Wat is een ideale warmtemotor. Warmte motor. Het rendement van de warmtemotor. Efficiëntie van de warmtemotor

De belangrijkste betekenis van de formule (5.12.2) die door Carnot is verkregen voor de efficiëntie van een ideale machine, is dat deze de maximaal mogelijke efficiëntie van een verbrandingsmotor bepaalt.

Carnot bewees, op basis van de tweede wet van de thermodynamica *, de volgende stelling: elke echte warmtemachine die werkt met een temperatuurverwarmert 1 en koelkasttemperatuurt 2 , kan geen efficiëntie hebben die groter is dan de efficiëntie van een ideale warmtemotor.

* Carnot stelde de tweede wet van de thermodynamica in feite vast vóór Clausius en Kelvin, toen de eerste wet van de thermodynamica nog niet rigoureus was geformuleerd.

Laten we eerst eens kijken naar een warmtemotor die in een omkeerbare cyclus werkt met een echt gas. De cyclus kan elk zijn, het is alleen belangrijk dat de temperaturen van de verwarming en de koelkast zijn t 1 en t 2 .

Laten we aannemen dat het rendement van een andere warmtemotor (die niet werkt volgens de Carnot-cyclus) η ’ > η . De machines werken met een gemeenschappelijke verwarming en een gemeenschappelijke koelkast. Laat de Carnot-machine in een omgekeerde cyclus werken (zoals een koelmachine) en de andere machine in een voorwaartse cyclus (Figuur 5.18). De warmtemotor voert arbeid gelijk uit, volgens formules (5.12.3) en (5.12.5):

Een koelmachine kan altijd zo worden ontworpen dat deze een hoeveelheid warmte van de koelkast opneemt. Q 2 = ||

Dan wordt er volgens formule (5.12.7) aan gewerkt

(5.12.12)

Omdat door de voorwaarde η "> η , dan Een "> A. Daarom kan de warmtemotor de koelmachine aandrijven en blijft er nog steeds overtollig werk over. Dit meerwerk wordt gedaan met de warmte die uit één bron wordt gehaald. Er wordt immers geen warmte afgegeven aan de koelkast als er twee machines tegelijk werken. Maar dit is in strijd met de tweede wet van de thermodynamica.

Als we aannemen dat η> η ", dan kan een andere machine in een omgekeerde cyclus worden gemaakt en een Carnot-machine in een voorwaartse cyclus. We stuiten opnieuw op een contradictie met de tweede wet van de thermodynamica. Bijgevolg hebben twee machines die in omkeerbare cycli werken dezelfde efficiëntie: η " = η .

Anders is het als de tweede machine in een onomkeerbare cyclus werkt. Als we aannemen dat " > η , dan komen we weer in tegenspraak met de tweede wet van de thermodynamica. Echter, de veronderstelling t | "< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" η, of

Dit is het belangrijkste resultaat:

(5.12.13)

Efficiëntie van echte warmtemotoren

Formule (5.12.13) geeft de theoretische grens voor de maximale waarde van het rendement van warmtemotoren. Het laat zien dat hoe hoger de temperatuur van de verwarming en hoe lager de temperatuur van de koelkast, hoe efficiënter de warmtemotor. Alleen bij een koelkasttemperatuur gelijk aan het absolute nulpunt, η = 1.

Maar de temperatuur van de koelkast kan praktisch niet veel lager zijn dan de omgevingstemperatuur. U kunt de temperatuur van de kachel verhogen. Elk materiaal (vast) heeft echter een beperkte hittebestendigheid of hittebestendigheid. Bij verhitting verliest het geleidelijk zijn elastische eigenschappen en bij een voldoende hoge temperatuur smelt het.

Nu zijn de belangrijkste inspanningen van ingenieurs gericht op het verhogen van de efficiëntie van motoren door de wrijving van hun onderdelen, brandstofverliezen als gevolg van onvolledige verbranding, enz. te verminderen. De echte mogelijkheden om de efficiëntie te verhogen zijn hier nog steeds groot. Dus voor een stoomturbine zijn de begin- en eindtemperatuur van de stoom ongeveer als volgt: t 1 = 800 K en t 2 = 300 K. Bij deze temperaturen is de maximale waarde van het rendement:

De werkelijke waarde van het rendement door verschillende soorten energieverliezen is circa 40%. Verbrandingsmotoren hebben het maximale rendement - ongeveer 44%.

De efficiëntie van een warmtemotor kan de maximaal mogelijke waarde niet overschrijden
, waar T 1 - de absolute temperatuur van de verwarming, en T 2 - de absolute temperatuur van de koelkast.

De efficiëntie van warmtemotoren verhogen en dichter bij het maximaal mogelijke brengen- de belangrijkste technische uitdaging.

Natuurkunde, graad 10

Les 25. Warmtemotoren. Efficiëntie van warmtemotoren

De lijst met vragen die in de les zijn behandeld:

1) Het concept van een warmtemotor;

2) Ontwerp en werkingsprincipe van een warmtemotor;

3) efficiëntie van een warmtemotor;

4) Carnot-cyclus.

Woordenlijst per onderwerp

Warmte motor - een apparaat waarin de interne energie van de brandstof wordt omgezet in mechanische energie.

efficiëntie ( efficiëntie) is de verhouding tussen het nuttige werk van een bepaalde motor en de hoeveelheid warmte die van de verwarming wordt ontvangen.

Verbrandingsmotor- een motor waarin brandstof direct in de werkkamer (binnenkant) van de motor wordt verbrand.

Straalmotor- een motor die de tractiekracht creëert die nodig is voor beweging door de interne energie van de brandstof om te zetten in de kinetische energie van de straalstroom van de werkvloeistof.

Carnot-cyclus Is een ideaal circulair proces bestaande uit twee adiabatische en twee isotherme processen.

Verwarming- een apparaat waaruit het werkende lichaam energie ontvangt, waarvan een deel naar de uitvoering van het werk gaat.

Koelkast- een lichaam dat een deel van de energie van de werkvloeistof absorbeert (omgeving of speciale apparaten voor koeling en condensatie van afvalstoom, d.w.z. condensors).

werkend lichaam- een lichaam dat, uitzettend, wel werkt (het is gas of stoom)

Basis- en aanvullende literatuur over het onderwerp van de les:

1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev BB, Sotskiy NN. Natuurkunde Graad 10. Leerboek voor onderwijsorganisaties M.: Onderwijs, 2017. - pp. 269 - 273.

2. Rymkevich A.P. Het verzamelen van problemen in de natuurkunde. 10-11 klasse. -M.: Trap, 2014. - S. 87 - 88.

Open elektronische bronnen over het onderwerp van de les

Theoretisch materiaal voor zelfstudie

Sprookjes en mythen van verschillende volkeren getuigen dat mensen er altijd van hebben gedroomd om snel van de ene plaats naar de andere te gaan of snel dit of dat werk te doen. Om dit doel te bereiken waren apparaten nodig die in de ruimte konden werken of bewegen. Door de wereld om hen heen te observeren, kwamen de uitvinders tot de conclusie dat het, om arbeid en snelle beweging te vergemakkelijken, noodzakelijk is om de energie van andere lichamen te gebruiken, bijvoorbeeld water, wind, enz. Is het mogelijk om de interne energie van buskruit of een ander type brandstof voor eigen doeleinden te gebruiken? Als we een reageerbuis nemen, er water in gieten, sluiten met een stop en opwarmen. Bij verhitting zal het water koken en de gevormde waterdamp zal de plug naar buiten duwen. Het uitbreiden van stoom werkt wel. In dit voorbeeld zien we dat de interne energie van de brandstof is veranderd in de mechanische energie van de bewegende plug. Wanneer we de plug vervangen door een zuiger die in de buis kan bewegen, en de buis zelf door een cilinder, krijgen we de eenvoudigste warmtemotor.

Warmte motor - Een warmtemotor is een apparaat waarin de interne energie van de brandstof wordt omgezet in mechanische energie.

Laten we ons de structuur van de eenvoudigste verbrandingsmotor herinneren. Een verbrandingsmotor bestaat uit een cilinder waarbinnen een zuiger beweegt. De zuiger is met een drijfstang verbonden met de krukas. Er zijn twee kleppen aan de bovenkant van elke cilinder. Een van de kleppen wordt inlaat genoemd en de andere wordt uitlaat genoemd. Om een soepele zuigerslag te garanderen, is een zwaar vliegwiel aan de krukas bevestigd.

De werkcyclus van de verbrandingsmotor bestaat uit vier slagen: inlaat, compressie, werkslag, uitlaat.

Tijdens de eerste slag gaat de inlaatklep open en blijft de uitlaatklep gesloten. De naar beneden bewegende zuiger zuigt het brandbare mengsel de cilinder in.

Bij de tweede slag zijn beide kleppen gesloten. De opwaarts bewegende zuiger comprimeert het brandbare mengsel, dat opwarmt wanneer het wordt samengedrukt.

Bij de derde slag, wanneer de zuiger in de bovenste stand staat, wordt het mengsel ontstoken door een elektrische bougie. Het ontstoken mengsel vormt hete gassen, waarvan de druk 3-6 MPa is, en de temperatuur bereikt 1600-2200 graden. De drukkracht duwt de zuiger naar beneden, waarvan de beweging met het vliegwiel op de krukas wordt overgebracht. Na een sterke duw te hebben gekregen, zal het vliegwiel blijven draaien door traagheid, waardoor de beweging van de zuiger tijdens volgende slagen wordt gegarandeerd. Tijdens deze slag blijven beide kleppen gesloten.

Bij de vierde slag gaat de uitlaatklep open en worden de uitlaatgassen door een bewegende zuiger door een geluiddemper (niet weergegeven in de afbeelding) de atmosfeer in geduwd.

Elke warmtemotor bevat drie hoofdelementen: verwarming, werkvloeistof, koelkast.

Om het rendement van een warmtemotor te bepalen, wordt het begrip rendement geïntroduceerd.

Efficiëntie is de verhouding tussen het nuttige werk van een bepaalde motor en de hoeveelheid warmte die van de verwarming wordt ontvangen.

Q 1 - de hoeveelheid warmte die wordt ontvangen door verwarming

Vraag 2 - de hoeveelheid warmte die aan de koelkast wordt gegeven

- de arbeid verricht door de motor per cyclus.

Deze efficiëntie is reëel, d.w.z. Het is deze formule die wordt gebruikt om echte warmtemotoren te karakteriseren.

Als we het vermogen N en de bedrijfstijd t van de motor kennen, kan het werk per cyclus worden gevonden met de formule:

Overdracht van ongebruikte energie naar de koelkast.

In de 19e eeuw stelde de Franse ingenieur Sadi Carnot, als resultaat van werkzaamheden aan verwarmingstechnologie, een andere methode voor om de efficiëntie te bepalen (door middel van thermodynamische temperatuur).

De belangrijkste betekenis van deze formule is dat een echte warmtemotor die werkt met een verwarming met een temperatuur T 1 en een koelkast met een temperatuur T 2 geen efficiëntie kan hebben die het rendement van een ideale warmtemotor overtreft. Sadi Carnot, die uitzoekt bij welk gesloten proces de warmtemotor het maximale rendement zal hebben, stelde voor om een cyclus te gebruiken bestaande uit 2 adiabatische en twee isotherme processen

De Carnot-cyclus is de meest efficiënte cyclus met de hoogste efficiëntie.

Er is geen warmtemotor met een rendement van 100% of 1.

De formule geeft de theoretische grens aan voor het maximale rendement van verbrandingsmotoren. Het laat zien dat hoe hoger de temperatuur van de verwarming en hoe lager de temperatuur van de koelkast, hoe efficiënter de warmtemotor. Alleen bij een koelkasttemperatuur gelijk aan het absolute nulpunt, η = 1.

Maar de temperatuur van de koelkast kan praktisch niet lager zijn dan de omgevingstemperatuur. U kunt de temperatuur van de kachel verhogen. Elk materiaal (vast) heeft echter een beperkte hittebestendigheid of hittebestendigheid. Bij verhitting verliest het geleidelijk zijn elastische eigenschappen en bij een voldoende hoge temperatuur smelt het.

Het verhogen van het rendement van warmtemotoren en het dichter bij het maximaal mogelijke brengen is het belangrijkste technische probleem.

Warmtemotoren - stoomturbines zijn ook geïnstalleerd bij alle kerncentrales om stoom op hoge temperatuur te produceren. In alle belangrijke vormen van modern transport worden voornamelijk warmtemotoren gebruikt: in auto's - verbrandingsmotoren met zuigers; op water - verbrandingsmotoren en stoomturbines; op het spoor - diesellocomotieven met dieselinstallaties; in de luchtvaart - zuiger-, turbojet- en straalmotoren.

Laten we de prestatiekenmerken van warmtemotoren vergelijken.

Stoommachine - 8%.

Stoomturbine - 40%.

Gasturbine - 25-30%.

Verbrandingsmotor - 18-24%.

Dieselmotor - 40-44%.

Straalmotor - 25%.

Het wijdverbreide gebruik van warmtemotoren gaat niet voorbij zonder een spoor achter te laten voor het milieu: de hoeveelheid zuurstof neemt geleidelijk af en de hoeveelheid koolstofdioxide in de atmosfeer neemt toe, de lucht is vervuild met chemische verbindingen die schadelijk zijn voor de menselijke gezondheid. Er dreigt klimaatverandering. Daarom is het vinden van manieren om de milieuvervuiling te verminderen tegenwoordig een van de meest dringende wetenschappelijke en technische problemen.

Voorbeelden en analyse van het oplossen van taken

1 ... Wat is het gemiddelde vermogen van een automotor, als bij een snelheid van 180 km / u het benzineverbruik 15 liter per 100 km spoor is en het motorrendement 25% is?

Een motor waarin de interne energie van de verbrande brandstof wordt omgezet in mechanische arbeid.

Elke warmtemotor bestaat uit drie hoofdonderdelen: verwarming, Werkvloeistof(gas, vloeistof, enz.) en koelkast... De werking van de motor is gebaseerd op een cyclisch proces (dit is een proces waardoor het systeem terugkeert naar zijn oorspronkelijke toestand).

Directe cyclus warmtemotor

De gemeenschappelijke eigenschap van alle cyclische (of circulaire) processen is dat ze niet kunnen worden uitgevoerd door de werkvloeistof in thermisch contact te brengen met slechts één warmtereservoir. Je hebt er minimaal twee nodig. Een thermisch reservoir met een hogere temperatuur wordt een verwarming genoemd en een thermisch reservoir met een lagere temperatuur een koelkast. Door een circulair proces uit te voeren, ontvangt de werkvloeistof een bepaalde hoeveelheid warmte Q 1 van de verwarming (expansie treedt op) en geeft de hoeveelheid warmte Q 2 af aan de koelkast wanneer deze terugkeert naar zijn oorspronkelijke staat en samentrekt. De totale hoeveelheid warmte Q = Q1-Q2 die per cyclus door de werkvloeistof wordt ontvangen, is gelijk aan de arbeid die in één cyclus door de werkvloeistof wordt verricht.

Omgekeerde cyclus van de koelmachine

In de omgekeerde cyclus vindt expansie plaats bij een lagere druk en compressie bij een hogere druk. Daarom is het werk van compressie groter dan het werk van expansie; het werk wordt niet uitgevoerd door de werkvloeistof, maar door externe krachten. Dit werk verandert in warmte. In een koelmachine neemt het werkfluïdum dus een bepaalde hoeveelheid warmte Q1 van de koelkast en draagt een grotere hoeveelheid warmte Q2 over naar de verwarmer.

efficiëntie

Directe lus:

Efficiëntie-indicator koelmachine:

Carnot-cyclus

In warmtemotoren streven ze naar de meest volledige omzetting van thermische energie in mechanische energie. Maximale efficiëntie.

De afbeelding toont de cycli die worden gebruikt in een benzine-carburateurmotor en een dieselmotor. In beide gevallen is de werkvloeistof een mengsel van benzine- of dieseldampen met lucht. De cyclus van een verbrandingsmotor met carburateur bestaat uit twee isochoren (1-2, 3-4) en twee adiabats (2-3, 4-1). Een dieselmotor met interne verbrandingsmotor werkt in een cyclus die bestaat uit twee adiabats (1-2, 3-4), één isobaar (2-3) en één isochoor (4-1). Het werkelijke rendement voor een carburateurmotor is ongeveer 30%, voor een dieselmotor - ongeveer 40%.

De Franse natuurkundige S. Carnot ontwikkelde het werk van een ideale warmtemotor. Het werkende deel van een Carnot-motor kan worden gezien als een zuiger in een met gas gevulde cilinder. Aangezien de Carnot-motor is de machine is puur theoretisch, dat wil zeggen, ideaal, wordt aangenomen dat de wrijvingskrachten tussen de zuiger en de cilinder en warmteverliezen nul zijn. Mechanische arbeid is maximaal als de werkvloeistof een cyclus uitvoert die bestaat uit twee isothermen en twee adiabats. Deze cyclus heet Carnot-cyclus.

sectie 1-2: het gas ontvangt de hoeveelheid warmte Q 1 van de verwarming en zet isotherm uit bij de temperatuur T 1
sectie 2-3: het gas zet adiabatisch uit, de temperatuur daalt tot de koelkasttemperatuur T 2
sectie 3-4: het gas wordt exotherm gecomprimeerd, terwijl het de koelkast de hoeveelheid warmte Q 2 . geeft
sectie 4-1: het gas wordt adiabatisch gecomprimeerd totdat de temperatuur stijgt tot T 1.
Het werk dat door het werklichaam wordt uitgevoerd, is het gebied van de resulterende figuur 1234.

Zo'n motor werkt als volgt:

1. Eerst komt de cilinder in contact met het hete reservoir en zet het ideale gas uit bij een constante temperatuur. Tijdens deze fase krijgt het gas een bepaalde hoeveelheid warmte van het hete reservoir.
2. De cilinder wordt dan omgeven door een perfecte thermische isolatie, waardoor de hoeveelheid warmte die beschikbaar is voor het gas wordt vastgehouden en het gas blijft uitzetten totdat de temperatuur daalt tot de temperatuur van een koud warmtereservoir.
3. In de derde fase wordt de thermische isolatie verwijderd en wordt het gas in de cilinder, dat in contact staat met het koude reservoir, gecomprimeerd, waarbij een deel van de warmte wordt afgegeven aan het koude reservoir.
4. Wanneer de compressie een bepaald punt bereikt, wordt de cilinder opnieuw omgeven door thermische isolatie en wordt het gas gecomprimeerd door de zuiger omhoog te brengen totdat de temperatuur gelijk is aan de temperatuur van het hete reservoir. Daarna wordt de thermische isolatie verwijderd en wordt de cyclus opnieuw vanaf de eerste fase herhaald.

Het onderwerp van de huidige les zal de overweging zijn van de processen die plaatsvinden in vrij concrete, en niet abstracte, zoals in vorige lessen, apparaten - warmtemotoren. We zullen een definitie van dergelijke machines geven, hun belangrijkste componenten en het werkingsprincipe beschrijven. Ook zal tijdens deze les de kwestie van het vinden van efficiëntie worden overwogen - de efficiëntie van warmtemotoren, zowel reëel als maximaal mogelijk.

Onderwerp: Grondbeginselen van de thermodynamica
Les: Hoe een warmtemotor werkt

Het onderwerp van de laatste les was de eerste wet van de thermodynamica, die de relatie legde tussen een hoeveelheid warmte die werd overgedragen aan een deel van het gas en het werk dat door dit gas werd gedaan tijdens expansie. En nu is de tijd gekomen om te zeggen dat deze formule niet alleen van belang is voor enkele theoretische berekeningen, maar ook voor een volledig praktische toepassing, omdat het werk van gas niets meer is dan nuttig werk dat we extraheren bij het gebruik van warmtemotoren.

Definitie. Warmte motor- een apparaat waarin de interne energie van de brandstof wordt omgezet in mechanische arbeid (Fig. 1).

Rijst. 1. Diverse voorbeelden van warmtemotoren (), ()

Zoals je in de afbeelding kunt zien, zijn warmtemotoren alle apparaten die werken volgens het bovenstaande principe, en ze variëren van ongelooflijk eenvoudig tot zeer complex in ontwerp.

Zonder uitzondering zijn alle warmtemotoren functioneel onderverdeeld in drie componenten (zie Fig. 2):

Verwarming
werkend lichaam
Koelkast

Rijst. 2. Functioneel diagram van de warmtemotor ()

De verwarmer is het proces van verbranding van brandstof, die bij verbranding een grote hoeveelheid warmte aan het gas afgeeft en het tot hoge temperaturen verwarmt. Heet gas, dat een werkvloeistof is, zet door een stijging van de temperatuur en bijgevolg druk uit, zet uit en voert arbeid uit. Omdat er altijd warmteoverdracht is met het motorhuis, de omgevingslucht, enz., zal het werk numeriek niet gelijk zijn aan de overgedragen warmte - een deel van de energie gaat naar de koelkast, wat in de regel de omgeving is .

De eenvoudigste manier om je voor te stellen is een proces dat plaatsvindt in een eenvoudige cilinder onder een beweegbare zuiger (bijvoorbeeld een cilinder van een verbrandingsmotor). Om de motor te laten werken en logisch te maken, moet het proces natuurlijk cyclisch plaatsvinden en niet eenmalig. Dat wil zeggen, na elke expansie moet het gas terugkeren naar zijn oorspronkelijke positie (Fig. 3).

Rijst. 3. Een voorbeeld van cyclische werking van een warmtemotor ()

Om ervoor te zorgen dat het gas terugkeert naar zijn oorspronkelijke positie, is het noodzakelijk om er wat aan te werken (werk van externe krachten). En aangezien het werk van het gas gelijk is aan het werk aan het gas met het tegenovergestelde teken, is het noodzakelijk om het gas een totale positieve arbeid te laten verrichten gedurende de hele cyclus (anders zou de motor geen zin hebben) dat het werk van externe krachten minder is dan het werk van het gas. Dat wil zeggen, de grafiek van het cyclische proces in coördinaten P-V zou er als volgt uit moeten zien: een gesloten lus met een bypass met de klok mee. Onder deze voorwaarde is de arbeid van het gas (in het gedeelte van de grafiek waar het volume toeneemt) groter dan het werk van het gas (in het gedeelte waar het volume afneemt) (Fig. 4).

Rijst. 4. Een voorbeeld van een grafiek van het proces dat plaatsvindt in een warmtemotor

Omdat we het over een bepaald mechanisme hebben, is het noodzakelijk om te zeggen wat de efficiëntie ervan is.

Definitie. Rendement (efficiëntiecoëfficiënt) van een warmtemotor- de verhouding tussen het nuttige werk dat door de werkvloeistof wordt verricht en de hoeveelheid warmte die door de verwarmer op het lichaam wordt overgedragen.

Als we rekening houden met het behoud van energie: de energie die de kachel heeft verlaten, verdwijnt nergens - een deel ervan wordt weggenomen in de vorm van werk, de rest komt naar de koelkast:

We krijgen:

Dit is een uitdrukking voor de efficiëntie in delen, als het nodig is om de waarde van de efficiëntie in procenten te verkrijgen, is het noodzakelijk om het resulterende getal met 100 te vermenigvuldigen. De efficiëntie in het SI-meetsysteem is een dimensieloze grootheid en, net als blijkt uit de formule, kan niet meer dan één (of 100) zijn.

Het moet ook gezegd worden dat deze uitdrukking het reële rendement of het rendement van een echte warmtemotor (warmtemotor) wordt genoemd. Als we aannemen dat we er op de een of andere manier in slagen om de gebreken in het motorontwerp volledig weg te werken, krijgen we een ideale motor en wordt de efficiëntie ervan berekend met behulp van de formule voor de efficiëntie van een ideale warmtemotor. Deze formule werd verkregen door de Franse ingenieur Sadi Carnot (Fig. 5):

Een warmtemotor (machine) is een apparaat dat de interne energie van de brandstof omzet in mechanisch werk, waarbij warmte wordt uitgewisseld met de omringende lichamen. De meeste moderne auto-, vliegtuig-, scheeps- en raketmotoren zijn ontworpen volgens de principes van een warmtemotor. Het werk wordt uitgevoerd door het volume van de werkstof te veranderen en om de efficiëntie van elk type motor te karakteriseren, wordt een waarde gebruikt die de prestatiecoëfficiënt (efficiëntie) wordt genoemd.

Hoe een warmtemotor werkt

Vanuit het oogpunt van de thermodynamica (een tak van de natuurkunde die de wetten van wederzijdse transformaties van interne en mechanische energie en de overdracht van energie van het ene lichaam naar het andere bestudeert), bestaat elke warmtemotor uit een verwarming, een koelkast en een werkvloeistof .

Rijst. 1. Blokschema van de werking van de warmtemotor:

De eerste vermelding van het prototype warmtemotor verwijst naar de stoomturbine, die werd uitgevonden in het oude Rome (II eeuw voor Christus). Toegegeven, de uitvinding vond in die tijd geen brede toepassing vanwege de afwezigheid van veel hulponderdelen in die tijd. Op dat moment was bijvoorbeeld nog niet zo'n sleutelelement voor de werking van een mechanisme als een lager uitgevonden.

Het algemene werkingsschema van een warmtemotor ziet er als volgt uit:

De verwarming heeft een temperatuur T 1 die hoog genoeg is om een grote hoeveelheid warmte Q 1 over te dragen. In de meeste verbrandingsmotoren wordt verwarming verkregen door verbranding van een brandstofmengsel (brandstof-zuurstof);
De werkvloeistof (stoom of gas) van de motor doet nuttig werk EEN, bijvoorbeeld het verplaatsen van een zuiger of het draaien van een turbine;
De koelkast absorbeert een deel van de energie uit de werkvloeistof. Temperatuur koelkast T 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .

De warmtemotor (motor) moet continu werken, dus de werkvloeistof moet terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat zodat de temperatuur gelijk wordt aan T 1. Voor de continuïteit van het proces moet de werking van de machine cyclisch plaatsvinden, periodiek herhalend. Om een cyclisch mechanisme te creëren - om de werkvloeistof (gas) in zijn oorspronkelijke staat terug te brengen - is een koelkast nodig om het gas tijdens het compressieproces te koelen. De koelkast kan atmosfeer zijn (voor verbrandingsmotoren) of koud water (voor stoomturbines).

Wat is het rendement van een warmtemotor?

Om de efficiëntie van warmtemotoren te bepalen, de Franse werktuigbouwkundige Sadi Carnot in 1824. introduceerde het concept van de efficiëntie van een warmtemotor. De Griekse letter η wordt gebruikt om efficiëntie aan te duiden. De waarde van η wordt berekend met behulp van de formule voor het rendement van een warmtemotor:

$$ η = (A \ over Q1) $$

Aangezien $ A = Q1 - Q2 $, dan

$ η = (1 - Q2 \ over Q1) $

Aangezien in alle motoren een deel van de warmte wordt overgedragen aan de koelkast, is het altijd η< 1 (меньше 100 процентов).

Maximaal mogelijke efficiëntie van een ideale warmtemotor

Als ideale warmtemotor stelde Sadi Carnot een machine voor met een ideaal gas als werkvloeistof. Het ideale Carnot-model werkt op een cyclus (Carnot-cyclus) bestaande uit twee isothermen en twee adiabats.

Rijst. 2. Carnot-cyclus:.

Laten we eraan herinneren:

Adiabatisch proces Is een thermodynamisch proces zonder warmte-uitwisseling met de omgeving (V = 0);
isotherm proces Is een thermodynamisch proces dat plaatsvindt bij een constante temperatuur. Aangezien de interne energie van een ideaal gas alleen afhangt van de temperatuur, is de hoeveelheid warmte die aan het gas wordt overgedragen Q gaat helemaal naar het werk A (Q = A) .

Sadi Carnot bewees dat het maximaal mogelijke rendement dat kan worden bereikt door een ideale warmtemotor wordt bepaald met behulp van de volgende formule:

$$ ηmax = 1- (T2 \ over T1) $$

Met de formule van Carnot kunt u het maximaal mogelijke rendement van een warmtemotor berekenen. Hoe groter het verschil tussen de temperatuur van de verwarming en de koelkast, hoe groter het rendement.

Wat is het werkelijke rendement van verschillende soorten motoren?

Uit de gegeven voorbeelden blijkt dat de hoogste rendementswaarden (40-50%) verbrandingsmotoren (in de dieselversie) en straalmotoren op vloeibare brandstof hebben.

Rijst. 3. Efficiëntie van echte warmtemotoren:.

Wat hebben we geleerd?

Dus we hebben geleerd wat het motorrendement is. Het rendement van een warmtemotor is altijd minder dan 100 procent. Hoe groter het temperatuurverschil tussen de verwarming T1 en de koelkast T2, hoe groter het rendement.