كفاءة المحرك الحراري.وفقًا لقانون الحفاظ على الطاقة ، فإن الشغل الذي يقوم به المحرك هو:

أين هي الحرارة الواردة من المدفأة ، هي الحرارة المعطاة للثلاجة.

كفاءة المحرك الحراري هي نسبة الشغل الذي يقوم به المحرك إلى كمية الحرارة المتلقاة من السخان:

لأنه في جميع المحركات يتم نقل كمية معينة من الحرارة إلى الثلاجة ، في جميع الحالات

أقصى قيمة لكفاءة المحركات الحرارية.حدد المهندس والعالم الفرنسي سادي كارنو (1796 1832) في عمله "انعكاس القوة الدافعة للنار" (1824) الهدف: معرفة الظروف التي يكون فيها تشغيل المحرك الحراري أكثر كفاءة ، أي ، تحت أي ظروف يكون للمحرك أقصى قدر من الكفاءة.

ابتكر Carnot محركًا حراريًا مثاليًا مع غاز مثالي كسائل عامل. قام بحساب كفاءة هذه الآلة التي تعمل بسخان درجة حرارة وثلاجة درجة حرارة

تكمن الأهمية الرئيسية لهذه الصيغة ، كما أثبت كارنو ، استنادًا إلى القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، في أن أي محرك حراري حقيقي يعمل بسخان درجة حرارة وثلاجة درجة حرارة لا يمكن أن يكون له كفاءة تتجاوز كفاءة المحرك الحراري المثالي.

تعطي الصيغة (4.18) الحد النظري لأقصى كفاءة للمحركات الحرارية. يظهر أن المحرك الحراري أكثر كفاءة ، فكلما ارتفعت درجة حرارة السخان وانخفضت درجة حرارة الثلاجة. فقط عندما تكون درجة حرارة الثلاجة مساوية للصفر المطلق ،

لكن درجة حرارة الثلاجة عمليا لا يمكن أن تكون أقل بكثير من درجة الحرارة المحيطة. يمكنك زيادة درجة حرارة السخان. ومع ذلك ، فإن أي مادة (صلبة) لها مقاومة محدودة للحرارة ، أو مقاومة للحرارة. عند تسخينه ، يفقد تدريجياً خصائصه المرنة ويذوب عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية.

تهدف الجهود الرئيسية للمهندسين الآن إلى زيادة كفاءة المحركات عن طريق تقليل الاحتكاك في أجزائها ، وفقدان الوقود بسبب احتراقه غير الكامل ، وما إلى ذلك. الفرص الحقيقية لزيادة الكفاءة لا تزال كبيرة هنا. لذلك ، بالنسبة للتوربينات البخارية ، تكون درجات حرارة البخار الأولية والنهائية تقريبًا كما يلي: في درجات الحرارة هذه ، تكون قيمة الكفاءة القصوى:

القيمة الفعلية للكفاءة بسبب أنواع مختلفة من خسائر الطاقة تساوي:

تعتبر زيادة كفاءة المحركات الحرارية ، وتقريبها إلى أقصى حد ممكن ، من أهم التحديات التقنية.

المحركات الحرارية والحفاظ على الطبيعة.الاستخدام الواسع النطاق للمحركات الحرارية من أجل الحصول على الطاقة الملائمة للاستخدام إلى أقصى حد ، مقارنةً بـ

جميع الأنواع الأخرى من عمليات الإنتاج مرتبطة بالتأثيرات البيئية.

وفقًا للقانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لا يمكن إنتاج الطاقة الكهربائية والميكانيكية ، من حيث المبدأ ، دون إزالة كميات كبيرة من الحرارة إلى البيئة. هذا لا يمكن إلا أن يؤدي إلى زيادة تدريجية في متوسط ​​درجة الحرارة على الأرض. يبلغ استهلاك الطاقة الآن حوالي 1010 كيلو واط. عندما يتم الوصول إلى هذه القوة ، فإن متوسط ​​درجة الحرارة سيرتفع بطريقة ملحوظة (بمقدار درجة واحدة تقريبًا). يمكن أن يؤدي ارتفاع درجة الحرارة إلى خطر ذوبان الأنهار الجليدية والارتفاع الكارثي في ​​مستويات البحار العالمية.

لكن هذا بعيد كل البعد عن العواقب السلبية لاستخدام المحركات الحرارية. تنبعث أفران محطات الطاقة الحرارية ، ومحركات الاحتراق الداخلي للسيارات ، وما إلى ذلك ، باستمرار مواد ضارة بالنباتات والحيوانات والبشر في الغلاف الجوي: مركبات الكبريت (أثناء احتراق الفحم) ، وأكاسيد النيتروجين ، والهيدروكربونات ، وأول أكسيد الكربون (CO) ، إلخ. الخطر الخاص في هذا الصدد هو السيارات التي يتزايد عددها بشكل ينذر بالخطر ، كما أن تنقية غازات العادم أمر صعب. تواجه محطات الطاقة النووية مشكلة التخلص من النفايات المشعة الخطرة.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن استخدام التوربينات البخارية في محطات توليد الطاقة يتطلب مساحات كبيرة للأحواض لتبريد بخار العادم ، ومع زيادة قدرة محطات توليد الطاقة ، تزداد الحاجة إلى المياه بشكل حاد. في عام 1980 ، كان حوالي 35 ٪ من إمدادات المياه لجميع قطاعات الاقتصاد مطلوبة لهذه الأغراض في بلدنا.

كل هذا يطرح عددا من المشاكل الخطيرة للمجتمع. إلى جانب المهمة الأكثر أهمية وهي زيادة كفاءة المحركات الحرارية ، من الضروري اتخاذ عدد من الإجراءات لحماية البيئة. من الضروري تحسين كفاءة الهياكل التي تمنع انبعاث المواد الضارة في الغلاف الجوي ؛ تحقيق احتراق أكثر اكتمالاً للوقود في محركات السيارات. بالفعل ، لا يُسمح للسيارات التي تحتوي على نسبة عالية من ثاني أكسيد الكربون في غازات العادم بالعمل. تمت مناقشة إمكانية إنشاء مركبات كهربائية يمكنها منافسة المركبات التقليدية وإمكانية استخدام الوقود بدون مواد ضارة في غازات العادم ، على سبيل المثال ، في المحركات التي تعمل بخليط من الهيدروجين والأكسجين.

من أجل توفير المساحة والموارد المائية ، من المناسب بناء مجمعات كاملة من محطات الطاقة ، في المقام الأول النووية منها ، مع دورة إمدادات المياه المغلقة.

اتجاه آخر للجهود المبذولة هو زيادة كفاءة استخدام الطاقة ، والنضال من أجل مدخراتها.

حل المشاكل المذكورة أعلاه أمر حيوي للإنسانية. ويمكن لهذه المشاكل مع أقصى قدر من النجاح

يتم حلها في مجتمع اشتراكي مع تنمية مخططة للاقتصاد على نطاق وطني. لكن تنظيم حماية البيئة يتطلب جهودًا على نطاق عالمي.

1. ما هي العمليات التي تسمى لا رجعة فيها؟ 2. قم بتسمية العمليات الأكثر شيوعًا التي لا رجعة فيها. 3. أعط أمثلة لعمليات لا رجعة فيها لم يرد ذكرها في النص. 4. صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية. 5. إذا كانت الأنهار تتدفق إلى الوراء ، فهل هذا يعني انتهاكًا لقانون الحفاظ على الطاقة؟ 6. ما هو الجهاز الذي يسمى المحرك الحراري؟ 7. ما هو دور السخان والثلاجة والسائل العامل للمحرك الحراري؟ 8. لماذا من المستحيل استخدام الطاقة الداخلية للمحيطات كمصدر للطاقة في المحركات الحرارية؟ 9. ما يسمى كفاءة المحرك الحراري؟

10. ما هي أقصى قيمة ممكنة لكفاءة المحرك الحراري؟

الغرض: التعرف على المحركات الحرارية المستخدمة في العالم الحديث.

في سياق عملنا حاولنا الإجابة على الأسئلة التالية:

• 
  ما هو المحرك الحراري؟
• 
  ما هو مبدأ عملها؟
• 
  كفاءة المحرك الحراري؟
• 
  ما أنواع المحركات الحرارية الموجودة؟
• 
  أين يتم تطبيقها؟

محرك حراري.

يمكن اعتبار احتياطيات الطاقة الداخلية في قشرة الأرض والمحيطات عمليا غير محدودة. لكن وجود احتياطيات من الطاقة لا يكفي. من الضروري أن تكون قادرًا على استخدام الطاقة لتشغيل الآلات المتحركة في المصانع والمعامل ، ووسائل النقل ، والجرارات والآلات الأخرى ، وتدوير دوارات مولدات التيار الكهربائي ، وما إلى ذلك. يحتاج الجنس البشري إلى محركات - أجهزة قادرة على القيام بالعمل. معظم المحركات على الأرض هي محركات حرارية.

في أبسط تجربة ، والتي تتمثل في سكب القليل من الماء في أنبوب اختبار ودفعه إلى درجة الغليان (علاوة على ذلك ، يتم إغلاق أنبوب الاختبار مبدئيًا بفلين) ، يرتفع الفلين تحت ضغط البخار الناتج وينبثق للخارج. بمعنى آخر ، يتم تحويل طاقة الوقود إلى الطاقة الداخلية للبخار ، والبخار ، الذي يتمدد ، يعمل ، ويطرد القابس. لذلك يتم تحويل الطاقة الداخلية للبخار إلى الطاقة الحركية للأنبوب.

إذا استبدلنا أنبوب الاختبار بأسطوانة معدنية قوية ، والفلين بمكبس يلائم جدران الأسطوانة ويتحرك بحرية على طولهما ، فإننا نحصل على أبسط محرك حراري.

المحركات الحرارية هي آلات يتم فيها تحويل الطاقة الداخلية للوقود إلى طاقة ميكانيكية.

مبادئ تشغيل المحركات الحرارية.

لكي يقوم المحرك بعمله ، هناك حاجة إلى اختلاف الضغط على جانبي مكبس المحرك أو شفرات التوربين. في جميع المحركات الحرارية ، يتحقق هذا الاختلاف في الضغط عن طريق زيادة درجة حرارة مائع العمل بمئات أو آلاف الدرجات مقارنة بدرجة الحرارة المحيطة. تحدث هذه الزيادة في درجة الحرارة أثناء احتراق الوقود.

السائل العامل في جميع المحركات الحرارية هو غاز يعمل أثناء التمدد. دعنا نشير إلى درجة الحرارة الأولية لسائل العمل (الغاز) خلال T 1. يتم الحصول على درجة الحرارة هذه في التوربينات البخارية أو الآلات بواسطة البخار الموجود في غلاية البخار.

في محركات الاحتراق الداخلي وتوربينات الغاز ، تحدث زيادة درجة الحرارة عند احتراق الوقود داخل المحرك نفسه. درجة الحرارة T 1 تسمى درجة حرارة السخان.

أثناء العمل ، يفقد الغاز الطاقة ويبرد حتمًا إلى درجة حرارة معينة T 2. لا يمكن أن تكون درجة الحرارة هذه أقل من درجة الحرارة المحيطة ، وإلا سيصبح ضغط الغاز أقل من الضغط الجوي ولن يتمكن المحرك من القيام بأي عمل. عادةً ما تكون درجة الحرارة T 2 أعلى إلى حد ما من درجة الحرارة المحيطة. يطلق عليه درجة حرارة الثلاجة.الثلاجة هي الجو او اجهزة خاصة لتبريد وتكثيف بخار العادم - المكثفات. في الحالة الأخيرة ، قد تكون درجة حرارة الثلاجة أقل من درجة حرارة الغلاف الجوي.

وبالتالي ، في المحرك ، لا يمكن لسائل العمل أثناء التمدد إعطاء كل طاقته الداخلية للقيام بالعمل. يتم نقل جزء من الحرارة حتمًا إلى المبرد (الغلاف الجوي) جنبًا إلى جنب مع بخار العادم أو غازات العادم من محركات الاحتراق الداخلي والتوربينات الغازية. هذا الجزء من الطاقة الداخلية يضيع.

يعمل المحرك الحراري بسبب الطاقة الداخلية لسائل العمل. علاوة على ذلك ، في هذه العملية ، يتم نقل الحرارة من أجسام أكثر سخونة (ساخنة) إلى أجسام أكثر برودة (ثلاجة).

ص
يظهر الرسم التخطيطي الأساسي في الشكل.

معامل الأداء (COP) للمحرك الحراري.

يرجع استحالة التحويل الكامل للطاقة الداخلية للغاز إلى عمل المحركات الحرارية إلى عدم رجوع العمليات في الطبيعة. إذا كانت الحرارة يمكن أن تعود تلقائيًا من الثلاجة إلى المدفأة ، فيمكن تحويل الطاقة الداخلية بالكامل إلى عمل مفيد باستخدام أي محرك حراري.

كفاءة المحرك الحراري η هي النسبة المئوية للعمل المفيد A p الذي يؤديه المحرك إلى كمية الحرارة Q 1 المستلمة من السخان.

معادلة:

لأنه في جميع المحركات يتم نقل بعض الحرارة إلى الثلاجة ، ثم η

قيمة الكفاءة القصوى

دبليو تسمح لك قوانين الديناميكا الحرارية بحساب أقصى قدر ممكن من الكفاءة لمحرك حراري. تم القيام بذلك لأول مرة من قبل المهندس والعالم الفرنسي سادي كارنو (1796-1832) في عمله "تأملات في القوة الدافعة للنار والآلات القادرة على تطوير هذه القوة" (1824).

ل
ابتكر أرنو محركًا حراريًا مثاليًا مع غاز مثالي كسائل عامل. حصل على القيمة التالية لكفاءة هذه الآلة:

T 1 - درجة حرارة السخان

T 2 - درجة حرارة الثلاجة

المعنى الرئيسي لهذه الصيغة هو ، كما أثبت كارنو ، أي شيء محرك حراري حقيقي يعمل بسخان بدرجة حرارة T 1 وثلاجة مع درجة حرارة T 2 ، لا يمكن أن يكون لها كفاءة تتجاوز كفاءة محرك حراري مثالي.

تعطي الصيغة حدًا نظريًا للحد الأقصى لقيمة كفاءة المحركات الحرارية. يظهر أن المحرك الحراري أكثر كفاءة ، فكلما ارتفعت درجة حرارة السخان وانخفضت درجة حرارة الثلاجة.

لكن درجة حرارة الثلاجة لا يمكن أن تكون أقل من درجة الحرارة المحيطة. يمكنك زيادة درجة حرارة السخان. ومع ذلك ، فإن أي مادة (صلبة) لها مقاومة محدودة للحرارة ، أو مقاومة للحرارة. عند تسخينه ، يفقد تدريجياً خصائصه المرنة ويذوب عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية.

تهدف الجهود الرئيسية للمهندسين الآن إلى زيادة كفاءة المحركات عن طريق تقليل احتكاك أجزائها ، وفقدان الوقود بسبب الاحتراق غير الكامل ، وما إلى ذلك. الفرص الحقيقية لزيادة الكفاءة هنا لا تزال كبيرة.

محرك الاحتراق الداخلي

محرك الاحتراق الداخلي هو محرك حراري تستخدم فيه غازات عالية الحرارة كسوائل عمل ، والتي تتشكل أثناء احتراق الوقود السائل أو الغازي مباشرة داخل حجرة محرك المكبس.

هيكل محرك السيارة رباعي الأشواط.

• 
  اسطوانة
• 
  غرفة الاحتراق
• 
  مكبس،
• 
  مدخل الصمام؛
• 
  صمام منفذ،
• 
  شمعة؛
• 
  ربط قضيب
• 
  دولاب الموازنة.

بعض المعلومات حول المحركات	نوع المحرك
	مكربن	ديزل
هيئة العمل	هواء مشبع بأبخرة البنزين.	هواء
وقود	بنزين	زيت الوقود والزيت
أقصى ضغط للغرفة	6-10 5 باسكال	1.5-10 6 - 3.5-10 6 باسكال
وصلت درجة الحرارة أثناء ضغط مائع العمل	360-400 درجة مئوية	500-700 درجة مئوية
درجة حرارة منتجات الاحتراق	1800 درجة مئوية	1900 درجة مئوية
كفاءة: للأجهزة التسلسلية لأفضل العينات

عمل الجليد

1 فاز- "شفط" ، يتحرك المكبس لأسفل ، عبر صمام الدخول إلى غرفة الاحتراق ، ويمتص خليط قابل للاحتراق - زوج من البنزين مع الهواء. في نهاية السكتة الدماغية ، يغلق صمام الشفط ؛

2 فاز- "الانضغاط" - يرتفع المكبس لضغط الخليط القابل للاشتعال. في نهاية السكتة الدماغية ، تقفز شرارة في الشمعة ، ويشتعل الخليط القابل للاشتعال ؛

3 فاز- "شوط العمل" - تصل المنتجات الغازية للاحتراق إلى درجة حرارة وضغط مرتفعين ، بقوة كبيرة تضغط على المكبس ، الذي ينخفض ​​، وبمساعدة قضيب توصيل وكرنك ، يقوم بتدوير العمود المرفقي ؛

4 فاز- "العادم" - يرتفع المكبس ويدفع غازات العادم إلى الغلاف الجوي من خلال صمام المخرج. درجة حرارة غاز العادم 500 0

في تستخدم معظم السيارات محركات ذات أربع أسطوانات. يتم تنسيق عمل الأسطوانات بطريقة تحدث شوط العمل في كل منها بدوره ويتلقى العمود المرفقي الطاقة من أحد المكابس طوال الوقت. هناك أيضًا محركات ثماني الأسطوانات. توفر المحركات متعددة الأسطوانات تماسكًا أفضل لدوران العمود ولديها المزيد من القوة.

تستخدم محركات المكربن ​​في سيارات الركاب ذات الطاقة المنخفضة نسبيًا. الديزل - في الآلات الثقيلة عالية الطاقة (الجرارات ، جرارات الشحن ، قاطرات الديزل) ،
في مختلف المحاكم.

توربينات البخار

5- رمح ، 4 - قرص ، 3 - بخار ، 2 - ريش ،

1- ريش.

صالتوربينات البخارية هي الجزء الرئيسي لمحطة توليد الطاقة البخارية. في محطة توليد الطاقة البخارية ، يخرج بخار الماء المحمص بدرجة حرارة حوالي 300-500 درجة مئوية وضغط من 17-23 ميجا باسكال من المرجل في خط أنابيب البخار. يقوم البخار بتحريك الجزء المتحرك من التوربين البخاري ، والذي يحرك الجزء المتحرك لمولد كهربائي ينتج الكهرباء. يدخل بخار العادم المكثف ، حيث يسيل ، يدخل الماء الناتج إلى غلاية البخار بمساعدة مضخة ويتحول مرة أخرى إلى بخار.

يحترق السائل المنفصل أو الوقود الصلب في الفرن ، مما يؤدي إلى تسخين الغلاية.

هيكل التوربينات

• 
  أسطوانة مزودة بنظام فوهة - توسيع الأنابيب ذات التكوين الخاص ؛
• 
  الدوار - قرص دوار بنظام ريش.

مبدأ التشغيل

يتم توجيه نفاثات البخار المتسربة من الفوهات بسرعة عالية (600-800 م / ث) إلى شفرات دوار التوربين ، وتضغط عليها وتتسبب في دوران الدوار بسرعة عالية (50 دورة في الدقيقة). يتم تحويل الطاقة الداخلية للبخار إلى طاقة ميكانيكية لدوران التوربين الدوار. يتوسع البخار عند خروجه من الفوهة ، ويعمل ويبرد. يدخل بخار العادم إلى خط أنابيب البخار ، وتصبح درجة حرارته في هذه اللحظة أعلى قليلاً من 100 درجة مئوية ، ثم يدخل البخار إلى المكثف ، ويكون الضغط فيه أقل بعدة مرات من الضغط الجوي. يتم تبريد المكثف بالماء البارد.

أول توربين بخاري وجد تطبيقًا عمليًا تم تصنيعه بواسطة G.Laval في عام 1889.

الوقود المستخدم: صلب - الفحم ، الصخر الزيتي ، الخث ؛ سائل - زيت ، زيت وقود. غاز طبيعي.

يتم تركيب التوربينات في محطات الطاقة الحرارية والنووية. يولدون أكثر من 80٪ من الكهرباء. يتم تركيب توربينات بخارية قوية على السفن الكبيرة.

التوربينات الغازية

من المزايا المهمة لهذا التوربين التحويل المبسط للطاقة الداخلية للغاز إلى حركة دورانية للعمود.

مبدأ التشغيل

يتم توفير الهواء المضغوط عند درجة حرارة حوالي 200 درجة مئوية إلى غرفة الاحتراق في التوربينات الغازية باستخدام ضاغط ، ويتم حقن الوقود السائل (الكيروسين وزيت الوقود) تحت ضغط عالٍ. أثناء احتراق الوقود ، يتم تسخين الهواء ومنتجات الاحتراق إلى درجة حرارة 1500-2200 درجة مئوية. يتم توجيه الغاز الذي يتحرك بسرعة عالية إلى شفرات التوربينات. بالانتقال من دوار توربيني إلى آخر ، يتخلى الغاز عن طاقته الداخلية ، مما يتسبب في دوران الدوار.

عندما يتم استنفاد الغاز من التوربينات الغازية ، تبلغ درجة حرارة الغاز 400-500 درجة مئوية.

يتم استخدام الطاقة الميكانيكية الناتجة ، على سبيل المثال ، لتدوير مروحة طائرة أو دوار مولد كهربائي.

توربينات الغاز هي محركات ذات طاقة عالية ، لذا فهي تستخدم في الطيران

المحركات النفاثة

مبدأ التشغيل

في غرفة الاحتراق ، يحترق وقود الصواريخ (على سبيل المثال ، شحنة مسحوق) وتضغط الغازات الناتجة على جدران الغرفة بقوة كبيرة. يوجد على جانب واحد من الغرفة فوهة تتسرب من خلالها منتجات الاحتراق إلى الفضاء المحيط. من ناحية أخرى ، تضغط الغازات المتوسعة على الصاروخ مثل المكبس وتدفعه للأمام.

ص صواريخ أورش هي محركات تعمل بالوقود الصلب. إنهم جاهزون للعمل باستمرار ، من السهل البدء ، لكن من المستحيل إيقاف أو التحكم في مثل هذا المحرك.

محركات الصواريخ التي تعمل بالوقود السائل ، والتي يمكن تنظيم إمداد الوقود بها ، تكون أكثر موثوقية في التحكم.

في عام 1903 ، اقترح K.E. Tsiolkovsky تصميم مثل هذا الصاروخ.

تستخدم المحركات النفاثة في الصواريخ الفضائية. يتم تثبيت المحركات النفاثة والنفاثة على بطانات الهواء الضخمة.

الموارد المستخدمة

• 
  الفيزياء. كتيب الطالب. التطوير العلمي والتجميع بواسطة T. Feshchenko، V. Vozhegova: M.: Philological Society "Slovo"، Company "Key-S"، 1995. - 576 ص.
• 
  جي. مياكيشيف ، ب. بوكوفتسيف. الفيزياء: Proc. لمدة 10 خلايا. متوسط مدرسة - الطبعة الثانية. - م: التنوير 1992. - 222 ص: مريض.
• 
  هو. بارانوف. عمل تخريج طالب لدورات تدريبية متقدمة من RCDO في إطار برنامج "تقنيات الإنترنت لمعلم المادة". عرض تقديمي بعنوان "المحركات الحرارية" 2005
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - نماذج المحرك والصور المتحركة
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php؟numb_artic=211269 مهرجان الأفكار التربوية "درس مفتوح 2004-2005" L.V. سامويلوف

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm الفيزياء 7-8-9 كتاب للمدرسين A.A. فاديفا ، أ. بولت

سيكون موضوع الدرس الحالي هو النظر في العمليات التي تحدث بشكل محدد تمامًا ، وليس مجردة ، كما في الدروس السابقة ، الأجهزة - المحركات الحرارية. سنقوم بتعريف هذه الآلات ووصف مكوناتها الرئيسية ومبدأ التشغيل. خلال هذا الدرس أيضًا ، سيتم النظر في مسألة إيجاد الكفاءة - كفاءة المحركات الحرارية ، سواء الحقيقية أو القصوى الممكنة.

الموضوع: أساسيات الديناميكا الحرارية
الدرس: مبدأ تشغيل المحرك الحراري

كان موضوع الدرس الأخير هو القانون الأول للديناميكا الحرارية ، والذي حدد العلاقة بين كمية معينة من الحرارة التي تم نقلها إلى جزء من الغاز والعمل الذي يقوم به هذا الغاز أثناء التمدد. والآن حان الوقت لنقول إن هذه الصيغة مهمة ليس فقط لبعض الحسابات النظرية ، ولكن أيضًا في التطبيق العملي تمامًا ، لأن عمل الغاز ليس أكثر من عمل مفيد ، نستخرجه عند استخدام المحركات الحرارية.

تعريف. محرك حراري- جهاز يتم فيه تحويل الطاقة الداخلية للوقود إلى عمل ميكانيكي (الشكل 1).

أرز. 1. أمثلة مختلفة من المحركات الحرارية () ، ()

كما يتضح من الشكل ، فإن المحركات الحرارية هي أي أجهزة تعمل وفقًا للمبدأ أعلاه ، وتتراوح من التصميم البسيط للغاية إلى المعقد للغاية في التصميم.

بدون استثناء ، يتم تقسيم جميع المحركات الحرارية وظيفيًا إلى ثلاثة مكونات (انظر الشكل 2):

• سخان
• هيئة العمل
• ثلاجة

أرز. 2. مخطط وظيفي لمحرك حراري ()

السخان هو عملية احتراق الوقود ، والتي ، أثناء الاحتراق ، تنقل كمية كبيرة من الحرارة إلى الغاز ، وتسخينه إلى درجات حرارة عالية. الغاز الساخن ، وهو سائل عامل ، بسبب ارتفاع درجة الحرارة ، وبالتالي الضغط ، يتمدد ، يؤدي العمل. بالطبع ، نظرًا لوجود نقل للحرارة دائمًا مع غلاف المحرك ، والهواء المحيط ، وما إلى ذلك ، فلن يساوي العمل عدديًا الحرارة المنقولة - يذهب بعض الطاقة إلى الثلاجة ، والتي ، كقاعدة عامة ، هي البيئة.

أسهل طريقة هي تخيل العملية التي تجري في أسطوانة بسيطة تحت مكبس متحرك (على سبيل المثال ، أسطوانة محرك الاحتراق الداخلي). بطبيعة الحال ، لكي يعمل المحرك ويكون له معنى ، يجب أن تحدث العملية بشكل دوري ، وليس مرة واحدة. أي بعد كل تمدد ، يجب أن يعود الغاز إلى موضعه الأصلي (الشكل 3).

أرز. 3. مثال على التشغيل الدوري للمحرك الحراري ()

لكي يعود الغاز إلى موضعه الأولي ، من الضروري القيام ببعض الأعمال عليه (عمل القوى الخارجية). ونظرًا لأن عمل الغاز يساوي الشغل على الغاز مع الإشارة المعاكسة ، حتى يقوم الغاز بعمل إيجابي إجمالي للدورة بأكملها (وإلا فلن يكون هناك نقطة في المحرك) ، فمن الضروري أن يكون عمل القوى الخارجية أقل من عمل الغاز. أي أن الرسم البياني للعملية الدورية في إحداثيات P-V يجب أن يبدو كما يلي: حلقة مغلقة مع تجاوز في اتجاه عقارب الساعة. في ظل هذه الحالة ، يكون عمل الغاز (في قسم الرسم البياني حيث يزداد الحجم) أكبر من العمل على الغاز (في القسم الذي ينخفض ​​فيه الحجم) (الشكل 4).

أرز. 4. مثال على رسم بياني لعملية تحدث في محرك حراري

نظرًا لأننا نتحدث عن آلية معينة ، فمن الضروري تحديد كفاءتها.

تعريف. كفاءة (معامل الأداء) للمحرك الحراري- نسبة العمل المفيد الذي يؤديه سائل العمل إلى كمية الحرارة المنقولة إلى الجسم من السخان.

إذا أخذنا في الاعتبار الحفاظ على الطاقة: الطاقة التي خرجت من السخان لا تختفي في أي مكان - يتم إزالة جزء منها في شكل عمل ، والباقي يذهب إلى الثلاجة:

نحن نحصل:

هذا تعبير عن الكفاءة في الأجزاء ، إذا كنت بحاجة إلى الحصول على قيمة الكفاءة كنسبة مئوية ، فيجب عليك مضاعفة الرقم الناتج في 100. الكفاءة في نظام قياس SI هي قيمة بلا أبعاد ، وكما يتضح من الصيغة ، لا يمكن أن يكون أكثر من واحد (أو 100).

يجب أن يقال أيضًا أن هذا التعبير يسمى الكفاءة الحقيقية أو كفاءة محرك حراري حقيقي (محرك حراري). إذا افترضنا أننا نجحنا بطريقة ما في التخلص تمامًا من عيوب تصميم المحرك ، فسنحصل على محرك مثالي ، وسيتم حساب كفاءته وفقًا لصيغة كفاءة المحرك الحراري المثالي. حصل المهندس الفرنسي سادي كارنو على هذه الصيغة (الشكل 5):

تكمن الأهمية الرئيسية للمعادلة (5.12.2) التي حصلت عليها Carnot في كفاءة الآلة المثالية في أنها تحدد أقصى قدر ممكن من الكفاءة لأي محرك حراري.

أثبت كارنو ، بناءً على القانون الثاني للديناميكا الحرارية * ، النظرية التالية: أي محرك حراري حقيقي يعمل مع سخان درجة الحرارةتي 1 ودرجة حرارة الثلاجةتي 2 ، لا يمكن أن يكون لها كفاءة تتجاوز كفاءة محرك حراري مثالي.

* وضع كارنو في الواقع القانون الثاني للديناميكا الحرارية قبل كلوسيوس وكلفن ، عندما لم يكن القانون الأول للديناميكا الحرارية قد تمت صياغته بشكل صارم بعد.

فكر أولاً في محرك حراري يعمل على دورة عكسية بغاز حقيقي. يمكن أن تكون الدورة موجودة ، من المهم فقط أن تكون درجات حرارة السخان والثلاجة تي 1 و تي 2 .

لنفترض أن كفاءة محرك حراري آخر (لا يعمل وفقًا لدورة كارنو) η ’ > η . تعمل الآلات مع سخان مشترك ومبرد مشترك. دع آلة Carnot تعمل في الدورة العكسية (مثل آلة التبريد) ، والآلة الأخرى في الدورة الأمامية (الشكل 5.18). يعمل المحرك الحراري على قدم المساواة ، وفقًا للصيغتين (5.12.3) و (5.12.5):

يمكن دائمًا تصميم آلة التبريد بحيث تأخذ كمية الحرارة من الثلاجة س 2 = ||

بعد ذلك ، وفقًا للصيغة (5.12.7) ، سيتم تنفيذ العمل عليها

(5.12.12)

منذ بالشرط η "> η , الذي - التي أ "> أ.لذلك ، يمكن للمحرك الحراري أن يقود محرك التبريد ، وسيظل هناك فائض من العمل. يتم هذا العمل الزائد على حساب الحرارة المأخوذة من مصدر واحد. بعد كل شيء ، لا يتم نقل الحرارة إلى الثلاجة تحت تأثير ماكينتين في وقت واحد. لكن هذا يتعارض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

إذا افترضنا أن η> η ", ثم يمكنك جعل آلة أخرى تعمل في دورة عكسية ، وجهاز كارنو في خط مستقيم. نصل مرة أخرى إلى تناقض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. لذلك ، فإن جهازين يعملان على دورات عكسية لهما نفس الكفاءة: η " = η .

إنها مسألة مختلفة إذا كانت الآلة الثانية تعمل في دورة لا رجوع فيها. إذا سمحنا η " > η , ثم نصل مرة أخرى إلى تناقض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومع ذلك ، فإن الافتراض م | "< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η أو

هذه هي النتيجة الرئيسية:

(5.12.13)

كفاءة المحركات الحرارية الحقيقية

تعطي الصيغة (5.12.13) الحد النظري لأقصى كفاءة للمحركات الحرارية. يظهر أن المحرك الحراري أكثر كفاءة ، فكلما ارتفعت درجة حرارة السخان وانخفضت درجة حرارة الثلاجة. فقط عندما تكون درجة حرارة الثلاجة مساوية للصفر المطلق ، η = 1.

لكن درجة حرارة الثلاجة عمليا لا يمكن أن تكون أقل بكثير من درجة الحرارة المحيطة. يمكنك زيادة درجة حرارة السخان. ومع ذلك ، فإن أي مادة (صلبة) لها مقاومة محدودة للحرارة ، أو مقاومة للحرارة. عند تسخينه ، يفقد تدريجياً خصائصه المرنة ويذوب عند درجة حرارة عالية بدرجة كافية.

تهدف الجهود الرئيسية للمهندسين الآن إلى زيادة كفاءة المحركات عن طريق تقليل الاحتكاك في أجزائها ، وفقدان الوقود بسبب احتراقه غير الكامل ، وما إلى ذلك. الفرص الحقيقية لزيادة الكفاءة لا تزال كبيرة هنا. لذلك ، بالنسبة للتوربينات البخارية ، تكون درجات حرارة البخار الأولية والنهائية كما يلي: تي 1 = 800 ك و تي 2 = 300 ك.في درجات الحرارة هذه ، تكون القيمة القصوى للكفاءة هي:

تبلغ القيمة الفعلية للكفاءة بسبب أنواع مختلفة من فقدان الطاقة حوالي 40٪. أقصى كفاءة - حوالي 44٪ - لها محركات احتراق داخلي.

لا يمكن أن تتجاوز كفاءة أي محرك حراري أقصى قيمة ممكنة
, اين 1 - درجة الحرارة المطلقة للسخان ، و T. 2 - درجة الحرارة المطلقة للثلاجة.

زيادة كفاءة المحركات الحرارية وتقريبها إلى أقصى حد ممكن- أهم تحدي تقني.

عامل الكفاءة (COP)هو مقياس لكفاءة النظام من حيث تحويل الطاقة أو نقلها ، والذي يتم تحديده من خلال نسبة الطاقة المستخدمة بشكل مفيد إلى إجمالي الطاقة التي يتلقاها النظام.

كفاءة- القيمة بلا أبعاد ، وعادة ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية:

يتم تحديد معامل الأداء (COP) للمحرك الحراري من خلال الصيغة: ، حيث A = Q1Q2. تكون كفاءة المحرك الحراري دائمًا أقل من 1.

دورة كارنو- هذه عملية دائرية عكسية للغاز ، تتكون من عمليتين متساويتين متتاليتين واثنتين من العمليات الحافظة للحرارة يتم إجراؤها باستخدام سائل عامل.

تتوافق الدورة الدائرية ، التي تشتمل على اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديابات ، مع أقصى قدر من الكفاءة.

اشتق المهندس الفرنسي سادي كارنو في عام 1824 معادلة لأقصى قدر من الكفاءة لمحرك حراري مثالي ، حيث يكون السائل العامل غازًا مثاليًا ، وتتكون دورته من اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديابات ، أي دورة كارنو. دورة كارنو هي دورة العمل الحقيقية للمحرك الحراري الذي يؤدي العمل بسبب الحرارة التي يتم توفيرها لسائل العمل في عملية متساوية الحرارة.

صيغة كفاءة دورة كارنو ، أي أقصى كفاءة لمحرك حراري ، هي: ، حيث T1 هي درجة الحرارة المطلقة للسخان ، T2 هي درجة الحرارة المطلقة للثلاجة.

محركات الحرارة- هذه هي الهياكل التي يتم فيها تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية.

تتنوع المحركات الحرارية من حيث التصميم والغرض. وتشمل هذه المحركات البخارية والتوربينات البخارية ومحركات الاحتراق الداخلي والمحركات النفاثة.

ومع ذلك ، على الرغم من التنوع ، هناك سمات مشتركة في مبدأ تشغيل المحركات الحرارية المختلفة. المكونات الرئيسية لكل محرك حراري:

• سخان؛
• هيئة العمل
• ثلاجة.

يطلق السخان طاقة حرارية أثناء تسخين سائل العمل الموجود في غرفة عمل المحرك. يمكن أن يكون سائل العمل بخارًا أو غازًا.

بعد قبول كمية الحرارة ، يتمدد الغاز ، لأن. يكون ضغطه أكبر من الضغط الخارجي ، ويقوم بتحريك المكبس ، مما ينتج عنه عمل إيجابي. في نفس الوقت ينخفض ​​ضغطه ويزداد حجمه.

إذا ضغطنا الغاز ، مروراً بنفس الحالات ، ولكن في الاتجاه المعاكس ، فسنؤدي نفس القيمة المطلقة ، لكن العمل السالب. نتيجة لذلك ، سيكون كل عمل الدورة مساويًا للصفر.

لكي يكون عمل المحرك الحراري غير صفري ، يجب أن يكون عمل ضغط الغاز أقل من عمل التمدد.

لكي يصبح عمل الضغط أقل من عمل التمدد ، من الضروري أن تتم عملية الضغط عند درجة حرارة منخفضة ، لذلك يجب تبريد سائل العمل ، وبالتالي ، يتم تضمين ثلاجة في تصميم محرك حراري. يعطي سائل العمل كمية الحرارة إلى الثلاجة عند ملامستها لها.