Práca vykonaná motorom je:

Prvýkrát sa týmto procesom zaoberal francúzsky inžinier a vedec N. L. S. Carnot v roku 1824 v knihe Reflections on hnacia sila oheň a o strojoch schopných vyvinúť túto silu.

Cieľom Carnotovho výskumu bolo zistiť príčiny nedokonalosti vtedajších tepelných motorov (mali účinnosť ≤ 5 %) a nájsť spôsoby, ako ich zlepšiť.

Carnotov cyklus je najefektívnejší zo všetkých. Jeho účinnosť je maximálna.

Na obrázku sú znázornené termodynamické procesy cyklu. V procese izotermickej expanzie (1-2) pri teplote T 1 , práca sa vykonáva zmenou vnútornej energie ohrievača, t.j. dodaním množstva tepla do plynu Q:

A 12 = Q 1 ,

Ochladzovanie plynu pred kompresiou (3-4) nastáva počas adiabatickej expanzie (2-3). Zmena vnútornej energie ΔU 23 v adiabatickom procese ( Q=0) je úplne prevedený na mechanická práca:

A 23 = -ΔU 23 ,

Teplota plynu v dôsledku adiabatickej expanzie (2-3) klesá na teplotu chladničky T 2 < T 1 . V procese (3-4) sa plyn izotermicky stláča, čím sa množstvo tepla prenáša do chladničky Q2:

A34 = Q2,

Cyklus je ukončený procesom adiabatickej kompresie (4-1), pri ktorej sa plyn zahreje na teplotu T 1.

Maximálna hodnota účinnosti tepelných motorov pracujúcich na ideálny plyn podľa Carnotovho cyklu:

.

Podstata vzorca je vyjadrená v osvedčenom S. Carnotova veta, že účinnosť žiadneho tepelného motora nemôže prekročiť účinnosť Carnotovho cyklu uskutočňovaného pri rovnakej teplote ohrievača a chladničky.

Moderná realita zahŕňa rozšírenú prevádzku tepelných motorov. Početné pokusy nahradiť ich elektromotormi zatiaľ zlyhali. Problémy spojené s akumuláciou elektriny v autonómne systémy sa riešia veľmi ťažko.

Stále aktuálne sú problémy technológie výroby akumulátorov elektrickej energie s prihliadnutím na ich dlhodobé používanie. Rýchlostné vlastnosti elektrické vozidlá sú ďaleko od automobilov s motormi vnútorné spaľovanie.

Prvé kroky k vytvoreniu hybridné motory môže výrazne znížiť škodlivé emisie v megacities a vyriešiť problémy životného prostredia.

Trochu histórie

Možnosť premeny energie pary na energiu pohybu bola známa už v staroveku. 130 pred Kristom: Filozof Heron Alexandrijský predstavil publiku parnú hračku - aeolipila. Guľa naplnená parou sa začala otáčať pôsobením prúdov, ktoré z nej vychádzali. Tento prototyp moderných parných turbín nenašiel v tých časoch uplatnenie.

Po mnoho rokov a storočí bol vývoj filozofa považovaný len za zábavnú hračku. V roku 1629 Talian D. Branchi vytvoril aktívnu turbínu. Para uviedla do pohybu kotúč vybavený čepeľami.

Od tohto momentu sa začal prudký rozvoj parný motor.

tepelný motor

Premena paliva na energiu pre pohyb častí strojov a mechanizmov sa využíva v tepelných motoroch.

Hlavné časti strojov: ohrievač (systém na získavanie energie zvonku), pracovná tekutina (vykonáva užitočnú činnosť), chladnička.

Ohrievač je navrhnutý tak, aby zabezpečil, že pracovná tekutina nahromadila dostatočnú zásobu vnútornej energie na vykonanie užitočnej práce. Chladnička odoberá prebytočnú energiu.

Hlavná charakteristika účinnosti sa nazýva účinnosť tepelných motorov. Táto hodnota ukazuje, aká časť energie vynaloženej na vykurovanie sa minie na vykonávanie užitočnej práce. Čím vyššia je účinnosť, tým je prevádzka stroja ziskovejšia, ale táto hodnota nemôže prekročiť 100%.

Výpočet účinnosti

Nechajte ohrievač získať zvonku energiu rovnajúcu sa Q 1 . Pracovná tekutina vykonala prácu A, zatiaľ čo energia poskytnutá chladničke bola Q2.

Na základe definície vypočítame účinnosť:

η= A/Q1. Berieme do úvahy, že A \u003d Q 1 - Q 2.

Odtiaľ nám účinnosť tepelného motora, ktorého vzorec má tvar η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, umožňuje vyvodiť tieto závery:

• Účinnosť nemôže prekročiť 1 (alebo 100 %);
• na maximalizáciu tejto hodnoty je potrebné buď zvýšenie energie prijatej z ohrievača alebo zníženie energie dodávanej do chladničky;
• zvýšenie energie ohrievača sa dosiahne zmenou kvality paliva;
• zníženie energie pridelenej chladničke, vám umožní dosiahnuť dizajnové prvky motory.

Ideálny tepelný motor

Je možné vytvoriť taký motor, ktorého účinnosť by bola maximálna (v ideálnom prípade rovná 100%)? Na túto otázku sa pokúsil nájsť odpoveď francúzsky teoretický fyzik a talentovaný inžinier Sadi Carnot. V roku 1824 boli zverejnené jeho teoretické výpočty o procesoch vyskytujúcich sa v plynoch.

Hlavná myšlienka v pozadí perfektné auto, môžeme zvážiť uskutočnenie reverzibilných procesov s ideálnym plynom. S expanziou plynu začíname izotermicky pri teplote T 1 . Potrebné množstvo tepla je Q 1. Po expanzii plynu bez výmeny tepla sa plyn po dosiahnutí teploty T 2 izotermicky stlačí, čím sa energia Q 2 odovzdá do chladničky. Návrat plynu do pôvodného stavu je adiabatický.

Účinnosť ideálneho Carnotovho tepelného motora, keď je presne vypočítaná, sa rovná pomeru teplotného rozdielu medzi vykurovacím a chladiacim zariadením k teplote, ktorú má ohrievač. Vyzerá to takto: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Možná účinnosť tepelného motora, ktorej vzorec je: η= 1 - T 2 / T 1, závisí len od teploty ohrievača a chladiča a nemôže byť väčšia ako 100 %.

Navyše tento pomer nám umožňuje dokázať, že účinnosť tepelných motorov môže byť rovný jednej len pri dosiahnutí teploty chladničky. Ako viete, táto hodnota je nedosiahnuteľná.

Carnotove teoretické výpočty umožňujú určiť maximálnu účinnosť tepelného motora akejkoľvek konštrukcie.

Carnotova veta je nasledovná. Ľubovoľný tepelný motor za žiadnych okolností nemôže mať koeficient účinnosti väčší, ako je podobná hodnota účinnosti ideálneho tepelného motora.

Príklad riešenia problému

Príklad 1 Aká je účinnosť ideálneho tepelného motora, ak je teplota ohrievača 800 °C a teplota chladničky je o 500 °C nižšia?

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

Podľa definície: η=(T1 - T2)/T1.

Nie je nám daná teplota chladničky, ale ∆T = (T 1 - T 2), odtiaľto:

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

Odpoveď: účinnosť = 46%.

Príklad 2 Určte účinnosť ideálneho tepelného motora, ak v dôsledku získaného jedného kilojoule energie ohrievača, užitočná práca 650 J. Aká je teplota ohrievača tepelného motora, ak je teplota chladiacej kvapaliny 400 K?

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T1 \u003d?

V tomto probléme hovoríme o tepelnej inštalácii, ktorej účinnosť možno vypočítať podľa vzorca:

Na určenie teploty ohrievača používame vzorec pre účinnosť ideálneho tepelného motora:

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

Po vykonaní matematických transformácií dostaneme:

T1 \u003d T2/ (1- η).

T1 \u003d T2 / (1- A / Q 1).

Poďme počítať:

n= 650 J / 1000 J = 0,65.

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

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

Reálne podmienky

Ideálny tepelný motor je navrhnutý s ohľadom na ideálne procesy. Práca sa vykonáva iba v izotermických procesoch, jej hodnota je definovaná ako plocha ohraničená grafom Carnotovho cyklu.

V skutočnosti nie je možné vytvoriť podmienky pre proces zmeny skupenstva plynu bez sprievodných zmien teploty. Neexistujú žiadne materiály, ktoré by vylučovali výmenu tepla s okolitými predmetmi. Adiabatický proces už nie je možný. V prípade prenosu tepla sa musí nevyhnutne zmeniť teplota plynu.

Účinnosť tepelných motorov vytvorených v reálnych podmienkach sa výrazne líši od účinnosti ideálnych motorov. Všimnite si, že procesy v skutočné motory prebieha tak rýchlo, že zmeny vnútornej tepelnej energie pracovnej látky v procese zmeny jej objemu nemožno kompenzovať prítokom tepla z ohrievača a návratom do chladiča.

Iné tepelné motory

Skutočné motory pracujú v rôznych cykloch:

• Ottov cyklus: proces pri konštantnom objeme sa adiabaticky mení, čím vzniká uzavretý cyklus;
• Dieselový cyklus: izobara, adiabata, izochora, adiabata;
• proces prebiehajúci pri konštantnom tlaku je nahradený adiabatickým, čím sa cyklus uzatvára.

Vytvorte rovnovážne procesy v reálnych motoroch (aby ste ich priblížili ideálnym) za podmienok moderná technológia sa nezdá možné. Účinnosť tepelných motorov je oveľa nižšia, aj keď to isté vezmeme do úvahy teplotné podmienky, ako v ideálnej tepelnej inštalácii.

Nemali by ste však znižovať úlohu vzorca na výpočet účinnosti, pretože sa stáva východiskovým bodom v procese zvyšovania účinnosti skutočných motorov.

Spôsoby, ako zmeniť efektivitu

Pri porovnávaní ideálnych a skutočných tepelných motorov stojí za zmienku, že teplota chladničky nemôže byť žiadna. Zvyčajne sa atmosféra považuje za chladničku. Teplotu atmosféry možno vziať len približnými výpočtami. Prax ukazuje, že teplota chladiacej kvapaliny sa rovná teplote výfukových plynov v motoroch, ako je to v prípade spaľovacích motorov (skrátene spaľovacie motory).

ICE je najbežnejším tepelným motorom v našom svete. Účinnosť tepelného motora v tomto prípade závisí od teploty vytvorenej horiacim palivom. Nevyhnutné vyznamenáva ICE z parných strojov je fúzia funkcií ohrievača a pracovného telesa zariadenia do zmes vzduch-palivo. Horením zmes vytvára tlak na pohyblivé časti motora.

Zvýšenie teploty pracovných plynov sa dosiahne výraznou zmenou vlastností paliva. Žiaľ, nedá sa to robiť donekonečna. Akýkoľvek materiál, z ktorého je vyrobená spaľovacia komora motora, má svoj vlastný bod topenia. Tepelná odolnosť takýchto materiálov je hlavnou charakteristikou motora, ako aj schopnosť výrazne ovplyvniť účinnosť.

Hodnoty účinnosti motora

Ak vezmeme do úvahy teplotu pracovnej pary, na ktorej vstupe je 800 K a výfukové plyny 300 K, potom je účinnosť tohto stroja 62%. V skutočnosti táto hodnota nepresahuje 40 %. K takémuto poklesu dochádza v dôsledku tepelných strát pri zahrievaní skrine turbíny.

Najvyššia hodnota vnútorného spaľovania nepresahuje 44 %. Zvýšenie tejto hodnoty je otázkou blízkej budúcnosti. Zmena vlastností materiálov, palív je problém, na ktorom pracujú najlepšie mysle ľudstva.

Keď hovoríme o reverzibilite procesov, treba brať do úvahy, že ide o nejakú idealizáciu. Všetky skutočné procesy sú nezvratné, a teda aj cykly, na ktorých fungujú tepelné stroje, sú tiež nezvratné, a teda nerovnovážne. Pre zjednodušenie kvantitatívnych odhadov takýchto cyklov je však potrebné ich považovať za rovnovážne, teda akoby pozostávali len z rovnovážnych procesov. Vyžaduje si to dobre vyvinutý aparát klasickej termodynamiky.

slávny cyklus ideálny motor Carnot je považovaný za rovnovážny inverzný kruhový proces. V reálnych podmienkach nemôže byť žiadny cyklus ideálny, pretože dochádza k stratám. Prebieha medzi dvoma zdrojmi tepla s konštantnými teplotami na chladiči. T 1 a prijímač tepla T 2, ako aj pracovný orgán, ktorý sa berie ako ideálny plyn(obr. 3.1).

Ryža. 3.1. Cyklus tepelného motora

tomu veríme T 1 > T 2 a odvod tepla z chladiča a prívod tepla do chladiča neovplyvňujú ich teploty, T1 a T2 zostať konštantné. Označme parametre plynu v ľavej krajnej polohe piesta tepelného motora: tlak - R 1 objem - V 1, teplota T jeden . Toto je bod 1 na grafe na osiach P-V. V tomto momente plyn (pracovná tekutina) interaguje so zdrojom tepla, ktorého teplota je tiež T jeden . Keď sa piest pohybuje doprava, tlak plynu vo valci klesá a objem sa zvyšuje. Toto bude pokračovať, kým piest nedosiahne polohu určenú bodom 2, kde parametre pracovnej tekutiny (plynu) nadobudnú hodnoty P 2 , V 2 , T2. Teplota v tomto bode zostáva nezmenená, pretože teplota plynu a chladiča je pri prechode piestu z bodu 1 do bodu 2 (expanzia) rovnaká. Takýto proces, v ktorom T sa nemení, nazýva sa izotermická a krivka 1–2 sa nazýva izoterma. Pri tomto procese sa teplo prenáša zo zdroja tepla do pracovnej tekutiny. Q1.

V bode 2 je valec úplne izolovaný od vonkajšieho prostredia (nedochádza k výmene tepla) a pri ďalší pohyb piestu vpravo dochádza k poklesu tlaku a zväčšeniu objemu pozdĺž krivky 2-3, ktorá je tzv adiabatické(proces bez výmeny tepla s okolím). Keď sa piest presunie do krajnej pravej polohy (bod 3), proces expanzie sa ukončí a parametre budú mať hodnoty P3, V3 a teplota sa bude rovnať teplote chladiča. T 2. Pri tejto polohe piestu sa znižuje izolácia pracovnej tekutiny a interaguje s chladičom. Ak teraz zvýšime tlak na piest, potom sa pri konštantnej teplote posunie doľava T 2(kompresia). Tento proces kompresie bude teda izotermický. V tomto procese sa zahrieva Q2 bude prechádzať z pracovnej tekutiny do chladiča. Piest, pohybujúci sa doľava, príde do bodu 4 s parametrami P4, V4 a T2, kde je pracovná tekutina opäť izolovaná od okolia. K ďalšej kompresii dochádza pozdĺž 4–1 adiabatu so zvýšením teploty. V bode 1 kompresia končí pri parametroch pracovnej tekutiny P1, V1, T1. Piest sa vrátil do pôvodného stavu. V bode 1 sa odstráni izolácia pracovnej tekutiny od vonkajšieho prostredia a cyklus sa opakuje.

Účinnosť ideálneho Carnotovho motora.

Problém 15.1.1. Obrázky 1, 2 a 3 znázorňujú grafy troch cyklických procesov, ktoré sa vyskytujú s ideálnym plynom. V ktorom z týchto procesov plyn dokončil cyklus pozitívna práca?

Problém 15.1.3. Ideálny plyn sa po dokončení nejakého cyklického procesu vrátil do pôvodného stavu. Celkové množstvo tepla prijatého plynom počas celého procesu (rozdiel medzi množstvom tepla prijatého z ohrievača a odovzdaného do chladničky) sa rovná . Akú prácu vykoná plyn počas cyklu?

Problém 15.1.5. Obrázok ukazuje graf cyklického procesu, ktorý sa vyskytuje s plynom. Parametre procesu sú zobrazené na grafe. Akú prácu vykonáva plyn počas tohto cyklického procesu?

Problém 15.1.6. Ideálny plyn vykonáva cyklický proces, graf v súradniciach je znázornený na obrázku. Je známe, že proces 2–3 je izochorický, v procesoch 1–2 a 3–1 plyn fungoval, resp. Akú prácu vykoná plyn počas cyklu?

Problém 15.1.7. Ukazuje sa účinnosť tepelného motora

Problém 15.1.8. Počas cyklu tepelný motor prijíma množstvo tepla z ohrievača a odovzdáva množstvo tepla chladničke. Aký je vzorec na určenie účinnosti motora?

Problém 15.1.10.Účinnosť ideálneho tepelného motora pracujúceho podľa Carnotovho cyklu je 50 %. Teplota ohrievača je dvojnásobná, teplota chladničky sa nemení. Aká bude účinnosť výsledného ideálneho tepelného motora?

V teoretickom modeli tepelného motora sú uvažované tri telesá: ohrievač, pracovný orgán a chladnička.

Ohrievač - tepelný zásobník (veľké teleso), ktorého teplota je konštantná.

V každom cykle prevádzky motora pracovná tekutina prijíma určité množstvo tepla z ohrievača, expanduje a vykonáva mechanickú prácu. Presun časti prijatej energie z ohrievača do chladničky je nevyhnutný na to, aby sa pracovná kvapalina vrátila do pôvodného stavu.

Pretože model predpokladá, že teplota ohrievača a chladničky sa počas prevádzky tepelného motora nemení, potom na konci cyklu: ohrev-expanzia-chladenie-stlačenie pracovnej tekutiny sa považuje za návrat stroja do pôvodného stavu.

Pre každý cyklus na základe prvého zákona termodynamiky môžeme napísať, že množstvo tepla Q zaťaženie prijaté z ohrievača, množstvo tepla | Q cool |, daný do chladničky, a práca vykonaná pracovným orgánom A sú navzájom prepojené:

A = Q zaťaženie – | Q studený|.

V skutočnosti technické zariadenia, ktoré sa nazývajú tepelné motory, sa pracovná kvapalina ohrieva teplom uvoľneným pri spaľovaní paliva. Áno, v parná turbína ohrievač elektrárne je pec s horúcim uhlím. V spaľovacom motore (ICE) možno produkty spaľovania považovať za ohrievač a prebytočný vzduch za pracovnú tekutinu. Ako chladničku využívajú vzduch z atmosféry alebo vodu z prírodných zdrojov.

Účinnosť tepelného motora (stroja)

Účinnosť tepelného motora (účinnosť) je pomer práce vykonanej motorom k množstvu tepla prijatého z ohrievača:

Účinnosť akéhokoľvek tepelného motora je menšia ako jedna a vyjadruje sa v percentách. Nemožnosť premeny celého množstva tepla prijatého z ohrievača na mechanickú prácu je cenou, ktorú treba zaplatiť za potrebu organizovať cyklický proces a vyplýva z druhého termodynamického zákona.

V skutočných tepelných motoroch je účinnosť určená experimentálnym mechanickým výkonom N motor a množstvo paliva spáleného za jednotku času. Ak teda včas t hromadne spálené palivo m a špecifické spalné teplo q, potom

Pre Vozidlo referenčnou charakteristikou je často objem V palivo spálené na ceste s pri mechanickom výkone motora N a v rýchlosti. V tomto prípade, berúc do úvahy hustotu r paliva, môžeme napísať vzorec na výpočet účinnosti:

Druhý zákon termodynamiky

Existuje niekoľko formulácií druhý zákon termodynamiky. Jedna z nich hovorí, že je nemožný tepelný stroj, ktorý by robil prácu len vďaka zdroju tepla, t.j. bez chladničky. Svetový oceán by jej mohol slúžiť ako prakticky nevyčerpateľný zdroj vnútornej energie (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Iné formulácie druhého termodynamického zákona sú ekvivalentné tomuto.

Clausiova formulácia(1850): je nemožný proces, pri ktorom by sa teplo samovoľne prenášalo z menej zahriatych telies na viac zahriate telesá.

Thomsonova formulácia(1851): je nemožný kruhový proces, ktorého jediným výsledkom by bola produkcia práce znížením vnútornej energie tepelného zásobníka.

Clausiova formulácia(1865): všetky spontánne procesy v uzavretom nerovnovážnom systéme prebiehajú v takom smere, v ktorom sa zvyšuje entropia systému; v stave tepelnej rovnováhy je maximálna a konštantná.

Boltzmannova formulácia(1877): uzavretý systém mnohých častíc spontánne prechádza z viac usporiadaného stavu do menej usporiadaného. Spontánny výstup systému z rovnovážnej polohy je nemožný. Boltzmann zaviedol kvantitatívnu mieru neporiadku v systéme pozostávajúcom z mnohých telies - entropia.

Účinnosť tepelného motora s ideálnym plynom ako pracovnou kvapalinou

Ak je daný model pracovnej tekutiny v tepelnom motore (napríklad ideálny plyn), potom je možné vypočítať zmenu termodynamických parametrov pracovnej tekutiny pri expanzii a kontrakcii. To vám umožní vypočítať tepelná účinnosť motor založený na zákonoch termodynamiky.

Na obrázku sú znázornené cykly, pre ktoré možno vypočítať účinnosť, ak je pracovnou tekutinou ideálny plyn a parametre sú nastavené v miestach prechodu jedného termodynamického procesu k druhému.

	Izobaricko-izochorický
	Izochoricko-adiabatické
	Izobaricko-adiabatické
	Izobaricko-izochoricko-izotermický
	Izobarický-izochorický-lineárny

Carnotov cyklus. Účinnosť ideálneho tepelného motora

Najvyššia účinnosť pri nastavené teploty ohrievač T kúrenie a chladnička T chlad má tepelný motor, kde sa pracovná tekutina rozširuje a zmršťuje Carnotov cyklus(obr. 2), ktorého graf tvoria dve izotermy (2–3 a 4–1) a dva adiabaty (3–4 a 1–2).

Carnotova veta dokazuje, že účinnosť takéhoto motora nezávisí od použitej pracovnej tekutiny, takže ju možno vypočítať pomocou termodynamických vzťahov pre ideálny plyn:

Environmentálne dôsledky tepelných motorov

Intenzívne využívanie tepelných motorov v doprave a energetike (tepelné a jadrové elektrárne) výrazne ovplyvňuje biosféru Zeme. Hoci existujú vedecké spory o mechanizmoch vplyvu ľudskej činnosti na klímu Zeme, mnohí vedci poukazujú na faktory, vďaka ktorým môže k takémuto vplyvu dôjsť:

1. Skleníkový efekt je zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého (produktu spaľovania v ohrievačoch tepelných strojov) v atmosfére. Oxid uhličitý prenáša viditeľné a ultrafialové žiarenie zo Slnka, ale pohlcuje infračervené žiarenie zo Zeme. To vedie k zvýšeniu teploty spodných vrstiev atmosféry, zvýšeniu hurikánových vetrov a globálnemu topeniu ľadu.
2. Priamy vplyv jedovatých výfukové plyny na voľne žijúce živočíchy (karcinogény, smog, kyslé dažde z vedľajších produktov spaľovania).
3. Ničenie ozónovej vrstvy počas letov lietadiel a štartov rakiet. Ozón vo vyšších vrstvách atmosféry chráni všetok život na Zemi pred nadmerným ultrafialovým žiarením zo Slnka.

Východisko z nastupujúcej ekologickej krízy spočíva vo zvyšovaní účinnosti tepelných motorov (účinnosť moderných tepelných motorov málokedy presahuje 30 %); používanie prevádzkyschopných motorov a neutralizátorov škodlivých výfukových plynov; využívanie alternatívnych zdrojov energie ( solárne panely a ohrievače) a alternatívne dopravné prostriedky (bicykle atď.).