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 muncii mecanice a 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-și 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. Invenţie motor 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 necesar?
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 timpul procesului 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 puteți 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, atunci 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.
Atmosfera poate servi ca frigider (pentru motoare combustie interna) sau apa curentă de răcire (pentru turbine 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 coeficientul acțiune utilă motor termic.
Eficiența motorului termic este raportul dintre lucrul mecanic și 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 mașina frigorifică este, de asemenea, numită 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), ca urmare a căreia gazul se extinde.
În timpul comprimării, gazul emană căldură unui corp mai cald - încălzitor... Pentru ca un astfel de transfer de căldură să aibă loc, gazul trebuie comprimat la temperaturi mai ridicate decât era în timpul expansiunii. Acest lucru este posibil doar 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, ca urmare a acestuia, 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 -diagramă, 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 un 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, de a încălzi o cameră) din cauza căldurii îndepărtate din mediu. În acest caz, acest rezervor va fi încălzitorul și mediul va fi frigiderul.
Un indicator al 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
Cele mai importante caracteristici 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 motor termic minunat cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Această mașină funcționează ciclul Carnotformat din două izoterme și două adiabate.
Considera ciclu direct 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 expandat 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.
Carnot 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.
Dispersia 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
Valoare maximă Eficiență termică motoare. 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 real motor termiclucrul cu un încălzitor de temperatură și un răcitor de temperatură nu poate avea o eficiență mai mare decât eficiența unui motor termic ideal.
Formula (4.18) oferă limita teoretică pentru valoarea maximă a eficienței motoarelor termice. Arată că, cu cât motorul termic este mai eficient, cu atât temperatura încălzitorului este mai mare și temperatura frigiderului este mai scăzută. Numai la temperatura 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 conducă 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, în 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, 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 a rezolva probleme 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... Frigiderul 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 termic.Imposibilitatea 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 pe 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 lucrări pozitive, la o temperatură T 1, în timp ce primește cantitatea de căldură Q 1.
Apoi vasul este izolat termic, 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, acesta conferă frigiderului cantitatea de căldură Q 2contractarea la volum V 4
Carnot a obținut următoarea expresie pentru eficiența acestei mașini:
Așa cum v-ați 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 temperatura 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 pentru creșterea 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-test, instruiri, cazuri, misiuni acasă teme de discuție 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 jetoane 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,
Activitatea multor tipuri de mașini este caracterizată de un indicator atât de important precum eficiența unui motor termic. În fiecare an, inginerii se străduiesc să creeze o tehnologie mai avansată, care, cu un consum mai mic de combustibil, ar da rezultatul maxim din utilizarea sa.
Dispozitiv pentru motor termic
Înainte de a înțelege ce este, trebuie să înțelegeți cum funcționează acest mecanism. Fără a cunoaște principiile acțiunii sale, este imposibil să aflăm esența acestui indicator. Un motor termic este un dispozitiv care funcționează utilizând energie internă. Orice motor termic care se transformă într-unul mecanic folosește dilatarea termică a substanțelor cu o creștere a temperaturii. În motoarele în stare solidă, este posibilă nu numai modificarea volumului de materie, ci și a formei corpului. Acțiunea unui astfel de motor este supusă legilor termodinamicii.
Principiul de funcționare
Pentru a înțelege modul în care funcționează un motor termic, este necesar să se ia în considerare elementele de bază ale designului său. Pentru ca dispozitivul să funcționeze, sunt necesare două corpuri: cald (încălzitor) și rece (frigider, răcitor). Principiul de funcționare a motoarelor termice (eficiența motoarelor termice) depinde de tipul acestora. Adesea, un condensator de abur acționează ca un frigider și orice tip de combustibil care arde într-un cuptor este un încălzitor. Eficiența unui motor termic ideal se găsește prin următoarea formulă:
Eficiență \u003d (încălzire - răcire) / încălzire. x 100%.
În același timp, eficiența unui motor real nu poate depăși niciodată valoarea obținută conform acestei formule. De asemenea, acest indicator nu va depăși niciodată valoarea de mai sus. Pentru a crește eficiența, cel mai adesea temperatura încălzitorului este crescută și temperatura frigiderului este scăzută. Ambele procese vor fi limitate de condițiile reale de funcționare ale echipamentului.
În timpul funcționării unui motor termic, se lucrează, deoarece gazul începe să piardă energie și se răcește la o anumită temperatură. Acesta din urmă se află de obicei la câteva grade deasupra atmosferei înconjurătoare. Aceasta este temperatura frigiderului. Un astfel de dispozitiv special este conceput pentru răcire, urmat de condensarea aburului de evacuare. Acolo unde sunt prezenți condensatori, temperatura frigiderului este uneori mai mică decât temperatura ambiantă.
Într-un motor termic, corpul, atunci când este încălzit și extins, nu este capabil să renunțe la toată energia sa internă pentru a lucra. O parte din căldură va fi transferată la frigider împreună cu sau abur. Această parte a termicului este inevitabil pierdută. În timpul arderii combustibilului, fluidul de lucru primește o anumită cantitate de căldură Q 1 de la încălzitor. În același timp, efectuează în continuare lucrarea A, în timpul căreia transferă o parte din energia termică la frigider: Q 2 Eficiența caracterizează eficiența unui motor în conversia și transmisia puterii. Acest indicator este adesea măsurat ca procent. Formula de eficiență: η * A / Qx100%, unde Q este energie consumată, A este lucru util. Pe baza legii conservării energiei, putem concluziona că eficiența va fi întotdeauna mai mică decât unitatea. Cu alte cuvinte, nu va exista niciodată o muncă mai utilă decât energia cheltuită pe ea. Eficiența motorului este raportul dintre munca utilă și energia furnizată de încălzitor. Poate fi reprezentat ca o astfel de formulă: η \u003d (Q 1 -Q 2) / Q 1, unde Q 1 este căldura primită de la încălzitor și Q 2 este dată frigiderului. Munca efectuată de un motor termic este calculată folosind următoarea formulă: A \u003d | Q H | - | Q X |, unde A este lucru, Q H este cantitatea de căldură primită de la încălzitor, Q X este cantitatea de căldură dată răcitorului. | Q H | - | Q X |) / | Q H | \u003d 1 - | Q X | / | Q H | Este egal cu raportul dintre lucrările efectuate de motor și cantitatea de căldură primită. O parte din energia termică se pierde în timpul acestui transfer. Eficiența maximă a unui motor termic este observată în dispozitivul Carnot. Acest lucru se datorează faptului că în acest sistem depinde doar de temperatura absolută a încălzitorului (Tn) și a răcitorului (Tx). Eficiența unui motor termic care funcționează este determinată de următoarea formulă: (Тн - Тх) / Тн \u003d - Тх - Тн. În zilele noastre, există multe tipuri de motoare termice care funcționează pe principii diferite și pe combustibili diferiți. Toți au propria lor eficiență. Acestea includ următoarele: Motor cu combustie internă (piston), care este un mecanism în care o parte din energia chimică a combustibilului de ardere este transformată în energie mecanică. Astfel de dispozitive pot fi gazoase și lichide. Se face distincția între motoarele în 2 și 4 timpi. Acestea pot avea un ciclu de funcționare continuu. Conform metodei de preparare a unui amestec de combustibil, astfel de motoare sunt carburator (cu formare de amestec extern) și motorină (cu intern). După tipuri de convertoare de energie, acestea sunt împărțite în piston, jet, turbină, combinate. Eficiența acestor mașini nu depășește 0,5. Un motor Stirling este un dispozitiv în care fluidul de lucru este situat într-un spațiu limitat. Este un fel de motor cu ardere externă. Principiul său de funcționare se bazează pe răcirea / încălzirea periodică a corpului cu primirea de energie datorită unei modificări a volumului său. Este unul dintre cele mai eficiente motoare. Motor cu turbină (rotativ) cu combustie externă. Astfel de instalații se găsesc cel mai adesea în centralele termice. Turbina (rotativă) ICE este utilizată la centralele termice în modul de vârf. Nu la fel de obișnuit ca alții. Motorul turbopropulsor, datorită șurubului, creează o parte din forță. Restul îl obține din gazele de eșapament. Designul său este un motor rotativ pe axul căruia este montată o elice de aer. Rachetă, turboreactor și care se împing datorită revenirii gazelor de eșapament. Motoarele în stare solidă utilizează un corp solid ca combustibil. Când lucrați, nu volumul său se schimbă, ci forma sa. La operarea echipamentului, se utilizează o diferență de temperatură extrem de mică. Este posibil să crești eficiența unui motor termic? Răspunsul trebuie căutat în termodinamică. Ea studiază transformările reciproce ale diferitelor tipuri de energie. S-a stabilit că este imposibil să se convertească toată energia termică disponibilă în electrică, mecanică etc. În același timp, conversia lor în energie termică are loc fără restricții. Acest lucru este posibil datorită faptului că natura energiei termice se bazează pe mișcarea dezordonată (haotică) a particulelor. Cu cât corpul se încălzește mai mult, cu atât moleculele sale constitutive se vor mișca mai repede. Mișcarea particulelor va deveni și mai neregulată. Odată cu aceasta, toată lumea știe că ordinea poate fi ușor transformată în haos, lucru foarte greu de comandat.Funcționarea motorului termic
Motorul Carnot
Legile termodinamicii au făcut posibilă calcularea randamentului maxim posibil. Pentru prima dată, acest indicator a fost calculat de omul de știință și inginer francez Sadi Carnot. A inventat un motor termic care funcționa pe gaz ideal. Funcționează într-un ciclu de 2 izoterme și 2 adiabate. Principiul funcționării sale este destul de simplu: un contact de încălzire este adus la vas cu gaz, ca urmare a cărui fluid de lucru se extinde izoterm. În același timp, funcționează și primește o anumită cantitate de căldură. Apoi vasul este izolat. În ciuda acestui fapt, gazul continuă să se extindă, dar deja adiabatic (fără schimb de căldură cu mediul înconjurător). În acest moment, temperatura acestuia scade la cea a frigiderului. În acest moment, gazul este în contact cu frigiderul, drept urmare îi conferă o anumită cantitate de căldură în timpul compresiei izometrice. Apoi vasul este izolat din nou. În acest caz, gazul este comprimat adiabatic la volumul și starea inițială.Soiuri
Alte tipuri de motoare termice
Cum puteți îmbunătăți eficiența
Se încarcă ...