???
1. Koji se uređaj naziva toplotnim strojem?
2. Koja je uloga grijača, hladnjaka i radnog fluida u toplotnom stroju?
3. Šta se zove efikasnost motora?
4. Koja je maksimalna vrijednost efikasnosti toplotnog motora?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, fizika 10. razred

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

Moderna stvarnost uključuje široko rasprostranjen rad toplotnih motora. Brojni pokušaji njihove zamjene elektromotorima do sada su propali. Problemi povezani sa akumulacijom električne energije u autonomnim sistemima rješavaju se s velikim poteškoćama.

I dalje su aktuelni problemi tehnologije za proizvodnju akumulatora električne energije, uzimajući u obzir njihovu dugotrajnu upotrebu. Brzinske karakteristike električnih vozila su daleko od karakteristika automobila na motore sa unutrašnjim sagorevanjem.

Prvi koraci ka stvaranju hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u megagradima, rješavajući ekološke probleme.

Malo istorije

Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju kretanja bila je poznata još u antici. 130. pne: Filozof Heron iz Aleksandrije predstavio je publici parnu igračku - eolipil. Sfera ispunjena parom počela je da se okreće pod dejstvom mlaza koji su izlazili iz nje. Ovaj prototip modernih parnih turbina nije našao primjenu u to vrijeme.

Dugi niz godina i stoljeća razvoj filozofa smatran je samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Italijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. Para pokreće disk opremljen lopaticama.

Od tog trenutka počinje nagli razvoj parnih mašina.

toplotni motor

Pretvaranje goriva u energiju za kretanje delova mašina i mehanizama koristi se u toplotnim mašinama.

Glavni delovi mašina: grejač (sistem za dobijanje energije izvana), radni fluid (obavlja korisnu radnju), frižider.

Grijač je dizajniran da osigura da radni fluid akumulira dovoljnu količinu unutrašnje energije za obavljanje korisnog rada. Frižider uklanja višak energije.

Glavna karakteristika efikasnosti naziva se efikasnost toplotnih motora. Ova vrijednost pokazuje koji dio energije utrošene na grijanje se troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća efikasnost, to je profitabilniji rad mašine, ali ova vrednost ne može preći 100%.

Proračun efikasnosti

Neka grijač dobije izvana energiju jednaku Q 1 . Radni fluid je izvršio rad A, dok je energija data frižideru Q 2 .

Na osnovu definicije izračunavamo efikasnost:

η= A / Q 1 . Uzimamo u obzir da je A \u003d Q 1 - Q 2.

Odavde, efikasnost toplotnog motora, čija formula ima oblik η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, omogućava nam da izvučemo sljedeće zaključke:

• Efikasnost ne može biti veća od 1 (ili 100%);
• da bi se ova vrijednost maksimizirala, potrebno je ili povećanje energije primljene od grijača ili smanjenje energije koja se daje hladnjaku;
• povećanje energije grijača postiže se promjenom kvaliteta goriva;
• smanjujući energiju koja se daje hladnjaku, omogućavaju postizanje dizajnerskih karakteristika motora.

Idealan toplotni motor

Da li je moguće stvoriti takav motor, čija bi efikasnost bila maksimalna (idealno, jednaka 100%)? Francuski teorijski fizičar i talentovani inženjer Sadi Carnot pokušao je pronaći odgovor na ovo pitanje. Godine 1824, njegovi teorijski proračuni o procesima koji se dešavaju u gasovima su objavljeni.

Glavna ideja idealne mašine je izvođenje reverzibilnih procesa sa idealnim gasom. Počinjemo sa izotermnim širenjem plina na temperaturi T 1 . Količina toplote koja je potrebna za to je Q 1. Nakon što se gas širi bez razmene toplote.Postigavši ​​temperaturu T 2, gas se izotermno komprimira, prenoseći energiju Q 2 u frižider. Povratak plina u prvobitno stanje je adijabatski.

Efikasnost idealnog Carnotovog toplotnog motora, kada se tačno izračuna, jednaka je omjeru temperaturne razlike između uređaja za grijanje i hlađenje prema temperaturi koju grijač ima. To izgleda ovako: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Moguća efikasnost toplotnog motora, čija je formula: η= 1 - T 2 / T 1 , zavisi samo od temperature grejača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.

Štaviše, ovaj odnos nam omogućava da dokažemo da efikasnost toplotnih motora može biti jednaka jedinici samo kada frižider dostigne temperaturu. Kao što znate, ova vrijednost je nedostižna.

Carnotovi teorijski proračuni omogućavaju određivanje maksimalne efikasnosti toplotnog motora bilo kojeg dizajna.

Teorema koju je Carnot dokazao je sljedeća. Proizvoljna toplotna mašina ni pod kojim uslovima ne može imati koeficijent efikasnosti veći od slične vrednosti efikasnosti idealnog toplotnog motora.

Primjer rješavanja problema

Primjer 1 Kolika je efikasnost idealnog toplotnog motora ako je temperatura grijača 800°C, a temperatura hladnjaka 500°C niža?

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C \u003d 500 K, η -?

Po definiciji: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nije nam data temperatura frižidera, već ∆T = (T 1 - T 2), odavde:

η \u003d ∆T / T 1 = 500 K / 1073 K = 0,46.

Odgovor: efikasnost = 46%.

Primjer 2 Odrediti efikasnost idealnog toplotnog motora ako se zbog stečenog jednog kilodžula energije grejača izvrši 650 J korisnog rada Kolika je temperatura grejača toplotne mašine ako je temperatura rashladne tečnosti 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 \u003d?

U ovom problemu govorimo o termalnoj instalaciji, čija se efikasnost može izračunati po formuli:

Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za efikasnost idealnog toplotnog motora:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

Nakon izvođenja matematičkih transformacija, dobijamo:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

Izračunajmo:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Odgovor: η = 65%, T 1 = 1142,8 K.

Realni uslovi

Idealan toplotni motor je dizajniran sa idealnim procesima na umu. Rad se obavlja samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost je definirana kao površina ograničena Carnotovim ciklusnim grafom.

Zapravo, nemoguće je stvoriti uslove za proces promjene stanja gasa bez pratećih promjena temperature. Ne postoje materijali koji bi isključili razmjenu topline sa okolnim objektima. Adijabatski proces više nije moguć. U slučaju prijenosa topline, temperatura plina se mora nužno promijeniti.

Efikasnost toplotnih motora stvorenih u realnim uslovima značajno se razlikuje od efikasnosti idealnih motora. Imajte na umu da su procesi u stvarnim motorima toliko brzi da se varijacija unutrašnje toplinske energije radne tvari u procesu promjene njenog volumena ne može kompenzirati dotokom topline iz grijača i povratkom u hladnjak.

Ostali toplotni motori

Pravi motori rade u različitim ciklusima:

• Otto ciklus: proces pri konstantnoj zapremini se menja adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
• Dizel ciklus: izobara, adijabat, izohor, adijabat;
• proces koji se odvija pri konstantnom pritisku zamjenjuje se adijabatskim, zatvarajući ciklus.

Nije moguće stvoriti ravnotežne procese u stvarnim motorima (približiti ih idealnim) u uslovima savremene tehnologije. Efikasnost termičkih motora je znatno niža, čak i ako se uzmu u obzir isti temperaturni režimi kao u idealnoj termalnoj instalaciji.

Ali ne biste trebali smanjiti ulogu formule za izračunavanje efikasnosti, jer ona postaje polazna tačka u procesu rada na povećanju efikasnosti stvarnih motora.

Načini za promjenu efikasnosti

Kada se uspoređuju idealni i stvarni toplinski motori, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se uzeti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tečnosti jednaka temperaturi izduvnih gasova u motorima, kao što je slučaj kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem (skraćeno motori sa unutrašnjim sagorevanjem).

ICE je najčešći toplotni motor u našem svijetu. Efikasnost toplotnog motora u ovom slučaju zavisi od temperature koju stvara gorivo koje sagoreva. Bitna razlika između motora sa unutrašnjim sagorevanjem i parnih mašina je spajanje funkcija grejača i radnog fluida uređaja u mešavini vazduh-gorivo. Sagorevanjem, mješavina stvara pritisak na pokretne dijelove motora.

Povećanje temperature radnih plinova postiže se značajnom promjenom svojstava goriva. Nažalost, to nije moguće činiti u nedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima svoju tačku topljenja. Otpornost na toplinu takvih materijala je glavna karakteristika motora, kao i sposobnost da značajno utječu na efikasnost.

Vrijednosti efikasnosti motora

Ako uzmemo u obzir temperaturu radne pare na čijem je ulazu 800 K, a izduvnog gasa 300 K, onda je efikasnost ove mašine 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Do ovakvog smanjenja dolazi zbog gubitaka topline prilikom zagrijavanja kućišta turbine.

Najveća vrijednost unutrašnjeg sagorijevanja ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti je pitanje bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva je problem na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.

Faktor efikasnosti (COP) je mjera efikasnosti sistema u smislu konverzije ili prijenosa energije, koja je određena omjerom energije koja se korisno koristi i ukupne energije koju sistem primi.

efikasnost- vrijednost je bezdimenzionalna, obično se izražava u postocima:

Koeficijent performansi (COP) toplotnog motora određen je formulom: , gdje je A = Q1Q2. Efikasnost toplotnog motora je uvek manja od 1.

Carnot ciklus- Ovo je reverzibilni kružni gasni proces, koji se sastoji od dva uzastopna izotermna i dva adijabatska procesa koja se izvode sa radnim fluidom.

Kružni ciklus, koji uključuje dvije izoterme i dvije adijabate, odgovara maksimalnoj efikasnosti.

Francuski inženjer Sadi Carnot je 1824. godine izveo formulu za maksimalnu efikasnost idealnog toplotnog motora, gde je radni fluid idealan gas, čiji se ciklus sastojao od dve izoterme i dve adijabate, odnosno Carnotov ciklus. Carnotov ciklus je pravi radni ciklus toplotnog stroja koji obavlja rad zbog topline koja se dovodi radnom fluidu u izotermnom procesu.

Formula za efikasnost Carnot ciklusa, odnosno maksimalnu efikasnost toplotnog motora je: , gdje je T1 apsolutna temperatura grijača, T2 je apsolutna temperatura hladnjaka.

Toplotni motori- To su strukture u kojima se toplotna energija pretvara u mehaničku energiju.

Toplotni motori su raznoliki i po dizajnu i po namjeni. To uključuje parne mašine, parne turbine, motore sa unutrašnjim sagorevanjem, mlazne motore.

Međutim, uprkos raznolikosti, postoje zajedničke karakteristike u principu rada različitih toplotnih motora. Glavne komponente svakog toplotnog motora:

• grijač;
• radno tijelo;
• frižider.

Grejač oslobađa toplotnu energiju, dok zagreva radni fluid koji se nalazi u radnoj komori motora. Radni fluid može biti para ili gas.

Prihvatajući količinu toplote, gas se širi, jer. njegov pritisak je veći od vanjskog pritiska i pomiče klip, stvarajući pozitivan rad. Istovremeno, njegov pritisak opada, a volumen se povećava.

Ako komprimujemo plin, prolazeći kroz ista stanja, ali u suprotnom smjeru, tada ćemo izvršiti istu apsolutnu vrijednost, ali negativan rad. Kao rezultat, sav rad za ciklus će biti jednak nuli.

Da bi se rad toplinske mašine razlikovao od nule, rad kompresije plina mora biti manji od rada ekspanzije.

Da bi rad kompresije postao manji od rada ekspanzije, potrebno je da se proces kompresije odvija na nižoj temperaturi, za to se radni fluid mora ohladiti, stoga je hladnjak uključen u dizajn toplotni motor. Radni fluid odaje količinu toplote frižideru kada je u kontaktu sa njim.

Istorijski gledano, pojava termodinamike kao nauke bila je povezana sa praktičnim zadatkom stvaranja efikasnog toplotnog motora (toplotnog motora).

toplotni motor

Toplotni stroj je uređaj koji obavlja rad zbog topline koja se dovodi u motor. Ova mašina je periodična.

Toplotni motor uključuje sljedeće obavezne elemente:

• radni fluid (obično gas ili para);
• grijač;
• frižider.

Slika 1. Ciklus rada toplotnog motora. Author24 - online razmjena studentskih radova

Na slici 1. prikazujemo ciklus prema kojem toplotni motor može raditi. U ovom ciklusu:

• gas se širi od zapremine $V_1$ do zapremine $V_2$;
• gas se kompresuje sa zapremine $V_2$ na zapreminu $V_1$.

Da bi se postigao rad više od nule, pritisak (a time i temperatura) mora biti veći tokom ekspanzije nego tokom kompresije. U tu svrhu plin prima toplinu u procesu ekspanzije, a pri kompresiji se toplota oduzima od radnog fluida. Iz ovoga će zaključiti da u toplotnom stroju, osim radnog fluida, moraju biti prisutna još dva vanjska tijela:

• grijač koji daje toplinu radnom fluidu;
• frižider, telo koje uzima toplotu od radnog fluida tokom kompresije.

Nakon završetka ciklusa, radno tijelo i svi mehanizmi mašine se vraćaju u prethodno stanje. To znači da je promjena unutrašnje energije radnog fluida nula.

Slika 1 pokazuje da tokom procesa ekspanzije radni fluid prima količinu toplote jednaku $Q_1$. U procesu kompresije radni fluid daje hladnjaku količinu toplote jednaku $Q_2$. Dakle, u jednom ciklusu, količina toplote koju prima radni fluid iznosi:

$\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$

Iz prvog zakona termodinamike, s obzirom da u zatvorenom ciklusu $\Delta U=0$, rad radnog tijela je:

$A=Q_1-Q_2 (2).$

Da bi se organizirali ponovljeni ciklusi toplotnog motora, potrebno je da dio svoje topline preda u hladnjak. Ovaj zahtjev je u skladu s drugim zakonom termodinamike:

Nemoguće je stvoriti vječni motor koji periodično u potpunosti pretvara toplinu primljenu iz određenog izvora u rad.

Dakle, čak i za idealnu toplotnu mašinu, količina toplote koja se prenosi na frižider ne može biti jednaka nuli, postoji donja granica od $Q_2$.

efikasnost toplotnog motora

Jasno je da treba procijeniti koliko efikasno radi toplinski stroj, uzimajući u obzir potpunost pretvaranja topline primljene od grijača u rad radnog fluida.

Parametar koji pokazuje efikasnost toplotnog motora je koeficijent performansi (COP).

Definicija 1

Efikasnost toplotnog motora je odnos rada koji obavlja radni fluid ($A$) i količine toplote koju ovo telo prima od grejača ($Q_1$):

$\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$

Uzimajući u obzir izraz (2) efikasnost toplotnog motora, nalazimo:

$\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$

Relacija (4) pokazuje da efikasnost ne može biti veća od jedan.

Efikasnost hladnjaka

Okrenimo ciklus prikazan na sl. jedan.

Napomena 1

Invertiranje petlje znači promjenu smjera petlje.

Kao rezultat inverzije ciklusa dobijamo ciklus rashladne mašine. Ova mašina prima toplotu $Q_2$ od tela sa niskom temperaturom i prenosi je na grejač sa višom temperaturom, količinom toplote $Q_1$ i $Q_1>Q_2$. Rad na radnom tijelu je $A'$ po ciklusu.

Efikasnost našeg frižidera određena je koeficijentom koji se izračunava kao:

$\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\levo (5\desno).$

Efikasnost reverzibilnog i ireverzibilnog toplotnog motora

Efikasnost ireverzibilnog toplotnog motora je uvek manja od efikasnosti reverzibilne mašine kada mašine rade sa istim grejačem i hladnjakom.

Zamislite toplotni motor koji se sastoji od:

• cilindrična posuda koja je zatvorena klipom;
• plin ispod klipa;
• grijač;
• frižider.

1. Plin prima toplinu $Q_1$ od grijača.
2. Gas se širi i gura klip, obavljajući posao $A_+0$.
3. Gas je komprimovan, toplota $Q_2$ se prenosi u frižider.
4. Radovi su obavljeni na radnom tijelu $A_-

Rad koji radno tijelo obavi po ciklusu jednak je:

Da bi se ispunio uslov reverzibilnosti procesa, oni se moraju izvoditi vrlo sporo. Osim toga, potrebno je da nema trenja klipa o zidove posude.

Označimo rad reverzibilnog toplotnog motora u jednom ciklusu sa $A_(+0)$.

Izvršimo isti ciklus velikom brzinom i uz prisustvo trenja. Ako se ekspanzija plina odvija brzo, njegov pritisak u blizini klipa bit će manji nego ako se plin širi polagano, jer se razrjeđivanje koje nastaje ispod klipa širi na cijeli volumen konačnom brzinom. S tim u vezi, rad plina u ireverzibilnom povećanju volumena je manji nego u reverzibilnom:

Ako brzo komprimirate plin, pritisak u blizini klipa je veći nego kada ga sabijate polako. To znači da je vrijednost negativnog rada radnog fluida kod ireverzibilne kompresije veća nego kod reverzibilne:

Dobijamo da će rad plina u ciklusu $A$ nepovratne mašine, izračunat po formuli (5), izveden zbog topline primljene od grijača, biti manji od rada koji u ciklusu obavlja reverzibilni toplinski stroj:

Trenje prisutno u ireverzibilnom toplotnom motoru dovodi do prijenosa dijela rada koji obavlja plin u toplinu, što smanjuje efikasnost motora.

Dakle, možemo zaključiti da je efikasnost toplotnog motora reverzibilne mašine veća od one ireverzibilne.

Napomena 2

Tijelo sa kojim radni fluid razmjenjuje toplinu nazvat će se toplotni rezervoar.

Reverzibilni toplotni motor završava ciklus u kojem postoje sekcije u kojima radni fluid razmjenjuje toplinu s grijačem i hladnjakom. Proces razmjene toplote je reverzibilan samo ako radni fluid po prijemu toplote i vraćanju u povratnom taktu ima istu temperaturu, jednaku temperaturi termalnog rezervoara. Tačnije, temperatura tijela koje prima toplinu mora biti vrlo malo manja od temperature rezervoara.

Takav proces može biti izotermni proces koji se odvija na temperaturi rezervoara.

Da bi toplotna mašina funkcionisala, mora imati dva rezervoara za toplotu (grejač i hladnjak).

Reverzibilni ciklus, koji u toplotnom stroju obavlja radni fluid, mora biti sastavljen od dvije izoterme (na temperaturama termalnih rezervoara) i dvije adijabate.

Adijabatski procesi se odvijaju bez izmjene topline. U adijabatskim procesima, gas (radni fluid) se širi i skuplja.