Praca wykonywana przez silnik to:
Po raz pierwszy ten proces został rozważony przez francuskiego inżyniera i naukowca N. L. S. Carnota w 1824 r. W książce „Refleksje na temat siły ognia i maszyn zdolnych do jej wytworzenia”.
Celem badań Carnota było ustalenie przyczyn niedoskonałości ówczesnych silników cieplnych (miały sprawność ≤ 5%) i znalezienie sposobów ich poprawy.
Cykl Carnota jest najbardziej wydajny ze wszystkich możliwych. Jego skuteczność jest maksymalna.
Rysunek pokazuje termodynamiczne procesy cyklu. W procesie rozszerzania izotermicznego (1-2) w temperaturze T. 1 , praca jest wykonywana przez zmianę energii wewnętrznej grzejnika, tj. przez dostarczenie ciepła do gazu Q:
A 12 = Q 1 ,
Podczas ekspansji adiabatycznej (2-3) następuje chłodzenie gazu przed sprężaniem (3-4). Zmiana energii wewnętrznej ΔU 23 w procesie adiabatycznym ( Q \u003d 0) jest całkowicie przekształcony w pracę mechaniczną:
A 23 \u003d -ΔU 23 ,
Temperatura gazu w wyniku ekspansji adiabatycznej (2-3) spada do temperatury lodówki T. 2 < T. 1 . W procesie (3-4) gaz jest izotermicznie sprężany, przenosząc ilość ciepła do lodówki Pytanie 2:
A 34 \u003d Pytanie 2,
Cykl kończy się adiabatycznym procesem sprężania (4-1), w którym gaz ogrzewa się do temperatury T 1.
Maksymalna wartość wydajności silników cieplnych pracujących na gazie idealnym, zgodnie z cyklem Carnota:
.
Istotę formuły wyraża sprawdzony Z. Twierdzenie Karno, że wydajność dowolnego silnika cieplnego nie może przekraczać wydajności cyklu Carnota, przeprowadzonego w tej samej temperaturze grzejnika i lodówki.
Współczynnik wydajności (COP) - jest to cecha charakterystyczna skuteczności systemu w odniesieniu do konwersji lub transferu energii, która jest określona przez stosunek użytej energii użytecznej do całkowitej energii otrzymanej przez system.
Wydajność - wartość jest bezwymiarowa, zwykle wyrażona jako procent: 
Sprawność (sprawność) silnika cieplnego jest określona wzorem :, gdzie A \u003d Q1Q2. Sprawność silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż 1.
Cykl Carnota - jest to odwracalny cykliczny proces gazowy, który składa się z dwóch stojących procesów izotermicznych i dwóch procesów adiabatycznych przeprowadzanych za pomocą płynu roboczego. 
Cykl kołowy, który obejmuje dwie izotermy i dwa adiabaty, odpowiada maksymalnej wydajności.
Francuski inżynier Sadi Carnot w 1824 r. Opracował formułę maksymalnej wydajności idealnego silnika cieplnego, w którym płyn roboczy jest gazem idealnym, którego cykl składał się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów, tj. Cyklu Carnota. Cykl Carnota jest rzeczywistym cyklem pracy silnika cieplnego, który wykonuje pracę z powodu ciepła dostarczanego do płynu roboczego w procesie izotermicznym.
Wzór na efektywność cyklu Carnota, tj. Maksymalną wydajność silnika cieplnego, to: 
gdzie T1 jest temperaturą bezwzględną grzejnika, T2 jest temperaturą bezwzględną lodówki.
Silniki cieplne - Są to konstrukcje, w których energia cieplna jest przekształcana w energię mechaniczną.
Silniki cieplne są zróżnicowane pod względem konstrukcji i przeznaczenia. Należą do nich silniki parowe, turbiny parowe, silniki spalinowe, silniki odrzutowe.
Jednak pomimo różnorodności, w zasadzie działania różnych silników cieplnych mają wspólne cechy. Główne elementy każdego silnika cieplnego:
- grzejnik;
- płyn roboczy;
- lodówka.
Grzejnik wytwarza energię cieplną podczas ogrzewania płynu roboczego, który znajduje się w komorze roboczej silnika. Płynem roboczym może być para lub gaz.
Po zaakceptowaniu ilości ciepła gaz rozszerza się, ponieważ jego ciśnienie jest większe niż ciśnienie zewnętrzne i porusza tłokiem, wykonując pracę dodatnią. W tym samym czasie jego ciśnienie spada, a głośność wzrasta.
Jeśli sprężymy gaz, przechodząc przez te same stany, ale w przeciwnym kierunku, wówczas wykonamy to samo w wartości bezwzględnej, ale ujemnej. W rezultacie cała praca na cykl wyniesie zero.
Aby działanie silnika cieplnego było różne od zera, praca sprężania gazu musi być mniejsza niż praca rozprężania.
Aby praca sprężania stała się mniejsza niż praca rozprężania, konieczne jest, aby proces sprężania odbywał się w niższej temperaturze, w tym celu płyn roboczy musi zostać schłodzony, dlatego w konstrukcji silnika cieplnego uwzględniono lodówkę. Po skontaktowaniu płyn roboczy oddaje ciepło do lodówki.
Współczesne rzeczywistości wiążą się z powszechnym stosowaniem silników cieplnych. Liczne próby zastąpienia ich silnikami elektrycznymi zakończyły się niepowodzeniem. Problemy związane z akumulacją energii elektrycznej w systemach autonomicznych są rozwiązywane z wielką trudnością.
Nadal istotne są problemy technologii wytwarzania akumulatorów elektrycznych, biorąc pod uwagę ich długotrwałe użytkowanie. Charakterystyki prędkości pojazdów elektrycznych są dalekie od cech samochodów z silnikami spalinowymi.
Pierwsze kroki w tworzeniu silników hybrydowych mogą znacznie zmniejszyć szkodliwe emisje w megamiastach, rozwiązując problemy środowiskowe.
Trochę historii
Możliwość przekształcania energii pary w energię ruchu znana była już w starożytności. 130 pne: Filozof Heron z Aleksandrii zaprezentował publiczności zabawkę parową - eolipil. Kula wypełniona parą zaczęła się obracać pod wpływem emitowanych z niej dżetów. Ten prototyp nowoczesnych turbin parowych w tamtych czasach nie znalazł zastosowania.
Przez wiele lat i wieków rozwój filozofa był uważany za zabawną zabawkę. W 1629 roku włoski D. Branca stworzył aktywną turbinę. Para wprawia w ruch dysk wyposażony w ostrza.
Od tego momentu rozpoczął się szybki rozwój silników parowych.
Maszyna termiczna
Konwersja paliwa na energię ruchu części maszyn i mechanizmów stosowana jest w maszynach cieplnych.
Główne części maszyn: grzejnik (system do generowania energii z zewnątrz), płyn roboczy (wykonuje użyteczne działanie) i lodówka.
Grzejnik jest zaprojektowany w taki sposób, że płyn roboczy zgromadził wystarczającą ilość energii wewnętrznej, aby wykonać użyteczną pracę. Lodówka usuwa nadmiar energii.
Główną cechą wydajności jest wydajność maszyn cieplnych. Ta wartość pokazuje, ile energii zużywanej na ogrzewanie jest zużywane na użyteczną pracę. Im wyższa wydajność, tym bardziej opłacalna jest praca maszyny, ale ta wartość nie może przekroczyć 100%.
Obliczanie wydajności
Pozwól, aby grzejnik pozyskał z zewnątrz energię równą Q 1. Płyn roboczy wykonał pracę A, podczas gdy energia dostarczona do lodówki wynosiła Q 2.
Na podstawie definicji obliczamy wartość wydajności:
η \u003d A / Q 1. Bierzemy pod uwagę, że A \u003d Q 1 - Q 2.
Stąd sprawność silnika cieplnego, którego wzór ma postać η \u003d (Q 1 - Q 2) / Q 1 \u003d 1 - Q 2 / Q 1, pozwala nam wyciągnąć następujące wnioski:
- Wydajność nie może przekraczać 1 (lub 100%);
- aby zmaksymalizować tę wartość, musisz albo zwiększyć energię otrzymaną z grzejnika, albo zmniejszyć energię dostarczoną do lodówki;
- wzrost energii podgrzewacza osiąga się poprzez zmianę jakości paliwa;
- zmniejszenie energii dostarczanej do lodówki pozwala osiągnąć cechy konstrukcyjne silników.
Idealny silnik cieplny
Czy można stworzyć taki silnik, którego sprawność byłaby maksymalna (idealnie - równa 100%)? Francuski fizyk teoretyczny i utalentowany inżynier Sadi Carnot próbował znaleźć odpowiedź na to pytanie. W 1824 r. Opublikowano jego teoretyczne obliczenia dotyczące procesów zachodzących w gazach.
Główną ideę osadzoną w idealnej maszynie można uznać za prowadzenie procesów odwracalnych przy użyciu gazu doskonałego. Zaczynamy od ekspansji gazu izotermicznie w temperaturze T 1. Wymagana do tego ilość ciepła wynosi Q 1. Po rozszerzeniu gazu bez wymiany ciepła, osiągając temperaturę T2, gaz jest sprężany izotermicznie, przenosząc energię Q2 do lodówki. Powrót gazu do stanu początkowego jest adiabatyczny.
Wydajność idealnego silnika cieplnego Carnota w dokładnych obliczeniach jest równa stosunkowi różnicy temperatur między urządzeniami grzewczymi i chłodzącymi do temperatury, którą ma grzejnik. Wygląda to tak: η \u003d (T 1 - T 2) / T 1.
Możliwa wydajność silnika cieplnego, którego wzór jest następujący: η \u003d 1 - T 2 / T 1, zależy tylko od temperatury nagrzewnicy i chłodnicy i nie może przekraczać 100%.
Ponadto stosunek ten pozwala nam udowodnić, że wydajność silników cieplnych może być równa jedności tylko wtedy, gdy lodówka osiągnie temperaturę. Jak wiadomo, ta wartość jest nieosiągalna.
Teoretyczne obliczenia Carnota pozwalają nam określić maksymalną wydajność silnika cieplnego dowolnego projektu.
Udowodnione twierdzenie Carnota jest następujące. Samowolny silnik cieplny w żadnym wypadku nie może mieć współczynnika wydajności większego niż ta sama wartość sprawności idealnego silnika cieplnego.
Przykład rozwiązywania problemów
Przykład 1 Jaka jest wydajność idealnego silnika cieplnego, jeśli temperatura nagrzewnicy wynosi 800 ° C, a temperatura lodówki jest o 500 ° C niższa?
T 1 \u003d 800 о С \u003d 1073 К, ∆T \u003d 500 о С \u003d 500 К, η -?
Z definicji: η \u003d (T 1 - T 2) / T 1.
Nie podajemy temperatury lodówki, ale ∆T \u003d (T 1 - T 2), stąd:
η \u003d ΔT / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.
Odpowiedź: Wydajność \u003d 46%.
Przykład 2 Określić efektywność idealnego silnika cieplnego, jeśli użyteczna praca 650 J. zostanie osiągnięta dzięki energii uzyskanej z jednego kilodżuli nagrzewnicy. Jaka jest temperatura nagrzewnicy silnika cieplnego, jeśli temperatura chłodnicy wynosi 400 K.
Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η - ?, T 1 \u003d?
W tym problemie mówimy o instalacji termicznej, której wydajność można obliczyć ze wzoru:
Aby określić temperaturę nagrzewnicy, stosujemy wzór sprawności idealnego silnika cieplnego:
η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.
Po zakończeniu transformacji matematycznych otrzymujemy:
T 1 \u003d T 2 / (1- η).
T 1 \u003d T 2 / (1 A / Q 1).
Obliczamy:
η \u003d 650 J / 1000 J \u003d 0,65.
T 1 \u003d 400 K / (1 - 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.
Odpowiedź: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K.
Prawdziwe warunki
Idealny silnik cieplny zaprojektowany z myślą o idealnych procesach. Praca odbywa się tylko w procesach izotermicznych, jej wartość jest definiowana jako obszar ograniczony harmonogramem cyklu Carnota.
W rzeczywistości niemożliwe jest stworzenie warunków dla procesu zmiany stanu gazu bez towarzyszących zmian temperatury. Nie ma materiałów, które uniemożliwiałyby wymianę ciepła z otaczającymi obiektami. Proces adiabatyczny staje się niemożliwy. W przypadku wymiany ciepła temperatura gazu musi się koniecznie zmienić.
Wydajność maszyn cieplnych wytwarzanych w rzeczywistych warunkach znacznie różni się od wydajności idealnych silników. Należy zauważyć, że procesy w prawdziwych silnikach są tak szybkie, że zmiany wewnętrznej energii cieplnej substancji roboczej w procesie zmiany jej objętości nie można zrekompensować napływem ciepła z nagrzewnicy i powrotem do lodówki.
Inne silniki cieplne
Prawdziwe silniki pracują w różnych cyklach:
- cykl Otto: proces o niezmienionej objętości zmienia się adiabatycznie, tworząc zamknięty cykl;
- cykl oleju napędowego: izobar, adiabat, izochor, adiabat;
- proces zachodzący przy stałym ciśnieniu jest zastępowany przez adiabatyczny, zamyka cykl.
Stworzenie procesów równowagi w prawdziwych silnikach (zbliżenie ich do ideału) w warunkach nowoczesnej technologii nie jest możliwe. Wydajność maszyn termicznych jest znacznie niższa, nawet biorąc pod uwagę te same warunki temperaturowe, co w idealnej instalacji termicznej.
Nie należy jednak zmniejszać roli obliczonej formuły wydajności, ponieważ staje się ona punktem odniesienia w procesie zwiększania wydajności rzeczywistych silników.
Sposoby zmiany wydajności
Porównując idealne i rzeczywiste silniki cieplne, warto zauważyć, że temperatura ich lodówki nie może być żadna. Zazwyczaj atmosferę uważa się za lodówkę. Temperaturę atmosferyczną można przyjmować tylko w przybliżeniu. Doświadczenie pokazuje, że temperatura chłodnicy jest równa temperaturze spalin w silnikach, podobnie jak w przypadku silników spalinowych (w skrócie ICE).
ICE jest najczęstszym silnikiem cieplnym w naszym świecie. Sprawność silnika cieplnego w tym przypadku zależy od temperatury wytwarzanej przez spalane paliwo. Istotną różnicą między silnikami ICE a silnikami parowymi jest połączenie funkcji nagrzewnicy z płynem roboczym urządzenia w mieszance paliwowo-powietrznej. Podczas spalania mieszanina wywiera nacisk na ruchome części silnika.
Wzrost temperatury gazów roboczych osiąga się poprzez znaczną zmianę właściwości paliwa. Niestety nie można tego zrobić bez ograniczeń. Każdy materiał, z którego wykonana jest komora spalania silnika, ma swoją własną temperaturę topnienia. Odporność na ciepło takich materiałów jest główną cechą silnika, a także zdolność do znacznego wpływu na wydajność.
Wartości sprawności silnika
Jeśli weźmiemy pod uwagę temperaturę pary roboczej, której wlot wynosi 800 K, a gazy spalinowe 300 K, wówczas wydajność tej maszyny wynosi 62%. W rzeczywistości wartość ta nie przekracza 40%. Spadek ten występuje z powodu strat ciepła podczas ogrzewania obudowy turbiny.
Najwyższa wartość spalania wewnętrznego nie przekracza 44%. Podniesienie tej wartości jest kwestią najbliższej przyszłości. Zmiana właściwości materiałów, paliwa jest problemem, nad którym pracują najlepsze umysły ludzkości.
Korzystając z tego lub innego mechanizmu, wykonujemy prace, które zawsze przekraczają liczbę niezbędną do osiągnięcia celu. Zgodnie z tym rozróżnij pełne lub spędzona praca A i użyteczna praca A str. Jeśli na przykład naszym celem jest podniesienie ładunku masy m do wysokości h, wówczas użyteczna praca jest spowodowana jedynie przez pokonanie siły grawitacji działającej na ładunek. Przy równomiernym podnoszeniu ładunku, gdy przyłożona przez nas siła jest równa sile ciężkości ładunku, praca ta może być znaleziona w następujący sposób:
A p \u003d F t h \u003d mgh
. (24.1)Jeśli użyjemy bloku lub innego mechanizmu do podniesienia ładunku, wówczas oprócz grawitacji ładunku musimy również pokonać grawitację części mechanizmu, a także siłę tarcia działającą w mechanizmie. Na przykład, używając ruchomego bloku, będziemy musieli wykonać dodatkową pracę nad podniesieniem samego bloku za pomocą kabla i pokonaniem tarcia w osi bloku. Ponadto, zdobywając siłę, zawsze przegrywamy na drodze (więcej na ten temat poniżej), co również wpływa na pracę. Wszystko to prowadzi do tego, że nasza praca jest bardziej przydatna:
A s\u003e A p
Przydatna praca zawsze stanowi tylko część pełnego dzieła, które dana osoba wykonuje przy użyciu mechanizmu.
Nazywa się wielkość fizyczną, która pokazuje, ile użytecznej pracy stanowi cała wydana praca współczynnik wydajności mechanizm
Skrócone oznaczenie współczynnika wydajności to wydajność.
Aby znaleźć wydajność mechanizmu, konieczne jest podzielenie użytecznej pracy na pracę, która została wykorzystana podczas korzystania z tego mechanizmu.
Wydajność jest często wyrażana procentowo i jest oznaczana grecką literą η (czytaj „to”):
η \u003d * 100% (24,2)
Ponieważ licznik Ap w tym wzorze jest zawsze mniejszy niż mianownik A, wydajność jest zawsze mniejsza niż 1 (lub 100%).
Podczas projektowania mechanizmów starają się zwiększyć swoją wydajność. Aby to zrobić, zmniejsz tarcie w osiach mechanizmów i ich masę. W przypadkach, w których tarcie jest nieistotne, a zastosowane mechanizmy mają masę, która jest nieistotna w porównaniu do masy podniesionego ładunku, wydajność jest tylko nieznacznie mniejsza niż 1. W tym przypadku spędzoną pracę można uznać za w przybliżeniu równą pracy użytecznej:
A s ≈ A p (24,3)
Należy o tym pamiętać nie można uzyskać zysku w pracy za pomocą prostego mechanizmu.
Ponieważ każde dzieło w równaniu (24.3) można wyrazić jako iloczyn odpowiedniej siły i przebytej odległości, równość tę można przepisać w następujący sposób:
F 1 s 1 ≈ F 2 s 2 (24,4)
Wynika z tego, że
wygrywając za pomocą obowiązującego mechanizmu, po drodze przegrywamy tyle razy i na odwrót.
Prawo to się nazywa Złota reguła mechaniki. Jego autorem jest starożytny grecki naukowiec Heron z Aleksandrii, który żył w I wieku. n e.
„Złota reguła” mechaniki jest prawem przybliżonym, ponieważ nie uwzględnia pracy w celu przezwyciężenia tarcia i grawitacji części używanych urządzeń. Niemniej jednak może być bardzo przydatny w analizie działania dowolnego prostego mechanizmu.
Na przykład dzięki tej zasadzie możemy od razu powiedzieć, że pracownik przedstawiony na rycinie 47, z podwójnym wzrostem siły, będzie musiał obniżyć przeciwny koniec dźwigni o 20 cm, aby podnieść ładunek o 10 cm. To samo stanie się w przypadku przedstawionym w Rysunek 58. Gdy ręka osoby trzymającej linę spadnie o 20 cm, ładunek przymocowany do ruchomego bloku wzrośnie tylko o 10 cm.
1. Dlaczego praca poświęcana na stosowanie mechanizmów jest zawsze bardziej użyteczną pracą? 2. Jak nazywa się skuteczność mechanizmu? 3. Czy wydajność mechanizmu może być równa 1 (lub 100%)? Dlaczego 4. Jak zwiększają wydajność? 5. Jaka jest „złota zasada” mechaniki? Kto jest jego autorem? 6. Podaj przykłady manifestacji „złotej reguły” mechaniki przy użyciu różnych prostych mechanizmów.
Współczynnik wydajności (COP) jednostki kotłowej definiuje się jako stosunek ciepła netto, które poszło do produkcji pary (lub gorącej wody) do ciepła dostępnego (ciepło wchodzące do jednostki kotłowej). W praktyce nie całe ciepło użytkowe wybrane przez kocioł jest wysyłane do odbiorców. Część ciepła jest wydawana na własne potrzeby. W zależności od tego wydajność urządzenia wyróżnia się ciepłem oddawanym odbiorcy (sprawność netto).
Różnica między generowanym a oddawanym ciepłem stanowi koszt na własne potrzeby kotłowni. Na własne potrzeby zużywa się nie tylko ciepło, ale także energię elektryczną (na przykład do napędzania wentylatora oddymiającego, wentylatora, pomp zasilających, mechanizmów zasilania paliwem i przygotowania pyłu itp.), Więc wydatki na nasze własne potrzeby obejmują zużycie wszelkiego rodzaju energii zużywanej na produkcja pary lub gorącej wody.
Wydajność brutto kotła charakteryzuje stopień jego doskonałości technicznej, a wydajność netto charakteryzuje wydajność komercyjną.
Sprawność brutto kotła ŋ br,%, można ustalić na podstawie równania bilansu bezpośredniego
ŋ br \u003d 100 (Q piętro / Q r p)
lub równanie bilansu zwrotnego
ŋ br \u003d 100- (q у.г + q х.н + q м.н + q н.о + q ф.ш),
gdzie Piętro Q. ciepło wykorzystywane do produkcji pary (lub gorącej wody); Q p p - ciepło dostępne w kotle; q q.y + q q.s. + q m.s. + q n.a + q f.s. - względna utrata ciepła pod względem zużycia ciepła.
Wydajność netto zgodnie z równaniem salda zwrotnego jest definiowana jako różnica
ŋ netto \u003d ŋ br -q SN,
gdzie q s - względne zużycie energii na własne potrzeby,%.
Wydajność zgodnie z równaniem bilansu bezpośredniego jest wykorzystywana głównie w raportowaniu dla określonego okresu (dekady, miesiąca), a wydajność zgodnie z równaniem bilansu zwrotnego jest stosowana podczas testowania jednostek kotłowych. Określenie wydajności na podstawie bilansu wstecznego jest znacznie dokładniejsze, ponieważ błędy w pomiarze strat ciepła są mniejsze niż przy określaniu zużycia paliwa, szczególnie przy spalaniu paliwa stałego.
Zatem, aby poprawić wydajność jednostek kotłowych, nie wystarczy dążyć do zmniejszenia strat ciepła; konieczne jest również pełne obniżenie kosztów ciepła i energii elektrycznej na własne potrzeby. Dlatego porównanie wydajności różnych urządzeń kotłowych powinno zostać ostatecznie przeprowadzone zgodnie z ich wydajnością netto.
Zasadniczo wydajność kotła zmienia się w zależności od jego obciążenia. Aby zbudować tę zależność, należy kolejno odjąć wszystkie straty jednostki kotłowej od 100% S.q pot \u003d q у.г + q х.н + q м.н + q н.оktóre zależą od obciążenia.
Jak można zobaczyć na rysunku 1.14, sprawność kotła przy określonym obciążeniu ma wartość maksymalną, tj. Praca kotła przy tym obciążeniu jest najbardziej ekonomiczna.
Rysunek 1.14 - Zależność wydajności kotła od jego obciążenia: q q, q q, q m.n., q n.a.,S q pot- straty ciepła z gazami spalinowymi, z chemicznej niekompletności spalania, z mechanicznej niekompletności spalania, z zewnętrznego chłodzenia i straty całkowite