Delo, ki ga opravi motor, je:

Ta proces je prvi obravnaval francoski inženir in znanstvenik N. L. S. Carnot leta 1824 v knjigi »Razmišljanja o pogonski sili ognja in o strojih, ki so sposobni razviti to silo«.

Cilj Carnotovega raziskovanja je bil odkriti razloge za nepopolnost takratnih toplotnih strojev (imeli so izkoristek ≤ 5%) in najti načine za njihovo izboljšavo.

Carnotov cikel je najučinkovitejši od vseh. Njegova učinkovitost je največja.

Slika prikazuje termodinamične procese cikla. Med izotermično ekspanzijo (1-2) pri temp T 1 , delo se opravi zaradi spremembe notranje energije grelnika, to je zaradi dovajanja toplote plinu Q:

A 12 = Q 1 ,

Hlajenje plina pred stiskanjem (3-4) se pojavi med adiabatnim širjenjem (2-3). Sprememba notranje energije ΔU 23 med adiabatnim procesom ( Q = 0) popolnoma pretvori v mehansko delo:

A 23 = -ΔU 23 ,

Temperatura plina kot posledica adiabatne ekspanzije (2-3) pade na temperaturo hladilnika T 2 < T 1 . V procesu (3-4) je plin izotermično stisnjen, pri čemer prenese količino toplote v hladilnik 2. vprašanje:

A 34 = Q 2,

Cikel se zaključi s procesom adiabatne kompresije (4-1), pri katerem se plin segreje na temperaturo T 1.

Največja vrednost izkoristka idealnih plinskih toplotnih strojev po Carnotovem ciklu:

.

Bistvo formule je izraženo v dokazanem Z. Carnotov izrek, da učinkovitost katerega koli toplotnega stroja ne more preseči učinkovitosti Carnotovega cikla, ki se izvaja pri enaki temperaturi grelnika in hladilnika.

Diapozitiv 1

Diapozitiv 2

Diapozitiv 3

Diapozitiv 4

Diapozitiv 5

Diapozitiv 6

Diapozitiv 7

Diapozitiv 8

Diapozitiv 9

Za delovanje številnih vrst strojev je značilen tako pomemben kazalnik, kot je učinkovitost toplotnega motorja. Vsako leto si inženirji prizadevajo ustvariti naprednejšo opremo, ki bi z manjšo porabo goriva dala največji rezultat pri uporabi.

Naprava za toplotni motor

Preden razumemo, kaj je učinkovitost, je treba razumeti, kako ta mehanizem deluje. Brez poznavanja načel njegovega delovanja je nemogoče ugotoviti bistvo tega indikatorja. Toplotni stroj je naprava, ki opravlja delo z uporabo notranje energije. Vsak toplotni motor, ki pretvarja toplotno energijo v mehansko energijo, uporablja toplotno raztezanje snovi, ko se temperatura poveča. V polprevodniških motorjih je mogoče spremeniti ne samo prostornino snovi, ampak tudi obliko telesa. Delovanje takega motorja je podvrženo zakonom termodinamike.

Princip delovanja

Da bi razumeli, kako deluje toplotni motor, je treba upoštevati osnove njegove zasnove. Za delovanje naprave sta potrebni dve telesi: toplo (grelec) in hladno (hladilnik, hladilnik). Princip delovanja toplotnih strojev (izkoristek toplotnih strojev) je odvisen od njihove vrste. Pogosto je hladilnik parni kondenzator, grelnik pa katera koli vrsta goriva, ki gori v kurišču. Učinkovitost idealnega toplotnega stroja je določena z naslednjo formulo:

Učinkovitost = (Theat - Cool) / Theat. x 100 %.

V tem primeru izkoristek pravega motorja nikoli ne more preseči vrednosti, dobljene po tej formuli. Tudi ta številka ne bo nikoli presegla zgoraj navedene vrednosti. Za povečanje učinkovitosti se največkrat poveča temperatura grelnika in zniža temperatura hladilnika. Oba procesa bosta omejena z dejanskimi pogoji delovanja opreme.

Ko toplotni stroj deluje, se delo opravi, saj plin začne izgubljati energijo in se ohladi na določeno temperaturo. Slednja je običajno nekaj stopinj višja od okoliške atmosfere. To je temperatura hladilnika. Ta posebna naprava je zasnovana za hlajenje in poznejšo kondenzacijo izpušne pare. Kjer so prisotni kondenzatorji, je temperatura hladilnika včasih nižja od temperature okolja.

Pri toplotnem stroju telo, ko se segreje in razteza, ne more oddati vse svoje notranje energije za opravljanje dela. Nekaj ​​toplote se bo skupaj z izpušnimi plini ali paro preneslo v hladilnik. Ta del toplotne notranje energije se neizogibno izgubi. Med zgorevanjem goriva delovna tekočina prejme določeno količino toplote Q 1 od grelnika. Hkrati pa še vedno opravlja delo A, pri katerem del toplotne energije preda hladilniku: Q 2

Učinkovitost označuje učinkovitost motorja na področju pretvorbe in prenosa energije. Ta indikator se pogosto meri v odstotkih. Formula učinkovitosti:

η*A/Qx100%, kjer je Q porabljena energija, A je koristno delo.

Na podlagi zakona o ohranitvi energije lahko sklepamo, da bo učinkovitost vedno manjša od enote. Z drugimi besedami, nikoli ne bo koristnejšega dela od energije, porabljene zanj.

Izkoristek motorja je razmerje med koristnim delom in energijo, ki jo dovaja grelec. Lahko se predstavi v obliki naslednje formule:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, kjer je Q 1 toplota, ki jo prejme grelnik, Q 2 pa se odda hladilniku.

Delovanje toplotnega motorja

Delo, ki ga opravi toplotni stroj, se izračuna po naslednji formuli:

A = |Q H | - |Q X |, kjer je A delo, Q H je količina toplote, prejete od grelnika, Q X je količina toplote, dana hladilniku.

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

Enako je razmerju med delom, ki ga opravi motor, in količino prejete toplote. Pri tem prenosu se del toplotne energije izgubi.

Carnotov motor

Največji izkoristek toplotnega stroja opazimo v napravi Carnot. To je posledica dejstva, da je v tem sistemu odvisna samo od absolutne temperature grelnika (Tn) in hladilnika (Tx). Učinkovitost toplotnega stroja, ki deluje po Carnotovem ciklu, je določena z naslednjo formulo:

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

Zakoni termodinamike so omogočili izračun največje možne učinkovitosti. Ta indikator je prvi izračunal francoski znanstvenik in inženir Sadi Carnot. Izumil je toplotni stroj, ki je deloval na idealen plin. Deluje v ciklu 2 izoterm in 2 adiabatov. Načelo njegovega delovanja je precej preprosto: na posodo s plinom je priključen grelec, zaradi česar se delovna tekočina izotermično širi. Hkrati deluje in prejema določeno količino toplote. Nato se posoda toplotno izolira. Kljub temu se plin še naprej širi, vendar adiabatno (brez izmenjave toplote z okoljem). V tem času njegova temperatura pade na temperaturo v hladilniku. V tem trenutku pride plin v stik s hladilnikom, zaradi česar med izometričnim stiskanjem odda določeno količino toplote. Nato posodo ponovno toplotno izoliramo. V tem primeru je plin adiabatsko stisnjen na prvotno prostornino in stanje.

Sorte

Dandanes obstaja veliko vrst toplotnih strojev, ki delujejo na različne principe in na različna goriva. Vsi imajo svojo učinkovitost. Ti vključujejo naslednje:

Motor z notranjim zgorevanjem (bat), ki je mehanizem, kjer se del kemične energije gorečega goriva pretvori v mehansko energijo. Takšne naprave so lahko plinske in tekoče. Obstajajo 2-taktni in 4-taktni motorji. Imajo lahko neprekinjen delovni cikel. Glede na način priprave mešanice goriva so takšni motorji uplinjač (z zunanjo tvorbo mešanice) in dizel (z notranjo). Glede na vrsto pretvornika energije jih delimo na batne, reaktivne, turbinske in kombinirane. Učinkovitost takih strojev ne presega 0,5.

Stirlingov motor je naprava, v kateri se delovna tekočina nahaja v zaprtem prostoru. Je vrsta motorja z zunanjim zgorevanjem. Načelo njegovega delovanja temelji na periodičnem ohlajanju/segrevanju telesa s proizvodnjo energije zaradi spreminjanja njegove prostornine. To je eden najučinkovitejših motorjev.

Turbinski (rotacijski) motor z zunanjim zgorevanjem goriva. Takšne instalacije najpogosteje najdemo v termoelektrarnah.

Turbinski (rotacijski) motorji z notranjim zgorevanjem se uporabljajo v termoelektrarnah v koničnem načinu. Ni tako razširjen kot drugi.

Turbinski motor ustvarja del potiska skozi svoj propeler. Ostalo dobi iz izpušnih plinov. Njegova zasnova je rotacijski motor (plinska turbina), na gredi katerega je nameščen propeler.

Druge vrste toplotnih strojev

Raketni, turboreaktivni in reaktivni motorji, ki pridobivajo potisk iz izpušnih plinov.

Polprevodniški motorji kot gorivo uporabljajo trdno snov. Med delovanjem se ne spreminja njegova prostornina, ampak oblika. Pri delovanju opreme se uporablja izjemno majhna temperaturna razlika.

Kako lahko povečate učinkovitost

Ali je mogoče povečati učinkovitost toplotnega stroja? Odgovor je treba iskati v termodinamiki. Proučuje medsebojne transformacije različnih vrst energije. Ugotovljeno je bilo, da je nemogoče pretvoriti vso razpoložljivo toplotno energijo v električno, mehansko itd. Njihova pretvorba v toplotno energijo pa poteka brez kakršnih koli omejitev. To je mogoče zaradi dejstva, da narava toplotne energije temelji na neurejenem (kaotičnem) gibanju delcev.

Bolj ko se telo segreje, hitreje se gibljejo njegove sestavne molekule. Gibanje delcev bo postalo še bolj neenakomerno. Ob tem pa vsi vedo, da se red zlahka spremeni v kaos, ki ga je zelo težko urediti.

Glavni pomen formule (5.12.2), ki jo je pridobil Carnot za izkoristek idealnega stroja, je, da določa največji možni izkoristek katerega koli toplotnega stroja.

Carnot je na podlagi drugega zakona termodinamike * dokazal naslednji izrek: vsak pravi toplotni stroj, ki deluje s temperaturnim grelnikomT 1 in temperaturo hladilnikaT 2 , ne more imeti učinkovitosti, ki presega učinkovitost idealnega toplotnega stroja.

* Carnot je dejansko postavil drugi zakon termodinamike pred Clausiusom in Kelvinom, ko prvi zakon termodinamike še ni bil dosledno oblikovan.

Najprej si oglejmo toplotni motor, ki deluje v reverzibilnem ciklu z realnim plinom. Cikel je lahko kakršen koli, pomembno je le, da sta temperaturi grelnika in hladilnika T 1 in T 2 .

Predpostavimo, da je izkoristek drugega toplotnega stroja (ki ne deluje po Carnotovem ciklu) η ’ > η . Stroji delujejo s skupnim grelcem in skupnim hladilnikom. Naj Carnotov stroj deluje v obratnem ciklu (kot hladilni stroj), drugi stroj pa naj deluje v ciklu naprej (slika 5.18). Toplotni stroj opravi delo, ki je po formulah (5.12.3) in (5.12.5) enako:

Hladilni stroj je vedno mogoče oblikovati tako, da odvzame količino toplote iz hladilnika Q 2 = ||

Nato bo po formuli (5.12.7) opravljeno delo na njem

(5.12.12)

Ker je po pogoju η" > η , to A" > A. Torej lahko toplotni stroj poganja hladilni stroj, pa bo še vedno ostalo presežek dela. To presežno delo opravi toplota, vzeta iz enega vira. Navsezadnje se toplota ne prenaša v hladilnik, ko delujeta dva stroja hkrati. Toda to je v nasprotju z drugim zakonom termodinamike.

Če predpostavimo, da je η > η ", potem lahko naredite, da drug stroj deluje v obratnem ciklu, Carnotov stroj pa v ciklu naprej. Spet bomo prišli do protislovja z drugim zakonom termodinamike. Posledično imata dva stroja, ki delujeta na reverzibilnih ciklih, enako učinkovitost: η " = η .

Druga stvar je, če drugi stroj deluje v nepovratnem ciklu. Če predpostavimo η " > η , potem bomo spet prišli v protislovje z drugim zakonom termodinamike. Vendar pa predpostavka 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, oz

To je glavni rezultat:

(5.12.13)

Učinkovitost pravih toplotnih strojev

Formula (5.12.13) podaja teoretično mejo za največjo vrednost izkoristka toplotnih motorjev. Kaže, da višja kot je temperatura grelnika in nižja kot je temperatura hladilnika, bolj učinkovit je toplotni stroj. Samo pri temperaturi hladilnika, ki je enaka absolutni ničli, je η = 1.

Toda temperatura hladilnika praktično ne more biti veliko nižja od temperature okolice. Lahko povečate temperaturo grelnika. Vsak material (trdno telo) pa ima omejeno toplotno odpornost ali toplotno odpornost. Pri segrevanju postopoma izgubi svoje elastične lastnosti, pri dovolj visoki temperaturi pa se stopi.

Zdaj so glavna prizadevanja inženirjev usmerjena v povečanje učinkovitosti motorjev z zmanjšanjem trenja njihovih delov, izgub goriva zaradi nepopolnega zgorevanja itd. Resnične možnosti za povečanje učinkovitosti tukaj še vedno ostajajo velike. Tako sta za parno turbino začetna in končna temperatura pare približno naslednji: T 1 = 800 K in T 2 = 300 K. Pri teh temperaturah je največja vrednost učinkovitosti:

Dejanska vrednost izkoristka zaradi različnih vrst izgub energije je približno 40 %. Največji izkoristek - približno 44% - dosežejo motorji z notranjim zgorevanjem.

Izkoristek katerega koli toplotnega stroja ne more preseči največje možne vrednosti
, kjer je T 1 - absolutna temperatura grelnika in T 2 - absolutna temperatura hladilnika.

Povečanje učinkovitosti toplotnih strojev in njeno približevanje maksimumu- najpomembnejši tehnični izziv.

Faktor učinkovitosti (učinkovitost) je značilnost delovanja sistema v zvezi s pretvorbo ali prenosom energije, ki je določena z razmerjem med porabljeno koristno energijo in celotno energijo, ki jo prejme sistem.

Učinkovitost- brezdimenzijska količina, običajno izražena v odstotkih:

Koeficient učinkovitosti (izkoristek) toplotnega stroja se določi po formuli: , kjer je A = Q1Q2. Izkoristek toplotnega stroja je vedno manjši od 1.

Carnotov cikel je reverzibilen krožni plinski proces, ki je sestavljen iz zaporedno stoječih dveh izotermičnih in dveh adiabatskih procesov, ki se izvajajo z delovno tekočino.

Največjemu izkoristku ustreza krožni cikel, ki vključuje dve izotermi in dva adiabata.

Francoski inženir Sadi Carnot je leta 1824 izpeljal formulo za največji izkoristek idealnega toplotnega stroja, kjer je delovna tekočina idealni plin, katerega cikel je sestavljen iz dveh izoterm in dveh adiabatov, t.i. Carnotov cikel. Carnotov cikel je pravi delovni cikel toplotnega stroja, ki opravlja delo zaradi toplote, dovedene delovni tekočini v izotermnem procesu.

Formula za izkoristek Carnotovega cikla, to je največji izkoristek toplotnega stroja, ima obliko: , kjer je T1 absolutna temperatura grelnika, T2 je absolutna temperatura hladilnika.

Toplotni motorji- to so strukture, v katerih se toplotna energija pretvarja v mehansko.

Toplotni stroji so raznoliki tako po zasnovi kot po namenu. Sem spadajo parni stroji, parne turbine, motorji z notranjim zgorevanjem in reaktivni motorji.

Kljub raznolikosti pa ima načeloma delovanje različnih toplotnih strojev skupne značilnosti. Glavne komponente vsakega toplotnega stroja so:

• grelec;
• delovna tekočina;
• hladilnik.

Grelnik sprošča toplotno energijo, hkrati pa segreva delovno tekočino, ki se nahaja v delovni komori motorja. Delovna tekočina je lahko para ali plin.

Ko sprejme količino toplote, se plin razširi, ker njegov tlak je večji od zunanjega tlaka in premika bat, kar povzroči pozitivno delo. Ob tem ji pade tlak in poveča se prostornina.

Če stisnemo plin, ki gre skozi ista stanja, vendar v nasprotni smeri, potem bomo opravili enako absolutno vrednost, vendar negativno delo. Posledično bo vse delo na cikel enako nič.

Da bi bilo delo toplotnega stroja različno od nič, mora biti delo stiskanja plina manjše od dela raztezanja.

Da bi delo stiskanja postalo manjše od dela raztezanja, je potrebno, da proces stiskanja poteka pri nižji temperaturi, za to pa je treba delovno tekočino ohladiti, zato je v zasnovo vključen hladilnik. toplotnega stroja. Delovna tekočina prenaša toploto na hladilnik, ko pride v stik z njim.