Silnik cieplny. Sprawność silnika cieplnego

W teoretycznym modelu silnika cieplnego rozważane są trzy ciała: podgrzewacz, ciało robocze oraz lodówka.

Grzałka to zbiornik ciepła (duży korpus), którego temperatura jest stała.

W każdym cyklu pracy silnika płyn roboczy odbiera pewną ilość ciepła z grzałki, rozszerza się i wykonuje pracę mechaniczną. Przeniesienie części energii otrzymanej z nagrzewnicy do lodówki jest konieczne, aby przywrócić płyn roboczy do pierwotnego stanu.

Ponieważ model zakłada, że ​​temperatura nagrzewnicy i lodówki nie zmienia się podczas pracy silnika cieplnego, to pod koniec cyklu: grzanie-rozprężanie-chłodzenie-sprężanie płynu roboczego, uważa się, że maszyna powraca do swojego pierwotnego stanu.

Dla każdego cyklu, w oparciu o pierwszą zasadę termodynamiki, możemy zapisać, że ilość ciepła Q ciepło odbierane z nagrzewnicy, ilość ciepła | Q zimne | podane do lodówki i działają idealnie przez działający organizm A są powiązane stosunkiem:

A = Q obciążenie - | Q zimno |.

W rzeczywistych urządzeniach technicznych, zwanych silnikami cieplnymi, płyn roboczy ogrzewany jest ciepłem wydzielanym podczas spalania paliwa. Tak więc w turbinie parowej elektrowni nagrzewnicą jest piec węglowy. W silniku spalinowym (ICE) produkty spalania można uznać za grzejnik, a nadmiar powietrza za płyn roboczy. Jako lodówkę wykorzystują powietrze atmosferyczne lub wodę z naturalnych źródeł.

Sprawność silnika cieplnego (maszyny)

Współczynnik sprawności silnika cieplnego (Efektywność) to stosunek pracy wykonanej przez silnik do ilości ciepła odbieranego z grzałki:

Sprawność każdego silnika cieplnego jest mniejsza niż jeden i jest wyrażona w procentach. Niemożność zamiany całej ilości ciepła odebranego z grzałki na pracę mechaniczną jest zapłatą za konieczność zorganizowania procesu cyklicznego i wynika z drugiej zasady termodynamiki.

W rzeczywistych silnikach cieplnych sprawność określa eksperymentalna moc mechaniczna n silnik i ilość spalonego paliwa na jednostkę czasu. Więc jeśli na czas T spalone paliwo masowe m i ciepło właściwe spalania Q, następnie

W przypadku pojazdów charakterystyką odniesienia jest często objętość V paliwo spalone po drodze s z mocą mechaniczną silnika n i szybko. W takim przypadku, biorąc pod uwagę gęstość r paliwa, można zapisać wzór na obliczenie sprawności:

Druga zasada termodynamiki

Istnieje kilka sformułowań druga zasada termodynamiki... Jedna z nich mówi, że silnik cieplny jest niemożliwy, który działałby tylko kosztem źródła ciepła, czyli bez lodówki. Oceany mogły być dla niego praktycznie niewyczerpanym źródłem wewnętrznej energii (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Inne sformułowania drugiej zasady termodynamiki są równoważne temu.

Sformułowanie Clausiusa(1850): niemożliwy jest proces, w którym ciepło samorzutnie przechodziłoby od mniej nagrzanych ciał do bardziej nagrzanych ciał.

Formuła Thomsona(1851): niemożliwy jest proces okrężny, którego jedynym skutkiem byłoby wytworzenie pracy poprzez zmniejszenie energii wewnętrznej zbiornika ciepła.

Sformułowanie Clausiusa(1865): wszystkie spontaniczne procesy w zamkniętym układzie nierównowagowym zachodzą w kierunku, w którym wzrasta entropia układu; w stanie równowagi termicznej jest maksymalny i stały.

Formuła Boltzmanna(1877): zamknięty układ wielu cząstek spontanicznie przechodzi ze stanu bardziej uporządkowanego do mniej uporządkowanego. Spontaniczne wyjście układu z położenia równowagi jest niemożliwe. Boltzmann wprowadził ilościową miarę nieporządku w systemie składającym się z wielu ciał - entropia.

Sprawność silnika cieplnego z gazem idealnym jako płynem roboczym

Jeśli podano model płynu roboczego w silniku cieplnym (na przykład gaz doskonały), to można obliczyć zmianę parametrów termodynamicznych płynu roboczego podczas rozszerzania i kurczenia. Pozwala to obliczyć sprawność silnika cieplnego w oparciu o prawa termodynamiki.

Rysunek pokazuje cykle, dla których można obliczyć wydajność, jeśli płyn roboczy jest gazem idealnym, a parametry są ustawione w punktach przejścia z jednego procesu termodynamicznego do drugiego.

Cykl Carnota. Sprawność idealnego silnika cieplnego

Najwyższa wydajność przy danych temperaturach grzałki T ciepło i lodówka T zimno ma silnik cieplny, w którym płyn roboczy rozszerza się i kurczy wzdłuż cykl Carnota(rys. 2), którego wykres składa się z dwóch izoterm (2–3 i 4–1) oraz dwóch adiabat (3–4 i 1–2).

Twierdzenie Carnota dowodzi, że sprawność takiego silnika nie zależy od użytego płynu roboczego, dlatego można ją obliczyć wykorzystując zależności termodynamiczne dla gazu doskonałego:

Wpływ silników cieplnych na środowisko

Intensywne wykorzystanie silników cieplnych w transporcie i energetyce (elektrownie cieplne i jądrowe) ma istotny wpływ na biosferę Ziemi. Chociaż istnieją spory naukowe dotyczące mechanizmów wpływu życia człowieka na klimat Ziemi, wielu naukowców zwraca uwagę na czynniki, dzięki którym taki wpływ może wystąpić:

1. Efekt cieplarniany to wzrost stężenia dwutlenku węgla (produktu spalania w nagrzewnicach silników cieplnych) w atmosferze. Dwutlenek węgla przenosi promieniowanie widzialne i ultrafioletowe ze Słońca, ale pochłania promieniowanie podczerwone, które wędruje w kosmos z Ziemi. Prowadzi to do wzrostu temperatury niższych warstw atmosfery, wzmożonych wiatrów huraganowych i globalnego topnienia lodu.
2. Bezpośredni wpływ toksycznych spalin na dzikie zwierzęta (substancje rakotwórcze, smog, kwaśne deszcze z ubocznych produktów spalania).
3. Zubożenie warstwy ozonowej podczas lotów samolotów i startów rakiet. Ozon w górnych warstwach atmosfery chroni całe życie na Ziemi przed nadmiernym promieniowaniem ultrafioletowym ze Słońca.

Wyjściem z nadchodzącego kryzysu ekologicznego jest zwiększenie sprawności silników cieplnych (sprawność nowoczesnych silników cieplnych rzadko przekracza 30%); stosowanie sprawnych silników i neutralizatorów szkodliwych spalin; wykorzystanie alternatywnych źródeł energii (panele słoneczne i grzejniki) oraz alternatywnych środków transportu (rowery itp.).

6.3. Druga zasada termodynamiki

6.3.1. Efektywność silniki cieplne. Cykl Carnota

Druga zasada termodynamiki powstała z analizy pracy silników cieplnych (maszyn). W ujęciu Kelvina wygląda to tak: niemożliwy jest proces okrężny, którego jedynym skutkiem jest przekształcenie ciepła odbieranego z grzałki w jego pracę równoważną.

Schemat działania silnika cieplnego (silnika cieplnego) pokazano na ryc. 6.3.

Ryż. 6,3

Cykl silnika cieplnego składa się z trzech etapów:

1) grzejnik przenosi ilość ciepła Q 1 do gazu;

2) gaz, rozprężając, wykonuje pracę A;

3) ciepło Q 2 jest przenoszone do lodówki, aby przywrócić gaz do pierwotnego stanu.

Z pierwszej zasady termodynamiki dla procesu cyklicznego

Q = A,

gdzie Q jest ilością ciepła odbieranego przez gaz na cykl, Q = Q 1 - Q 2; Q 1 - ilość ciepła przekazanego do gazu z grzejnika; Q 2 - ilość ciepła oddanego przez gaz do lodówki.

Dlatego dla idealnego silnika cieplnego równość

Q1 - Q2 = A.

Gdy nie ma strat energii (z powodu tarcia i jej odprowadzania do otoczenia), podczas pracy silników cieplnych, prawo zachowania energii

P 1 = A + P 2,

gdzie Q 1 jest ciepłem przenoszonym z grzejnika do płynu roboczego (gazu); A - praca wykonywana gazem; Q 2 to ciepło przekazywane przez gaz do lodówki.

Efektywność silnik cieplny jest obliczany za pomocą jednego z wzorów:

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

gdzie A jest pracą wykonaną przez gaz; Q 1 - ciepło przekazywane z grzejnika do płynu roboczego (gazu); Q 2 to ciepło przekazywane przez gaz do lodówki.

Cykl Carnota jest najczęściej stosowany w silnikach cieplnych, ponieważ jest najbardziej ekonomiczny.

Cykl Carnota składa się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów pokazanych na ryc. 6.4.

Ryż. 6,4

Sekcja 1–2 odpowiada kontaktowi substancji roboczej (gazu) z grzałką. W tym przypadku grzejnik przekazuje ciepło Q 1 do gazu, a izotermiczna ekspansja gazu następuje w temperaturze grzejnika T 1. Gaz pracuje dodatnio (A 12> 0), jego energia wewnętrzna nie zmienia się (∆U 12 = 0).

Sekcja 2-3 odpowiada adiabatycznej ekspansji gazu. W tym przypadku nie dochodzi do wymiany ciepła ze środowiskiem zewnętrznym, wykonywana praca dodatnia A 23 prowadzi do spadku energii wewnętrznej gazu: ∆U 23 = −A 23, gaz jest schładzany do temperatury lodówki T 2.

Sekcja 3-4 odpowiada kontaktowi substancji roboczej (gazu) z lodówką. W tym przypadku ciepło Q 2 jest dostarczane do lodówki z gazu, a izotermiczne sprężanie gazu następuje w temperaturze lodówki T 2. Gaz działa ujemnie (A 34< 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 34 = 0).

Sekcja 4–1 odpowiada adiabatycznej kompresji gazu. W tym przypadku nie dochodzi do wymiany ciepła ze środowiskiem zewnętrznym, wykonywana praca ujemna A 41 prowadzi do wzrostu energii wewnętrznej gazu: ∆U 41 = −A 41, gaz jest podgrzewany do temperatury grzałki T 1 , tj powraca do swojego pierwotnego stanu.

Sprawność silnika cieplnego pracującego w cyklu Carnota oblicza się za pomocą jednego z wzorów:

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

gdzie T 1 jest temperaturą grzejnika; T 2 to temperatura lodówki.

Przykład 9. Idealny silnik cieplny wykonuje na cykl pracę 400 J. Jaka ilość ciepła jest w tym przypadku przekazywana do lodówki, jeśli sprawność maszyny wynosi 40%?

Rozwiązanie . Sprawność silnika cieplnego określa wzór

η = A Q 1 ⋅ 100%,

gdzie A jest pracą wykonaną przez gaz na cykl; Q 1 - ilość ciepła przenoszonego z grzałki do płynu roboczego (gazu).

Pożądana wartość to ilość ciepła Q 2 przeniesiona z płynu roboczego (gazu) do lodówki, która nie jest uwzględniona w spisanym wzorze.

Zależność między pracą A, ciepłem Q 1 przeniesionym z nagrzewnicy do gazu, a poszukiwaną wartością Q 2 ustalamy stosując zasadę zachowania energii dla idealnego silnika cieplnego

P1 = A + P2.

Równania tworzą system

η = A Q 1 ⋅ 100%, Q 1 = A + Q 2,)

które należy rozwiązać dla Q 2.

Aby to zrobić, wykluczamy Q 1 z systemu, wyrażając z każdego równania

Q 1 = A η ⋅ 100%, Q 1 = A + Q 2)

i zapisując równość prawych stron otrzymanych wyrażeń:

A η ⋅ 100% = A + Q 2.

Poszukiwaną wartość określa równość

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

Obliczenie daje wartość:

Q2 = 400 ⋅ (100% 40% - 1) = 600 J.

Ilość ciepła przekazywanego na cykl z gazu do lodówki idealnego silnika cieplnego wynosi 600 J.

Przykład 10. W idealnym silniku cieplnym z nagrzewnicy do gazu dostarczane jest 122 kJ/min, a z gazu do chłodnicy 30,5 kJ/min. Oblicz sprawność tego idealnego silnika cieplnego.

Rozwiązanie . Aby obliczyć wydajność, użyjemy wzoru

η = (1 - Q 2 Q 1) ⋅ 100%,

gdzie Q 2 - ilość ciepła przenoszonego na cykl z gazu do lodówki; Q 1 - ilość ciepła przekazywana na cykl z grzałki do płynu roboczego (gazu).

Przekształcamy wzór dzieląc licznik i mianownik ułamka przez czas t:

η = (1 - Q 2 / t Q 1 / t) ⋅ 100%,

gdzie Q 2 / t jest szybkością przekazywania ciepła z gazu do lodówki (ilość ciepła przenoszonego przez gaz do lodówki na sekundę); Q 1 / t to szybkość wymiany ciepła z grzałki do płynu roboczego (ilość ciepła, która jest przenoszona z grzałki do gazu na sekundę).

W opisie problemu szybkość wymiany ciepła jest określona w dżulach na minutę; przetłumaczmy to na dżule na sekundę:

• z grzałki na gaz -

Q 1 t = 122 kJ / min = 122 ⋅ 10 3 60 J / s;

• od gazu do lodówki -

Q 2 t = 30,5 kJ / min = 30,5 ⋅ 10 3 60 J / s.

Obliczmy sprawność tego idealnego silnika cieplnego:

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

Przykład 11. Sprawność silnika cieplnego pracującego w cyklu Carnota wynosi 25%. Ile razy wzrośnie wydajność, jeśli temperatura grzałki zostanie zwiększona, a temperatura lodówki obniżona o 20%?

Rozwiązanie . Sprawność idealnego silnika cieplnego pracującego w cyklu Carnota określają następujące wzory:

• przed zmianą temperatury grzałki i lodówki -

η 1 = (1 - T 2 T 1) ⋅ 100%,

gdzie T 1 jest początkową temperaturą grzejnika; T2 to początkowa temperatura lodówki;

• po zmianie temperatury grzałki i lodówki -

η 2 = (1 - T ′ 2 T ′ 1) ⋅ 100%,

gdzie T ′ 1 jest nową temperaturą grzejnika, T ′ 1 = 1,2 T 1; T ′ 2 to nowa temperatura lodówki, T ′ 2 = 0,8 T 2.

Równania sprawności z układu

η 1 = (1 - T 2 T 1) ⋅ 100%, η 2 = (1 - 0,8 T 2 1,2 T 1) ⋅ 100%,)

które należy rozwiązać dla η 2.

Z pierwszego równania układu, biorąc pod uwagę wartość η 1 = 25%, znajdujemy stosunek temperatur

T 2 T 1 = 1 - η 1 100% = 1 - 25% 100% = 0,75

i podstaw w drugim równaniu

η 2 = (1 - 0,8 1,2 ⋅ 0,75) ⋅ 100% = 50%.

Pożądany stosunek wydajności jest równy:

η 2 η 1 = 50% 25% = 2,0.

W konsekwencji wskazana zmiana temperatur nagrzewnicy i lodówki silnika cieplnego spowoduje dwukrotny wzrost wydajności.

Współczesne realia sugerują powszechne stosowanie silników cieplnych. Liczne próby zastąpienia ich silnikami elektrycznymi jak dotąd nie powiodły się. Problemy związane z akumulacją energii elektrycznej w systemach autonomicznych są rozwiązywane z dużym trudem.

Nadal palące są problemy technologii wytwarzania akumulatorów energii elektrycznej z uwzględnieniem ich wieloletniego użytkowania. Charakterystyki prędkości pojazdów elektrycznych są dalekie od prędkości samochodów napędzanych silnikami spalinowymi.

Pierwsze kroki w tworzeniu silników hybrydowych mogą znacznie ograniczyć szkodliwe emisje w megamiastach, rozwiązując problemy środowiskowe.

Trochę historii

Możliwość zamiany energii pary na energię ruchu znana była już w starożytności. 130 pne: Filozof Heron z Aleksandrii podarował publiczności zabawkę parową - eolipil. Kula wypełniona parą zaczęła się obracać pod wpływem emanujących z niej strumieni. Ten prototyp nowoczesnych turbin parowych nie był wówczas używany.

Przez wiele lat i stuleci rozwój filozofa był uważany tylko za zabawną zabawkę. W 1629 r. Włoch D. Branchi stworzył aktywną turbinę. Para wprawiła w ruch dysk wyposażony w ostrza.

Od tego momentu rozpoczął się szybki rozwój maszyn parowych.

Maszyna cieplna

Przekształcenie paliwa w energię ruchu części maszyn i mechanizmów stosuje się w silnikach cieplnych.

Główne części maszyn: grzałka (układ pozyskiwania energii z zewnątrz), płyn roboczy (wykonuje użyteczne działanie), lodówka.

Grzałka jest zaprojektowana tak, aby płyn roboczy gromadził wystarczający zapas energii wewnętrznej do użytecznej pracy. Lodówka usuwa nadmiar energii.

Główną cechą sprawności nazywana jest sprawność silników cieplnych. Ta wartość pokazuje, jaka część energii zużywanej na ogrzewanie jest zużywana na wykonanie użytecznej pracy. Im wyższa wydajność, tym bardziej opłacalna praca maszyny, ale wartość ta nie może przekroczyć 100%.

Obliczanie wydajności

Niech grzałka pozyska energię z zewnątrz równą Q 1. Pracujący korpus wykonał pracę A, podczas gdy energia przekazana do lodówki wyniosła Q 2.

Na podstawie definicji obliczamy wartość sprawności:

η = A / Q 1. Weźmy pod uwagę, że A = Q 1 - Q 2.

Stąd sprawność silnika cieplnego, którego wzór ma postać η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, pozwala wyciągnąć następujące wnioski:

• Sprawność nie może przekraczać 1 (lub 100%);
• aby zmaksymalizować tę wartość, konieczne jest zwiększenie energii otrzymanej z grzałki lub zmniejszenie energii dostarczanej do lodówki;
• zwiększenie energii grzałki 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 roku opublikowano jego obliczenia teoretyczne dotyczące procesów zachodzących w gazach.

Główną ideą idealnej maszyny jest przeprowadzanie procesów odwracalnych z użyciem gazu doskonałego. Zaczynamy od izotermicznego rozprężania gazu w temperaturze T 1. Wymagana do tego ilość ciepła wynosi Q 1. Po rozprężeniu się gazu bez wymiany ciepła Po osiągnięciu temperatury T2 gaz jest sprężany izotermicznie, przenosząc energię Q2 do lodówki. Powrót gazu do pierwotnego stanu odbywa się adiabatycznie.

Sprawność idealnego silnika cieplnego Carnota, po dokładnym obliczeniu, jest równa stosunkowi różnicy temperatur między urządzeniami grzewczymi i chłodzącymi do temperatury, jaką ma nagrzewnica. Wygląda to tak: η = (T 1 - T 2) / T 1.

Możliwa sprawność silnika cieplnego, którego wzór ma postać: η = 1 - T 2 / T 1, zależy tylko od wartości temperatur nagrzewnicy i chłodnicy i nie może być większa niż 100%.

Co więcej, stosunek ten pozwala udowodnić, że sprawność silników cieplnych może być równa jedności tylko wtedy, gdy lodówka osiągnie temperaturę. Jak wiesz, ta wartość jest nieosiągalna.

Obliczenia teoretyczne Karnota pozwalają określić maksymalną sprawność silnika cieplnego dowolnej konstrukcji.

Twierdzenie udowodnione przez Carnota brzmi następująco. Dowolny silnik cieplny w żadnym wypadku nie jest w stanie osiągnąć współczynnika sprawności większego niż idealny silnik cieplny.

Przykład rozwiązywania problemów

Przykład 1. Jaka jest sprawność idealnego silnika cieplnego, jeśli temperatura grzałki wynosi 800°C, a temperatura lodówki jest niższa o 500°C?

T 1 = 800 о С = 1073 K, ∆T = 500 о С = 500 К, η -?

Z definicji: η = (T 1 - T 2) / T 1.

Nie podajemy temperatury lodówki, ale ∆T = (T 1 - T 2), stąd:

η = ∆T / T 1 = 500 K / 1073 K = 0,46.

Odpowiedź: wydajność = 46%.

Przykład 2. Wyznacz sprawność idealnego silnika cieplnego, jeśli z tytułu zakupionej energii grzałki wykonuje się pracę użyteczną 650 J. Jaka jest temperatura grzałki silnika cieplnego, jeśli temperatura chłodnicy wynosi 400 K?

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

W tym problemie mówimy o instalacji cieplnej, której sprawność można obliczyć ze wzoru:

Do określenia temperatury grzałki posługujemy się wzorem na sprawność idealnego silnika cieplnego:

η = (T 1 - T 2) / T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Po wykonaniu przekształceń matematycznych otrzymujemy:

T 1 = T 2 / (1- η).

T 1 = T 2 / (1- A / Q 1).

Obliczmy:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

T1 = 400 K / (1-650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Odpowiedź: η = 65%, T 1 = 1142,8 K.

Prawdziwe warunki

Idealny silnik cieplny został zaprojektowany z myślą o idealnych procesach. Praca wykonywana jest tylko w procesach izotermicznych, jej wartość określa się jako obszar ograniczony wykresem cyklu Carnota.

W rzeczywistości niemożliwe jest stworzenie warunków dla procesu zmiany stanu gazu bez towarzyszących zmian temperatury. Nie ma materiałów, które wykluczałyby wymianę ciepła z otaczającymi obiektami. Przeprowadzenie procesu adiabatycznego staje się niemożliwe. W przypadku wymiany ciepła temperatura gazu musi się koniecznie zmienić.

Sprawność silników cieplnych tworzonych w warunkach rzeczywistych znacznie różni się od sprawności silników idealnych. Należy zauważyć, że przebieg procesów w rzeczywistych silnikach zachodzi na tyle szybko, że zmienność wewnętrznej energii cieplnej substancji roboczej w procesie zmiany jej objętości nie może być skompensowana przez dopływ ilości ciepła z grzałki i powrót do lodówka.

Inne silniki cieplne

Prawdziwe silniki działają w różnych cyklach:

• Cykl Otto: proces przy stałej objętości zmienia się adiabatycznie, tworząc cykl zamknięty;
• Cykl diesla: izobar, adiabat, izochor, adiabat;
• proces, który zachodzi pod stałym ciśnieniem, zostaje zastąpiony adiabatycznym i zamyka cykl.

Nie jest możliwe stworzenie procesów równowagi w silnikach rzeczywistych (zbliżenie ich do idealnych) w warunkach nowoczesnej technologii. Sprawność silników cieplnych jest znacznie niższa, nawet biorąc pod uwagę takie same warunki temperaturowe jak w idealnej instalacji cieplnej.

Ale nie należy umniejszać roli wzoru obliczeniowego na sprawność, ponieważ to on staje się punktem wyjścia w procesie prac nad zwiększeniem sprawności prawdziwych silników.

Sposoby na zmianę wydajności

Porównując idealne i prawdziwe silniki cieplne, warto zauważyć, że temperatura lodówki tego ostatniego nie może być żadna. Zazwyczaj atmosfera jest uważana za lodówkę. Temperaturę atmosfery można mierzyć tylko w przybliżonych obliczeniach. Doświadczenie pokazuje, że temperatura płynu chłodzącego jest równa temperaturze spalin w silnikach, jak ma to miejsce w silnikach spalinowych (w skrócie ICE).

ICE to najbardziej rozpowszechniony silnik cieplny na naszym świecie. Sprawność silnika cieplnego w tym przypadku zależy od temperatury wytworzonej przez spalane paliwo. Istotną różnicą pomiędzy silnikiem spalinowym a silnikami parowymi jest połączenie funkcji nagrzewnicy i czynnika roboczego urządzenia w mieszance powietrzno-paliwowej. Spalanie mieszanina wywiera nacisk na ruchome części silnika.

Osiąga się wzrost temperatury gazów roboczych, znacząco zmieniając właściwości paliwa. Niestety nie da się tego robić w nieskończoność. Każdy materiał, z którego wykonana jest komora spalania silnika, ma własną temperaturę topnienia. Odporność cieplna takich materiałów jest główną cechą silnika, a także możliwością znacznego wpływania na wydajność.

Wartości sprawności silników

Jeśli weźmiemy pod uwagę temperaturę pary roboczej na wlocie 800 K, a spalin 300 K, to sprawność tej maszyny wynosi 62%. W rzeczywistości jednak wartość ta nie przekracza 40%. Taki spadek następuje z powodu strat ciepła podczas nagrzewania obudowy turbiny.

Najwyższa wartość spalania wewnętrznego nie przekracza 44%. Zwiększenie tej wartości to kwestia niedalekiej przyszłości. Zmiana właściwości materiałów, paliw to problem, nad którym pracują najlepsze umysły ludzkości.

Kiedy mówimy o odwracalności procesów, należy mieć na uwadze, że jest to swego rodzaju idealizacja. Wszystkie rzeczywiste procesy są nieodwracalne, dlatego nieodwracalne są również cykle, według których pracują silniki cieplne, a więc nierównowagi. Aby jednak uprościć ilościowe oszacowania takich cykli, należy uznać je za stany równowagi, to znaczy tak, jakby składały się tylko z procesów równowagowych. Wymaga tego dobrze rozwinięty aparat termodynamiki klasycznej.

Słynny cykl idealnego silnika Carnota jest uważany za równowagowy odwrócony proces kołowy. W prawdziwym życiu żaden cykl może nie być idealny, ponieważ występują straty. Odbywa się pomiędzy dwoma źródłami ciepła o stałej temperaturze na wymienniku ciepła T1 i radiator T 2, a także płyn roboczy, który jest uważany za gaz doskonały (ryc. 3.1).

Ryż. 3.1. Cykl silnika cieplnego

Zakładamy, że T1 > T 2 i odprowadzanie ciepła z radiatora oraz doprowadzenie ciepła do radiatora nie wpływa na ich temperaturę, T1 oraz T 2 pozostaje stały. Wyznaczmy parametry gazu w lewym skrajnym położeniu tłoka silnika cieplnego: ciśnienie - R1 Tom - V 1, temperatura T 1 . To jest punkt 1 na wykresie na osiach P-W. W tym momencie gaz (płyn roboczy) wchodzi w interakcję z radiatorem, którego temperatura również wynosi T 1 . Gdy tłok przesuwa się w prawo, ciśnienie gazu w cylindrze spada, a objętość wzrasta. Będzie to trwało do momentu osiągnięcia przez tłok pozycji określonej przez punkt 2, gdzie parametry płynu roboczego (gazu) przyjmą wartości P 2, V 2, T 2... Temperatura w tym punkcie pozostaje niezmieniona, ponieważ temperatura gazu i radiatora jest taka sama podczas przejścia tłoka z punktu 1 do punktu 2 (rozprężanie). Taki proces, w którym… T nie zmienia się, nazywa się izotermą, a krzywa 1–2 nazywa się izotermą. W tym procesie ciepło jest przekazywane z wymiennika ciepła do płynu roboczego P 1.

W punkcie 2 cylinder jest całkowicie odizolowany od środowiska zewnętrznego (nie ma wymiany ciepła) i przy dalszym ruchu tłoka w prawo ciśnienie spada, a objętość wzrasta wzdłuż krzywej 2–3, co nazywa się adiabata(proces bez wymiany ciepła ze środowiskiem zewnętrznym). Gdy tłok przesunie się w skrajne prawe położenie (punkt 3), proces rozprężania zakończy się i parametry przyjmą wartości P 3, V 3, a temperatura zrówna się z temperaturą odbiornika ciepła T 2. Przy takim położeniu tłoka zmniejsza się izolacja płynu roboczego i oddziałuje on z radiatorem. Jeśli teraz zwiększymy nacisk na tłok, to będzie on przesuwał się w lewo ze stałą temperaturą T 2(kompresja). Oznacza to, że ten proces kompresji będzie izotermiczny. W tym procesie ciepło P2 przepłynie z płynu roboczego do radiatora. Tłok poruszający się w lewo dojdzie do punktu 4 z parametrami P 4, V 4 i T 2, gdzie płyn roboczy jest ponownie izolowany od środowiska zewnętrznego. Dalsza kompresja następuje wzdłuż adiabaty 4–1 wraz ze wzrostem temperatury. W punkcie 1 kompresja kończy się na parametrach płynu roboczego P 1, V 1, T 1... Tłok powrócił do pierwotnego stanu. W punkcie 1 usuwa się izolację płynu roboczego od środowiska zewnętrznego i cykl się powtarza.

Wydajność idealnego silnika Carnota.

Zadanie 15.1.1. Rysunki 1, 2 i 3 przedstawiają wykresy trzech cyklicznych procesów zachodzących z gazem doskonałym. W którym z tych procesów gaz wykonał pozytywną pracę podczas cyklu?

Zadanie 15.1.3. Gaz doskonały, po zakończeniu pewnego procesu cyklicznego, powrócił do stanu początkowego. Całkowita ilość ciepła odebranego przez gaz podczas całego procesu (różnica między ilością ciepła odebranego z grzałki a ilością ciepła oddanego do lodówki) jest równa. Jaką pracę wykonał gaz podczas cyklu?

Zadanie 15.1.5. Rysunek przedstawia wykres procesu cyklicznego zachodzącego z gazem. Parametry procesu przedstawiono na wykresie. Jaką pracę wykonuje gaz podczas tego cyklicznego procesu?

Zadanie 15.1.6. Gaz doskonały wykonuje proces cykliczny, wykres we współrzędnych pokazano na rysunku. Wiadomo, że proces 2–3 jest izochoryczny, w procesach 1–2 i 3–1 zadziałał gaz i odpowiednio. Jaką pracę wykonał gaz podczas cyklu?

Zadanie 15.1.7. Wydajność silnika cieplnego pokazuje

Zadanie 15.1.8. Podczas cyklu silnik cieplny odbiera ilość ciepła z grzałki i oddaje ilość ciepła do lodówki. Jaki jest wzór na określenie sprawności silnika?

Zadanie 15.1.10. Sprawność idealnego silnika cieplnego pracującego w cyklu Carnota wynosi 50%. Temperatura grzałki jest podwojona, temperatura lodówki się nie zmienia. Jaka będzie sprawność powstałego idealnego silnika cieplnego?