Arbejdet udført af motoren er:

Denne proces blev først overvejet af den franske ingeniør og videnskabsmand N. L. S. Carnot i 1824 i bogen "Refleksioner over ildens drivkraft og maskiner, der er i stand til at udvikle denne kraft."

Målet med Carnots forskning var at finde ud af årsagerne til den tids ufuldkommenhed af varmemotorer (de havde en effektivitet på ≤ 5%) og at finde måder at forbedre dem på.

Carnot-cyklussen er den mest effektive af alle. Dens effektivitet er maksimal.

Figuren viser de termodynamiske processer i cyklussen. Under isotermisk ekspansion (1-2) ved temperatur T 1 , arbejde udføres på grund af en ændring i varmelegemets indre energi, dvs. på grund af tilførsel af varme til gassen Q:

EN 12 = Q 1 ,

Gaskøling før kompression (3-4) sker under adiabatisk ekspansion (2-3). Ændring i indre energi ΔU 23 under en adiabatisk proces ( Q = 0) er fuldstændig omdannet til mekanisk arbejde:

EN 23 = -AU 23 ,

Gastemperaturen som følge af adiabatisk ekspansion (2-3) falder til køleskabets temperatur T 2 < T 1 . I proces (3-4) bliver gassen isotermisk komprimeret, hvilket overfører mængden af ​​varme til køleskabet Q 2:

A 34 = Q 2,

Cyklussen afsluttes med processen med adiabatisk kompression (4-1), hvor gassen opvarmes til en temperatur T 1.

Maksimal effektivitetsværdi for ideelle gasvarmemotorer i henhold til Carnot-cyklussen:

.

Essensen af ​​formlen er udtrykt i den beviste MED. Carnots sætning om, at effektiviteten af ​​en hvilken som helst varmemotor ikke kan overstige effektiviteten af ​​en Carnot-cyklus, der udføres ved samme temperatur på varmeapparatet og køleskabet.

Slide 1

Slide 2

Slide 3

Slide 4

Slide 5

Slide 6

Slide 7

Slide 8

Slide 9

Driften af ​​mange typer maskiner er karakteriseret ved en så vigtig indikator som varmemotorens effektivitet. Hvert år stræber ingeniører efter at skabe mere avanceret udstyr, der med et lavere brændstofforbrug ville give det maksimale resultat af dets brug.

Varmemotorenhed

Før du forstår, hvad effektivitet er, er det nødvendigt at forstå, hvordan denne mekanisme fungerer. Uden at kende principperne for dens handling er det umuligt at finde ud af essensen af ​​denne indikator. En varmemotor er en enhed, der udfører arbejde ved hjælp af intern energi. Enhver varmemotor, der omdanner termisk energi til mekanisk energi, bruger den termiske udvidelse af stoffer, når temperaturen stiger. I solid-state motorer er det muligt ikke kun at ændre volumenet af et stof, men også kroppens form. Virkningen af ​​en sådan motor er underlagt termodynamikkens love.

Driftsprincip

For at forstå, hvordan en varmemotor fungerer, er det nødvendigt at overveje det grundlæggende i dets design. Til driften af ​​enheden er der brug for to kroppe: varmt (varmelegeme) og koldt (køleskab, køler). Driftsprincippet for varmemotorer (varmemotoreffektivitet) afhænger af deres type. Ofte er køleskabet en dampkondensator, og varmelegemet er enhver form for brændstof, der brænder i brændkammeret. Effektiviteten af ​​en ideel varmemotor findes ved følgende formel:

Effektivitet = (Theating - Cooling) / Theating x 100 %.

I dette tilfælde kan effektiviteten af ​​en rigtig motor aldrig overstige værdien opnået i henhold til denne formel. Dette tal vil heller aldrig overstige den ovennævnte værdi. For at øge effektiviteten øges varmelegemetemperaturen oftest, og køleskabstemperaturen sænkes. Begge disse processer vil være begrænset af udstyrets faktiske driftsforhold.

Når en varmemotor kører, arbejdes der, da gassen begynder at tabe energi og afkøles til en vis temperatur. Sidstnævnte er normalt flere grader højere end den omgivende atmosfære. Dette er temperaturen i køleskabet. Denne specielle enhed er designet til afkøling og efterfølgende kondensering af udstødningsdamp. Hvor der er kondensatorer, er køleskabets temperatur nogle gange lavere end den omgivende temperatur.

I en varmemotor, når en krop opvarmes og udvider sig, er den ikke i stand til at opgive al sin indre energi for at udføre arbejde. Noget af varmen vil blive overført til køleskabet sammen med udstødningsgasser eller damp. Denne del af den termiske indre energi går uundgåeligt tabt. Under brændstofforbrænding modtager arbejdsvæsken en vis mængde varme Q 1 fra varmeren. Samtidig udfører den stadig arbejde A, hvor den overfører en del af den termiske energi til køleskabet: Q 2

Virkningsgrad karakteriserer motorens effektivitet inden for energiomdannelse og transmission. Denne indikator måles ofte som en procentdel. Effektivitetsformel:

η*A/Qx100%, hvor Q er den brugte energi, A er det nyttige arbejde.

Baseret på loven om bevarelse af energi kan vi konkludere, at effektiviteten altid vil være mindre end enhed. Der vil med andre ord aldrig være mere nyttigt arbejde end den energi, der er brugt på det.

Motoreffektivitet er forholdet mellem nyttigt arbejde og den energi, der leveres af varmeren. Det kan repræsenteres i form af følgende formel:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, hvor Q 1 er varmen modtaget fra varmelegemet, og Q 2 gives til køleskabet.

Varmemotordrift

Arbejdet udført af en varmemotor beregnes ved hjælp af følgende formel:

A = |Q H | - |Q X |, hvor A er arbejde, Q H er mængden af ​​varme modtaget fra varmeren, Q X er mængden af ​​varme, der gives til køleren.

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

Det er lig med forholdet mellem arbejdet udført af motoren og mængden af ​​modtaget varme. En del af den termiske energi går tabt under denne overførsel.

Carnot motor

Den maksimale effektivitet af en varmemotor observeres i Carnot-enheden. Dette skyldes det faktum, at det i dette system kun afhænger af den absolutte temperatur på varmeren (Tn) og køleren (Tx). Effektiviteten af ​​en varmemotor, der kører i henhold til Carnot-cyklussen, bestemmes af følgende formel:

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

Termodynamikkens love gjorde det muligt at beregne den maksimale effektivitet, der er mulig. Denne indikator blev først beregnet af den franske videnskabsmand og ingeniør Sadi Carnot. Han opfandt en varmemotor, der fungerede på en ideel gas. Det virker i en cyklus med 2 isotermer og 2 adiabater. Princippet om dets drift er ret simpelt: en varmelegeme er forbundet med en beholder med gas, som et resultat af hvilken arbejdsvæsken ekspanderer isotermisk. Samtidig fungerer den og modtager en vis mængde varme. Bagefter er beholderen termisk isoleret. På trods af dette fortsætter gassen med at udvide sig, men adiabatisk (uden varmeveksling med miljøet). På dette tidspunkt falder dens temperatur til et køleskabs temperatur. I dette øjeblik kommer gassen i kontakt med køleskabet, som et resultat af hvilket den afgiver en vis mængde varme under isometrisk kompression. Derefter varmeisoleres beholderen igen. I dette tilfælde komprimeres gassen adiabatisk til dets oprindelige volumen og tilstand.

Sorter

I dag er der mange typer varmemotorer, der fungerer efter forskellige principper og på forskellige brændstoffer. De har alle deres egen effektivitet. Disse omfatter følgende:

En forbrændingsmotor (stempel), som er en mekanisme, hvor en del af den kemiske energi fra brændende brændstof omdannes til mekanisk energi. Sådanne anordninger kan være gas eller væske. Der er 2-takts og 4-takts motorer. De kan have en kontinuerlig driftscyklus. Ifølge metoden til fremstilling af brændstofblandingen er sådanne motorer karburator (med ekstern blandingsdannelse) og diesel (med intern). Baseret på typen af ​​energiomformer er de opdelt i stempel, jet, turbine og kombineret. Effektiviteten af ​​sådanne maskiner overstiger ikke 0,5.

En Stirling-motor er en enhed, hvor arbejdsvæsken er placeret i et begrænset rum. Det er en type ekstern forbrændingsmotor. Princippet for dets drift er baseret på periodisk afkøling/opvarmning af kroppen med produktion af energi på grund af ændringer i dens volumen. Dette er en af ​​de mest effektive motorer.

Turbine (roterende) motor med ekstern forbrænding af brændstof. Sådanne installationer findes oftest på termiske kraftværker.

Turbine (roterende) forbrændingsmotorer bruges på termiske kraftværker i spidsbelastningstilstand. Ikke så udbredt som andre.

En turbinemotor genererer noget af sin fremdrift gennem sin propel. Resten får den fra udstødningsgasser. Dens design er en roterende motor (gasturbine), på hvis aksel en propel er monteret.

Andre typer varmemotorer

Raket-, turbojet- og jetmotorer, der får tryk fra udstødningsgasser.

Faststofmotorer bruger fast stof som brændstof. Under drift er det ikke dens volumen, der ændrer sig, men dens form. Ved betjening af udstyret bruges en ekstrem lille temperaturforskel.

Hvordan kan du øge effektiviteten

Er det muligt at øge effektiviteten af ​​en varmemotor? Svaret skal søges i termodynamik. Hun studerer de gensidige transformationer af forskellige energityper. Det er blevet fastslået, at det er umuligt at omdanne al tilgængelig termisk energi til elektrisk, mekanisk osv. Deres omdannelse til termisk energi sker dog uden begrænsninger. Dette er muligt på grund af det faktum, at arten af ​​termisk energi er baseret på den uordnede (kaotiske) bevægelse af partikler.

Jo mere et legeme opvarmes, jo hurtigere vil dets molekyler bevæge sig. Bevægelsen af ​​partikler vil blive endnu mere uregelmæssig. Sammen med dette ved alle, at orden nemt kan vendes til kaos, hvilket er meget svært at bestille.

Hovedbetydningen af ​​formlen (5.12.2) opnået af Carnot for effektiviteten af ​​en ideel maskine er, at den bestemmer den maksimalt mulige effektivitet for enhver varmemotor.

Carnot beviste, baseret på termodynamikkens anden lov*, følgende teorem: enhver rigtig varmemotor, der arbejder med en temperaturvarmerT 1 og køleskabstemperaturT 2 , kan ikke have en effektivitet, der overstiger effektiviteten af ​​en ideel varmemotor.

* Carnot etablerede faktisk termodynamikkens anden lov før Clausius og Kelvin, da termodynamikkens første lov endnu ikke var blevet formuleret strengt.

Lad os først overveje en varmemotor, der kører i en reversibel cyklus med en rigtig gas. Cyklussen kan være hvad som helst, det er kun vigtigt, at temperaturerne på varmeapparatet og køleskabet er T 1 Og T 2 .

Lad os antage, at effektiviteten af ​​en anden varmemotor (ikke fungerer i henhold til Carnot-cyklussen) η ’ > η . Maskinerne kører med fælles varmelegeme og fælles køleskab. Lad Carnot-maskinen køre i en omvendt cyklus (som en kølemaskine), og lad den anden maskine køre i en fremadgående cyklus (fig. 5.18). Varmemotoren udfører arbejde svarende til, ifølge formlerne (5.12.3) og (5.12.5):

En kølemaskine kan altid designes, så den tager mængden af ​​varme fra køleskabet Q 2 = ||

Derefter vil der ifølge formel (5.12.7) blive arbejdet på det

(5.12.12)

Siden ved betingelse η" > η , At A" > A. Derfor kan en varmemotor drive en kølemaskine, og der vil stadig være et overskud af arbejde tilbage. Dette overskydende arbejde udføres på grund af varme taget fra én kilde. Varmen overføres jo ikke til køleskabet, når to maskiner kører på én gang. Men dette er i modstrid med termodynamikkens anden lov.

Hvis vi antager, at η > η ", så kan du få en anden maskine til at arbejde i en omvendt cyklus, og en Carnot-maskine i en fremadgående cyklus. Vi vil igen komme til en modsigelse med termodynamikkens anden lov. Følgelig har to maskiner, der arbejder på reversible cyklusser, samme effektivitet: η " = η .

Det er en anden sag, hvis den anden maskine kører på en irreversibel cyklus. Hvis vi antager η " > η , så vil vi igen komme til en modsigelse med termodynamikkens anden lov. Imidlertid er antagelsen 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, eller

Dette er hovedresultatet:

(5.12.13)

Effektivitet af rigtige varmemotorer

Formel (5.12.13) giver den teoretiske grænse for varmemotorers maksimale virkningsgrad. Den viser, at jo højere temperatur på varmeren og jo lavere temperatur i køleskabet, jo mere effektiv er en varmemotor. Kun ved en køleskabstemperatur lig med det absolutte nulpunkt er η = 1.

Men temperaturen i køleskabet kan praktisk talt ikke være meget lavere end den omgivende temperatur. Du kan øge varmelegemets temperatur. Imidlertid har ethvert materiale (fast legeme) begrænset varmemodstand eller varmemodstand. Når den opvarmes, mister den gradvist sine elastiske egenskaber, og ved en tilstrækkelig høj temperatur smelter den.

Nu er ingeniørernes hovedindsats rettet mod at øge effektiviteten af ​​motorer ved at reducere friktionen af ​​deres dele, brændstoftab på grund af ufuldstændig forbrænding osv. Reelle muligheder for at øge effektiviteten her er stadig store. For en dampturbine er de indledende og endelige damptemperaturer omtrent som følger: T 1 = 800 K og T 2 = 300 K. Ved disse temperaturer er den maksimale effektivitetsværdi:

Den faktiske virkningsgrad på grund af forskellige typer energitab er ca. 40 %. Den maksimale effektivitet - omkring 44% - opnås af forbrændingsmotorer.

Effektiviteten af ​​enhver varmemotor kan ikke overstige den maksimalt mulige værdi
, hvor T 1 - varmelegemets absolutte temperatur og T 2 - køleskabets absolutte temperatur.

Forøgelse af effektiviteten af ​​varmemotorer og bringer den tættere på det maksimalt mulige- den vigtigste tekniske udfordring.

Effektivitetsfaktor (effektivitet) er en karakteristik af systemets ydeevne i forhold til omsætning eller overførsel af energi, som er bestemt af forholdet mellem den anvendte nytteenergi og den samlede energi, som systemet modtager.

Effektivitet- en dimensionsløs mængde, normalt udtrykt som en procentdel:

En varmemotors ydeevne (effektivitet) bestemmes af formlen: , hvor A = Q1Q2. Effektiviteten af ​​en varmemotor er altid mindre end 1.

Carnot cyklus er en reversibel cirkulær gasproces, som består af sekventielt at stå to isotermiske og to adiabatiske processer udført med arbejdsvæsken.

En cirkulær cyklus, som omfatter to isotermer og to adiabater, svarer til maksimal effektivitet.

Den franske ingeniør Sadi Carnot i 1824 udledte formlen for den maksimale effektivitet af en ideel varmemotor, hvor arbejdsvæsken er en ideel gas, hvis cyklus bestod af to isotermer og to adiabater, altså Carnot-cyklussen. Carnot-cyklussen er den virkelige arbejdscyklus for en varmemotor, der udfører arbejde på grund af den varme, der tilføres arbejdsvæsken i en isoterm proces.

Formlen for effektiviteten af ​​Carnot-cyklussen, dvs. den maksimale effektivitet af en varmemotor, har formen: , hvor T1 er varmelegemets absolutte temperatur, T2 er køleskabets absolutte temperatur.

Varme motorer- det er strukturer, hvor termisk energi omdannes til mekanisk energi.

Varmemotorer er forskellige både i design og formål. Disse omfatter dampmotorer, dampturbiner, forbrændingsmotorer og jetmotorer.

Men på trods af mangfoldigheden har driften af ​​forskellige varmemotorer i princippet fælles træk. Hovedkomponenterne i hver varmemotor er:

• varmeapparat;
• arbejdsvæske;
• køleskab.

Varmeren frigiver termisk energi, mens den opvarmer arbejdsvæsken, som er placeret i motorens arbejdskammer. Arbejdsvæsken kan være damp eller gas.

Efter at have accepteret mængden af ​​varme, udvider gassen sig, fordi dens tryk er større end ydre tryk og bevæger stemplet, hvilket giver positivt arbejde. Samtidig falder dens tryk og volumen stiger.

Hvis vi komprimerer gassen, går gennem de samme tilstande, men i den modsatte retning, vil vi udføre den samme absolutte værdi, men negativt arbejde. Som et resultat vil alt arbejde pr. cyklus være nul.

For at arbejdet i en varmemotor skal være forskelligt fra nul, skal arbejdet med gaskompression være mindre end arbejdet med ekspansion.

For at kompressionsarbejdet bliver mindre end ekspansionsarbejdet er det nødvendigt at kompressionsprocessen foregår ved en lavere temperatur hertil skal arbejdsvæsken afkøles, hvorfor varmemotorens udformning bl.a et køleskab. Arbejdsvæsken overfører varme til køleskabet ved kontakt med det.