आदर्श मशीनच्या कार्यक्षमतेसाठी कार्नोटने प्राप्त केलेल्या सूत्राचे (5.12.2) मुख्य महत्त्व हे आहे की ते कोणत्याही उष्णता इंजिनची जास्तीत जास्त संभाव्य कार्यक्षमता निर्धारित करते.

कार्नोटने, थर्मोडायनामिक्सच्या दुसऱ्या नियमावर आधारित, खालील प्रमेय सिद्ध केला: तापमान हीटरसह चालणारे कोणतेही वास्तविक उष्णता इंजिनट 1 आणि रेफ्रिजरेटर तापमानट 2 , आदर्श उष्णता इंजिनच्या कार्यक्षमतेपेक्षा जास्त कार्यक्षमता असू शकत नाही.

* कार्नोटने क्लॉशियस आणि केल्विनच्या आधी थर्मोडायनामिक्सचा दुसरा नियम स्थापित केला, जेव्हा थर्मोडायनामिक्सचा पहिला नियम अद्याप कठोरपणे तयार केला गेला नव्हता.

आपण प्रथम वास्तविक वायूसह उलट करता येण्याजोग्या चक्रामध्ये कार्यरत उष्णता इंजिनचा विचार करूया. सायकल काहीही असू शकते, हे फक्त महत्वाचे आहे की हीटर आणि रेफ्रिजरेटरचे तापमान आहे ट 1 आणि ट 2 .

दुसऱ्या हीट इंजिनची कार्यक्षमता (कार्नॉट सायकलनुसार चालत नाही) η ’ > η . ही यंत्रे कॉमन हीटर आणि कॉमन रेफ्रिजरेटरने चालतात. कार्नोट मशीनला रिव्हर्स सायकलमध्ये (रेफ्रिजरेशन मशीन सारखे) काम करू द्या आणि इतर मशीनला फॉरवर्ड सायकलमध्ये काम करू द्या (चित्र 5.18). हीट इंजिन (५.१२.३) आणि (५.१२.५) सूत्रांनुसार समान कार्य करते:

रेफ्रिजरेशन मशीन नेहमी डिझाइन केले जाऊ शकते जेणेकरून ते रेफ्रिजरेटरमधून उष्णता घेते प्र 2 = ||

त्यानंतर, सूत्रानुसार (5.12.7) त्यावर काम केले जाईल

(5.12.12)

अटीनुसार η" > η , ते अ" > ए.म्हणून, उष्णता इंजिन रेफ्रिजरेशन मशीन चालवू शकते आणि तरीही जास्त काम बाकी असेल. हे अतिरिक्त काम एका स्त्रोताकडून घेतलेल्या उष्णतेने केले जाते. शेवटी, जेव्हा दोन मशीन एकाच वेळी कार्य करतात तेव्हा उष्णता रेफ्रिजरेटरमध्ये हस्तांतरित केली जात नाही. परंतु हे थर्मोडायनामिक्सच्या दुसऱ्या नियमाच्या विरुद्ध आहे.

जर आपण असे गृहीत धरले की η > η ", नंतर तुम्ही दुसरे मशीन रिव्हर्स सायकलमध्ये आणि कार्नोट मशीन फॉरवर्ड सायकलमध्ये काम करू शकता. थर्मोडायनामिक्सच्या दुसऱ्या नियमाशी आपण पुन्हा विरोधाभास करू. परिणामी, उलट करता येण्याजोग्या सायकलवर कार्यरत असलेल्या दोन मशीनची कार्यक्षमता समान आहे: η " = η .

दुसरे मशीन अपरिवर्तनीय चक्रावर चालत असेल तर ती वेगळी बाब आहे. जर आपण η गृहीत धरले " > η , मग आपण पुन्हा थर्मोडायनामिक्सच्या दुसऱ्या नियमाशी विरोधाभास करू. तथापि, गृहीतक टी|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, किंवा

हा मुख्य परिणाम आहे:

(5.12.13)

वास्तविक उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता

फॉर्म्युला (5.12.13) उष्णता इंजिनच्या कमाल कार्यक्षमतेच्या मूल्यासाठी सैद्धांतिक मर्यादा देते. हे दर्शविते की हीटरचे तापमान जितके जास्त असेल आणि रेफ्रिजरेटरचे तापमान जितके कमी असेल तितके उष्णता इंजिन अधिक कार्यक्षम आहे. केवळ रेफ्रिजरेटर तापमानात निरपेक्ष शून्य η = 1 होते.

परंतु रेफ्रिजरेटरचे तापमान व्यावहारिकदृष्ट्या सभोवतालच्या तापमानापेक्षा खूपच कमी असू शकत नाही. आपण हीटरचे तापमान वाढवू शकता. तथापि, कोणत्याही सामग्रीचा (घन शरीर) मर्यादित उष्णता प्रतिरोध किंवा उष्णता प्रतिकार असतो. गरम झाल्यावर, ते हळूहळू त्याचे लवचिक गुणधर्म गमावते आणि पुरेशा उच्च तापमानात ते वितळते.

इंजिनांच्या भागांचे घर्षण, अपूर्ण ज्वलनामुळे होणारी इंधनाची हानी इत्यादी कमी करून त्यांची कार्यक्षमता वाढवणे हे अभियंत्यांच्या मुख्य प्रयत्नांचे उद्दिष्ट आहे. येथे कार्यक्षमता वाढवण्याच्या खऱ्या संधी अजूनही आहेत. अशा प्रकारे, स्टीम टर्बाइनसाठी, प्रारंभिक आणि अंतिम वाफेचे तापमान अंदाजे खालीलप्रमाणे आहे: ट 1 = 800 के आणि ट 2 = 300 K. या तापमानात, कमाल कार्यक्षमता मूल्य आहे:

विविध प्रकारच्या ऊर्जेच्या नुकसानीमुळे वास्तविक कार्यक्षमतेचे मूल्य अंदाजे 40% आहे. जास्तीत जास्त कार्यक्षमता - सुमारे 44% - अंतर्गत दहन इंजिनद्वारे प्राप्त होते.

कोणत्याही उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता जास्तीत जास्त संभाव्य मूल्यापेक्षा जास्त असू शकत नाही
, जेथे टी 1 - हीटरचे परिपूर्ण तापमान आणि टी 2 - रेफ्रिजरेटरचे परिपूर्ण तापमान.

उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता वाढवणे आणि शक्य तितक्या जवळ आणणे- सर्वात महत्वाचे तांत्रिक आव्हान.

भौतिकशास्त्र, 10वी इयत्ता

धडा 25. हीट इंजिन. उष्णता इंजिन कार्यक्षमता

धड्यात समाविष्ट असलेल्या प्रश्नांची यादी:

1) उष्णता इंजिनची संकल्पना;

2) उष्णता इंजिनच्या ऑपरेशनचे डिझाइन आणि तत्त्व;

3) उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता;

4) कार्नोट सायकल.

विषयावरील शब्दकोष

उष्णता इंजिन -एक साधन ज्यामध्ये इंधनाची अंतर्गत ऊर्जा यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतरित केली जाते.

कार्यक्षमता (कार्यक्षमता घटक) हीटरमधून मिळालेल्या उष्णतेच्या प्रमाणात दिलेल्या इंजिनद्वारे केलेल्या उपयुक्त कार्याचे गुणोत्तर आहे.

अंतर्गत ज्वलन इंजिन- एक इंजिन ज्यामध्ये इंधन थेट इंजिनच्या कार्यरत चेंबरमध्ये (आत) जळते.

जेट यंत्र- एक इंजिन जे इंधनाची अंतर्गत उर्जा कार्यरत द्रव्याच्या जेट प्रवाहाच्या गतिज उर्जेमध्ये रूपांतरित करून हालचालीसाठी आवश्यक कर्षण शक्ती तयार करते.

कार्नोट सायकलही एक आदर्श वर्तुळाकार प्रक्रिया आहे ज्यामध्ये दोन ॲडियाबॅटिक आणि दोन समतापीय प्रक्रिया असतात.

हीटर- एक उपकरण ज्यामधून कार्यरत द्रव ऊर्जा प्राप्त करतो, ज्याचा काही भाग काम करण्यासाठी वापरला जातो.

फ्रीज- एक शरीर जे कार्यरत द्रवपदार्थाच्या उर्जेचा काही भाग शोषून घेते (वातावरण किंवा एक्झॉस्ट स्टीम थंड करण्यासाठी आणि कंडेन्सिंगसाठी विशेष उपकरणे, म्हणजे कंडेन्सर).

कार्यरत द्रव- एक शरीर जे, विस्तारित असताना, कार्य करते (ते वायू किंवा वाफ आहे)

धड्याच्या विषयावरील मूलभूत आणि अतिरिक्त साहित्य:

1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Sotsky N.N. भौतिकशास्त्र. 10वी इयत्ता. सामान्य शैक्षणिक संस्थांसाठी पाठ्यपुस्तक एम.: प्रोस्वेश्चेनी, 2017. - पृष्ठ 269 - 273.

2. रिमकेविच ए.पी. भौतिकशास्त्रातील समस्यांचा संग्रह. 10-11 ग्रेड. -एम.: बस्टर्ड, 2014. – पृष्ठ ८७ – ८८.

धड्याच्या विषयावर इलेक्ट्रॉनिक संसाधने उघडा

स्वयं-अभ्यासासाठी सैद्धांतिक साहित्य

वेगवेगळ्या राष्ट्रांच्या परीकथा आणि पौराणिक कथा सूचित करतात की लोक नेहमीच एका ठिकाणाहून दुस-या ठिकाणी त्वरीत जाण्याचे किंवा हे किंवा ते काम त्वरीत करण्याचे स्वप्न पाहत असतात. हे ध्येय साध्य करण्यासाठी, कार्य करू शकतील किंवा अंतराळात फिरू शकतील अशा उपकरणांची आवश्यकता होती. त्यांच्या सभोवतालच्या जगाचे निरीक्षण करून, शोधक निष्कर्षापर्यंत पोहोचले की कार्य सुलभ करण्यासाठी आणि त्वरीत हालचाल करण्यासाठी, इतर शरीराची उर्जा वापरणे आवश्यक आहे, उदाहरणार्थ, पाणी, वारा इ. गनपावडरची अंतर्गत ऊर्जा किंवा इतर प्रकारचे इंधन आपल्या स्वतःच्या हेतूंसाठी वापरणे शक्य आहे का? जर आपण चाचणी ट्यूब घेतली तर त्यात पाणी ओतले, स्टॉपरने बंद करा आणि गरम करा. गरम झाल्यावर, पाणी उकळेल आणि परिणामी पाण्याची वाफ प्लग बाहेर ढकलेल. स्टीम जसजसे विस्तारते तसतसे कार्य करते. या उदाहरणात, आपण पाहतो की इंधनाची अंतर्गत ऊर्जा एका हलत्या प्लगच्या यांत्रिक उर्जेमध्ये बदलली आहे. प्लगला ट्यूबच्या आत हलविण्यास सक्षम असलेल्या पिस्टनसह आणि ट्यूब स्वतः सिलेंडरसह बदलून, आम्हाला सर्वात सोपी उष्णता इंजिन मिळते.

उष्णता इंजिन -हीट इंजिन एक असे उपकरण आहे ज्यामध्ये इंधनाची अंतर्गत ऊर्जा यांत्रिक उर्जेमध्ये रूपांतरित केली जाते.

सर्वात सोप्या अंतर्गत ज्वलन इंजिनची रचना आठवूया. अंतर्गत ज्वलन इंजिनमध्ये एक सिलेंडर असतो ज्यामध्ये पिस्टन फिरतो. कनेक्टिंग रॉड वापरून पिस्टन क्रँकशाफ्टशी जोडला जातो. प्रत्येक सिलेंडरच्या शीर्षस्थानी दोन वाल्व आहेत. वाल्वपैकी एकाला इनलेट म्हणतात आणि दुसर्याला एक्झॉस्ट म्हणतात. पिस्टनची सुरळीत हालचाल सुनिश्चित करण्यासाठी, क्रँकशाफ्टवर एक जड फ्लायव्हील बसवले जाते.

अंतर्गत ज्वलन इंजिनच्या ऑपरेटिंग सायकलमध्ये चार स्ट्रोक असतात: सेवन, कॉम्प्रेशन, पॉवर स्ट्रोक, एक्झॉस्ट.

पहिल्या स्ट्रोक दरम्यान, इनटेक व्हॉल्व्ह उघडतो आणि एक्झॉस्ट वाल्व्ह बंद राहतो. खालच्या दिशेने जाणारा पिस्टन सिलेंडरमध्ये ज्वलनशील मिश्रण शोषून घेतो.

दुसऱ्या स्ट्रोकमध्ये, दोन्ही वाल्व्ह बंद आहेत. वरच्या दिशेने फिरणारा पिस्टन दहनशील मिश्रण संकुचित करतो, जे कॉम्प्रेशन दरम्यान गरम होते.

तिसऱ्या स्ट्रोकमध्ये, पिस्टन वरच्या स्थितीत असताना, मिश्रण स्पार्क प्लगमधून इलेक्ट्रिक स्पार्कद्वारे प्रज्वलित होते. प्रज्वलित मिश्रण गरम वायू बनवते, ज्याचा दाब 3-6 एमपीए आहे आणि तापमान 1600-2200 अंशांपर्यंत पोहोचते. दबाव शक्ती पिस्टनला खाली ढकलते, ज्याची हालचाल फ्लायव्हीलसह क्रॅन्कशाफ्टमध्ये प्रसारित केली जाते. जोरदार धक्का मिळाल्यानंतर, फ्लायव्हील जडत्वाने फिरत राहील, त्यानंतरच्या स्ट्रोक दरम्यान पिस्टनची हालचाल सुनिश्चित करेल. या स्ट्रोक दरम्यान दोन्ही वाल्व्ह बंद राहतात.

चौथ्या स्ट्रोकमध्ये, एक्झॉस्ट व्हॉल्व्ह उघडतो आणि एक्झॉस्ट वायू हलत्या पिस्टनद्वारे मफलरद्वारे (आकृतीमध्ये दर्शविलेले नाही) वातावरणात ढकलले जातात.

कोणत्याही उष्णता इंजिनमध्ये तीन मुख्य घटक असतात: एक हीटर, एक कार्यरत द्रव आणि रेफ्रिजरेटर.

उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता निश्चित करण्यासाठी, कार्यक्षमतेची संकल्पना सादर केली जाते.

कार्यक्षमता गुणांक हे हीटरमधून मिळालेल्या उष्णतेच्या प्रमाणात दिलेल्या इंजिनद्वारे केलेल्या उपयुक्त कार्याचे गुणोत्तर आहे.

Q 1 - गरम करण्यापासून प्राप्त होणारी उष्णता

Q 2 - रेफ्रिजरेटरमध्ये उष्णतेचे प्रमाण

- प्रति सायकल इंजिनद्वारे केलेले कार्य.

ही कार्यक्षमता वास्तविक आहे, म्हणजे. तंतोतंत हे सूत्र आहे जे वास्तविक उष्णता इंजिनचे वैशिष्ट्य करण्यासाठी वापरले जाते.

इंजिनची पॉवर N आणि ऑपरेटिंग वेळ टी जाणून घेतल्यास, प्रत्येक चक्रात केलेले कार्य सूत्र वापरून शोधले जाऊ शकते.

रेफ्रिजरेटरमध्ये न वापरलेली ऊर्जा हस्तांतरित करणे.

19व्या शतकात, थर्मल अभियांत्रिकीवरील कामाच्या परिणामी, फ्रेंच अभियंता साडी कार्नोट यांनी कार्यक्षमता (थर्मोडायनामिक तापमानाद्वारे) निश्चित करण्यासाठी दुसरी पद्धत प्रस्तावित केली.

या सूत्राचे मुख्य महत्त्व असे आहे की T1 तपमानावर हीटर आणि T2 तापमानावरील रेफ्रिजरेटरसह चालणाऱ्या कोणत्याही वास्तविक उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता आदर्श उष्णता इंजिनपेक्षा जास्त असू शकत नाही. Sadi Carnot, हीट इंजिनची कोणत्या बंद प्रक्रियेत जास्तीत जास्त कार्यक्षमता असेल हे शोधून काढण्यासाठी, 2 ॲडियाबॅटिक आणि दोन समथर्मल प्रक्रियांचा समावेश असलेले चक्र वापरून प्रस्तावित केले.

कार्नोट सायकल हे जास्तीत जास्त कार्यक्षमतेसह सर्वात कार्यक्षम चक्र आहे.

कार्यक्षमतेसह कोणतेही उष्णता इंजिन नाही = 100% किंवा 1.

सूत्र उष्णता इंजिनच्या कमाल कार्यक्षमतेच्या मूल्यासाठी सैद्धांतिक मर्यादा देते. हे दर्शविते की हीटरचे तापमान जितके जास्त असेल आणि रेफ्रिजरेटरचे तापमान जितके कमी असेल तितके उष्णता इंजिन अधिक कार्यक्षम आहे. केवळ रेफ्रिजरेटर तापमानात निरपेक्ष शून्य η = 1 होते.

परंतु रेफ्रिजरेटरचे तापमान व्यावहारिकदृष्ट्या सभोवतालच्या तापमानापेक्षा कमी असू शकत नाही. आपण हीटरचे तापमान वाढवू शकता. तथापि, कोणत्याही सामग्रीचा (घन शरीर) मर्यादित उष्णता प्रतिरोध किंवा उष्णता प्रतिकार असतो. गरम झाल्यावर, ते हळूहळू त्याचे लवचिक गुणधर्म गमावते आणि पुरेशा उच्च तापमानात ते वितळते.

इंजिनांच्या भागांचे घर्षण, अपूर्ण ज्वलनामुळे होणारी इंधनाची हानी इत्यादी कमी करून त्यांची कार्यक्षमता वाढवणे हे अभियंत्यांच्या मुख्य प्रयत्नांचे उद्दिष्ट आहे. येथे कार्यक्षमता वाढवण्याच्या खऱ्या संधी अजूनही आहेत.

उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता वाढवणे आणि ते जास्तीत जास्त शक्यतेच्या जवळ आणणे हे सर्वात महत्वाचे तांत्रिक कार्य आहे.

उच्च-तापमान वाफेचे उत्पादन करण्यासाठी उष्णता इंजिन - स्टीम टर्बाइन - देखील सर्व अणुऊर्जा प्रकल्पांमध्ये स्थापित केले जातात. सर्व मुख्य प्रकारचे आधुनिक वाहतूक प्रामुख्याने उष्णता इंजिन वापरतात: ऑटोमोबाईलमध्ये - पिस्टन अंतर्गत ज्वलन इंजिन; पाण्यावर - अंतर्गत ज्वलन इंजिन आणि स्टीम टर्बाइन; रेल्वेवर - डिझेल युनिट्ससह डिझेल लोकोमोटिव्ह; विमानचालन मध्ये - पिस्टन, टर्बोजेट आणि जेट इंजिन.

चला उष्णता इंजिनच्या कार्यक्षमतेच्या वैशिष्ट्यांची तुलना करूया.

स्टीम इंजिन - 8%.

स्टीम टर्बाइन - 40%.

गॅस टर्बाइन - 25-30%.

अंतर्गत ज्वलन इंजिन - 18-24%.

डिझेल इंजिन - 40-44%.

जेट इंजिन - 25%.

उष्णता इंजिनचा व्यापक वापर पर्यावरणावर त्याची छाप सोडत नाही: ऑक्सिजनचे प्रमाण हळूहळू कमी होते आणि वातावरणातील कार्बन डाय ऑक्साईडचे प्रमाण वाढते, मानवी आरोग्यासाठी हानिकारक रासायनिक संयुगे हवा प्रदूषित होते. हवामान बदलाचा धोका निर्माण होत आहे. म्हणूनच, पर्यावरणीय प्रदूषण कमी करण्याचे मार्ग शोधणे ही आजची सर्वात गंभीर वैज्ञानिक आणि तांत्रिक समस्या आहे.

समस्या सोडवण्याची उदाहरणे आणि विश्लेषण

1 . जर 180 किमी/तास वेगाने गॅसोलीनचा वापर 15 लिटर प्रति 100 किमी असेल आणि इंजिनची कार्यक्षमता 25% असेल तर कार इंजिनची सरासरी किती शक्ती विकसित होते?

एक इंजिन ज्यामध्ये जळणाऱ्या इंधनाची अंतर्गत ऊर्जा यांत्रिक कार्यात रूपांतरित केली जाते.

कोणत्याही उष्णता इंजिनमध्ये तीन मुख्य भाग असतात: हीटर, कार्यरत द्रव(गॅस, द्रव इ.) आणि रेफ्रिजरेटर. इंजिनचे ऑपरेशन चक्रीय प्रक्रियेवर आधारित आहे (ही अशी प्रक्रिया आहे ज्यामुळे सिस्टम त्याच्या मूळ स्थितीकडे परत येते).

डायरेक्ट सायकल हीट इंजिन

सर्व चक्रीय (किंवा गोलाकार) प्रक्रियांचा एक सामान्य गुणधर्म असा आहे की ते कार्यरत द्रवपदार्थ केवळ एका उष्णता जलाशयाच्या थर्मल संपर्कात आणून चालवता येत नाहीत. आपल्याला त्यापैकी किमान दोन आवश्यक आहेत. जास्त तापमान असलेल्या उष्णतेच्या साठ्याला हीटर म्हणतात आणि कमी तापमान असलेल्या उष्णतेच्या साठ्याला रेफ्रिजरेटर म्हणतात. वर्तुळाकार प्रक्रिया पार पाडताना, कार्यरत द्रवपदार्थ हीटरमधून विशिष्ट प्रमाणात उष्णता Q 1 प्राप्त करतो (विस्तार होतो) आणि जेव्हा ते त्याच्या मूळ स्थितीत परत येते आणि संकुचित होते तेव्हा रेफ्रिजरेटरमध्ये उष्णता Q 2 ची मात्रा हस्तांतरित करते. प्रत्येक चक्रातील कार्यरत द्रवपदार्थाद्वारे प्राप्त होणारी उष्णतेची एकूण मात्रा Q=Q 1 -Q 2 हे एका चक्रात कार्यरत द्रवाने केलेल्या कामाच्या बरोबरीचे असते.

रेफ्रिजरेटर उलट चक्र

उलट चक्रात, विस्तार कमी दाबाने होतो आणि संक्षेप जास्त दाबाने होतो. म्हणून, कॉम्प्रेशनचे कार्य विस्ताराच्या कामापेक्षा मोठे आहे; कार्य कार्यरत द्रवाद्वारे नाही तर बाह्य शक्तींद्वारे केले जाते. हे काम उष्णतेमध्ये बदलते. अशा प्रकारे, रेफ्रिजरेशन मशीनमध्ये, कार्यरत द्रव रेफ्रिजरेटरमधून विशिष्ट प्रमाणात उष्णता Q 1 घेतो आणि मोठ्या प्रमाणात उष्णता Q 2 हीटरमध्ये स्थानांतरित करतो.

कार्यक्षमता

थेट चक्र:

रेफ्रिजरेटर कार्यक्षमता निर्देशक:

कार्नोट सायकल

उष्णता इंजिनमध्ये, ते थर्मल ऊर्जेचे यांत्रिक उर्जेमध्ये सर्वात संपूर्ण रूपांतरण साध्य करण्याचा प्रयत्न करतात. कमाल कार्यक्षमता.

आकृती गॅसोलीन कार्बोरेटर इंजिन आणि डिझेल इंजिनमध्ये वापरलेली सायकल दर्शवते. दोन्ही प्रकरणांमध्ये, कार्यरत द्रवपदार्थ हवेसह गॅसोलीन किंवा डिझेल इंधन वाष्प यांचे मिश्रण आहे. कार्बोरेटर अंतर्गत ज्वलन इंजिनच्या चक्रात दोन आयसोकोर (1-2, 3-4) आणि दोन एडिबॅट्स (2-3, 4-1) असतात. डिझेल अंतर्गत ज्वलन इंजिन दोन एडियाबॅट्स (1-2, 3-4), एक आइसोबार (2-3) आणि एक आइसोकोर (4-1) असलेल्या सायकलवर चालते. कार्बोरेटर इंजिनची वास्तविक कार्यक्षमता सुमारे 30% असते आणि डिझेल इंजिनची कार्यक्षमता सुमारे 40% असते.

फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ एस. कार्नोट यांनी आदर्श उष्णता इंजिनचे कार्य विकसित केले. कार्नोट इंजिनच्या कार्यरत भागाची कल्पना गॅसने भरलेल्या सिलेंडरमध्ये पिस्टन म्हणून केली जाऊ शकते. कार्नोट इंजिन असल्याने कार पूर्णपणे सैद्धांतिक आहे, म्हणजेच आदर्श, पिस्टन आणि सिलेंडरमधील घर्षण शक्ती आणि उष्णतेचे नुकसान शून्याच्या समान मानले जाते. कार्यरत द्रवपदार्थाने दोन समताप आणि दोन एडियाबॅट्स असलेले चक्र चालवल्यास यांत्रिक कार्य कमाल असते. या चक्राला म्हणतात कार्नोट सायकल.

विभाग 1-2: वायूला हीटरमधून उष्णता Q 1 ची मात्रा मिळते आणि तापमान T 1 वर समतापीयरित्या विस्तारते
विभाग 2-3: वायू ॲडिएबॅटिकपणे विस्तारतो, तापमान रेफ्रिजरेटर तापमान T 2 पर्यंत घसरते
कलम 3-4: गॅस बाह्य थर्मिकली संकुचित केला जातो, तर तो उष्णता Q 2 रेफ्रिजरेटरमध्ये स्थानांतरित करतो
विभाग 4-1: वायूचे तापमान T1 पर्यंत वाढेपर्यंत ॲडिएबॅटिकली संकुचित केले जाते.
कार्यरत द्रवपदार्थाद्वारे केलेले कार्य परिणामी आकृती 1234 चे क्षेत्र आहे.

असे इंजिन खालीलप्रमाणे कार्य करते:

1. प्रथम, सिलेंडर गरम जलाशयाच्या संपर्कात येतो आणि आदर्श वायू स्थिर तापमानात विस्तारतो. या टप्प्यात, गॅसला गरम जलाशयातून विशिष्ट प्रमाणात उष्णता मिळते.
2. सिलेंडर नंतर परिपूर्ण थर्मल इन्सुलेशनने वेढलेले असते, ज्यामुळे गॅसमध्ये उपलब्ध उष्णतेचे प्रमाण संरक्षित केले जाते आणि त्याचे तापमान थंड थर्मल जलाशयाच्या तापमानापर्यंत खाली येईपर्यंत वायूचा विस्तार होत राहतो.
3. तिसऱ्या टप्प्यात, थर्मल इन्सुलेशन काढून टाकले जाते, आणि सिलेंडरमधील वायू, शीत जलाशयाच्या संपर्कात असल्याने, संकुचित केला जातो, ज्यामुळे थंड जलाशयाला काही उष्णता मिळते.
4. जेव्हा कॉम्प्रेशन एका विशिष्ट बिंदूवर पोहोचते, तेव्हा सिलेंडर पुन्हा थर्मल इन्सुलेशनने वेढला जातो आणि पिस्टन वाढवून गॅस संकुचित केला जातो जोपर्यंत त्याचे तापमान गरम जलाशयाच्या तापमानाच्या समान होत नाही. यानंतर, थर्मल इन्सुलेशन काढून टाकले जाते आणि पहिल्या टप्प्यापासून सायकलची पुनरावृत्ती होते.

सध्याच्या धड्याचा विषय मागील धड्यांप्रमाणे, उपकरणे - हीट इंजिनांप्रमाणे, अगदी ठोस स्वरूपात घडणाऱ्या प्रक्रियांचा विचार केला जाईल, आणि अमूर्त नाही. आम्ही अशा मशीन्सची व्याख्या करू, त्यांचे मुख्य घटक आणि ऑपरेटिंग तत्त्वाचे वर्णन करू. तसेच या धड्यादरम्यान, आम्ही कार्यक्षमता शोधण्याच्या मुद्द्याचा विचार करू - हीट इंजिनची कार्यक्षमता घटक, वास्तविक आणि जास्तीत जास्त शक्य.

विषय: थर्मोडायनामिक्सची मूलभूत तत्त्वे
धडा: उष्णता इंजिन कसे चालते

शेवटच्या धड्याचा विषय थर्मोडायनामिक्सचा पहिला नियम होता, ज्याने गॅसच्या एका भागामध्ये हस्तांतरित केलेली उष्णता आणि विस्तारादरम्यान या वायूने ​​केलेले कार्य यांच्यातील संबंध निर्दिष्ट केला होता. आणि आता असे म्हणण्याची वेळ आली आहे की हे सूत्र केवळ काही सैद्धांतिक गणनेसाठीच नाही तर अगदी व्यावहारिक वापरासाठी देखील आहे, कारण गॅसचे कार्य हे उपयुक्त कामापेक्षा अधिक काही नाही, जे आपण उष्णता इंजिन वापरताना काढतो.

व्याख्या. उष्णता इंजिन- एक उपकरण ज्यामध्ये इंधनाची अंतर्गत ऊर्जा यांत्रिक कार्यात रूपांतरित केली जाते (चित्र 1).

तांदूळ. 1. उष्णता इंजिनची विविध उदाहरणे (), ()

जसे आपण आकृतीवरून पाहू शकता, उष्णता इंजिन हे वरील तत्त्वावर चालणारे कोणतेही उपकरण आहेत आणि ते आश्चर्यकारकपणे साध्या ते डिझाइनमध्ये अतिशय जटिल आहेत.

अपवाद न करता, सर्व उष्मा इंजिने कार्यशीलपणे तीन घटकांमध्ये विभागली जातात (चित्र 2 पहा):

• हीटर
• कार्यरत द्रव
• फ्रीज

तांदूळ. 2. हीट इंजिनचे कार्यात्मक आकृती ()

हीटर ही इंधनाच्या ज्वलनाची प्रक्रिया आहे, जी दहन दरम्यान गॅसमध्ये मोठ्या प्रमाणात उष्णता हस्तांतरित करते, उच्च तापमानात गरम करते. गरम वायू, जो कार्यरत द्रव आहे, तापमानात वाढ झाल्यामुळे आणि परिणामी, दबाव, कामामुळे विस्तारित होतो. अर्थात, इंजिन बॉडी, सभोवतालची हवा इत्यादींसह उष्णता हस्तांतरण नेहमीच होत असल्याने, कार्य संख्यात्मकदृष्ट्या हस्तांतरित उष्णतेच्या बरोबरीचे होणार नाही - उर्जेचा काही भाग रेफ्रिजरेटरमध्ये जातो, जो नियम म्हणून, पर्यावरण आहे. .

घडणाऱ्या प्रक्रियेची कल्पना करण्याचा सर्वात सोपा मार्ग म्हणजे हलत्या पिस्टनच्या खाली असलेल्या साध्या सिलेंडरमध्ये (उदाहरणार्थ, अंतर्गत ज्वलन इंजिनचा सिलेंडर). स्वाभाविकच, इंजिन कार्य करण्यासाठी आणि अर्थ प्राप्त करण्यासाठी, प्रक्रिया चक्रीयपणे घडली पाहिजे, आणि एक वेळ नाही. म्हणजेच, प्रत्येक विस्तारानंतर, गॅस त्याच्या मूळ स्थितीत परत आला पाहिजे (चित्र 3).

तांदूळ. 3. हीट इंजिनच्या चक्रीय ऑपरेशनचे उदाहरण ()

वायू त्याच्या सुरुवातीच्या स्थितीत परत येण्यासाठी, त्यावर काही काम केले पाहिजे (बाह्य शक्तींचे कार्य). आणि गॅसचे कार्य विरुद्ध चिन्हासह गॅसवरील कामाच्या बरोबरीचे असल्याने, गॅसने संपूर्ण चक्रात संपूर्ण सकारात्मक कार्य करण्यासाठी (अन्यथा इंजिनमध्ये कोणताही मुद्दा नसतो), ते आवश्यक आहे. बाह्य शक्तींचे कार्य वायूच्या कार्यापेक्षा कमी असावे. म्हणजेच, P-V निर्देशांकांमध्ये चक्रीय प्रक्रियेच्या आलेखाचे स्वरूप असावे: घड्याळाच्या दिशेने ट्रॅव्हर्सलसह बंद लूप. या स्थितीत, वायूने ​​केलेले काम (आलेखाच्या विभागात जेथे व्हॉल्यूम वाढते) गॅसवर केलेल्या कामापेक्षा जास्त आहे (ज्या विभागात आवाज कमी होतो) (चित्र 4).

तांदूळ. 4. हीट इंजिनमध्ये होणाऱ्या प्रक्रियेच्या आलेखाचे उदाहरण

आपण एका विशिष्ट यंत्रणेबद्दल बोलत असल्याने, त्याची कार्यक्षमता काय आहे हे सांगणे अत्यावश्यक आहे.

व्याख्या. हीट इंजिनची कार्यक्षमता (कार्यक्षमता गुणांक).- हीटरमधून शरीरात हस्तांतरित केलेल्या उष्णतेच्या प्रमाणात कार्यरत द्रवाद्वारे केलेल्या उपयुक्त कार्याचे गुणोत्तर.

जर आपण ऊर्जेचे संवर्धन विचारात घेतले तर: हीटर सोडणारी उर्जा कुठेही अदृश्य होत नाही - त्याचा काही भाग कामाच्या स्वरूपात काढला जातो, उर्वरित रेफ्रिजरेटरमध्ये जातो:

आम्हाला मिळते:

हे भागांमध्ये कार्यक्षमतेसाठी एक अभिव्यक्ती आहे; जर तुम्हाला कार्यक्षमतेचे मूल्य टक्केवारीत मिळवायचे असेल, तर तुम्ही परिणामी संख्या 100 ने गुणाकार केली पाहिजे. एसआय मापन प्रणालीमध्ये कार्यक्षमता ही एक परिमाण नसलेली परिमाण आहे आणि सूत्रावरून पाहिले जाऊ शकत नाही. एकापेक्षा जास्त (किंवा 100).

हे देखील म्हटले पाहिजे की या अभिव्यक्तीला वास्तविक उष्णता इंजिन (उष्णता इंजिन) ची वास्तविक कार्यक्षमता किंवा कार्यक्षमता म्हणतात. जर आपण असे गृहीत धरले की आपण इंजिन डिझाइनमधील उणीवांपासून पूर्णपणे मुक्त होऊ शकतो, तर आपल्याला एक आदर्श इंजिन मिळेल आणि त्याची कार्यक्षमता आदर्श उष्णता इंजिनच्या कार्यक्षमतेसाठी सूत्र वापरून मोजली जाईल. हे सूत्र फ्रेंच अभियंता साडी कार्नोट (चित्र 5) यांनी मिळवले होते:

हीट इंजिन (मशीन) हे असे उपकरण आहे जे इंधनाच्या अंतर्गत ऊर्जेचे यांत्रिक कार्यात रूपांतर करते, आसपासच्या शरीरासह उष्णतेची देवाणघेवाण करते. बहुतेक आधुनिक ऑटोमोबाईल, विमान, जहाज आणि रॉकेट इंजिन थर्मल इंजिन ऑपरेशनच्या तत्त्वांवर डिझाइन केलेले आहेत. कार्यरत पदार्थाची मात्रा बदलून कार्य केले जाते आणि कोणत्याही प्रकारच्या इंजिनची कार्यक्षमता दर्शवण्यासाठी, कार्यक्षमता नावाचे मूल्य वापरले जाते.

उष्णता इंजिन कसे कार्य करते?

थर्मोडायनामिक्सच्या दृष्टिकोनातून (भौतिकशास्त्राची एक शाखा जी अंतर्गत आणि यांत्रिक उर्जेच्या परस्पर परिवर्तनांचे नमुने आणि एका शरीरातून दुसऱ्या शरीरात ऊर्जा हस्तांतरणाचा अभ्यास करते), कोणत्याही उष्णता इंजिनमध्ये हीटर, रेफ्रिजरेटर आणि कार्यरत द्रवपदार्थ असतात. .

तांदूळ. 1. हीट इंजिनच्या ऑपरेशनचे ब्लॉक आकृती:.

प्रोटोटाइप हीट इंजिनचा पहिला उल्लेख स्टीम टर्बाइनचा संदर्भ देतो, ज्याचा शोध प्राचीन रोममध्ये (2रे शतक ईसापूर्व) लागला होता. खरे आहे, त्या वेळी अनेक सहाय्यक भागांच्या कमतरतेमुळे आविष्काराला त्या वेळी व्यापक उपयोग सापडला नाही. उदाहरणार्थ, त्यावेळी बेअरिंगसारख्या कोणत्याही यंत्रणेच्या ऑपरेशनसाठी अशा मुख्य घटकाचा शोध लागला नव्हता.

कोणत्याही उष्णता इंजिनचे सामान्य ऑपरेटिंग आकृती असे दिसते:

• हीटरचे तापमान T 1 इतके जास्त आहे की ते मोठ्या प्रमाणात उष्णता प्र 1 स्थानांतरित करू शकेल. बहुतेक उष्णता इंजिनांमध्ये, इंधन मिश्रण (इंधन-ऑक्सिजन) च्या ज्वलनाने उष्णता निर्माण होते;
• इंजिनचे कार्यरत द्रव (वाफ किंवा वायू) उपयुक्त कार्य करते अ,उदाहरणार्थ, ते पिस्टन हलवतात किंवा टर्बाइन फिरवतात;
• रेफ्रिजरेटर कार्यरत द्रवपदार्थातून उर्जेचा काही भाग शोषून घेतो. रेफ्रिजरेटर तापमान T 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .

उष्णता इंजिन (इंजिन) सतत कार्यरत असणे आवश्यक आहे, त्यामुळे कार्यरत द्रवपदार्थ त्याच्या मूळ स्थितीत परत आला पाहिजे जेणेकरून त्याचे तापमान T 1 च्या समान होईल. प्रक्रियेच्या निरंतरतेसाठी, मशीनने चक्रीयपणे ऑपरेट केले पाहिजे, वेळोवेळी स्वतःची पुनरावृत्ती होते. चक्रीय यंत्रणा तयार करण्यासाठी - कार्यरत द्रव (गॅस) त्याच्या मूळ स्थितीत परत येण्यासाठी - कम्प्रेशन प्रक्रियेदरम्यान गॅस थंड करण्यासाठी आपल्याला रेफ्रिजरेटरची आवश्यकता आहे. कूलर वातावरण (अंतर्गत ज्वलन इंजिनसाठी) किंवा थंड पाणी (स्टीम टर्बाइनसाठी) असू शकते.

उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता काय आहे?

उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता निश्चित करण्यासाठी, 1824 मध्ये फ्रेंच यांत्रिक अभियंता साडी कार्नोट. उष्णता इंजिन कार्यक्षमतेची संकल्पना सादर केली. कार्यक्षमता दर्शविण्यासाठी ग्रीक अक्षर η वापरले जाते. उष्णता इंजिन कार्यक्षमता सूत्र वापरून η चे मूल्य मोजले जाते:

$$η=(A\over Q1)$$

$A =Q1 - Q2$ पासून, नंतर

$η =(1 - Q2\प्रती Q1)$

सर्व इंजिन त्यांच्या उष्णतेचा काही भाग रेफ्रिजरेटरला देत असल्याने, η नेहमी असते< 1 (меньше 100 процентов).

आदर्श उष्णता इंजिनची सर्वोच्च संभाव्य कार्यक्षमता

आदर्श उष्मा इंजिन म्हणून, सॅडी कार्नोटने कार्यरत द्रवपदार्थ म्हणून आदर्श वायू असलेले मशीन प्रस्तावित केले. आदर्श कार्नोट मॉडेल सायकलवर (कार्नॉट सायकल) चालते ज्यामध्ये दोन समताप आणि दोन एडियाबॅट असतात.

तांदूळ. 2. कार्नोट सायकल:.

आम्ही तुम्हाला आठवण करून देऊ:

• एडियाबॅटिक प्रक्रियाही एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया आहे जी पर्यावरणासह उष्णतेची देवाणघेवाण न करता उद्भवते (Q=0);
• Isothermal प्रक्रियाही एक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया आहे जी स्थिर तापमानात होते. आदर्श वायूची अंतर्गत ऊर्जा केवळ तापमानावर अवलंबून असल्याने, वायूमध्ये किती उष्णता हस्तांतरित केली जाते प्रसंपूर्णपणे काम A (Q = A) करण्यासाठी जातो .

सॅडी कार्नोट यांनी सिद्ध केले की आदर्श उष्णता इंजिनद्वारे प्राप्त करता येणारी जास्तीत जास्त संभाव्य कार्यक्षमता खालील सूत्र वापरून निर्धारित केली जाते:

$$ηmax=1-(T2\over T1)$$

कार्नोटचे सूत्र आपल्याला उष्णता इंजिनच्या जास्तीत जास्त संभाव्य कार्यक्षमतेची गणना करण्यास अनुमती देते. हीटर आणि रेफ्रिजरेटरच्या तापमानातील फरक जितका जास्त तितकी कार्यक्षमता जास्त.

विविध प्रकारच्या इंजिनांची वास्तविक कार्यक्षमता काय आहे?

वरील उदाहरणांवरून हे स्पष्ट होते की सर्वात जास्त कार्यक्षमता मूल्ये (40-50%) अंतर्गत ज्वलन इंजिन (डिझेल आवृत्ती) आणि द्रव इंधनावर चालणाऱ्या जेट इंजिनमध्ये आढळतात.

तांदूळ. 3. वास्तविक उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता:.

आम्ही काय शिकलो?

तर, इंजिनची कार्यक्षमता काय असते हे आपण शिकलो. कोणत्याही उष्णता इंजिनची कार्यक्षमता नेहमी 100 टक्क्यांपेक्षा कमी असते. हीटर टी 1 आणि रेफ्रिजरेटर टी 2 मधील तापमानाचा फरक जितका जास्त असेल तितकी कार्यक्षमता जास्त असेल.

विषयावर चाचणी

अहवालाचे मूल्यमापन

सरासरी रेटिंग: ४.२. एकूण मिळालेले रेटिंग: २९३.