Աշխատանքային հեղուկը, ջեռուցողից ստանալով որոշակի քանակությամբ ջերմություն Q 1, տալիս է սառնարանին այս քանակի ջերմության ՝ մոդուլի | Q2 | մի մասը: Հետեւաբար, կատարված աշխատանքն ավելին չի կարող լինել A \u003d Q 1- | Q 2 |.Կոչվում է այս աշխատանքի հարաբերակցությունը ջեռուցողից ընդարձակվող գազի ստացած ջերմության քանակին գործակից օգտակար գործողություն ջերմային մեքենա:
Փակ ցիկլում աշխատող ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը միշտ մեկից պակաս է: Heatերմային էներգիայի ինժեներիայի խնդիրն է արդյունավետությունը հնարավորինս բարձր դարձնել, այսինքն ՝ ջեռուցողից ստացված ջերմության հնարավորինս շատ քանակը օգտագործել աշխատանքի համար: Ինչպե՞ս կարելի է դրան հասնել:
Առաջին անգամ ցիկլային ամենակատարյալ գործընթացը, որը բաղկացած է իզոթերմերից և ադիաբատներից, առաջարկվել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս և ինժեներ Ս.Կարնոյի կողմից 1824 թվականին:
Carnot ցիկլը:
Ենթադրենք, որ գազը գտնվում է բալոնի մեջ, որի պատերը և մխոցը պատրաստված են ջերմամեկուսիչ նյութից, իսկ ներքևում `բարձր ջերմահաղորդականությամբ նյութից: Գազի զբաղեցրած ծավալը կազմում է V 1
Նկար 2
Մենք գլանը կապվելու ենք ջեռուցիչի հետ (Նկար 2) և թույլ ենք տալիս, որ գազը իզոթերմորեն ընդլայնվի և կատարի աշխատանք . Միեւնույն ժամանակ, գազը որոշակի ջերմություն է ստանում ջեռուցիչից: Հ 1Այս գործընթացը գրաֆիկորեն պատկերված է իզոտերմով (կորի) ԱԲ).
Նկար 3
Երբ գազի ծավալը հավասար է որոշակի արժեքի V 1 '< V 2 ,
գլանի ներքեւի մասը մեկուսացված է ջեռուցիչից ,
դրանից հետո գազը ադիբատորեն ընդլայնվում է և դառնում ծավալ V 2,բալոնում մխոցի առավելագույն հնարավոր հարվածին համապատասխանող (adiabat) Արև) Այս դեպքում գազը սառչում է ջերմաստիճանի Տ 2< T 1 .
Սառեցված գազը այժմ կարող է isothermally սեղմվել ջերմաստիճանում T2Դա անելու համար նա պետք է շփվի նույն մարմնի ջերմաստիճանի հետ T 2,այսինքն ՝ սառնարանով ,
եւ սեղմել գազը արտաքին ուժով: Այնուամենայնիվ, այս գործընթացում գազը չի վերադառնա իր նախնական վիճակին. Դրա ջերմաստիճանը միշտ ցածր կլինի Տ 1
Հետեւաբար, իզոթերմային սեղմումը բերվում է որոշակի միջանկյալ ծավալի V 2 '\u003e V 1(իզոտերմ Սկավառակ) Այս դեպքում գազը որոշակի քանակությամբ ջերմություն է տալիս սառնարանին: Q 2,հավասար է դրա վրա կատարված սեղմման աշխատանքներին: Դրանից հետո գազը ճզմվում է ադիաբատիկ կերպով `ծավալով V 1,մինչ դրա ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչեւ Տ 1(ադիաբաթ ԴԱ) Այժմ գազը վերադարձել է իր նախնական վիճակին, որի ծավալը հավասար է V 1-ին, ջերմաստիճանը ՝ T 1,ճնշում - էջ 1, և ցիկլը կարող է կրկին կրկնվել:
Այսպիսով, կայքում ABCգազը գործում է (A\u003e 0), և կայքում CDAաշխատանքներ են տարվում գազի վրա (ԵՎ< 0).
Կայքերում Արևև ՀԱՅՏԱՐԱՐՈՒԹՅՈՒՆաշխատանքը կատարվում է միայն գազի ներքին էներգիան փոխելու միջոցով: Ներքին էներգիայի փոփոխությունից ի վեր UBC \u003d - UDA, ապա adiabatic գործընթացների աշխատանքը հավասար է. ABC \u003d –ADA.Հետևաբար, մեկ ցիկլով կատարված ընդհանուր աշխատանքը որոշվում է իզոգերմային պրոցեսների ընթացքում կատարված աշխատանքի տարբերությամբ ԱԲ և Սկավառակ) Թվային առումով, այս աշխատանքը հավասար է ցիկլի կորով սահմանափակված գործչի մակերեսին Ա Բ Գ Դ.
Heatերմության քանակի միայն մի մասն է իրականում վերածվում օգտակար աշխատանքի: QT,ստացել է ջեռուցիչից, հավասար է QT 1 - | QT 2 |.Այսպիսով, Կարնոյի ցիկլում օգտակար աշխատանք A \u003d QT 1- | QT 2 |.
Իդեալական ցիկլի առավելագույն արդյունավետությունը, ինչպես ցույց է տվել S. Carnot- ը, կարող է արտահայտվել ջեռուցիչի ջերմաստիճանի առումով (T 1) և սառնարան (T 2):
Իրական շարժիչներում հնարավոր չէ իրականացնել իդեալական իզոթերմային և ադիաբատական \u200b\u200bպրոցեսներից բաղկացած ցիկլ: Հետեւաբար, իրական շարժիչներում իրականացված ցիկլի արդյունավետությունը միշտ պակաս է, քան Կարնոյի ցիկլի արդյունավետությունը (տաքացուցիչների և սառնարանների նույն ջերմաստիճանում).
Բանաձեւը ցույց է տալիս, որ որքան բարձր է ջեռուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանը, այնքան բարձր է շարժիչների արդյունավետությունը:
| Կարնո Նիկոլա Լեոնարդ Սադի (1796-1832) - տաղանդավոր ֆրանսիացի ինժեներ և ֆիզիկոս, ջերմոդինամիկայի հիմնադիրներից մեկը: «Անդրադարձ կրակի շարժիչ ուժի և այդ ուժը զարգացնելու ունակ մեքենաների մասին» (1824) աշխատության մեջ նա նախ ցույց տվեց, որ ջերմային շարժիչները կարող են աշխատել միայն տաք մարմնից սառը մարմնին անցնելու ժամանակ: Կարնոն հնարեց իդեալական ջերմային շարժիչ, հաշվարկեց իդեալական մեքենայի արդյունավետությունը և ապացուցեց, որ այս գործակիցը առավելագույնն է հնարավոր ցանկացած իրականի համար: ջերմային շարժիչ. |  | ||
Որպես օգնություն իր հետազոտություններին, Կարնոն 1824 թվականին (թղթի վրա) հայտնագործեց իդեալական ջերմային շարժիչ `իդեալական գազով, որպես աշխատանքային հեղուկ: Carnot շարժիչի կարևոր դերը ոչ միայն դրա հնարավոր գործնական կիրառման մեջ է, այլ նաև այն փաստի, որ այն հնարավորություն է տալիս բացատրել ընդհանրապես ջերմային շարժիչների աշխատանքի սկզբունքները. Պակաս կարևոր չէ այն փաստը, որ Կարնոն իր շարժիչի օգնությամբ կարողացավ զգալի ներդրում ունենալ ջերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հիմնավորման և ընկալման մեջ: Carnot մեքենայի բոլոր գործընթացները համարվում են հավասարակշռություն (շրջելի): Վերադարձելի գործընթացն այն գործընթացն է, որն այնքան դանդաղ է ընթանում, որ կարող է համարվել որպես հաջորդական անցում մեկ հավասարակշռության վիճակից մյուսը և այլն, և այս ամբողջ գործընթացը կարող է իրականացվել հակառակ ուղղությամբ ՝ առանց փոխելու կատարված աշխատանքը և փոխանցվող ջերմության քանակը: (Նկատի ունեցեք, որ բոլոր իրական գործընթացներն անշրջելի են) Մեքենայում իրականացվում է շրջանաձեւ գործընթաց կամ ցիկլ, որում համակարգը մի շարք վերափոխումներից հետո վերադառնում է իր նախնական վիճակին: Կարնոյի ցիկլը բաղկացած է երկու իզոտերմերից և երկու ադիաբատներից: A - B և C - D կորերը իզոտերմեր են, իսկ B - C և D - A կորերը ՝ ադիաբատներ: Նախ, գազը ընդարձակվում է իզոթերմորեն T 1 ջերմաստիճանում: Միևնույն ժամանակ, նա տաքացուցիչից ստանում է Q 1 ջերմության քանակ: Հետո այն ընդլայնվում է ադիաբատիկ կերպով և ջերմություն չի փոխում շրջապատող մարմինների հետ: Դրան հաջորդում է գազի իզոթերմային սեղմումը T 2 ջերմաստիճանում: Գազն այս գործընթացում տալիս է ջերմության Q 2 քանակը սառնարանին: Վերջապես, գազը սեղմվում է ադիաբատիկ կերպով և վերադառնում է իր նախնական վիճակին: Իզոթերմային ընդլայնման ժամանակ գազը կատարում է A "1\u003e 0 աշխատանքը, որը հավասար է ջերմության քանակի Q 1. Ադիաբատական \u200b\u200bընդլայնմամբ B - C, դրական աշխատանքը A" 3 հավասար է ներքին էներգիայի նվազմանը, երբ գազը սառչում է T 1 ջերմաստիճանից T 2 ջերմաստիճանի: A "3 \u003d - dU 1.2 \u003d U (T 1) -U (T 2). T 2 ջերմաստիճանում իզոթերմային սեղմումը պահանջում է գազի վրա աշխատել A 2: Գազը, համապատասխանաբար, բացասական աշխատանք է կատարում A "2 \u003d -A 2 \u003d Q 2: Վերջապես, ադիաբատիկ սեղմումը պահանջում է գազի վրա A 4 \u003d dU 2.1 աշխատանք: Գազի աշխատանքն ինքնին A "4 \u003d -A 4 \u003d -dU 2.1 \u003d U (T 2) -U (T 1): Հետևաբար, գազի ընդհանուր աշխատանքը երկու ադիաբատական \u200b\u200bգործընթացներում հավասար է զրոյի: theիկլի ընթացքում գազը աշխատում է A" \u003d A "1 +: Ա »2 \u003d Q 1 + Q 2 \u003d | Q 1 | - | Q 2 |. Այս աշխատանքը թվային առումով հավասար է ցիկլի կորի կողմից սահմանափակված գործչի մակերեսին Արդյունավետությունը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է հաշվարկել աշխատանքը A - B և C - D. իզոթերմային գործընթացների ընթացքում: Հաշվարկները բերում են հետևյալ արդյունքի.  (2) Carnot ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը հավասար է ջեռուցիչի և սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանի և տաքացուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանի տարբերության հարաբերությանը: Carnot- ի կողմից իդեալական մեքենայի արդյունավետության համար ստացված բանաձևի (2) հիմնական նշանակությունն այն է, որ այն որոշում է ցանկացած ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը: Կարնոն ապացուցեց հետևյալ թեորեմը. Ցանկացած իրական ջերմային շարժիչT 1 ջերմաստիճանի վառարանով և T 2 ջերմաստիճանի սառնարանով աշխատելը չի \u200b\u200bկարող ունենալ արդյունավետություն, որը գերազանցում է իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը: Իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը Բանաձևը (2) տալիս է առավելագույն արժեքի տեսական սահման Երմային արդյունավետություն շարժիչներ Դա ցույց է տալիս, որ որքան արդյունավետ է ջերմային շարժիչը, այնքան բարձր է վառարանը և ցածր է սառնարանը: Միայն սառնարանի ջերմաստիճանում, որը հավասար է բացարձակ զրոյի, արդյունավետությունը հավասար է 1. Իրական ջերմային շարժիչներում գործընթացներն այնքան արագ են ընթանում, որ աշխատանքային նյութի ներքին էներգիայի նվազումն ու ավելացումը դրա ծավալի փոփոխությամբ չի հասցնում փոխհատուցել ջեռուցողից էներգիայի ներհոսքը և սառնարան էներգիայի արտանետումը: Հետեւաբար, իզոթերմային գործընթացները հնարավոր չէ իրականացնել: Նույնը վերաբերում է խստորեն ադիաբատիկ գործընթացներին, քանի որ բնության մեջ իդեալական ջերմամեկուսիչներ չկան: Իրական ջերմային շարժիչներում իրականացված ցիկլերը բաղկացած են երկու իզոխորներից և երկու ադիաբատներից (Օտտոյի ցիկլում), երկու ադիաբատներից, իզոբարներից և իզոխորներից (դիզելային ցիկլում), երկու ադիաբատից և երկու իզոբարից (գազային տուրբինում) և այլն: նկատի ունենալով, որ այդ ցիկլերը կարող են լինել իդեալական, ինչպես նաև Կարնոտի ցիկլը: Բայց դրա համար անհրաժեշտ է, որ տաքացուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանը կայուն չլինի, ինչպես Կարնոյի ցիկլում, բայց փոխվի այնպես, ինչպես աշխատանքային նյութի ջերմաստիճանը փոխվի իզոխորական տաքացման և սառեցման գործընթացներում: Այլ կերպ ասած, գործող նյութը պետք է շփվի անսահմանորեն մեծ քանակությամբ տաքացուցիչների և սառնարանների հետ. Միայն այս դեպքում իզոխորների վրա կլինի հավասարակշռված ջերմության փոխանցում: Իհարկե, իրական ջերմային շարժիչների ցիկլերում գործընթացները ոչ հավասարակշռություն են, որի արդյունքում նույն ջերմային տիրույթում իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը շատ ավելի ցածր է, քան Կարնոյի ցիկլի արդյունավետությունը: Միևնույն ժամանակ, արտահայտությունը (2) հսկայական դեր ունի ջերմոդինամիկայում և մի տեսակ «փարոս» է ՝ ցույց տալով իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը բարձրացնելու ուղիները: |
|||
 | Օտտոյի ցիկլում, նախ, աշխատանքային խառնուրդը 1-2 ներծծվում է գլանի մեջ, այնուհետև 2-3 ադիաբատիկ սեղմում և դրա իզոխորական այրման ավարտից հետո 3-4, ուղեկցվում է այրման արտադրանքի ջերմաստիճանի և ճնշման բարձրացմամբ, տեղի է ունենում դրանց ադիաբատիկ ընդլայնում 4-5, ապա իզոխորիկ ճնշման անկում 5 -2 և մխոցով արտանետվող գազերի իզոբարային վտարում 2-1: Քանի որ աշխատանքը չի կատարվում իզոխորների վրա, և աշխատանքային խառնուրդի ներծծման և արտանետվող գազերի արտանետման ընթացքում աշխատանքը հավասար է և նշանավոր է հակառակ, մեկ ցիկլում օգտակար աշխատանքը հավասար է ընդլայնման և սեղմման ադիաբատների աշխատանքի տարբերությանը և գրաֆիկորեն պատկերված է ցիկլի տարածքի կողմից | ||
| Համեմատելով իրական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը Կարնոյի ցիկլի արդյունավետության հետ, պետք է նշել, որ արտահայտության մեջ (2), T 2 ջերմաստիճանը բացառիկ դեպքերում կարող է համընկնել շրջապատող ջերմաստիճանի հետ, որը մենք վերցնում ենք սառնարան, ընդհանուր առմամբ, այն գերազանցում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Այսպիսով, օրինակ, շարժիչներում ներքին այրումը T 2-ը պետք է հասկանալ որպես արտանետվող գազերի ջերմաստիճան, այլ ոչ թե այն միջավայրի ջերմաստիճան, որտեղ արտադրվում է արտանետումը: | |||
 | Նկարում պատկերված է իզոբարային այրմամբ չորս հարվածով ներքին այրման շարժիչի ցիկլը (դիզելային ցիկլ): Ի տարբերություն նախորդ ցիկլի, այն կլանված է 1-2 բաժնում: մթնոլորտային օդը, որը ենթարկվում է adiabatic սեղմման 2-3-ից 3 10 6 -3 10 5 Pa բաժնում: Ներարկված հեղուկ վառելիքը բռնկվում է խիստ սեղմված միջավայրում, ինչը նշանակում է տաքացվող օդը և այրվում է 3-4 իզոբարիկ եղանակով, և այդ դեպքում տեղի է ունենում այրման արտադրանքի ադիաբատիկ ընդլայնում 4-5-ը: 5-2 և 2-1 մնացած գործընթացները ընթանում են այնպես, ինչպես նախորդ ցիկլում: Պետք է հիշել, որ ներքին այրման շարժիչներում ցիկլերը պայմանականորեն փակ են, քանի որ յուրաքանչյուր ցիկլից առաջ գլանը լցվում է աշխատանքային նյութի որոշակի զանգվածով, որը ցիկլի վերջում դուրս է նետվում գլանից: | ||
Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող լինել շատ ավելի ցածր, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն, կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ ջեռուցվում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները, և բավականաչափ բարձր ջերմաստիճանում հալվում է: Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը `դրանց մասերի շփման նվազեցմամբ, թերի այրման պատճառով վառելիքի կորուստներով և այլն: Արդյունավետության բարձրացման իրական հնարավորություններն այստեղ դեռ մեծ են: Այսպիսով, գոլորշու տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանը մոտավորապես հետևյալն է. T 1 \u003d 800 K և T 2 \u003d 300 K. Այս ջերմաստիճաններում արդյունավետության առավելագույն արժեքն է.  Արդյունավետության իրական արժեքը տարբեր տեսակի էներգիայի կորուստների պատճառով կազմում է մոտավորապես 40%: Առավելագույն արդյունավետություն - մոտ 44% - ունեն ներքին այրման շարժիչներ: Heatանկացած ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը չի կարող գերազանցել հնարավոր առավելագույն արժեքը  որտեղ T 1 - ը ջեռուցման սարքի բացարձակ ջերմաստիճանն է, իսկ T 2 - ը ՝ սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանը: Heatերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացումը և դրանք հնարավորինս առավելագույնի հասցնելը ամենակարևոր տեխնիկական խնդիրն է: |
Կլաուսիուսի անհավասարությունը
(1854). Համակարգի կողմից ստացված ջերմության քանակը ցանկացած շրջանաձեւ գործընթացում բաժանված է այն ստացված բացարձակ ջերմաստիճանի ( տրված ջերմության քանակը) դրական չէ:
Մատակարարվող ջերմության քանակը քվազի-ստատիկորեն համակարգի կողմից ստացվածը կախված չէ անցումային ուղուց (որոշվում է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակներով) - համար քվազաստատիկ գործընթացները Կլաուսիուսի անհավասարությունը վերածվում է հավասարություն .
Էնտրոպիա, պետության գործառույթ Ս թերմոդինամիկական համակարգ, որի փոփոխությունը dS Համակարգի վիճակի անսահման փոքր շրջելի փոփոխության համար հավասար է այս գործընթացում համակարգի կողմից ստացված ջերմության (կամ համակարգից խլված) և բացարձակ ջերմաստիճանի հարաբերակցությանը T:
Քանակը dSտոտալ դիֆերենցիալ է, այսինքն. դրա ինտեգրումը կամայականորեն ընտրված ցանկացած ճանապարհով տարբերություն է տալիս արժեքների միջև էնտրոպիա նախնական (A) և վերջնական (B) կետերում նշում է.
Atերմությունը պետության գործառույթ չէ. Հետևաբար, δQ- ի ինտեգրալը կախված է A և B պետությունների միջև անցման ընտրված ուղուց: Էնտրոպիա չափվում է J / (մոլգադ):
Հայեցակարգ էնտրոպիա որպես համակարգի վիճակի ֆունկցիա ենթադրվում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենք, որն արտահայտում է միջոցով էնտրոպիա տարբերություն միջեւ անշրջելի և շրջելի գործընթացներ... Առաջին dS- ի համար\u003e δQ / T երկրորդի համար dS \u003d δQ / T:
Entropy- ն `որպես գործառույթ ներքին էներգիա Ու համակարգը, V ծավալը և մոլերի քանակը n i եսԵ-ի բաղադրիչը բնութագրական ֆունկցիա է (տես. Rmերմոդինամիկական ներուժ) Սա ջերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ սկզբունքների հետևանք է և գրված է հավասարման միջոցով.
Որտեղ Ռ - ճնշում, μ i - քիմիական ներուժ եսրդ բաղադրիչը: Ածանցյալներ էնտրոպիա բնական փոփոխականների վրա Ու, Վ և n ես հավասար են.
Պարզ բանաձևեր հղում են էնտրոպիա մշտական \u200b\u200bճնշման տակ գտնվող ջերմային հզորություններով C էջ և հաստատուն ծավալ CV:
Միջոցով էնտրոպիա համակարգի ջերմոդինամիկական հավասարակշռության հասնելու պայմանները ձևավորվում են դրա ներքին էներգիայի, ծավալի և մոլերի քանակի կայունությամբ ես-th բաղադրիչը (մեկուսացված համակարգ) և կայունության պայմանը նման հավասարակշռության համար.
Դա նշանակում է որ էնտրոպիա մեկուսացված համակարգը առավելագույնին է հասնում ջերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում: Համակարգում ինքնաբուխ գործընթացները կարող են ընթանալ միայն ավելացման ուղղությամբ էնտրոպիա.
Էնտրոպիան պատկանում է ջերմոդինամիկական ֆունկցիաների խմբին, որը կոչվում է Massier-Planck գործառույթներ: Այս խմբին պատկանող այլ գործառույթներ ՝ Massier ֆունկցիա Ֆ 1 = S - (1 / T) U և Planck ֆունկցիան Ф 2 \u003d S - (1 / T) U - (p / T) V, կարելի է ձեռք բերել ՝ կիրառելով լեգենդար վերափոխումը էնտրոպիային:
Thermերմոդինամիկայի երրորդ օրենքի համաձայն (տես. Երմային թեորեմ ), փոփոխությունը էնտրոպիա խտացրած վիճակում գտնվող նյութերի միջև հետադարձելի քիմիական ռեակցիայում հակված է զրոյի Տ→0:
Պլանկի պոստուլատը (ջերմային թեորեմի այլընտրանքային ձևակերպում) հաստատում է դա էնտրոպիա բացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում խտացրած վիճակում գտնվող ցանկացած քիմիական միացություն պայմանականորեն զրո է և բացարձակ արժեքը որոշելիս կարող է ընդունվել որպես հղում: էնտրոպիա նյութեր ցանկացած ջերմաստիճանում: (1) և (2) հավասարումները որոշում են էնտրոպիա մինչև հաստատուն ժամկետ:
Քիմիական նյութերի մեջ թերմոդինամիկա հետևյալ հասկացությունները լայնորեն օգտագործվում են ՝ ստանդարտ էնտրոպիա S 0, այսինքն. էնտրոպիա ճնշման տակ Ռ\u003d 1.01 · 10 5 Պա (1 մթնոլորտ); ստանդարտ էնտրոպիա քիմիական ռեակցիա, այսինքն. ստանդարտի տարբերություն էնտրոպիաապրանքներ և ռեակտիվներ; մասնակի մոլային էնտրոպիա բազմաբաղադրիչ համակարգի բաղադրիչ:
Քիմիական հավասարակշռությունը հաշվարկելու համար օգտագործեք բանաձևը.
Որտեղ Դեպի - հավասարակշռության հաստատունև - համապատասխանաբար ստանդարտ Գիբսի էներգիան, ռեակցիայի էնթալպիա և էնդրոպիա; Ռ - գազի անընդհատ:
Հայեցակարգի սահմանում էնտրոպիա քանի որ ոչ հավասարակշռության համակարգը հիմնված է տեղական ջերմոդինամիկական հավասարակշռության գաղափարի վրա: Տեղական հավասարակշռությունը ենթադրում է հավասարության կատարում (3) ոչ հավասարակշռության համակարգի փոքր ծավալների համար, ընդհանուր առմամբ (տե՛ս) Անշրջելի գործընթացների ջերմոդինամիկա) Համակարգում անշրջելի գործընթացների դեպքում արտադրություն (առաջացում) էնտրոպիա... Ամբողջական դիֆերենցիալ էնտրոպիա այս դեպքում սահմանվում է Կարնո-Կլաուսիուս անհավասարությամբ.
Որտեղ dS i\u003e0 - դիֆերենցիալ էնտրոպիակապված չէ ջերմության հոսքի հետ, բայց արտադրության հետ է կապված էնտրոպիահամակարգում անշրջելի գործընթացների պատճառով ( դիֆուզիոն. ջերմային ջերմահաղորդություն, քիմիական ռեակցիաներ և այլն): Տեղական արտադրություն էնտրոպիա (տ - ժամանակը) ներկայացված է որպես X ընդհանրացված ջերմոդինամիկական ուժերի արտադրանքի հանրագումար ես ընդհանրացված ջերմոդինամիկական հոսքերին J ես:
Արտադրություն էնտրոպիա պայմանավորված է, օրինակ, բաղադրիչի տարածմամբ ես նյութի ուժի և հոսքի շնորհիվ J; արտադրություն էնտրոպիա քիմիական ռեակցիայի պատճառով ՝ ուժով X \u003d A / Tորտեղ ԵՎ-քիմիական կապվածություն և հոսք Jարձագանքի արագությանը հավասար: Վիճակագրական ջերմոդինամիկայում էնտրոպիա մեկուսացված համակարգի համակարգը որոշվում է հարաբերակցությամբ `որտեղ կ - Բոլցմանի հաստատուն... - պետության ջերմադինամիկական կշիռը, հավասար է համակարգի հնարավոր քվանտային վիճակների թվին ՝ էներգիայի, ծավալի, մասնիկների քանակի տրված արժեքներով: Համակարգի հավասարակշռության վիճակը համապատասխանում է միայնակ (չվերածնված) քվանտային պետությունների բնակչության հավասարությանը: Բարձրանում էնտրոպիա անշրջելի գործընթացներում դա կապված է համակարգի տվյալ էներգիայի առավել հավանական բաշխման հաստատման հետ ՝ առանձին ենթահամակարգերի միջև: Ընդհանրացված վիճակագրական սահմանում էնտրոպիա, որը վերաբերում է նաև ոչ մեկուսացված համակարգերին, միանում է էնտրոպիա տարբեր միկրոշրջանների հավանականությունների հետևյալ կերպ.
Որտեղ w ես - հավանականություն եսնահանգը:
Բացարձակ էնտրոպիա քիմիական միացությունը որոշվում է փորձնականորեն, հիմնականում կալորիմետրիկ մեթոդով, հիմնվելով հարաբերակցության վրա.
Երկրորդ սկզբունքի օգտագործումը թույլ է տալիս դա անել էնտրոպիա քիմիական ռեակցիաներ ՝ ըստ փորձարարական տվյալների (էլեկտրաշարժիչ ուժերի մեթոդ, գոլորշու ճնշման եղանակ և այլն): Հնարավոր է հաշվարկ էնտրոպիա քիմիական միացություններ վիճակագրական ջերմոդինամիկայի մեթոդներով `հիմնված մոլեկուլային հաստատունների, մոլեկուլային քաշի, մոլեկուլների երկրաչափության, նորմալ թրթռումների հաճախության վրա: Այս մոտեցումը հաջողությամբ իրականացվում է իդեալական գազերի համար: Խտացրած փուլերի համար վիճակագրական հաշվարկը տալիս է շատ ավելի ցածր ճշգրտություն և իրականացվում է սահմանափակ թվով դեպքերում. վերջին տարիներին այս ոլորտում զգալի առաջընթաց է գրանցվել:
USE ծածկագրիչի թեմաներըջերմային շարժիչների շահագործման, ջերմային շարժիչի, ջերմային շարժիչների արդյունավետության և շրջակա միջավայրի պաշտպանության սկզբունքները.
Կարճ ասած, ջերմային մեքենաներ ջերմությունը վերածել աշխատանքի կամ, ընդհակառակը, աշխատանքը վերածել ջերմության:
Atերմային շարժիչները երկու տեսակի են `կախված դրանցում տեղի ունեցող գործընթացների ուղղությունից:
1. Atերմային շարժիչներ արտաքին աղբյուրից եկող ջերմությունը վերածել մեխանիկական աշխատանքի:
2. Սառնարանային մեքենաներ ջերմությունը տեղափոխել պակաս տաքացվող մարմնից ավելի տաքացված ՝ արտաքին աղբյուրի մեխանիկական աշխատանքի շնորհիվ:
Եկեք ավելի մանրամասն քննարկենք այս տեսակի ջերմային շարժիչները:
Atերմային շարժիչներ
Մենք գիտենք, որ մարմնի վրա աշխատանք կատարելը նրա ներքին էներգիան փոխելու միջոցներից մեկն է. Կատարյալ աշխատանքը, ասես, լուծարվում է մարմնում ՝ վերածվելով քաոսային շարժման և դրա մասնիկների փոխազդեցության էներգիայի:
Նկար: 1. atերմային շարժիչ
Heatերմային շարժիչը սարքն է, որը, ընդհակառակը, օգտակար աշխատանք է դուրս բերում մարմնի «քաոսային» ներքին էներգիայից: Theերմային շարժիչի գյուտը արմատապես փոխեց մարդկային քաղաքակրթության դեմքը:
Aերմային շարժիչի սխեմատիկ դիագրամը կարող է պատկերվել հետևյալ կերպ (նկ. 1): Եկեք հասկանանք, թե ինչ են նշանակում այս սխեմայի տարրերը:
Աշխատանքային մարմին շարժիչը գազ է: Այն ընդլայնվում է, շարժվում է մխոցը և դրանով իսկ կատարում է օգտակար մեխանիկական աշխատանք:
Բայց որպեսզի գազը ընդարձակվի, արտաքին ուժերը հաղթահարելով, հարկավոր է այն տաքացնել մինչև շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից զգալիորեն բարձր ջերմաստիճան: Դրա համար գազը շփման մեջ է մտնում վառարան - վառելիք վառելը.
Վառելիքի այրման գործընթացում զգալի էներգիա է արտանետվում, որի մի մասն օգտագործվում է գազը տաքացնելու համար: Գազը տաքացուցիչից ստանում է ջերմության քանակը: Այս ջերմության շնորհիվ է, որ շարժիչը օգտակար աշխատանք է կատարում:
Այս ամենը պարզ է: Ի՞նչ է սառնարանը, և ինչու՞ է դա անհրաժեշտ:
Գազի մեկ ընդլայնմամբ մենք կարող ենք հնարավորինս արդյունավետ օգտագործել ստացված ջերմությունը և այն ամբողջությամբ վերածել աշխատանքի: Դա անելու համար անհրաժեշտ է ընդլայնել գազը իզոթերմորեն. Այս դեպքում մեզ տալիս է ջերմոդինամիկայի առաջին օրենքը:
Բայց մեկանգամյա ընդլայնումը ոչ ոքի պետք չէ: Շարժիչը պետք է աշխատի ցիկլային կերպով, ապահովելով մխոցի շարժումների պարբերական կրկնությունը: Հետեւաբար, ընդլայնման ավարտին գազը պետք է սեղմվի ՝ այն վերադարձնելով իր սկզբնական վիճակին:
Ընդլայնման գործընթացում գազը կատարում է որոշ դրական աշխատանքներ: Սեղմման գործընթացում դրական աշխատանք է տարվում գազի վրա (իսկ գազն ինքը բացասական աշխատանք է կատարում): Արդյունքում, մեկ ցիկլով գազի օգտակար աշխատանքը.
Իհարկե պետք է լինի style \u003d "vertical-align: -20%;" class \u003d "tex" alt \u003d ""\u003e, կամ (հակառակ դեպքում շարժիչում կետ չկա):
Սեղմելով գազը ՝ մենք պետք է ավելի քիչ աշխատանք կատարենք, քան գազն արեց ընդարձակման ժամանակ:
Ինչպե՞ս կարելի է դրան հասնել: Պատասխանն այն է, որ գազը սեղմել ավելի ցածր ճնշումներով, քան ընդարձակման ժամանակ: Այլ կերպ ասած, դիագրամի վրա սեղմման գործընթացը պետք է ընթանա ստորև ընդլայնման գործընթաց, այսինքն, ցիկլը պետք է անցնի ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ (նկ. 2):
Նկար: 2. atերմային շարժիչի ցիկլը
Օրինակ, գծապատկերում ցիկլում ընդլայնման ընթացքում գազի աշխատանքը հավասար է կորի trapezoid- ի մակերեսին: Նմանապես, սեղմման մեջ գազի աշխատանքը հավասար է մինուս նշանով կոր գծապատկերի մակերեսին: Արդյունքում, մեկ ցիկլով գազի աշխատանքը պարզվում է, որ դրական է և հավասար է ցիկլի տարածքին:
Լավ, բայց ինչպե՞ս է ստացվում, որ գազը վերադառնա իր սկզբնական վիճակին ավելի ցածր կորի երկայնքով, այսինքն ՝ ավելի ցածր ճնշմամբ պետությունների միջով: Հիշեցնենք, որ տվյալ ծավալի համար, որքան ցածր է ջերմաստիճանը, այնքան ցածր է գազի ճնշումը: Հետևաբար, սեղմվելիս գազը պետք է անցնի ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող պետությունների միջով:
Սա հենց այն է, ինչի համար նախատեսված է սառնարանը թույն գազը սեղմման գործընթացում:
Սառնարանը կարող է լինել մթնոլորտ (ներքին այրման շարժիչների համար) կամ հովացման հոսող ջուր (գոլորշու տուրբինների համար): Սառչելիս գազը մի փոքր ջերմություն է տալիս սառնարանին:
Ստացվում է, որ մեկ ցիկլով գազը ստացված ջերմության ընդհանուր քանակը հավասար է: Thermերմոդինամիկայի առաջին օրենքի համաձայն.
որտեղ է գազի ներքին էներգիայի փոփոխությունը մեկ ցիկլի համար: Այն հավասար է զրոյի. Քանի որ գազը վերադարձավ իր նախնական վիճակին (իսկ ներքին էներգիան, ինչպես հիշում ենք, այդպես է) պետական \u200b\u200bգործառույթ) Արդյունքում, մեկ ցիկլի գազի աշխատանքը հավասար է.
(1)
Ինչպես տեսնում եք, հնարավոր չէ ամբողջովին վերափոխել ջեռուցողից եկող ջերմությունը աշխատանքի: Theերմության մի մասը պետք է տրվի սառնարանին `գործընթացի ցիկլայնությունն ապահովելու համար:
Այրման վառելիքի էներգիան մեխանիկական աշխատանքի վերածելու արդյունավետության ցուցիչը ջերմային շարժիչի արդյունավետությունն է:
Heերմային շարժիչի արդյունավետությունը մեխանիկական աշխատանքի հարաբերությունն է ջեռուցիչից ստացված ջերմության քանակին.
Հաշվի առնելով հարաբերությունը (1) `մենք ունենք նաև
(2)
Aերմային շարժիչի արդյունավետությունը, ինչպես տեսնում ենք, միշտ էլ պակաս է, քան միասնությունը: Օրինակ ՝ գոլորշու տուրբինների արդյունավետությունը մոտավոր է, իսկ ներքին այրման շարժիչների արդյունավետությունը ՝ մոտավորապես:
Սառնարանային մեքենաներ
Ամենօրյա փորձը և ֆիզիկական փորձերը մեզ ասում են, որ ջերմափոխանակման գործընթացում ջերմությունն ավելի տաքացված մարմնից տեղափոխվում է ավելի քիչ տաքացվող, բայց ոչ հակառակը: Երբեք չեն նկատվում գործընթացներ, որոնցում ջերմության փոխանցման շնորհիվ էներգիա է ստացվում ինքնաբերաբար անցնում է սառը մարմնից տաք, որի արդյունքում սառը մարմինն էլ ավելի կսառչի, իսկ տաք մարմինն էլ ավելի կջերմանա:
Նկար: 3. Սառնարանային մեքենա
Հիմնական բան այստեղ «ինքնաբերաբար» է: Եթե \u200b\u200bդուք օգտագործում եք էներգիայի արտաքին աղբյուր, ապա միանգամայն հնարավոր է իրականացնել սառը մարմնից տաքին ջերմություն փոխանցելու գործընթաց: Սա այն է, ինչ անում են սառնարանները:
մեքենաներ
Heatերմային շարժիչի համեմատ, սառնարանային մեքենայի գործընթացները հակառակ ուղղությամբ են (նկ. 3):
Աշխատանքային մարմին սառնարանային մեքենան նույնպես կոչվում է սառեցնողծ հովացուցիչ նյութ... Պարզության համար մենք այն կդիտենք որպես գազ, որը կլանում է ջերմությունը ընդլայնման ընթացքում և տալիս է սեղմման ժամանակ (իրական սառնարանային կայաններում սառնագենտը ցնդող լուծույթ է ցածր եռման կետով, որը գոլորշիացման ժամանակ ջերմություն է վերցնում և խտացման ժամանակ տալիս է):
Սառնարան սառնարանային մեքենայում սա այն մարմինն է, որից ջերմությունը հանվում է: Սառնարանը ջերմության քանակը փոխանցում է աշխատանքային հեղուկին (գազին), որի արդյունքում գազը ընդլայնվում է:
Սեղմման ընթացքում գազը ջերմություն է հաղորդում ավելի տաքացվող մարմնին. վառարան... Որպեսզի այդպիսի ջերմափոխանակություն տեղի ունենա, գազը պետք է սեղմվի ավելի բարձր ջերմաստիճաններում, քան ընդարձակման ժամանակ էր: Դա հնարավոր է միայն արտաքին աղբյուրի կողմից կատարված աշխատանքի շնորհիվ (օրինակ ՝ էլեկտրական շարժիչ (իրական սառնարանային միավորներում էլեկտրական շարժիչը ցածր ճնշում է ստեղծում գոլորշիացնողում, որի արդյունքում սառնագենտը եռում է և ջերմություն վերցնում. Ընդհակառակը, կոնդենսատորում էլեկտրական շարժիչը ստեղծում է բարձր ճնշում, որի տակ սառնագենտը խտանում է և ջերմություն տալիս)): Հետևաբար, վառարանին փոխանցվող ջերմության քանակը, պարզվում է, ավելին է, քան սառնարանից վերցված ջերմության քանակը, պարզապես քանակով.
Այսպիսով, - դիագրամում անցնում է սառնարանային մեքենայի աշխատանքային ցիկլը ժամացույցի իմաստով... Theիկլի տարածքը արտաքին աղբյուրի կողմից կատարված աշխատանքն է (նկ. 4):
Նկար: 4. Չիլերի ցիկլ
Սառնարանային մեքենայի հիմնական նպատակը բաքը (օրինակ ՝ սառնարան) հովացնելն է: Այս դեպքում այս ջրամբարը սառնարանի դեր է խաղում, և միջավայրը ծառայում է որպես վառարան. Ջրամբարից հանված ջերմությունը տարածվում է դրա մեջ:
Սառնարանային մեքենայի արդյունավետության ցուցիչը ` սառնարանային գործակիցհավասար է սառնարանից հանված ջերմության հարաբերությանը արտաքին աղբյուրի աշխատանքին.
Կատարման գործակիցը կարող է լինել մեկից ավելին: Իրական սառնարաններում այն \u200b\u200bարժեքներ է վերցնում մոտավորապես 1-ից 3-ը:
Կա ևս մեկ հետաքրքիր ծրագիր. Սառեցուցիչը կարող է աշխատել ինչպես Երմային պոմպ... Հետո դրա նպատակը որոշակի բաք տաքացնելն է (օրինակ ՝ սենյակ տաքացնելը) ՝ շրջակա միջավայրից հեռացված ջերմության պատճառով: Այս դեպքում այս ջրամբարը կլինի ջեռուցիչը, իսկ միջավայրը `սառնարանը:
Theերմային պոմպի արդյունավետության ցուցիչն է ջեռուցման գործակիցհավասար է ջեռուցվող ջրամբարին փոխանցվող ջերմության քանակի հարաբերությանը արտաքին աղբյուրի աշխատանքին.
Իրական ջերմային պոմպերի ջեռուցման գործակիցի արժեքները սովորաբար գտնվում են 3-ից 5-ի սահմաններում:
Atերմային մեքենա Karnot
Heatերմային շարժիչի ամենակարևոր հատկությունները ցիկլի ընթացքում աշխատանքային հեղուկի ջերմաստիճանի ամենաբարձր և ամենացածր արժեքներն են: Այս արժեքներն անվանում են համապատասխանաբար վառարան ջերմաստիճանը և սառնարանային ջերմաստիճան.
Մենք տեսանք, որ ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը խիստ պակաս է, քան միասնությունը: Բնական հարց է առաջանում. Ո՞րն է ջեռուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանի ֆիքսված արժեքներով ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը:
Եկեք, օրինակ, շարժիչի աշխատանքային հեղուկի առավելագույն ջերմաստիճանը հավասար է, իսկ նվազագույնը. Ո՞րն է նման շարժիչի տեսական արդյունավետության սահմանը:
Այս հարցի պատասխանը տվել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս և ինժեներ Սադի Կարնոն 1824 թ.
Նա հորինել և հետազոտել է հիանալի ջերմային շարժիչ `իդեալական գազով, որպես աշխատող հեղուկ: Այս մեքենան աշխատում է Կարնոյի ցիկլըբաղկացած է երկու իզոթերմերից և երկու ադիաբատներից:
Հաշվի առեք ուղիղ ցիկլ Carnot մեքենան անցնում է ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ (նկ. 5): Այս դեպքում մեքենան գործում է որպես ջերմային շարժիչ:
Նկար: 5. Կարնոյի ցիկլ
Իզոթերմ ... Տեղում գազը ջերմային շփման մեջ է մտնում ջերմաստիճանի ջեռուցիչի հետ և ընդլայնվում է իզոթերմային: Heatերմության քանակը գալիս է ջեռուցողից և ամբողջությամբ վերածվում է աշխատանքի այս ոլորտում.
Ադիաբաթ ... Հետագա սեղմման նպատակով անհրաժեշտ է գազը տեղափոխել ավելի ցածր ջերմաստիճանի գոտի: Դրա համար գազը ջերմամեկուսացված է, այնուհետև տեղում ընդլայնվում է adiabatically:
Ընդարձակվելիս գազը դրական աշխատանք է կատարում, և դրա շնորհիվ նրա ներքին էներգիան նվազում է.
Իզոթերմ ... Theերմամեկուսացումը հանվում է, գազը ջերմային շփման է բերվում ջերմաստիճանի սառնարանի հետ: Իզոթերմային սեղմում է տեղի ունենում: Գազը սառնարանին տալիս է ջերմության քանակը և կատարում բացասական աշխատանք:
Ադիաբաթ ... Այս հատվածն անհրաժեշտ է գազը սկզբնական վիճակին վերադարձնելու համար: Ադիաբատիկ սեղմման ընթացքում գազը բացասական աշխատանք է կատարում, և ներքին էներգիայի փոփոխությունը դրական է. Գազը տաքացվում է մինչև իր սկզբնական ջերմաստիճանը:
Կարնոն գտել է այս ցիկլի արդյունավետությունը (հաշվարկները, ցավոք, դուրս չեն գալիս դպրոցի ուսումնական ծրագրի շրջանակներից).
(3)
Ավելին, նա ապացուցեց դա Կարնոյի ցիկլի արդյունավետությունը հնարավորինս բարձր է բոլոր ջերմային շարժիչների համար, որոնք ունեն ջեռուցիչի ջերմաստիճան և սառնարան .
Այսպիսով, վերը նշված օրինակում մենք ունենք.
Ի՞նչ իմաստ ունի օգտագործել իզոտերմերը և ադիաբատները, և ոչ թե որոշ այլ գործընթացներ:
Պարզվում է, որ իզոթերմային և ադիաբատական \u200b\u200bգործընթացները ստեղծում են Կարնո մեքենան շրջելի... Այն կարող է ղեկավարվել հակադարձ հանգույց (ժամացույցի սլաքի հակառակ ուղղությամբ) նույն ջեռուցիչի և սառնարանի միջև, առանց այլ սարքերի ներգրավման: Այս դեպքում Carnot մեքենան կգործի որպես հովացուցիչ նյութ:
Երկու ուղղություններով Carnot մեքենա աշխատելու ունակությունը շատ կարևոր դեր է խաղում ջերմադինամիկայում: Օրինակ, այս փաստը ծառայում է որպես Կառնոյի ցիկլի առավելագույն արդյունավետության ապացույցի օղակ: Դրան մենք կանդրադառնանք հաջորդ հոդվածում `նվիրված ջերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքին:
Heերմային շարժիչներ և շրջակա միջավայրի պաշտպանություն
Atերմային շարժիչները լուրջ վնաս են հասցնում շրջակա միջավայրին: Դրանց լայն կիրառումը հանգեցնում է մի շարք բացասական ազդեցությունների:
Հսկայական քանակությամբ ջերմային էներգիայի տարածումը մթնոլորտ բերում է մոլորակի ջերմաստիճանի բարձրացմանը: Կլիմայի տաքացումը սպառնում է վերածվել հալվող սառցադաշտերի և աղետալի աղետների:
Ածխածնի երկօքսիդի կուտակումը մթնոլորտում, ինչը դանդաղեցնում է Երկրի ջերմային ճառագայթման փախուստը տիեզերք (ջերմոցային էֆեկտ), բերում է նաև կլիմայի տաքացման:
Վառելիքի այրման արտադրանքի բարձր կոնցենտրացիայի պատճառով բնապահպանական իրավիճակը վատթարանում է:
Սրանք քաղաքակրթության ամբողջ խնդիրներ են: Heatերմային շարժիչների շահագործման վնասակար հետևանքների դեմ պայքարելու համար անհրաժեշտ է բարձրացնել դրանց արդյունավետությունը, նվազեցնել թունավոր նյութերի արտանետումները, մշակել վառելիքի նոր տեսակներ և տնտեսապես օգտագործել էներգիա:
Heերմային շարժիչի արդյունավետությունը: Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն, շարժիչի կատարած աշխատանքը հավասար է.
որտեղ է ջեռուցիչից ստացված ջերմությունը, սառնարանին տրվող ջերմությունն է:
Heatերմային շարժիչի արդյունավետությունը շարժիչի կողմից կատարված աշխատանքների հարաբերությունն է ջեռուցիչից ստացված ջերմության քանակին.
Քանի որ բոլոր շարժիչների մեջ որոշակի քանակությամբ ջերմություն փոխանցվում է սառնարան, բոլոր դեպքերում
Heatերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետությունը: Ֆրանսիացի ինժեներ և գիտնական Սադի Կարնոն (1796 1832) իր «Մտորումներ կրակի շարժիչ ուժի վրա» աշխատության մեջ (1824) նպատակ դրեց.
Carnot- ը հանդես եկավ իդեալական ջերմային շարժիչով `իդեալական գազով, որպես աշխատանքային հեղուկ: Նա հաշվարկել է այս մեքենայի արդյունավետությունը, որը գործում է ջերմաստիճանի տաքացուցիչով և ջերմաստիճանային սառնարանով
Այս բանաձևի հիմնական նշանակությունն այն է, որ, ինչպես ապացուցեց Կառնոն, ապավինելով ջերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքին, որ ցանկացած իրական ջերմային շարժիչ, որը գործում է ջերմաստիճանի վառարանով և ջերմաստիճանի հովացուցիչով, չի կարող ունենալ արդյունավետություն, որը գերազանցում է իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:
Բանաձեւը (4.18) տալիս է ջերմային շարժիչների արդյունավետության առավելագույն արժեքի տեսական սահման: Դա ցույց է տալիս, որ որքան արդյունավետ է ջերմային շարժիչը, այնքան բարձր է վառարանը և ցածր է սառնարանը: Միայն սառնարանային ջերմաստիճանում, որը հավասար է բացարձակ զրոյի,
Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող լինել շատ ավելի ցածր, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն, կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ ջեռուցվում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները, և բավականաչափ բարձր ջերմաստիճանում հալվում է:
Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը `դրանց մասերի շփման նվազեցմամբ, թերի այրման պատճառով վառելիքի կորուստներով և այլն: Արդյունավետության բարձրացման իրական հնարավորություններն այստեղ դեռ մեծ են: Այսպիսով, գոլորշու տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանը մոտավորապես հետևյալն է. Այս ջերմաստիճաններում առավելագույն արդյունավետությունն է.
Արդյունավետության փաստացի արժեքը էներգիայի տարբեր տեսակների կորուստների պատճառով հավասար է.
Heatերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացումը, հնարավորինս առավելագույնին մոտեցնելը ամենակարևոր տեխնիկական խնդիրն է:
Atերմային շարժիչներ և բնության պահպանում: Համեմատած `ջերմային շարժիչների լայնորեն օգտագործումը` առավելագույն չափով օգտագործման համար հարմարավետ էներգիա ստանալու համար
Արտադրության գործընթացների բոլոր մյուս տեսակները կապված են շրջակա միջավայրի վրա ազդեցության հետ:
Thermերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի համաձայն, էլեկտրական և մեխանիկական էներգիայի արտադրությունը, սկզբունքորեն, չի կարող իրականացվել առանց շրջակա միջավայր զգալի քանակությամբ ջերմության հեռացման: Դա չի կարող չհանգեցնել Երկրագնդի միջին ջերմաստիճանի աստիճանական բարձրացմանը: Այժմ էլեկտրաէներգիայի սպառումն է մոտ 1010 կՎտ: Երբ այս հզորությունը հասնի միջին ջերմաստիճանի, կբարձրանա նկատելիորեն (մոտ մեկ աստիճանով): Temperatureերմաստիճանի հետագա բարձրացումը կարող է սպառնալ սառցադաշտերի հալվելուն և ծովի մակարդակի աղետալի աճին:
Բայց դա չի սպառում ջերմային շարժիչների օգտագործման բացասական հետևանքները: ThermalԷԿ-երի վառարանները, մեքենաների ներքին այրման շարժիչները և այլն, անընդհատ մթնոլորտ են արտանետում բույսերին, կենդանիներին և մարդկանց համար վնասակար նյութեր. Ծծմբային միացություններ (ածուխի այրման ժամանակ), ազոտի օքսիդներ, ածխաջրածիններ, ածխածնի երկօքսիդ (CO) և այլն: Հատուկ վտանգ այս առումով ներկայացված են մեքենաներ, որոնց քանակը տագնապալիորեն աճում է, և արտանետվող գազերի մաքրումը դժվար է: Ատոմակայաններում առաջանում է վտանգավոր ռադիոակտիվ թափոնների հեռացման խնդիր:
Բացի այդ, էլեկտրակայաններում գոլորշու տուրբինների օգտագործումը մեծ տարածքներ է պահանջում լճակների համար `արտանետվող գոլորշին հովացնելու համար: Էլեկտրակայանների հզորության մեծացման հետ մեկտեղ ջրի պահանջարկը կտրուկ աճում է: 1980 թ.-ին, մեր երկրում, այդ նպատակների համար պահանջվում էր ջրի, այսինքն `տնտեսության բոլոր ճյուղերի ջրամատակարարման շուրջ 35% -ը:
Այս ամենը հասարակության համար առաջացնում է մի շարք լուրջ խնդիրներ: Heatերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացման ամենակարևոր խնդրի հետ մեկտեղ պահանջվում է իրականացնել շրջակա միջավայրի պաշտպանության մի շարք միջոցառումներ: Անհրաժեշտ է բարձրացնել կառուցվածքների արդյունավետությունը, որոնք կանխում են վնասակար նյութերի արտանետումը մթնոլորտ. ավտոմեքենաների շարժիչներում վառելիքի ավելի ամբողջական այրման հասնելու համար: Արդեն հիմա արտանետվող գազերում բարձր CO պարունակությամբ մեքենաներին չի թույլատրվում աշխատել: Քննարկվում են էլեկտրական տրանսպորտային միջոցներ ստեղծելու հնարավորությունը, որոնք կարող են մրցակցել սովորական տրանսպորտային միջոցների հետ և արտանետվող գազերում առանց վնասակար նյութերի վառելիք օգտագործելու հնարավորությունը, օրինակ `թթվածնի և ջրածնի խառնուրդի վրա աշխատող շարժիչներում:
Տիեզերքը և ջրային ռեսուրսները խնայելու համար նպատակահարմար է կառուցել էլեկտրակայանների ամբողջական համալիրներ, առաջին հերթին միջուկային, փակ ջրամատակարարման ցիկլով:
Ձեռնարկված ջանքերի մեկ այլ ուղղություն է էներգիայի օգտագործման արդյունավետության բարձրացումը, դրա խնայողության համար պայքարելը:
Վերոնշյալ խնդիրների լուծումը կենսական նշանակություն ունի մարդկության համար: Եվ այս խնդիրները առավելագույն հաջողությամբ կարող են
լուծվեն ազգային մասշտաբով պլանային տնտեսական զարգացում ունեցող սոցիալիստական \u200b\u200bհասարակությունում: Բայց շրջակա միջավայրի պահպանության կազմակերպումը պահանջում է համաշխարհային ջանք:
1. Ո՞ր գործընթացներն են անվանում անշրջելի: 2. Որո՞նք են առավել բնորոշ անդառնալի գործընթացները: 3. Տե՛ս տեքստի մեջ չնշված անշրջելի գործընթացների օրինակներ: 4. Ձեւակերպեք թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը: 5. Եթե գետերը հետ հոսեին, արդյո՞ք էներգիայի խնայողության օրենքի այս խախտումը կնշանակեր: 6. Ո՞ր սարքն է կոչվում ջերմային շարժիչ: 7. Ի՞նչ դեր ունի ջեռուցիչը, սառնարանը և ջերմային շարժիչի աշխատանքային միջավայրը: 8. Ինչո՞ւ ջերմային շարժիչները չեն կարող օվկիանոսի ներքին էներգիան օգտագործել որպես էներգիայի աղբյուր: 9. Ի՞նչ է կոչվում ջերմային շարժիչի արդյունավետություն:
10. Ո՞րն է ջերմային շարժիչի արդյունավետության առավելագույն հնարավոր արժեքը:
\u003e\u003e Ֆիզիկա. Ջերմային շարժիչների աշխատանքի սկզբունքը: Heatերմային շարժիչների կատարման (COP) գործակիցը
Երկրի ընդերքում և օվկիանոսներում ներքին էներգիայի պաշարները գործնականում կարող են համարվել անսահմանափակ: Բայց գործնական խնդիրներ լուծելու համար էներգիայի պաշարներ ունենալը բավարար չէ: Անհրաժեշտ է նաև էներգիա օգտագործել գործարաններում և գործարաններում շարժիչ հաստոցներ գործադրելու համար, տրանսպորտային միջոցներ, տրակտորներ և այլ մեքենաներ, պտտել էլեկտրական հոսանքի գեներատորների ռոտորները և այլն: Մարդկությանը անհրաժեշտ են շարժիչներ `աշխատանք կատարելու ունակ սարքեր: Երկրի վրա գտնվող շարժիչների մեծ մասը կան ջերմային շարժիչներ... Atերմային շարժիչները սարքեր են, որոնք վառելիքի ներքին էներգիան վերածում են մեխանիկական էներգիայի:
Heatերմային շարժիչների շահագործման սկզբունքները:Որպեսզի շարժիչը գործի, շարժիչի մխոցի կամ տուրբինի շեղբերների երկու կողմերում էլ պահանջվում է ճնշման տարբերություն: Բոլոր ջերմային շարժիչներում ճնշման այս տարբերությունը հասնում է աշխատանքային հեղուկի (գազի) ջերմաստիճանը հարյուրավոր կամ հազարավոր աստիճաններով բարձրացնելով `շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի համեմատ: Այս ջերմաստիճանի բարձրացումը տեղի է ունենում վառելիքի այրման ժամանակ:
Շարժիչի հիմնական մասերից մեկը շարժական մխոցով գազով լցված անոթ է: Բոլոր ջերմային շարժիչների աշխատանքային հեղուկը գազ է, որն աշխատանք է կատարում ընդլայնման ժամանակ: Եկեք նշենք աշխատանքային հեղուկի (գազի) նախնական ջերմաստիճանը Տ 1 Գոլորշի տուրբիններում կամ մեքենաներում այս ջերմաստիճանը ձեռք է բերվում գոլորշու կաթսայում գոլորշու միջոցով: Ներքին այրման շարժիչներում և գազային տուրբիններում ջերմաստիճանի բարձրացումը տեղի է ունենում այն \u200b\u200bժամանակ, երբ վառելիքն այրվում է հենց շարժիչի ներսում: Երմաստիճանը Տ 1 ջեռուցիչի ջերմաստիճանը »:
Սառնարանի դերը:Աշխատանքի ավարտին գազը կորցնում է էներգիան և անխուսափելիորեն սառչում է մինչև որոշակի ջերմաստիճան: Տ 2, որը սովորաբար մի փոքր ավելի բարձր է, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Նրանք նրան կանչում են սառնարանային ջերմաստիճան... Սառնարանը մթնոլորտ է կամ հատուկ սարքեր թափոնների գոլորշու հովացման և խտացման համար - կոնդենսատորներ... Վերջին դեպքում, սառնարանային ջերմաստիճանը կարող է մի փոքր ցածր լինել, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը:
Այսպիսով, շարժիչում ընդլայնման ընթացքում աշխատանքային հեղուկը չի կարող իր ամբողջ ներքին էներգիան նվիրել աշխատանքի կատարմանը: Theերմության մի մասը անխուսափելիորեն տեղափոխվում է սառնարան (մթնոլորտ) ներքին այրման շարժիչներից և գազային տուրբիններից արտանետվող գոլորշու կամ արտանետվող գազերի հետ միասին: Ներքին էներգիայի այս մասը կորչում է:
Theերմային շարժիչը աշխատանք է կատարում աշխատանքային հեղուկի ներքին էներգիայի շնորհիվ: Ավելին, այս գործընթացում ջերմությունը փոխանցվում է ավելի տաք մարմիններից (տաքացուցիչ) ավելի սառը (սառնարան):
Heatերմային շարժիչի սխեմատիկ դիագրամը ներկայացված է Նկար 13.11-ում:
Շարժիչի աշխատանքային մարմինը վառելիքի այրման ընթացքում ստանում է ջեռուցիչից ջերմության քանակ Հ 1աշխատանք կատարելը Ա´ և ջերմության քանակը փոխանցում է սառնարան Q 2 .
Aերմային շարժիչի կատարման (COP) գործակիցը.Գազի ներքին էներգիայի ամբողջական վերափոխման անհնարինությունը ջերմային շարժիչների շահագործման պատճառը բնության մեջ գործընթացների անշրջելիությունն է: Եթե \u200b\u200bջերմությունը կարող էր ինքնաբերաբար վերադառնալ սառնարանից դեպի վառարան, ապա ներքին էներգիան կարող էր ամբողջությամբ վերածվել օգտակար աշխատանքի ՝ օգտագործելով ցանկացած ջերմային շարժիչ:
Էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն, շարժիչի կատարած աշխատանքը հավասար է.
Որտեղ Հ 1 տաքացուցիչից ստացված ջերմության քանակն է, և Q 2 - սառնարանին տրված ջերմության քանակը:
Aերմային շարժիչի կատարման (COP) գործակիցըզանգահարել աշխատանքային վերաբերմունք Ա´շարժիչի կողմից արտադրված `տաքացուցիչից ստացված ջերմության չափով.
Քանի որ բոլոր շարժիչները որոշ ջերմություն են տեղափոխում սառնարան, η<1.
Aերմային շարժիչի արդյունավետությունը համամասնական է ջեռուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանի տարբերությանը: Երբ T 1 -T 2\u003d 0 շարժիչը չի կարող աշխատել:
Heatերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետությունը: Thermերմոդինամիկայի օրենքները հնարավորություն են տալիս հաշվարկել ջերմատաքացուցիչի հետ աշխատող ջերմային շարժիչի առավելագույն արդյունավետությունը ջերմաստիճանում Տ 1, և սառնարան ՝ ջերմաստիճանով Տ 2... Առաջին անգամ դա արեց ֆրանսիացի ինժեներ և գիտնական Սադի Կարնոն (1796-1832) «Իրադարձություններ կրակի շարժիչ ուժի և այդ ուժերը զարգացնելու ունակ մեքենաների մասին» աշխատության մեջ (1824):
Carnot- ը իդեալական ջերմային շարժիչով հանդես եկավ իդեալական գազով `որպես աշխատանքային հեղուկ: Carnot- ի իդեալական ջերմային շարժիչը գործում է ցիկլի վրա, որը բաղկացած է երկու իզոտերմերից և երկու ադիաբատներից: Նախ, գազով նավը շփվում է ջեռուցիչի հետ, գազը ընդարձակվում է իզոթերմորեն `կատարելով դրական աշխատանք, ջերմաստիճանում T 1, մինչ նա ստանում է ջերմության քանակը Հ 1.
Հետո նավը ջերմամեկուսացված է, գազը շարունակում է ընդլայնել adiabatically, մինչդեռ դրա ջերմաստիճանը իջնում \u200b\u200bէ սառնարան Տ 2... Դրանից հետո գազը շփվում է սառնարանի հետ, իզոթերմային սեղմման ընթացքում այն \u200b\u200bսառնարանին տալիս է ջերմության քանակ: Q 2պայմանագրային ծավալով V 4
Կարնոն այս մեքենայի արդյունավետության համար ստացել է հետևյալ արտահայտությունը.
Ինչպես կարող եք ակնկալել, Carnot մեքենայի արդյունավետությունը ուղիղ համեմատական \u200b\u200bէ ջեռուցիչի և սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանի տարբերությանը:
Այս բանաձևի հիմնական իմաստն այն է, որ ցանկացած իրական ջերմային մեքենա, որը գործում է ջերմաստիճանի վառարանով T 1, և սառնարան ՝ ջերմաստիճանով Տ 2, չի կարող ունենալ արդյունավետություն, որը գերազանցում է իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:
Բանաձեւը (13.19) տալիս է ջերմային շարժիչների արդյունավետության առավելագույն արժեքի տեսական սահման: Դա ցույց է տալիս, որ որքան բարձր է ջեռուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանը, այնքան ավելի արդյունավետ է ջերմային շարժիչը: Միայն սառնարանային ջերմաստիճանում, որը հավասար է բացարձակ զրոյի, η
=1.
Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող ցածր լինել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից: Կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն, կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ ջեռուցվում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները, և բավականաչափ բարձր ջերմաստիճանում հալվում է:
Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը `դրանց մասերի շփման նվազեցմամբ, թերի այրման պատճառով վառելիքի կորուստներով և այլն: Արդյունավետության բարձրացման իրական հնարավորություններն այստեղ դեռ մեծ են: Այսպիսով, գոլորշու տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանը մոտավորապես հետևյալն է. Տ 1800 Կ և Տ 2Temperatures300 K. Այս ջերմաստիճաններում արդյունավետության առավելագույն արժեքն է.
Heatերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացումը և դրանք հնարավորինս առավելագույնի հասցնելը ամենակարևոր տեխնիկական խնդիրն է:
Heերմային շարժիչները կատարում են աշխատանքը մխոցների կամ տուրբինի շեղբերների մակերեսների վրա գազի ճնշման տարբերության պատճառով: Այս ճնշման տարբերությունը գոյանում է ջերմաստիճանի տարբերությունից: Հնարավոր առավելագույն արդյունավետությունը համաչափ է այս ջերմաստիճանի տարբերությանը և հակադարձ համեմատական \u200b\u200bէ ջեռուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանին:
Heatերմային շարժիչը չի կարող գործել առանց սառնարանի, որը սովորաբար մթնոլորտն է:
???
1. Ո՞ր սարքն է կոչվում ջերմային շարժիչ:
2. Ի՞նչ դեր ունի ջեռուցիչը, սառնարանը և աշխատանքային հեղուկը ջերմային շարժիչի մեջ:
3. Ի՞նչ է կոչվում շարժիչի արդյունավետություն:
4. Ո՞րն է ջերմային շարժիչի արդյունավետության առավելագույն արժեքը:
G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev, N.N. Sotsky, Ֆիզիկայի դասարան 10
Դասի բովանդակությունը դասի ուրվագիծ աջակցություն շրջանակի դասի ներկայացման արագացման մեթոդների ինտերակտիվ տեխնոլոգիաներ Պրակտիկա առաջադրանքներ և վարժություններ ինքնաքննության սեմինարներ, դասընթացներ, դեպքեր, որոնումներ տնային առաջադրանքների քննարկում ուսանողների հռետորական հարցեր Պատկերազարդումներ աուդիո, տեսահոլովակներ և մուլտիմեդիա լուսանկարներ, նկարների գծապատկերներ, սեղաններ, սխեմաների հումոր, կատակներ, զվարճանք, կոմիքսների առակներ, ասացվածքներ, խաչբառեր, մեջբերումներ Լրացումներ ամփոփագրեր հոդվածներ չիպսեր հետաքրքրաշարժ խաբեության թերթիկների դասագրքեր հիմնական և լրացուցիչ բառապաշար այլ բառերի համար Դասագրքերի և դասերի կատարելագործում ձեռնարկի սխալների շտկումներ Դասագրքում դասի մեջ նորարարության տարրերի մի հատվածի թարմացում ՝ հնացած գիտելիքները նորերով փոխարինելով Միայն ուսուցիչների համար կատարյալ դասեր քննարկման ծրագրի տարվա մեթոդական առաջարկների օրացուցային պլան Ինտեգրված դասերԵթե \u200b\u200bայս դասի վերաբերյալ ունեք ուղղումներ կամ առաջարկներ,
Բեռնվում է ...