การทำงานของเครื่องยนต์สูตรความร้อน ประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน (ทฤษฎีบทของคาร์โนต์)

วัตถุประสงค์: เพื่อทำความคุ้นเคยกับเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้ในโลกสมัยใหม่

ในระหว่างการทำงานของเราเราพยายามตอบคำถามต่อไปนี้:

• 
  เครื่องยนต์ความร้อนคืออะไร?
• 
  หลักการทำงานของมันคืออะไร?
• 
  ประสิทธิภาพเชิงความร้อน เครื่องยนต์?
• 
  เครื่องยนต์ความร้อนประเภทใดบ้าง?
• 
  พวกเขาใช้ที่ไหน?

เครื่องยนต์ร้อน.

พลังงานสำรองภายในเปลือกโลกและมหาสมุทรสามารถพิจารณาได้ไม่ จำกัด ในทางปฏิบัติ แต่การมีพลังงานสำรองนั้นยังไม่เพียงพอ จำเป็นต้องสามารถใช้พลังงานเพื่อตั้งค่าในเครื่องมือเครื่องจักรที่เคลื่อนไหวในโรงงานและโรงงานวิธีการขนส่งรถแทรกเตอร์และเครื่องจักรอื่น ๆ หมุนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ฯลฯ มนุษยชาติต้องการมอเตอร์ - อุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ เครื่องยนต์ส่วนใหญ่บนโลกเป็นเครื่องยนต์ความร้อน

ในการทดลองที่ง่ายที่สุดซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่ามีการเทน้ำเล็กน้อยลงในหลอดทดลองและนำไปต้ม (และในขั้นต้นหลอดทดลองจะปิดด้วยไม้ก๊อก) ไม้ก๊อกภายใต้ความกดดันของไอน้ำที่สร้างขึ้นจะเพิ่มขึ้นและโผล่ออกมา กล่าวอีกนัยหนึ่งพลังงานของเชื้อเพลิงจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานภายในของไอน้ำและไอน้ำจะขยายตัวทำงานโดยเคาะปลั๊กออก ดังนั้นพลังงานภายในของไอน้ำจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานจลน์ของปลั๊ก

หากหลอดทดลองถูกแทนที่ด้วยกระบอกสูบโลหะที่แข็งแรงและปลั๊กถูกแทนที่ด้วยลูกสูบที่พอดีกับผนังกระบอกสูบและเคลื่อนตัวไปตามได้อย่างอิสระคุณจะได้รับเครื่องยนต์ความร้อนที่เรียบง่าย

เครื่องยนต์ความร้อนเป็นเครื่องจักรที่พลังงานภายในของเชื้อเพลิงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้จำเป็นต้องมีความแตกต่างของแรงดันทั้งสองด้านของลูกสูบเครื่องยนต์หรือใบพัดเทอร์ไบน์ ในเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดความแตกต่างของแรงดันนี้ทำได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิของของเหลวที่ใช้งานได้หลายร้อยหรือหลายพันองศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้

ของเหลวที่ใช้งานได้สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดคือก๊าซซึ่งจะทำงานระหว่างการขยายตัว ลองกำหนดอุณหภูมิเริ่มต้นของของเหลวทำงาน (แก๊ส) ถึง T 1 อุณหภูมิในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรได้มาจากไอน้ำในหม้อต้มไอน้ำ

ในเครื่องยนต์ สันดาปภายใน และกังหันก๊าซอุณหภูมิจะเพิ่มขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ อุณหภูมิ T 1 เรียกว่าอุณหภูมิเครื่องทำความร้อน

เมื่อทำงานเสร็จแล้วก๊าซจะสูญเสียพลังงานและจะเย็นลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ที่อุณหภูมิ T 2 อุณหภูมินี้ต้องไม่ต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบเนื่องจากมิฉะนั้นความดันก๊าซจะน้อยกว่าบรรยากาศและเครื่องยนต์จะไม่สามารถทำงานได้ โดยปกติอุณหภูมิ T 2 จะสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมเล็กน้อย นี่เรียกว่าอุณหภูมิตู้เย็นตู้เย็นเป็นบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับระบายความร้อนและกลั่นตัวของเสีย - ตัวเก็บประจุ... ในกรณีหลังอุณหภูมิของตู้เย็นอาจต่ำกว่าอุณหภูมิของบรรยากาศ

ดังนั้นในเครื่องยนต์ของเหลวที่ใช้งานได้ระหว่างการขยายตัวจึงไม่สามารถทุ่มเทพลังงานภายในทั้งหมดให้กับการทำงานได้ ความร้อนส่วนหนึ่งจะถูกถ่ายเทไปยังตู้เย็น (บรรยากาศ) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้พร้อมกับไอเสียหรือก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ พลังงานภายในส่วนนี้จะสูญเสียไป

เครื่องยนต์ความร้อนให้ส่วนลดเนื่องจากพลังงานภายในของของเหลวที่ใช้งานได้ ยิ่งไปกว่านั้นในกระบวนการนี้ความร้อนจะถูกถ่ายเทจากร่างกายที่ร้อนกว่า (ร้อนขึ้น) ไปยังของที่เย็นกว่า (ตู้เย็น)

ป

แผนภาพพื้นฐานแสดงในรูป

ค่าสัมประสิทธิ์ การกระทำที่เป็นประโยชน์ (ประสิทธิภาพ) เครื่องยนต์ความร้อน.

ความเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงพลังงานภายในของก๊าซไปสู่การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนได้อย่างสมบูรณ์เนื่องจากกระบวนการในธรรมชาติไม่สามารถย้อนกลับได้ หากความร้อนสามารถย้อนกลับจากตู้เย็นไปยังเครื่องทำความร้อนได้เองพลังงานภายในก็สามารถเปลี่ยนเป็นงานที่มีประโยชน์ได้โดยใช้เครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ

ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนηคืออัตราส่วนของงานที่มีประโยชน์ A p ซึ่งทำโดยเครื่องยนต์ซึ่งแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ต่อปริมาณความร้อนที่ Q 1 ได้รับจากเครื่องทำความร้อน

สูตร:

เนื่องจากเครื่องยนต์ทั้งหมดถ่ายเทความร้อนบางส่วนไปยังตู้เย็นη

ประสิทธิภาพสูงสุด

Z กฎของอุณหพลศาสตร์ช่วยให้คุณสามารถคำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อน เป็นครั้งแรกที่วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot (1796-1832) ทำในงานของเขา "ภาพสะท้อนของแรงผลักดันจากไฟและเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาพลังนี้ได้" (1824)

ถึง

arno ได้คิดค้นเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติโดยมีก๊าซในอุดมคติเป็นของไหลที่ใช้งานได้ เขาได้รับคุณค่าต่อไปนี้สำหรับประสิทธิภาพของเครื่องนี้:

T 1 - อุณหภูมิเครื่องทำความร้อน

T 2 - อุณหภูมิตู้เย็น

ความหมายหลักของสูตรนี้คือตามที่ Carnot พิสูจน์แล้วว่ามี เครื่องยนต์ความร้อนจริงที่ทำงานด้วยเครื่องทำความร้อนที่มีอุณหภูมิ T 1 และตู้เย็นอุณหภูมิ T 2 ไม่สามารถมีประสิทธิภาพที่เกินประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้

สูตรนี้ให้ขีด จำกัด ทางทฤษฎีสำหรับประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน แสดงว่ายิ่งเครื่องยนต์ฮีตมีประสิทธิภาพมากเท่าไหร่อุณหภูมิของฮีตเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นก็จะลดลง

แต่อุณหภูมิของตู้เย็นต้องไม่ต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบ คุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนได้ อย่างไรก็ตามวัสดุใด ๆ (ของแข็ง) มีความต้านทานความร้อน จำกัด หรือทนต่อความร้อน เมื่อได้รับความร้อนจะค่อยๆสูญเสียคุณสมบัติในการยืดหยุ่นและที่อุณหภูมิสูงเพียงพอจะละลาย

ตอนนี้ความพยายามหลักของวิศวกรมุ่งเป้าไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์โดยการลดแรงเสียดทานของชิ้นส่วนการสูญเสียเชื้อเพลิงเนื่องจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์เป็นต้น ความเป็นไปได้ที่แท้จริงในการเพิ่มประสิทธิภาพยังคงมีอยู่มากที่นี่

เครื่องยนต์สันดาปภายใน

เครื่องยนต์สันดาปภายในเป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้ก๊าซที่มีอุณหภูมิสูงซึ่งเกิดขึ้นระหว่างการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงเหลวหรือก๊าซโดยตรงภายในห้องของเครื่องยนต์ลูกสูบเป็นสื่อในการทำงาน

โครงสร้างของเครื่องยนต์รถยนต์สี่จังหวะ

• 
  กระบอกสูบ
• 
  ห้องเผาไหม้
• 
  ลูกสูบ,
• 
  วาล์วทางเข้า;
• 
  วาล์วทางออก,
• 
  เทียน;
• 
  ก้านสูบ;
• 
  มู่เล่.

ข้อมูลบางอย่าง เกี่ยวกับเครื่องยนต์	ประเภทของเครื่องยนต์
	คาร์บูเรเตอร์	ดีเซล
ร่างกายทำงาน	อากาศอิ่มตัวด้วยไอระเหยของน้ำมันเบนซิน	แอร์
เชื้อเพลิง	น้ำมัน	น้ำมันเตาน้ำมัน
ความดันห้องสูงสุด	610 5 Pa	1.510 6 - 3.510 6 Pa
อุณหภูมิถึงระหว่างการบีบอัดของของเหลวทำงาน	360-400 ºС	500-700 ºС
อุณหภูมิผลิตภัณฑ์เผาไหม้เชื้อเพลิง	1800 ºС	1900 ºС
ประสิทธิภาพ: สำหรับเครื่องอนุกรมสำหรับตัวอย่างที่ดีที่สุด

การดำเนินการ ICE

1 นาฬิกา - "การดูด" ลูกสูบเคลื่อนที่ลงผ่านวาล์วทางเข้าส่วนผสมที่ติดไฟได้จะถูกดูดเข้าไปในห้องเผาไหม้ - ไอน้ำมันเบนซินกับอากาศ ในตอนท้ายของจังหวะวาล์วดูดจะปิดลง

2 นาฬิกา - "การบีบอัด" - ลูกสูบลุกขึ้นบีบส่วนผสมที่ติดไฟได้ ในตอนท้ายของจังหวะประกายไฟจะพุ่งเข้ามาในเทียนและส่วนผสมที่ติดไฟได้จะจุด

3 นาฬิกา- "จังหวะการทำงาน" - ผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซจากการเผาไหม้ถึงอุณหภูมิและความดันสูงด้วยแรงมหาศาลที่พวกเขากดลงบนลูกสูบซึ่งลงไปและด้วยความช่วยเหลือของก้านสูบและข้อเหวี่ยงขับเคลื่อนเพลาข้อเหวี่ยงให้หมุน

4 นาฬิกา - "ไอเสีย" - ลูกสูบลอยขึ้นและผ่านวาล์วทางออกจะผลักดันก๊าซไอเสียสู่บรรยากาศ อุณหภูมิของก๊าซที่ปล่อยออกมา 500 0

ที่ รถยนต์ใช้เครื่องยนต์สี่สูบบ่อยที่สุด การทำงานของกระบอกสูบได้รับการประสานงานในลักษณะที่จังหวะการทำงานจะเกิดขึ้นในแต่ละจังหวะและเพลาข้อเหวี่ยงจะได้รับพลังงานจากลูกสูบตัวใดตัวหนึ่งอย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ยังมีเครื่องยนต์แปดสูบ เครื่องยนต์หลายสูบให้ความสม่ำเสมอในการหมุนของเพลาที่ดีขึ้นและมีกำลังมากขึ้น

เครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์ใช้ในรถยนต์นั่งที่มีกำลังค่อนข้างต่ำ ดีเซล - ในเครื่องจักรที่หนักกว่าที่มีกำลังสูง (รถแทรกเตอร์รถแทรกเตอร์รถบรรทุกหัวรถจักรดีเซล)
บนเรือทุกชนิด

กังหันไอน้ำ

5 - เพลา 4 - ดิสก์ 3 - ไอน้ำ 2 - ใบมีด

1 - หัวไหล่

ปกังหันไอน้ำเป็นส่วนหลักของโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำ ในโรงไฟฟ้าพลังไอน้ำไอน้ำร้อนยวดยิ่งที่มีอุณหภูมิประมาณ 300-500 0 Сและความดัน 17-23 MPa ออกมาจากหม้อไอน้ำเข้าสู่ท่อไอน้ำ ไอน้ำขับเคลื่อนโรเตอร์ของกังหันไอน้ำซึ่งขับเคลื่อนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าที่สร้างกระแสไฟฟ้า ไอน้ำเสียจะเข้าสู่คอนเดนเซอร์ซึ่งเป็นของเหลวน้ำที่ได้จะถูกสูบเข้าไปในหม้อต้มไอน้ำและเปลี่ยนเป็นไอน้ำอีกครั้ง

ของเหลวที่ปนเปื้อนหรือเชื้อเพลิงแข็งเผาไหม้ในเตาทำให้หม้อไอน้ำร้อนขึ้น

โครงสร้างกังหัน

• 
  กลองพร้อมระบบหัวฉีด - ท่อขยายที่กำหนดค่าไว้เป็นพิเศษ
• 
  โรเตอร์ - จานหมุนพร้อมระบบใบมีด

หลักการทำงาน

ไอพ่นไอพ่นซึ่งหนีออกจากหัวฉีดด้วยความเร็วมหาศาล (600-800 เมตร / วินาที) ถูกส่งไปยังใบพัดของกังหันกดที่มันและขับเคลื่อนโรเตอร์ให้หมุนด้วยความเร็วสูง (50 รอบ / วินาที) พลังงานภายในของไอน้ำจะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกลของการหมุนของใบพัดกังหัน ไอน้ำจะขยายตัวเมื่อออกจากหัวฉีดทำงานและทำให้เย็นลง ไอน้ำที่ใช้แล้วเข้าสู่สายไอน้ำอุณหภูมิในตอนนี้จะสูงกว่า 100 ° C เล็กน้อยจากนั้นไอน้ำจะเข้าสู่คอนเดนเซอร์ซึ่งมีความดันน้อยกว่าบรรยากาศหลายเท่า คอนเดนเซอร์ระบายความร้อนด้วยน้ำเย็น

กังหันไอน้ำเครื่องแรกซึ่งพบว่าสามารถใช้งานได้จริงผลิตโดย G. Laval ในปีพ. ศ. 2432

เชื้อเพลิงที่ใช้แล้ว: ของแข็ง - ถ่านหินหินดินดานพีท; ของเหลว - น้ำมันน้ำมันเตา ก๊าซธรรมชาติ.

กังหันถูกติดตั้งในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนและนิวเคลียร์ ผลิตไฟฟ้าได้มากกว่า 80% กังหันไอน้ำทรงพลังติดตั้งบนเรือขนาดใหญ่

กังหันก๊าซ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของกังหันนี้คือการเปลี่ยนพลังงานภายในของก๊าซให้ง่ายขึ้นเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุนของเพลา

หลักการทำงาน

อากาศอัดที่อุณหภูมิประมาณ 200 ° C จะถูกส่งไปยังห้องเผาไหม้ของกังหันก๊าซโดยใช้คอมเพรสเซอร์และเชื้อเพลิงเหลว (น้ำมันก๊าดน้ำมันเตา) จะถูกฉีดเข้าไปภายใต้แรงดันสูง ในระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงอากาศและผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิ 1500-2200 ° C ก๊าซที่เคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงจะถูกส่งไปยังใบพัดของกังหัน การส่งผ่านจากโรเตอร์กังหันตัวหนึ่งไปยังอีกตัวหนึ่งก๊าซจะให้พลังงานภายในทำให้โรเตอร์หมุน

เมื่อหมดจากกังหันก๊าซก๊าซจะมีอุณหภูมิ 400-500 0 С

พลังงานกลที่ได้จะถูกนำไปใช้เช่นเพื่อหมุนใบพัดของเครื่องบินหรือโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า

กังหันแก๊สเป็นเครื่องยนต์ที่มีกำลังสูงซึ่งเป็นสาเหตุที่ใช้ในการบิน

เครื่องยนต์เจ็ท

หลักการทำงาน

ในห้องเผาไหม้เชื้อเพลิงจรวด (ตัวอย่างเช่นผงประจุไฟฟ้า) จะเผาไหม้และก๊าซที่เกิดขึ้นจะกดกับผนังห้องด้วยแรงมหาศาล ด้านหนึ่งของห้องมีหัวฉีดซึ่งผลิตภัณฑ์เผาไหม้จะถูกขับออกไปในพื้นที่โดยรอบ ในทางกลับกันก๊าซที่ขยายตัวจะผลักจรวดเหมือนลูกสูบและดันไปข้างหน้า

ป จรวด Orok เป็นเครื่องยนต์เชื้อเพลิงแข็ง พวกเขาพร้อมสำหรับการทำงานอย่างต่อเนื่องสตาร์ทง่าย แต่ไม่สามารถหยุดหรือควบคุมเครื่องยนต์ดังกล่าวได้

เครื่องยนต์จรวดขับเคลื่อนด้วยของเหลวมีความน่าเชื่อถือมากขึ้นในการควบคุมการจ่ายเชื้อเพลิงที่สามารถควบคุมได้

ในปี 1903 K. E. Tsiolkovsky ได้เสนอการออกแบบจรวดดังกล่าว

เครื่องยนต์เจ็ทใช้ในจรวดอวกาศ เรือเดินอากาศขนาดใหญ่ติดตั้งเทอร์โบเจ็ทและเครื่องยนต์เจ็ท

ทรัพยากรที่ใช้

• 
  ฟิสิกส์. หนังสืออ้างอิงของนักเรียน. การพัฒนาและเรียบเรียงทางวิทยาศาสตร์โดย T. Feshchenko, V. Vozhegova: M .: Philological Society "Slovo", Company "Klyuch-S", 1995 - 576 น.
• 
  ช. ยา. Myakishev, B.B. Bukhovtsev ฟิสิกส์: หนังสือเรียน. เป็นเวลา 10 cl. วันพุธ shk. - 2nd ed. - M .: การศึกษา, 2535 - 222 น.: ป่วย.
• 
  เขา. บาราโนว่า. ผลงานสุดท้ายของนักเรียนหลักสูตรการฝึกอบรมขั้นสูงใน RCDC ภายใต้โครงการ "เทคโนโลยีอินเทอร์เน็ตสำหรับอาจารย์ประจำวิชา" Presentation "Heat Engines", 2548
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - โมเดลเครื่องยนต์และรูปภาพแอนิเมชั่น
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic\u003d211269 เทศกาลแห่งความคิดการสอน "เปิดบทเรียนปี 2547-2548" L.V. Samoilov

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm ฟิสิกส์ 7-8-9 หนังสือเรียนครูอ. Fadeeva, A.V. สายฟ้า

การทำงานของเครื่องจักรหลายประเภทมีลักษณะเป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญเช่นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ทุกๆปีวิศวกรพยายามที่จะสร้างเทคโนโลยีขั้นสูงขึ้นซึ่งการสิ้นเปลืองน้ำมันเชื้อเพลิงที่ลดลงจะให้ผลสูงสุดจากการใช้งาน

อุปกรณ์เครื่องยนต์ความร้อน

ก่อนที่จะเข้าใจว่ามันคืออะไรคุณต้องเข้าใจว่ากลไกนี้ทำงานอย่างไร โดยไม่ทราบหลักการของการกระทำจึงเป็นไปไม่ได้ที่จะหาสาระสำคัญของตัวบ่งชี้นี้ เครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่ทำงานโดยใช้พลังงานภายใน เครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ที่เปลี่ยนเป็นเครื่องจักรกลจะใช้การขยายตัวทางความร้อนของสารที่มีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในเครื่องยนต์โซลิดสเตทไม่เพียง แต่เปลี่ยนปริมาตรของสสารเท่านั้น แต่ยังรวมถึงรูปร่างของร่างกายด้วย การทำงานของเครื่องยนต์ดังกล่าวอยู่ภายใต้กฎของอุณหพลศาสตร์

หลักการทำงาน

เพื่อให้เข้าใจถึงวิธีการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจำเป็นต้องพิจารณาพื้นฐานของการออกแบบ เพื่อให้อุปกรณ์ทำงานได้จำเป็นต้องมีสองตัว: ร้อน (เครื่องทำความร้อน) และเย็น (ตู้เย็นตัวทำความเย็น) หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน (ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน) ขึ้นอยู่กับประเภทของเครื่องยนต์ บ่อยครั้งคอนเดนเซอร์ไอน้ำทำหน้าที่เป็นตู้เย็นและเชื้อเพลิงประเภทใดก็ตามที่เผาไหม้ในเตาเผาจะเป็นเครื่องทำความร้อน ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติพบได้จากสูตรต่อไปนี้:

ประสิทธิภาพ \u003d (เครื่องทำความร้อน - ความเย็น) / เครื่องทำความร้อน x 100%

ยิ่งไปกว่านั้นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ที่แท้จริงจะไม่เกินค่าที่ได้รับตามสูตรนี้ นอกจากนี้ตัวบ่งชี้นี้จะไม่เกินค่าข้างต้น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพส่วนใหญ่อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนจะเพิ่มขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นจะลดลง กระบวนการทั้งสองนี้จะถูก จำกัด โดยสภาพการใช้งานจริงของอุปกรณ์

ในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนงานจะเสร็จสิ้นเนื่องจากก๊าซเริ่มสูญเสียพลังงานและเย็นลงจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ระยะหลังมักจะสูงกว่าบรรยากาศโดยรอบหลายองศา นี่คืออุณหภูมิของตู้เย็น อุปกรณ์พิเศษดังกล่าวได้รับการออกแบบมาเพื่อระบายความร้อนตามด้วยการควบแน่นของไอน้ำเสีย ในกรณีที่มีตัวเก็บประจุอุณหภูมิของตู้เย็นบางครั้งจะต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบ

ในเครื่องยนต์ความร้อนร่างกายเมื่อได้รับความร้อนและขยายตัวจะไม่สามารถละทิ้งพลังงานภายในทั้งหมดไปทำงานได้ ความร้อนบางส่วนจะถูกถ่ายเทไปยังตู้เย็นพร้อมกับไอน้ำ ส่วนนี้ของความร้อนจะสูญเสียไปอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิงของเหลวที่ใช้งานได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q 1 จากเครื่องทำความร้อน ในขณะเดียวกันก็ยังคงทำงาน A ในระหว่างที่มันถ่ายโอนพลังงานความร้อนบางส่วนไปยังตู้เย็น: Q 2

ประสิทธิภาพแสดงถึงประสิทธิภาพของมอเตอร์ในการแปลงและส่งกำลัง ตัวบ่งชี้นี้มักวัดเป็นเปอร์เซ็นต์ สูตรประสิทธิภาพ:

η * A / Qx100% โดยที่ Q ใช้พลังงานไป A คืองานที่มีประโยชน์

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงานเราสามารถสรุปได้ว่าประสิทธิภาพจะน้อยกว่าเอกภาพเสมอ กล่าวอีกนัยหนึ่งจะไม่มีงานที่มีประโยชน์มากไปกว่าพลังงานที่ใช้ไป

ประสิทธิภาพของมอเตอร์คืออัตราส่วนของการทำงานที่มีประโยชน์ต่อพลังงานที่ฮีตเตอร์จ่ายให้ สามารถแสดงเป็นสูตรดังกล่าว:

η \u003d (Q 1 -Q 2) / Q 1 โดยที่ Q 1 คือความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์และ Q 2 จะถูกส่งไปยังตู้เย็น

การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน

งานที่ทำโดยเครื่องยนต์ความร้อนคำนวณโดยใช้สูตรต่อไปนี้:

ก \u003d | Q H | - | Q X | โดยที่ A ทำงาน Q H คือปริมาณความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์ Q X คือปริมาณความร้อนที่ให้กับตัวทำความเย็น

| Q H | - | Q X |) / | Q H | \u003d 1 - | Q X | / | Q H |

มันเท่ากับอัตราส่วนของงานที่เครื่องยนต์ทำต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับ พลังงานความร้อนส่วนหนึ่งจะสูญเสียไประหว่างการถ่ายโอนนี้

เครื่องยนต์ Carnot

ประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนพบได้ในอุปกรณ์ Carnot นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าในระบบนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อน (Tn) และตัวทำความเย็น (Tx) เท่านั้น ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานจะพิจารณาจากสูตรต่อไปนี้:

(Тн - Тх) / Тн \u003d - Тх - Тн

กฎของอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถคำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ เป็นครั้งแรกที่ตัวบ่งชี้นี้คำนวณโดยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot เขาประดิษฐ์เครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานกับก๊าซในอุดมคติ ทำงานในวงจรของ 2 ไอโซเทอร์มและ 2 อะเดียแบต หลักการของการทำงานนั้นค่อนข้างง่าย: หน้าสัมผัสของเครื่องทำความร้อนจะถูกนำไปที่เรือพร้อมกับก๊าซซึ่งเป็นผลมาจากการที่ของเหลวที่ใช้งานขยายตัวโดยไม่ได้รับความร้อน ในขณะเดียวกันก็ทำหน้าที่และรับความร้อนจำนวนหนึ่ง จากนั้นเรือจะถูกหุ้มฉนวน อย่างไรก็ตามเรื่องนี้ก๊าซยังคงขยายตัว แต่อยู่แล้วในเชิงอะเดียแบติก (โดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม) ในเวลานี้อุณหภูมิจะลดลงถึงตู้เย็น ในขณะนี้ก๊าซสัมผัสกับตู้เย็นซึ่งเป็นผลมาจากการให้ความร้อนระดับหนึ่งระหว่างการบีบอัดแบบสามมิติ จากนั้นเรือจะหุ้มฉนวนอีกครั้ง ในกรณีนี้ก๊าซจะถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติกตามปริมาตรและสถานะเดิม

พันธุ์

ปัจจุบันมีเครื่องยนต์ความร้อนหลายประเภทที่ทำงานบนหลักการที่แตกต่างกันและใช้เชื้อเพลิงที่แตกต่างกัน พวกเขาทั้งหมดมีประสิทธิภาพในตัวเอง ซึ่งรวมถึงสิ่งต่อไปนี้:

เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ลูกสูบ) ซึ่งเป็นกลไกที่ส่วนหนึ่งของพลังงานเคมีของเชื้อเพลิงเผาไหม้จะถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล อุปกรณ์ดังกล่าวสามารถเป็นก๊าซและของเหลว ความแตกต่างเกิดขึ้นระหว่างเครื่องยนต์ 2 และ 4 จังหวะ พวกเขาอาจมีรอบหน้าที่ต่อเนื่อง ตามวิธีการเตรียมส่วนผสมของเชื้อเพลิงเครื่องยนต์ดังกล่าว ได้แก่ คาร์บูเรเตอร์ (ที่มีส่วนผสมภายนอก) และดีเซล (ภายใน) ตามประเภทของตัวแปลงพลังงานจะแบ่งออกเป็นลูกสูบเจ็ทกังหันรวมกัน ประสิทธิภาพของเครื่องดังกล่าวไม่เกิน 0.5

เครื่องยนต์สเตอร์ลิงเป็นอุปกรณ์ที่ของเหลวที่ใช้งานได้อยู่ในพื้นที่ จำกัด เป็นเครื่องยนต์สันดาปภายนอกชนิดหนึ่ง หลักการทำงานของมันขึ้นอยู่กับการระบายความร้อน / ความร้อนของร่างกายเป็นระยะพร้อมกับการรับพลังงานเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของปริมาตร เป็นหนึ่งในเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด

เครื่องยนต์เทอร์ไบน์ (โรตารี่) พร้อมการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายนอก การติดตั้งดังกล่าวส่วนใหญ่มักพบในโรงไฟฟ้าพลังความร้อน

กังหัน (หมุน) ICE ถูกใช้ที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อนในโหมดสูงสุด ไม่ธรรมดาเหมือนที่อื่น ๆ

เครื่องยนต์ turboprop เนื่องจากสกรูทำให้เกิดแรงขับบางส่วน ส่วนที่เหลือเขาได้รับจากก๊าซไอเสีย การออกแบบเป็นเครื่องยนต์โรตารี่ที่เพลาซึ่งติดตั้งใบพัดอากาศ

เครื่องยนต์ความร้อนประเภทอื่น ๆ

จรวดเทอร์โบเจ็ทและรับแรงขับจากการไหลกลับของก๊าซไอเสีย

เครื่องยนต์โซลิดสเตทใช้ตัวถังแข็งเป็นเชื้อเพลิง เมื่อทำงานไม่ใช่ระดับเสียงที่เปลี่ยนแปลง แต่เป็นรูปร่าง เมื่อใช้งานอุปกรณ์จะใช้ความแตกต่างของอุณหภูมิเล็กน้อยมาก

คุณจะปรับปรุงประสิทธิภาพได้อย่างไร

สามารถเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนได้หรือไม่? ต้องหาคำตอบในอุณหพลศาสตร์ เธอศึกษาการเปลี่ยนแปลงร่วมกันของพลังงานประเภทต่างๆ เป็นที่ยอมรับว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะเปลี่ยนพลังงานความร้อนที่มีอยู่ทั้งหมดให้เป็นไฟฟ้าเครื่องกล ฯลฯ ในขณะเดียวกันการเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนจะเกิดขึ้นโดยไม่มีข้อ จำกัด ใด ๆ สิ่งนี้เป็นไปได้เนื่องจากธรรมชาติของพลังงานความร้อนขึ้นอยู่กับการเคลื่อนที่ของอนุภาคที่ไม่เป็นระเบียบ (วุ่นวาย)

ยิ่งร่างกายร้อนขึ้นเท่าใดโมเลกุลที่เป็นส่วนประกอบของมันก็จะเคลื่อนที่เร็วขึ้นเท่านั้น การเคลื่อนที่ของอนุภาคจะยิ่งผิดปกติมากขึ้น นอกจากนี้ทุกคนก็รู้ดีว่าคำสั่งนั้นอาจกลายเป็นความสับสนวุ่นวายได้อย่างง่ายดายซึ่งเป็นเรื่องยากมากที่จะสั่ง

ในชั้นประถมศึกษาปีที่ 8 เราได้พูดคุยเกี่ยวกับเรื่องเครื่องยนต์ความร้อน จำไว้ว่าเครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่พลังงานภายในของเชื้อเพลิงถูกเปลี่ยนเป็นพลังงานกล

ตัวอย่างเช่นพิจารณาก๊าซในกระบอกสูบใต้ลูกสูบ เห็นได้ชัดว่าในการตั้งลูกสูบให้เคลื่อนที่จำเป็นต้องมีความแตกต่างของแรงดันทั้งสองด้านของลูกสูบ ในเครื่องยนต์ความร้อนความแตกต่างนี้ทำได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิของก๊าซ ก๊าซอุ่นมีพลังงานภายในมากพอและขยายตัวได้

อย่างไรก็ตามเมื่อขยายตัวก๊าซจะเย็นตัวลงและสูญเสียพลังงานภายใน แน่นอนว่าสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ปกติ วัฏจักร... นั่นคือหลังจากเสร็จสิ้นการทำงานแล้วก๊าซจะต้องกลับคืนสู่สภาพเดิม

ดังนั้นแผนภาพพื้นฐานของการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนมีดังนี้: ความร้อนจำนวนหนึ่งถูกถ่ายเทจากเครื่องทำความร้อนไปยังของเหลวที่ใช้งานได้ (นั่นคือก๊าซ)

ซึ่งหมายถึงการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงอันเป็นผลมาจากการที่อุณหภูมิของก๊าซเพิ่มขึ้นหลายร้อยองศา พลังงานภายในของก๊าซจะเพิ่มขึ้นและเนื่องจากมันจะทำงานจนกว่าจะเย็นลงจนถึงอุณหภูมิของตู้เย็น (ตามกฎแล้วสภาพแวดล้อมจะมีบทบาทของตู้เย็น) เห็นได้ชัดว่าก๊าซไม่สามารถสูญเสียพลังงานภายในทั้งหมดได้ (เว้นแต่จะเย็นลงจนเป็นศูนย์สัมบูรณ์) ดังนั้นความร้อนบางส่วนจะถูกถ่ายเทไปยังตู้เย็น

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

แน่นอนว่าเครื่องยนต์ใด ๆ มีลักษณะเด่นเช่นค่าประสิทธิภาพ สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนประสิทธิภาพจะเท่ากับอัตราส่วนของงานที่เครื่องยนต์ทำต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน:

หากเราแทนที่นิพจน์สำหรับงานที่มีประโยชน์ในสมการนี้เราจะตรวจสอบให้แน่ใจว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนต้องไม่เกินหนึ่ง (นั่นคือไม่เกิน 100%):

เพื่อความชัดเจนเราสามารถแสดงภาพการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนได้

กฎของอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถคำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนที่กำหนด Sadi Carnot นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรได้ทำครั้งแรก Carnot ตัดสินอย่างถูกต้องว่าเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติจะมีประสิทธิภาพสูงสุด ในเครื่องยนต์ความร้อนนี้ของเหลวที่ใช้งานได้เป็นก๊าซในอุดมคติและวงจรประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบต

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

ของเหลวที่ใช้งานได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q 1 จากเครื่องทำความร้อนจะให้ความร้อนส่วนหนึ่งโมดูโล | Q2 | ไปยังตู้เย็น ดังนั้นงานที่ทำอยู่จึงไม่สามารถทำได้มากกว่านี้ A \u003d Q 1- | คำถาม 2 |.อัตราส่วนของงานนี้ต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากก๊าซที่ขยายตัวจากเครื่องทำความร้อนเรียกว่า ประสิทธิภาพ เครื่องทำความร้อน:

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานในรอบปิดนั้นน้อยกว่าหนึ่งเสมอ งานของวิศวกรรมพลังงานความร้อนคือการทำให้ประสิทธิภาพสูงที่สุดนั่นคือการใช้ความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์ให้มากที่สุดในการทำงาน จะทำได้อย่างไร?
เป็นครั้งแรกที่กระบวนการวัฏจักรที่สมบูรณ์แบบที่สุดซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มและอะเดียแบตถูกเสนอโดยนักฟิสิกส์และวิศวกรชาวฝรั่งเศส S. Carnot ในปีพ. ศ. 2367

วงจร Carnot

สมมติว่าก๊าซอยู่ในกระบอกสูบผนังและลูกสูบซึ่งทำจากวัสดุฉนวนความร้อนและด้านล่างทำจากวัสดุที่มีการนำความร้อนสูง ปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซคือ V 1.

รูปภาพ 2

เราจะนำกระบอกสูบไปสัมผัสกับฮีตเตอร์ (รูปที่ 2) และปล่อยให้ก๊าซขยายตัวจากความร้อนและทำงาน . ในเวลาเดียวกันก๊าซได้รับความร้อนบางส่วนจากเครื่องทำความร้อน คำถามที่ 1.กระบวนการนี้แสดงเป็นกราฟิกโดยไอโซเทอร์ม (เส้นโค้ง AB).

รูปที่ 3

เมื่อปริมาตรก๊าซเท่ากับค่าหนึ่ง วี 1 '< V 2 , ด้านล่างของกระบอกสูบถูกแยกออกจากเครื่องทำความร้อน , หลังจากนั้นก๊าซจะขยายตัวเป็นปริมาตร วี 2,สอดคล้องกับจังหวะสูงสุดที่เป็นไปได้ของลูกสูบในกระบอกสูบ (adiabat อา). ในกรณีนี้ก๊าซจะถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิ T 2< T 1 .
ขณะนี้สามารถบีบอัดก๊าซที่ระบายความร้อนด้วยความร้อนได้ที่อุณหภูมิ T2.ในการทำเช่นนี้เขาจะต้องสัมผัสกับร่างกายที่มีอุณหภูมิเท่ากัน ท 2,เช่นตู้เย็น , และบีบอัดก๊าซด้วยแรงภายนอก อย่างไรก็ตามในกระบวนการนี้ก๊าซจะไม่กลับคืนสู่สภาพเดิม - อุณหภูมิของมันจะต่ำกว่าเสมอ ที 1.
ดังนั้นการบีบอัดความร้อนจะถูกนำไปยังปริมาตรกลาง V 2 '\u003e V 1(ไอโซเทอร์ม ซีดี). ในกรณีนี้ก๊าซจะระบายความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น คำถาม 2เท่ากับงานบีบอัดที่ทำกับมัน หลังจากนั้นก๊าซจะถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติกให้ได้ปริมาตร วี 1,ในขณะที่อุณหภูมิสูงขึ้นถึง ที 1(อะเดียบัต DA). ตอนนี้ก๊าซกลับสู่สภาพเดิมซึ่งปริมาตรเท่ากับ V 1 อุณหภูมิคือ ท 1,ความดัน - หน้า 1และรอบสามารถทำซ้ำได้อีกครั้ง

ดังนั้นบนเว็บไซต์ ABCแก๊สทำงาน (A\u003e 0), และบนเว็บไซต์ CDAงานเสร็จแล้วกับแก๊ส (และ< 0). บนเว็บไซต์ อาและ ค.ศ.งานทำได้โดยการเปลี่ยนพลังงานภายในของก๊าซเท่านั้น เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ยูบีซี \u003d - UDAจากนั้นงานสำหรับกระบวนการอะเดียแบติกจะเท่ากัน: ABC \u003d –ADAดังนั้นงานทั้งหมดที่ทำต่อรอบจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างงานที่ทำระหว่างกระบวนการความร้อนใต้พิภพ (ส่วน AB และ ซีดี). ในเชิงตัวเลขงานนี้เท่ากับพื้นที่ของรูปที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งของวงจร เอบีซีดี.
ความร้อนเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ QT,ได้รับจากเครื่องทำความร้อนเท่ากับ QT 1 - | QT 2 |.ดังนั้นในวงจร Carnot งานที่มีประโยชน์ A \u003d QT 1- | จำนวน 2 |.
ประสิทธิภาพสูงสุดของวงจรในอุดมคติดังที่แสดงโดย S. Carnot สามารถแสดงได้ในรูปของอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน (ท 1) และตู้เย็น (ท 2):

ในเครื่องยนต์จริงไม่สามารถทำวงจรที่ประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลและอะเดียแบติกในอุดมคติได้ ดังนั้นประสิทธิภาพของรอบที่ดำเนินการในเครื่องยนต์จริงจึงน้อยกว่าประสิทธิภาพของวงจร Carnot เสมอ (ที่อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นเดียวกัน):

สูตรนี้แสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนสูงขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นยิ่งต่ำลงเท่าใดประสิทธิภาพของมอเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

Carnot Nicola Leonard Sadi (1796-1832) - วิศวกรและนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสที่มีพรสวรรค์ซึ่งเป็นหนึ่งในผู้ก่อตั้งอุณหพลศาสตร์ ในผลงานของเขาเรื่อง "การสะท้อนถึงพลังขับเคลื่อนของไฟและเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาพลังนี้ได้" (1824) เขาแสดงให้เห็นครั้งแรกว่าเครื่องยนต์ความร้อนสามารถทำงานได้เฉพาะในช่วงที่เปลี่ยนความร้อนจากร่างกายที่ร้อนเป็นเย็น Carnot ได้คิดค้นเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ในอุดมคติและพิสูจน์แล้วว่าค่าสัมประสิทธิ์นี้เป็นค่าสูงสุดสำหรับเครื่องยนต์ความร้อนจริง
เพื่อช่วยในการวิจัยของเขา Carnot ได้ประดิษฐ์ (บนกระดาษ) ในปีพ. ศ. บทบาทที่สำคัญของเครื่องยนต์ Carnot ไม่เพียง แต่ในการนำไปใช้งานจริงเท่านั้น แต่ยังช่วยให้สามารถอธิบายหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนโดยทั่วไปได้ ความสำคัญไม่น้อยไปกว่ากันคือความจริงที่ว่า Carnot ด้วยความช่วยเหลือของเครื่องยนต์ของเขาสามารถมีส่วนสำคัญในการพิสูจน์และเข้าใจกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ กระบวนการทั้งหมดในเครื่อง Carnot ถือเป็นดุลยภาพ (ย้อนกลับได้) กระบวนการย้อนกลับเป็นกระบวนการที่ดำเนินไปอย่างช้าๆจนถือได้ว่าเป็นการเปลี่ยนตามลำดับจากสถานะสมดุลหนึ่งไปยังอีกสถานะหนึ่งเป็นต้นและกระบวนการทั้งหมดสามารถดำเนินไปในทิศทางตรงกันข้ามได้โดยไม่ต้องเปลี่ยนงานที่ทำและปริมาณความร้อนที่ถ่ายโอน (โปรดทราบว่ากระบวนการจริงทั้งหมดไม่สามารถย้อนกลับได้) กระบวนการหรือวัฏจักรแบบวงกลมจะดำเนินการในเครื่องซึ่งระบบหลังจากชุดการเปลี่ยนแปลงจะกลับสู่สถานะเดิม วัฏจักรคาร์โนต์ประกอบด้วยไอโซเทอร์ม 2 ตัวและอะเดียแบตสองตัว เส้นโค้ง A - B และ C - D เป็นไอโซเทอร์มและเส้นโค้ง B - C และ D - A เป็นอะเดียแบต ประการแรกก๊าซจะขยายตัวโดยไม่ได้รับความร้อนที่อุณหภูมิ T 1 ในเวลาเดียวกันเขาได้รับปริมาณความร้อน Q 1 จากเครื่องทำความร้อน จากนั้นจะขยายตัวแบบอะเดียแบติกและไม่แลกเปลี่ยนความร้อนกับร่างกายโดยรอบ ตามด้วยการบีบอัดความร้อนใต้พิภพของก๊าซที่อุณหภูมิ T 2 ในกระบวนการนี้ก๊าซจะให้ปริมาณความร้อน Q 2 ไปยังตู้เย็น ในที่สุดก๊าซจะถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติกและกลับสู่สถานะเริ่มต้น ในระหว่างการขยายตัวของไอโซเทอร์มอลก๊าซจะทำงาน A "1\u003e 0 เท่ากับปริมาณความร้อน Q 1 ด้วยการขยายตัวแบบอะเดียแบติก B - C งานบวก A" 3 จะเท่ากับการลดลงของพลังงานภายในเมื่อก๊าซถูกทำให้เย็นลงจากอุณหภูมิ T 1 ถึงอุณหภูมิ T 2: A "3 \u003d - dU 1.2 \u003d U (T 1) -U (T 2) การบีบอัดไอโซเทอร์มอลที่อุณหภูมิ T 2 ต้องใช้งาน A 2 กับก๊าซก๊าซจะทำงานเชิงลบที่สอดคล้องกัน A "2 \u003d -A 2 \u003d Q 2 ในที่สุดการบีบอัดอะเดียแบติกต้องใช้งาน A 4 \u003d dU 2.1 บนแก๊ส การทำงานของก๊าซเอง A "4 \u003d -A 4 \u003d -dU 2.1 \u003d U (T 2) -U (T 1) ดังนั้นการทำงานทั้งหมดของก๊าซในสองกระบวนการอะเดียแบติกจึงเท่ากับศูนย์ในระหว่างวัฏจักรก๊าซจะทำงาน A" \u003d A "1 + ก "2 \u003d Q 1 + Q 2 \u003d | Q 1 | - | Q 2 |. งานนี้มีค่าเป็นตัวเลขเท่ากับพื้นที่ของรูปที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งของวงจรในการคำนวณประสิทธิภาพจำเป็นต้องคำนวณงานในระหว่างกระบวนการความร้อนใต้พิภพ A - B และ C - D การคำนวณนำไปสู่ผลลัพธ์ต่อไปนี้: (2) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน Carnot เท่ากับอัตราส่วนของความแตกต่างระหว่างอุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อน ความสำคัญหลักของสูตร (2) ที่ Carnot ได้รับสำหรับประสิทธิภาพของเครื่องจักรในอุดมคติคือการกำหนดประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ Carnot พิสูจน์ทฤษฎีบทดังต่อไปนี้: เครื่องยนต์ความร้อนจริงใด ๆ ที่ทำงานด้วยเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ T 1 และตู้เย็นที่อุณหภูมิ T 2 ไม่สามารถมีประสิทธิภาพที่เกินประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจริงสูตร (2) ให้ขีด จำกัด ทางทฤษฎีสำหรับมูลค่าสูงสุดของประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน แสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิของฮีตเตอร์สูงขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นยิ่งลดลงเท่าไหร่เครื่องยนต์ความร้อนก็ยิ่งมีประสิทธิภาพ เฉพาะที่อุณหภูมิของตู้เย็นเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้นประสิทธิภาพคือ 1 ในเครื่องยนต์ความร้อนจริงกระบวนการต่างๆจะดำเนินไปอย่างรวดเร็วจนการลดลงและเพิ่มขึ้นของพลังงานภายในของสารทำงานที่มีการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรไม่มีเวลาชดเชยโดยการไหลเข้าของพลังงานจากเครื่องทำความร้อนและการถ่ายเทพลังงานไปยังตู้เย็น ดังนั้นจึงไม่สามารถรับรู้กระบวนการความร้อนใต้พิภพได้ เช่นเดียวกับกระบวนการอะเดียแบติกอย่างเคร่งครัดเนื่องจากไม่มีฉนวนกันความร้อนในอุดมคติ วงจรที่ดำเนินการในเครื่องยนต์ความร้อนจริงประกอบด้วยไอโซโทปสองตัวและอะเดียแบตสองตัว (ในวงจรอ็อตโต) ของอะเดียแบตสองไอโซบาร์และไอโซฮอร์ (ในวงจรดีเซล) ของอะเดียแบตสองตัวและไอโซบาร์สองตัว (ในกังหันก๊าซ) เป็นต้นในกรณีนี้หนึ่งชิ้นควรมี หมายความว่าวัฏจักรเหล่านี้สามารถเป็นอุดมคติเช่นเดียวกับวัฏจักรคาร์โนต์ แต่สำหรับสิ่งนี้จำเป็นที่อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นจะไม่คงที่เช่นเดียวกับในวัฏจักร Carnot แต่จะเปลี่ยนไปในลักษณะเดียวกับที่อุณหภูมิของสารทำงานเปลี่ยนแปลงในกระบวนการทำความร้อนและความเย็นแบบไอโซโคริก กล่าวอีกนัยหนึ่งสารที่ใช้งานได้จะต้องสัมผัสกับเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นจำนวนมาก - เฉพาะในกรณีนี้เท่านั้นที่จะมีการถ่ายเทความร้อนแบบสมดุลบนไอโซชอร์ แน่นอนว่าในวัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนจริงกระบวนการนั้นไม่มีความสมดุลอันเป็นผลมาจากประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจริงที่ช่วงอุณหภูมิเดียวกันนั้นต่ำกว่าประสิทธิภาพของวงจรคาร์โนต์มาก ในขณะเดียวกันนิพจน์ (2) มีบทบาทอย่างมากในอุณหพลศาสตร์และเป็น "สัญญาณ" ชนิดหนึ่งที่บ่งบอกถึงวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่แท้จริง
	ในวงจรออตโตก่อนอื่นส่วนผสมที่ทำงาน 1-2 จะถูกดูดเข้าไปในกระบอกสูบจากนั้นบีบอัดแอเดียแบติก 2-3 และหลังจากการเผาไหม้ไอโซโคริค 3-4 พร้อมกับการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิและความดันของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้การขยายตัวของอะเดียแบติกจะเกิดขึ้น 4-5 จากนั้นความดันไอโซคอริกจะลดลง 5 -2 และ isobaric ขับไล่ก๊าซไอเสียโดยลูกสูบ 2-1 เนื่องจากงานไม่ได้ดำเนินการบนไอโซโทปและการทำงานระหว่างการดูดส่วนผสมที่ใช้งานได้และการขับไล่ก๊าซไอเสียมีค่าเท่ากันและตรงข้ามกันการทำงานที่เป็นประโยชน์ในหนึ่งรอบจึงเท่ากับความแตกต่างระหว่างการทำงานบนอะเดียแบตของการขยายตัวและการบีบอัดและแสดงเป็นภาพกราฟิกตามพื้นที่ของวงจร
เมื่อเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจริงกับประสิทธิภาพของวงจร Carnot ควรสังเกตว่าในนิพจน์ (2) อุณหภูมิ T 2 ในกรณีพิเศษอาจตรงกับอุณหภูมิโดยรอบซึ่งเราใช้สำหรับตู้เย็นในกรณีทั่วไปอุณหภูมิจะสูงเกินอุณหภูมิของสิ่งแวดล้อม ตัวอย่างเช่นในเครื่องยนต์สันดาปภายใน T 2 ควรเข้าใจว่าเป็นอุณหภูมิของก๊าซไอเสียไม่ใช่อุณหภูมิของสิ่งแวดล้อมที่มีการผลิตไอเสีย
	รูปแสดงวัฏจักรของเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะที่มีการเผาไหม้แบบไอโซแบริค (รอบดีเซล) แตกต่างจากรอบก่อนหน้านี้จะถูกดูดซึมในส่วนที่ 1-2 อากาศในบรรยากาศซึ่งอยู่ภายใต้การบีบอัดอะเดียแบติกในส่วนที่ 2-3 ถึง 3 10 6-3 10 5 Pa เชื้อเพลิงเหลวที่ฉีดเข้าไปจะจุดระเบิดในสภาพแวดล้อมที่มีการบีบอัดสูงซึ่งหมายถึงอากาศร้อนและเผาไหม้โดยไอโซบาติก 3-4 จากนั้นการขยายตัวของอะเดียแบติกของผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ 4-5 ส่วนที่เหลือของกระบวนการ 5-2 และ 2-1 ดำเนินการในลักษณะเดียวกับในรอบก่อนหน้า ควรจำไว้ว่าในเครื่องยนต์สันดาปภายในรอบจะถูกปิดตามเงื่อนไขเนื่องจากก่อนที่แต่ละรอบกระบอกสูบจะเต็มไปด้วยมวลของสารทำงานซึ่งจะถูกโยนออกจากกระบอกสูบเมื่อสิ้นสุดรอบ
แต่อุณหภูมิของตู้เย็นไม่สามารถต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบได้มากนัก คุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนได้ อย่างไรก็ตามวัสดุใด ๆ (ของแข็ง) มีความต้านทานความร้อน จำกัด หรือทนต่อความร้อน เมื่อได้รับความร้อนจะค่อยๆสูญเสียคุณสมบัติในการยืดหยุ่นและที่อุณหภูมิสูงเพียงพอจะละลาย ตอนนี้ความพยายามหลักของวิศวกรมุ่งเป้าไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์โดยการลดแรงเสียดทานของชิ้นส่วนการสูญเสียเชื้อเพลิงเนื่องจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ ฯลฯ ความเป็นไปได้ที่แท้จริงในการเพิ่มประสิทธิภาพยังคงมีอยู่มากที่นี่ ดังนั้นสำหรับกังหันไอน้ำอุณหภูมิเริ่มต้นและอุณหภูมิสุดท้ายของไอน้ำจะอยู่ที่ประมาณดังนี้: T 1 \u003d 800 K และ T 2 \u003d 300 K. ที่อุณหภูมิเหล่านี้ค่าสูงสุดของประสิทธิภาพคือ: มูลค่าที่แท้จริงของประสิทธิภาพเนื่องจากการสูญเสียพลังงานประเภทต่างๆอยู่ที่ประมาณ 40% เครื่องยนต์สันดาปภายในมีประสิทธิภาพสูงสุด - ประมาณ 44% ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ ต้องไม่เกินค่าสูงสุดที่เป็นไปได้ โดยที่ T 1 คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อนและ T 2 คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของตู้เย็น การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนและทำให้เครื่องยนต์เข้าใกล้ค่าสูงสุดเป็นปัญหาทางเทคนิคที่สำคัญที่สุด

อสมการ Clausius

(พ.ศ. 2397): ปริมาณความร้อนที่ระบบได้รับในกระบวนการวงกลมใด ๆ หารด้วยอุณหภูมิสัมบูรณ์ที่ได้รับ ( ให้ ปริมาณความร้อน) ไม่เป็นบวก

ปริมาณความร้อนที่ให้มา กึ่งคงที่ ที่ระบบได้รับไม่ได้ขึ้นอยู่กับเส้นทางการเปลี่ยนแปลง (กำหนดโดยสถานะเริ่มต้นและสถานะสุดท้ายของระบบเท่านั้น) - สำหรับ กึ่งคงที่ กระบวนการ ความไม่เท่าเทียมของ Clausius กลายเป็น ความเท่าเทียมกัน .

เอนโทรปีฟังก์ชันของรัฐ ส ระบบอุณหพลศาสตร์การเปลี่ยนแปลงที่ dS สำหรับการเปลี่ยนแปลงที่ย้อนกลับได้เล็กน้อยอย่างไม่สิ้นสุดในสถานะของระบบจะเท่ากับอัตราส่วนของปริมาณความร้อนที่ระบบได้รับในกระบวนการนี้ (หรือนำออกไปจากระบบ) กับอุณหภูมิที่แน่นอน T:

ปริมาณ dSเป็นผลต่างทั้งหมดเช่น การรวมเข้ากับเส้นทางที่เลือกโดยพลการทำให้เกิดความแตกต่างระหว่างค่า เอนโทรปี ในสถานะเริ่มต้น (A) และสุดท้าย (B):

ความร้อนไม่ใช่หน้าที่ของสถานะดังนั้นอินทิกรัลของδQจึงขึ้นอยู่กับเส้นทางการเปลี่ยนแปลงที่เลือกระหว่างสถานะ A และ B เอนโทรปี วัดเป็น J / (mol · deg)

แนวคิด เอนโทรปี ตามหน้าที่ของสถานะของระบบจะถูกตั้งสมมติฐาน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ซึ่งแสดงออกผ่าน เอนโทรปี ความแตกต่างระหว่าง กระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้และย้อนกลับได้... สำหรับ dS แรก\u003e δQ / T สำหรับ dS ที่สอง \u003d δQ / T

เอนโทรปีเป็นฟังก์ชัน กำลังภายใน ยู ระบบปริมาตร V และจำนวนโมล ฉันฉันส่วนประกอบ th เป็นฟังก์ชันลักษณะเฉพาะ (ดู. ศักยภาพทางอุณหพลศาสตร์). นี่เป็นผลมาจากหลักการแรกและที่สองของอุณหพลศาสตร์และเขียนโดยสมการ:

ที่ไหน ร - ความดัน, μ i - ศักยภาพทางเคมี ผมองค์ประกอบ th. อนุพันธ์ เอนโทรปี กับตัวแปรธรรมชาติ U, V. และ ฉัน มีค่าเท่ากัน:

ลิงค์สูตรง่ายๆ เอนโทรปี ด้วยความจุความร้อนที่ความดันคงที่ คพี และปริมาตรคงที่ ประวัติย่อ:

ผ่าน เอนโทรปี เงื่อนไขในการบรรลุสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ของระบบถูกกำหนดโดยความคงที่ของพลังงานภายในปริมาตรและจำนวนโมล ผมองค์ประกอบที่ -th (ระบบแยก) และสภาพความเสถียรของดุลยภาพดังกล่าว:

ก็หมายความว่า เอนโทรปี ระบบที่แยกได้ถึงจุดสูงสุดในสภาวะสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ กระบวนการที่เกิดขึ้นเองในระบบสามารถดำเนินไปในทิศทางที่เพิ่มขึ้นเท่านั้น เอนโทรปี.

เอนโทรปีอยู่ในกลุ่มของฟังก์ชันทางอุณหพลศาสตร์ที่เรียกว่าฟังก์ชัน Massier-Planck ฟังก์ชันอื่น ๆ ที่อยู่ในกลุ่มนี้ - ฟังก์ชัน Massier ฉ 1 = S - (1 / T) U และฟังก์ชันพลังค์Ф 2 \u003d S - (1 / T) U - (p / T) Vสามารถหาได้โดยใช้การแปลง Legendre กับเอนโทรปี

ตามกฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ (ดู. ทฤษฎีบทความร้อน), การเปลี่ยนแปลง เอนโทรปี ในปฏิกิริยาเคมีที่ผันกลับได้ระหว่างสารในสถานะควบแน่นมีแนวโน้มที่จะเป็นศูนย์ที่ ที→0:

สมมุติฐานของพลังค์ (การกำหนดทางเลือกของทฤษฎีบทเชิงความร้อน) กำหนดสิ่งนั้น เอนโทรปี สารประกอบทางเคมีใด ๆ ในสถานะควบแน่นที่อุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เป็นศูนย์ตามเงื่อนไขและสามารถใช้เป็นจุดอ้างอิงเมื่อกำหนดค่าสัมบูรณ์ เอนโทรปี สารที่อุณหภูมิใด ๆ สมการ (1) และ (2) กำหนด เอนโทรปี ถึงระยะคงที่

ในทางเคมี อุณหพลศาสตร์ แนวคิดต่อไปนี้ใช้กันอย่างแพร่หลาย: มาตรฐาน เอนโทรปี S 0 เช่น เอนโทรปี ที่ความกดดัน ร\u003d 1.01 · 10 5 Pa (1 atm); มาตรฐาน เอนโทรปี ปฏิกิริยาเคมีเช่น ความแตกต่างของมาตรฐาน เอนโทรปีผลิตภัณฑ์และน้ำยา ฟันกรามบางส่วน เอนโทรปี ส่วนประกอบของระบบหลายองค์ประกอบ

ในการคำนวณสมดุลทางเคมีให้ใช้สูตร:

ที่ไหน ถึง - ค่าคงที่สมดุลและเป็นมาตรฐานตามลำดับ พลังงานกิ๊บส์เอนทัลปีและเอนโทรปีของปฏิกิริยา ร - ก๊าซคงที่

ความหมายของแนวคิด เอนโทรปี สำหรับระบบไม่มีสมดุลนั้นขึ้นอยู่กับแนวคิดของสมดุลทางอุณหพลศาสตร์ในท้องถิ่น ดุลยภาพในพื้นที่หมายถึงการเติมเต็มสมการ (3) สำหรับปริมาณเล็กน้อยของระบบที่ไม่สมดุลโดยรวม (ดู. อุณหพลศาสตร์ของกระบวนการที่ผันกลับไม่ได้). ในกรณีของกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบการผลิต (เกิดขึ้น) เอนโทรปี... ความแตกต่างเต็มรูปแบบ เอนโทรปี ถูกกำหนดในกรณีนี้โดยอสมการ Carnot-Clausius:

ที่ไหน dS i\u003e0 - ส่วนต่าง เอนโทรปีไม่เกี่ยวข้องกับการไหลของความร้อน แต่เกิดจากการผลิต เอนโทรปีเนื่องจากกระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในระบบ ( การแพร่กระจาย. การนำความร้อน, ปฏิกริยาเคมี ฯลฯ ). การผลิตในท้องถิ่น เอนโทรปี (t - เวลา) แสดงเป็นผลรวมของผลคูณทางอุณหพลศาสตร์ทั่วไป X ผม ไปยังกระแสทางอุณหพลศาสตร์ทั่วไป จิ:

การผลิต เอนโทรปี เนื่องจากตัวอย่างเช่นการแพร่กระจายของส่วนประกอบ ผม เนื่องจากแรงและการไหลของสสาร เจ; การผลิต เอนโทรปี เนื่องจากปฏิกิริยาทางเคมี - โดยแรง X \u003d A / Tที่ไหน และ- ความสัมพันธ์ทางเคมีและฟลักซ์ เจเท่ากับอัตราการเกิดปฏิกิริยา ในอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติ เอนโทรปี ของระบบแยกถูกกำหนดโดยอัตราส่วน: โดยที่ k - ค่าคงที่ Boltzmann... - น้ำหนักทางอุณหพลศาสตร์ของสถานะเท่ากับจำนวนสถานะควอนตัมที่เป็นไปได้ของระบบโดยมีค่าพลังงานปริมาตรจำนวนอนุภาคที่กำหนด สภาวะสมดุลของระบบสอดคล้องกับความเท่าเทียมกันของประชากรของสถานะควอนตัมเดี่ยว (ไม่เสื่อมสภาพ) จากน้อยไปมาก เอนโทรปี ในกระบวนการที่ย้อนกลับไม่ได้มันเกี่ยวข้องกับการสร้างการกระจายพลังงานที่เป็นไปได้ของระบบระหว่างระบบย่อยแต่ละระบบ คำจำกัดความทั่วไปทางสถิติ เอนโทรปีซึ่งยังใช้กับระบบที่ไม่แยกส่วนเชื่อมต่อ เอนโทรปี ด้วยความน่าจะเป็นของไมโครสเตตที่แตกต่างกันดังนี้:

ที่ไหน w ผม - ความน่าจะเป็น ผมรัฐ.

แน่นอน เอนโทรปี สารประกอบทางเคมีถูกกำหนดโดยการทดลองส่วนใหญ่โดยวิธีแคลอรี่เมตริกตามอัตราส่วน:

การใช้หลักการที่สองช่วยให้คุณสามารถกำหนดได้ เอนโทรปี ปฏิกิริยาเคมีตามข้อมูลการทดลอง (วิธีแรงเคลื่อนไฟฟ้าวิธีความดันไอ ฯลฯ ) สามารถคำนวณได้ เอนโทรปี สารประกอบทางเคมีโดยวิธีทางอุณหพลศาสตร์เชิงสถิติโดยอาศัยค่าคงที่ของโมเลกุลน้ำหนักโมเลกุลเรขาคณิตของโมเลกุลความถี่ของการสั่นปกติ แนวทางนี้ประสบความสำเร็จสำหรับก๊าซในอุดมคติ สำหรับขั้นตอนที่ควบแน่นการคำนวณทางสถิติให้ความแม่นยำต่ำกว่ามากและดำเนินการในบางกรณี ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมามีความก้าวหน้าอย่างมากในด้านนี้

หัวข้อ:“ หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน เครื่องทำความร้อน อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด ".

แบบฟอร์ม: บทเรียนรวมโดยใช้เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์

วัตถุประสงค์:

• แสดงความสำคัญของการใช้เครื่องยนต์ความร้อนในชีวิตมนุษย์
• เพื่อศึกษาหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจริงและเครื่องยนต์ในอุดมคติที่ทำงานตามวัฏจักรคาร์โนต์
• พิจารณาวิธีที่เป็นไปได้ในการปรับปรุงประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริง
• พัฒนาความอยากรู้อยากเห็นของนักเรียนความสนใจในความคิดสร้างสรรค์ทางเทคนิคเคารพในความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร

แผนการเรียน.

เลขที่ P / p	คำถาม	เวลา (นาที)
1	แสดงความจำเป็นในการใช้เครื่องยนต์ความร้อนในสภาวะสมัยใหม่
2	การทำซ้ำแนวคิดของ "เครื่องยนต์ความร้อน" ประเภทของเครื่องยนต์ความร้อน: ICE (คาร์บูเรเตอร์ดีเซล) กังหันไอน้ำและก๊าซเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทและจรวด
3	คำอธิบายของเนื้อหาทางทฤษฎีใหม่ โครงการและอุปกรณ์ของเครื่องยนต์ความร้อนหลักการทำงานประสิทธิภาพ Carnot cycle เครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติประสิทธิภาพของมัน การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่แท้จริงและในอุดมคติ
4	แนวทางแก้ไขปัญหาหมายเลข 703 (Stepanova), หมายเลข 525 (Bendrikov)
5	ทำงานกับโมเดลเครื่องยนต์ความร้อน
6	สรุป การบ้าน§ 33 ปัญหาหมายเลข 700 และหมายเลข 697 (Stepanova)

วัสดุทางทฤษฎี

ตั้งแต่สมัยโบราณคน ๆ หนึ่งต้องการปลดปล่อยตัวเองจากความพยายามทางร่างกายหรือแบ่งเบาพวกเขาเมื่อเคลื่อนไหวบางอย่างเพื่อให้มีความแข็งแกร่งและรวดเร็วมากขึ้น
ตำนานถูกสร้างขึ้นเกี่ยวกับพรมเครื่องบินรองเท้าบู๊ตเจ็ดลีกและพ่อมดที่พาบุคคลไปยังดินแดนอันห่างไกลด้วยคลื่นของไม้กายสิทธิ์ การแบกน้ำหนักผู้คนคิดค้นรถลากขึ้นมาเพราะการรีดง่ายกว่า จากนั้นพวกเขาก็ดัดแปลงสัตว์เช่นวัวกวางสุนัขม้าส่วนใหญ่ทั้งหมด นี่คือลักษณะที่รถเข็นและรถม้าปรากฏขึ้น ในทีมงานผู้คนต่างพยายามเพื่อความสะดวกสบายปรับปรุงพวกเขามากขึ้นเรื่อย ๆ
ความปรารถนาของผู้คนที่จะเพิ่มความเร็วยังเร่งให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเหตุการณ์ในประวัติศาสตร์ของการพัฒนาการขนส่ง จากภาษากรีก "รถยนต์" - "ตัวเอง" และ "โมบิลิส" ในภาษาละติน - "มือถือ" ในภาษายุโรปคำคุณศัพท์ "ขับเคลื่อนด้วยตัวเอง" ตามตัวอักษร "อัตโนมัติ - มือถือ" ถูกสร้างขึ้น

มันหมายถึงนาฬิกาตุ๊กตาอัตโนมัติไปจนถึงกลไกทุกชนิดโดยทั่วไปไปจนถึงทุกสิ่งทุกอย่างที่ทำหน้าที่เป็นส่วนเสริมของ "ความต่อเนื่อง" "การปรับปรุง" ของบุคคล ในศตวรรษที่ 18 พวกเขาพยายามแทนที่กำลังคนด้วยไอน้ำและใช้คำว่า "รถ" กับยานพาหนะที่ไม่มีร่องรอย

เหตุใดอายุของรถจึงถูกนำมาจาก "รถยนต์เบนซิน" คันแรกที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งคิดค้นและสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2428-2499? ราวกับว่าลืมเรื่องลูกเรือไอน้ำและแบตเตอรี่ (ไฟฟ้า) ความจริงก็คือเครื่องยนต์สันดาปภายในได้ปฏิวัติเทคโนโลยีการขนส่งอย่างแท้จริง เป็นเวลานานมันกลายเป็นสิ่งที่สอดคล้องกับความคิดของรถยนต์มากที่สุดดังนั้นจึงคงตำแหน่งที่โดดเด่นมาเป็นเวลานาน ส่วนแบ่งของรถยนต์ที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในในปัจจุบันมีมากกว่า 99.9% ของการขนส่งทางถนนของโลก<เอกสารแนบ 1 >

ชิ้นส่วนหลักของเครื่องยนต์ความร้อน

ในเทคโนโลยีสมัยใหม่พลังงานกลได้มาจากพลังงานภายในของเชื้อเพลิงเป็นหลัก อุปกรณ์ที่เปลี่ยนพลังงานภายในเป็นพลังงานกลเรียกว่าเครื่องยนต์ความร้อน<ภาคผนวก 2 >

ในการทำงานโดยการเผาเชื้อเพลิงในอุปกรณ์ที่เรียกว่าเครื่องทำความร้อนคุณสามารถใช้กระบอกสูบที่ก๊าซร้อนขึ้นและขยายตัวและเคลื่อนลูกสูบ<ภาคผนวก 3 \u003e ก๊าซซึ่งการขยายตัวซึ่งทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่เรียกว่าของเหลวที่ใช้งานได้ ก๊าซขยายตัวเนื่องจากความดันสูงกว่าความดันภายนอก แต่เมื่อก๊าซขยายตัวความดันจะลดลงและไม่ช้าก็เร็วมันจะเท่ากับความดันภายนอก จากนั้นการขยายตัวของก๊าซจะสิ้นสุดลงและมันจะหยุดทำงาน

ควรทำอย่างไรเพื่อให้เครื่องยนต์ความร้อนไม่หยุดทำงาน? เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานอย่างต่อเนื่องจำเป็นที่ลูกสูบหลังจากการขยายตัวของก๊าซจะกลับสู่ตำแหน่งเดิมทุกครั้งโดยบีบอัดก๊าซให้อยู่ในสถานะเดิม การบีบอัดของก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้การกระทำของแรงภายนอกเท่านั้นซึ่งในกรณีนี้จะได้ผล (แรงดันก๊าซในกรณีนี้จะทำงานเป็นลบ) หลังจากนั้นกระบวนการขยายตัวและหดตัวของก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้อีกครั้ง ซึ่งหมายความว่าการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนควรประกอบด้วยกระบวนการซ้ำ ๆ เป็นระยะ ๆ (รอบ) ของการขยายตัวและการหดตัว

รูปที่ 1 แสดงกระบวนการขยายตัวของก๊าซแบบกราฟิก (บรรทัด AB) และการบีบอัดไปยังระดับเสียงต้นฉบับ (บรรทัด ซีดี).การทำงานของก๊าซระหว่างการขยายตัวเป็นบวก ( AF\u003e 0 ABEF... การทำงานของก๊าซระหว่างการบีบอัดเป็นค่าลบ (ตั้งแต่ AF< 0 ) และเป็นตัวเลขเท่ากับพื้นที่ของรูป CDEFงานที่เป็นประโยชน์สำหรับรอบนี้จะเท่ากับผลต่างของพื้นที่ใต้เส้นโค้งเป็นตัวเลข ABและ ซีดี(ทาสีทับในรูป)
การมีเครื่องทำความร้อนของเหลวที่ใช้งานได้และตู้เย็นเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นโดยพื้นฐานสำหรับการทำงานเป็นวงจรอย่างต่อเนื่องของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน

ของเหลวที่ใช้งานได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q 1 จากเครื่องทำความร้อนจะให้ความร้อนส่วนหนึ่งโมดูโล | Q2 | ไปยังตู้เย็น ดังนั้นงานที่ทำอยู่จึงไม่สามารถทำได้มากกว่านี้ A \u003d Q 1 - | Q 2 |.อัตราส่วนของงานนี้ต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากก๊าซที่ขยายตัวจากเครื่องทำความร้อนเรียกว่า ประสิทธิภาพเครื่องทำความร้อน:

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานในรอบปิดนั้นน้อยกว่าหนึ่งเสมอ งานของวิศวกรรมพลังงานความร้อนคือการทำให้ประสิทธิภาพสูงที่สุดนั่นคือการใช้ความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์ให้มากที่สุดในการทำงาน จะทำได้อย่างไร?
เป็นครั้งแรกที่กระบวนการวัฏจักรที่สมบูรณ์แบบที่สุดซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มและอะเดียแบตถูกเสนอโดยนักฟิสิกส์และวิศวกรชาวฝรั่งเศส S. Carnot ในปีพ. ศ. 2367

วงจร Carnot

สมมติว่าก๊าซอยู่ในกระบอกสูบผนังและลูกสูบซึ่งทำจากวัสดุฉนวนความร้อนและด้านล่างทำจากวัสดุที่มีการนำความร้อนสูง ปริมาตรที่ครอบครองโดยก๊าซคือ V 1.

เราจะนำกระบอกสูบไปสัมผัสกับฮีตเตอร์ (รูปที่ 2) และปล่อยให้ก๊าซขยายตัวจากความร้อนและทำงาน . ในเวลาเดียวกันก๊าซได้รับความร้อนบางส่วนจากเครื่องทำความร้อน คำถามที่ 1.กระบวนการนี้แสดงเป็นกราฟิกโดยไอโซเทอร์ม (เส้นโค้ง AB).

เมื่อปริมาตรก๊าซเท่ากับค่าหนึ่ง วี 1 '< V 2 , ด้านล่างของกระบอกสูบถูกแยกออกจากเครื่องทำความร้อน , หลังจากนั้นก๊าซจะขยายตัวเป็นปริมาตร วี 2,สอดคล้องกับจังหวะสูงสุดที่เป็นไปได้ของลูกสูบในกระบอกสูบ (adiabat อา). ในกรณีนี้ก๊าซจะถูกทำให้เย็นลงที่อุณหภูมิ T 2< T 1 .
ขณะนี้สามารถบีบอัดก๊าซที่ระบายความร้อนด้วยความร้อนได้ที่อุณหภูมิ T2.ในการทำเช่นนี้เขาจะต้องสัมผัสกับร่างกายที่มีอุณหภูมิเท่ากัน ท 2,เช่นตู้เย็น , และบีบอัดก๊าซด้วยแรงภายนอก อย่างไรก็ตามในกระบวนการนี้ก๊าซจะไม่กลับคืนสู่สภาพเดิม - อุณหภูมิของมันจะต่ำกว่าเสมอ ที 1.
ดังนั้นการบีบอัดความร้อนจะถูกนำไปยังปริมาตรกลาง V 2 '\u003e V 1(ไอโซเทอร์ม ซีดี). ในกรณีนี้ก๊าซจะระบายความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น คำถาม 2เท่ากับงานบีบอัดที่ทำกับมัน หลังจากนั้นก๊าซจะถูกบีบอัดแบบอะเดียแบติกให้ได้ปริมาตร วี 1,ในขณะที่อุณหภูมิสูงขึ้นถึง ที 1(อะเดียบัต DA). ตอนนี้ก๊าซกลับสู่สภาพเดิมซึ่งปริมาตรเท่ากับ V 1 อุณหภูมิคือ ท 1,ความดัน - หน้า 1และรอบสามารถทำซ้ำได้อีกครั้ง

ดังนั้นบนเว็บไซต์ ABCแก๊สทำงาน (A\u003e 0), และบนเว็บไซต์ CDAงานเสร็จแล้วกับแก๊ส (และ< 0). บนเว็บไซต์ อาและ ค.ศ.งานทำได้โดยการเปลี่ยนพลังงานภายในของก๊าซเท่านั้น เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ยูบีซี \u003d -UDAจากนั้นงานสำหรับกระบวนการอะเดียแบติกจะเท่ากัน: ABC \u003d –ADAดังนั้นงานทั้งหมดที่ทำต่อรอบจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างงานที่ทำระหว่างกระบวนการความร้อนใต้พิภพ (ส่วน AB และ ซีดี). ในเชิงตัวเลขงานนี้เท่ากับพื้นที่ของรูปที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งของวงจร เอบีซีดี.
ความร้อนเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์ QT,ได้รับจากเครื่องทำความร้อนเท่ากับ QT 1 - | QT 2 |.ดังนั้นในวงจร Carnot งานที่มีประโยชน์ A \u003d QT 1 - | QT 2 |.
ประสิทธิภาพสูงสุดของวงจรในอุดมคติดังที่แสดงโดย S. Carnot สามารถแสดงได้ในรูปของอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน (ท 1) และตู้เย็น (ท 2):

ในเครื่องยนต์จริงไม่สามารถทำวงจรที่ประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลและอะเดียแบติกในอุดมคติได้ ดังนั้นประสิทธิภาพของรอบที่ดำเนินการในเครื่องยนต์จริงจึงน้อยกว่าประสิทธิภาพของวงจร Carnot เสมอ (ที่อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นเดียวกัน):

สูตรนี้แสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนสูงขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นยิ่งต่ำลงเท่าใดประสิทธิภาพของมอเตอร์ก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

ปัญหาหมายเลข 703

เครื่องยนต์ทำงานตามรอบ Carnot ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะเปลี่ยนไปอย่างไรถ้าอุณหภูมิตู้เย็นคงที่ 17 ° C อุณหภูมิของฮีตเตอร์เพิ่มขึ้นจาก 127 เป็น 447 ° C

ปัญหาหมายเลข 525

กำหนดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์รถแทรกเตอร์ซึ่งต้องใช้เชื้อเพลิง 1.5 กก. โดยมีค่าความร้อนจำเพาะ 4.2 107J / kg เพื่อทำงาน 1.9 107J

ทำการทดสอบคอมพิวเตอร์ในหัวข้อ<ภาคผนวก 4 \u003e ทำงานกับโมเดลเครื่องยนต์ความร้อน