თერმოძრავა. სითბოს ძრავის ეფექტურობა

სითბოს ძრავის თეორიულ მოდელში განიხილება სამი სხეული: გამათბობელი, სამუშაო ორგანოდა მაცივარი.

გამათბობელი - თერმული რეზერვუარი (დიდი სხეული), რომლის ტემპერატურა მუდმივია.

ძრავის მუშაობის ყოველ ციკლში სამუშაო სითხე იღებს გარკვეული რაოდენობის სითბოს გამათბობელიდან, ფართოვდება და ასრულებს მექანიკურ სამუშაოებს. გამათბობელიდან მიღებული ენერგიის ნაწილის გადატანა მაცივარში აუცილებელია სამუშაო სითხის პირვანდელ მდგომარეობაში დასაბრუნებლად.

ვინაიდან მოდელი ვარაუდობს, რომ გამათბობლისა და მაცივრის ტემპერატურა არ იცვლება სითბური ძრავის მუშაობისას, მაშინ ციკლის ბოლოს: სამუშაო სითხის გათბობა-გაფართოება-გაგრილება-შეკუმშვა, ითვლება, რომ მანქანა ბრუნდება. პირვანდელ მდგომარეობამდე.

თითოეული ციკლისთვის, თერმოდინამიკის პირველ კანონზე დაყრდნობით, შეგვიძლია დავწეროთ, რომ სითბოს რაოდენობა ქგამათბობელიდან მიღებული დატვირთვა, სითბოს რაოდენობა | ქმაგარი |, მიცემულია მაცივარში და სამუშაო ორგანოს მიერ შესრულებული სამუშაო მაგრამდაკავშირებულია ერთმანეთთან:

ა = ქდატვირთვა – | ქცივი|.

რეალურ ტექნიკურ მოწყობილობებში, რომლებსაც სითბოს ძრავებს უწოდებენ, სამუშაო სითხე თბება საწვავის წვის დროს გამოთავისუფლებული სითბოთი. ასე რომ, ელექტროსადგურის ორთქლის ტურბინაში გამათბობელი არის ღუმელი ცხელი ნახშირით. შიდა წვის ძრავში (ICE), წვის პროდუქტები შეიძლება ჩაითვალოს გამათბობლად, ხოლო ჭარბი ჰაერი შეიძლება ჩაითვალოს სამუშაო სითხედ. როგორც მაცივარი, ისინი იყენებენ ატმოსფეროს ჰაერს ან წყალს ბუნებრივი წყაროებიდან.

სითბოს ძრავის (მანქანის) ეფექტურობა

სითბოს ძრავის ეფექტურობა (ეფექტურობა)არის ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაოს თანაფარდობა გამათბობელიდან მიღებული სითბოს რაოდენობასთან:

ნებისმიერი სითბოს ძრავის ეფექტურობა ერთზე ნაკლებია და გამოიხატება პროცენტულად. გამათბობელიდან მიღებული სითბოს მთელი რაოდენობის მექანიკურ სამუშაოდ გადაქცევის შეუძლებლობა არის ციკლური პროცესის ორგანიზების აუცილებლობის ფასი და გამომდინარეობს თერმოდინამიკის მეორე კანონიდან.

რეალურ სითბოს ძრავებში ეფექტურობა განისაზღვრება ექსპერიმენტული მექანიკური სიმძლავრით ნძრავა და დამწვარი საწვავის რაოდენობა ერთეულ დროში. ასე რომ, თუ დროულად ტმასობრივი საწვავი დაიწვა მდა წვის სპეციფიკური სითბო ქ, მაშინ

მანქანებისთვის, საცნობარო მახასიათებელი ხშირად არის მოცულობა ვგზაში საწვავი დაიწვა სმექანიკური ძრავის სიმძლავრეზე ნდა სიჩქარით. ამ შემთხვევაში, საწვავის r სიმკვრივის გათვალისწინებით, შეგვიძლია დავწეროთ ეფექტურობის გამოთვლის ფორმულა:

თერმოდინამიკის მეორე კანონი

არსებობს რამდენიმე ფორმულირება თერმოდინამიკის მეორე კანონი. ერთ-ერთი მათგანი ამბობს, რომ შეუძლებელია სითბური ძრავა, რომელიც მხოლოდ სითბოს წყაროს გამო იმუშავებს, ე.ი. მაცივრის გარეშე. მსოფლიო ოკეანე შეიძლება ემსახურებოდეს მას, როგორც შინაგანი ენერგიის პრაქტიკულად ამოუწურავი წყარო (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

თერმოდინამიკის მეორე კანონის სხვა ფორმულირებები ამ კანონის ექვივალენტურია.

კლაუსიუსის ფორმულირება(1850): შეუძლებელია პროცესი, რომლის დროსაც სითბო სპონტანურად გადაიცემა ნაკლებად გახურებული სხეულებიდან უფრო გახურებულ სხეულებზე.

ტომსონის ფორმულირება(1851): წრიული პროცესი შეუძლებელია, რომლის ერთადერთი შედეგი იქნება სამუშაოს წარმოება თერმული რეზერვუარის შიდა ენერგიის შემცირებით.

კლაუსიუსის ფორმულირება(1865): ყველა სპონტანური პროცესი დახურულ არაბალანსირებულ სისტემაში ხდება ისეთი მიმართულებით, რომელშიც იზრდება სისტემის ენტროპია; თერმული წონასწორობის მდგომარეობაში ის მაქსიმალური და მუდმივია.

ბოლცმანის ფორმულირება(1877): მრავალი ნაწილაკისგან შემდგარი დახურული სისტემა სპონტანურად გადადის უფრო მოწესრიგებული მდგომარეობიდან ნაკლებად მოწესრიგებულში. სისტემის სპონტანური გასვლა წონასწორული პოზიციიდან შეუძლებელია. ბოლცმანმა შემოიღო უწესრიგობის რაოდენობრივი საზომი სისტემაში, რომელიც შედგება მრავალი სხეულისგან - ენტროპია.

სითბოს ძრავის ეფექტურობა იდეალური გაზით, როგორც სამუშაო სითხე

თუ მოცემულია სამუშაო სითხის მოდელი სითბოს ძრავაში (მაგალითად, იდეალური გაზი), მაშინ შესაძლებელია გამოვთვალოთ სამუშაო სითხის თერმოდინამიკური პარამეტრების ცვლილება გაფართოებისა და შეკუმშვის დროს. ეს საშუალებას გაძლევთ გამოთვალოთ სითბოს ძრავის ეფექტურობა თერმოდინამიკის კანონების საფუძველზე.

ნახატზე ნაჩვენებია ციკლები, რომელთა ეფექტურობა შეიძლება გამოითვალოს, თუ სამუშაო სითხე იდეალური აირია და პარამეტრები დაყენებულია ერთი თერმოდინამიკური პროცესის მეორეზე გადასვლის წერტილებში.

კარნოს ციკლი. იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობა

ყველაზე მაღალი ეფექტურობა მოცემულ გამათბობელ ტემპერატურაზე თგათბობა და მაცივარი თსიცივეს აქვს სითბოს ძრავა, სადაც სამუშაო სითხე ფართოვდება და იკუმშება კარნოს ციკლი(ნახ. 2), რომლის გრაფიკი შედგება ორი იზოთერმისგან (2–3 და 4–1) და ორი ადიაბატისგან (3–4 და 1–2).

კარნოს თეორემაადასტურებს, რომ ასეთი ძრავის ეფექტურობა არ არის დამოკიდებული გამოყენებულ სამუშაო სითხეზე, ამიტომ მისი გამოთვლა შესაძლებელია იდეალური გაზის თერმოდინამიკური ურთიერთობების გამოყენებით:

სითბოს ძრავების ეკოლოგიური შედეგები

სითბოს ძრავების ინტენსიური გამოყენება ტრანსპორტსა და ენერგიაში (თბო და ატომური ელექტროსადგურები) მნიშვნელოვნად აისახება დედამიწის ბიოსფეროზე. მიუხედავად იმისა, რომ არსებობს სამეცნიერო დავა დედამიწის კლიმატზე ადამიანის სიცოცხლის გავლენის მექანიზმების შესახებ, ბევრი მეცნიერი მიუთითებს ფაქტორებზე, რის გამოც შეიძლება მოხდეს ასეთი გავლენა:

1. სათბურის ეფექტი არის ატმოსფეროში ნახშირორჟანგის (თერმული მანქანების გამათბობელებში წვის პროდუქტი) კონცენტრაციის ზრდა. ნახშირორჟანგი გადასცემს ხილულ და ულტრაიისფერ გამოსხივებას მზისგან, მაგრამ შთანთქავს დედამიწის ინფრაწითელ გამოსხივებას. ეს იწვევს ატმოსფეროს ქვედა ფენების ტემპერატურის ზრდას, ქარიშხლის ქარის და გლობალური ყინულის დნობის ზრდას.
2. ტოქსიკური გამონაბოლქვი აირების პირდაპირი ზემოქმედება ველურ ბუნებაზე (კანცეროგენები, სმოგი, მჟავა წვიმა წვის ქვეპროდუქტებიდან).
3. ოზონის შრის განადგურება თვითმფრინავების ფრენისა და რაკეტების გაშვების დროს. ზედა ატმოსფეროს ოზონი იცავს დედამიწაზე არსებულ მთელ სიცოცხლეს მზის ზედმეტი ულტრაიისფერი გამოსხივებისგან.

წარმოქმნილი ეკოლოგიური კრიზისიდან გამოსავალი მდგომარეობს სითბოს ძრავების ეფექტურობის გაზრდაში (თანამედროვე სითბოს ძრავების ეფექტურობა იშვიათად აღემატება 30%-ს); გამოსაყენებელი ძრავების და მავნე გამონაბოლქვი აირების ნეიტრალიზატორების გამოყენება; ენერგიის ალტერნატიული წყაროების (მზის ბატარეები და გამათბობლები) და სატრანსპორტო ალტერნატიული საშუალებების (ველოსიპედები და ა.შ.) გამოყენება.

6.3. თერმოდინამიკის მეორე კანონი

6.3.1. ეფექტურობა თერმული ძრავები. კარნოს ციკლი

თერმოდინამიკის მეორე კანონი წარმოიშვა სითბოს ძრავების (მანქანების) მუშაობის ანალიზიდან. კელვინის ფორმულირებაში ასე გამოიყურება: წრიული პროცესი შეუძლებელია, რომლის ერთადერთი შედეგია გამაცხელებლიდან მიღებული სითბოს მის ეკვივალენტურ სამუშაოდ გადაქცევა.

სითბოს ძრავის (სითბოძრავის) მუშაობის სქემა ნაჩვენებია ნახ. 6.3.

ბრინჯი. 6.3

სითბოს ძრავის ციკლიშედგება სამი ეტაპისგან:

1) გამათბობელი გადასცემს Q 1 სითბოს რაოდენობას გაზზე;

2) გაფართოებული გაზი მუშაობს A ;

3) გაზის პირვანდელ მდგომარეობაში დასაბრუნებლად, სითბო Q 2 გადადის მაცივარში.

თერმოდინამიკის პირველი კანონიდან ციკლური პროცესისთვის

Q=A

სადაც Q არის გაზის მიერ მიღებული სითბოს რაოდენობა ციკლზე, Q \u003d Q 1 - Q 2; Q 1 - გამათბობელიდან გაზზე გადაცემული სითბოს რაოდენობა; Q 2 - სითბოს რაოდენობა, რომელსაც აირი აწვდის მაცივარს.

ამიტომ, იდეალური სითბოს ძრავისთვის, თანასწორობა

Q 1 - Q 2 = A.

როდესაც ენერგიის დანაკარგები (ხახუნის და გარემოში მისი გაფანტვის გამო) არ არის, სითბოს ძრავების მუშაობის დროს, ენერგიის შენარჩუნების კანონი

Q 1 \u003d A + Q 2,

სადაც Q 1 არის გამათბობლიდან სამუშაო სითხეში (გაზზე) გადაცემული სითბო; A არის გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო; Q 2 არის გაზით გადაცემული სითბო მაცივარში.

ეფექტურობასითბოს ძრავა გამოითვლება ერთ-ერთი ფორმულით:

η = A Q 1 ⋅ 100%, η = Q 1 − Q 2 Q 1 ⋅ 100% , η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100% ,

სადაც A არის გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო; Q 1 - გამათბობელიდან სამუშაო სითხეში (გაზზე) გადაცემული სითბო; Q 2 არის გაზით გადაცემული სითბო მაცივარში.

ყველაზე ხშირად გამოყენებული სითბოს ძრავებში არის კარნოს ციკლი, რადგან ის ყველაზე ეკონომიურია.

კარნოს ციკლი შედგება ორი იზოთერმისგან და ორი ადიაბატისგან, რომლებიც ნაჩვენებია ნახ. 6.4.

ბრინჯი. 6.4

განყოფილება 1–2 შეესაბამება სამუშაო ნივთიერების (გაზის) კონტაქტს გამათბობელთან. ამ შემთხვევაში, გამათბობელი გადასცემს სითბოს Q 1 გაზს და გაზის იზოთერმული გაფართოება ხდება გამათბობელის T 1 ტემპერატურაზე. გაზი ასრულებს დადებით მუშაობას (A 12 > 0), მისი შიდა ენერგია არ იცვლება (∆U 12 = 0).

სეგმენტი 2-3 შეესაბამება გაზის ადიაბატურ გაფართოებას. ამ შემთხვევაში, გარე გარემოსთან სითბოს გაცვლა არ ხდება, A 23 შესრულებული დადებითი სამუშაო იწვევს გაზის შიდა ენერგიის შემცირებას: ∆U ​​23 = −A 23, გაზი გაცივდება მაცივრის ტემპერატურამდე T 2. .

განყოფილება 3–4 შეესაბამება სამუშაო ნივთიერების (გაზის) კონტაქტს გამაგრილებელთან. ამ შემთხვევაში, სითბო Q 2 მიეწოდება მაცივარს გაზიდან და გაზის იზოთერმული შეკუმშვა ხდება მაცივრის T 2 ტემპერატურაზე. გაზი ახდენს უარყოფით მუშაობას (A 34< 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 34 = 0).

სეგმენტი 4-1 შეესაბამება აირის ადიაბატურ შეკუმშვას. ამ შემთხვევაში გარე გარემოსთან სითბოს გაცვლა არ ხდება, შესრულებული უარყოფითი სამუშაო A 41 იწვევს გაზის შიდა ენერგიის ზრდას: ∆U ​​41 = −A 41, გაზი თბება გამათბობლის ტემპერატურამდე. T 1, ე.ი უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას.

კარნოს ციკლის მიხედვით მომუშავე სითბოს ძრავის ეფექტურობა გამოითვლება ერთ-ერთი ფორმულის გამოყენებით:

η = T 1 − T 2 T 1 ⋅ 100% , η = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100% ,

სადაც T 1 - გამათბობლის ტემპერატურა; T 2 - მაცივრის ტემპერატურა.

მაგალითი 9. იდეალური სითბური ძრავა ასრულებს 400 ჯ სამუშაოს ციკლში.რამდენი სითბო გადადის მაცივარში, თუ აპარატის ეფექტურობა 40%-ია?

გამოსავალი . სითბოს ძრავის ეფექტურობა განისაზღვრება ფორმულით

η = A Q 1 ⋅ 100% ,

სადაც A არის გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო ციკლზე; Q 1 - სითბოს რაოდენობა, რომელიც გადადის გამათბობელიდან სამუშაო სითხეში (გაზში).

სასურველი მნიშვნელობა არის სამუშაო სითხიდან (გაზიდან) მაცივარში გადატანილი Q 2 სითბოს რაოდენობა, რომელიც არ შედის დაწერილ ფორმულაში.

ურთიერთობა A სამუშაოს, სითბოს Q 1 გადაცემულ გამათბობელიდან გაზზე და სასურველ მნიშვნელობას Q 2 შორის დგინდება ენერგიის შენარჩუნების კანონის გამოყენებით იდეალური სითბური ძრავისთვის.

Q 1 \u003d A + Q 2.

განტოლებები ქმნიან სისტემას

η = A Q 1 ⋅ 100% , Q 1 = A + Q 2 , )

რომელიც უნდა გადაწყდეს Q 2-ის მიმართ.

ამისათვის ჩვენ გამოვრიცხავთ Q 1 სისტემიდან, რომელიც გამოვხატავთ თითოეული განტოლებიდან

Q 1 \u003d A η ⋅ 100%, Q 1 \u003d A + Q 2)

და ჩაწერეთ მიღებული გამონათქვამების სწორი ნაწილების ტოლობა:

A η ⋅ 100% = A + Q 2 .

სასურველი მნიშვნელობა განისაზღვრება თანასწორობით

Q 2 \u003d A η ⋅ 100% - A \u003d A (100% η - 1) .

გაანგარიშება იძლევა მნიშვნელობას:

Q 2 \u003d 400 ⋅ (100% 40% - 1) \u003d 600 J.

იდეალური სითბოს ძრავის გაზიდან მაცივარში გადაცემული სითბოს რაოდენობა ციკლში არის 600 ჯ.

მაგალითი 10. იდეალურ სითბურ ძრავში 122 კჯ/წთ მიეწოდება გამათბობელი გაზს, ხოლო 30,5 კჯ/წთ გადადის გაზიდან მაცივარში. გამოთვალეთ ამ იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობა.

გამოსავალი . ეფექტურობის გამოსათვლელად ვიყენებთ ფორმულას

η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100% ,

სადაც Q 2 - სითბოს რაოდენობა, რომელიც გადადის ციკლზე გაზიდან მაცივარში; Q 1 - სითბოს რაოდენობა, რომელიც გადადის ციკლში გამათბობელიდან სამუშაო სითხეში (გაზზე).

მოდით გარდავქმნათ ფორმულა წილადის მრიცხველისა და მნიშვნელის t დროზე გაყოფით:

η = (1 − Q 2 / ტ Q 1 / ტ) ⋅ 100% ,

სადაც Q 2/t არის გაზიდან მაცივარში სითბოს გადაცემის სიჩქარე (სითბოს რაოდენობა, რომელიც გადადის გაზით მაცივარში წამში); Q 1 /t - სითბოს გადაცემის სიჩქარე გამათბობელიდან სამუშაო სითხემდე (სითბოს რაოდენობა, რომელიც გადადის გამათბობელიდან გაზზე წამში).

პრობლემის პირობებში სითბოს გადაცემის სიჩქარე მოცემულია ჯოულებში წუთში; გადაიყვანეთ ჯოულებში წამში:

• გაზის გამათბობლიდან -

Q 1 t \u003d 122 kJ / წთ \u003d 122 ⋅ 10 3 60 J / s;

• გაზიდან მაცივრამდე -

Q 2 t \u003d 30,5 კჯ / წთ \u003d 30,5 ⋅ 10 3 60 ჯ / წმ.

გამოთვალეთ ამ იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობა:

η = (1 − 30,5 ⋅ 10 3 60 ⋅ 60 122 ⋅ 10 3) ⋅ 100% = 75%.

მაგალითი 11. კარნოს ციკლის მიხედვით მომუშავე სითბური ძრავის ეფექტურობა არის 25%. რამდენჯერ გაიზრდება ეფექტურობა, თუ გამათბობლის ტემპერატურა გაიზრდება და მაცივრის ტემპერატურა 20%-ით შემცირდება?

გამოსავალი . იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობა, რომელიც მუშაობს კარნოს ციკლის მიხედვით, განისაზღვრება შემდეგი ფორმულებით:

• გამათბობელის და მაცივრის ტემპერატურის შეცვლამდე -

η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100% ,

სადაც T 1 არის გამათბობლის საწყისი ტემპერატურა; T 2 - მაცივრის საწყისი ტემპერატურა;

• გამათბობელის და მაცივრის ტემპერატურის შეცვლის შემდეგ -

η 2 = (1 − T ′ 2 T ′ 1) ⋅ 100% ,

სადაც T ′ 1 არის გამათბობლის ახალი ტემპერატურა, T′ 1 = 1,2 T 1 ; T ′ 2 - ახალი მაცივრის ტემპერატურა, T ′ 2 = 0,8 T 2 .

ეფექტურობის ფაქტორების განტოლებები ქმნიან სისტემას

η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100%, η 2 = (1 − 0.8 T 2 1.2 T 1) ⋅ 100% , )

რომელიც უნდა გადაწყდეს η 2-ის მიმართ.

სისტემის პირველი განტოლებიდან, η 1 = 25% მნიშვნელობის გათვალისწინებით ვპოულობთ ტემპერატურის თანაფარდობას

T 2 T 1 \u003d 1 - η 1 100% \u003d 1 - 25% 100% \u003d 0.75

და ჩაანაცვლეთ მეორე განტოლებაში

η 2 \u003d (1 - 0.8 1.2 ⋅ 0.75) ⋅ 100% \u003d 50%.

სასურველი ეფექტურობის კოეფიციენტი უდრის:

η 2 η 1 \u003d 50% 25% \u003d 2.0.

შესაბამისად, სითბური ძრავის გამათბობელის და მაცივრის ტემპერატურის მითითებული ცვლილება გამოიწვევს ეფექტურობის კოეფიციენტის 2-ჯერ გაზრდას.

თანამედროვე რეალობა გულისხმობს სითბოს ძრავების ფართო ფუნქციონირებას. მათი ელექტროძრავებით ჩანაცვლების არაერთი მცდელობა ჯერჯერობით წარუმატებელი აღმოჩნდა. ავტონომიურ სისტემებში ელექტროენერგიის დაგროვებასთან დაკავშირებული პრობლემები დიდი სირთულეებით წყდება.

კვლავ აქტუალურია ელექტროენერგიის აკუმულატორების წარმოების ტექნოლოგიის პრობლემები, მათი გრძელვადიანი გამოყენების გათვალისწინებით. ელექტრო მანქანების სიჩქარის მახასიათებლები შორს არის შიდა წვის ძრავებზე მომუშავე მანქანების მახასიათებლებისგან.

ჰიბრიდული ძრავების შექმნისკენ გადადგმულმა პირველმა ნაბიჯებმა შეიძლება მნიშვნელოვნად შეამციროს მავნე გამონაბოლქვი მეგაპოლისებში, გადაჭრას გარემოსდაცვითი პრობლემები.

ცოტა ისტორია

ორთქლის ენერგიის მოძრაობის ენერგიად გადაქცევის შესაძლებლობა ცნობილი იყო ანტიკურ ხანაში. 130 წ.: ალექსანდრიელმა ფილოსოფოსმა ჰერონმა აუდიტორიას წარუდგინა ორთქლის სათამაშო - აეოლიპილი. ორთქლით სავსე სფერომ დაიწყო ბრუნვა მისგან გამომავალი ჭავლების მოქმედებით. თანამედროვე ორთქლის ტურბინების ამ პროტოტიპმა იმ დღეებში ვერ იპოვა გამოყენება.

მრავალი წლისა და საუკუნის განმავლობაში ფილოსოფოსის განვითარება მხოლოდ სახალისო სათამაშოდ ითვლებოდა. 1629 წელს იტალიელმა D. Branchi-მ შექმნა აქტიური ტურბინა. ორთქლმა ამოქმედა დისკი, რომელიც აღჭურვილია პირებით.

ამ მომენტიდან დაიწყო ორთქლის ძრავების სწრაფი განვითარება.

სითბოს ძრავა

საწვავის ენერგიად გადაქცევა მანქანებისა და მექანიზმების ნაწილების გადაადგილებისთვის გამოიყენება სითბოს ძრავებში.

მანქანების ძირითადი ნაწილები: გამათბობელი (გარედან ენერგიის მიღების სისტემა), სამუშაო სითხე (ახორციელებს სასარგებლო მოქმედებას), მაცივარი.

გამათბობელი შექმნილია იმისთვის, რომ სამუშაო სითხემ დააგროვა შიდა ენერგიის საკმარისი მარაგი სასარგებლო სამუშაოს შესასრულებლად. მაცივარი აშორებს ზედმეტ ენერგიას.

ეფექტურობის მთავარ მახასიათებელს ეწოდება სითბოს ძრავების ეფექტურობა. ეს მნიშვნელობა გვიჩვენებს გათბობისთვის დახარჯული ენერგიის რა ნაწილი იხარჯება სასარგებლო სამუშაოს შესრულებაზე. რაც უფრო მაღალია ეფექტურობა, მით უფრო მომგებიანია აპარატის მუშაობა, მაგრამ ეს მნიშვნელობა არ შეიძლება აღემატებოდეს 100% -ს.

ეფექტურობის გაანგარიშება

მიეცით გამათბობელმა გარედან შეიძინოს Q 1-ის ტოლი ენერგია. სამუშაო სითხემ შეასრულა სამუშაო A, ხოლო მაცივრისთვის მიცემული ენერგია იყო Q 2.

განმარტებიდან გამომდინარე, ჩვენ ვიანგარიშებთ ეფექტურობას:

η= A / Q 1 . ჩვენ გავითვალისწინებთ, რომ A \u003d Q 1 - Q 2.

აქედან, სითბოს ძრავის ეფექტურობა, რომლის ფორმულას აქვს ფორმა η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, საშუალებას გვაძლევს გამოვიტანოთ შემდეგი დასკვნები:

• ეფექტურობა არ უნდა აღემატებოდეს 1-ს (ან 100%);
• ამ მნიშვნელობის მაქსიმალურად გასაზრდელად საჭიროა ან გამაცხელებლიდან მიღებული ენერგიის გაზრდა ან მაცივრისთვის მიცემული ენერგიის შემცირება;
• გამათბობელის ენერგიის ზრდა მიიღწევა საწვავის ხარისხის შეცვლით;
• მაცივრისთვის მიცემული ენერგიის შემცირება, რაც შესაძლებელს გახდის ძრავების დიზაინის მახასიათებლების მიღწევას.

იდეალური სითბოს ძრავა

შესაძლებელია თუ არა ისეთი ძრავის შექმნა, რომლის ეფექტურობა იქნება მაქსიმალური (იდეალურად უდრის 100%)? ფრანგი თეორიული ფიზიკოსი და ნიჭიერი ინჟინერი სადი კარნო ცდილობდა ამ კითხვაზე პასუხის პოვნა. 1824 წელს გამოქვეყნდა მისი თეორიული გამოთვლები აირებში მიმდინარე პროცესების შესახებ.

იდეალური მანქანის მთავარი იდეა არის შექცევადი პროცესების განხორციელება იდეალური გაზით. ვიწყებთ გაზის იზოთერმულად გაფართოებას T 1 ტემპერატურაზე. ამისათვის საჭირო სითბოს რაოდენობაა Q 1. მას შემდეგ, რაც გაზი გაფართოვდება სითბოს გაცვლის გარეშე. მიაღწია T 2 ტემპერატურას, აირი იკუმშება იზოთერმულად, გადადის ენერგია Q 2 მაცივარში. გაზის დაბრუნება პირვანდელ მდგომარეობაში ადიაბატურია.

კარნოს იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობა, ზუსტად გამოთვლისას, უდრის გათბობის და გაგრილების მოწყობილობებს შორის ტემპერატურის სხვაობის თანაფარდობას იმ ტემპერატურასთან, რომელიც აქვს გამათბობელს. ეს ასე გამოიყურება: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

სითბური ძრავის შესაძლო ეფექტურობა, რომლის ფორმულაა: η= 1 - T 2 / T 1, დამოკიდებულია მხოლოდ გამაცხელებლისა და გამაგრილებლის ტემპერატურაზე და არ შეიძლება იყოს 100%-ზე მეტი.

უფრო მეტიც, ეს თანაფარდობა საშუალებას გვაძლევს დავამტკიცოთ, რომ სითბოს ძრავების ეფექტურობა შეიძლება იყოს ერთიანობის ტოლი მხოლოდ მაშინ, როდესაც მაცივარი ტემპერატურას მიაღწევს. როგორც მოგეხსენებათ, ეს მნიშვნელობა მიუწვდომელია.

კარნოს თეორიული გამოთვლები საშუალებას იძლევა განისაზღვროს ნებისმიერი დიზაინის სითბოს ძრავის მაქსიმალური ეფექტურობა.

კარნოს მიერ დადასტურებული თეორემა ასეთია. თვითნებურ სითბურ ძრავას არავითარ შემთხვევაში არ შეუძლია ქონდეს იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობის იგივე მნიშვნელობა.

პრობლემის გადაჭრის მაგალითი

მაგალითი 1 როგორია იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობა, თუ გამათბობლის ტემპერატურაა 800°C, ხოლო მაცივრის ტემპერატურა 500°C-ით დაბალი?

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -?

განმარტებით: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

ჩვენ არ გვაქვს მოცემული მაცივრის ტემპერატურა, მაგრამ ΔT = (T 1 - T 2), აქედან:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0.46.

პასუხი: ეფექტურობა = 46%.

მაგალითი 2 დაადგინეთ იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობა, თუ გამათბობელის ენერგიის შეძენილი ერთი კილოჯოულის გამო შესრულებულია 650 ჯ სასარგებლო სამუშაო. როგორია სითბური ძრავის გამაცხელებელი, თუ გამაგრილებლის ტემპერატურა 400 K-ია?

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T 1 \u003d?

ამ პრობლემაში ჩვენ ვსაუბრობთ თერმული ინსტალაციაზე, რომლის ეფექტურობა შეიძლება გამოითვალოს ფორმულით:

გამათბობელის ტემპერატურის დასადგენად ვიყენებთ იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობის ფორმულას:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

მათემატიკური გარდაქმნების შესრულების შემდეგ ვიღებთ:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

მოდით გამოვთვალოთ:

η= 650 ჯ / 1000 ჯ = 0.65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.

პასუხი: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142.8 K.

რეალური პირობები

იდეალური სითბოს ძრავა შექმნილია იდეალური პროცესების გათვალისწინებით. მუშაობა კეთდება მხოლოდ იზოთერმული პროცესების დროს, მისი მნიშვნელობა განისაზღვრება, როგორც კარნოს ციკლის გრაფიკით შემოსაზღვრული ფართობი.

ფაქტობრივად, შეუძლებელია პირობების შექმნა გაზის მდგომარეობის შეცვლის პროცესისთვის ტემპერატურის ცვლილებების თანმდევი ცვლილების გარეშე. არ არსებობს მასალები, რომლებიც გამორიცხავს სითბოს გაცვლას მიმდებარე ობიექტებთან. ადიაბატური პროცესი აღარ არის შესაძლებელი. სითბოს გადაცემის შემთხვევაში, გაზის ტემპერატურა აუცილებლად უნდა შეიცვალოს.

რეალურ პირობებში შექმნილი სითბოს ძრავების ეფექტურობა მნიშვნელოვნად განსხვავდება იდეალური ძრავების ეფექტურობისგან. გაითვალისწინეთ, რომ რეალურ ძრავებში პროცესები იმდენად სწრაფია, რომ სამუშაო ნივთიერების შიდა თერმული ენერგიის ცვალებადობა მისი მოცულობის შეცვლის პროცესში ვერ ანაზღაურდება გამათბობელიდან სითბოს შემოდინებით და დაბრუნდება მაცივარში.

სხვა სითბოს ძრავები

რეალური ძრავები მუშაობს სხვადასხვა ციკლზე:

• ოტოს ციკლი: პროცესი მუდმივი მოცულობით იცვლება ადიაბატურად, ქმნის დახურულ ციკლს;
• დიზელის ციკლი: იზობარი, ადიაბატი, იზოჩორი, ადიაბათი;
• მუდმივი წნევის დროს მიმდინარე პროცესი იცვლება ადიაბატურით, რაც ხურავს ციკლს.

რეალურ ძრავებში წონასწორული პროცესების შექმნა (იდეალურთან დაახლოება) თანამედროვე ტექნოლოგიების პირობებში შეუძლებელია. თერმული ძრავების ეფექტურობა გაცილებით დაბალია, თუნდაც იგივე ტემპერატურული რეჟიმების გათვალისწინებით, რაც იდეალური თერმული ინსტალაციის დროს.

მაგრამ თქვენ არ უნდა შეამციროთ ეფექტურობის გამოთვლის ფორმულის როლი, რადგან სწორედ ის ხდება საწყისი წერტილი მუშაობის პროცესში რეალური ძრავების ეფექტურობის გაზრდის მიზნით.

ეფექტურობის შეცვლის გზები

იდეალური და რეალური სითბოს ძრავების შედარებისას, აღსანიშნავია, რომ ამ უკანასკნელის მაცივრის ტემპერატურა არ შეიძლება იყოს ნებისმიერი. როგორც წესი, ატმოსფერო ითვლება მაცივრად. ატმოსფეროს ტემპერატურის აღება შესაძლებელია მხოლოდ სავარაუდო გამოთვლებით. გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ გამაგრილებლის ტემპერატურა უდრის ძრავებში გამონაბოლქვი აირების ტემპერატურას, როგორც ეს ხდება შიდა წვის ძრავებში (შემოკლებით შიდა წვის ძრავებში).

ICE არის ყველაზე გავრცელებული სითბოს ძრავა ჩვენს სამყაროში. სითბოს ძრავის ეფექტურობა ამ შემთხვევაში დამოკიდებულია წვის საწვავის მიერ შექმნილ ტემპერატურაზე. არსებითი განსხვავება შიდა წვის ძრავასა და ორთქლის ძრავებს შორის არის გამათბობლის ფუნქციების და მოწყობილობის სამუშაო სითხის შერწყმა ჰაერ-საწვავის ნარევში. წვა, ნარევი ქმნის ზეწოლას ძრავის მოძრავ ნაწილებზე.

სამუშაო აირების ტემპერატურის ზრდა მიიღწევა საწვავის თვისებების მნიშვნელოვანი შეცვლით. სამწუხაროდ, ამის გაკეთება განუსაზღვრელი ვადით შეუძლებელია. ნებისმიერ მასალას, საიდანაც მზადდება ძრავის წვის კამერა, აქვს საკუთარი დნობის წერტილი. ასეთი მასალების სითბოს წინააღმდეგობა არის ძრავის მთავარი მახასიათებელი, ისევე როგორც ეფექტურობაზე მნიშვნელოვანი ზემოქმედების შესაძლებლობა.

ძრავის ეფექტურობის ღირებულებები

თუ გავითვალისწინებთ სამუშაო ორთქლის ტემპერატურას, რომლის შესასვლელში არის 800 K, ხოლო გამონაბოლქვი 300 K, მაშინ ამ მანქანის ეფექტურობა არის 62%. სინამდვილეში, ეს მაჩვენებელი არ აღემატება 40% -ს. ასეთი შემცირება ხდება ტურბინის კორპუსის გათბობის დროს სითბოს დანაკარგების გამო.

შიდა წვის უმაღლესი ღირებულება არ აღემატება 44%-ს. ამ ღირებულების გაზრდა უახლოესი მომავლის საკითხია. მასალების, საწვავის თვისებების შეცვლა არის პრობლემა, რომელზეც კაცობრიობის საუკეთესო გონება მუშაობს.

როდესაც ვსაუბრობთ პროცესების შექცევადობაზე, გასათვალისწინებელია, რომ ეს არის ერთგვარი იდეალიზაცია. ყველა რეალური პროცესი შეუქცევადია, მაშასადამე, ციკლები, რომლითაც მუშაობენ სითბოს ძრავები, ასევე შეუქცევადია და, შესაბამისად, არ არის წონასწორობა. ამასთან, ასეთი ციკლების რაოდენობრივი შეფასებების გასამარტივებლად, აუცილებელია მათი გათვალისწინება, როგორც წონასწორობა, ანუ თითქოს ისინი შედგებოდნენ მხოლოდ წონასწორობის პროცესებისგან. ამას მოითხოვს კლასიკური თერმოდინამიკის კარგად განვითარებული აპარატურა.

იდეალური კარნოს ძრავის ცნობილი ციკლი ითვლება წონასწორობის შებრუნებულ წრიულ პროცესად. რეალურ პირობებში, ნებისმიერი ციკლი არ შეიძლება იყოს იდეალური, რადგან არის დანაკარგები. იგი ხდება ორ სითბოს წყაროს შორის, მუდმივი ტემპერატურით სითბოს ჩაძირვაში. T 1და სითბოს მიმღები თ 2, ისევე როგორც სამუშაო სითხე, რომელიც აღებულია როგორც იდეალური აირი (ნახ. 3.1).

ბრინჯი. 3.1.სითბოს ძრავის ციკლი

ჩვენ ამის გვჯერა T 1 > თ 2 და სითბოს ამოღება გამათბობელიდან და სითბოს მიწოდება არ მოქმედებს მათ ტემპერატურაზე, T1და T2რჩება მუდმივი. მოდით აღვნიშნოთ გაზის პარამეტრები სითბოს ძრავის დგუშის მარცხენა უკიდურეს პოზიციაზე: წნევა - R 1მოცულობა - V 1, ტემპერატურა თერთი . ეს არის წერტილი 1 გრაფიკზე ღერძებზე P-V.ამ მომენტში გაზი (სამუშაო სითხე) ურთიერთქმედებს სითბოს წყაროსთან, რომლის ტემპერატურაც არის თერთი . როდესაც დგუში მოძრაობს მარჯვნივ, ცილინდრში გაზის წნევა მცირდება და მოცულობა იზრდება. ეს გაგრძელდება მანამ, სანამ დგუში არ მიაღწევს მე-2 წერტილით განსაზღვრულ პოზიციას, სადაც სამუშაო სითხის (გაზის) პარამეტრები მიიღებენ მნიშვნელობებს P 2 , V 2 , T2. ტემპერატურა ამ მომენტში უცვლელი რჩება, ვინაიდან გაზის და გამათბობელის ტემპერატურა ერთნაირია დგუშის 1 წერტილიდან მე-2 წერტილზე გადასვლისას (გაფართოება). ისეთი პროცესი, რომელშიც თარ იცვლება, ეწოდება იზოთერმული, ხოლო მრუდი 1–2 – იზოთერმი. ამ პროცესში სითბო სითბოს წყაროდან სამუშაო სითხეში გადადის. Q1.

მე-2 წერტილში, ცილინდრი მთლიანად იზოლირებულია გარე გარემოსგან (არ არის სითბოს გაცვლა), ხოლო დგუშის შემდგომი გადაადგილებით მარჯვნივ, წნევის დაქვეითება და მოცულობის ზრდა ხდება მრუდის გასწვრივ 2–3, რაც არის დაურეკა ადიაბატური(პროცესი გარემოსთან სითბოს გაცვლის გარეშე). როდესაც დგუში გადადის უკიდურეს მარჯვენა პოზიციაზე (პუნქტი 3), გაფართოების პროცესი დასრულდება და პარამეტრებს ექნებათ მნიშვნელობები P 3 , V 3 , ხოლო ტემპერატურა გახდება გამათბობელის ტემპერატურის ტოლი. თ 2. დგუშის ამ პოზიციით, სამუშაო სითხის იზოლაცია მცირდება და ის ურთიერთქმედებს სითბოს ჩაძირვასთან. თუ ახლა გავზრდით დგუშზე წნევას, მაშინ ის მარცხნივ გადავა მუდმივ ტემპერატურაზე T 2(შეკუმშვა). შესაბამისად, ეს შეკუმშვის პროცესი იქნება იზოთერმული. ამ პროცესში სითბო Q2გადავა სამუშაო სითხიდან გამათბობელში. დგუში, მარცხნივ მოძრაობს, პარამეტრებით მივა 4 წერტილში P4, V4და T 2 სადაც სამუშაო სითხე კვლავ იზოლირებულია გარემოდან. შემდგომი შეკუმშვა ხდება 4-1 ადიაბათის გასწვრივ ტემპერატურის მატებასთან ერთად. 1 წერტილში შეკუმშვა მთავრდება სამუშაო სითხის პარამეტრებზე P 1, V 1, T 1. დგუში დაუბრუნდა პირვანდელ მდგომარეობას. 1-ელ წერტილში სამუშაო სითხის იზოლაცია გარე გარემოდან ამოღებულია და ციკლი მეორდება.

იდეალური კარნოს ძრავის ეფექტურობა.

პრობლემა 15.1.1. 1, 2 და 3 სურათებზე ნაჩვენებია სამი ციკლური პროცესის გრაფიკები, რომლებიც წარმოიქმნება იდეალური გაზით. ამ პროცესებიდან რომელ აირს ასრულებდა დადებითი სამუშაო ციკლზე?

ამოცანა 15.1.3.იდეალური გაზი, რომელმაც დაასრულა გარკვეული ციკლური პროცესი, დაუბრუნდა საწყის მდგომარეობას. მთელი პროცესის განმავლობაში აირის მიერ მიღებული სითბოს მთლიანი რაოდენობა (სხვაობა გამათბობელიდან მიღებულ და მაცივარში მიღებულ სითბოს შორის) უდრის. რა სამუშაოს ასრულებს გაზი ციკლის განმავლობაში?

პრობლემა 15.1.5. ნახატზე ნაჩვენებია ციკლური პროცესის გრაფიკი, რომელიც ხდება გაზთან ერთად. პროცესის პარამეტრები ნაჩვენებია გრაფიკზე. რა სამუშაოს ასრულებს აირი ამ ციკლური პროცესის დროს?

ამოცანა 15.1.6. იდეალური გაზი ასრულებს ციკლურ პროცესს, გრაფიკი კოორდინატებში ნაჩვენებია ფიგურაში. ცნობილია, რომ პროცესი 2–3 არის იზოქორული; 1–2 და 3–1 პროცესებში გაზი მუშაობდა და, შესაბამისად. რა სამუშაოს ასრულებს გაზი ციკლის განმავლობაში?

ამოცანა 15.1.7.სითბოს ძრავის ეფექტურობა გვიჩვენებს

ამოცანა 15.1.8.ციკლის განმავლობაში, სითბოს ძრავა იღებს სითბოს რაოდენობას გამათბობელიდან და აძლევს სითბოს რაოდენობას მაცივარს. რა არის ძრავის ეფექტურობის განსაზღვრის ფორმულა?

ამოცანა 15.1.10.იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობა, რომელიც მუშაობს კარნოს ციკლის მიხედვით, არის 50%. გამათბობელის ტემპერატურა გაორმაგებულია, მაცივრის ტემპერატურა არ იცვლება. როგორი იქნება მიღებული იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობა?