จากสูตรประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน เครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 8 เราได้พูดคุยเกี่ยวกับเรื่องเครื่องยนต์ความร้อนแล้ว จำไว้ว่าเครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่พลังงานภายในของเชื้อเพลิงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล

ตัวอย่างเช่นพิจารณาก๊าซในกระบอกสูบใต้ลูกสูบ เห็นได้ชัดว่าในการตั้งลูกสูบให้เคลื่อนที่จำเป็นต้องมีความแตกต่างของแรงดันทั้งสองด้านของลูกสูบ ในเครื่องยนต์ความร้อนความแตกต่างนี้ทำได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซ ก๊าซอุ่นมีพลังงานภายในมากพอและขยายตัวได้

อย่างไรก็ตามเมื่อขยายตัวก๊าซจะเย็นตัวลงและสูญเสียพลังงานภายใน แน่นอนว่าสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ปกติ วัฏจักร... นั่นคือหลังจากเสร็จสิ้นการทำงานแล้วก๊าซจะต้องกลับคืนสู่สภาพเดิม

ดังนั้นรูปแบบพื้นฐานของการทำงาน เครื่องยนต์ความร้อน มีดังนี้: ความร้อนจำนวนหนึ่งจะถูกถ่ายเทจากฮีตเตอร์ไปยังของเหลวที่ใช้งานได้ (นั่นคือก๊าซ)

ซึ่งหมายถึงการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงอันเป็นผลมาจากอุณหภูมิของก๊าซเพิ่มขึ้นหลายร้อยองศา พลังงานภายในของก๊าซจะเพิ่มขึ้นและเนื่องจากมันจะทำงานได้จนกว่าจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของตู้เย็น (ตามกฎแล้วสภาพแวดล้อมจะมีบทบาทเป็นตู้เย็น) เห็นได้ชัดว่าก๊าซไม่สามารถสูญเสียพลังงานภายในทั้งหมดได้ (เว้นแต่จะเย็นลงจนเป็นศูนย์สัมบูรณ์) ดังนั้นความร้อนบางส่วนจะถูกถ่ายเทไปยังตู้เย็น

ปริมาณต่อไปนี้เป็นลักษณะสำคัญของเครื่องยนต์ความร้อน: ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน, อุณหภูมิเครื่องทำความร้อน (เช่นอุณหภูมิของก๊าซที่เกิดขึ้น) อุณหภูมิตู้เย็น, ปริมาณความร้อนที่ถ่ายเทไปยังตู้เย็น และ งานที่มีประโยชน์... งานที่มีประโยชน์หมายถึงความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนและปริมาณความร้อนที่ให้กับตู้เย็น:

แน่นอนว่าเครื่องยนต์ใด ๆ มีลักษณะเป็นค่าสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์... สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนประสิทธิภาพจะเท่ากับอัตราส่วนของงานที่เครื่องยนต์ทำต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน:

ถ้าเราแทนที่นิพจน์สำหรับงานที่มีประโยชน์ในสมการนี้เราจะต้องแน่ใจว่า ประสิทธิภาพเชิงความร้อน เครื่องยนต์ไม่สามารถมีได้มากกว่าหนึ่ง (นั่นคือต้องไม่เกิน 100%):

เพื่อความชัดเจนเราสามารถแสดงภาพการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนได้

กฎของอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถคำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนที่กำหนด Sadi Carnot นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้ทำครั้งแรก Carnot ตัดสินอย่างถูกต้องว่าเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติจะมีประสิทธิภาพสูงสุด ในเครื่องยนต์ความร้อนนี้ของเหลวที่ใช้งานได้เป็นก๊าซในอุดมคติและวงจรประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบตสองตัว:

ดังนั้นวัฏจักร Carnot จึงอธิบายถึงการทำงานสูงสุดที่เป็นไปได้ของก๊าซที่มีการสูญเสียพลังงานขั้นต่ำ ดังนั้นประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนที่กำหนดจะถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนและอุณหภูมิตู้เย็นกับอุณหภูมิเครื่องทำความร้อน:

ควรสังเกตว่าควรใช้มาตราส่วนอุณหภูมิสัมบูรณ์ในสมการนี้ ดังที่เห็นได้จากสูตรประสิทธิภาพนี้ไม่สามารถเกินเอกภาพได้เว้นแต่อุณหภูมิของตู้เย็นจะเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์ จากทั้งหมดข้างต้นเราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ไม่สามารถเกินประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้.

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

วัตถุประสงค์ 1.อุณหภูมิตู้เย็นคือ 20 ℃ ฮีตเตอร์ต้องมีอุณหภูมิเท่าไหร่ถึงจะได้ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ความร้อน 85%

วัตถุประสงค์ 2.เครื่องยนต์สันดาปภายในทำประโยชน์ได้เท่ากับ 45 MJ ถ้าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์นี้เท่ากับ 55% แล้วต้องใช้น้ำมันเบนซินกี่ลิตรในการทำงานนี้? ความหนาแน่นของน้ำมันเบนซินคือ 710 กก. / ม. 𝟑

เครื่องยนต์ร้อน เรียกว่าอุปกรณ์ที่สามารถแปลงส่วนหนึ่งของปริมาณความร้อนที่ได้รับให้เป็นงานเชิงกล งานเครื่องกลในเครื่องยนต์ความร้อนดำเนินการในกระบวนการขยายตัวของสารบางชนิดซึ่งเรียกว่า ร่างกายทำงาน... เรียกว่าอ่างเก็บน้ำความร้อนที่มีอุณหภูมิสูงกว่าซึ่งถ่ายเทความร้อนไปยังเครื่องยนต์ความร้อน เครื่องทำความร้อนและนำความร้อนที่เหลือออกไปเพื่อให้ของเหลวที่ใช้งานกลับสู่สภาพเดิม - ตู้เย็น... เครื่องยนต์ความร้อนที่มีอยู่จริงๆ (เครื่องยนต์ไอน้ำเครื่องยนต์สันดาปภายใน ฯลฯ ) ทำงานเป็นวงจร กระบวนการถ่ายเทความร้อนและการแปลงปริมาณความร้อนที่ได้รับในการทำงานจะทำซ้ำเป็นระยะ

เงื่อนไขที่จำเป็นสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนแบบวนรอบ:

1. การมีอยู่ของของเหลวที่ใช้งานได้ (ก๊าซหรือไอน้ำ) ซึ่งเมื่อได้รับความร้อนระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงจะขยายตัวและทำงานเชิงกล เครื่องยนต์ความร้อนเป็นระยะไม่สามารถทำงานที่เป็นประโยชน์ได้หากใช้กระบวนการทางอุณหพลศาสตร์แบบเปิด ก๊าซควรขยายตัวที่อุณหภูมิสูง T 1 และหดตัวที่ T 2 ต่ำกว่า กระบวนการแบบวงกลม (รอบ) เป็นกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์แบบปิดซึ่งเป็นผลมาจากการที่ระบบกลับสู่สถานะเดิม ย้อนกลับได้เรียกว่ากระบวนการที่สามารถดำเนินการได้ทั้งในทิศทางไปข้างหน้าและย้อนกลับในลักษณะที่หลังจากที่ระบบกลับคืนสู่สภาพเดิมแล้วจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากกระบวนการนี้หลงเหลืออยู่ในร่างกายโดยรอบ

2. ใช้กระบวนการแบบวงกลม (cycle).

3. การมีเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น ฮีตเตอร์เป็นตัวหรือตัวกลางที่มีอุณหภูมิสูงกว่าของใช้ในการทำงานและตู้เย็นคือตัวหรือตัวกลางที่มีอุณหภูมิต่ำกว่าของใช้ในการทำงาน

เมื่อเครื่องยนต์ความร้อนทำงานกฎการอนุรักษ์พลังงานจะปฏิบัติตาม

ประสิทธิภาพ (ประสิทธิภาพ) ของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ที่เครื่องยนต์ทำกับพลังงานทั้งหมด ถาม 1 ที่ได้จากการเผาไหม้เชื้อเพลิง (เช่นจากเครื่องทำความร้อน):.

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนนั้นน้อยกว่าความสามัคคีเสมอ

เพื่อหาค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ของประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน S. Carnot วิศวกรชาวฝรั่งเศสได้คำนวณวัฏจักรย้อนกลับในอุดมคติซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบตสองตัวซึ่งต่อมาเรียกว่าวัฏจักรคาร์โนต์ (ในรูปที่ 1-2 การขยายตัวของไอโซเทอร์มอล 2-3 การขยายตัวแบบอะเดียแบติกของก๊าซในอุดมคติ ; 3-4 - การบีบอัดไอโซเทอร์มอล, 4-1 - การบีบอัดแบบอะเดียแบติกของก๊าซคาร์โนต์แสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพของวงจรดังกล่าวไม่ได้ขึ้นอยู่กับการออกแบบของเครื่องยนต์ความร้อนและถูกกำหนดโดยสูตรโดยที่ ที 1 - อุณหภูมิเครื่องทำความร้อน ที 2 - ตู้เย็น ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติก็ยังน้อยกว่าความสามัคคีเสมอ หากอุณหภูมิของตู้เย็นเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์กระบวนการวัฏจักรจะเสื่อมลง โดยพื้นฐานแล้วเป็นไปไม่ได้ที่จะบรรลุว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนเท่ากับเอกภาพ ในเครื่องยนต์ความร้อนจริงประสิทธิภาพจะน้อยกว่าของวัฏจักรคาร์โนต์กล่าวคือน้อยกว่าเอกภาพมาก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนมักจะเพิ่มขึ้น ตู้เย็นคือสิ่งแวดล้อม

ตั๋วหมายเลข 15

1. การเคลื่อนไหวของร่างกายโยนในแนวนอน ที่มาของสูตรสำหรับวิถีการเคลื่อนที่ที่มาของสูตรสำหรับเวลาตกและช่วงการบิน

มากำหนดแกนพิกัด เอ๋ย ในแนวตั้งลงโดยจัดตำแหน่งที่มาของพิกัดกับสถานที่ที่เริ่มตกจากนั้นพื้นผิวโลกจะมีพิกัด

ในแนวนอนไม่มีแรงกระทำกับร่างกายดังนั้นส่วนประกอบแนวนอนของความเร็วจะไม่เปลี่ยนแปลง ความเร็วในแนวดิ่งของร่างกายเปลี่ยนแรงโน้มถ่วงนั่นคือ ร่างกายเคลื่อนที่ด้วยความเร่งคงที่ซึ่งพุ่งลงในแนวตั้ง ความเร็วของร่างกายในการฉายภาพบนแกนที่เลือกจะเปลี่ยนแปลงไปตามกฎหมาย: และ พิกัด: ถ้าเราไม่รวมเวลาของการเคลื่อนที่ออกจากสมการเหล่านี้เราจะได้สมการของวิถีซึ่งเป็นกิ่งก้านของพาราโบลา

ร่างกายตกลงอย่างอิสระตามแกน y ในช่วงเวลาของการล้ม - เวลาของการตกอย่างอิสระจะพิจารณาจากความสูงที่ร่างกายตกลงมา

ความเร็วของร่างกายในขณะที่ตกสามารถกำหนดได้จากกฎการอนุรักษ์พลังงาน:

ช่วงการบินในแนวนอนของร่างกาย - ขึ้นอยู่กับความสูงและความเร็วเริ่มต้นของร่างกาย

เมื่อเคลื่อนที่ไปตามวิถีโค้งความเร็วจะพุ่งตรงไปที่วิถี

2. ความชื้นในอากาศและวิธีการกำหนด

ความชื้นสัมพัทธ์ r ของอากาศเรียกว่าค่าที่เป็นตัวเลขเท่ากับมวลของไอน้ำที่มีอยู่ในอากาศ 1 ม. 3 นั่นคือ ความหนาแน่นของไอน้ำในอากาศภายใต้เงื่อนไขที่กำหนด ความชื้นในอากาศสัมบูรณ์มักแสดงเป็นกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

ถ้าไออยู่ไกลจากสถานะอิ่มตัวมันจะแตกต่างจากก๊าซในอุดมคติเพียงเล็กน้อยและสมการ Mendeleev-Clapeyron สามารถใช้ได้กับมัน - ความดันบางส่วนของไอน้ำที่อุณหภูมิคงที่จะเป็นสัดส่วนกับความหนาแน่น ความดันไอน้ำบางส่วนที่มีอยู่ในอากาศเรียกว่าความดันไอน้ำ บนพื้นฐานของสัดส่วนระหว่าง p และ r ในอุตุนิยมวิทยาความดันของไอน้ำจะถูกนำมาเป็นความชื้นในอากาศที่แน่นอน โดยปกติจะแสดงเป็นมิลลิเมตรปรอท ความชื้นในอากาศสัมบูรณ์ต้องไม่เกินความหนาแน่นของไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิที่กำหนด (r

หากคุณทราบเพียงความชื้นสัมบูรณ์ของอากาศคุณยังไม่สามารถตัดสินได้ว่าอากาศแห้งหรือชื้นเพียงใด ในการกำหนดระดับความชื้นในอากาศจำเป็นต้องทราบด้วยว่าไอน้ำที่อยู่ในอากาศอยู่ใกล้หรือไกลจากสถานะอิ่มตัว ดังนั้นนอกเหนือจากความชื้นสัมพัทธ์จึงได้นำแนวคิดเรื่องความชื้นสัมพัทธ์

ความชื้นสัมพัทธ์ j เรียกว่าค่าที่เท่ากับอัตราส่วนของความชื้นสัมพัทธ์ต่อความหนาแน่นของไอน้ำอิ่มตัวที่อุณหภูมิที่กำหนด: ความชื้นสัมพัทธ์มักแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์

ในทางอุตุนิยมวิทยาแนวคิดของความชื้นสัมพัทธ์ถูกกำหนดโดยสูตร

หากอากาศชื้นถูกทำให้เย็นลงเมื่อถึงอุณหภูมิหนึ่งไอน้ำในนั้นจะอิ่มตัวจากนั้นจะควบแน่นเป็นของเหลวกลายเป็นน้ำค้าง อุณหภูมิที่ไอน้ำในอากาศอิ่มตัวเรียกว่า จุดน้ำค้าง... ที่อุณหภูมินี้ความชื้นในอากาศสัมบูรณ์จะเท่ากับความหนาแน่นของไออิ่มตัวและความชื้นในอากาศสัมพัทธ์เท่ากับ 100%

ความชื้นในอากาศถูกกำหนดโดยการทดลองโดยใช้เครื่องมือ - ไฮโกรมิเตอร์และไซโครมิเตอร์

เครื่องวัดความชื้นในเส้นผมขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของเส้นผมที่ขาดไขมันเพื่อเปลี่ยนความยาวเมื่อความชื้นในอากาศเปลี่ยนแปลง: เมื่อความชื้นเพิ่มขึ้นเส้นผมจะยาวขึ้นและเมื่อลดลงผมจะสั้นลง

ไฮโกรมิเตอร์กลั่นตัวได้รับการออกแบบมาสำหรับการกำหนดจุดน้ำค้างโดยตรง อุปกรณ์ของมันถูกแสดง (ในส่วน) ในรูปอุปกรณ์ประกอบด้วยห้องโลหะทรงกระบอก 1 ผนังด้านหน้า (ฐาน) 2 ซึ่งขัดด้วยกระจก วงแหวนโลหะขัดเงากระจก 3 ซึ่งทำจากวัสดุเดียวกับตัวกล้องสวมอยู่บนตัวกล้องตรงบริเวณฐานขัดมัน วงแหวนนี้ถูกแยกออกจากห้องโดยใช้ปะเก็นฉนวนกันความร้อน 4. ใส่เทอร์โมมิเตอร์ 5 และท่อ 6 เข้าไปในห้องโดยเชื่อมต่อกับบอลลูนยางจากเครื่องฉีดน้ำ 7 ห้องบรรจุของเหลวที่ระเหยได้ง่ายครึ่งหนึ่ง - อีเธอร์ 8. ปลายท่อ 6 แช่อยู่ในอีเธอร์ การสูบอากาศเข้าไปในห้องโดยใช้บอลลูนยางทำให้เกิดการระเหยของอีเธอร์อย่างเข้มข้นซึ่งเป็นผลมาจากการที่ผนังของห้องเย็นลงมาก เมื่ออุณหภูมิของผนังลดลงจนถึงจุดน้ำค้างไอน้ำที่อยู่ในอากาศจะเริ่มกลั่นตัวที่ขอบสัมผัสกับผนังห้องและก่อตัวเป็นน้ำค้าง ฐานขัดเงาของกล้องจะเกิดฝ้าขึ้นในขณะที่พื้นผิวของวงแหวนขัดมันซึ่งหุ้มฉนวนกันความร้อนจากกล้องยังคงเงางาม สิ่งนี้ช่วยให้คุณกำหนดช่วงเวลาที่เกิดการควบแน่นได้อย่างแม่นยำและกำหนดจุดน้ำค้างจากการอ่านของเทอร์โมมิเตอร์ที่ใส่เข้าไปในห้อง

ไซโครมิเตอร์ประกอบด้วยเทอร์มอมิเตอร์ที่เหมือนกันสองตัวติดตั้งบนขาตั้งแนวตั้ง ปลายเทอร์โมมิเตอร์ข้างหนึ่งห่อด้วยผ้าก๊อซปลายจุ่มลงในถ้วยน้ำ เนื่องจากปรากฏการณ์ของเส้นเลือดฝอยทำให้น้ำเพิ่มขึ้นตามผ้ากอซดังนั้นผ้ากอซจึงเปียกอยู่เสมอ ปลายเทอร์โมมิเตอร์อันที่สองแห้ง ออกอากาศโดยตรง เมื่อน้ำระเหยจากผ้ากอซเทอร์โมมิเตอร์แบบเปียกจะเย็นลงและอุณหภูมิจะต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศ ยิ่งความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศต่ำลงเท่าใดน้ำก็ยิ่งระเหยออกจากผ้ากอซมากขึ้นเท่านั้นและอุณหภูมิระหว่างเทอร์มอมิเตอร์แบบเปียกและแบบแห้งก็จะยิ่งแตกต่างกันมากขึ้น ในทางตรงกันข้ามเมื่อความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศเพิ่มขึ้นการระเหยของน้ำจากผ้ากอซจะช้าลงและความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเทอร์มอมิเตอร์จะลดลง ที่ความชื้น 100% น้ำจะหยุดระเหยโดยสิ้นเชิงและการอ่านค่าเทอร์โมมิเตอร์จะเหมือนเดิม ในกรณีที่ความชื้นสัมพัทธ์น้อยกว่า 100% ความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศสามารถกำหนดได้จากความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเทอร์มอมิเตอร์แบบแห้งและแบบเปียกโดยใช้ตารางไซโครเมตริกพิเศษ ไซโครมิเตอร์มีความแม่นยำมากกว่าเครื่องวัดความชื้นในเส้นผม