termička efikasnost motor. Prema zakonu održanja energije, rad motora je:

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

Koeficijent korisna akcija toplotni motor 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 termička efikasnost motori. 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 Efikasnost motora smanjenjem trenja njihovih delova, gubitaka goriva usled njegovog nepotpunog sagorevanja itd. Stvarne mogućnosti za povećanje efikasnosti su i dalje 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 je daleko od iscrpljenosti. Negativne posljedice primena toplotnih motora. Peći termoelektrana, motori unutrašnjim sagorevanjem automobili i dr. kontinuirano ispuštaju u atmosferu tvari štetne za biljke, životinje i ljude: jedinjenja sumpora (prilikom sagorijevanja uglja), okside dušika, ugljovodonike, ugljični monoksid (CO) itd. a prečišćavanje izduvnih gasova je teško. 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; da bi se postiglo potpunije sagorevanje goriva u automobilski motori. 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?

Od davnina ljudi su pokušavali da pretvore energiju u mehanički rad. Pretvarali su kinetičku energiju vjetra, potencijalnu energiju vode itd. Počevši od 18. stoljeća počele su se pojavljivati ​​mašine koje pretvaraju unutrašnju energiju goriva u rad. Takve mašine su radile zahvaljujući toplotnim motorima.

Toplotni stroj je uređaj koji pretvara toplinsku energiju u mehanički rad uslijed ekspanzije (najčešće plinova) od visoke temperature.

Bilo koji toplotni motor ima komponente:

• Grejni element. Tijelo s visokom temperaturom u odnosu na okolinu.
• radno tijelo. Pošto ekspanzija pruža posao, ovaj element se mora dobro proširiti. U pravilu se koristi plin ili para.
• hladnjak. Telo sa niskom temperaturom.

Radni fluid prima toplotnu energiju od grijača. Kao rezultat toga, počinje da se širi i radi. Da bi sistem ponovo mogao da radi, mora se vratiti u prvobitno stanje. Stoga se radni fluid hladi, odnosno višak toplinske energije se takoreći ispušta u rashladni element. I sistem dolazi u prvobitno stanje, a zatim se proces ponovo ponavlja.

Proračun efikasnosti

Da bismo izračunali efikasnost, uvodimo sljedeću notaciju:

Q 1 - Količina toplote primljena od grejnog elementa

A’– Rad koji obavlja radno tijelo

Q 2 - Količina toplote koju radni fluid primi iz hladnjaka

U procesu hlađenja tijelo prenosi toplotu, pa Q 2< 0.

Rad takvog uređaja je cikličan proces. To znači da nakon što uradite puni ciklus, unutrašnja energija će se vratiti u prvobitno stanje. Tada će, prema prvom zakonu termodinamike, rad radnog fluida biti jednak razlici između količine topline primljene od grijača i topline primljene od hladnjaka:

Q 2 je negativna vrijednost, pa se uzima po modulu

Efikasnost se izražava kao omjer korisnog rada i ukupnog rada koji je sistem obavio. U ovom slučaju, pun rad biće jednaka količini toplote koja se troši na zagrevanje radnog fluida. Sva potrošena energija se izražava kroz Q 1 .

Stoga je faktor efikasnosti definisan kao.

>>Fizika: Princip rada toplotnih motora. Koeficijent performansi (COP) toplotnih motora

Rezerve unutrašnje energije u zemljinoj kori i okeanima mogu se smatrati praktički neograničenim. Ali za rješavanje praktičnih problema još uvijek nije dovoljno imati rezerve energije. Takođe je potrebno biti u stanju da koristi energiju za pokretanje alatnih mašina u fabrikama, transportnim sredstvima, traktorima i drugim mašinama, rotaciju rotora generatora električne struje itd. Čovječanstvu su potrebni motori - uređaji sposobni za rad. Većina motora na Zemlji jeste toplotnih motora. Toplotni motori su uređaji koji pretvaraju unutrašnju energiju goriva u mehaničku energiju.
Principi rada toplotnih motora. Da bi motor radio, potrebna je razlika tlaka na obje strane klipa motora ili lopatica turbine. U svim toplotnim mašinama ova razlika pritiska se postiže povećanjem temperature radnog fluida (gasa) za stotine ili hiljade stepeni u odnosu na temperaturu okoline. Ovo povećanje temperature nastaje tokom sagorevanja goriva.
Jedan od glavnih dijelova motora je posuda punjena plinom s pokretnim klipom. Radni fluid u svim toplotnim mašinama je gas koji radi tokom ekspanzije. Označimo početnu temperaturu radnog fluida (gasa) kroz T1. Ova temperatura u parnim turbinama ili mašinama se postiže parom u parnom kotlu. u motorima sa unutrašnjim sagorevanjem i gasne turbine porast temperature nastaje kada se gorivo sagorijeva unutar samog motora. Temperatura T1 temperatura grejača."
Uloga frižidera Kako se rad obavlja, plin gubi energiju i neizbježno se hladi do određene temperature. T2, koja je obično nešto viša od temperature okoline. Zovu je temperatura frižidera. Hladnjak je atmosfera ili posebni uređaji za hlađenje i kondenzaciju izduvne pare - kondenzatori. U potonjem slučaju, temperatura hladnjaka može biti malo ispod temperature atmosfere.
Dakle, u motoru radni fluid tokom ekspanzije ne može dati svu svoju unutrašnju energiju za rad. Dio topline se neizbježno prenosi na hladnjak (atmosferu) zajedno sa izduvnom parom ili izduvnim gasovima motora sa unutrašnjim sagorevanjem i gasnih turbina. Ovaj dio unutrašnje energije se gubi.
Toplotni motor obavlja rad zbog unutrašnje energije radnog fluida. Štaviše, u ovom procesu toplina se prenosi sa toplijih tijela (grijač) na hladnija (frižider).
dijagram strujnog kola toplotni motor je prikazan na slici 13.11.
Radno tijelo motora prima od grijača tokom sagorijevanja goriva količinu topline Q1 radi posao A´ i prenosi količinu toplote u frižider Q2 .
Koeficijent performansi (COP) toplotnog motora.Nemogućnost potpune konverzije unutrašnje energije gasa u rad toplotnih mašina posledica je nepovratnosti procesa u prirodi. Ako bi se toplina mogla spontano vratiti iz hladnjaka u grijač, tada bi se unutrašnja energija mogla u potpunosti pretvoriti u koristan rad pomoću bilo kojeg toplotnog motora.
Prema zakonu održanja energije, rad motora je:

gdje Q1 je količina topline primljene od grijača, i Q2- količina toplote koja se daje frižideru.
Koeficijent performansi (COP) toplotnog motora zove radni odnos A´ vrši motor do količine topline primljene od grijača:

Budući da se u svim motorima određena količina topline prenosi u hladnjak, tada η<1.
Efikasnost toplotnog motora proporcionalna je temperaturnoj razlici između grijača i hladnjaka. At T1-T2=0 motor ne može raditi.
Maksimalna vrijednost efikasnosti toplotnih motora. Zakoni termodinamike omogućavaju izračunavanje najveće moguće efikasnosti toplotnog motora koji radi s grijačem koji ima temperaturu T1, i frižider sa temperaturom T2. To je prvi učinio francuski inženjer i naučnik Sadi Carnot (1796-1832) u svom djelu “Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama koje su u stanju da razviju tu silu” (1824).
Karno je smislio idealan toplotni motor sa idealnim gasom kao radnim fluidom. Idealan Carnot toplotni motor radi na ciklusu koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Prvo, posuda s plinom se dovodi u kontakt s grijačem, plin se izotermno širi, radeći pozitivan rad, na temperaturi T1, dok prima količinu toplote Q1.
Zatim se posuda termički izoluje, gas nastavlja da se širi već adijabatski, dok se njegova temperatura smanjuje na temperaturu frižidera T2. Nakon toga, plin se dovodi u kontakt sa hladnjakom, pod izotermnom kompresijom, daje hladnjaku količinu topline Q2, smanjujući na volumen V 4 . Zatim se posuda ponovo termički izoluje, gas se adijabatski komprimira do zapremine V 1 i vraća se u prvobitno stanje.
Carnot je dobio sljedeći izraz za efikasnost ove mašine:

Kao što se i očekivalo, efikasnost Carnot mašine je direktno proporcionalna razlici između apsolutnih temperatura grijača i hladnjaka.
Glavno značenje ove formule je da svaki pravi toplinski motor koji radi s grijačem koji ima temperaturu T1, i frižider sa temperaturom T2, ne može imati efikasnost koja premašuje efikasnost idealnog toplotnog motora.

Formula (13.19) daje teoretsku granicu za maksimalnu vrijednost efikasnosti 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, η =1.
Ali temperatura frižidera praktično ne može biti 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: T1≈800 K i T2≈300 K. Na ovim temperaturama maksimalna vrijednost efikasnosti je:

Stvarna vrijednost efikasnosti zbog raznih vrsta gubitaka energije je oko 40%. Dizel motori imaju maksimalnu efikasnost - oko 44%.
Povećanje efikasnosti toplotnih motora i njeno približavanje maksimalnom mogućem je najvažniji tehnički izazov.
Toplotni motori rade zbog razlike u tlaku plina na površini klipova ili lopatica turbine. Ova razlika u pritisku nastaje temperaturnom razlikom. Maksimalna moguća efikasnost je proporcionalna ovoj temperaturnoj razlici i obrnuto proporcionalna apsolutnoj temperaturi grijača.
Toplotni stroj ne može raditi bez hladnjaka, čiju ulogu obično igra atmosfera.

???
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

Sadržaj lekcije sažetak lekcije podrška okvir prezentacije lekcije akcelerativne metode interaktivne tehnologije Vježbajte zadaci i vježbe samoispitivanje radionice, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća diskusija pitanja retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video i multimedija fotografije, slike grafike, tabele, šeme humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, ukrštene reči, citati Dodaci sažetakačlanci čipovi za radoznale cheat sheets udžbenici osnovni i dodatni glosar pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i lekcijaispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje fragmenta u udžbeniku elementi inovacije u lekciji zamjena zastarjelih znanja novim Samo za nastavnike savršene lekcije kalendarski plan za godinu metodološke preporuke programa diskusije Integrisane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

Rad mnogih vrsta mašina karakteriše tako važan pokazatelj kao što je efikasnost toplotnog motora. Svake godine inženjeri nastoje da kreiraju napredniju opremu, koja bi uz manje dala maksimalni rezultat njenom upotrebom.

Uređaj toplotnog motora

Prije nego što shvatimo šta je to, potrebno je razumjeti kako ovaj mehanizam funkcionira. Bez poznavanja principa njegovog djelovanja nemoguće je saznati suštinu ovog indikatora. Toplotni motor je uređaj koji radi koristeći unutrašnju energiju. Svaki toplinski motor koji se pretvara u mehanički koristi toplinsko širenje tvari s povećanjem temperature. U solid-state motorima moguće je promijeniti ne samo volumen materije, već i oblik tijela. Rad takvog motora podliježe zakonima termodinamike.

Princip rada

Da bismo razumjeli kako radi toplinski motor, potrebno je razmotriti osnove njegovog dizajna. Za rad uređaja potrebna su dva tijela: toplo (grijač) i hladno (frižider, hladnjak). Princip rada toplotnih motora (efikasnost toplotnih motora) zavisi od njihovog tipa. Često kondenzator pare djeluje kao hladnjak, a bilo koja vrsta goriva koja gori u peći djeluje kao grijač. Efikasnost idealnog toplotnog motora nalazi se sljedećom formulom:

Efikasnost = (Theating - Tcold.) / Theating. x 100%.

Istovremeno, efikasnost pravog motora nikada ne može premašiti vrijednost dobivenu prema ovoj formuli. Također, ovaj indikator nikada neće premašiti gornju vrijednost. Da biste povećali efikasnost, najčešće povećavajte temperaturu grijača i smanjite temperaturu hladnjaka. Oba ova procesa će biti ograničena stvarnim radnim uslovima opreme.

Tokom rada toplotnog motora, rad se obavlja, jer gas počinje gubiti energiju i hladi se do određene temperature. Potonji je obično nekoliko stepeni iznad okolne atmosfere. Ovo je temperatura frižidera. Takav poseban uređaj dizajniran je za hlađenje s naknadnom kondenzacijom ispušne pare. Tamo gdje su prisutni kondenzatori, temperatura hladnjaka je ponekad niža od temperature okoline.

U toplotnom stroju, tijelo, kada se zagrije i proširi, nije u stanju dati svu svoju unutrašnju energiju za rad. Dio topline će se prenijeti u hladnjak zajedno sa ili parom. Ovaj dio topline se neizbježno gubi. Tokom sagorevanja goriva, radni fluid prima određenu količinu toplote Q 1 od grejača. Istovremeno, on i dalje obavlja posao A, tokom kojeg prenosi dio toplotne energije u frižider: Q 2

Efikasnost karakteriše efikasnost motora u oblasti konverzije i prenosa energije. Ovaj indikator se često mjeri u procentima. Formula efikasnosti:

η*A/Qx100%, gdje je Q potrošena energija, A je koristan rad.

Na osnovu zakona održanja energije možemo zaključiti da će efikasnost uvijek biti manja od jedinice. Drugim riječima, nikada neće biti korisnijeg rada od energije koja se na njega troši.

Efikasnost motora je omjer korisnog rada i energije koju isporučuje grijač. Može se predstaviti kao sljedeća formula:

η \u003d (Q 1 -Q 2) / Q 1, gdje je Q 1 toplina primljena od grijača, a Q 2 se daje hladnjaku.

Rad toplotnog motora

Rad toplotnog motora izračunava se po sljedećoj formuli:

A = |Q H | - |Q X |, gde je A rad, Q H je količina toplote primljena od grejača, Q X je količina toplote predata hladnjaku.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

Ona je jednaka omjeru rada motora i primljene topline. Deo toplotne energije se gubi tokom ovog prenosa.

Carnot motor

Maksimalna efikasnost toplotnog motora zabeležena je za Carnot uređaj. To je zbog činjenice da u ovom sistemu zavisi samo od apsolutne temperature grijača (Tn) i hladnjaka (Th). Efikasnost toplotnog motora koji radi određuje se sljedećom formulom:

(Tn - Tx) / Tn = - Tx - Tn.

Zakoni termodinamike su omogućili da se izračuna maksimalna moguća efikasnost. Po prvi put ovaj pokazatelj je izračunao francuski naučnik i inženjer Sadi Carnot. Izumio je toplotni motor koji je radio na idealan gas. Radi na ciklusu od 2 izoterme i 2 adijabate. Princip njegovog rada je prilično jednostavan: kontakt grijača se dovodi u posudu s plinom, zbog čega se radni fluid izotermno širi. U isto vrijeme funkcionira i prima određenu količinu topline. Nakon što je posuda termički izolirana. Uprkos tome, gas nastavlja da se širi, ali već adijabatski (bez razmene toplote sa okolinom). U tom trenutku njegova temperatura pada na hladnjak. U ovom trenutku plin je u kontaktu sa hladnjakom, zbog čega mu daje određenu količinu topline tokom izometrijske kompresije. Zatim se posuda ponovo termički izoluje. U ovom slučaju, plin se adijabatski komprimira do svog prvobitnog volumena i stanja.

Sorte

Danas postoji mnogo vrsta toplotnih motora koji rade na različitim principima i na različita goriva. Svi imaju svoju efikasnost. To uključuje sljedeće:

Motor sa unutrašnjim sagorevanjem (klip), koji je mehanizam u kome se deo hemijske energije goriva koja sagoreva pretvara u mehaničku energiju. Takvi uređaji mogu biti plinoviti i tekući. Postoje 2-taktni i 4-taktni motori. Mogu imati kontinuirani ciklus rada. Prema načinu pripreme mješavine goriva, takvi motori su karburatorski (sa vanjskim formiranjem smjese) i dizel (sa unutrašnjim). Prema vrstama pretvarača energije dijele se na klipne, mlazne, turbinske, kombinirane. Efikasnost takvih mašina ne prelazi 0,5.

Stirlingov motor - uređaj u kojem se radni fluid nalazi u zatvorenom prostoru. To je vrsta motora sa vanjskim sagorijevanjem. Princip njegovog rada zasniva se na periodičnom hlađenju/zagrevanju tela uz proizvodnju energije usled promene njegove zapremine. Ovo je jedan od najefikasnijih motora.

Turbinski (rotacioni) motor sa vanjskim sagorijevanjem goriva. Takve instalacije najčešće se nalaze u termoelektranama.

Turbinski (rotacioni) motori sa unutrašnjim sagorevanjem koriste se u termoelektranama u vršnom režimu. Nije tako uobičajen kao drugi.

Turboelisni motor stvara dio potiska zbog propelera. Ostatak dolazi od izduvnih gasova. Njegov dizajn je rotacioni motor na čijoj je osovini postavljen propeler.

Druge vrste toplotnih motora

Rakete, turbomlazne i koje dobijaju potisak zbog povratka izduvnih gasova.

Solid state motori koriste čvrsto tijelo kao gorivo. Prilikom rada ne mijenja se njegov volumen, već oblik. Tokom rada opreme koristi se izuzetno mala temperaturna razlika.

Kako možete povećati efikasnost

Da li je moguće povećati efikasnost toplotnog motora? Odgovor se mora tražiti u termodinamici. Proučava međusobne transformacije različitih vrsta energije. Utvrđeno je da su sve raspoložive mehaničke itd. nemoguće, a da se njihova konverzija u toplotnu energiju odvija bez ikakvih ograničenja. To je moguće zbog činjenice da je priroda toplinske energije zasnovana na nesređenom (haotičnom) kretanju čestica.

Što se tijelo više zagrijava, brže će se kretati molekuli koji ga čine. Kretanje čestica će postati još nestalnije. Uz to, svi znaju da se poredak lako može pretvoriti u haos, koji je vrlo teško urediti.