Fluidul de lucru, care primește o anumită cantitate de căldură Q 1 de la încălzitor, dă o parte din această cantitate de căldură, modul | Q2 |, la frigider. Prin urmare, munca depusă nu poate fi mai mare A \u003d Q 1- | Q 2 |.Se numește raportul acestei lucrări cu cantitatea de căldură primită de gazul în expansiune de la încălzitor coeficient acțiune utilă mașină de încălzit:
Eficiența unui motor termic care funcționează într-un ciclu închis este întotdeauna mai mică decât una. Sarcina ingineriei energiei termice este de a face eficiența cât mai mare posibil, adică de a folosi cât mai multă căldură primită de la încălzitor pentru lucru. Cum se poate realiza acest lucru?
Pentru prima dată, cel mai perfect proces ciclic, format din izoterme și adiabate, a fost propus de fizicianul și inginerul francez S. Carnot în 1824.
Ciclul Carnot.
Să presupunem că gazul se află într-un cilindru, ale cărui pereți și piston sunt din material termoizolant, iar fundul este dintr-un material cu conductivitate termică ridicată. Volumul ocupat de gaz este V 1.
Figura 2
Vom aduce cilindrul în contact cu încălzitorul (Figura 2) și vom permite gazului să se extindă izoterm și să efectueze lucrări . În același timp, gazul primește puțină căldură de la încălzitor. Q 1.Acest proces este reprezentat grafic de o izotermă (curbă AB).
Figura 3
Când volumul de gaz devine egal cu o anumită valoare V 1 '< V 2 ,
fundul cilindrului este izolat de încălzitor ,
după aceea gazul se extinde adiabatic la un volum V 2,corespunzând cursei maxime posibile a pistonului în cilindru (adiabat Soare). În acest caz, gazul este răcit la o temperatură T 2< T 1 .
Gazul răcit poate fi acum comprimat izoterm la o temperatură T2.Pentru a face acest lucru, trebuie să fie pus în contact cu un corp care are aceeași temperatură T 2,adică cu frigider ,
și comprimați gazul cu o forță externă. Cu toate acestea, în acest proces, gazul nu va reveni la starea inițială - temperatura acestuia va fi întotdeauna mai mică decât T 1.
Prin urmare, compresia izotermă este adusă la un anumit volum intermediar V 2 '\u003e V 1(izotermă CD). În acest caz, gazul emană o anumită cantitate de căldură la frigider. Q 2,egală cu munca de compresie efectuată asupra acestuia. După aceea, gazul este comprimat adiabatic la un volum V 1,în timp ce temperatura acestuia crește la T 1(adiabat DA). Acum, gazul a revenit la starea inițială, în care volumul său este egal cu V 1, temperatura este T 1,presiune - p 1, iar ciclul poate fi repetat din nou.
Deci, pe site ABCgazul funcționează (A\u003e 0), și pe site CDAse lucrează la gaz (ȘI< 0).
Pe site-uri Soareși ANUNȚmunca se face numai prin schimbarea energiei interne a gazului. De la schimbarea energiei interne UBC \u003d - UDA, atunci munca pentru procesele adiabatice este egală: ABC \u003d –ADA.În consecință, lucrarea totală efectuată pe ciclu este determinată de diferența dintre munca efectuată în timpul proceselor izoterme (secțiuni AB și CD). Numeric, această lucrare este egală cu aria figurii mărginită de curba ciclului ABCD.
Doar o parte din cantitatea de căldură este de fapt transformată în muncă utilă. QT,primit de la încălzitor, egal cu QT 1 - | QT 2 |.Deci, în ciclul Carnot, lucru util A \u003d QT 1- | QT 2 |.
Eficiența maximă a unui ciclu ideal, așa cum arată S. Carnot, poate fi exprimată în termeni de temperatură a încălzitorului (T 1) și frigider (T 2):
În motoarele reale, nu este posibil să se efectueze un ciclu constând din procese izoterme și adiabatice ideale. Prin urmare, eficiența ciclului efectuat în motoare reale este întotdeauna mai mică decât eficiența ciclului Carnot (la aceleași temperaturi ale încălzitoarelor și frigiderelor):
Formula arată că cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și cu cât temperatura frigiderului este mai scăzută, cu atât este mai mare eficiența motoarelor.
| Carnot Nicola Leonard Sadi (1796-1832) - un inginer și fizician francez talentat, unul dintre fondatorii termodinamicii. În lucrarea sa „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță” (1824), el a arătat mai întâi că motoarele termice pot funcționa numai în timpul tranziției căldurii de la un corp fierbinte la unul rece. Carnot a inventat un motor termic ideal, a calculat eficiența unei mașini ideale și a dovedit că acest coeficient este maximul posibil pentru orice real motor termic. |  | ||
Ca un ajutor pentru cercetarea sa, Carnot a inventat (pe hârtie) în 1824 un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Rolul important al motorului Carnot rezidă nu numai în posibila sa aplicare practică, ci și în faptul că face posibilă explicarea principiilor de funcționare a motoarelor termice în general; nu mai puțin important este faptul că Carnot, cu ajutorul motorului său, a reușit să aducă o contribuție semnificativă la fundamentarea și înțelegerea celei de-a doua legi a termodinamicii. Toate procesele din mașina Carnot sunt considerate echilibru (reversibil). Un proces reversibil este un proces care se desfășoară atât de încet încât poate fi considerat o tranziție secvențială de la o stare de echilibru la alta, etc. (Rețineți că toate procesele reale sunt ireversibile) Un proces sau ciclu circular este efectuat în mașină, în care sistemul după o serie de transformări revine la starea sa inițială. Ciclul Carnot este format din două izoterme și două adiabate. Curbele A - B și C - D sunt izoterme, iar curbele B - C și D - A sunt adiabate. În primul rând, gazul se extinde izoterm la o temperatură T1. În același timp, primește cantitatea de căldură Q 1 de la încălzitor. Apoi se extinde adiabatic și nu schimbă căldura cu corpurile înconjurătoare. Aceasta este urmată de compresia izotermă a gazului la temperatura T 2. În acest proces, gazul emană cantitatea de căldură Q 2 către frigider. În cele din urmă, gazul este comprimat adiabatic și revine la starea inițială. În timpul expansiunii izoterme, gazul efectuează lucrarea A "1\u003e 0, egală cu cantitatea de căldură Q 1. Cu expansiunea adiabatică B - C, lucrarea pozitivă A" 3 este egală cu scăderea energiei interne atunci când gazul este răcit de la temperatura T 1 la temperatura T 2: A "3 \u003d - dU 1.2 \u003d U (T 1) -U (T 2) .Compresia izotermă la temperatura T 2 necesită lucru A 2 pe gaz. Gazul face, respectiv, lucru negativ A "2 \u003d -A 2 \u003d Q 2. În cele din urmă, compresia adiabatică necesită lucrul A 4 \u003d dU 2.1 pe gaz. Activitatea gazului în sine A "4 \u003d -A 4 \u003d -dU 2.1 \u003d U (T 2) -U (T 1). Prin urmare, activitatea totală a gazului în două procese adiabatice este zero. În timpul ciclului, gazul funcționează A" \u003d A "1 + A "2 \u003d Q 1 + Q 2 \u003d | Q 1 | - | Q 2 |. Această lucrare este numerică egală cu aria figurii delimitate de curba ciclului. Pentru a calcula eficiența, este necesar să se calculeze lucrarea în timpul proceselor izoterme A - B și C - D. Calculele conduc la următorul rezultat:  (2) Eficiența motorului termic Carnot este egală cu raportul dintre diferența dintre temperaturile absolute ale încălzitorului și frigiderul la temperatura absolută a încălzitorului. Principala semnificație a formulei (2) obținută de Carnot pentru eficiența unei mașini ideale este că determină eficiența maximă posibilă a oricărui motor termic. Carnot a dovedit următoarea teoremă: orice reală motor termiclucrul cu un încălzitor cu temperatura T 1 și un frigider cu temperatura T 2 nu poate avea o eficiență care să depășească eficiența unui motor termic ideal. Eficiența motoarelor termice reale Formula (2) oferă limita teoretică pentru valoarea maximă Eficiență termică motoare. Arată că, cu cât motorul termic este mai eficient, cu atât temperatura încălzitorului este mai mare și temperatura frigiderului este mai scăzută. Doar la temperatura frigiderului egală cu zero absolut, eficiența este de 1. La motoarele termice reale, procesele se desfășoară atât de repede încât scăderea și creșterea energiei interne a substanței de lucru cu o modificare a volumului acesteia nu au timp să fie compensate de fluxul de energie de la încălzitor și de transferul de energie la frigider. Prin urmare, procesele izoterme nu pot fi realizate. Același lucru se aplică proceselor strict adiabatice, deoarece nu există izolatori termici ideali în natură. Ciclurile efectuate în motoarele termice reale constau din doi izocori și doi adiabat (în ciclul Otto), din doi adiabat, izobar și izochori (în ciclul Diesel), din doi adiabat și doi izobari (într-o turbină cu gaz) etc. În acest caz, unul ar trebui să aibă ceea ce înseamnă că aceste cicluri pot fi ideale, precum și ciclul Carnot. Dar pentru aceasta este necesar ca temperaturile încălzitorului și ale frigiderului să nu fie constante, ca în ciclul Carnot, ci să se schimbe în același mod în care temperatura substanței de lucru se schimbă în procesele de încălzire și răcire izocorică. Cu alte cuvinte, substanța de lucru trebuie să fie în contact cu un număr infinit de mari de încălzitoare și frigidere - numai în acest caz va exista transfer de căldură în echilibru pe izocori. Desigur, în ciclurile motoarelor termice reale, procesele sunt neechilibrate, drept urmare eficiența motoarelor termice reale la același interval de temperatură este mult mai mică decât eficiența ciclului Carnot. În același timp, expresia (2) joacă un rol imens în termodinamică și este un fel de „far” care indică modalități de a crește eficiența motoarelor termice reale. |
|||
 | În ciclul Otto, mai întâi, amestecul de lucru 1-2 este aspirat în cilindru, apoi 2-3 comprimări adiabatice și după arderea izocorică a acestuia 3-4, însoțită de o creștere a temperaturii și presiunii produselor de ardere, are loc expansiunea lor adiabatică 4-5, apoi scăderea de presiune izocorică 5 -2 și expulzarea izobarică a gazelor de eșapament de către pistonul 2-1. Deoarece nu se efectuează lucrări pe izochore, iar munca în timpul aspirației amestecului de lucru și a expulzării gazelor de eșapament este egală și opusă în semn, lucrarea utilă într-un ciclu este egală cu diferența dintre lucrarea pe adiabatele de expansiune și compresie și este reprezentată grafic de zona ciclului. | ||
| Comparând eficiența unui motor termic real cu eficiența ciclului Carnot, trebuie remarcat faptul că în expresia (2) temperatura T 2 în cazuri excepționale poate coincide cu temperatura mediului ambiant, pe care o luăm pentru un frigider, în cazul general, aceasta depășind temperatura mediului. Deci, de exemplu, în motoare combustie interna T 2 ar trebui înțeles ca temperatura gazelor de eșapament, nu temperatura mediului în care este produsă evacuarea. | |||
 | Figura arată ciclul unui motor cu combustie internă în patru timpi cu combustie izobarică (ciclu Diesel). Spre deosebire de ciclul anterior, acesta este absorbit în secțiunea 1-2. aerul atmosferic, care este supus la compresie adiabatică în secțiunea 2-3 la 3 10 6 -3 10 5 Pa. Combustibilul lichid injectat se aprinde într-un mediu puternic comprimat, ceea ce înseamnă aer încălzit și arde 3-4 izobar, și apoi are loc expansiunea adiabatică a produselor de ardere 4-5. Restul proceselor 5-2 și 2-1 se desfășoară în același mod ca și în ciclul anterior. Trebuie reamintit faptul că la motoarele cu ardere internă ciclurile sunt închise condiționat, deoarece înainte de fiecare ciclu cilindrul este umplut cu o anumită masă a substanței de lucru, care este aruncată din cilindru la sfârșitul ciclului. | ||
Dar temperatura frigiderului practic nu poate fi mult mai mică decât temperatura ambiantă. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (solid) are rezistență la căldură limitată sau rezistență la căldură. Când este încălzit, își pierde treptat proprietățile elastice și se topește la o temperatură suficient de ridicată. Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea fricțiunii pieselor lor, pierderile de combustibil datorate arderii incomplete, etc. Posibilitățile reale de creștere a eficienței sunt încă mari aici. Deci, pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ după cum urmează: T 1 \u003d 800 K și T 2 \u003d 300 K. La aceste temperaturi, valoarea maximă a eficienței este:  Valoarea efectivă a eficienței datorată diferitelor tipuri de pierderi de energie este de aproximativ 40%. Eficiență maximă - aproximativ 44% au motoare cu ardere internă. Eficiența oricărui motor termic nu poate depăși valoarea maximă posibilă  unde T 1 este temperatura absolută a încălzitorului și T 2 este temperatura absolută a frigiderului. Creșterea eficienței motoarelor termice și apropierea acestuia la maxim posibil este cea mai importantă problemă tehnică. |
Inegalitatea lui Clausius
(1854): Cantitatea de căldură primită de sistem în orice proces circular, împărțită la temperatura absolută la care a fost primit ( dat cantitatea de căldură) nu este pozitivă.
Cantitatea de căldură furnizată cvasi-static obținut de sistem nu depinde de calea de tranziție (este determinată doar de stările inițiale și finale ale sistemului) - pentru cvasistatică procese Inegalitatea lui Clausius se transformă în egalitate .
Entropia, funcția de stare S sistem termodinamic, a cărui schimbare dS pentru o modificare reversibilă infinit de mică a stării sistemului este egală cu raportul dintre cantitatea de căldură primită de sistem în acest proces (sau luată din sistem) la temperatura absolută T:
Cantitatea dSeste un diferențial total, adică integrarea sa de-a lungul oricărei căi alese în mod arbitrar dă diferența dintre valori entropie în stările inițiale (A) și finale (B):
Căldura nu este o funcție a stării; prin urmare, integralul lui dependsQ depinde de calea de tranziție aleasă între stările A și B. Entropie măsurată în J / (mol · deg).
Concept entropie ca o funcție a stării sistemului este postulată a doua lege a termodinamicii, care exprimă prin entropie diferență între procese ireversibile și reversibile... Pentru primul dS\u003e δQ / T pentru al doilea dS \u003d δQ / T.
Entropia ca funcție energie interna U sistemul, volumul V și numărul de alunițe n i iComponenta a treia este o funcție caracteristică (vezi. Potențiale termodinamice). Aceasta este o consecință a primului și celui de-al doilea principiu al termodinamicii și este scrisă prin ecuația:
unde r - presiune, μ i - potențial chimic eua treia componentă. Derivate entropie pe variabile naturale U, V și n i sunt egale:
Legătură cu formule simple entropie cu capacități de căldură la presiune constantă C p și volum constant CV:
Prin entropie condițiile pentru realizarea echilibrului termodinamic al sistemului sunt formulate cu constanța energiei sale interne, a volumului și a numărului de moli eu-a componentă (sistem izolat) și condiția de stabilitate pentru un astfel de echilibru:
Înseamnă că entropie un sistem izolat atinge maximul într-o stare de echilibru termodinamic. Procesele spontane din sistem pot continua doar în direcția creșterii entropie.
Entropia aparține unui grup de funcții termodinamice numite funcții Massier-Planck. Alte funcții aparținând acestui grup - funcția Massier F 1 = S - (1 / T) U și funcția Planck Ф 2 \u003d S - (1 / T) U - (p / T) V, poate fi obținut prin aplicarea transformării Legendre la entropie.
Conform celei de-a treia legi a termodinamicii (vezi. Teorema termică ), schimbarea entropie într-o reacție chimică reversibilă între substanțe în stare condensată tinde la zero la T→0:
Postulatul lui Planck (o formulare alternativă a teoremei termice) stabilește că entropie orice compus chimic în stare condensată la temperatura zero absolută este condiționat zero și poate fi luat ca punct de referință atunci când se determină valoarea absolută entropie substanțe la orice temperatură. Ecuațiile (1) și (2) determină entropie până la un termen constant.
În chimie termodinamica următoarele concepte sunt utilizate pe scară largă: standard entropie S 0, adică entropie la presiune r\u003d 1,01 · 10 5 Pa (1 atm); standard entropie reacție chimică adică diferența de standard entropieproduse și reactivi; molar parțial entropie component al unui sistem multicomponent.
Pentru a calcula echilibrele chimice, utilizați formula:
unde LA - constanta de echilibru, și - respectiv standard energia Gibbs, entalpia și entropia reacției; R -gas constant.
Definiția conceptului entropie pentru un sistem de neechilibru se bazează pe conceptul de echilibru termodinamic local. Echilibrul local implică îndeplinirea ecuației (3) pentru volume mici ale unui sistem de neechilibru ca întreg (a se vedea. Termodinamica proceselor ireversibile). În cazul proceselor ireversibile din sistem, producția (apariția) entropie... Diferențial complet entropie este definit în acest caz de inegalitatea Carnot-Clausius:
unde dS i\u003e0 - diferențial entropienu este legat de fluxul de căldură ci datorită producției entropiedatorită proceselor ireversibile din sistem ( difuzie. conductivitate termică, reacții chimice etc.). Producția locală entropie (t - timpul) este reprezentat ca o sumă de produse de forțe termodinamice generalizate X eu la fluxuri termodinamice generalizate J i:
Producție entropie datorită, de exemplu, difuziei componentei eu datorită forței și fluxului materiei J; producție entropie datorită unei reacții chimice - prin forță X \u003d A / TUnde ȘI-afinitate chimică și flux Jegală cu viteza de reacție. În termodinamica statistică entropie a unui sistem izolat este determinat de raportul: unde k - constanta Boltzmann... - greutatea termodinamică a stării, egală cu numărul stărilor cuantice posibile ale sistemului cu valori date de energie, volum, număr de particule. Starea de echilibru a sistemului corespunde egalității populațiilor stărilor cuantice unice (nedegenerate). Ascendent entropie în procesele ireversibile, este asociat cu stabilirea unei distribuții mai probabile a unei energii date a sistemului între subsisteme individuale. Definiție statistică generalizată entropie, care se aplică și sistemelor neizolate, se conectează entropie cu probabilitățile diferitelor microstate după cum urmează:
unde w i - probabilitate eustarea a.
Absolut entropie un compus chimic este determinat experimental, în principal prin metoda calorimetrică, pe baza raportului:
Utilizarea celui de-al doilea principiu vă permite să definiți entropie reacții chimice conform datelor experimentale (metoda forțelor electromotoare, metoda presiunii vaporilor etc.). Calcul posibil entropie compuși chimici prin metode de termodinamică statistică, bazate pe constante moleculare, greutatea moleculară, geometria moleculelor, frecvența vibrațiilor normale. Această abordare este realizată cu succes pentru gazele ideale. Pentru fazele condensate, calculul statistic oferă o precizie mult mai mică și se efectuează într-un număr limitat de cazuri; în ultimii ani, s-au înregistrat progrese semnificative în acest domeniu.
Teme ale codificatorului USE: principiile de funcționare a motoarelor termice, eficiența unui motor termic, motoarele termice și protecția mediului.
Pe scurt, mașini de încălzit transformă căldura în muncă sau, dimpotrivă, munca în căldură.
Motoarele termice sunt de două tipuri - în funcție de direcția proceselor care au loc în ele.
1. Motoare termice transformă căldura provenită dintr-o sursă externă în lucru mecanic.
2. Mașini frigorifice transferați căldura de la un corp mai puțin încălzit la unul mai încălzit datorită lucrului mecanic al unei surse externe.
Să luăm în considerare mai detaliat aceste tipuri de motoare termice.
Motoare termice
Știm că a lucra pe un corp este una dintre modalitățile de a-i schimba energia internă: lucrarea finalizată, ca să spunem așa, se dizolvă în corp, transformându-se în energia mișcării haotice și a interacțiunii particulelor sale.
Figura: 1. Motor termic
Un motor termic este un dispozitiv care, dimpotrivă, extrage lucrări utile din energia „haotică” internă a corpului. Invenția motorului termic a schimbat radical fața civilizației umane.
O diagramă schematică a unui motor termic poate fi descrisă după cum urmează (Fig. 1). Să înțelegem ce înseamnă elementele acestei diagrame.
Corpul de lucru motorul este pe gaz. Se extinde, deplasează pistonul și efectuează astfel lucrări mecanice utile.
Dar, pentru a forța expansiunea gazului, depășind forțele externe, este necesar să îl încălziți la o temperatură care este semnificativ mai mare decât temperatura ambiantă. Pentru aceasta, gazul este adus în contact cu încălzitor - arderea combustibilului.
În procesul de ardere a combustibilului, se eliberează energie semnificativă, o parte din care este utilizată pentru încălzirea gazului. Gazul primește cantitatea de căldură de la încălzitor. Din cauza acestei călduri, motorul face o muncă utilă.
Totul este clar. Ce este un frigider și de ce este nevoie?
Cu o singură expansiune de gaz, putem folosi căldura de intrare cât mai eficient posibil și o putem transforma în întregime în lucru. Pentru a face acest lucru, este necesar să se extindă gazul izoterm: prima lege a termodinamicii, așa cum știm, ne dă în acest caz.
Dar nimeni nu are nevoie de o expansiune unică. Motorul trebuie să funcționeze ciclic, asigurând repetabilitatea periodică a mișcărilor pistonului. Prin urmare, la sfârșitul expansiunii, gazul trebuie comprimat, readucându-l la starea inițială.
În procesul de expansiune, gazul face o muncă pozitivă. În procesul de comprimare, se efectuează lucrări pozitive asupra gazului (iar gazul în sine face lucrări negative). Ca rezultat, activitatea utilă a gazului pe ciclu:.
Desigur, trebuie să existe style \u003d "vertical-align: -20%;" class \u003d "tex" alt \u003d ""\u003e, sau (în caz contrar, nu are niciun punct în motor).
Comprimând gazul, trebuie să facem mai puțină muncă decât gazul la extindere.
Cum se poate realiza acest lucru? Răspunsul este să comprimați gazul la presiuni mai mici decât în \u200b\u200btimpul expansiunii. Cu alte cuvinte, procesul de compresie pe diagramă ar trebui să meargă de mai jos proces de expansiune, adică ciclul trebuie să treacă în sensul acelor de ceasornic (fig. 2).
Figura: 2. Ciclul motorului termic
De exemplu, în ciclul din figură, activitatea gazului în timpul expansiunii este egală cu aria trapezului curbat. În mod similar, activitatea unui gaz în compresie este egală cu aria unui trapez curbat cu semn minus. Ca rezultat, activitatea gazului pe ciclu este pozitivă și egală cu aria ciclului.
Bine, dar cum se face ca gazul să revină la starea inițială de-a lungul unei curbe inferioare, adică prin stări cu presiuni mai mici? Amintiți-vă că pentru un volum dat, cu cât temperatura este mai scăzută, cu atât este mai mică presiunea gazului. În consecință, când este comprimat, gazul trebuie să treacă prin stări cu temperaturi mai scăzute.
Tocmai pentru asta este un frigider: să misto gaz în proces de comprimare.
Frigiderul poate fi atmosfera (pentru motoarele cu ardere internă) sau apa curentă de răcire (pentru turbinele cu aburi). Când este răcit, gazul emană puțină căldură în frigider.
Cantitatea totală de căldură primită de gaz pe ciclu se dovedește a fi egală. Conform primei legi a termodinamicii:
unde este schimbarea energiei interne a gazului pe ciclu. Este egal cu zero: deoarece gazul a revenit la starea sa inițială (iar energia internă, după cum ne amintim, este funcția de stare). Ca rezultat, lucrul pe gaz pe ciclu este egal cu:
(1)
După cum puteți vedea: nu este posibil să transformați complet căldura care vine de la încălzitor în lucru. O parte din căldură trebuie administrată frigiderului pentru a asigura ciclicitatea procesului.
Un indicator al eficienței transformării energiei combustibilului de ardere în lucru mecanic este eficiența motorului termic.
Eficiența motorului termic este raportul de lucru mecanic la cantitatea de căldură primită de la încălzitor:
Ținând cont de relația (1), avem și
(2)
Eficiența unui motor termic, după cum putem vedea, este întotdeauna mai mică decât unitatea. De exemplu, eficiența turbinelor cu abur este de aproximativ, iar eficiența motoarelor cu ardere internă este de aproximativ.
Mașini frigorifice
Experiența de zi cu zi și experimentele fizice ne spun că în procesul schimbului de căldură, căldura este transferată dintr-un corp mai încălzit într-un corp mai puțin încălzit, dar nu și invers. Nu se observă niciodată procese în care, datorită transferului de căldură, energie spontan trece de la un corp rece la unul fierbinte, în urma căruia corpul rece s-ar răci și mai mult, iar corpul fierbinte s-ar încălzi și mai mult.
Figura: 3. Mașină frigorifică
Cuvântul cheie aici este „spontan”. Dacă utilizați o sursă externă de energie, atunci este foarte posibil să efectuați procesul de transfer al căldurii dintr-un corp rece în unul fierbinte. Așa fac frigiderele.
mașini.
În comparație cu un motor termic, procesele dintr-o mașină frigorifică au direcția opusă (Fig. 3).
Corpul de lucru aparatul frigorific se mai numește agent frigorific... Pentru simplitate, îl vom considera un gaz care absoarbe căldura în timpul expansiunii și se degajă în timpul comprimării (în instalațiile de refrigerare reale, un agent frigorific este o soluție volatilă cu un punct de fierbere scăzut, care preia căldură în timpul evaporării și degajă în timpul condensării).
Frigider într-o mașină frigorifică, acesta este un corp din care se îndepărtează căldura. Frigiderul transferă cantitatea de căldură la fluidul de lucru (gaz), în urma căruia gazul se extinde.
În timpul comprimării, gazul emană căldură unui corp mai cald - încălzitor... Pentru ca acest transfer de căldură să aibă loc, gazul trebuie comprimat la temperaturi mai ridicate decât era în timpul expansiunii. Acest lucru este posibil numai datorită muncii efectuate de o sursă externă (de exemplu, un motor electric (în unitățile de refrigerare reale, motorul electric creează o presiune scăzută în evaporator, drept urmare agentul frigorific fierbe și preia căldură; dimpotrivă, în condensator, motorul electric creează presiune ridicata, sub care agentul frigorific se condensează și degajă căldură)). Prin urmare, cantitatea de căldură transferată încălzitorului se dovedește a fi mai mare decât cantitatea de căldură luată de la frigider, doar prin cantitatea:
Astfel, pe diagrama -ciclul de funcționare al mașinii frigorifice merge antiorar... Zona ciclului este lucrarea efectuată de o sursă externă (Fig. 4).
Figura: 4. Ciclul răcitorului
Scopul principal al unei mașini frigorifice este de a răci un rezervor (de exemplu, un congelator). În acest caz, acest rezervor joacă rolul unui frigider, iar mediul servește ca încălzitor - căldura eliminată din rezervor este disipată în el.
Indicatorul eficienței mașinii frigorifice este coeficient de refrigerareegal cu raportul dintre căldura eliminată din frigider și activitatea unei surse externe:
Coeficientul de performanță poate fi mai mult de unul. În frigiderele reale, ia valori de la aproximativ 1 la 3.
Există o altă aplicație interesantă: răcitorul poate funcționa ca pompa de caldura... Apoi, scopul său este de a încălzi un anumit rezervor (de exemplu, încălzirea unei camere) din cauza căldurii îndepărtate din mediu. În acest caz, acest rezervor va fi încălzitorul și mediul va fi frigiderul.
Indicatorul eficienței pompei de căldură este coeficient de încălzireegal cu raportul dintre cantitatea de căldură transferată în rezervorul încălzit și activitatea unei surse externe:
Valorile coeficientului de încălzire ale pompelor de căldură reale sunt de obicei cuprinse între 3 și 5.
Mașină de încălzit Karnot
Caracteristicile importante ale unui motor termic sunt cele mai mari și mai mici valori ale temperaturii fluidului de lucru în timpul ciclului. Aceste valori sunt denumite în consecință temperatura încălzitorului și temperatura frigiderului.
Am văzut că eficiența unui motor termic este strict mai mică decât unitatea. Apare o întrebare firească: care este cea mai mare eficiență posibilă a unui motor termic cu valori fixe ale temperaturii încălzitorului și ale temperaturii frigiderului?
Fie, de exemplu, temperatura maximă a fluidului de lucru al motorului este egală, iar cea minimă -. Care este limita teoretică de eficiență pentru un astfel de motor?
Răspunsul la această întrebare a fost dat de fizicianul și inginerul francez Sadi Carnot în 1824.
El a inventat și a cercetat un minunat motor termic cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Această mașină funcționează ciclul Carnotformat din două izoterme și două adiabate.
Considera bucla directa Mașina Carnot merge în sensul acelor de ceasornic (fig. 5). În acest caz, mașina funcționează ca un motor termic.
Figura: 5. Ciclul Carnot
Izotermă ... La fața locului, gazul este adus în contact termic cu un încălzitor de temperatură și se extinde izoterm. Cantitatea de căldură este furnizată de încălzitor și se transformă complet în lucru în această zonă :.
Adiabat ... În scopul comprimării ulterioare, este necesar să se transfere gazul într-o zonă cu temperaturi mai scăzute. Pentru aceasta, gazul este izolat termic și apoi se extinde adiabatic la locul respectiv.
Când se extinde, gazul funcționează pozitiv și, din această cauză, energia sa internă scade:.
Izotermă ... Izolația termică este îndepărtată, gazul este adus în contact termic cu frigiderul cu temperatură. Se produce compresie izotermă. Gazul degajă cantitatea de căldură a frigiderului și funcționează negativ.
Adiabat ... Această secțiune este necesară pentru a readuce gazul în starea inițială. În timpul compresiei adiabatice, gazul efectuează o muncă negativă, iar schimbarea energiei interne este pozitivă :. Gazul este încălzit la temperatura inițială.
Karnot a găsit eficiența acestui ciclu (din păcate, calculele sunt în afara sferei curriculare școlare):
(3)
Mai mult, el a dovedit asta Eficiența ciclului Carnot este cea mai mare posibilă pentru toate motoarele termice cu temperatura încălzitorului și temperatura frigiderului .
Deci, în exemplul de mai sus avem:
Ce rost are utilizarea izotermelor și adiabatelor și nu a altor procese?
Se pare că procesele izoterme și adiabatice fac mașina Carnot reversibil... Poate fi condus de bucla inversa (în sens invers acelor de ceasornic) între același încălzitor și frigider fără a implica alte dispozitive. În acest caz, mașina Carnot va funcționa ca un răcitor.
Capacitatea de a rula o mașină Carnot în ambele direcții joacă un rol foarte important în termodinamică. De exemplu, acest fapt servește ca o legătură în dovada eficienței maxime a ciclului Carnot. Ne vom întoarce la acest lucru în următorul articol dedicat celei de-a doua legi a termodinamicii.
Motoare termice și protecția mediului
Motoarele termice provoacă daune grave mediului. Utilizarea lor pe scară largă duce la o serie de efecte negative.
Disiparea unei cantități uriașe de energie termică în atmosferă duce la o creștere a temperaturii planetei. Încălzirea climei amenință să se transforme în topirea ghețarilor și a catastrofelor catastrofale.
Acumularea de dioxid de carbon în atmosferă, care încetinește evacuarea radiației termice a Pământului în spațiu (efectul de seră), duce, de asemenea, la încălzirea climei.
Datorită concentrației mari de produse de ardere a combustibilului, situația mediului se deteriorează.
Acestea sunt probleme la nivelul întregii civilizații. Pentru a combate efectele dăunătoare ale funcționării motoarelor termice, este necesar să se mărească eficiența acestora, să se reducă emisiile de substanțe toxice, să se dezvolte noi tipuri de combustibil și să se utilizeze economic energia.
Eficiența motorului termic. Conform legii conservării energiei, munca efectuată de motor este egală cu:
unde este căldura primită de la încălzitor, este căldura dată frigiderului.
Eficiența unui motor termic este raportul dintre munca efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor:
Deoarece în toate motoarele o anumită cantitate de căldură este transferată în frigider, în toate cazurile
Eficiență maximă a motoarelor termice. Inginerul și omul de știință francez Sadi Carnot (1796 1832) în lucrarea sa „Reflecții asupra forței motrice a focului” (1824) și-a stabilit un obiectiv: să afle în ce condiții funcționarea unui motor termic va fi cea mai eficientă, adică în ce condiții motorul va avea randamentul maxim.
Carnot a venit cu un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. El a calculat eficiența acestei mașini care funcționează cu un încălzitor de temperatură și un frigider cu temperatură
Principala semnificație a acestei formule este, așa cum a demonstrat Carnot, bazându-se pe a doua lege a termodinamicii, că orice motor termic real care funcționează cu un încălzitor de temperatură și un frigider cu temperatură nu poate avea o eficiență care să depășească eficiența unui motor termic ideal.
Formula (4.18) oferă limita teoretică pentru valoarea maximă a eficienței motoarelor termice. Arată că cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și cu cât temperatura frigiderului este mai mică, cu atât este mai eficient motorul termic. Numai la o temperatură a frigiderului egală cu zero absolut,
Dar temperatura frigiderului practic nu poate fi mult mai mică decât temperatura ambiantă. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (solid) are rezistență la căldură limitată sau rezistență la căldură. Când este încălzit, își pierde treptat proprietățile elastice și se topește la o temperatură suficient de ridicată.
Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea fricțiunii pieselor lor, pierderile de combustibil datorate arderii incomplete, etc. Posibilitățile reale de creștere a eficienței sunt încă mari aici. Deci, pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ după cum urmează: La aceste temperaturi, eficiența maximă este:
Valoarea efectivă a eficienței datorată diferitelor tipuri de pierderi de energie este egală cu:
Creșterea eficienței motoarelor termice, apropierea acestuia la maxim posibil este cea mai importantă problemă tehnică.
Motoare termice și conservarea naturii. Utilizarea pe scară largă a motoarelor termice pentru a obține o energie convenabilă pentru utilizare în cea mai mare măsură, în comparație cu
toate celelalte tipuri de procese de producție sunt asociate cu impactul asupra mediului.
Conform celei de-a doua legi a termodinamicii, producția de energie electrică și mecanică, în principiu, nu poate fi realizată fără eliminarea unor cantități semnificative de căldură în mediu. Acest lucru nu poate decât să ducă la o creștere treptată a temperaturii medii pe Pământ. Acum, consumul de energie este de aproximativ 1010 kW. Când această putere atinge temperatura medie va crește considerabil (cu aproximativ un grad). O creștere suplimentară a temperaturii poate amenința topirea ghețarilor și o creștere catastrofală a nivelului mării.
Dar acest lucru nu epuizează consecințele negative ale utilizării motoarelor termice. Cuptoarele centralelor termice, motoarele cu combustie internă ale autoturismelor etc. emit permanent în atmosferă substanțe dăunătoare plantelor, animalelor și oamenilor: compuși de sulf (în timpul arderii cărbunelui), oxizi de azot, hidrocarburi, monoxid de carbon (CO) etc. Pericol special. în acest sens, sunt reprezentate mașinile, numărul cărora crește alarmant, iar curățarea gazelor de eșapament este dificilă. La centralele nucleare apare problema eliminării deșeurilor radioactive periculoase.
În plus, utilizarea turbinelor cu abur în centralele electrice necesită suprafețe mari pentru iazuri pentru răcirea aburului evacuat. Pe măsură ce crește capacitatea centralelor electrice, cererea de apă crește brusc. În 1980, în țara noastră pentru aceste scopuri, era nevoie de apă, adică aproximativ 35% din aprovizionarea cu apă pentru toate sectoarele economiei.
Toate acestea pun o serie de probleme serioase pentru societate. Împreună cu cea mai importantă sarcină de creștere a eficienței motoarelor termice, este necesar să se ia o serie de măsuri pentru protejarea mediului. Este necesar să se mărească eficiența structurilor care împiedică emisia de substanțe nocive în atmosferă; pentru a realiza o combustie mai completă a combustibilului în motoarele auto. Deja acum, mașinile cu un conținut ridicat de CO în gazele de eșapament nu au voie să funcționeze. Sunt discutate posibilitatea creării de vehicule electrice care pot concura cu vehiculele convenționale și posibilitatea utilizării combustibilului fără substanțe nocive în gazele de eșapament, de exemplu, la motoarele care funcționează pe un amestec de hidrogen cu oxigen.
Pentru a economisi spațiu și resurse de apă, este recomandabil să se construiască complexe întregi de centrale electrice, în primul rând nucleare, cu un ciclu închis de alimentare cu apă.
O altă direcție a eforturilor depuse este creșterea eficienței utilizării energiei, lupta pentru economisirea acesteia.
Soluția la problemele de mai sus este vitală pentru umanitate. Și aceste probleme cu succes maxim pot
să fie rezolvate într-o societate socialistă cu dezvoltare economică planificată la scară națională. Dar organizarea protecției mediului necesită un efort global.
1. Ce procese se numesc ireversibile? 2. Care sunt cele mai tipice procese ireversibile? 3. Dați exemple de procese ireversibile nemenționate în text. 4. Formulează a doua lege a termodinamicii. 5. Dacă râurile ar curge înapoi, ar însemna această încălcare a legii conservării energiei? 6. Ce dispozitiv se numește motor termic? 7. Care este rolul încălzitorului, frigiderului și mediului de lucru al unui motor termic? 8. De ce motoarele termice nu pot folosi energia internă a oceanului ca sursă de energie? 9. Ce se numește eficiența unui motor termic?
10. Care este valoarea maximă posibilă a randamentului motorului termic?
\u003e\u003e Fizică: Principiul de funcționare al motoarelor termice. Coeficientul de performanță (COP) al motoarelor termice
Rezervele de energie internă din scoarța terestră și oceane pot fi considerate practic nelimitate. Dar pentru rezolvarea problemelor practice, nu este suficient să aveți rezerve de energie. De asemenea, este necesar să puteți folosi energia pentru a pune în mișcare mașinile-unelte în fabrici și fabrici, mijloace de transport, tractoare și alte mașini, pentru a roti rotoarele generatoarelor de curent electric etc. Omenirea are nevoie de motoare - dispozitive capabile să facă treabă. Majoritatea motoarelor de pe Pământ sunt motoare termice... Motoarele termice sunt dispozitive care convertesc energia internă a unui combustibil în energie mecanică.
Principiile de funcționare a motoarelor termice.Pentru ca motorul să funcționeze, este necesară o diferență de presiune pe ambele părți ale pistonului motorului sau ale palelor turbinei. În toate motoarele termice, această diferență de presiune se realizează prin creșterea temperaturii fluidului de lucru (gaz) cu sute sau mii de grade în comparație cu temperatura ambiantă. Această creștere a temperaturii are loc atunci când combustibilul este ars.
Una dintre părțile principale ale motorului este un vas umplut cu gaz, cu un piston mobil. Fluidul de lucru pentru toate motoarele termice este gazul, care efectuează lucrări în timpul expansiunii. Să denotăm temperatura inițială a fluidului de lucru (gaz) prin T 1. Această temperatură în turbine sau mașini cu abur este dobândită de abur într-un cazan cu abur. În motoarele cu combustie internă și turbine cu gaz, creșterea temperaturii are loc atunci când combustibilul este ars în interiorul motorului. Temperatura T 1 temperatura încălzitorului. "
Rolul frigiderului.Pe măsură ce se lucrează, gazul pierde energie și inevitabil se răcește până la o anumită temperatură. T 2, care este de obicei puțin mai mare decât temperatura ambiantă. O sună temperatura frigiderului... Un frigider este o atmosferă sau dispozitive speciale pentru răcirea și condensarea aburului rezidual - condensatoare... În acest din urmă caz, temperatura frigiderului poate fi ușor mai mică decât temperatura ambiantă.
Astfel, în motor, fluidul de lucru în timpul expansiunii nu poate dedica toată energia sa internă performanței de lucru. O parte din căldură este inevitabil transferată în frigider (atmosferă) împreună cu aburul de evacuare sau gazele de eșapament de la motoarele cu ardere internă și turbine cu gaz. Această parte a energiei interne se pierde.
Motorul termic efectuează lucrări datorită energiei interne a fluidului de lucru. Mai mult, în acest proces, căldura este transferată de la corpurile mai calde (încălzitor) la cele mai reci (frigider).
O diagramă schematică a unui motor termic este prezentată în Figura 13.11.
Corpul de lucru al motorului primește cantitatea de căldură de la încălzitor în timpul arderii combustibilului Q 1lucrând A´ și transferă cantitatea de căldură în frigider Q 2 .
Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termicImposibilitatea conversiei complete a energiei interne a gazului în funcționarea motoarelor termice se datorează ireversibilității proceselor din natură. Dacă căldura s-ar putea întoarce spontan de la frigider la încălzitor, atunci energia internă ar putea fi complet transformată în muncă utilă folosind orice motor termic.
Conform legii conservării energiei, munca efectuată de motor este egală cu:
unde Q 1 este cantitatea de căldură primită de la încălzitor și Q 2 - cantitatea de căldură dată frigiderului.
Coeficientul de performanță (COP) al unui motor termicapelați la atitudine de lucru Aprodus de motor la cantitatea de căldură primită de la încălzitor:
Deoarece toate motoarele transferă o anumită căldură în frigider, η<1.
Eficiența unui motor termic este proporțională cu diferența de temperatură dintre încălzitor și frigider. Cand T 1 -T 2\u003d 0 motorul nu poate funcționa.
Eficiență maximă a motoarelor termice. Legile termodinamicii fac posibilă calcularea eficienței maxime posibile a unui motor termic care funcționează cu un încălzitor la o temperatură T 1și un frigider cu o temperatură T 2... Pentru prima dată, acest lucru a fost realizat de inginerul și omul de știință francez Sadi Carnot (1796-1832) în lucrarea sa „Reflecții asupra forței motrice a focului și a mașinilor capabile să dezvolte această forță” (1824).
Carnot a venit cu un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Motorul termic ideal al Carnot funcționează într-un ciclu format din două izoterme și două adiabate. În primul rând, un vas cu gaz este adus în contact cu un încălzitor, gazul se extinde izoterm, făcând lucruri pozitive, la o temperatură T 1, în timp ce primește cantitatea de căldură Q 1.
Apoi vasul este izolat, gazul continuă să se extindă adiabatic, în timp ce temperatura acestuia scade la temperatura frigiderului T 2... După aceea, gazul este adus în contact cu frigiderul, în timpul compresiei izoterme, conferă frigiderului cantitatea de căldură Q 2contractarea la volum V 4
Carnot a obținut următoarea expresie pentru eficiența acestei mașini:
Așa cum v-ați putea aștepta, eficiența mașinii Carnot este direct proporțională cu diferența de temperatură absolută dintre încălzitor și frigider.
Principala semnificație a acestei formule este că orice mașină de căldură reală funcționează cu un încălzitor cu o temperatură T 1, si frigider cu temperatura T 2, nu poate avea o eficiență care să depășească eficiența unui motor termic ideal.
Formula (13.19) oferă limita teoretică pentru valoarea maximă a eficienței motoarelor termice. Arată că cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și cu cât temperatura frigiderului este mai mică, cu atât este mai eficient motorul termic. Numai la o temperatură a frigiderului egală cu zero absolut, η
=1.
Dar temperatura frigiderului practic nu poate fi mai mică decât temperatura ambiantă. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (solid) are rezistență la căldură limitată sau rezistență la căldură. Când este încălzit, își pierde treptat proprietățile elastice și se topește la o temperatură suficient de ridicată.
Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea fricțiunii pieselor lor, pierderile de combustibil datorate arderii incomplete, etc. Posibilitățile reale de creștere a eficienței sunt încă mari aici. Deci, pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ după cum urmează: T 1≈800 K și T 2≈300 K. La aceste temperaturi, valoarea maximă a eficienței este:
Creșterea eficienței motoarelor termice și apropierea acestuia la maxim posibil este cea mai importantă problemă tehnică.
Motoarele termice efectuează lucrări datorită diferenței de presiune a gazului pe suprafețele pistoanelor sau ale palelor turbinei. Această diferență de presiune este generată de diferența de temperatură. Eficiența maximă posibilă este proporțională cu această diferență de temperatură și invers proporțională cu temperatura absolută a încălzitorului.
Un motor termic nu poate funcționa fără frigider, care este de obicei atmosfera.
???
1. Ce dispozitiv se numește motor termic?
2. Care este rolul încălzitorului, frigiderului și fluidului de lucru într-un motor termic?
3. Ce se numește eficiența motorului?
4. Care este valoarea maximă a eficienței motorului termic?
G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev, N. N. Sotsky, Fizica Clasa 10
Conținutul lecției schița lecției suport cadru prezentare lecție metode accelerative tehnologii interactive Practică sarcini și exerciții ateliere de auto-testare, instruiri, cazuri, căutări teme discuții întrebări retorice de la elevi Ilustrații audio, clipuri video și multimedia fotografii, diagrame de imagini, tabele, scheme de umor, glume, distracție, pilde de benzi desenate, zicale, cuvinte încrucișate, citate Suplimente rezumate articole sfaturi pentru fișele de trucuri curioase manuale de bază vocabular de bază și suplimentar al termenilor altele Îmbunătățirea manualelor și a lecțiilor remedieri de erori în tutorial actualizarea unui fragment din manual elemente de inovație în lecție înlocuind cunoștințele învechite cu altele noi Numai pentru profesori lecții perfecte plan calendaristic pentru anul recomandări metodologice ale programului de discuții Lecții integrateDacă aveți corecții sau sugestii pentru această lecție,
Se încarcă ...