Motor koji pretvara unutrašnju energiju goriva koje se sagorijeva u mehanički rad.

Svaki toplinski motor sastoji se od tri glavna dijela: grijač, radno tijelo(gas, tečnost, itd.) i frižider. Rad motora se zasniva na cikličnom procesu (ovo je proces u kojem se sistem vraća u prvobitno stanje).

Toplotni motor direktnog ciklusa

Zajednička karakteristika svih cikličnih (ili kružnih) procesa je da se oni ne mogu izvesti dovođenjem radnog fluida u termički kontakt sa samo jednim rezervoarom toplote. Trebaju im najmanje dva. Rezervoar toplote sa višom temperaturom naziva se grejač, a rezervoar toplote sa nižom temperaturom naziva se frižider. Praveći kružni proces, radni fluid prima određenu količinu toplote Q 1 od grijača (dolazi do ekspanzije) i daje hladnjaku količinu toplote Q 2 kada se vrati u prvobitno stanje i skupi. Ukupna količina toplote Q=Q 1 -Q 2 koju radni fluid primi po ciklusu jednaka je radu koji radni fluid obavi u jednom ciklusu.

Reverzni ciklus hladnjaka

U obrnutom ciklusu, ekspanzija se dešava pri nižem pritisku, a kompresija se dešava pri višem pritisku. Dakle, rad kompresije je veći od rada ekspanzije; rad ne obavlja radno tijelo, već vanjske sile. Ovaj rad se pretvara u toplinu. Tako u rashladnoj mašini radni fluid uzima određenu količinu toplote Q 1 iz frižidera i prenosi veću količinu toplote Q 2 na grejač.

Efikasnost

Direktna petlja:

Indeks efikasnosti rashladnog uređaja:

Carnot ciklus

U toplinskim motorima nastoje postići što potpuniju konverziju toplinske energije u mehaničku energiju. Maksimalna efikasnost.

Na slici su prikazani ciklusi koji se koriste u motoru s benzinskim karburatorom i u dizel motoru. U oba slučaja radni fluid je mješavina para benzina ili dizel goriva sa zrakom. Ciklus motora sa unutrašnjim sagorevanjem karburatora sastoji se od dve izohore (1–2, 3–4) i dve adijabate (2–3, 4–1). Dizel motor sa unutrašnjim sagorevanjem radi po ciklusu koji se sastoji od dve adijabate (1–2, 3–4), jedne izobare (2–3) i jedne izohore (4–1). Stvarna efikasnost za karburatorski motor je oko 30%, za dizel motor - oko 40%.

Francuski fizičar S. Carnot razvio je rad idealnog toplotnog motora. Radni dio Carnot motora može se zamisliti kao klip u cilindru ispunjenom plinom. Od Carnot motora - mašina je čisto teoretska, odnosno idealna Pretpostavlja se da su sile trenja između klipa i cilindra i gubici topline jednaki nuli. Mehanički rad je maksimalan ako radni fluid obavlja ciklus koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Ovaj ciklus se zove Carnot ciklus.

dio 1-2: plin prima količinu topline Q 1 od grijača i izotermno se širi na temperaturi T 1
dio 2-3: plin se adijabatski širi, temperatura se smanjuje na temperaturu hladnjaka T 2
dio 3-4: plin se egzotermno komprimira, dok hladnjaku daje količinu topline Q 2
dio 4-1: plin se komprimira adijabatski dok njegova temperatura ne poraste na T 1 .
Rad koji obavlja radno tijelo je površina rezultirajuće figure 1234.

Takav motor funkcionira na sljedeći način:

1. Prvo, cilindar dolazi u kontakt sa vrućim rezervoarom, a idealni gas se širi na konstantnoj temperaturi. Tokom ove faze, plin prima toplinu iz vrućeg rezervoara.
2. Cilindar je tada okružen savršenom toplotnom izolacijom, pri čemu se količina toplote koja je dostupna gasu čuva i gas nastavlja da se širi sve dok njegova temperatura ne padne na temperaturu hladnog termalnog rezervoara.
3. U trećoj fazi se uklanja termoizolacija, a gas u cilindru, koji je u kontaktu sa hladnim rezervoarom, se kompresuje, a deo toplote odaje hladnom rezervoaru.
4. Kada kompresija dostigne određenu tačku, cilindar je ponovo okružen toplotnom izolacijom, a gas se kompresuje podizanjem klipa dok se njegova temperatura ne izjednači sa temperaturom vrućeg rezervoara. Nakon toga se termoizolacija skida i ciklus se ponavlja iz prve faze.

Posao koji obavlja motor je:

Ovaj proces prvi je razmatrao francuski inženjer i naučnik N. L. S. Carnot 1824. godine u knjizi Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama koje su u stanju da razviju tu silu.

Cilj Carnotovog istraživanja bio je da se otkriju razlozi nesavršenosti toplotnih motora tog vremena (imali su efikasnost ≤ 5%) i da se pronađu načini za njihovo poboljšanje.

Carnotov ciklus je najefikasniji od svih. Njegova efikasnost je maksimalna.

Slika prikazuje termodinamičke procese ciklusa. U procesu izotermnog širenja (1-2) na temperaturi T 1 , rad se obavlja zbog promjene unutrašnje energije grijača, tj. zbog dovoda topline u plin Q:

A 12 = Q 1 ,

Hlađenje gasa pre kompresije (3-4) se dešava tokom adijabatskog širenja (2-3). Promjena unutrašnje energije ΔU 23 u adijabatskom procesu ( Q=0) potpuno se pretvara u mehanički rad:

A 23 = -ΔU 23 ,

Temperatura plina kao rezultat adijabatskog širenja (2-3) opada na temperaturu hladnjaka T 2 < T 1 . U procesu (3-4), plin se izotermno komprimira, prenoseći količinu topline u hladnjak Q2:

A 34 = Q 2,

Ciklus se završava procesom adijabatske kompresije (4-1), u kojoj se plin zagrijava do temperature T 1.

Maksimalna vrijednost efikasnosti toplotnih motora koji rade na idealnom plinu, prema Carnot ciklusu:

.

Suština formule je izražena u dokazanom WITH. Carnotova teorema da efikasnost bilo kojeg toplotnog motora ne može premašiti efikasnost Carnotovog ciklusa koji se izvodi na istoj temperaturi grijača i hladnjaka.

efikasnost toplotnog motora. Prema zakonu održanja energije, rad motora je:

gdje je toplina primljena od grijača, je toplina predana hladnjaku.

Efikasnost toplotnog motora je omjer rada motora i količine topline primljene od grijača:

Pošto se u svim motorima određena količina toplote prenosi na frižider, u svim slučajevima

Maksimalna vrijednost efikasnosti toplotnih motora. Francuski inženjer i naučnik Sadi Carnot (1796-1832) u svom djelu “Razmišljanje o pokretačkoj sili vatre” (1824) postavio je cilj: otkriti pod kojim uslovima bi rad toplotnog motora bio najefikasniji, tj. pod kojim uslovima bi motor imao maksimalnu efikasnost.

Karno je smislio idealan toplotni motor sa idealnim gasom kao radnim fluidom. Izračunao je efikasnost ove mašine koja radi sa temperaturnim grejačem i temperaturnim frižiderom

Glavni značaj ove formule je u tome što je, kao što je Carnot dokazao, na osnovu drugog zakona termodinamike, da bilo koja stvarna toplotna mašina koja radi sa temperaturnim grijačem i temperaturnim hladnjakom ne može imati efikasnost veću od efikasnosti idealne toplotne mašine.

Formula (4.18) daje teoretsku granicu za maksimalnu efikasnost toplotnih motora. To pokazuje da je toplotni motor efikasniji što je temperatura grijača viša i što je temperatura hladnjaka niža. Tek kada je temperatura frižidera jednaka apsolutnoj nuli,

Ali temperatura frižidera praktički ne može biti mnogo niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, svaki materijal (čvrsti materijal) ima ograničenu otpornost na toplinu ili otpornost na toplinu. Kada se zagrije, postepeno gubi svoja elastična svojstva i topi se na dovoljno visokoj temperaturi.

Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje efikasnosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog njegovog nepotpunog sagorijevanja, itd. Stvarne mogućnosti za povećanje efikasnosti ovdje su još uvijek velike. Dakle, za parnu turbinu, početna i konačna temperatura pare su otprilike sljedeće: Na ovim temperaturama, maksimalna vrijednost efikasnosti je:

Stvarna vrijednost efikasnosti zbog raznih vrsta gubitaka energije jednaka je:

Povećanje efikasnosti toplotnih motora, približavanje maksimalnom mogućem je najvažniji tehnički izazov.

Toplotni motori i zaštita prirode.Široka upotreba toplotnih motora kako bi se dobila energija koja je u najvećoj meri pogodna za upotrebu, u poređenju sa

svi ostali tipovi proizvodnih procesa povezani su sa uticajima na životnu sredinu.

Prema drugom zakonu termodinamike, proizvodnja električne i mehaničke energije se u principu ne može odvijati bez odvođenja značajnih količina topline u okolinu. To ne može a da ne dovede do postepenog povećanja prosječne temperature na Zemlji. Sada je potrošnja energije oko 1010 kW. Kada se ova snaga dostigne, prosječna temperatura će porasti na primjetan način (za oko jedan stepen). Daljnji porast temperature mogao bi predstavljati prijetnju topljenja glečera i katastrofalnog porasta globalnog nivoa mora.

Ali ovo daleko od iscrpljivanja negativnih posljedica korištenja toplinskih motora. Peći termoelektrana, motori sa unutrašnjim sagorevanjem automobila itd. kontinuirano ispuštaju u atmosferu supstance štetne za biljke, životinje i ljude: jedinjenja sumpora (prilikom sagorevanja uglja), okside azota, ugljovodonike, ugljen monoksid (CO) itd. Posebnu opasnost u ovom pogledu predstavljaju motorna vozila, čiji broj alarmantno raste, a prečišćavanje izduvnih gasova je otežano. Nuklearne elektrane se suočavaju s problemom odlaganja opasnog radioaktivnog otpada.

Osim toga, upotreba parnih turbina u elektranama zahtijeva velike površine za ribnjake za hlađenje izduvne pare.Sa povećanjem kapaciteta elektrana, potreba za vodom naglo raste. Godine 1980. za ove namjene u našoj zemlji bilo je potrebno oko 35% vodosnabdijevanja svih sektora privrede.

Sve ovo predstavlja niz ozbiljnih problema za društvo. Uz najvažniji zadatak povećanja efikasnosti toplotnih motora, neophodno je sprovesti niz mjera zaštite životne sredine. Neophodno je poboljšati efikasnost konstrukcija koje sprečavaju emisiju štetnih materija u atmosferu; postići potpunije sagorevanje goriva u automobilskim motorima. Vozila sa visokim sadržajem CO u izduvnim gasovima već sada ne smeju da rade. Razmatrana je mogućnost stvaranja električnih vozila koja mogu konkurirati konvencionalnim i mogućnost korištenja goriva bez štetnih tvari u izduvnim plinovima, na primjer, u motorima koji rade na mješavinu vodika i kisika.

U cilju uštede prostora i vodnih resursa, svrsishodno je graditi čitave komplekse elektrana, prvenstveno nuklearnih, sa zatvorenim ciklusom vodosnabdijevanja.

Drugi pravac napora koji se ulažu je povećanje efikasnosti korišćenja energije, borba za njenu uštedu.

Rješavanje gore navedenih problema je od vitalnog značaja za čovječanstvo. I ovi problemi s maksimalnim uspjehom mogu

biti riješen u socijalističkom društvu sa planskim razvojem privrede na nacionalnom nivou. Ali organizacija zaštite životne sredine zahteva napore na globalnom nivou.

1. Koji se procesi nazivaju nepovratnim? 2. Navedite najtipičnije nepovratne procese. 3. Navedite primjere nepovratnih procesa koji nisu navedeni u tekstu. 4. Formulirajte drugi zakon termodinamike. 5. Ako bi rijeke tekle unatrag, da li bi to značilo kršenje zakona održanja energije? 6. Koji se uređaj naziva toplotnim motorom? 7. Koja je uloga grijača, frižidera i radnog fluida toplotnog motora? 8. Zašto je nemoguće koristiti unutrašnju energiju okeana kao izvor energije u toplotnim mašinama? 9. Šta se zove efikasnost toplotnog motora?

10. Koja je najveća moguća vrijednost efikasnosti toplotnog motora?

Termalni motor je motor koji obavlja rad na račun izvora toplinske energije.

Toplotna energija ( Q grijač) iz izvora se prenosi na motor, dok dio primljene energije motor troši na rad W, nepotrošena energija ( Q frižider) šalje se u frižider, čiju ulogu može obavljati, na primjer, ambijentalni zrak. Toplotni motor može raditi samo ako je temperatura hladnjaka niža od temperature grijača.

Koeficijent performansi (COP) toplotnog motora može se izračunati po formuli: Efikasnost = W/Q ng.

Efikasnost = 1 (100%) ako se sva toplotna energija pretvori u rad. Efikasnost=0 (0%) ako se toplotna energija ne pretvara u rad.

Efikasnost pravog toplotnog motora je u rasponu od 0 do 1, što je veća efikasnost, to je motor efikasniji.

Q x / Q ng = T x / T ng Efikasnost = 1- (Q x / Q ng) Efikasnost = 1- (T x / T ng)

Uzimajući u obzir treći zakon termodinamike, koji kaže da se temperatura apsolutne nule (T=0K) ne može postići, možemo reći da je nemoguće razviti toplotni motor sa efikasnošću=1, pošto je uvek T x > 0.

Efikasnost toplotnog motora će biti veća, što je temperatura grejača viša, a temperatura frižidera niža.

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 rad toplotne mašine bio različit od nule, rad kompresije gasa 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 topline motor. Radni fluid odaje količinu toplote frižideru kada je u kontaktu sa njim.