Работата, извършена от двигателя, е:

Този процес е разгледан за първи път от френския инженер и учен N. L. S. Carnot през 1824 г. в книгата „Размисли върху движещата сила на огъня и върху машините, способни да развият тази сила“.

Целта на изследването на Карно беше да открие причините за несъвършенството на топлинните двигатели от онова време (те имаха ефективност ≤ 5%) и да намери начини за тяхното подобряване.

Цикълът на Карно е най-ефективният от всички. Ефективността му е максимална.

Фигурата показва термодинамичните процеси на цикъла. По време на изотермично разширение (1-2) при температура T 1 , работата се извършва поради промяна във вътрешната енергия на нагревателя, т.е. поради подаването на топлина към газа Q:

А 12 = Q 1 ,

Охлаждането на газа преди компресия (3-4) възниква по време на адиабатно разширение (2-3). Промяна във вътрешната енергия ΔU 23 по време на адиабатен процес ( Q = 0) се превръща напълно в механична работа:

А 23 = -ΔU 23 ,

Температурата на газа в резултат на адиабатно разширение (2-3) пада до температурата на хладилника T 2 < T 1 . В процеса (3-4) газът е изотермично компресиран, пренасяйки количеството топлина към хладилника Въпрос 2:

A 34 = Q 2,

Цикълът завършва с процеса на адиабатно компресиране (4-1), при който газът се нагрява до температура Т 1.

Максимална стойност на ефективност на идеални газови топлинни двигатели според цикъла на Карно:

.

Същността на формулата се изразява в доказана СЪС. Теорема на Карно, че ефективността на която и да е топлинна машина не може да надвишава ефективността на цикъл на Карно, извършен при една и съща температура на нагревателя и хладилника.

Слайд 1

Слайд 2

Слайд 3

Слайд 4

Слайд 5

Слайд 6

Слайд 7

Слайд 8

Слайд 9

Работата на много видове машини се характеризира с такъв важен показател като ефективността на топлинния двигател. Всяка година инженерите се стремят да създадат по-модерно оборудване, което с по-нисък разход на гориво би дало максимален резултат от използването му.

Устройство за топлинен двигател

Преди да разберете какво е ефективност, е необходимо да разберете как работи този механизъм. Без да се познават принципите на неговото действие, е невъзможно да се разбере същността на този индикатор. Топлинният двигател е устройство, което извършва работа, използвайки вътрешна енергия. Всеки топлинен двигател, който преобразува топлинната енергия в механична енергия, използва топлинното разширение на веществата с повишаване на температурата. В твърдотелните двигатели е възможно не само да се промени обемът на дадено вещество, но и формата на тялото. Действието на такъв двигател се подчинява на законите на термодинамиката.

Принцип на действие

За да разберете как работи един топлинен двигател, е необходимо да разгледате основите на неговия дизайн. За работата на устройството са необходими две тела: топло (нагревател) и студено (хладилник, охладител). Принципът на работа на топлинните двигатели (КПД на топлинния двигател) зависи от техния тип. Често хладилникът е парен кондензатор, а нагревателят е всякакъв вид гориво, което гори в пещта. Ефективността на идеална топлинна машина се намира по следната формула:

Ефективност = (Theat - Cool) / Theat. х 100%.

В този случай ефективността на истински двигател никога не може да надвиши стойността, получена съгласно тази формула. Освен това тази цифра никога няма да надвиши горепосочената стойност. За да се увеличи ефективността, най-често температурата на нагревателя се повишава, а температурата на хладилника се намалява. И двата процеса ще бъдат ограничени от действителните работни условия на оборудването.

Когато топлинният двигател работи, се извършва работа, тъй като газът започва да губи енергия и се охлажда до определена температура. Последният обикновено е с няколко градуса по-висок от околната атмосфера. Това е температурата на хладилника. Това специално устройство е предназначено за охлаждане и последваща кондензация на отработената пара. Когато има кондензатори, температурата на хладилника понякога е по-ниска от температурата на околната среда.

В топлинен двигател, когато едно тяло се нагрява и разширява, то не е в състояние да отдаде цялата си вътрешна енергия, за да извърши работа. Част от топлината ще бъде прехвърлена към хладилника заедно с изгорели газове или пара. Тази част от топлинната вътрешна енергия неизбежно се губи. По време на изгарянето на гориво работният флуид получава определено количество топлина Q 1 от нагревателя. В същото време той все още извършва работа А, по време на която прехвърля част от топлинната енергия на хладилника: Q 2

Ефективността характеризира ефективността на двигателя в областта на преобразуването и предаването на енергия. Този показател често се измерва като процент. Формула за ефективност:

η*A/Qx100%, където Q е изразходваната енергия, A е полезната работа.

Въз основа на закона за запазване на енергията можем да заключим, че ефективността винаги ще бъде по-малка от единица. С други думи, никога няма да има по-полезна работа от енергията, изразходвана за нея.

Ефективността на двигателя е съотношението на полезната работа към енергията, доставена от нагревателя. Може да се представи под формата на следната формула:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, където Q 1 е топлината, получена от нагревателя, а Q 2 се отдава на хладилника.

Работа на топлинен двигател

Работата, извършена от топлинен двигател, се изчислява по следната формула:

A = |Q H | - |Q X |, където A е работа, Q H е количеството топлина, получено от нагревателя, Q X е количеството топлина, дадено на охладителя.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

То е равно на съотношението на извършената от двигателя работа към количеството получена топлина. Част от топлинната енергия се губи по време на този трансфер.

Двигател на Карно

Максималната ефективност на топлинния двигател се наблюдава в устройството на Карно. Това се дължи на факта, че в тази система зависи само от абсолютната температура на нагревателя (Tn) и охладителя (Tx). Ефективността на топлинен двигател, работещ по цикъла на Карно, се определя по следната формула:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

Законите на термодинамиката позволиха да се изчисли максималната възможна ефективност. Този показател е изчислен за първи път от френския учен и инженер Сади Карно. Той изобретил топлинен двигател, работещ с идеален газ. Работи в цикъл от 2 изотерми и 2 адиабати. Принципът на неговото действие е доста прост: към съд с газ е свързан нагревател, в резултат на което работната течност се разширява изотермично. В същото време той функционира и получава определено количество топлина. След това съдът се топлоизолира. Въпреки това газът продължава да се разширява, но адиабатно (без топлообмен с околната среда). По това време температурата му пада до тази на хладилник. В този момент газът влиза в контакт с хладилника, в резултат на което отделя известно количество топлина при изометрично компресиране. След това съдът отново се топлоизолира. В този случай газът е адиабатично компресиран до първоначалния си обем и състояние.

Разновидности

В днешно време има много видове топлинни двигатели, които работят на различни принципи и с различни горива. Всички те имат собствена ефективност. Те включват следното:

Двигател с вътрешно горене (бутало), който е механизъм, при който част от химическата енергия на горящото гориво се преобразува в механична енергия. Такива устройства могат да бъдат газ и течност. Има 2-тактови и 4-тактови двигатели. Те могат да имат непрекъснат работен цикъл. Според метода на приготвяне на горивната смес такива двигатели са карбураторни (с външно смесване) и дизелови (с вътрешно). Според вида на енергийния преобразувател те се делят на бутални, реактивни, турбинни и комбинирани. Ефективността на такива машини не надвишава 0,5.

Двигателят на Стърлинг е устройство, в което работният флуид се намира в затворено пространство. Това е вид двигател с външно горене. Принципът на действието му се основава на периодично охлаждане/нагряване на тялото с производство на енергия поради промени в неговия обем. Това е един от най-ефективните двигатели.

Турбинен (роторен) двигател с външно горене на гориво. Такива инсталации най-често се намират в топлоелектрически централи.

Турбинните (роторни) двигатели с вътрешно горене се използват в топлоелектрически централи в пиков режим. Не е толкова широко разпространен, колкото другите.

Турбинният двигател генерира част от тягата си чрез перката си. Останалото получава от отработените газове. Дизайнът му е ротационен двигател (газова турбина), на чийто вал е монтирано витло.

Други видове топлинни двигатели

Ракетни, турбореактивни и реактивни двигатели, които получават тяга от изгорелите газове.

Двигателите в твърдо състояние използват твърда материя като гориво. По време на работа не се променя обемът, а формата. При работа на оборудването се използва изключително малка температурна разлика.

Как можете да увеличите ефективността

Възможно ли е да се увеличи ефективността на топлинен двигател? Отговорът трябва да се търси в термодинамиката. Изучава взаимните трансформации на различните видове енергия. Установено е, че е невъзможно цялата налична топлинна енергия да се преобразува в електрическа, механична и др. Преобразуването им в топлинна енергия обаче става без никакви ограничения. Това е възможно поради факта, че природата на топлинната енергия се основава на неподреденото (хаотично) движение на частиците.

Колкото повече се нагрява едно тяло, толкова по-бързо ще се движат съставните му молекули. Движението на частиците ще стане още по-хаотично. Заедно с това всеки знае, че редът лесно може да се превърне в хаос, който е много труден за ред.

Основното значение на получената от Карно формула (5.12.2) за ефективността на една идеална машина е, че тя определя максимално възможната ефективност на всеки топлинен двигател.

Карно доказа, въз основа на втория закон на термодинамиката*, следната теорема: всеки истински топлинен двигател, работещ с температурен нагревателT 1 и температурата на хладилникаT 2 , не може да има ефективност, която надвишава ефективността на идеална топлинна машина.

* Карно всъщност установи втория закон на термодинамиката преди Клаузиус и Келвин, когато първият закон на термодинамиката все още не беше строго формулиран.

Нека първо разгледаме топлинен двигател, работещ в обратим цикъл с реален газ. Цикълът може да бъде всякакъв, важно е само температурите на нагревателя и хладилника да са T 1 И T 2 .

Да приемем, че коефициентът на полезно действие на друга топлинна машина (която не работи по цикъла на Карно) η ’ > η . Машините работят с общ нагревател и общ хладилник. Оставете машината на Карно да работи в обратен цикъл (като хладилна машина), а другата машина да работи в преден цикъл (фиг. 5.18). Топлинният двигател извършва работа, равна на формули (5.12.3) и (5.12.5):

Една хладилна машина винаги може да бъде проектирана така, че да отнема количеството топлина от хладилника Q 2 = ||

След това по формула (5.12.7) ще се работи върху него

(5.12.12)

Тъй като по условие η" > η , Че А" > А.Следователно топлинен двигател може да задвижи хладилна машина и пак ще остане излишна работа. Тази излишна работа се извършва от топлина, взета от един източник. В крайна сметка топлината не се прехвърля към хладилника, когато две машини работят едновременно. Но това противоречи на втория закон на термодинамиката.

Ако приемем, че η > η ", тогава можете да накарате друга машина да работи в обратен цикъл, а машина на Карно в преден цикъл. Отново ще стигнем до противоречие с втория закон на термодинамиката. Следователно две машини, работещи на обратими цикли, имат еднаква ефективност: η " = η .

Друг е въпросът, ако втората машина работи на необратим цикъл. Ако приемем η " > η , тогава отново ще стигнем до противоречие с втория закон на термодинамиката. Въпреки това предположението 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, или

Това е основният резултат:

(5.12.13)

Ефективност на реални топлинни двигатели

Формула (5.12.13) дава теоретичната граница за максималната стойност на ефективност на топлинните двигатели. То показва, че колкото по-висока е температурата на нагревателя и колкото по-ниска е температурата на хладилника, толкова по-ефективен е топлинният двигател. Само при температура на хладилника, равна на абсолютната нула, η = 1.

Но температурата на хладилника практически не може да бъде много по-ниска от температурата на околната среда. Можете да увеличите температурата на нагревателя. Всеки материал (твърдо тяло) обаче има ограничена устойчивост на топлина или устойчивост на топлина. При нагряване постепенно губи еластичните си свойства и при достатъчно висока температура се стопява.

Сега основните усилия на инженерите са насочени към повишаване на ефективността на двигателите чрез намаляване на триенето на техните части, загубите на гориво поради непълно изгаряне и т.н. Реалните възможности за повишаване на ефективността тук все още остават големи. Така за парна турбина началната и крайната температура на парата са приблизително както следва: T 1 = 800 K и T 2 = 300 K. При тези температури максималната стойност на ефективност е:

Действителната стойност на ефективност поради различни видове загуби на енергия е приблизително 40%. Максималната ефективност - около 44% - се постига от двигатели с вътрешно горене.

Ефективността на която и да е топлинна машина не може да надвишава максимално възможната стойност
, където Т 1 - абсолютната температура на нагревателя и T 2 - абсолютна температура на хладилника.

Повишаване на ефективността на топлинните двигатели и доближаването й до максимално възможната- най-важното техническо предизвикателство.

Коефициент на ефективност (КПД)е характеристика на работата на системата по отношение на преобразуването или преноса на енергия, която се определя от съотношението на използваната полезна енергия към общата енергия, получена от системата.

Ефективност- безразмерна величина, обикновено изразена като процент:

Коефициентът на полезно действие (КПД) на топлинен двигател се определя по формулата: , където A = Q1Q2. Ефективността на топлинния двигател винаги е по-малка от 1.

Цикъл на Карное обратим кръгов газов процес, който се състои от последователно протичащи два изотермични и два адиабатични процеса, извършвани с работния флуид.

Кръговият цикъл, който включва две изотерми и две адиабати, съответства на максимална ефективност.

Френският инженер Сади Карно през 1824 г. извежда формулата за максимална ефективност на идеална топлинна машина, където работният флуид е идеален газ, чийто цикъл се състои от две изотерми и две адиабати, т.е. цикълът на Карно. Цикълът на Карно е реалният работен цикъл на топлинен двигател, който извършва работа поради топлината, подадена към работния флуид в изотермичен процес.

Формулата за ефективността на цикъла на Карно, т.е. максималната ефективност на топлинния двигател, има формата: , където Т1 е абсолютната температура на нагревателя, Т2 е абсолютната температура на хладилника.

Топлинни двигатели- това са конструкции, в които топлинната енергия се преобразува в механична.

Топлинните двигатели са разнообразни както по конструкция, така и по предназначение. Те включват парни двигатели, парни турбини, двигатели с вътрешно горене и реактивни двигатели.

Но въпреки разнообразието, по принцип работата на различни топлинни двигатели има общи черти. Основните компоненти на всеки топлинен двигател са:

• нагревател;
• работна течност;
• хладилник.

Нагревателят отделя топлинна енергия, като същевременно загрява работната течност, която се намира в работната камера на двигателя. Работната течност може да бъде пара или газ.

Приемайки количеството топлина, газът се разширява, т.к неговото налягане е по-голямо от външното налягане и движи буталото, произвеждайки положителна работа. В същото време налягането му спада и обемът му се увеличава.

Ако компресираме газа, преминавайки през същите състояния, но в обратна посока, тогава ще извършим същата абсолютна стойност, но отрицателна работа. В резултат цялата работа на цикъл ще бъде нула.

За да бъде работата на топлинния двигател различна от нула, работата на компресията на газа трябва да бъде по-малка от работата на разширението.

За да стане работата на компресия по-малка от работата на разширение, е необходимо процесът на компресия да протича при по-ниска температура, за това работният флуид трябва да се охлади, поради което в конструкцията е включен хладилник на топлинния двигател. Работната течност предава топлина на хладилника, когато влезе в контакт с него.