Yeterlik ısı motoru. Enerjinin korunumu kanununa göre motorun yaptığı iş şuna eşittir:

ısıtıcıdan alınan ısı buzdolabına verilen ısıdır.

Katsayı yararlı eylem Isı motoru, motor tarafından yapılan işin ısıtıcıdan alınan ısı miktarına oranıdır:

Tüm motorlar buzdolabına bir miktar ısı aktardığından, her durumda

Isı motorlarının maksimum verim değeri. Fransız mühendis ve bilim adamı Sadi Carnot (1796 1832) “Ateşin İtici Gücü Üzerine Düşünceler” (1824) adlı çalışmasında bir hedef belirledi: bir ısı motorunun çalışmasının hangi koşullar altında en etkili olacağını, yani. koşullar altında motor maksimum verimliliğe sahip olacaktır.

Carnot, çalışma akışkanı olarak ideal bir gaza sahip ideal bir ısı makinesi buldu. Sıcaklık ısıtıcı ve sıcaklık buzdolabıyla çalışan bu makinenin verimliliğini hesapladı.

Bu formülün temel önemi, Carnot'un termodinamiğin ikinci yasasına dayanarak kanıtladığı gibi, bir sıcaklık ısıtıcısı ve bir sıcaklık soğutucusu ile çalışan herhangi bir gerçek ısı makinesinin, ideal bir ısı makinesinin verimini aşan bir verime sahip olamayacağıdır.

Formül (4.18) teorik limiti verir. maksimum değer Isı motorlarının verimliliği. Bu, ısıtıcının sıcaklığı ne kadar yüksek ve buzdolabının sıcaklığı ne kadar düşük olursa, bir ısı motorunun o kadar verimli olduğunu göstermektedir. Sadece eşit bir buzdolabı sıcaklığında mutlak sıfır,

Ancak buzdolabının sıcaklığı pratikte ortam sıcaklığından çok daha düşük olamaz. Isıtıcı sıcaklığını artırabilirsiniz. Ancak herhangi bir malzeme ( sağlam) sınırlı ısı direncine veya ısı direncine sahiptir. Isıtıldığında yavaş yavaş elastik özelliklerini kaybeder ve yeterince yüksek bir sıcaklıkta erir.

Artık mühendislerin asıl çabaları, parçalarının sürtünmesini azaltarak motorların verimliliğini arttırmayı, yakıt kayıplarını artırmayı amaçlıyor. eksik yanma vb. Burada verimliliği artırmaya yönelik gerçek fırsatlar hala harika. Böylece bir buhar türbini için başlangıç ​​ve son buhar sıcaklıkları yaklaşık olarak aşağıdaki gibidir: Bu sıcaklıklarda maksimum verim değeri:

Çeşitli enerji kayıpları nedeniyle verimliliğin gerçek değeri şuna eşittir:

Isı motorlarının verimliliğinin arttırılması ve mümkün olan maksimuma yaklaştırılması en önemli teknik görevdir.

Isı motorları ve doğanın korunması. Kullanıma uygun enerjinin en üst düzeyde elde edilebilmesi için ısı motorlarının kullanımının yaygınlaşması,

diğer tüm türler üretim süreçleriçevresel etkilerle ilişkilidir.

Termodinamiğin ikinci yasasına göre, prensip olarak çevreye önemli miktarda ısı salınmadan elektrik ve mekanik enerji üretimi gerçekleştirilemez. Bu, Dünya'daki ortalama sıcaklığın kademeli olarak artmasına yol açamaz. Şimdi güç tüketimi yaklaşık 1010 kW'dır. Bu güce ulaştığında ortalama sıcaklık gözle görülür şekilde artacaktır (yaklaşık bir derece). Sıcaklıktaki daha fazla artış, buzulların erimesi ve deniz seviyelerinde feci bir yükseliş tehlikesi oluşturabilir.

Ancak bu, ısı motorlarını kullanmanın olumsuz sonuçlarını ortadan kaldırmaktan çok uzaktır. Termik santrallerin fırınları, arabaların içten yanmalı motorları vb. sürekli olarak bitkilere, hayvanlara ve insanlara zararlı maddeleri atmosfere yayar: kükürt bileşikleri (yanma sırasında) kömür), nitrojen oksitler, hidrokarbonlar, karbon monoksit (CO), vb. Bu bağlamda özellikle tehlikeli olan, sayısı endişe verici derecede artan ve egzoz gazlarının arıtılması zor olan otomobillerdir. Açık nükleer santraller Tehlikeli radyoaktif atıkların bertaraf edilmesi sorunu ortaya çıkmaktadır.

Ayrıca enerji santrallerinde buhar türbinlerinin kullanılması, geniş alanlar atık buharın soğutulması için havuzlar altında. Santral kapasitesinin artmasıyla birlikte suya olan ihtiyaç da hızla artıyor. 1980 yılında ülkemiz bu amaçlar için suya, yani ekonominin tüm sektörlerine sağlanan suyun yaklaşık %35'ine ihtiyaç duymaktaydı.

Bütün bunlar bir sayı koyuyor ciddi sorunlar toplumun önünde. İle birlikte en önemli görev Isı motorlarının verimliliğinin arttırılması, korunması için bir takım önlemlerin alınması gerekmektedir. çevre. Zararlı maddelerin atmosfere salınmasını önleyen yapıların verimliliğinin artırılması gerekiyor; Otomobil motorlarında yakıtın daha tam yanmasını sağlamak. Zaten egzoz gazlarında CO oranı yüksek olan araçların çalışmasına izin verilmiyor. Geleneksel araçlarla rekabet edebilecek elektrikli araçların yaratılması ve örneğin hidrojen ve oksijen karışımıyla çalışan motorlarda egzoz gazlarında zararlı madde bulunmayan yakıtların kullanılması olasılığı tartışılıyor.

Yerden tasarruf etmek için uygundur ve su kaynakları Kapalı bir su tedarik döngüsüne sahip, başta nükleer olmak üzere tüm enerji santrali komplekslerini inşa etmek.

Yapılan çalışmaların bir diğer yönü ise enerji kullanımında verimliliğin artırılması ve tasarruf için mücadele edilmesidir.

Yukarıda sayılan sorunların çözümü insanlık için hayati önem taşımaktadır. Ve bu problemler maksimum başarı ile

içinde çözülecek sosyalist toplumülke çapında planlı ekonomik kalkınma ile. Ancak çevre korumayı organize etmek küresel ölçekte çaba gerektirir.

1. Hangi süreçlere geri döndürülemez denir? 2. En tipik geri dönüşü olmayan süreçleri adlandırın. 3. Metinde bahsedilmeyen geri dönüşü olmayan süreçlere örnekler verin. 4. Termodinamiğin ikinci yasasını formüle edin. 5. Nehirler geriye doğru akıyorsa bu, enerjinin korunumu yasasının ihlali anlamına mı gelir? 6. Hangi cihaza ısı motoru denir? 7. Isı motorunun ısıtıcısının, buzdolabının ve çalışma akışkanının rolü nedir? 8. Isı motorları neden okyanusun iç enerjisini enerji kaynağı olarak kullanamıyor? 9. Isı motorunun verimliliği nedir?

10. Maksimum nedir? olası anlam Isı motorunun verimlilik faktörü?

Amaç: Modern dünyada kullanılan ısı motorlarını tanımak.

Çalışmamız sırasında aşağıdaki sorulara cevap vermeye çalıştık:

• 
  Isı motoru nedir?
• 
  Çalışma prensibi nedir?
• 
  Isı motoru verimliliği?
• 
  Ne tür ısı motorları var?
• 
  Nerede kullanılıyorlar?

Termal motor.

İç enerji rezervleri yer kabuğu ve okyanuslar neredeyse sınırsız kabul edilebilir. Ancak enerji rezervlerine sahip olmak yeterli değildir. Fabrika ve fabrikalardaki takım tezgahlarını, taşıtları, traktörleri ve diğer makineleri harekete geçirmek, elektrik akımı jeneratörlerinin rotorlarını döndürmek vb. için enerji kullanabilmek gerekir. İnsanlığın motorlara, iş yapabilen cihazlara ihtiyacı vardır. Dünyadaki motorların çoğu ısı motorlarıdır.

Bir test tüpüne bir miktar su dökülüp kaynatılmasından (test tüpü başlangıçta bir tıpa ile kapatılmıştır) oluşan en basit deneyde, ortaya çıkan buharın basıncı altında tıpa yükselir ve dışarı fırlar. Başka bir deyişle, yakıtın enerjisi buharın iç enerjisine dönüştürülür ve genişleyen buhar, fişi kırarak çalışır. Bu yüzden iç enerji buhar, tıkacın kinetik enerjisine dönüştürülür.

Test tüpü güçlü bir metal silindirle değiştirilirse ve silindirin duvarlarına sıkıca oturan ve bunlar boyunca serbestçe hareket eden bir pistonlu tapa ile değiştirilirse, en basit ısı motorunu elde edersiniz.

Isı motorları, yakıtın iç enerjisinin mekanik enerjiye dönüştürüldüğü makinelerdir.

Isı motorlarının çalışma prensipleri.

Bir motorun iş yapabilmesi için motor pistonunun veya türbin kanatlarının her iki tarafında basınç farkı olması gerekir. Tüm ısı motorlarında bu basınç farkı, çalışma akışkanının sıcaklığının ortam sıcaklığına göre yüzlerce hatta binlerce derece arttırılmasıyla elde edilir. Bu sıcaklık artışı yakıt yandığında meydana gelir.

Tüm ısı motorlarının çalışma akışkanı, genleşme sırasında çalışan gazdır. Çalışma akışkanının (gazın) başlangıç ​​sıcaklığını T 1 ile gösterelim. Buhar türbinlerinde veya makinelerde bu sıcaklık, buhar kazanındaki buharla sağlanır.

İçten yanmalı motorlarda ve gaz türbinleri Sıcaklık artışı, yakıt motorun içinde yandığında meydana gelir. Sıcaklık T 1 ısıtıcı sıcaklığı denir.

İş yapıldıkça gaz enerji kaybeder ve kaçınılmaz olarak belirli bir T2 sıcaklığına kadar soğur. Bu sıcaklık ortam sıcaklığından daha düşük olamaz, aksi takdirde gaz basıncı atmosferik basıncın altına düşecek ve motor iş yapamayacaktır. Tipik olarak T2 sıcaklığı ortam sıcaklığından biraz daha yüksektir. Buna buzdolabı sıcaklığı denir. Buzdolabı, atık buharın soğutulması ve yoğunlaştırılması için atmosfer veya özel cihazlardır - kapasitörler. İÇİNDE ikinci durum Buzdolabının sıcaklığı atmosfer sıcaklığından daha düşük olabilir.

Böylece motorda çalışma sıvısı genişleme sırasında iş yapmak için tüm iç enerjisinden vazgeçemez. Isının bir kısmı, içten yanmalı motorlardan ve gaz türbinlerinden gelen atık buhar veya egzoz gazlarıyla birlikte kaçınılmaz olarak buzdolabına (atmosfere) aktarılır. İç enerjinin bu kısmı kaybolur.

Isı motoru, çalışma akışkanının iç enerjisini kullanarak çalışır. Üstelik bu süreçte ısı, daha sıcak olan cisimlerden (ısınır) daha soğuk olanlara (buzdolabı) aktarılır.

P
Şematik diyagram şekilde gösterilmiştir.

Bir ısı motorunun performans katsayısı (verimlilik).

Gazın iç enerjisini tamamen ısı motorlarının işine dönüştürmenin imkansızlığı, doğadaki süreçlerin geri döndürülemezliğinden kaynaklanmaktadır. Eğer ısı buzdolabından ısıtıcıya kendiliğinden geri döndürülebilseydi, iç enerji herhangi bir ısı makinesi tarafından tamamen yararlı işe dönüştürülebilirdi.

Bir ısı motorunun verimlilik faktörü η yüzde olarak ifade edilen orandır faydalı iş Ve motor tarafından mükemmelleştirilen p, ısıtıcıdan alınan Q1 ısı miktarına eşittir.

Formül:

Tüm motorlar bir miktar ısıyı buzdolabına aktardığından, η

Maksimum verimlilik değeri

Z Termodinamiğin yasaları, bir ısı motorunun mümkün olan maksimum verimliliğini hesaplamamızı sağlar. Bu ilk olarak Fransız mühendis ve bilim adamı Sadi Carnot (1796-1832) tarafından “Ateşin itici gücü ve bu kuvveti geliştirebilen makineler üzerine düşünceler” (1824) adlı çalışmasında yapılmıştır.

İLE
Arno, çalışma akışkanı olarak ideal bir gaza sahip ideal bir ısı makinesi buldu. Bu makinenin verimliliği için aşağıdaki değeri elde etti:

T 1 – ısıtıcı sıcaklığı

T 2 – buzdolabı sıcaklığı

Bu formülün asıl önemi, Carnot'nun kanıtladığı gibi, herhangi bir T sıcaklığına sahip bir ısıtıcı ile çalışan gerçek ısı motoru 1 ve T sıcaklığına sahip bir buzdolabı 2 İdeal bir ısı makinesinin verimini aşan bir verime sahip olamaz.

Formül, ısı motorlarının maksimum verim değeri için teorik sınırı verir. Bu, ısıtıcının sıcaklığı ne kadar yüksek ve buzdolabının sıcaklığı ne kadar düşükse, bir ısı motorunun o kadar verimli olduğunu göstermektedir.

Ancak buzdolabının sıcaklığı ortam sıcaklığından daha düşük olamaz. Isıtıcı sıcaklığını artırabilirsiniz. Bununla birlikte, herhangi bir malzemenin (katı gövde) sınırlı ısı direnci veya ısı direnci vardır. Isıtıldığında yavaş yavaş elastik özelliklerini kaybeder ve yeterince yüksek bir sıcaklıkta erir.

Artık mühendislerin ana çabaları, parçalarının sürtünmesini, eksik yanmadan kaynaklanan yakıt kayıplarını vb. azaltarak motorların verimliliğini artırmayı amaçlıyor. Burada verimliliği artırmaya yönelik gerçek fırsatlar hala harika.

İçten yanmalı motor

İçten yanmalı motor, çalışma akışkanı olarak gazları kullanan bir ısı motorudur. yüksek sıcaklık sıvı veya gaz halindeki yakıtın doğrudan pistonlu motor bölmesinin içinde yanması sırasında oluşur.

Dört zamanlı bir otomobil motorunun yapısı.

• 
  silindir,
• 
  yanma odası,
• 
  piston,
• 
  giriş valfi;
• 
  çıkış valfi,
• 
  mum;
• 
  biyel;
• 
  çark.

Bazı bilgiler motorlar hakkında	Motor tipi
	Karbüratör	Dizel
Çalışma sıvısı	Hava, buharlı benzin	Hava
Yakıt	Benzin	Akaryakıt, yağ
Maksimum hazne basıncı	610 5 Pa	1,510 6 - 3,510 6 Pa
Çalışma sıvısının sıkıştırılması sırasında elde edilen sıcaklık	360-400 ºС	500-700 ºС
Yakıt yanma ürünlerinin sıcaklığı	1800 ºС	1900 ºС
Yeterlik: en iyi örnekler için seri makineler için

Motorun çalışması

1 bar- "emme" pistonu aşağı doğru hareket eder, yanıcı bir benzin buharı ve hava karışımı, emme valfi aracılığıyla yanma odasına emilir. Strok sonunda emme valfi kapanır;

2 ölçü- “sıkıştırma” - piston yanıcı karışımı sıkıştırarak yükselir. Vuruş sonunda mumun içinde bir kıvılcım sıçrar ve yanıcı karışım tutuşur;

3 ölçü- “güç stroku” - gaz halindeki yanma ürünleri yüksek sıcaklık ve basınca ulaşır, aşağı inen pistona büyük bir kuvvetle bastırılır ve bir biyel kolu ve krank yardımıyla krank milinin dönmesine neden olur;

4 ölçü- “egzoz” - piston yükselir ve çıkış valfi aracılığıyla egzoz gazlarını atmosfere iter. Yayılan gazların sıcaklığı 500 0

İÇİNDE Dört silindirli motorlar çoğunlukla otomobillerde kullanılır. Silindirlerin çalışması, her birinde sırayla bir çalışma stroku meydana gelecek ve krank mili her zaman pistonlardan birinden enerji alacak şekilde koordine edilmiştir. Sekiz silindirli motorlar da mevcuttur. Çok silindirli motorlar daha iyi şaft rotasyonu eşitliği sağlar ve daha fazla güce sahiptir.

Karbüratörlü motorlar nispeten düşük güçlü binek araçlarda kullanılır. Dizel - daha ağır, yüksek güçlü araçlarda (traktörler, yük çekicileri, dizel lokomotifler),
çeşitli gemi türlerinde.

Buhar türbini

5– şaft, 4 – disk, 3 – buhar, 2 – bıçaklar,

1 – omuz bıçakları.

P Buhar türbini, buhar santralinin ana parçasıdır. Bir buhar santralinde, yaklaşık 300-500 0 C sıcaklığa ve 17-23 MPa basınca sahip aşırı ısıtılmış su buharı, kazandan buhar hattına çıkar. Buhar, bir elektrik jeneratörünün rotorunu çalıştıran bir buhar türbininin rotorunu çalıştırır. elektrik akımı. Atık buhar, sıvılaştırıldığı yoğunlaştırıcıya girer, elde edilen su bir pompa kullanılarak buhar kazanına beslenir ve tekrar buhara dönüştürülür.

Atomize sıvı veya katı yakıt, kazanı ısıtarak ocakta yanar.

Türbin yapısı

• 
  Meme sistemli tambur - özel konfigürasyonlu genişleyen tüpler;
• 
  rotor - bıçak sistemine sahip dönen bir disk.

Çalışma prensibi

Nozullardan muazzam bir hızla (600-800 m/s) kaçan buhar jetleri, türbin rotor kanatlarına yönlendirilir, üzerlerine baskı uygulanır ve rotorun yüksek hızda (50 rpm) dönmesine neden olur. Buharın iç enerjisi, türbin rotorunun dönme mekanik enerjisine dönüştürülür. Memeden çıkarken genişleyen buhar iş yapar ve soğur. Egzoz buharı buhar hattına çıkar, bu noktada sıcaklığı 100 ° C'nin biraz üzerine çıkar, ardından buhar, basıncı atmosferik basınçtan birkaç kat daha az olan yoğunlaştırıcıya girer. Kondenser soğuk su ile soğutulur.

Pratik uygulama alanı bulan ilk buhar türbini 1889 yılında G. Laval tarafından üretildi.

Kullanılan yakıt: katı - kömür, şeyl, turba; sıvı - yağ, akaryakıt. Doğal gaz.

Türbinler termik ve nükleer santrallere kurulur. Elektriğin yüzde 80'inden fazlasını üretiyorlar. Büyük gemilere güçlü buhar türbinleri kurulur.

Gaz türbini

Bu türbinin önemli bir avantajı, gazın iç enerjisinin şaftın dönme hareketine basitleştirilmiş şekilde dönüştürülmesidir.

Çalışma prensibi

Yanma odasına gaz türbini bir kompresör tarafından sağlanır basınçlı hava yaklaşık 200°C sıcaklıkta sıvı yakıt (gazyağı, akaryakıt) yüksek basınç altında enjekte edilir. Yakıtın yanması sırasında hava ve yanma ürünleri 1500-2200°C sıcaklığa kadar ısıtılır. Yüksek hızda hareket eden gaz türbin kanatlarına yönlendirilir. Bir türbin rotorundan diğerine hareket eden gaz, iç enerjisini bırakarak rotorun dönmesine neden olur.

Bir gaz türbininden dışarı atıldığında gazın sıcaklığı 400-500 0 C'dir.

Ortaya çıkan mekanik enerji, örneğin bir uçak pervanesini veya bir elektrik jeneratörü rotorunu döndürmek için kullanılır.

Gaz türbinleri motorlardır yüksek güç bu yüzden havacılıkta kullanılıyorlar

Jet motorları

Çalışma prensibi

Roket yakıtı yanma odasında yanar (örneğin, toz şarjı) ve ortaya çıkan gazlar odanın duvarlarına büyük bir kuvvetle baskı yapar. Odanın bir tarafında, yanma ürünlerinin çevredeki boşluğa kaçmasını sağlayan bir ağızlık bulunmaktadır. Öte yandan genişleyen gazlar rokete piston gibi baskı uygulayarak onu ileri doğru iter.

P Somun roketleri katı yakıtlı motorlardır. Her zaman çalışmaya hazırdırlar, çalıştırılmaları kolaydır ancak böyle bir motoru durdurmak veya kontrol etmek imkansızdır.

Yakıt beslemesi düzenlenebilen sıvı roket motorlarının kontrolü çok daha güvenilirdir.

1903'te K. E. Tsiolkovsky böyle bir roketin tasarımını önerdi.

Jet motorları kullanılır uzay roketleri. Büyük uçaklar turbojet ve jet motorlarıyla donatılmıştır.

Kullanılan kaynaklar

• 
  Fizik. Okul Çocukları El Kitabı. Bilimsel geliştirme ve derleme: T. Feshchenko, V. Vozhegova: M.: Filoloji Topluluğu “Slovo”, Şirket “Klyuch-S”, 1995. – 576 s.
• 
  G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovtsev. Fizik: Ders Kitabı. 10. sınıf için ortalama okul – 2. baskı. – M.: Eğitim, 1992. – 222 s.: hasta.
• 
  O. Baranova. Rusya Eğitim Eğitimi Merkezi'nde “Konu öğretmenleri için İnternet teknolojileri” programı kapsamında ileri eğitim kursları öğrencisinin son çalışması. Sunum “Termal Motorlar”, 2005
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - motor modelleri ve hareketli resimler
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Pedagojik Fikirler Festivali " Açık ders 2004-2005" L.V. Samoilova

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Fizik 7-8-9 Öğretmen A.A. için kitap. Fadeeva, A.V. Sürgü

Bu dersin konusu, önceki derslerde olduğu gibi, cihazlar - ısı motorları gibi soyut değil, çok somut olarak meydana gelen süreçlerin dikkate alınması olacaktır. Bu tür makineleri tanımlayacağız, ana bileşenlerini ve çalışma prensiplerini anlatacağız. Ayrıca bu derste, ısı motorlarının hem gerçek hem de mümkün olan maksimum verimlilik faktörü olan verimliliği bulma konusunu ele alacağız.

Konu: Termodinamiğin temelleri
Ders: Bir Isı Motoru Nasıl Çalışır?

Son dersin konusu, bir gazın bir kısmına aktarılan belirli bir miktar ısı ile bu gazın genleşme sırasında yaptığı iş arasındaki ilişkiyi belirleyen termodinamiğin birinci yasasıydı. Artık bu formülün sadece bazı teorik hesaplamalar için değil aynı zamanda tamamen ilgi çekici olduğunu söylemenin zamanı geldi. pratik uygulamaçünkü gazın işi, ısı motorlarını kullanırken elde ettiğimiz faydalı işten başka bir şey değildir.

Tanım. Isı motoru- yakıtın iç enerjisinin mekanik işe dönüştürüldüğü bir cihaz (Şekil 1).

Pirinç. 1. Çeşitli ısı motorları örnekleri (), ()

Şekilden de görebileceğiniz gibi, ısı motorları yukarıdaki prensibe göre çalışan herhangi bir cihazdır ve tasarımları inanılmaz derecede basitten çok karmaşık olana kadar değişir.

İstisnasız tüm ısı motorları işlevsel olarak üç bileşene ayrılmıştır (bkz. Şekil 2):

• Isıtıcı
• Çalışma sıvısı
• Buzdolabı

Pirinç. 2. Fonksiyonel diyagramısı motoru ()

Isıtıcı, yakıldığında ileten yakıtın yanma işlemidir. büyük sayı gazı ısıtarak yüksek sıcaklıklara ısıtıyoruz. Çalışma akışkanı olan sıcak gaz, sıcaklığın ve dolayısıyla basıncın artmasıyla genleşerek iş yapar. Elbette, motor gövdesi, çevredeki hava vb. ile her zaman ısı transferi olduğundan, iş sayısal olarak aktarılan ısıya eşit olmayacaktır - enerjinin bir kısmı, kural olarak çevre olan buzdolabına gider. .

Hareketli bir pistonun altındaki basit bir silindirde (örneğin içten yanmalı bir motorun silindiri) meydana gelen işlemi hayal etmenin en kolay yolu. Doğal olarak motorun çalışması ve anlam kazanması için sürecin bir kerelik değil, döngüsel olarak gerçekleşmesi gerekir. Yani her genleşmeden sonra gazın orijinal konumuna dönmesi gerekir (Şekil 3).

Pirinç. 3. Bir ısı motorunun döngüsel çalışmasına örnek ()

Gazın başlangıç ​​konumuna dönmesi için üzerinde bir miktar iş yapılması gerekir (dış kuvvetlerin işi). Ve gazın yaptığı iş gazın yaptığı işe eşit olduğundan karşıt işaret, böylece tüm çevrim boyunca gaz toplam olarak şunları gerçekleştirir: olumlu çalışma(aksi takdirde motorun bir anlamı kalmazdı), dış kuvvetlerin işinin gazın işinden daha az olması gerekir. Yani, döngüsel sürecin bir grafiği P-V koordinatlarışöyle görünmelidir: saat yönünde bypasslı kapalı bir döngü. Bu durumda gazın (grafiğin hacminin arttığı bölümünde) yaptığı iş, gazın (hacminin azaldığı bölümünde) yaptığı işten daha büyüktür (Şekil 4).

Pirinç. 4. Bir ısı motorunda meydana gelen bir prosesin grafiğine bir örnek

Belli bir mekanizmadan bahsettiğimiz için etkinliğinin ne olduğunu söylemek zorunludur.

Tanım. Isı Motorunun Verimliliği (Performans Katsayısı)- çalışma sıvısı tarafından gerçekleştirilen faydalı işin, ısıtıcıdan vücuda aktarılan ısı miktarına oranı.

Enerjinin korunumunu hesaba katarsak: ısıtıcıdan çıkan enerji hiçbir yerde kaybolmaz - bir kısmı iş şeklinde çıkarılır, geri kalanı buzdolabına gider:

Şunu elde ederiz:

Bu parçasal verimlilik ifadesidir; eğer verimlilik değerini yüzde olarak elde etmek gerekiyorsa, elde edilen sayıyı 100 ile çarpmanız gerekir. SI ölçüm sisteminde verimlilik boyutsuz bir büyüklüktür ve formülden de görüleceği gibi olamaz. birden fazla (veya 100) olmalıdır.

Bu ifadeye gerçek bir ısı motorunun (ısı makinesi) gerçek verimi veya verimliliği dendiğini de söylemek gerekir. Motor tasarımının eksikliklerinden bir şekilde kurtulmayı başardığımızı varsayarsak, ideal bir motor elde edeceğiz ve verimliliği, ideal bir ısı motorunun verimliliği formülü kullanılarak hesaplanacaktır. Bu formül Fransız mühendis Sadi Carnot tarafından elde edilmiştir (Şekil 5):

İdeal bir makinenin verimliliği için Carnot tarafından elde edilen formülün (5.12.2) temel önemi, herhangi bir ısı makinesinin mümkün olan maksimum verimliliğini belirlemesidir.

Carnot, termodinamiğin ikinci yasasına* dayanarak aşağıdaki teoremi kanıtladı: sıcaklık ısıtıcısıyla çalışan herhangi bir gerçek ısı motoruT 1 ve buzdolabı sıcaklığıT 2 İdeal bir ısı makinesinin verimini aşan bir verime sahip olamaz.

* Carnot aslında termodinamiğin ikinci yasasını Clausius ve Kelvin'den önce, termodinamiğin birinci yasası henüz kesin olarak formüle edilmemişken ortaya koydu.

Öncelikle gerçek gazla tersinir çevrimde çalışan bir ısı motorunu ele alalım. Döngü herhangi bir şey olabilir, yalnızca ısıtıcının ve buzdolabının sıcaklıklarının aynı olması önemlidir. T 1 Ve T 2 .

Carnot çevrimine göre çalışmayan başka bir ısı motorunun veriminin η olduğunu varsayalım. ’ > η . Makineler ortak ısıtıcı ve ortak buzdolabı ile çalışmaktadır. Carnot makinesinin ters çevrimde (soğutma makinesi gibi) çalışmasına izin verin ve diğer makinenin ileri çevrimde çalışmasına izin verin (Şekil 5.18). Isı motoru, (5.12.3) ve (5.12.5) formüllerine göre aşağıdakilere eşit iş yapar:

Bir soğutma makinesi her zaman ısı miktarını buzdolabından alacak şekilde tasarlanabilir. Q 2 = ||

Daha sonra formül (5.12.7)'ye göre üzerinde çalışma yapılacaktır.

(5.12.12)

η" > η koşuluna göre , O A">A. Bu nedenle, bir ısı motoru bir soğutma makinesini çalıştırabilir ve yine de fazla iş kalacaktır. Bu fazla iş, tek bir kaynaktan alınan ısı ile yapılır. Sonuçta iki makine aynı anda çalıştığında ısı buzdolabına aktarılmıyor. Ancak bu termodinamiğin ikinci yasasıyla çelişiyor.

η > η olduğunu varsayarsak ", o zaman başka bir makinenin ters çevrimde ve bir Carnot makinesinin ileri çevrimde çalışmasını sağlayabilirsiniz. Termodinamiğin ikinci yasasıyla yine çelişkiye düşeceğiz. Sonuç olarak, tersinir çevrimlerde çalışan iki makine aynı verime sahiptir: η " = η .

İkinci makinenin geri dönüşü olmayan bir döngüde çalışması farklı bir konudur. η varsayarsak " > η , o zaman yine termodinamiğin ikinci yasasıyla çelişkiye düşeriz. Ancak varsayım t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η veya

Bu ana sonuçtur:

(5.12.13)

Gerçek ısı motorlarının verimliliği

Formül (5.12.13), ısı motorlarının maksimum verim değeri için teorik sınırı verir. Bu, ısıtıcının sıcaklığı ne kadar yüksek ve buzdolabının sıcaklığı ne kadar düşük olursa, bir ısı motorunun o kadar verimli olduğunu göstermektedir. Yalnızca mutlak sıfıra eşit bir buzdolabı sıcaklığında η = 1 olur.

Ancak buzdolabının sıcaklığı pratikte ortam sıcaklığından çok daha düşük olamaz. Isıtıcı sıcaklığını artırabilirsiniz. Bununla birlikte, herhangi bir malzemenin (katı gövde) sınırlı ısı direnci veya ısı direnci vardır. Isıtıldığında yavaş yavaş elastik özelliklerini kaybeder ve yeterince yüksek bir sıcaklıkta erir.

Artık mühendislerin ana çabaları, parçalarının sürtünmesini, eksik yanmadan kaynaklanan yakıt kayıplarını vb. azaltarak motorların verimliliğini artırmayı hedefliyor. Burada verimliliği artırmaya yönelik gerçek fırsatlar hala büyük. Dolayısıyla bir buhar türbini için başlangıç ​​ve son buhar sıcaklıkları yaklaşık olarak aşağıdaki gibidir: T 1 = 800K ve T 2 = 300 K. Bu sıcaklıklarda maksimum verim değeri:

Çeşitli enerji kayıpları nedeniyle gerçek verim değeri yaklaşık %40'tır. Maksimum verimlilik (yaklaşık %44) içten yanmalı motorlarla elde edilir.

Herhangi bir ısı motorunun verimliliği mümkün olan maksimum değeri aşamaz
, nerede 1 - ısıtıcının mutlak sıcaklığı ve T 2 - buzdolabının mutlak sıcaklığı.

Isı motorlarının verimliliğinin arttırılması ve mümkün olan maksimuma yaklaştırılması- en önemli teknik zorluktur.

Verimlilik faktörü (verimlilik) kullanılan faydalı enerjinin sistem tarafından alınan toplam enerjiye oranıyla belirlenen, enerjinin dönüşümü veya aktarımıyla ilgili sistem performansının bir özelliğidir.

Yeterlik- genellikle yüzde olarak ifade edilen boyutsuz bir miktar:

Bir ısı motorunun performans katsayısı (verimlilik) aşağıdaki formülle belirlenir: burada A = Q1Q2. Bir ısı motorunun verimi her zaman 1'den küçüktür.

Carnot döngüsüçalışma akışkanı ile ardışık olarak duran iki izotermal ve iki adyabatik işlemden oluşan, tersinir dairesel bir gaz işlemidir.

İki izoterm ve iki adiabat içeren dairesel bir döngü maksimum verime karşılık gelir.

Fransız mühendis Sadi Carnot, 1824 yılında, çalışma akışkanının ideal bir gaz olduğu ve çevriminin iki izoterm ve iki adiabattan, yani Carnot çevriminden oluştuğu ideal bir ısı motorunun maksimum verimliliği için formülü türetmiştir. Carnot çevrimi, izotermal bir süreçte çalışma akışkanına sağlanan ısı nedeniyle iş yapan bir ısı motorunun gerçek çalışma çevrimidir.

Carnot çevriminin verimliliğine ilişkin formül, yani bir ısı motorunun maksimum verimliliği şu şekildedir: , burada T1 - mutlak sıcaklıkısıtıcı, T2 - buzdolabının mutlak sıcaklığı.

Isı motorları- bunlar termal enerjinin mekanik enerjiye dönüştürüldüğü yapılardır.

Isı motorları hem tasarım hem de amaç açısından çeşitlidir. Bunlar buhar motorlarını, buhar türbinlerini, içten yanmalı motorları ve jet motorlarını içerir.

Ancak çeşitliliğe rağmen prensipte çeşitli ısı motorlarının çalışması ortak özellikler. Her ısı motorunun ana bileşenleri şunlardır:

• ısıtıcı;
• çalışma sıvısı;
• buzdolabı.

Isıtıcı, motorun çalışma odasında bulunan çalışma sıvısını ısıtırken termal enerji açığa çıkarır. Çalışma akışkanı buhar veya gaz olabilir.

Isı miktarını kabul eden gaz genişler çünkü basıncı dış basınçtan daha büyüktür ve pistonu hareket ettirerek pozitif iş üretir. Aynı zamanda basıncı düşer ve hacmi artar.

Aynı durumlardan fakat ters yönde geçen bir gazı sıkıştırırsak, o zaman aynı işlemi gerçekleştiririz. mutlak değer, ancak olumsuz iş. Sonuç olarak çevrim başına yapılan tüm iş sıfır olacaktır.

Bir ısı motorunun işinin sıfırdan farklı olabilmesi için gaz sıkıştırma işinin genleşme işinden küçük olması gerekir.

Sıkıştırma işinin genleşme işinden daha az olması için sıkıştırma işleminin daha düşük bir sıcaklıkta gerçekleşmesi gerekir; bunun için çalışma akışkanının soğutulması gerekir, bu nedenle tasarıma bir buzdolabı dahil edilmiştir. ısı motorunun. Çalışma akışkanı buzdolabıyla temas ettiğinde ısıyı buzdolabına aktarır.