V teoretickom modeli tepelného motora sa zvažujú tri orgány: ohrievač, pracovný orgán a chladnička.

Ohrievač - tepelná rezervoár (veľké telo), ktorej teplota je konštantná.

V každom cykle prevádzky motora prijíma pracovná tekutina určité množstvo tepla z ohrievača, rozširuje a vykonáva mechanické práce. Prenos časti energie získanej z ohrievača, chladnička je potrebná na vrátenie pracovnej tekutiny do pôvodného stavu.

Vzhľadom k tomu, že model sa predpokladá, že teplota ohrievača a chladnička sa nemení počas prevádzky tepelného motora, potom na konci cyklu: vykurovacia expanzia-chladenie-kompresiu pracovnej tekutiny, ktorú je veril, že stroj sa vracia do pôvodného stavu.

Pre každý cyklus na základe prvého zákona termodynamiky môže byť napísané, že množstvo tepla Q.ohrievač získaný z ohrievača, množstvo tepla Q.držanie, vydelené chladničkou a prácou vykonávanou pracovným orgánom ALE Súvisiace pomerom:

A. = Q.nERCH - | Q.držanie |.

V reálnych technických zariadeniach, ktoré sa nazývajú tepelné stroje, pracovný orgán sa zahrieva v dôsledku uvoľneného tepla počas spaľovania paliva. Takže v parnej turbíne elektrárne je ohrievač horúcim uhlím. Vo vnútornom spaľovacom motore (DVS) môžu byť produkty spaľovania považovať za ohrievač a nadbytok vzduchu je pracovná tekutina. Ako chladnička sa používa vzduch atmosféry alebo vody prírodných zdrojov.

Účinnosť tepelného motora (stroje)

Účinnosť tepelného motora (Efektívnosť) Pomer operácie vykonávaného motorom sa nazýva na množstvo tepla získaného z ohrievača:

Účinnosť akéhokoľvek tepelného motora je nižšia ako jedna a vyjadrená ako percento. Neschopnosť transformovať celé množstvo tepla získaného z ohrievača do mechanickej práce je poplatok za potrebu organizovať cyklický proces a vyplýva z druhého zákona termodynamiky.

V reálnych termálnych motoroch je účinnosť určená experimentálnym mechanickým výkonom. N. Motor a spaľuje na jednotku času množstvo paliva. Takže, ak počas t. Horená hmotnosť paliva m. a špecifické teplo spaľovania q.T.

Pre vozidlá referenčné charakteristiky často V. Spálené palivo na ceste s. S mechanickým výkonom motora N. a rýchlosťou. V tomto prípade, vzhľadom na hustotu r paliva, môžete zaznamenať vzorec pre výpočet účinnosti:

Druhý zákon termodynamiky

Existuje niekoľko zlo Druhý zákon termodynamiky. Jedným z nich hovorí, že nie je možné zahriať tepelný motor, ktorý by fungoval len v dôsledku zdroja tepla, t.j. Bez chladničky. Svetový oceán by mohol slúžiť pre neho prakticky nevyčerpateľný zdroj vnútornej energie (Wilhelm Friedrich Ostvald, 1901).

Iné formulácie druhého zákona termodynamiky sú ekvivalentné.

Clausius Formulácia (1850): Proces je nemožný, v ktorom sa teplo spontánne pohybuje z telies menej ohrievaných na telo, sa zahrieva.

Thomsonova formulácia (1851): Kruhový proces je nemožný, že jediným výsledkom by bol výrobou práce znížením vnútornej energie tepelnej nádrže.

Clausius Formulácia (1865): V tomto smere sa vyskytujú všetky spontánne procesy v uzavretom nerovnomernom systéme, v ktorom sa entropia systému zvyšuje; V stave tepelnej rovnováhy je to maximálne a konštantné.

Formulácia Boltzmann (1877): Uzavretý systém mnohých častíc spontánne sa pohybuje z ochoreného stavu do menej objednaného. Nie je schopný spontaneizovať systém z rovnovážnej polohy. Boltzmann predstavil kvantitatívny meradlo poruchy v systéme pozostávajúcej z mnohých orgánov - entropy..

Efektívnosť účinnosti s dokonalým plynom ako pracovným orgánom

Ak je model pracovnej tekutiny špecifikovaný v tepelnom motore (napríklad dokonalý plyn), potom môžete vypočítať zmenu termodynamických parametrov pracovnej tekutiny počas expanzie a kompresie. To vám umožní vypočítať efektívnosť tepelného motora založeného na zákonoch termodynamiky.

Obrázok ukazuje cykly, pre ktoré možno účinnosť vypočítať, ak pracujúca tekutina je perfektný plyn a parametre sú špecifikované na prechodných bodoch jedného termodynamického procesu na druhú.

	Isobaro Isochhor
	Isochorean-ADIABATNY
	ISOBARO-ADIABATNY
	Isobaro-izochlór-izotermické
	Isobaro-izochlór-lineárny

Carno cyklus. Účinnosť dokonalého tepelného motora

Najvyššia účinnosť pri daných teplotách ohrievača T.chladnička T.chlad má tepelný motor, kde pracujúca tekutina rozširuje a obkladá sa carno cyklus (Obr. 2), ktorého graf pozostáva z dvoch izotermových (2-3 a 4-1) a dvoch adiabat (3-4 a 1-2).

Teorem carno To dokazuje, že účinnosť takéhoto motora nezávisí od používanej pracovnej tekutiny, takže sa môže vypočítať pomocou pomerov termodynamiky pre dokonalý plyn:

Environmentálne dôsledky termálnych motorov

Intenzívne využívanie termálnych vozidiel na prepravu a energii (tepelné a jadrové elektrárne) významne ovplyvňuje biosféru Zeme. Hoci vedecké spory sa dejú na mechanizmy vplyvu ľudskej činnosti osoby na klímu Zeme, mnohí vedci si uvedomujú, že faktory, z ktorých sa môže vyskytnúť takýto účinok:

1. Skleníkový efekt je zvýšenie koncentrácie oxidu uhličitého (spaľovací produkt v tepelných ohrievačoch) v atmosfére. Oxid uhličitý prechádza viditeľné a ultrafialové žiarenie slnka, ale absorbuje infračervené žiarenie, ktoré ide do priestoru zo zeme. To vedie k zvýšeniu teploty nižších vrstiev atmosféry, posilnenie vetra hurikánu a globálne tavenie ľadu.
2. Priamy účinok jedovatých výfukových plynov do živej prírody (karcinogény, bol schopný, kyslé dažde z spolupracujúcich vedľajších produktov).
3. Zničenie ozónovej vrstvy počas letov lietadiel a spustenie rakiet. Ozón horných vrstiev atmosféry chráni všetko nažive na Zemi z prebytku ultrafialového žiarenia slnka.

Cesta z tvorivej environmentálnej krízy spočíva v zvyšovaní efektívnosti termálnych motorov (účinnosť moderných tepelných strojov zriedka presahuje 30%); používanie dobrých motorov a neutralizátorov škodlivých výfukových plynov; Použitie alternatívnych zdrojov energie (solárne panely a ohrievače) a alternatívne dopravné prostriedky (bicykle atď.).

Moderné skutočnosti naznačujú širokú prevádzku termálnych motorov. Početné pokusy nahradiť ich elektromotory sú stále zlyhanie. Problémy spojené s akumuláciou elektriny v autonómnych systémoch sú riešené s veľkými ťažkosťami.

Problémy výroby elektrických batérií sú stále relevantné, berúc do úvahy ich dlhodobé používanie. Vysokorýchlostné vlastnosti elektrických vozidiel sú ďaleko od tých, ktorí sú v aute na motoroch s vnútorným spaľovaním.

Prvé kroky na vytvorenie hybridných motorov umožňujú výrazne znížiť škodlivé emisie v megalopolis, riešenie environmentálnych problémov.

Trochu histórie

Schopnosť transformovať energiu pary na energiu pohybu bola známa v staroveku. 130 BC, Heron Alexandrian filozof prezentovaný divákovi parnej hračke - eolipale. Sphere naplnená parou prišla do otáčania pod pôsobením trysiek vychádzajúcich z neho. Tento prototyp moderných parných turbín v tých dňoch nenašiel aplikácie.

Pre mnoho rokov a storočia, vývoj filozofa bol považovaný za zábavnú hračku. V roku 1629 Talianska D. Branca vytvorila aktívnu turbínu. Pár viedol disk, vybavený lopatkami.

Od tej chvíle začal rýchly rozvoj parných motorov.

Tepelný stroj

Konverzia paliva do energie pohybu častí strojov a mechanizmov sa používa v termálnych strojoch.

Hlavné časti strojov: ohrievač (energetický výrobný systém z vonkajšej strany), pracovný orgán (užitočná akcia), chladnička.

Ohrievač je navrhnutý tak, aby zabezpečil, že pracovná tekutina nahromadila dostatočnú dodávku vnútornej energie na dosiahnutie užitočnej práce. Chladnička odstraňuje prebytočnú energiu.

Hlavná charakteristika účinnosti sa nazýva účinnosť efektívnosti. Táto hodnota ukazuje, ktorá časť vynaložená na vykurovanie energie sa vynaloží na výkon užitočnej práce. Čím vyššia je účinnosť, tým výhodnejšie fungovanie stroja, ale táto hodnota nemôže prekročiť 100%.

Výpočet efektívnosti

Nechajte ohrievač získaný zvonku energie rovný Q1. Pracovná tekutina bola vykonaná práca A, s energiou s chladničkou, bola Q2.

Na základe definície vypočítavame veľkosť efektívnosti:

η \u003d A / Q 1. Posúdiť, že A \u003d Q 1 - Q2.

Z tohto dôvodu účinnosť tepelného stroja, ktorý má formulár η \u003d (q 1 - q 2) / Q 1 \u003d 1 - Q 2 / Q 1, umožňuje čerpať tieto závery:

• Účinnosť nemôže prekročiť 1 (alebo 100%);
• na maximalizáciu nárastu tohto rozsahu je potrebné zvýšenie energie získanej z ohrievača, alebo zníženie energie danej chladničke;
• zvýšenie energie ohrievača sa dosiahne zmenou kvality paliva;
• zníženie energie s chladničkou umožňuje dosiahnuť štrukturálne znaky motorov.

Perfektný termálny motor

Je možné vytvoriť takýto motor, ktorých účinnosť by bola maximálna (ideálne - rovná 100%)? Nájdite odpoveď na túto otázku vyskúšala francúzsky fyzik a talentovaný inžinier Sadi Carlo. V roku 1824 boli zverejnené jeho teoretické výpočty na procesy vyskytujúcich sa v plynoch.

Hlavná myšlienka položená v perfektnom vozidle možno považovať za vykonávanie reverzibilných procesov s dokonalým plynom. Začneme s expanziou plynu izotermicky pri teplotách T 1. Množstvo tepla potrebného na to, Q 1. Po plyne bez výmeny tepla sa rozširuje, dosahuje teplotu T2, plyn je komprimovaný izotermicky, vysielanie chladničky s energiou Q2. Návrat plynu do pôvodného stavu je urobený adiabato.

Účinnosť ideálneho tepelného motora Carno, s presným výpočtom, sa rovná pomeru teploty rozdielu vykurovacích a chladiacich zariadení na teplotu, ktorú má ohrievač. Vyzerá to takto: η \u003d (t 1 - t 2) / t 1.

Možná účinnosť tepelného stroja, ktorej vzorec má formu: η \u003d 1 - t2 / t 1, závisí len od teploty ohrievača a chladiča a nemôže byť viac ako 100%.

Okrem toho, tento pomer nám umožňuje dokázať, že účinnosť termálnych strojov sa môže rovnať jednému len vtedy, keď sa teplota dosiahne s chladničkou teploty. Ako viete, táto hodnota je neprijateľná.

Teoretické výpočty Carno vám umožňujú určiť maximálnu účinnosť tepelného stroja akéhokoľvek dizajnu.

Uverené Carno Theorem znie nasledujúcim spôsobom. Arbilný termálny stroj za žiadnych okolností nie je schopný mať užitočný účinok podobnej hodnoty účinnosti dokonalého tepelného stroja.

Príklad riešenia úloh

Príklad 1. Aká je účinnosť dokonalého tepelného stroja, ak je teplota ohrievača 800 ° C, a teplota chladničky je 500 ° C nižšie?

T 1 \u003d 800 ° C \u003d 1073 K, AT \u003d 500 O C \u003d 500 K, η -?

Podľa definície: η \u003d (t 1 - t 2) / t 1.

Nedostanú teplotu chladničky, ale Δt \u003d (t 1 - t 2), teda:

η \u003d Δt / t 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Odpoveď: KPD \u003d 46%.

Príklad 2. Určite účinnosť ideálneho tepelného stroja, ak je užitočná práca 650 j. Aká je teplota ohrievača nosiča tepla, ak je teplota chladiča 400 k?

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

Táto úloha hovoríme o tepelnej inštalácii, ktorej účinnosť môže byť vypočítaná vzorcom:

Na určenie teploty ohrievača používame vzorec účinnosti dokonalého tepelného stroja:

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

Po vykonaní matematických transformácií dostaneme:

T 1 \u003d t2 / (1- η).

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

Vypočítajte:

η \u003d 650 J / 1000 J \u003d 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 termálny motor je navrhnutý s ideálnymi procesmi. Práca sa vykonáva len v izotermálnych procesoch, jeho hodnota je definovaná ako oblasť obmedzená carno cyklu.

V skutočnosti, na vytvorenie podmienok pre proces zmeny stavu plynu bez sprievodných teplôt je nemožné. Neexistujú žiadne takéto materiály, ktoré by vylučovali výmenu tepla s okolitými objektmi. Adobibatický proces sa stáva nemožným. V prípade výmeny tepla sa musí zmeniť teplota plynu.

Účinnosť termálnych strojov vytvorených v reálnych podmienkach sa výrazne odlišuje od efektívnosti ideálnych motorov. Všimnite si, že prietok procesov v reálnych motoroch sa vyskytuje tak rýchlo, že zmena vnútornej tepelnej energie pracovnej látky v procese zmeny jeho objemu nemôže byť kompenzovaná tokom množstva tepla z ohrievača a návratom chladnička.

Ostatné termálne motory

Skutočné motory pracujú na iných cykloch:

• oTTO CYKLÓNY: Proces s konštantným objemom sa mení adiabat, čím sa vytvorí uzavretý cyklus;
• dieselový cyklus: ISOBAR, ADIABAT, ISOFY, ADIABATA;
• Proces, ktorý sa vyskytuje pri konštantnom tlaku, je nahradený ADIABAT, uzatvára cyklus.

Vytvorte rovnovážne procesy v reálnych motoroch (aby ich priviezli do ideálneho) v podmienkach modernej technológie, nie je možné. Účinnosť termálnych strojov je výrazne nižšia, a to aj s prihliadnutím na rovnaké teplotné režimy ako v dokonalom tepelnom zariadení.

Nie je však potrebné znížiť úlohu vzorového vzorca pre efektívnosť, pretože sa stáva referenčným bodom v procese práce na zlepšení efektívnosti skutočných motorov.

Spôsoby zmeny účinnosti

Vykonávanie porovnania ideálnych a skutočných tepelných motorov stojí za zmienku, že teplota nedávnej chladničky nemôže byť žiadna. Typicky sa chladnička považuje za atmosféru. Vezmite teplotu atmosféry len v približných výpočtoch. Skúsenosti ukazujú, že teplota chladiča sa rovná teplote plynov strávených v motoroch, pretože sa vyskytuje vo vnútorných spaľovacích motoroch (skrátené na palube).

DVS je najbežnejší tepelný stroj v našom svete. Účinnosť tepelného stroja v tomto prípade závisí od teploty vytvorenej horľavého paliva. Základným rozdielom v motore z parných vozidiel je fúzia funkcií ohrievača a pracovnej tekutiny zariadenia v zmesi vzduchovej paliva. Vypaľovanie, zmes vytvára tlak na pohyblivé časti motora.

Zvýšené pracovné plyny dosahujú významne meniť vlastnosti paliva. Bohužiaľ, nie je možné to urobiť na neurčito. Akýkoľvek materiál, z ktorého je spaľovanie motora, má svoj bod topenia. Tepelná odolnosť takýchto materiálov je hlavnou charakteristikou motora, ako aj schopnosť významne ovplyvniť účinnosť.

Hodnoty energetických motorov

Ak zvážime teplotu pracovného páru pri vstupe, ktorého je 800 K, a strávený plyn je 300 K, účinnosť tohto stroja je 62%. V skutočnosti táto hodnota nepresahuje 40%. Takýto pokles dochádza v dôsledku tepelných stratách, keď sa puzdro turbíny zahrieva.

Najväčšia hodnota vnútorného spaľovania nepresahuje 44%. Zvýšenie tejto hodnoty je otázka blízkej budúcnosti. Zmena vlastností materiálov, palivo je problém, že najlepšie mysle ľudstva práce.

Práca vykonávaná motorom je:

Prvýkrát tento proces zvážil francúzsky inžinier a vedci N. L. S. Karno v roku 1824 v knihe "Odrazy na hnacej silu požiaru a autách, ktoré môžu vyvinúť túto silu."

Cieľom výskumu Carno bolo zistiť príčiny nedokonalosti termálnych vozidiel tohto času (mali účinnosť ≤ 5%) a hľadanie ich ciest zlepšovania.

Carno cyklus je najúčinnejší zo všetkých možných. Jeho efektívnosť je maximálna.

Obrázok ukazuje termodynamické procesné cykly. V procese izotermickej expanzie (1-2) pri teplotách T. 1 , Práca sa vykonáva v dôsledku zmeny vnútornej energie ohrievača, t.j. v dôsledku stupeň objemu tepla Q.:

A. 12 = Q. 1 ,

Chladiaci plyn pred kompresiou (3-4) nastáva pri adiabatickej expanzii (2-3). Zmena vnútornej energie Δu. 23 s adiabatickým procesom ( Q \u003d 0.) Plne prevedené na mechanickú prácu:

A. 23 \u003d -8. 23 ,

Teplota plynu v dôsledku adiabatickej vyrážky (2-3) sa zníži na teplotu chladničky T. 2 < T. 1 . V procese (3-4), plynové izotermicky stlačené, pričom sa prenesie množstvo tepla na chladničku Q 2.:

34 \u003d Q 2,

Cyklus je doplnený procesom adiabatickej kompresie (4-1), v ktorom sa plyn ohrieva na teplotu T 1.

Maximálna hodnota účinnosti termálnych motorov pôsobiacich na ideálnom plyne pozdĺž carno cyklu:

.

Essence vzorca je vyjadrená v overení Z. CARNO Vetem, že účinnosť akéhokoľvek tepelného motora nesmie prekročiť účinnosť carno cyklu vykonávaného pri rovnakej teplote ohrievača a chladničky.

Úloha 15.1.1. Obrázky 1, 2 a 3 ukazujú grafy troch cyklických procesov, ktoré sa vyskytujú s dokonalým plynom. V ktorom z týchto procesov sa plyn spáchal pozitívnu prácu pre cyklus?

Úloha 15.1.3. Perfektný plyn, ktorý robí nejaký cyklický proces, sa vrátil do pôvodného stavu. Celkové množstvo tepla získaného plynom počas celého procesu (rozdiel ohrievača získaného z ohrievača a chladničky) je rovnaký. Aký druh práce robil plyn počas cyklu?

Úloha 15.1.5. Obrázok zobrazuje graf cyklického procesu, ktorý sa vyskytuje s plynom. Procesné parametre sú uvedené na grafe. Aký pracovný plyn robí počas tohto cyklického procesu?

Úloha 15.1.6. Perfektný plyn robí cyklický proces, harmonogram v súradniciach je znázornený na obrázku. Je známe, že proces je 2-3 - izochorický, v procesoch 1-2 a 3-1 plyn vykonal prácu a podľa toho. Aký druh práce robil plyn počas cyklu?

Úloha 15.1.7. Účinnosť tepelného motora ukazuje

Úloha 15.1.8. Počas cyklu, tepelný motor prijíma množstvo tepla z ohrievača a dáva chladničku množstvo tepla. Aký vzorec určuje účinnosť motora?

Úloha 15.1.10. Účinnosť ideálneho termálneho automobilu pracujúceho na colnom cykle je 50%. Teplota ohrievača sa zdvojnásobí, teplota chladničky sa nemení. Ako bude účinnosť výsledného dokonalého tepelného stroja?