia meccanica. Massima efficienza.

La figura mostra i cicli utilizzati in un motore a carburatore a benzina e in motore diesel. In entrambi i casi, il fluido di lavoro è una miscela di vapori di benzina o Carburante diesel con aria. Il ciclo di un motore a combustione interna a carburatore è costituito da due isocore (1–2, 3–4) e due adiabati (2–3, 4–1). Un motore diesel a combustione interna funziona su un ciclo costituito da due adiabati (1–2, 3–4), un isobare (2–3) e un isocore (4–1). La vera efficienza per un motore a carburatore è di circa il 30%, per un motore diesel - circa il 40%.

Il fisico francese S. Carnot ha sviluppato il lavoro di un motore termico ideale. La parte attiva di una macchina di Carnot può essere immaginata come un pistone in un cilindro pieno di gas. Dal momento che il motore di Carnot - macchina è puramente teorica, cioè ideale, si assumono nulle le forze di attrito tra pistone e cilindro e le perdite di calore. lavoro meccanicoè massimo se il fluido di lavoro compie un ciclo formato da due isoterme e due adiabati. Questo ciclo è chiamato Ciclo di Carnot.

sezione 1-2: il gas riceve una quantità di calore Q 1 dal riscaldatore e si espande isotermicamente ad una temperatura T 1

sezione 2-3: il gas si espande adiabaticamente, la temperatura scende alla temperatura del frigorifero T 2

sezione 3-4: il gas viene compresso esotermicamente, mentre cede al frigorifero la quantità di calore Q 2

sezione 4-1: il gas viene compresso adiabaticamente fino a quando la sua temperatura sale a T 1 .

Il lavoro svolto dal corpo di lavoro è l'area della figura risultante 1234.

Tale motore funziona come segue:

1. Innanzitutto, il cilindro entra in contatto con un serbatoio caldo e il gas ideale si espande a temperatura costante. Durante questa fase, il gas riceve del calore dal serbatoio caldo.

2. Il cilindro viene quindi circondato da un perfetto isolamento termico, per cui la quantità di calore disponibile per il gas viene conservata e il gas continua ad espandersi fino a quando la sua temperatura scende a quella del serbatoio termico freddo.

3. Nella terza fase si toglie l'isolamento termico e si comprime il gas contenuto nella bombola, essendo a contatto con il serbatoio freddo, cedendo parte del calore al serbatoio freddo.

4. Quando la compressione raggiunge un certo punto, il cilindro viene nuovamente circondato dall'isolamento termico e il gas viene compresso sollevando il pistone finché la sua temperatura non eguaglia quella del serbatoio caldo. Successivamente, l'isolamento termico viene rimosso e il ciclo si ripete ancora dalla prima fase.