hőmotor hatásfoka. Az energiamegmaradás törvénye szerint a motor által végzett munka:

hol van a fűtőtesttől kapott hő, az a hűtőnek adott hő.

A hőmotor hatásfoka a motor által végzett munka és a fűtőberendezéstől kapott hőmennyiség aránya:

Mivel minden motorban bizonyos mennyiségű hőt adnak át a hűtőnek, minden esetben

A hőgépek hatásfokának maximális értéke. A francia mérnök és tudós, Sadi Carnot (1796, 1832) „Elmélkedés a tűz hajtóerejéről” (1824) című munkájában azt a célt tűzte ki, hogy kiderítse, milyen körülmények között lenne a leghatékonyabb a hőgép működése, azaz milyen feltételek mellett lenne a motor maximális hatásfoka.

Carnot egy ideális hőmotorral állt elő, ideális gázzal a munkafolyadékkal. Kiszámolta ennek a hőfokfűtéssel és hőmérséklethűtővel működő gépnek a hatásfokát

Ennek a képletnek a fő jelentősége az, ahogy Carnot a termodinamika második főtétele alapján bebizonyította, hogy egyetlen hőfokfűtéssel és hőmérséklethűtővel működő valódi hőgép sem lehet az ideális hőgép hatásfokát meghaladó hatásfoka.

A (4.18) képlet megadja a hőgépek maximális hatásfokának elméleti határát. Ez azt mutatja, hogy a hőmotor hatékonyabb, minél magasabb a fűtőelem és annál alacsonyabb a hűtőszekrény hőmérséklete. Csak akkor, ha a hűtőszekrény hőmérséklete egyenlő az abszolút nullával,

De a hűtőszekrény hőmérséklete gyakorlatilag nem lehet sokkal alacsonyabb, mint a környezeti hőmérséklet. Növelheti a fűtőelem hőmérsékletét. Azonban minden anyag (szilárd) korlátozott hőállósággal vagy hőállósággal rendelkezik. Melegítéskor fokozatosan elveszíti rugalmas tulajdonságait, és kellően magas hőmérsékleten megolvad.

A mérnökök fő erőfeszítései jelenleg a motorok hatásfokának növelésére irányulnak az alkatrészeik súrlódásának, a tökéletlen égésből adódó üzemanyag-veszteségnek stb. csökkentésével. A hatékonyság növelésének valódi lehetőségei itt még mindig nagyok. Tehát egy gőzturbina esetében a kezdeti és a végső gőzhőmérséklet körülbelül a következő: Ezeken a hőmérsékleteken a maximális hatásfok értéke:

A különféle energiaveszteségek miatti hatásfok tényleges értéke egyenlő:

A hőgépek hatásfokának növelése, a lehető maximumhoz való közelítése a legfontosabb műszaki feladat.

Hőmotorok és természetvédelem. A hőgépek elterjedt alkalmazása annak érdekében, hogy a lehető legnagyobb mértékben kényelmesen használható energiát nyerjenek, összehasonlítva

minden más típusú termelési folyamat környezeti hatásokkal jár.

A termodinamika második főtétele szerint az elektromos és mechanikai energia előállítása elvileg nem valósítható meg anélkül, hogy jelentős mennyiségű hő kerülne a környezetbe. Ez csak a Föld átlaghőmérsékletének fokozatos emelkedéséhez vezethet. Most az áramfelvétel körülbelül 1010 kW. Amikor ezt a teljesítményt elérjük, az átlaghőmérséklet észrevehetően (körülbelül egy fokkal) emelkedni fog. A hőmérséklet további emelkedése a gleccserek olvadásának és a globális tengerszint katasztrofális emelkedésének veszélyét jelentheti.

Ez azonban korántsem meríti ki a hőmotorok használatának negatív következményeit. A hőerőművek kemencéi, autók belső égésű motorjai stb. folyamatosan bocsátanak ki a légkörbe a növényekre, állatokra és az emberre káros anyagokat: kénvegyületeket (szén égetésekor), nitrogén-oxidokat, szénhidrogéneket, szén-monoxidot (CO) stb. Különös veszélyt jelentenek ebből a szempontból a gépjárművek, amelyek száma riasztóan növekszik, és a kipufogógázok tisztítása nehézkes. Az atomerőművek szembesülnek a veszélyes radioaktív hulladékok elhelyezésének problémájával.

Ezen túlmenően az erőművek gőzturbináinak alkalmazása nagy területeket igényel a tavakban a kipufogó gőz hűtéséhez.Az erőművek kapacitásának növekedésével a vízigény meredeken megnő. 1980-ban hazánkban a gazdaság összes ágazata vízellátásának mintegy 35%-a volt erre a célra szükséges.

Mindez számos komoly problémát jelent a társadalom számára. A hőgépek hatásfokának növelésének legfontosabb feladata mellett számos környezetvédő intézkedést is végre kell hajtani. Javítani kell azon szerkezetek hatékonyságát, amelyek megakadályozzák a káros anyagok légkörbe való kibocsátását; az üzemanyag teljesebb elégetése az autómotorokban. Azok az autók, amelyek kipufogógázaiban magas CO-tartalommal rendelkeznek, már most sem üzemelhetnek. Szóba kerül a hagyományosakkal versenyezni képes elektromos járművek létrehozásának lehetősége, valamint a kipufogógázokban káros anyagokat nem tartalmazó üzemanyag felhasználásának lehetősége, például hidrogén és oxigén keverékével működő motorokban.

A hely- és vízkészletek megtakarítása érdekében teljes erőmű-komplexumokat, elsősorban atomerőműveket célszerű építeni zárt vízellátási ciklussal.

A törekvések másik iránya az energiafelhasználás hatékonyságának növelése, a megtakarításokért való küzdelem.

A fent felsorolt ​​problémák megoldása létfontosságú az emberiség számára. És ezek a problémák maximális sikerrel

szocialista társadalomban kell megoldani a gazdaság tervszerű nemzeti szintű fejlesztésével. A környezetvédelem megszervezése azonban globális szintű erőfeszítéseket igényel.

1. Milyen folyamatokat nevezünk irreverzibilisnek? 2. Nevezze meg a legjellemzőbb irreverzibilis folyamatokat! 3. Mondjon példákat a szövegben nem említett irreverzibilis folyamatokra! 4. Fogalmazza meg a termodinamika második főtételét! 5. Ha a folyók visszafelé folynának, az az energiamegmaradás törvényének megsértését jelentené? 6. Milyen eszközt nevezünk hőmotornak? 7. Mi a szerepe a hőgép fűtőjének, hűtőjének és munkaközegének? 8. Miért lehetetlen az óceán belső energiáját energiaforrásként felhasználni a hőgépekben? 9. Mit nevezünk egy hőgép hatásfokának?

10. Mekkora lehet a hőgép hatásfokának maximális értéke?

Cél: megismerkedni a modern világban használt hőmotorokkal.

Munkánk során az alábbi kérdésekre próbáltunk választ adni:

• 
  Mi az a hőmotor?
• 
  Mi a működésének elve?
• 
  hőmotor hatásfoka?
• 
  Milyen típusú hőmotorok léteznek?
• 
  Hol alkalmazzák?

Termikus motor.

A földkéregben és az óceánokban lévő belső energiakészletek gyakorlatilag korlátlannak tekinthetők. Az energiatartalékok azonban nem elegendőek. Az energiát fel kell tudni használni gyári és üzemi gépek, szállítóeszközök, traktorok és egyéb gépek beindításához, elektromos áramfejlesztők forgórészeinek forgatásához, stb. Az emberiségnek szüksége van motorokra - munkavégzésre alkalmas eszközökre. A Földön a legtöbb motor hőmotor.

A legegyszerűbb kísérletben, amely abból áll, hogy egy kémcsőbe kevés vizet öntünk és felforraljuk (ráadásul a kémcsövet kezdetben dugóval zárják le), a parafa a keletkező gőz nyomása alatt felemelkedik és kipattan. Más szóval, az üzemanyag energiája a gőz belső energiájává alakul, és a gőz kitágulva működik, kiüti a dugót. Tehát a gőz belső energiája átalakul a cső mozgási energiájává.

Ha a kémcsövet egy erős fémhengerre, a parafát pedig egy dugattyúra cseréljük, amely szorosan illeszkedik a henger falaihoz és szabadon mozog azok mentén, akkor a legegyszerűbb hőmotort kapjuk.

A hőgépek olyan gépek, amelyekben az üzemanyag belső energiája mechanikai energiává alakul.

A hőgépek működési elvei.

Ahhoz, hogy a motor működjön, nyomáskülönbségre van szükség a motor dugattyújának vagy a turbina lapátjainak mindkét oldalán. Ezt a nyomáskülönbséget minden hőmotorban úgy érik el, hogy a munkaközeg hőmérsékletét több száz vagy ezer fokkal megnövelik a környezeti hőmérséklethez képest. Ez a hőmérséklet-emelkedés az üzemanyag elégetése során következik be.

A munkafolyadék minden hőmotorban gáz, amely a tágulás során működik. Jelöljük T 1 -en keresztül a munkaközeg (gáz) kezdeti hőmérsékletét. Ezt a hőmérsékletet a gőzturbinákban vagy gépekben a gőzkazánban lévő gőz éri el.

A belső égésű motorokban és gázturbinákban a hőmérséklet-emelkedés akkor következik be, amikor magában a motorban elégetik az üzemanyagot. Hőmérséklet T 1 fűtőtest hőmérsékletének nevezzük.

A munkavégzés során a gáz energiát veszít, és elkerülhetetlenül lehűl egy bizonyos T 2 hőmérsékletre. Ez a hőmérséklet nem lehet alacsonyabb a környezeti hőmérsékletnél, különben a gáznyomás a légköri nyomás alá csökken, és a motor nem tud dolgozni. Jellemzően a T2 hőmérséklet valamivel magasabb, mint a környezeti hőmérséklet. Ezt hívják a hűtőszekrény hőmérsékletének. A hűtőszekrény légkör vagy speciális eszközök a kipufogó gőz hűtésére és kondenzálására - kondenzátorok. Ez utóbbi esetben a hűtőszekrény hőmérséklete a légkör hőmérséklete alatt lehet.

Így a motorban a munkafolyadék az expanzió során nem tudja teljes belső energiáját a munka elvégzésére adni. A hő egy része elkerülhetetlenül a hűtőbe (atmoszférába) kerül a kipufogó gőzzel vagy a belső égésű motorok és gázturbinák kipufogógázaival együtt. A belső energia ezen része elvész.

A hőmotor a munkafolyadék belső energiája miatt végez munkát. Sőt, ebben a folyamatban a melegebb testekről (felfűtött) a hidegebbre (hűtőszekrény) a hő átadódik.

P
az elvi diagram az ábrán látható.

Hőmotor teljesítménytényezője (COP).

A gáz belső energiájának teljes átalakításának lehetetlensége a hőmotorok munkájába a természetben zajló folyamatok visszafordíthatatlansága miatt. Ha a hő spontán visszatérhetne a hűtőből a fűtőbe, akkor a belső energiát bármilyen hőmotor segítségével teljes mértékben hasznos munkává lehetne alakítani.

A hőgép hatásfoka η a motor által elvégzett A p hasznos munka és a fűtőberendezéstől kapott Q 1 hőmennyiség százalékos aránya.

Képlet:

Mivel minden motorban bizonyos mennyiségű hőt adnak át a hűtőnek, akkor η

Maximális hatékonysági érték

W A termodinamika törvényei lehetővé teszik a hőmotor maximális lehetséges hatásfokának kiszámítását. Ezt először a francia mérnök és tudós, Sadi Carnot (1796-1832) tette meg „Elmélkedések a tűz hajtóerejéről és az ezen erőt kifejleszteni képes gépekről” (1824) című munkájában.

NAK NEK
Arno egy ideális hőmotort dolgozott ki, ideális gázzal a munkafolyadékkal. A következő értéket kapta a gép hatékonyságára vonatkozóan:

T 1 - a fűtőelem hőmérséklete

T 2 - hűtőszekrény hőmérséklete

Ennek a képletnek a fő jelentése az, hogy Carnot bebizonyította, hogy bármelyik valódi hőgép, amely T hőmérsékletű fűtőberendezéssel működik 1 és egy T hőmérsékletű hűtőszekrényt 2 , nem lehet olyan hatásfoka, amely meghaladja az ideális hőmotor hatásfokát.

A képlet elméleti határértéket ad a hőgépek hatásfokának maximális értékére. Ez azt mutatja, hogy a hőmotor hatékonyabb, minél magasabb a fűtőelem és annál alacsonyabb a hűtőszekrény hőmérséklete.

De a hűtőszekrény hőmérséklete nem lehet alacsonyabb, mint a környezeti hőmérséklet. Növelheti a fűtőelem hőmérsékletét. Azonban minden anyag (szilárd) korlátozott hőállósággal vagy hőállósággal rendelkezik. Melegítéskor fokozatosan elveszíti rugalmas tulajdonságait, és kellően magas hőmérsékleten megolvad.

Most a mérnökök fő erőfeszítései a motorok hatékonyságának növelésére irányulnak az alkatrészeik súrlódásának, a tökéletlen égés miatti üzemanyagveszteségnek stb. A hatékonyság növelésének valódi lehetőségei itt még mindig nagyok.

Belsőégésű motor

A belső égésű motor olyan hőmotor, amelyben magas hőmérsékletű gázokat használnak munkafolyadékként, amelyek folyékony vagy gáznemű tüzelőanyag égése során keletkeznek közvetlenül a dugattyús motor kamrájában.

A négyütemű autómotor felépítése.

• 
  henger,
• 
  az égéstér,
• 
  dugattyú,
• 
  szívószelep;
• 
  kimeneti szelep,
• 
  gyertya;
• 
  összekötő rúd;
• 
  lendkerék.

Némi információ a motorokról	motor típusa
	karburátoros	Dízel
dolgozó test	Benzingőzzel telített levegő.	Levegő
Üzemanyag	Benzin	Tüzelőolaj, olaj
Maximális kamranyomás	610 5 Pa	1,510 6 - 3,510 6 Pa
A munkafolyadék összenyomása során elért hőmérséklet	360-400 ºС	500-700 ºС
Az égéstermékek hőmérséklete	1800 ºС	1900 ºС
hatékonyság: soros gépekhez a legjobb mintákért

ICE működés

1 ütem- "szívás" a dugattyú lefelé mozog, a bemeneti szelepen keresztül az égéstérbe, éghető keveréket szívnak be - egy pár benzint levegővel. A löket végén a szívószelep bezárul;

2 ütem- "kompresszió" - a dugattyú felemelkedik, összenyomja az éghető keveréket. A löket végén egy szikra ugrik a gyertyában, és az éghető keverék meggyullad;

3 ütem- "munkalöket" - a gáznemű égéstermékek magas hőmérsékletet és nyomást érnek el, nagy erővel rányomják a dugattyút, amely lefelé halad, és egy hajtórúd és egy hajtókar segítségével forgatja a főtengelyt;

4 ütem- "kipufogó" - a dugattyú felemelkedik és a kipufogógázokat a kilépőszelepen keresztül a légkörbe nyomja. A kipufogógáz hőmérséklete 500 0

BAN BEN A legtöbb autó négyhengeres motort használ. A hengerek munkája úgy van összehangolva, hogy mindegyikben felváltva megy végbe a munkalöket, és a főtengely folyamatosan az egyik dugattyútól kap energiát. Vannak nyolchengeres motorok is. A többhengeres motorok jobb tengelyforgást biztosítanak, és nagyobb teljesítményt nyújtanak.

A karburátoros motorokat viszonylag kis teljesítményű személygépkocsikban használják. Dízel - nehezebb, nagy teljesítményű gépekben (traktorok, tehervontatók, dízelmozdonyok),
különböző bíróságokon.

Gőzturbina

5- tengely, 4 - tárcsa, 3 - gőz, 2 - pengék,

1 - pengék.

P A gőzturbina a gőzerőmű fő része. Gőzerőműben körülbelül 300-500 0 C hőmérsékletű, 17-23 MPa nyomású túlhevített vízgőz lép ki a kazánból a gőzvezetékbe. A gőz egy gőzturbina forgórészét hajtja meg, amely egy elektromos generátor forgórészét hajtja meg, amely villamos energiát termel. A távozó gőz a kondenzátorba kerül, ahol cseppfolyósodik, a keletkező víz egy szivattyú segítségével a gőzkazánba kerül és visszaváltozik gőzzé.

A porlasztott folyékony vagy szilárd tüzelőanyag ég a kemencében, felfűtve a kazánt.

A turbina szerkezete

• 
  Dob fúvókarendszerrel - speciális konfigurációjú táguló csövek;
• 
  rotor - egy forgó tárcsa pengerendszerrel.

Működési elve

A fúvókákból nagy sebességgel (600-800 m/s) kilépő gőzsugarak a turbina rotorlapátjaira irányulnak, rányomódnak és a rotor nagy sebességgel (50 ford./perc) forognak. A gőz belső energiája a turbina rotorjának forgási mechanikai energiájává alakul. A gőz, amely kitágul, ahogy kilép a fúvókából, működik és lehűl. A kipufogó gőz belép a gőzvezetékbe, hőmérséklete ebben a pillanatban kissé magasabb, mint 100 ° C, majd a gőz belép a kondenzátorba, amelynek nyomása többszöröse a légköri nyomásnak. A kondenzátor hűtése hideg vízzel történik.

Az első gőzturbinát, amely gyakorlati alkalmazásra talált, G. Laval gyártotta 1889-ben.

Felhasznált tüzelőanyag: szilárd - szén, pala, tőzeg; folyékony - olaj, fűtőolaj. Földgáz.

A turbinákat hő- és atomerőművekben telepítik. Az elektromos energia több mint 80%-át ők állítják elő. Nagy teljesítményű gőzturbinákat telepítenek a nagy hajókra.

gázturbina

Ennek a turbinának fontos előnye a gáz belső energiájának egyszerűsített átalakítása a tengely forgó mozgásává.

Működési elve

Körülbelül 200 ° C hőmérsékletű sűrített levegőt vezetnek be egy gázturbina égésterébe kompresszor segítségével, és folyékony üzemanyagot (kerozin, fűtőolaj) fecskendeznek be nagy nyomással. A tüzelőanyag elégetése során a levegő és az égéstermékek 1500-2200°C hőmérsékletre hevülnek. A nagy sebességgel mozgó gázt a turbinalapátokhoz irányítják. Az egyik turbina rotorról a másikra áthaladva a gáz feladja belső energiáját, aminek következtében a forgórész forog.

Gázturbinából kiürítve a gáz hőmérséklete 400-500 0 C.

A keletkező mechanikai energiát például egy repülőgép légcsavarának vagy egy elektromos generátor rotorjának forgatására használják fel.

A gázturbinák nagy teljesítményű motorok, ezért a légi közlekedésben használják

sugárhajtóművek

Működési elve

Az égéstérben a rakéta-üzemanyag (például portöltet) kiég, és a keletkező gázok nagy erővel nyomódnak a kamra falaihoz. A kamra egyik oldalán egy fúvóka található, amelyen keresztül az égéstermékek a környező térbe távoznak. Másrészt a táguló gázok dugattyúként nyomják a rakétát és tolják előre.

P Az oroch rakéták szilárd hajtóanyagú motorok. Folyamatosan készen állnak a munkára, könnyen indíthatók, de lehetetlen leállítani vagy irányítani egy ilyen motort.

A folyékony hajtóanyagú rakétamotorok, amelyek üzemanyag-ellátása szabályozható, sokkal megbízhatóbbak a vezérlésben.

1903-ban K. E. Tsiolkovsky javasolta egy ilyen rakéta tervezését.

A sugárhajtóműveket űrrakétákban használják. A hatalmas légterelőkbe turbó- és sugárhajtóműveket szerelnek fel.

Felhasznált erőforrások

• 
  Fizika. Tanulói kézikönyv. Tudományos fejlesztés és összeállítás: T. Feshchenko, V. Vozhegova: M .: "Slovo" Filológiai Társaság, "Key-S" társaság, 1995. – 576 p.
• 
  G.Ya. Myakishev, B.B. Buhovcev. Fizika: Proc. 10 cellához. átl. iskola - 2. kiadás - M.: Felvilágosodás, 1992. - 222 p.: ill.
• 
  Ő. Baranov. Az RCDO továbbképzési kurzusainak hallgatójának érettségi munkája az „Internettechnológiák tantárgytanári számára” program keretében. „Hőmotorok” bemutató, 2005
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - motormodellek és animált képek
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Pedagógiai Ötletek Fesztiválja "Nyílt lecke 2004-2005" L.V. Samoilov

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Fizika 7-8-9 Könyv tanároknak A.A. Fadeeva, A.V. Csavar

A mostani óra témája a meglehetősen specifikus, és nem elvont, mint az előző leckéken, eszközökben - hőmotorokban - előforduló folyamatok figyelembevétele lesz. Meghatározzuk az ilyen gépeket, ismertetjük főbb alkatrészeiket és működési elvét. Ezen a leckén belül is megvizsgáljuk a hatékonyság megállapításának kérdését - a hőmotorok tényleges és maximális hatékonyságát.

Téma: A termodinamika alapjai
lecke: A hőgép működési elve

Az utolsó óra témája a termodinamika első főtétele volt, amely meghatározza a kapcsolatot egy bizonyos mennyiségű hő és a gáz által a tágulás során végzett munka között. És most itt az ideje elmondani, hogy ez a képlet nem csak néhány elméleti számítás miatt érdekes, hanem egészen gyakorlati alkalmazásban is, mert egy gáz munkája nem más, mint hasznos munka, amelyet hőgépek használatakor vonunk ki.

Meghatározás. hőerőgép- olyan berendezés, amelyben az üzemanyag belső energiája mechanikai munkává alakul (1. ábra).

Rizs. 1. Különféle példák hőmotorokra (), ()

Amint az ábrán látható, hőmotorok minden olyan berendezés, amely a fenti elv szerint működik, és felépítésük a hihetetlenül egyszerűtől a nagyon bonyolultig terjed.

Kivétel nélkül minden hőmotor funkcionálisan három részre oszlik (lásd 2. ábra):

• Fűtő
• dolgozó test
• Hűtő

Rizs. 2. Hőgép működési diagramja ()

A fűtőelem az üzemanyag elégetésének folyamata, amely az égés során nagy mennyiségű hőt ad át a gáznak, magas hőmérsékletre melegítve azt. A forró gáz, amely munkaközeg, a hőmérséklet és ennek következtében a nyomás emelkedése következtében kitágul, munkát végez. Természetesen, mivel mindig van hőátadás a motorházzal, a környezeti levegővel stb., a munka számszerűen nem lesz egyenlő az átadott hővel - az energia egy része a hűtőszekrénybe kerül, amely általában a környezet.

A legegyszerűbb úgy elképzelni, hogy a folyamat egy egyszerű hengerben, mozgatható dugattyú alatt megy végbe (például egy belső égésű motor hengere). Természetesen ahhoz, hogy a motor működjön és értelmes legyen, a folyamatnak ciklikusan kell végbemennie, nem pedig egyszeri. Azaz minden expanzió után a gáznak vissza kell térnie az eredeti helyzetébe (3. ábra).

Rizs. 3. Példa egy hőgép ciklikus működésére ()

Ahhoz, hogy a gáz visszatérjen kiindulási helyzetébe, valamilyen munkát kell végezni rajta (külső erők munkája). És mivel a gáz munkája megegyezik az ellenkező előjelű gázon végzett munkával, ahhoz, hogy a gáz teljes pozitív munkát végezzen a teljes ciklusban (különben nem lenne értelme a motornak), szükséges hogy a külső erők munkája kisebb legyen a gáz munkájánál. Vagyis a ciklikus folyamat grafikonjának P-V koordinátákban így kell kinéznie: zárt hurok óramutató járásával megegyező megkerüléssel. Ilyen feltételek mellett a gáz munkája (a grafikon azon részén, ahol a térfogat növekszik) nagyobb, mint a gázon (ahol a térfogat csökken) (4. ábra).

Rizs. 4. Példa egy hőgépben végbemenő folyamat grafikonjára

Mivel egy bizonyos mechanizmusról beszélünk, feltétlenül meg kell mondani, hogy mi a hatékonysága.

Meghatározás. A hőmotor hatásfoka (teljesítménytényezője).- a munkafolyadék által végzett hasznos munka aránya a fűtőtesttől a testnek átadott hőmennyiséghez viszonyítva.

Ha figyelembe vesszük az energiamegtakarítást: a fűtőtestből távozott energia nem tűnik el sehol - egy része munka formájában távozik, a többi a hűtőszekrénybe kerül:

Kapunk:

Ez a részleges hatékonyság kifejezése, ha a hatékonysági értéket százalékban kell megadni, akkor a kapott számot meg kell szorozni 100-zal. Az SI mérési rendszerben a hatásfok dimenzió nélküli érték, és amint az a képletből látható. , nem lehet több egynél (vagy 100-nál).

Azt is el kell mondani, hogy ezt a kifejezést valódi hatásfoknak vagy egy valódi hőgép (hőmotor) hatásfokának nevezik. Ha feltételezzük, hogy valahogy sikerül teljesen megszabadulni a motor tervezési hibáitól, akkor egy ideális motort kapunk, amelynek hatásfoka az ideális hőmotor hatásfokának képlete szerint lesz kiszámítva. Ezt a képletet Sadi Carnot francia mérnök készítette (5. ábra):

A Carnot által kapott (5.12.2) képlet fő jelentősége egy ideális gép hatásfokára nézve az, hogy meghatározza bármely hőgép lehetséges maximális hatásfokát.

Carnot a termodinamika második főtétele* alapján bebizonyította a következő tételt: bármely valódi hőmotor, amely hőmérséklet-fűtővel működikT 1 és a hűtőszekrény hőmérsékleteT 2 , hatásfoka nem haladhatja meg az ideális hőmotor hatásfokát.

* Carnot valójában Clausius és Kelvin előtt állapította meg a termodinamika második főtételét, amikor a termodinamika első főtétele még nem volt szigorúan megfogalmazva.

Vegyünk először egy hőmotort, amely reverzibilis ciklusban működik valódi gázzal. A ciklus bármilyen lehet, csak az a fontos, hogy a fűtés és a hűtőszekrény hőmérséklete megfelelő legyen T 1 És T 2 .

Tegyük fel, hogy egy másik (nem a Carnot-ciklus szerint működő) hőgép hatásfoka η ’ > η . A gépek közös fűtéssel és közös hűtővel működnek. Hagyja, hogy a Carnot gép fordított ciklusban működjön (mint egy hűtőgép), a másik gép pedig előremenő ciklusban (5.18. ábra). A hőmotor egyenlő munkát végez az (5.12.3) és (5.12.5) képlet szerint:

A hűtőgépet mindig úgy lehet kialakítani, hogy a hűtőből vegye át a hőmennyiséget K 2 = ||

Ezután az (5.12.7) képlet szerint munkát végeznek rajta

(5.12.12)

Mivel η" > η feltétellel , Hogy A" > A. Ezért a hőmotor meg tudja hajtani a hűtőmotort, és továbbra is többletmunka lesz. Ez a többletmunka az egy forrásból vett hő rovására történik. Végül is a hő nem kerül át a hűtőszekrénybe egyszerre két gép hatására. Ez azonban ellentmond a termodinamika második főtételének.

Ha feltételezzük, hogy η > η ", akkor egy másik gépet fordított ciklusban, Carnot gépét pedig egyenes vonalban tud dolgozni. Ismét ellentmondásba kerülünk a termodinamika második főtételével. Ezért két reverzibilis cikluson működő gépnek azonos a hatásfoka: η " = η .

Más kérdés, ha a második gép visszafordíthatatlan ciklusban működik. Ha megengedjük η-t " > η , akkor ismét ellentmondásba kerülünk a termodinamika második főtételével. Azonban az m|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η vagy

Ez a fő eredmény:

(5.12.13)

Valódi hőmotorok hatásfoka

Az (5.12.13) képlet megadja a hőgépek maximális hatásfokának elméleti határát. Ez azt mutatja, hogy a hőmotor hatékonyabb, minél magasabb a fűtőelem és annál alacsonyabb a hűtőszekrény hőmérséklete. Csak akkor, ha a hűtőszekrény hőmérséklete egyenlő az abszolút nullával, η = 1.

De a hűtőszekrény hőmérséklete gyakorlatilag nem lehet sokkal alacsonyabb, mint a környezeti hőmérséklet. Növelheti a fűtőelem hőmérsékletét. Azonban minden anyag (szilárd) korlátozott hőállósággal vagy hőállósággal rendelkezik. Melegítéskor fokozatosan elveszíti rugalmas tulajdonságait, és kellően magas hőmérsékleten megolvad.

A mérnökök fő erőfeszítései jelenleg a motorok hatásfokának növelésére irányulnak az alkatrészeik súrlódásának, a tökéletlen égésből adódó üzemanyag-veszteségnek stb. csökkentésével. A hatékonyság növelésének valódi lehetőségei itt még mindig nagyok. Tehát egy gőzturbina esetében a kezdeti és a végső gőzhőmérséklet körülbelül a következő: T 1 = 800 K és T 2 = 300 K. Ezen a hőmérsékleten a hatásfok maximális értéke:

A különféle energiaveszteségek miatti hatásfok tényleges értéke körülbelül 40%. A maximális hatásfok - körülbelül 44% - belső égésű motorokkal rendelkezik.

Egy hőmotor hatásfoka nem haladhatja meg a lehetséges maximális értéket
, ahol T 1 - a fűtőelem abszolút hőmérséklete, és T 2 - a hűtőszekrény abszolút hőmérséklete.

A hőgépek hatásfokának növelése és a lehető maximumhoz való közelítése- a legfontosabb technikai kihívás.

Hatékonysági tényező (COP) egy rendszer energiaátalakítási vagy -átviteli hatékonyságának mértéke, amelyet a hasznosan felhasznált energia és a rendszer által kapott teljes energia aránya határoz meg.

hatékonyság- az érték dimenzió nélküli, általában százalékban fejezik ki:

A hőmotor teljesítménytényezőjét (COP) a következő képlet határozza meg: , ahol A = Q1Q2. A hőmotor hatásfoka mindig kisebb, mint 1.

Carnot ciklus- Ez egy reverzibilis, körkörös gázfolyamat, amely két egymást követő izoterm és két adiabatikus folyamatból áll, amelyeket munkaközeggel hajtanak végre.

A körkörös ciklus, amely két izotermát és két adiabátot tartalmaz, megfelel a maximális hatásfoknak.

Sadi Carnot francia mérnök 1824-ben levezette az ideális hőgép maximális hatásfokának képletét, ahol a munkaközeg egy ideális gáz, amelynek ciklusa két izotermából és két adiabátból, vagyis a Carnot-ciklusból állt. A Carnot-ciklus egy hőmotor valós munkaciklusa, amely a munkaközeghez izoterm folyamat során juttatott hő miatt végez munkát.

A Carnot-ciklus hatásfokának, azaz a hőmotor maximális hatásfokának képlete a következő: , ahol T1 a fűtőtest abszolút hőmérséklete, T2 a hűtőszekrény abszolút hőmérséklete.

Hőmotorok- Ezek olyan szerkezetek, amelyekben a hőenergia mechanikai energiává alakul.

A hőmotorok mind kialakításukban, mind rendeltetésükben változatosak. Ide tartoznak a gőzgépek, gőzturbinák, belső égésű motorok, sugárhajtóművek.

A sokféleség ellenére azonban vannak közös vonások a különféle hőmotorok működési elvében. Az egyes hőmotorok fő alkatrészei:

• melegítő;
• munkatest;
• hűtő.

A fűtőberendezés hőenergiát bocsát ki, miközben felmelegíti a munkafolyadékot, amely a motor munkakamrájában található. A munkafolyadék lehet gőz vagy gáz.

A hőmennyiséget elfogadva a gáz kitágul, mert. nyomása nagyobb, mint a külső nyomás, és mozgatja a dugattyút, ami pozitív munkát eredményez. Ugyanakkor nyomása csökken, térfogata nő.

Ha az azonos állapotokon áthaladó gázt összenyomjuk, de ellenkező irányban, akkor ugyanazt az abszolút értékű, de negatív munkát végzünk. Ennek eredményeként a ciklus összes munkája nulla lesz.

Ahhoz, hogy a hőmotor munkája nullától eltérő legyen, a gáz összenyomásának kisebbnek kell lennie, mint a tágulási munkának.

Annak érdekében, hogy a kompressziós munka kisebb legyen, mint a tágulási munka, szükséges, hogy a kompressziós folyamat alacsonyabb hőmérsékleten menjen végbe, ehhez a munkafolyadékot le kell hűteni, ezért a hűtőszekrény kialakításában hűtőszekrény szerepel. hőerőgép. A munkafolyadék a vele érintkezve leadja a hőmennyiséget a hűtőnek.