Në modelin teorik të një motori ngrohjeje, konsiderohen tre trupa: ngrohës, lëngu i punës Dhe frigorifer.

Ngrohësi është një rezervuar nxehtësie (trup i madh) temperatura e të cilit është konstante.

Në çdo cikël të funksionimit të motorit, lëngu i punës merr një sasi të caktuar nxehtësie nga ngrohësi, zgjerohet dhe kryen punë mekanike. Transferimi i një pjese të energjisë së marrë nga ngrohësi në frigorifer është i nevojshëm për të kthyer lëngun e punës në gjendjen e tij origjinale.

Meqenëse modeli supozon se temperatura e ngrohësit dhe frigoriferit nuk ndryshon gjatë funksionimit të motorit termik, kur përfundon cikli: ngrohje-zgjerim-ftohje-kompresim i lëngut të punës, konsiderohet se makina kthehet në origjinal. shteti.

Për çdo cikël, bazuar në ligjin e parë të termodinamikës, mund të shkruajmë se sasia e nxehtësisë P nxehtësia e marrë nga ngrohësi, sasia e nxehtësisë | P i ftohte|i jepet frigoriferit, dhe puna e bere nga trupi punues A lidhen me njëra-tjetrën nga relacioni:

A = P nxehtësia – | P ftohtë|.

Në pajisjet reale teknike, të cilat quhen motorë të nxehtësisë, lëngu i punës nxehet nga nxehtësia e lëshuar gjatë djegies së karburantit. Kështu, në një turbinë me avull të një termocentrali, ngrohësi është një furrë me qymyr të nxehtë. Në një motor me djegie të brendshme (ICE), produktet e djegies mund të konsiderohen si ngrohës dhe ajri i tepërt mund të konsiderohet një lëng pune. Ata përdorin ajrin atmosferik ose ujin nga burimet natyrore si frigorifer.

Efikasiteti i një motori termik (makine)

Efikasiteti i motorit të nxehtësisë (efikasiteti)është raporti i punës së bërë nga motori me sasinë e nxehtësisë së marrë nga ngrohësi:

Efikasiteti i çdo motori termik është më i vogël se uniteti dhe shprehet në përqindje. Pamundësia e shndërrimit të të gjithë sasisë së nxehtësisë së marrë nga ngrohësi në punë mekanike është çmimi që duhet paguar për nevojën për të organizuar një proces ciklik dhe rrjedh nga ligji i dytë i termodinamikës.

Në motorët me nxehtësi reale, efikasiteti përcaktohet nga fuqia mekanike eksperimentale N motori dhe sasia e karburantit të djegur për njësi të kohës. Pra, nëse në kohë t masë e karburantit të djegur m dhe nxehtësinë specifike të djegies q, Kjo

Për automjetet, karakteristika e referencës është shpesh vëllimi V djegur karburant gjatë rrugës s në fuqinë e motorit mekanik N dhe me shpejtësi. Në këtë rast, duke marrë parasysh densitetin r të karburantit, mund të shkruajmë formulën për llogaritjen e efikasitetit:

Ligji i dytë i termodinamikës

Ka disa formulime ligji i dytë i termodinamikës. Njëri prej tyre thotë se është e pamundur të kesh një motor ngrohjeje që do të bënte punë vetëm për shkak të një burimi nxehtësie, d.m.th. pa frigorifer. Oqeanet e botës mund të shërbejnë për të si një burim praktikisht i pashtershëm i energjisë së brendshme (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Formulime të tjera të ligjit të dytë të termodinamikës janë ekuivalente me këtë.

Formulimi i Clausius(1850): një proces në të cilin nxehtësia do të transferohej spontanisht nga trupat më pak të nxehtë në trupat më të nxehtë është i pamundur.

formulimi i Tomsonit(1851): një proces rrethor është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit do të ishte prodhimi i punës duke reduktuar energjinë e brendshme të rezervuarit termik.

Formulimi i Clausius(1865): të gjitha proceset spontane në një sistem të mbyllur jo ekuilibër ndodhin në një drejtim në të cilin entropia e sistemit rritet; në gjendje ekuilibri termik është maksimal dhe konstant.

Formulimi Boltzmann(1877): një sistem i mbyllur me shumë grimca kalon spontanisht nga një gjendje më e rregulluar në një gjendje më pak të renditur. Sistemi nuk mund të largohet spontanisht nga pozicioni i tij i ekuilibrit. Boltzmann prezantoi një masë sasiore të çrregullimit në një sistem të përbërë nga shumë trupa - entropia.

Efikasiteti i një motori termik me një gaz ideal si lëng pune

Nëse jepet një model i lëngut të punës në një motor ngrohjeje (për shembull, një gaz ideal), atëherë është e mundur të llogaritet ndryshimi në parametrat termodinamikë të lëngut të punës gjatë zgjerimit dhe ngjeshjes. Kjo lejon që efikasiteti i një motori termik të llogaritet bazuar në ligjet e termodinamikës.

Figura tregon ciklet për të cilat efikasiteti mund të llogaritet nëse lëngu i punës është një gaz ideal dhe parametrat janë të specifikuar në pikat e kalimit të një procesi termodinamik në tjetrin.

	Izobarik-izokorik
	Izokorik-adiabatik
	Izobarike-adiabatike
	Izobarik-izokorik-izotermik
	Izobarik-izokorik-linear

Cikli Carnot. Efikasiteti i një motori ideal me nxehtësi

Efikasiteti më i lartë në temperaturat e dhëna të ngrohësit T ngrohës dhe frigorifer T salla ka një motor ngrohjeje, ku lëngu i punës zgjerohet dhe tkurret sipas Cikli Carnot(Fig. 2), grafiku i të cilit përbëhet nga dy izoterma (2–3 dhe 4–1) dhe dy adiabate (3–4 dhe 1–2).

Teorema e Carnot vërteton se efikasiteti i një motori të tillë nuk varet nga lëngu i punës i përdorur, kështu që mund të llogaritet duke përdorur marrëdhëniet termodinamike për një gaz ideal:

Pasojat mjedisore të motorëve me ngrohje

Përdorimi intensiv i motorëve të nxehtësisë në transport dhe energji (centralet termike dhe bërthamore) ndikon ndjeshëm në biosferën e Tokës. Megjithëse ka mosmarrëveshje shkencore në lidhje me mekanizmat e ndikimit të veprimtarisë njerëzore në klimën e Tokës, shumë shkencëtarë vërejnë faktorët për shkak të të cilëve mund të ndodhë një ndikim i tillë:

1. Efekti serë është një rritje në përqendrimin e dioksidit të karbonit (një produkt i djegies në ngrohësit e motorëve të nxehtësisë) në atmosferë. Dioksidi i karbonit lejon kalimin e rrezatimit të dukshëm dhe ultravjollcë nga Dielli, por thith rrezatimin infra të kuq nga Toka në hapësirë. Kjo çon në një rritje të temperaturës së shtresave më të ulëta të atmosferës, rritje të erërave uragane dhe shkrirje globale të akullit.
2. Ndikimi i drejtpërdrejtë i gazeve toksike të shkarkimit në jetën e egër (kancerogjene, smogu, shiu acid nga nënproduktet e djegies).
3. Shkatërrimi i shtresës së ozonit gjatë fluturimeve të aeroplanëve dhe lëshimeve të raketave. Ozoni në pjesën e sipërme të atmosferës mbron të gjithë jetën në Tokë nga rrezatimi i tepërt ultravjollcë nga Dielli.

Rruga për të dalë nga kriza mjedisore në zhvillim qëndron në rritjen e efikasitetit të motorëve me nxehtësi (efikasiteti i motorëve modernë të nxehtësisë rrallëherë kalon 30%); duke përdorur motorë të dobishëm dhe neutralizues të dëmshëm të gazit të shkarkimit; përdorimin e burimeve alternative të energjisë (panele diellore dhe ngrohje) dhe mjeteve alternative të transportit (biçikleta, etj.).

Takimi ynë i sotëm i kushtohet motorëve me ngrohje. Ato fuqizojnë shumicën e llojeve të transportit dhe na lejojnë të prodhojmë energji elektrike, e cila na sjell ngrohtësi, dritë dhe rehati. Si ndërtohen motorët me nxehtësi dhe cili është parimi i funksionimit të tyre?

Koncepti dhe llojet e motorëve me nxehtësi

Motorët me nxehtësi janë pajisje që konvertojnë energjinë kimike të karburantit në punë mekanike.

Kjo bëhet si më poshtë: duke u zgjeruar gazi shtyp ose në piston, duke e bërë atë të lëvizë, ose në tehet e turbinës, duke bërë që ai të rrotullohet.

Ndërveprimi i gazit (avullit) me pistonin ndodh në motorët me karburator dhe me naftë (ICE).

Një shembull i veprimit të gazit që krijon rrotullim është funksionimi i motorëve turbojet të avionëve.

Diagrami bllok i një motori me nxehtësi

Pavarësisht nga ndryshimet në dizajnin e tyre, të gjithë motorët e nxehtësisë kanë një ngrohës, një substancë pune (gaz ose avull) dhe një frigorifer.

Djegia e karburantit ndodh në ngrohës, duke rezultuar në çlirimin e sasisë së nxehtësisë Q1, dhe vetë ngrohësi nxehet në temperaturën T1. Substanca punuese, duke u zgjeruar, bën punën A.

Por nxehtësia Q1 nuk mund të shndërrohet plotësisht në punë. Një pjesë e tij Q2, përmes transferimit të nxehtësisë nga trupi i nxehtë, lëshohet në mjedis, i quajtur konvencionalisht frigorifer me temperaturë T2.

Rreth motorëve me avull

Kronologjia e kësaj shpikje daton në epokën e Arkimedit, i cili shpiku një top që gjuante duke përdorur avull. Më pas vijon një sërë emrash të njohur që ofrojnë projektet e tyre. Versioni më efektiv i pajisjes i përket shpikësit rus Ivan Polzunov. Ndryshe nga paraardhësit e tij, ai propozoi goditje e vazhdueshme e boshtit të punës për shkak të përdorimit të funksionimit të alternuar të 2 cilindrave.

Djegia e karburantit dhe formimi i avullit në motorët me avull ndodh jashtë dhomës së punës. Kjo është arsyeja pse ata quhen motorë me djegie të jashtme.

I njëjti parim përdoret për të formuar lëngun e punës në turbinat me avull dhe gaz. Prototipi i tyre i largët ishte një top i rrotulluar nga avulli. Autori i këtij mekanizmi ishte shkencëtari Heron, i cili krijoi makinat dhe instrumentet e tij në Aleksandrinë e lashtë.

Rreth motorëve me djegie të brendshme

Në fund të shekullit të 19-të, gjerman projektuesi August Otto propozoi një dizajn motori me djegie të brendshme me një karburator ku përgatitet përzierja ajër-karburant.

Le të hedhim një vështrim më të afërt në punën e tij. Çdo cikël funksionimi përbëhet nga 4 goditje: marrje, ngjeshje, goditje e fuqisë dhe shkarkim.

Gjatë goditjes së parë, përzierja e djegshme injektohet në cilindër dhe kompresohet nga pistoni. Kur ngjeshja arrin maksimum, sistemi i ndezjes elektrike aktivizohet (shkëndija nga një kandele). Si rezultat i këtij mikro-shpërthimi, temperatura në dhomën e djegies arrin 16.000 - 18.000 gradë. Gazrat që rezultojnë bëjnë presion mbi piston, e shtyjnë atë, duke e kthyer boshtin me gunga të lidhur me pistonin. Kjo është goditja e punës që e vë makinën në lëvizje.

Dhe gazrat e ftohur lëshohen në atmosferë përmes valvulës së shkarkimit. Në përpjekje për të përmirësuar efikasitetin e pajisjes, zhvilluesit rritën shkallën e ngjeshjes së përzierjes së djegshme, por më pas ajo u ndez spontanisht "para afatit".

gjermanisht inxhinier Diesel Kam gjetur një mënyrë interesante për të dalë nga ky problem ...

Ajri i pastër është i ngjeshur në cilindra me naftë për shkak të lëvizjes së pistonit. Kjo bëri të mundur rritjen e raportit të kompresimit disa herë. Temperatura në dhomën e djegies arrin 900 gradë. Në fund të goditjes së kompresimit, karburanti dizel injektohet atje. Pikat e saj të vogla, të përziera me ajër të tillë të nxehtë, ndizen spontanisht. Gazrat që rezultojnë, duke u zgjeruar, shtypin në piston, duke kryer goditjen e punës.

Kështu që, Motorët me naftë ndryshojnë nga motorët me karburator:

• Sipas llojit të karburantit të përdorur. Motorët e karburatorit janë benzinë. Motorët me naftë konsumojnë ekskluzivisht karburant dizel.
• Nafta është 15–20% më ekonomike se motorët me karburator për shkak të raportit më të lartë të kompresimit, por mirëmbajtja e tij është më e shtrenjtë se rivali i tij, motori me benzinë.
• Ndër disavantazhet e naftës është se në dimrat e ftohtë rus, karburanti dizel trashet dhe duhet të ngrohet.
• Studimet e fundit nga shkencëtarët amerikanë kanë treguar se emetimet nga motorët me naftë janë më pak të dëmshme në përbërje sesa nga homologët e tyre me benzinë.

Konkurrenca afatgjatë midis dy llojeve të motorëve me djegie të brendshme rezultoi në shpërndarjen e fushës së përdorimit të tyre. Motorët me naftë, si më të fuqishëm, instalohen në transportin detar, në traktorë dhe mjete të rënda, dhe motorët me karburator në automjete të lehta dhe të mesme, në motobarka, motoçikleta etj.

Faktori i efikasitetit (efikasiteti)

Efikasiteti i funksionimit të çdo mekanizmi përcaktohet nga efikasiteti i tij. Një motor me avull që lëshon avull të mbeturinave në atmosferë ka një efikasitet shumë të ulët prej 1 deri në 8%, motorët me benzinë ​​deri në 30%, dhe një motor konvencional me naftë deri në 40%. Sigurisht, në çdo kohë, inxhinieria nuk u ndal dhe kërkoi mënyra për të rritur efikasitetin.

Franceze e talentuar inxhinier Sadi Carnot zhvilloi një teori të funksionimit të një motori ideal të nxehtësisë.

Arsyetimi i tij ishte si vijon: për të siguruar përsëritshmërinë e cikleve, është e nevojshme që zgjerimi i substancës së punës kur nxehet të zëvendësohet nga ngjeshja e saj në gjendjen e saj origjinale. Ky proces mund të realizohet vetëm falë punës së forcave të jashtme. Për më tepër, puna e këtyre forcave duhet të jetë më e vogël se puna e dobishme e vetë lëngut të punës. Për ta bërë këtë, ulni presionin e tij duke e ftohur në frigorifer. Atëherë grafiku i të gjithë ciklit do të duket si një kontur i mbyllur, prandaj u quajt cikli Carnot. Efikasiteti maksimal i një motori ideal llogaritet me formulën:

Ku η është vetë efikasiteti, T1 dhe T2 janë temperaturat absolute të ngrohësit dhe frigoriferit. Ato llogariten duke përdorur formulën T= t+273, ku t është temperatura në Celsius. Nga formula është e qartë se për të rritur efikasitetin është e nevojshme të rritet temperatura e ngrohësit, e cila kufizohet nga rezistenca ndaj nxehtësisë së materialit, ose të ulet temperatura e frigoriferit. Efikasiteti maksimal do të jetë në T = 0K, i cili është gjithashtu teknikisht i pamundur.

Koeficienti real është gjithmonë më i vogël se efikasiteti i një motori ideal të nxehtësisë. Duke krahasuar koeficientin aktual me atë ideal, është e mundur të përcaktohen rezervat për përmirësimin e motorit ekzistues.

Duke punuar në këtë drejtim, projektuesit kanë pajisur motorët me benzinë ​​të gjeneratës së fundit me sisteme të injektimit të karburantit(injektorë). Kjo bën të mundur arritjen e djegies së plotë duke përdorur elektronikë dhe, në përputhje me rrethanat, rritjen e efikasitetit.

Po kërkohen mënyra për të reduktuar fërkimin e kontaktit të pjesëve të motorit, si dhe për të përmirësuar cilësinë e karburantit të përdorur.

Më parë, natyra kërcënonte njeriun, por tani njeriu kërcënon natyrën.

Brezi aktual duhet të përballet me pasojat e veprimtarisë së paarsyeshme njerëzore. Dhe një kontribut të rëndësishëm në prishjen e ekuilibrit të brishtë të natyrës jep vëllimi i madh i motorëve të nxehtësisë që përdoren në transport, në bujqësi, si dhe turbinat me avull të termocentraleve.

Kjo efektet e dëmshme shfaqen në emetimet kolosale dhe rritjen e niveleve të dioksidit të karbonit në atmosferë. Procesi i djegies së karburantit shoqërohet me konsumin e oksigjenit atmosferik në një shkallë të tillë që e tejkalon prodhimin e saj nga e gjithë bimësia tokësore.

Një pjesë e konsiderueshme e nxehtësisë nga motorët shpërndahet në mjedis. Ky proces, i rënduar nga efekti serë, çon në një rritje të temperaturës mesatare vjetore në Tokë. Dhe ngrohja globale është e mbushur me pasoja katastrofike për të gjithë qytetërimin.

Për të parandaluar që situata të përkeqësohet, është e nevojshme të pastrohen në mënyrë efektive gazrat e shkarkimit dhe të kalohet në standarde të reja mjedisore që imponojnë kërkesa më të rrepta për përmbajtjen e substancave të dëmshme në gazrat e shkarkimit.

Është shumë e rëndësishme të përdorni vetëm karburant me cilësi të lartë. Priten perspektiva të mira nga përdorimi i hidrogjenit si lëndë djegëse, pasi djegia e tij prodhon ujë në vend të emetimeve të dëmshme.

Në të ardhmen e afërt, një pjesë e konsiderueshme e automjeteve me benzinë ​​do të zëvendësohen me automjete elektrike.

Nëse ky mesazh do të ishte i dobishëm për ju, do të isha i lumtur t'ju shihja

« Fizikë - klasa e 10-të"

Çfarë është një sistem termodinamik dhe cilat parametra e karakterizojnë gjendjen e tij.
Tregoni ligjin e parë dhe të dytë të termodinamikës.

Ishte krijimi i teorisë së motorëve të nxehtësisë që çoi në formulimin e ligjit të dytë të termodinamikës.

Rezervat e energjisë së brendshme në koren e tokës dhe oqeanet mund të konsiderohen praktikisht të pakufizuara. Por për të zgjidhur problemet praktike, nuk mjafton të kesh rezerva energjetike. Është gjithashtu e nevojshme të mund të përdoret energjia për të vënë në lëvizje veglat e makinerive në fabrika dhe fabrika, automjete, traktorë dhe makina të tjera, për të rrotulluar rotorët e gjeneratorëve të rrymës elektrike, etj. Njerëzimi ka nevojë për motorë - pajisje të afta për të kryer punë. Shumica e motorëve në Tokë janë motorët me ngrohje.

Motorët me nxehtësi- këto janë pajisje që shndërrojnë energjinë e brendshme të karburantit në punë mekanike.

Parimi i funksionimit të motorëve me nxehtësi.

Në mënyrë që një motor të funksionojë, duhet të ketë një ndryshim presioni në të dy anët e pistonit të motorit ose tehut të turbinës. Në të gjithë motorët me nxehtësi, ky ndryshim presioni arrihet duke rritur temperaturën lëngu i punës(gaz) me qindra ose mijëra gradë në krahasim me temperaturën e ambientit. Kjo rritje e temperaturës ndodh kur karburanti digjet.

Një nga pjesët kryesore të motorit është një enë e mbushur me gaz me një piston të lëvizshëm. Lëngu i punës i të gjithë motorëve me ngrohje është gazi, i cili funksionon gjatë zgjerimit. Le ta shënojmë temperaturën fillestare të lëngut punues (gazit) me T 1 . Kjo temperaturë në turbinat ose makinat me avull arrihet nga avulli në bojlerin me avull. Në motorët me djegie të brendshme dhe turbinat me gaz, rritja e temperaturës ndodh kur karburanti digjet brenda vetë motorit. Temperatura T 1 quhet temperatura e ngrohësit.

Roli i frigoriferit.

Ndërsa kryhet puna, gazi humbet energjinë dhe në mënyrë të pashmangshme ftohet në një temperaturë të caktuar T2, e cila zakonisht është pak më e lartë se temperatura e ambientit. Ata e thërrasin atë temperatura e frigoriferit. Frigoriferi është atmosfera ose pajisje speciale për ftohjen dhe kondensimin e avullit të mbeturinave - kondensatorë. Në rastin e fundit, temperatura e frigoriferit mund të jetë pak më e ulët se temperatura e ambientit.

Kështu, në një motor, lëngu i punës gjatë zgjerimit nuk mund të heqë dorë nga gjithë energjia e tij e brendshme për të kryer punë. Një pjesë e nxehtësisë transferohet në mënyrë të pashmangshme në frigorifer (atmosferë) së bashku me avullin e mbetur ose gazrat e shkarkimit nga motorët me djegie të brendshme dhe turbinat me gaz.

Kjo pjesë e energjisë së brendshme të karburantit humbet. Një motor ngrohje kryen punë për shkak të energjisë së brendshme të lëngut të punës. Për më tepër, në këtë proces, nxehtësia transferohet nga trupat më të nxehtë (ngrohës) në ato më të ftohtë (frigorifer). Diagrami skematik i një motori me nxehtësi është paraqitur në figurën 13.13.

Lëngu i punës i motorit merr nga ngrohësi gjatë djegies së karburantit sasinë e nxehtësisë Q 1, bën punën A" dhe e transferon sasinë e nxehtësisë në frigorifer. P 2< Q 1 .

Në mënyrë që motori të funksionojë vazhdimisht, është e nevojshme të kthehet lëngu i punës në gjendjen e tij fillestare, në të cilën temperatura e lëngut të punës është e barabartë me T 1. Nga kjo rrjedh se motori funksionon sipas proceseve të mbyllura që përsëriten periodikisht, ose, siç thonë ata, në një cikël.

Cikliështë një seri procesesh si rezultat i të cilave sistemi kthehet në gjendjen e tij fillestare.

Koeficienti i performancës (efikasitetit) të një motori me nxehtësi.

Pamundësia e shndërrimit të plotë të energjisë së brendshme të gazit në punën e motorëve të nxehtësisë është për shkak të pakthyeshmërisë së proceseve në natyrë. Nëse nxehtësia mund të kthehet spontanisht nga frigoriferi në ngrohës, atëherë energjia e brendshme mund të shndërrohet plotësisht në punë të dobishme nga çdo motor ngrohjeje. Ligji i dytë i termodinamikës mund të shprehet si më poshtë:

Ligji i dytë i termodinamikës:
Është e pamundur të krijohet një makinë me lëvizje të përhershme e llojit të dytë, e cila do ta shndërronte plotësisht nxehtësinë në punë mekanike.

Sipas ligjit të ruajtjes së energjisë, puna e bërë nga motori është e barabartë me:

A" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)

ku Q 1 është sasia e nxehtësisë së marrë nga ngrohësi, dhe Q2 është sasia e nxehtësisë që i jepet frigoriferit.

Koeficienti i performancës (efikasiteti) i një motori me nxehtësi është raporti i punës A "të kryer nga motori me sasinë e nxehtësisë së marrë nga ngrohësi:

Meqenëse të gjithë motorët transferojnë një sasi nxehtësie në frigorifer, atëherë η< 1.

Vlera maksimale e efikasitetit të motorëve me ngrohje.

Ligjet e termodinamikës bëjnë të mundur llogaritjen e efikasitetit maksimal të mundshëm të një motori ngrohjeje që funksionon me një ngrohës në temperaturën T1 dhe një frigorifer në temperaturën T2, si dhe të përcaktojë mënyrat për ta rritur atë.

Për herë të parë, efikasiteti maksimal i mundshëm i një motori termik u llogarit nga inxhinieri dhe shkencëtari francez Sadi Carnot (1796-1832) në veprën e tij "Reflektime mbi forcën lëvizëse të zjarrit dhe mbi makinat e afta për të zhvilluar këtë forcë" (1824). ).

Carnot doli me një motor ideal të ngrohjes me një gaz ideal si një lëng pune. Një motor ideal i ngrohjes Carnot funksionon në një cikël të përbërë nga dy izoterma dhe dy adiabat, dhe këto procese konsiderohen të kthyeshme (Fig. 13.14). Së pari, një enë me gaz vihet në kontakt me ngrohësin, gazi zgjerohet në mënyrë izotermale, duke bërë punë pozitive, në temperaturën T 1 dhe merr një sasi nxehtësie Q 1.

Më pas ena izolohet termikisht, gazi vazhdon të zgjerohet adiabatikisht, ndërsa temperatura e tij bie në temperaturën e frigoriferit T 2. Pas kësaj, gazi vihet në kontakt me frigoriferin gjatë ngjeshjes izotermike, ai i jep sasisë së nxehtësisë Q 2 në frigorifer, duke u ngjeshur në një vëllim V 4;< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Siç vijon nga formula (13.17), efikasiteti i një makine Carnot është drejtpërdrejt proporcional me ndryshimin në temperaturat absolute të ngrohësit dhe frigoriferit.

Rëndësia kryesore e kësaj formule është se tregon mënyrën e rritjes së efikasitetit, për këtë është e nevojshme të rritet temperatura e ngrohësit ose të ulet temperatura e frigoriferit.

Çdo motor me nxehtësi të vërtetë që funksionon me një ngrohës në temperaturën T1 dhe një frigorifer në temperaturën T2 nuk mund të ketë një efikasitet që tejkalon atë të një motori ideal termik: Proceset që përbëjnë ciklin e një motori të vërtetë nxehtësie nuk janë të kthyeshme.

Formula (13.17) jep një kufi teorik për vlerën maksimale të efikasitetit të motorëve me nxehtësi. Tregon se një motor ngrohje është më efikas, aq më i madh është ndryshimi i temperaturës midis ngrohësit dhe frigoriferit.

Vetëm në një temperaturë frigoriferi të barabartë me zero absolute ka η = 1. Përveç kësaj, është vërtetuar se efikasiteti i llogaritur duke përdorur formulën (13.17) nuk varet nga substanca e punës.

Por temperatura e frigoriferit, rolin e të cilit e luan zakonisht atmosfera, praktikisht nuk mund të jetë më e ulët se temperatura e ajrit të ambientit. Mund të rrisni temperaturën e ngrohësit. Megjithatë, çdo material (i ngurtë) ka rezistencë të kufizuar ndaj nxehtësisë ose rezistencë ndaj nxehtësisë. Kur nxehet, gradualisht humbet vetitë e tij elastike dhe në një temperaturë mjaft të lartë shkrihet.

Tani përpjekjet kryesore të inxhinierëve kanë për qëllim rritjen e efikasitetit të motorëve duke reduktuar fërkimin e pjesëve të tyre, humbjet e karburantit për shkak të djegies jo të plotë, etj.

Për një turbinë me avull, temperaturat fillestare dhe përfundimtare të avullit janë afërsisht si më poshtë: T 1 - 800 K dhe T 2 - 300 K. Në këto temperatura, vlera maksimale e efikasitetit është 62% (vini re se efikasiteti zakonisht matet si përqindje) . Vlera aktuale e efikasitetit për shkak të llojeve të ndryshme të humbjeve të energjisë është afërsisht 40%. Efikasiteti maksimal - rreth 44% - arrihet nga motorët me naftë.

Mbrojtjen e mjedisit.

Është e vështirë të imagjinohet bota moderne pa motorët e nxehtësisë. Janë ata që na ofrojnë një jetë komode. Motorët me nxehtësi drejtojnë automjete. Rreth 80% e energjisë elektrike, pavarësisht pranisë së termocentraleve bërthamore, prodhohet duke përdorur motorë termikë.

Megjithatë, gjatë funksionimit të motorëve me ngrohje, ndodh ndotja e pashmangshme e mjedisit. Kjo është një kontradiktë: nga njëra anë, njerëzimi ka nevojë për gjithnjë e më shumë energji çdo vit, pjesa kryesore e së cilës merret përmes djegies së karburantit, nga ana tjetër, proceset e djegies shoqërohen në mënyrë të pashmangshme nga ndotja e mjedisit.

Kur karburanti digjet, përmbajtja e oksigjenit në atmosferë zvogëlohet. Përveç kësaj, vetë produktet e djegies formojnë komponime kimike që janë të dëmshme për organizmat e gjallë. Ndotja ndodh jo vetëm në tokë, por edhe në ajër, pasi çdo fluturim avioni shoqërohet me emetime të papastërtive të dëmshme në atmosferë.

Një nga pasojat e motorëve është formimi i dioksidit të karbonit, i cili thith rrezatimin infra të kuqe nga sipërfaqja e Tokës, gjë që çon në një rritje të temperaturës atmosferike. Ky është i ashtuquajturi efekt serë. Matjet tregojnë se temperatura atmosferike rritet me 0,05 °C në vit. Një rritje e tillë e vazhdueshme e temperaturës mund të shkaktojë shkrirjen e akullit, i cili, nga ana tjetër, do të çojë në ndryshime në nivelet e ujit në oqeane, d.m.th., në përmbytjen e kontinenteve.

Le të vërejmë një pikë tjetër negative kur përdorni motorët me nxehtësi. Pra, ndonjëherë uji nga lumenjtë dhe liqenet përdoret për të ftohur motorët. Më pas, uji i nxehtë kthehet përsëri. Rritja e temperaturës në trupat ujorë prish ekuilibrin natyror ky fenomen quhet ndotje termike.

Për të mbrojtur mjedisin, filtra të ndryshëm pastrimi përdoren gjerësisht për të parandaluar lëshimin e substancave të dëmshme në atmosferë dhe dizajni i motorit po përmirësohet. Ka një përmirësim të vazhdueshëm të karburantit që prodhon substanca më pak të dëmshme gjatë djegies, si dhe teknologjinë e djegies së tij. Burimet alternative të energjisë që përdorin erën, rrezatimin diellor dhe energjinë bërthamore janë duke u zhvilluar në mënyrë aktive. Tashmë po prodhohen makina elektrike dhe makina me energji diellore.

Një motor ngrohje është një pajisje që kryen punën duke përdorur energjinë e karburantit. Një makinë që funksionon në një motor të tillë e shndërron atë në një motor dhe zbaton varësinë e zgjerimit të materies nga vlera e temperaturës.

E para u shfaq në Perandorinë Romake. Ishte një turbinë me djegie të jashtme e fuqizuar nga avulli. Por për shkak të zhvillimit të ulët të teknologjisë, kjo shpikje nuk u zhvillua. Nuk pati asnjë ndikim në përparim dhe u harrua shpejt. Më vonë, një armë baruti dhe një raketë baruti u shfaqën në Kinë. Ishte një pajisje relativisht e thjeshtë. Nga pikëpamja mekanike, një raketë pluhuri nuk ishte një motor nxehtësie, por nga pikëpamja e fizikës, ishte një motor nxehtësie. Tashmë në shekullin e 17-të, shkencëtarët u përpoqën të shpiknin një motor ngrohjeje të bazuar në një armë baruti.

Llojet e motorëve me nxehtësi

Motorët e nxehtësisë me djegie të jashtme:

1. Një motor Stirling është një aparat termik në të cilin një lëng pune i gaztë ose i lëngshëm lëviz në një hapësirë ​​të kufizuar. Kjo pajisje bazohet në ftohjen dhe ngrohjen periodike të lëngut të punës. Në këtë rast, energjia që lind kur ndryshon vëllimi i lëngut të punës nxirret. Motori Stirling mund të funksionojë nga çdo burim nxehtësie.

2. Motorët me avull. Avantazhi i tyre kryesor është thjeshtësia dhe cilësitë e shkëlqyera të tërheqjes, të cilat nuk ndikohen nga shpejtësia e funksionimit. Në këtë rast, ju mund të bëni pa një kuti ingranazhi. Në këtë mënyrë, një motor me avull ndryshon për mirë nga një motor me djegie të brendshme, i cili prodhon fuqi të pamjaftueshme në shpejtësi të ulëta. Për këtë arsye, është i përshtatshëm për të përdorur një motor me avull si një motor tërheqës. Disavantazhet: efikasitet i ulët, shpejtësi e ulët, konsum i vazhdueshëm i karburantit, peshë e madhe. Më parë, motorët me avull ishin motorët e vetëm. Por ata kërkonin shumë karburant dhe ngrinin në dimër. Më pas ato u zëvendësuan gradualisht nga motorë elektrikë, motorë me djegie të brendshme, turbina me avull dhe turbina me gaz, të cilat janë kompakte, me efikasitet më të lartë, shkathtësi dhe efikasitet.

Motorët e nxehtësisë me djegie të brendshme:

1. ICE (që qëndron për - ky është një motor, gjatë funksionimit të të cilit një pjesë e karburantit të djegur shndërrohet në energji mekanike. Motorët me djegie të brendshme pistoni ndryshojnë në llojin e karburantit (gaz dhe lëng), në ciklin e funksionimit (dy - dhe me katër goditje), në metodën e përgatitjes së përzierjes së punës (karburatori, motorët me naftë), sipas llojit të shndërrimit të energjisë (turbinë, të kombinuar, pistoni dhe avion) ​​Motori i parë me djegie të brendshme u shpik dhe u krijua nga E Lenoir në vitin 1860. Cikli i punës përbëhet nga katër goditje, për këtë arsye ky motor quhet edhe motor me katër kohë.

2. Motori rrotullues me djegie të brendshme. Një shembull është një stacion termik elektrik që funksionon në modalitetin bazë dhe pikun. Ky lloj motori është relativisht i thjeshtë dhe mund të krijohet në çdo madhësi. Në vend të pistonëve, përdoret një rotor, i cili rrotullohet në një dhomë të veçantë. Ai përmban portat e marrjes dhe shkarkimit, si dhe kandelin. Me këtë lloj dizajni, cikli me katër goditje kryhet pa karburant të lirë Në një motor rrotullues me djegie të brendshme, mund të përdoret karburant i lirë. Ai gjithashtu nuk krijon pothuajse asnjë dridhje dhe është më i lirë dhe më i besueshëm për t'u prodhuar se motorët me nxehtësi me piston.

3. Motorët termikë me raketa dhe reaktivë. Thelbi i këtyre pajisjeve është se shtytja nuk gjenerohet nga një helikë, por nga kthimi i motorit. Ata mund të krijojnë draft në një hapësirë ​​pa ajër. Ka lëndë djegëse të ngurta, hibride dhe të lëngshme).

Dhe nënlloji i fundit janë motorët termikë turboprop. Energjia krijohet nga helika dhe nga çlirimi i gazrave të shkarkimit.

Një motor ngrohjeje është një pajisje që konverton energjinë termike në punë mekanike.

Ndonjëherë jepet përkufizimi i mëposhtëm:

Një motor nxehtësie konverton energjinë e brendshme të lëngut të punës në energji mekanike.

Pra, një motor ngrohjeje kërkon një lëng pune (gaz ose avull) dhe një ngrohës. Përveç kësaj, duhet të ketë një ndryshim të temperaturës në sistem në mënyrë që lëngu i punës, pas kryerjes së punës, të mund të lëshojë nxehtësi; dmth pervec ngrohesit ju duhet edhe frigorifer.

Klasifikimi i motorëve me nxehtësi

Dallimi midis nxehtësisë dhe energjisë së brendshme është i kushtëzuar, ai pranohet në termodinamikë dhe pasqyron specifikat e objekteve të konsideruara nga kjo shkencë. Nëse avulli në bojler nxehet nga një burim i jashtëm, ose sistemi ftohet duke i dhënë nxehtësi mjedisit, atëherë thuhet se ai vjen nga jashtë ose lëshohet në mjedis. ngrohtësi. Nëse benzina ndizet në një cilindër dhe gazi në zgjerim e shtyn pistonin, atëherë ata flasin për transformim energjia e brendshme lëngu i punës.

Në lidhje me këtë termodinamikë, është miratuar një klasifikim i pajisjeve:

1. Motorët me djegie të jashtme që konvertojnë nxehtësinë e jashtme (motori me avull, turbinë me avull)
2. Motorët me djegie të brendshme që konvertojnë energjinë e brendshme të karburantit (ICE, motor jet)

Motori i parë me djegie të jashtme u shpik në Romën e lashtë. Avulli i drejtuar përmes tubave të lakuar nga një sferë me ujë të vluar bëri që ajo të rrotullohej. Ishte thjesht një eksperiment spektakolar, një lodër, nuk përdorej për punë. Prodhimi i makinerive dhe përdorimi i tyre në industri nuk ishte i rëndësishëm gjatë skllavërisë, ai filloi kur u bë ekonomikisht fitimprurës.
Vini re se motorët me nxehtësi përfshijnë pajisje me dallime thelbësore në dizajn dhe logjikën e funksionimit: turbinë, motor jet dhe motorë ciklikë.

Termodinamika, si shkencë, u formua në procesin e punës në motorët ciklikë. Seksioni tjetër do të flasim për motorët ciklikë, efikasitetin e tyre, si dhe ligjin e dytë të termodinamikës.

Shndërrimi i energjisë në motorët me nxehtësi

Krijimi i motorit me avull shënoi fillimin e një revolucioni shkencor dhe teknologjik, por vetë motorët me avull fillimisht ishin të papërsosur. Ata zhvilluan më shumë energji, por konsumuan shumë karburant.

Nëse e krahasoni punën e motorëve të parë me fuqinë e tërheqjes së një kali, rezulton se kali përdor "karburant" - tërshërë dhe sanë - shumë më efikase. Shkencëtarët vunë re se trupi "djeg" ushqimin: në fund të fundit, njerëzit dhe kafshët thithin oksigjen dhe nxjerrin dioksid karboni dhe avujt e ujit; të njëjtën gjë bën edhe kutia e zjarrit me dru të djegur.

Ishte atëherë që ata mësuan të numëronin kaloritë. Energjia e ushqimit u vlerësua nga sasia e nxehtësisë që lirohet kur digjet. Në shkallën e kalorive, mund të krahasoni tërshërën, qymyrin dhe benzinën. Dhe në këtë shkallë, motorët e parë me avull ishin jashtëzakonisht joefikas: vetëm 1% - 2% e kalorive të djegura u shndërruan në punë të dobishme.

U bënë përpjekje për të përmirësuar makineritë, herë jepnin efekt më të mirë, herë më keq; kërkohej një bazë teorike për të arritur opsionin më të mirë.

Themeluesit e termodinamikës para së gjithash zgjidhën pyetjen: a mund të shndërrohet në punë e gjithë nxehtësia e transferuar në një motor me avull? Në mekanikë, shndërrimi i energjisë potenciale në energji kinetike mund të ndodhë me humbje shumë të vogla. Kryesisht fërkimi ndërhyn, por në shumë probleme fërkimi mund të neglizhohet. Le të imagjinojmë se gjithashtu do të zvogëlojmë fërkimin e pistonit në cilindër dhe humbjen joproduktive të energjisë termike në zero. A është e mundur të imagjinohet një motor ciklik ideal në të cilin e gjithë nxehtësia shndërrohet në punë?

Sipas ligjit të parë të termodinamikës, nxehtësia shpenzohet për punë dhe rritjen e energjisë së brendshme:

Q=A+DU

Le të jetë DU = 0. Nxehtësia bëri që avulli të zgjerohej, avulli e vuri pistonin në lëvizje dhe ai bëri punën. Në të njëjtën kohë, temperatura e avullit dhe energjia e tij e brendshme nuk kanë ndryshuar, le të neglizhojmë humbjet dhe të supozojmë se e gjithë nxehtësia ka kaluar në punë mekanike: Q = A

Por ne po shikojmë një motor ciklik. Pistoni ka lëvizur, pasi ka kryer punën; tani ajo duhet të kthehet në gjendjen e saj origjinale.

Nëse lëvizni pistonin, duke kompresuar avullin, do të duhet të bëni punë jo më pak se A. Por kjo do të thotë që nuk ka pasur asnjë fitim, dhe efikasiteti është zero, edhe në mungesë të humbjeve!

Për të zvogëluar punën e lëvizjes së pistonit prapa, le të lejojmë që energjia e brendshme të ndryshojë. Nëse avulli ftohet, presioni i tij do të ulet dhe puna e bërë për të lëvizur pistonin do të jetë më e vogël se ajo e bërë në ciklin e punës.

Ky ndryshim në punë do të jetë prodhimi i dobishëm i motorit.

Në grafikun p(v), lëvizja e përparme dhe e kundërt e pistonit tregohet me linja abc dhe cda, duke formuar një figurë të mbyllur. Zona e figurës së mbyllur abcd korrespondon me punën e dobishme. Zona e figurës V 1 abcV 2 është puna e goditjes përpara, zona V 2 cdaV 1 korrespondon me punën e goditjes së kundërt.

Kështu, një motor ngrohjeje ka nevojë jo vetëm për një ngrohës, por edhe një frigorifer; më shpesh mjedisi vepron si frigorifer, në të cilin transferohet nxehtësia e mbetur

Në një rast ideal, puna e bërë gjatë një cikli korrespondon me ndryshimin midis nxehtësisë që kishte lëngu i punës i ngrohur dhe nxehtësisë që mbeti me lëngun e punës pas ftohjes:

A=Q 1 - |Q 2 |

Efikasiteti i një motori ideal është i barabartë me raportin e punës me nxehtësinë e marrë nga ngrohësi:

Kjo formulë tregon kufirin e efikasitetit që nuk mund të tejkalohet nga një motor ngrohje në parametra të caktuar të ngrohësit dhe frigoriferit. Efikasiteti aktual i një motori varet nga dizajni i tij dhe është gjithmonë më pak se vlera ideale.

Pra, efikasiteti i motorit është gjithmonë më pak se një, pasi një pjesë e energjisë termike duhet të transferohet në frigorifer. Ky është një pasqyrim i ligjit të dytë të termodinamikës

Një nga formulimet e ligjit të dytë të termodinamikës:

Një proces rrethor është i pamundur, rezultati i vetëm i të cilit do të ishte prodhimi i punës për shkak të ftohjes së rezervuarit termik. (Ky proces quhet procesi Thomson.)

Procesi adiabatik dhe cikli Carnot

Gjatë projektimit të një motori ngrohjeje, një kuptim i procesit adiabatik luajti një rol të rëndësishëm.

Procesi adiabatik në një gaz ideal ndodh pa shkëmbim të nxehtësisë me mjedisin.

Formula matematikore për procesin adiabatik:

p*V k = konst

ku p është presion, V është vëllim, k është eksponent adiabatik, i barabartë me raportin e kapacitetit të nxehtësisë së një gazi në presion konstant ndaj kapacitetit të nxehtësisë në vëllim konstant.

Le të shqyrtojmë se si përdoret procesi adiabatik në termodinamikë.

Detyra e projektuesve kur zhvillojnë një motor është që të afrohen me vlerën ideale të efikasitetit. Për ta bërë këtë, është e nevojshme të përcaktohet cikli më i mirë termik i motorit të nxehtësisë dhe modeli që korrespondon me motorin me një cikël të tillë.

Rregulli për motorët me nxehtësi u formulua në 1824 nga Sandy Carnot, një shkencëtar francez. Në modelin e tij teorik, ai përdori vetitë e një gazi ideal.

Ideja e tij ishte që zgjerimi i gazit gjatë goditjes përpara do të ndodhte në mënyrë izotermale, pa ndryshuar temperaturën, dhe ngjeshja e gazit gjatë goditjes së kundërt do të ndodhte gjithashtu në mënyrë izotermale, por në një temperaturë më të ulët.

Për kalimin midis izotermave të sipërme dhe të poshtme, Carnot propozoi përdorimin e zgjerimit adiabatik dhe kompresimit adiabatik.

Cikli Carnot përshkruhet më qartë në diagramin TS, nga i cili mund të vlerësohet ndryshimi në entropinë e sistemit dhe temperaturën e tij:

Ndryshimi në vëllim dhe presion gjatë ciklit Carnot mund të shihet në diagramin PS:

Imazhi i ciklit në diagramin TS tregon varësinë e efikasitetit nga vlerat absolute të temperaturës së ngrohësit dhe frigoriferit:

Formula e fundit na lejon të nxjerrim një përfundim të rëndësishëm: efikasiteti i motorit varet nga temperatura absolute e frigoriferit, dhe efikasiteti më i lartë = 1 mund të arrihet vetëm në temperaturën e frigoriferit T X = 0°K, ose t = -273°C. .

Një motor me nxehtësi të vërtetë ka efikasitet më të ulët se një motor Carnot ideal, pasi është e pamundur të sigurohet një proces plotësisht adiabatik, pa shkëmbim nxehtësie me mjedisin. Për më tepër, zgjerimi izotermik dhe kompresimi i një gazi të vërtetë është i mundur vetëm me procese mjaft të ngadalta, dhe përshpejtimi i tyre çon në një ndryshim të temperaturës.

Teoria dhe praktika

Si ndikoi puna e teoricienëve në cilësinë e motorëve me avull? Filloi një proces i shpejtë i përmirësimit të kësaj teknike. Në vitet shtatëdhjetë të shekullit të nëntëmbëdhjetë, lokomotivat me avull pinin duhan në mënyrë të dëshpëruar dhe kishin një efikasitet prej 3%, dhe në vitin 1910, lokomotivat me avull pinin duhan jo më pak, por kishin një efikasitet prej 7-9%. Ky është përparim i madh, por nuk ishte e mundur të shkohej më lart në zhvillimin e motorëve me avull.

Lokomotivat me avull u zëvendësuan me motorë me djegie të brendshme: efikasiteti i tyre i tejkaloi menjëherë motorët me avull, duke arritur në 25%. Motorët modernë me naftë me një sistem kontrolli elektronik kanë një efikasitet prej 40%.

A është ky kufiri? Për motorët me djegie të brendshme, ndoshta, është. Por ka motorë ngrohjeje më efikase: turbinat. Gazi i nxehtë, duke dalë nga hunda në një rrjedhë të vazhdueshme, rrotullon turbinën; Ky nuk është një proces ciklik, por një proces konstant, dhe kur zbatohet, efikasiteti = 60% arrihet pa shumë vështirësi. Nuk është çudi që motorët turbo tani po zhvillohen në mënyrë aktive.