Die vom Motor geleistete Arbeit ist:

Dieser Prozess wurde erstmals 1824 vom französischen Ingenieur und Wissenschaftler N. L. S. Carnot in dem Buch „Reflexionen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können“ betrachtet.

Ziel von Carnots Forschung war es, die Gründe für die Unvollkommenheit der damaligen Wärmekraftmaschinen (sie hatten einen Wirkungsgrad von ≤ 5 %) herauszufinden und Wege zu finden, diese zu verbessern.

Der Carnot-Zyklus ist der effizienteste von allen. Seine Effizienz ist maximal.

Die Abbildung zeigt die thermodynamischen Prozesse des Kreisprozesses. Während der isothermen Expansion (1-2) bei Temperatur T 1 , Arbeit wird durch eine Änderung der inneren Energie des Heizgeräts verrichtet, d.h. durch die Wärmezufuhr zum Gas Q:

A 12 = Q 1 ,

Die Gaskühlung vor der Kompression (3-4) erfolgt während der adiabatischen Expansion (2-3). Veränderung der inneren Energie ΔU 23 während eines adiabatischen Prozesses ( Q = 0) wird vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt:

A 23 = -ΔU 23 ,

Durch die adiabatische Expansion (2-3) sinkt die Gastemperatur auf die Temperatur des Kühlschranks T 2 < T 1 . Im Prozess (3-4) wird das Gas isotherm komprimiert und dabei die Wärmemenge an den Kühlschrank übertragen F 2:

A 34 = Q 2,

Der Zyklus endet mit dem Prozess der adiabatischen Kompression (4-1), bei dem das Gas auf eine Temperatur erhitzt wird T 1.

Maximaler Wirkungsgrad idealer Gaswärmekraftmaschinen nach dem Carnot-Zyklus:

.

Das Wesentliche der Formel kommt im Bewährten zum Ausdruck MIT. Carnots Theorem besagt, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine den Wirkungsgrad eines Carnot-Zyklus nicht überschreiten kann, der bei der gleichen Temperatur von Heizung und Kühlschrank durchgeführt wird.

Folie 1

Folie 2

Folie 3

Folie 4

Folie 5

Folie 6

Folie 7

Folie 8

Folie 9

Der Betrieb vieler Maschinentypen wird durch einen so wichtigen Indikator wie den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine charakterisiert. Jedes Jahr streben Ingenieure danach, fortschrittlichere Geräte zu entwickeln, die bei geringerem Kraftstoffverbrauch das größtmögliche Ergebnis erzielen.

Wärmekraftmaschine

Bevor man versteht, was Effizienz ist, muss man verstehen, wie dieser Mechanismus funktioniert. Ohne die Prinzipien seiner Wirkung zu kennen, ist es unmöglich, das Wesen dieses Indikators herauszufinden. Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das mit innerer Energie Arbeit verrichtet. Jede Wärmekraftmaschine, die Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, nutzt die Wärmeausdehnung von Stoffen bei steigender Temperatur. Bei Festkörpermotoren ist es möglich, nicht nur das Volumen eines Stoffes, sondern auch die Form des Körpers zu verändern. Die Wirkungsweise eines solchen Motors unterliegt den Gesetzen der Thermodynamik.

Funktionsprinzip

Um zu verstehen, wie eine Wärmekraftmaschine funktioniert, müssen die Grundlagen ihrer Konstruktion berücksichtigt werden. Für den Betrieb des Gerätes werden zwei Körper benötigt: heiß (Heizung) und kalt (Kühlschrank, Kühler). Das Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen (Wärmekraftmaschinenwirkungsgrad) hängt von ihrem Typ ab. Oftmals handelt es sich bei dem Kühlschrank um einen Dampfkondensator und bei der Heizung um eine beliebige Art von Brennstoff, der im Feuerraum verbrennt. Der Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine ergibt sich aus der folgenden Formel:

Effizienz = (Theat – Cool) / Theat. x 100 %.

In diesem Fall kann der Wirkungsgrad eines realen Motors niemals den nach dieser Formel ermittelten Wert überschreiten. Außerdem wird dieser Wert den oben genannten Wert niemals überschreiten. Um die Effizienz zu steigern, wird meist die Heiztemperatur erhöht und die Kühlschranktemperatur gesenkt. Beide Prozesse werden durch die tatsächlichen Betriebsbedingungen der Ausrüstung begrenzt.

Wenn eine Wärmekraftmaschine in Betrieb ist, wird Arbeit verrichtet, da das Gas beginnt, Energie zu verlieren und auf eine bestimmte Temperatur abzukühlen. Letztere liegt meist mehrere Grad höher als die umgebende Atmosphäre. Dies ist die Temperatur des Kühlschranks. Dieses spezielle Gerät dient der Kühlung und anschließenden Kondensation von Abdampf. Wenn Kondensatoren vorhanden sind, ist die Temperatur des Kühlschranks manchmal niedriger als die Umgebungstemperatur.

Wenn sich ein Körper in einer Wärmekraftmaschine erwärmt und ausdehnt, kann er nicht seine gesamte innere Energie abgeben, um Arbeit zu verrichten. Ein Teil der Wärme wird zusammen mit Abgasen oder Dampf an den Kühlschrank übertragen. Dieser Teil der thermischen inneren Energie geht zwangsläufig verloren. Bei der Kraftstoffverbrennung erhält das Arbeitsmedium eine bestimmte Wärmemenge Q 1 von der Heizung. Gleichzeitig verrichtet es noch Arbeit A, bei der es einen Teil der Wärmeenergie an den Kühlschrank überträgt: Q 2

Der Wirkungsgrad charakterisiert die Effizienz des Motors im Bereich der Energieumwandlung und -übertragung. Dieser Indikator wird oft in Prozent gemessen. Effizienzformel:

η*A/Qx100 %, wobei Q die aufgewendete Energie und A die Nutzarbeit ist.

Basierend auf dem Energieerhaltungssatz können wir schlussfolgern, dass der Wirkungsgrad immer kleiner als eins sein wird. Mit anderen Worten: Es wird nie mehr nützliche Arbeit geben als die dafür aufgewendete Energie.

Der Motorwirkungsgrad ist das Verhältnis der Nutzarbeit zur von der Heizung gelieferten Energie. Es kann in Form der folgenden Formel dargestellt werden:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, wobei Q 1 die von der Heizung aufgenommene Wärme ist und Q 2 an den Kühlschrank abgegeben wird.

Betrieb mit Wärmekraftmaschine

Die von einer Wärmekraftmaschine geleistete Arbeit wird nach folgender Formel berechnet:

A = |QH | - |Q X |, wobei A die Arbeit ist, Q H die von der Heizung aufgenommene Wärmemenge ist und Q

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

Sie entspricht dem Verhältnis der vom Motor geleisteten Arbeit zur aufgenommenen Wärmemenge. Bei dieser Übertragung geht ein Teil der Wärmeenergie verloren.

Carnot-Motor

Der maximale Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wird im Carnot-Gerät beobachtet. Dies liegt daran, dass es bei diesem System nur auf die absolute Temperatur von Heizer (Tn) und Kühler (Tx) ankommt. Der Wirkungsgrad einer nach dem Carnot-Zyklus arbeitenden Wärmekraftmaschine wird durch die folgende Formel bestimmt:

(Tn – Tx)/ Tn = – Tx – Tn.

Die Gesetze der Thermodynamik ermöglichten es, den maximal möglichen Wirkungsgrad zu berechnen. Dieser Indikator wurde erstmals vom französischen Wissenschaftler und Ingenieur Sadi Carnot berechnet. Er erfand eine Wärmekraftmaschine, die mit einem idealen Gas betrieben wurde. Es funktioniert in einem Zyklus von 2 Isothermen und 2 Adiabaten. Das Funktionsprinzip ist recht einfach: Eine Heizung wird mit einem Gasbehälter verbunden, wodurch sich das Arbeitsmedium isotherm ausdehnt. Gleichzeitig funktioniert es und erhält eine gewisse Wärmemenge. Anschließend wird das Gefäß thermisch isoliert. Trotzdem dehnt sich das Gas weiter aus, jedoch adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung). Zu diesem Zeitpunkt sinkt seine Temperatur auf die eines Kühlschranks. In diesem Moment kommt das Gas mit dem Kühlschrank in Kontakt, wodurch es bei der isometrischen Kompression eine gewisse Wärmemenge abgibt. Anschließend wird das Gefäß wieder thermisch isoliert. In diesem Fall wird das Gas adiabatisch auf sein ursprüngliches Volumen und seinen ursprünglichen Zustand komprimiert.

Sorten

Heutzutage gibt es viele Arten von Wärmekraftmaschinen, die nach unterschiedlichen Prinzipien und mit unterschiedlichen Brennstoffen arbeiten. Sie alle haben ihre eigene Effizienz. Dazu gehören die folgenden:

Ein Verbrennungsmotor (Kolben), ein Mechanismus, bei dem ein Teil der chemischen Energie beim Verbrennen von Kraftstoff in mechanische Energie umgewandelt wird. Solche Geräte können gasförmig und flüssig sein. Es gibt 2-Takt- und 4-Takt-Motoren. Sie können einen kontinuierlichen Arbeitszyklus haben. Entsprechend der Methode zur Aufbereitung des Kraftstoffgemisches handelt es sich bei solchen Motoren um Vergasermotoren (mit externer Gemischbildung) und Dieselmotoren (mit interner Gemischbildung). Basierend auf der Art des Energiewandlers werden sie in Kolben-, Strahl-, Turbinen- und kombinierte Energiewandler unterteilt. Der Wirkungsgrad solcher Maschinen überschreitet nicht 0,5.

Ein Stirlingmotor ist ein Gerät, bei dem sich das Arbeitsmedium auf engstem Raum befindet. Es handelt sich um eine Art externen Verbrennungsmotor. Das Funktionsprinzip basiert auf der periodischen Abkühlung/Erwärmung des Körpers unter Erzeugung von Energie aufgrund von Volumenänderungen. Dies ist einer der effizientesten Motoren.

Turbinenmotor (Rotationsmotor) mit externer Kraftstoffverbrennung. Am häufigsten findet man solche Anlagen in Wärmekraftwerken.

Turbinen-(Rotations-)Verbrennungsmotoren werden in Wärmekraftwerken im Spitzenbetrieb eingesetzt. Nicht so weit verbreitet wie andere.

Ein Turbinentriebwerk erzeugt einen Teil seines Schubs durch seinen Propeller. Den Rest erhält es aus den Abgasen. Sein Design ist ein Rotationsmotor (Gasturbine), auf dessen Welle ein Propeller montiert ist.

Andere Arten von Wärmekraftmaschinen

Raketen-, Turbojet- und Strahltriebwerke, die den Schub aus Abgasen gewinnen.

Festkörpermotoren nutzen Feststoffe als Treibstoff. Im Betrieb verändert sich nicht sein Volumen, sondern seine Form. Beim Betrieb des Gerätes wird mit einem äußerst geringen Temperaturunterschied gearbeitet.

Wie können Sie die Effizienz steigern?

Ist es möglich, den Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu steigern? Die Antwort muss in der Thermodynamik gesucht werden. Sie untersucht die gegenseitigen Transformationen verschiedener Energiearten. Es wurde festgestellt, dass es unmöglich ist, die gesamte verfügbare Wärmeenergie in elektrische, mechanische usw. umzuwandeln. Ihre Umwandlung in Wärmeenergie erfolgt jedoch ohne Einschränkungen. Dies ist möglich, weil die Natur der Wärmeenergie auf der ungeordneten (chaotischen) Bewegung von Teilchen beruht.

Je stärker sich ein Körper erwärmt, desto schneller bewegen sich die Moleküle, aus denen er besteht. Die Bewegung der Teilchen wird noch unregelmäßiger. Gleichzeitig weiß jeder, dass Ordnung leicht in Chaos umschlagen kann, was sehr schwer zu ordnen ist.

Die Hauptbedeutung der von Carnot ermittelten Formel (5.12.2) für den Wirkungsgrad einer idealen Maschine besteht darin, dass sie den maximal möglichen Wirkungsgrad jeder Wärmekraftmaschine bestimmt.

Carnot bewies auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik* den folgenden Satz: jede echte Wärmekraftmaschine, die mit einer Temperaturheizung arbeitetT 1 und KühlschranktemperaturT 2 , kann keinen Wirkungsgrad haben, der den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine übersteigt.

* Carnot stellte tatsächlich den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik vor Clausius und Kelvin auf, als der erste Hauptsatz der Thermodynamik noch nicht streng formuliert war.

Betrachten wir zunächst eine Wärmekraftmaschine, die in einem reversiblen Kreislauf mit einem echten Gas arbeitet. Der Zyklus kann beliebig sein, wichtig ist nur, dass die Temperaturen von Heizung und Kühlschrank übereinstimmen T 1 Und T 2 .

Nehmen wir an, dass der Wirkungsgrad einer anderen Wärmekraftmaschine (die nicht nach dem Carnot-Zyklus arbeitet) η ist ’ > η . Die Maschinen arbeiten mit einer gemeinsamen Heizung und einem gemeinsamen Kühlschrank. Lassen Sie die Carnot-Maschine im Rückwärtszyklus arbeiten (wie eine Kältemaschine) und lassen Sie die andere Maschine im Vorwärtszyklus arbeiten (Abb. 5.18). Die Wärmekraftmaschine verrichtet gemäß den Formeln (5.12.3) und (5.12.5) eine Arbeit gleich:

Eine Kältemaschine kann immer so ausgelegt sein, dass sie die Wärmemenge aus dem Kühlschrank aufnimmt Q 2 = ||

Dann wird gemäß Formel (5.12.7) daran gearbeitet

(5.12.12)

Da nach Bedingung η" > η , Das A" > A. Daher kann eine Wärmekraftmaschine eine Kältemaschine antreiben, und es bleibt immer noch ein Überschuss an Arbeit übrig. Diese überschüssige Arbeit wird durch Wärme verrichtet, die einer Quelle entnommen wird. Denn wenn zwei Maschinen gleichzeitig laufen, wird keine Wärme an den Kühlschrank übertragen. Dies widerspricht jedoch dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.

Wenn wir annehmen, dass η > η ", Dann können Sie eine andere Maschine in einem Rückwärtszyklus arbeiten lassen und eine Carnot-Maschine in einem Vorwärtszyklus. Wir werden erneut auf einen Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik stoßen. Folglich haben zwei Maschinen, die mit reversiblen Zyklen arbeiten, den gleichen Wirkungsgrad: η " = η .

Anders verhält es sich, wenn die zweite Maschine in einem irreversiblen Kreislauf arbeitet. Nehmen wir η an " > η , dann stoßen wir erneut auf einen Widerspruch zum zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. Die Annahme 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, oder

Das ist das Hauptergebnis:

(5.12.13)

Effizienz echter Wärmekraftmaschinen

Formel (5.12.13) gibt die theoretische Grenze für den maximalen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen an. Es zeigt sich, dass eine Wärmekraftmaschine umso effizienter ist, je höher die Temperatur der Heizung und je niedriger die Temperatur des Kühlschranks ist. Nur bei einer Kühlschranktemperatur gleich dem absoluten Nullpunkt ist η = 1.

Aber die Temperatur des Kühlschranks kann praktisch nicht viel niedriger sein als die Umgebungstemperatur. Sie können die Heiztemperatur erhöhen. Allerdings weist jedes Material (fester Körper) eine begrenzte Hitzebeständigkeit bzw. Hitzebeständigkeit auf. Beim Erhitzen verliert es allmählich seine elastischen Eigenschaften und schmilzt bei ausreichend hoher Temperatur.

Jetzt zielen die Hauptbemühungen der Ingenieure darauf ab, die Effizienz von Motoren zu steigern, indem sie die Reibung ihrer Teile, Kraftstoffverluste aufgrund unvollständiger Verbrennung usw. verringern. Die realen Chancen zur Effizienzsteigerung sind hier weiterhin groß. Für eine Dampfturbine betragen die Anfangs- und Endtemperaturen des Dampfes ungefähr folgende Werte: T 1 = 800 K und T 2 = 300 K. Bei diesen Temperaturen beträgt der maximale Wirkungsgrad:

Der tatsächliche Wirkungsgrad aufgrund verschiedener Arten von Energieverlusten liegt bei ca. 40 %. Den maximalen Wirkungsgrad – etwa 44 % – erreichen Verbrennungsmotoren.

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine kann den maximal möglichen Wert nicht überschreiten
, wo T 1 - absolute Temperatur der Heizung und T 2 - absolute Temperatur des Kühlschranks.

Steigerung der Effizienz von Wärmekraftmaschinen und Annäherung an das mögliche Maximum- die wichtigste technische Herausforderung.

Effizienzfaktor (Effizienz) ist ein Merkmal der Leistung des Systems in Bezug auf die Umwandlung oder Übertragung von Energie, das durch das Verhältnis der genutzten Nutzenergie zur gesamten vom System aufgenommenen Energie bestimmt wird.

Effizienz- eine dimensionslose Größe, üblicherweise ausgedrückt als Prozentsatz:

Der Leistungskoeffizient (Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine wird durch die Formel bestimmt: , wobei A = Q1Q2. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine liegt immer unter 1.

Carnot-Zyklus ist ein reversibler zirkulärer Gasprozess, der aus nacheinander stehenden zwei isothermen und zwei adiabatischen Prozessen besteht, die mit dem Arbeitsmedium durchgeführt werden.

Ein Kreiskreislauf, der zwei Isothermen und zwei Adiabaten umfasst, entspricht maximaler Effizienz.

Der französische Ingenieur Sadi Carnot leitete 1824 die Formel für den maximalen Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine ab, bei der das Arbeitsmedium ein ideales Gas ist, dessen Kreislauf aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten bestand, also dem Carnot-Zyklus. Der Carnot-Zyklus ist der eigentliche Arbeitszyklus einer Wärmekraftmaschine, die aufgrund der dem Arbeitsmedium zugeführten Wärme in einem isothermen Prozess Arbeit verrichtet.

Die Formel für den Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus, also den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, hat die Form: , wobei T1 die absolute Temperatur des Heizgeräts und T2 die absolute Temperatur des Kühlschranks ist.

Wärmekraftmaschinen- das sind Strukturen, in denen thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.

Wärmekraftmaschinen sind sowohl im Design als auch im Einsatzzweck unterschiedlich. Dazu gehören Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren und Strahltriebwerke.

Trotz der Vielfalt weist der Betrieb verschiedener Wärmekraftmaschinen jedoch grundsätzlich Gemeinsamkeiten auf. Die Hauptkomponenten jeder Wärmekraftmaschine sind:

• Heizung;
• Arbeitsflüssigkeit;
• Kühlschrank.

Die Heizung gibt Wärmeenergie ab und erwärmt gleichzeitig das Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsraum des Motors befindet. Das Arbeitsmedium kann Dampf oder Gas sein.

Nachdem es die Wärmemenge aufgenommen hat, dehnt sich das Gas aus, weil Sein Druck ist größer als der äußere Druck und bewegt den Kolben, wodurch positive Arbeit erzeugt wird. Gleichzeitig sinkt sein Druck und sein Volumen nimmt zu.

Wenn wir das Gas komprimieren und dabei die gleichen Zustände durchlaufen, aber in die entgegengesetzte Richtung, dann leisten wir den gleichen Absolutwert, aber negative Arbeit. Infolgedessen beträgt die gesamte Arbeit pro Zyklus Null.

Damit die Arbeit einer Wärmekraftmaschine von Null verschieden ist, muss die Arbeit der Gaskompression kleiner sein als die Arbeit der Expansion.

Damit die Kompressionsarbeit geringer wird als die Expansionsarbeit, ist es notwendig, dass der Kompressionsprozess bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet; dazu muss das Arbeitsmedium gekühlt werden, weshalb ein Kühlschrank in die Konstruktion einbezogen wird der Wärmekraftmaschine. Das Arbeitsmedium überträgt bei Kontakt mit dem Kühlschrank Wärme auf den Kühlschrank.