Motor termic. Eficiența motorului termic

În modelul teoretic al unui motor termic, sunt luate în considerare trei corpuri: încălzitor, corp de lucruși frigider.

Încălzitor - un rezervor termic (corp mare), a cărui temperatură este constantă.

În fiecare ciclu de funcționare a motorului, fluidul de lucru primește o anumită cantitate de căldură de la încălzitor, se extinde și efectuează lucrări mecanice. Transferul unei părți din energia primită de la încălzitor la frigider este necesar pentru a readuce fluidul de lucru la starea inițială.

Deoarece modelul presupune că temperatura încălzitorului și frigiderului nu se modifică în timpul funcționării motorului termic, atunci la sfârșitul ciclului: încălzire-expansiune-răcire-comprimare a fluidului de lucru, se consideră că mașina revine la starea sa originală.

Pentru fiecare ciclu, pe baza primei legi a termodinamicii, se poate scrie că cantitatea de căldură Q sarcină primită de la încălzitor, cantitate de căldură | Q cool |, dat la frigider, și munca făcută de corpul de lucru A sunt legate între ele prin:

A = Q sarcină – | Q rece|.

În dispozitivele tehnice reale, care se numesc motoare termice, fluidul de lucru este încălzit de căldura degajată în timpul arderii combustibilului. Deci, într-o turbină cu abur a unei centrale electrice, încălzitorul este un cuptor cu cărbune fierbinte. Într-un motor cu ardere internă (ICE), produsele de ardere pot fi considerate un încălzitor, iar excesul de aer poate fi considerat un fluid de lucru. Ca frigider, folosesc aerul din atmosferă sau apa din surse naturale.

Eficiența unui motor termic (mașină)

Eficiența motorului termic (eficienţă) este raportul dintre munca efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor:

Eficiența oricărui motor termic este mai mică de unu și este exprimată în procente. Imposibilitatea de a converti întreaga cantitate de căldură primită de la încălzitor în lucru mecanic este prețul de plătit pentru necesitatea organizării unui proces ciclic și decurge din a doua lege a termodinamicii.

În motoarele termice reale, eficiența este determinată de puterea mecanică experimentală N motor și cantitatea de combustibil ars pe unitatea de timp. Deci, dacă la timp t combustibil în masă ars m si caldura specifica de ardere q, atunci

Pentru vehicule, caracteristica de referință este adesea volumul V combustibil ars pe drum s la puterea mecanică a motorului Nși în viteză. În acest caz, ținând cont de densitatea r a combustibilului, putem scrie o formulă pentru calcularea eficienței:

A doua lege a termodinamicii

Există mai multe formulări a doua lege a termodinamicii. Unul dintre ei spune că un motor termic este imposibil, care ar funcționa numai datorită unei surse de căldură, adică. fara frigider. Oceanul mondial i-ar putea servi ca o sursă practic inepuizabilă de energie internă (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Alte formulări ale celei de-a doua legi a termodinamicii sunt echivalente cu aceasta.

Formularea lui Clausius(1850): este imposibil un proces în care căldura s-ar transfera spontan de la corpuri mai puțin încălzite la corpuri mai încălzite.

formularea lui Thomson(1851): un proces circular este imposibil, al cărui singur rezultat ar fi producerea de muncă prin reducerea energiei interne a rezervorului termic.

Formularea lui Clausius(1865): toate procesele spontane dintr-un sistem închis de neechilibru au loc într-o astfel de direcție în care entropia sistemului crește; in stare de echilibru termic, este maxima si constanta.

Formularea lui Boltzmann(1877): un sistem închis de multe particule trece spontan de la o stare mai ordonată la una mai puțin ordonată. Ieșirea spontană a sistemului din poziția de echilibru este imposibilă. Boltzmann a introdus o măsură cantitativă a tulburării într-un sistem format din mai multe corpuri - entropie.

Eficiența unui motor termic cu un gaz ideal ca fluid de lucru

Dacă este dat modelul fluidului de lucru într-un motor termic (de exemplu, un gaz ideal), atunci este posibil să se calculeze modificarea parametrilor termodinamici ai fluidului de lucru în timpul expansiunii și contracției. Acest lucru vă permite să calculați eficiența unui motor termic pe baza legile termodinamicii.

Figura prezintă ciclurile pentru care se poate calcula eficiența dacă fluidul de lucru este un gaz ideal și parametrii sunt stabiliți în punctele de tranziție ale unui proces termodinamic la altul.

Ciclul Carnot. Eficiența unui motor termic ideal

Cea mai mare eficiență la anumite temperaturi ale încălzitorului T incalzire si frigider T rece are un motor termic în care fluidul de lucru se extinde și se contractă Ciclul Carnot(Fig. 2), al cărui grafic este format din două izoterme (2–3 și 4–1) și două adiabate (3–4 și 1–2).

teorema lui Carnot demonstrează că randamentul unui astfel de motor nu depinde de fluidul de lucru utilizat, deci poate fi calculat folosind relațiile termodinamice pentru un gaz ideal:

Consecințele asupra mediului ale motoarelor termice

Utilizarea intensivă a motoarelor termice în transport și energie (centrale termice și nucleare) afectează în mod semnificativ biosfera Pământului. Deși există dispute științifice cu privire la mecanismele influenței vieții umane asupra climei Pământului, mulți oameni de știință subliniază factorii din cauza cărora poate apărea o astfel de influență:

1. Efectul de seră este o creștere a concentrației de dioxid de carbon (un produs al arderii în încălzitoarele mașinilor termice) din atmosferă. Dioxidul de carbon transmite radiații vizibile și ultraviolete de la Soare, dar absoarbe radiațiile infraroșii de pe Pământ. Acest lucru duce la o creștere a temperaturii straturilor inferioare ale atmosferei, o creștere a vântului de uragan și la topirea globală a gheții.
2. Impactul direct al gazelor de eșapament toxice asupra vieții sălbatice (agenți cancerigeni, smog, ploi acide din subprodușii de ardere).
3. Distrugerea stratului de ozon în timpul zborurilor aeronavelor și al lansărilor de rachete. Ozonul din straturile superioare ale atmosferei protejează întreaga viață de pe Pământ de excesul de radiații ultraviolete de la Soare.

Ieșirea din criza ecologică emergentă constă în creșterea eficienței motoarelor termice (eficiența motoarelor termice moderne depășește rar 30%); utilizarea de motoare funcționale și neutralizatori ai gazelor de eșapament nocive; utilizarea surselor alternative de energie (baterii solare și încălzitoare) și a mijloacelor de transport alternative (biciclete etc.).

6.3. A doua lege a termodinamicii

6.3.1. Eficienţă motoare termice. Ciclul Carnot

A doua lege a termodinamicii a apărut din analiza funcționării motoarelor termice (mașinilor). În formularea lui Kelvin, arată astfel: un proces circular este imposibil, al cărui singur rezultat este conversia căldurii primite de la încălzitor în lucru echivalent cu acesta.

Schema de funcționare a unui motor termic (motor termic) este prezentată în fig. 6.3.

Orez. 6.3

Ciclul motorului termic constă din trei etape:

1) încălzitorul transferă cantitatea de căldură Q 1 către gaz;

2) gazul în expansiune lucrează A ;

3) pentru a readuce gazul la starea inițială, căldura Q 2 este transferată la frigider.

Din prima lege a termodinamicii pentru un proces ciclic

Q=A

unde Q este cantitatea de căldură primită de gaz pe ciclu, Q \u003d Q 1 - Q 2; Q 1 - cantitatea de căldură transferată gazului de la încălzitor; Q 2 - cantitatea de căldură degajată de gaz către frigider.

Prin urmare, pentru un motor termic ideal, egalitatea

Q 1 − Q 2 = A.

Atunci când pierderile de energie (datorită frecării și disipării acesteia în mediu) sunt absente, în timpul funcționării motoarelor termice, legea conservării energiei

Q 1 \u003d A + Q 2,

unde Q 1 este căldura transferată de la încălzitor la fluidul de lucru (gaz); A este munca efectuată de gaz; Q 2 este căldura transferată de gaz către frigider.

Eficienţă motorul termic se calculează cu una dintre formulele:

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

unde A este munca efectuată de gaz; Q 1 - căldură transferată de la încălzitor la fluidul de lucru (gaz); Q 2 este căldura transferată de gaz către frigider.

Cel mai des folosit la motoarele termice este ciclul Carnot, deoarece este cel mai economic.

Ciclul Carnot este format din două izoterme și două adiabate prezentate în Fig. 6.4.

Orez. 6.4

Secțiunea 1–2 corespunde contactului substanței de lucru (gaz) cu încălzitorul. În acest caz, încălzitorul transferă căldura Q 1 gazului iar expansiunea izotermă a gazului are loc la temperatura încălzitorului T 1 . Gazul efectuează un lucru pozitiv (A 12 > 0), energia sa internă nu se modifică (∆U 12 = 0).

Segmentul 2–3 corespunde expansiunii adiabatice a gazului. În acest caz, schimbul de căldură cu mediul extern nu are loc, munca pozitivă A 23 efectuată duce la scăderea energiei interne a gazului: ∆U 23 = −A 23, gazul este răcit la temperatura frigiderului T 2 .

Secțiunea 3–4 corespunde contactului substanței de lucru (gaz) cu răcitorul. În acest caz, căldura Q2 este furnizată frigiderului din gaz și compresia izotermă a gazului are loc la temperatura frigiderului T2. Gazul efectuează un lucru negativ (A 34< 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 34 = 0).

Segmentul 4–1 corespunde comprimării adiabatice a gazului. În acest caz, schimbul de căldură cu mediul extern nu are loc, munca negativă A 41 efectuată duce la o creștere a energiei interne a gazului: ∆U 41 = −A 41, gazul este încălzit la temperatura încălzitorului T 1, adică revine la starea inițială.

Eficiența unui motor termic care funcționează conform ciclului Carnot se calculează folosind una dintre formulele:

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

unde T 1 - temperatura încălzitorului; T 2 - temperatura frigiderului.

Exemplul 9. Un motor termic ideal efectuează 400 J de lucru pe ciclu. Câtă căldură este transferată la frigider dacă randamentul mașinii este de 40%?

Soluție. Eficiența unui motor termic este determinată de formulă

η = A Q 1 ⋅ 100% ,

unde A este munca efectuată de gaz pe ciclu; Q 1 - cantitatea de căldură care este transferată de la încălzitor la fluidul de lucru (gaz).

Valoarea dorită este cantitatea de căldură Q 2 transferată din fluidul de lucru (gaz) la frigider, care nu este inclusă în formula scrisă.

Relația dintre lucrul A, căldura Q 1 transferată de la încălzitor la gaz și valoarea dorită Q 2 se stabilește folosind legea conservării energiei pentru un motor termic ideal.

Q 1 \u003d A + Q 2.

Ecuațiile formează un sistem

η = A Q 1 ⋅ 100% , Q 1 = A + Q 2 , )

care trebuie rezolvat în raport cu Q 2 .

Pentru a face acest lucru, excludem din sistemul Q 1 , exprimând din fiecare ecuație

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

și scrierea egalității părților corecte ale expresiilor rezultate:

A η ⋅ 100% = A + Q 2 .

Valoarea dorită este determinată de egalitate

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

Calculul dă valoarea:

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

Cantitatea de căldură transferată pe ciclu de la gaz la frigiderul unui motor termic ideal este de 600 J.

Exemplul 10. Într-un motor termic ideal, 122 kJ / min sunt furnizați de la încălzitor la gaz și 30,5 kJ / min sunt transferați de la gaz la frigider. Calculați eficiența acestui motor termic ideal.

Soluție. Pentru a calcula eficiența, folosim formula

η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100% ,

unde Q 2 - cantitatea de căldură care este transferată pe ciclu de la gaz la frigider; Q 1 - cantitatea de căldură care este transferată pe ciclu de la încălzitor la fluidul de lucru (gaz).

Să transformăm formula împărțind numărătorul și numitorul fracției la timpul t:

η = (1 − Q 2 / t Q 1 / t) ⋅ 100% ,

unde Q 2 /t este viteza de transfer de căldură de la gaz la frigider (cantitatea de căldură care este transferată de gaz la frigider pe secundă); Q 1 /t - rata de transfer de căldură de la încălzitor la fluidul de lucru (cantitatea de căldură care este transferată de la încălzitor la gaz pe secundă).

În starea problemei, viteza de transfer de căldură este dată în jouli pe minut; convertiți-l în jouli pe secundă:

• de la încălzitorul pe gaz -

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

• de la gaz la frigider -

Q 2 t \u003d 30,5 kJ / min \u003d 30,5 ⋅ 10 3 60 J / s.

Calculați eficiența acestui motor termic ideal:

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

Exemplul 11. Eficiența unui motor termic care funcționează conform ciclului Carnot este de 25%. De câte ori va crește eficiența dacă se crește temperatura încălzitorului și se reduce temperatura frigiderului cu 20%?

Soluție. Eficiența unui motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot este determinată de următoarele formule:

• înainte de a schimba temperatura încălzitorului și frigiderului -

η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100% ,

unde T 1 este temperatura inițială a încălzitorului; T 2 - temperatura inițială a frigiderului;

• după modificarea temperaturii încălzitorului și frigiderului -

η 2 = (1 − T ′ 2 T ′ 1) ⋅ 100% ,

unde T ′ 1 este noua temperatură a încălzitorului, T ′ 1 = 1,2 T 1 ; T ′ 2 - temperatura frigiderului nou, T ′ 2 = 0,8 T 2 .

Ecuațiile pentru factorii de eficiență formează un sistem

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

care trebuie rezolvat în raport cu η 2 .

Din prima ecuație a sistemului, ținând cont de valoarea lui η 1 = 25%, găsim raportul de temperatură

T 2 T 1 \u003d 1 - η 1 100% \u003d 1 - 25% 100% \u003d 0,75

și înlocuiți în a doua ecuație

η 2 \u003d (1 - 0,8 1,2 ⋅ 0,75) ⋅ 100% \u003d 50%.

Raportul de eficiență dorit este egal cu:

η 2 η 1 \u003d 50% 25% \u003d 2.0.

În consecință, modificarea indicată a temperaturilor încălzitorului și frigiderului motorului termic va duce la o creștere a factorului de eficiență cu un factor de 2.

Realitățile moderne implică funcționarea pe scară largă a motoarelor termice. Numeroase încercări de a le înlocui cu motoare electrice au eșuat până acum. Problemele asociate cu acumularea de energie electrică în sistemele autonome sunt rezolvate cu mare dificultate.

Încă relevante sunt problemele tehnologiei pentru fabricarea acumulatorilor de energie electrică, ținând cont de utilizarea lor pe termen lung. Caracteristicile de viteză ale vehiculelor electrice sunt departe de cele ale mașinilor cu motoare cu ardere internă.

Primii pași către crearea motoarelor hibride pot reduce semnificativ emisiile nocive în mega-orase, rezolvând problemele de mediu.

Un pic de istorie

Posibilitatea de a converti energia aburului în energie de mișcare era cunoscută în antichitate. 130 î.Hr.: Filosoful Heron al Alexandriei a prezentat publicului o jucărie cu abur - aeolipil. O sferă plină cu abur a început să se rotească sub acțiunea jeturilor emanate din ea. Acest prototip de turbine cu abur moderne nu și-a găsit aplicație în acele vremuri.

Timp de mulți ani și secole, dezvoltarea filozofului a fost considerată doar o jucărie distractivă. În 1629, italianul D. Branchi a creat o turbină activă. Aburul a pus în mișcare un disc echipat cu lame.

Din acel moment a început dezvoltarea rapidă a motoarelor cu abur.

motor termic

Conversia combustibilului în energie pentru mișcarea părților mașinilor și mecanismelor este utilizată la motoarele termice.

Principalele părți ale mașinilor: un încălzitor (un sistem de obținere a energiei din exterior), un fluid de lucru (realizează o acțiune utilă), un frigider.

Încălzitorul este proiectat pentru a se asigura că fluidul de lucru a acumulat o cantitate suficientă de energie internă pentru a efectua lucrări utile. Frigiderul elimină excesul de energie.

Principala caracteristică a eficienței se numește eficiența motoarelor termice. Această valoare arată ce parte din energia cheltuită pentru încălzire este cheltuită pentru a efectua lucrări utile. Cu cât eficiența este mai mare, cu atât este mai profitabilă funcționarea mașinii, dar această valoare nu poate depăși 100%.

Calculul randamentului

Fie ca încălzitorul să dobândească din exterior energie egală cu Q 1 . Fluidul de lucru a lucrat A, în timp ce energia dată frigiderului a fost Q 2 .

Pe baza definiției, calculăm eficiența:

η= A/Q1. Luăm în considerare faptul că A \u003d Q 1 - Q 2.

De aici, eficiența motorului termic, a cărui formulă are forma η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, ne permite să tragem următoarele concluzii:

• Eficiența nu poate depăși 1 (sau 100%);
• pentru a maximiza această valoare este necesară fie o creștere a energiei primite de la încălzitor, fie o scădere a energiei date frigiderului;
• o creștere a energiei încălzitorului se realizează prin modificarea calității combustibilului;
• reducerea energiei date frigiderului, face posibilă realizarea caracteristicilor de proiectare ale motoarelor.

Motor termic ideal

Este posibil să se creeze un astfel de motor, a cărui eficiență ar fi maximă (ideal, egală cu 100%)? Fizicianul teoretic și talentatul inginer francez Sadi Carnot a încercat să găsească răspunsul la această întrebare. În 1824, calculele sale teoretice despre procesele care au loc în gaze au fost făcute publice.

Ideea principală din spatele unei mașini ideale este de a efectua procese reversibile cu un gaz ideal. Începem cu dilatarea izotermic a gazului la o temperatură T 1 . Cantitatea de căldură necesară pentru aceasta este Q 1. După ce gazul se extinde fără schimb de căldură. După ce a atins temperatura T 2, gazul este comprimat izotermic, transferând energia Q 2 la frigider. Revenirea gazului la starea inițială este adiabatică.

Eficiența unui motor termic Carnot ideal, atunci când este calculată cu precizie, este egală cu raportul dintre diferența de temperatură dintre dispozitivele de încălzire și răcire și temperatura pe care o are încălzitorul. Arată astfel: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Eficiența posibilă a unui motor termic, a cărui formulă este: η= 1 - T 2 / T 1 , depinde numai de temperatura încălzitorului și a răcitorului și nu poate fi mai mare de 100%.

Mai mult, acest raport ne permite să demonstrăm că eficiența motoarelor termice poate fi egală cu unitatea doar atunci când frigiderul atinge temperaturi. După cum știți, această valoare este de neatins.

Calculele teoretice ale lui Carnot fac posibilă determinarea eficienței maxime a unui motor termic de orice proiect.

Teorema demonstrată de Carnot este următoarea. Un motor termic arbitrar nu este în niciun caz capabil să aibă o eficiență mai mare decât aceeași valoare a eficienței unui motor termic ideal.

Exemplu de rezolvare a problemelor

Exemplul 1 Care este eficiența unui motor termic ideal dacă temperatura încălzitorului este de 800°C și temperatura frigiderului este cu 500°C mai mică?

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

Prin definiție: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nu ni se da temperatura frigiderului, ci ∆T = (T 1 - T 2), de aici:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Raspuns: eficienta = 46%.

Exemplul 2 Determinați eficiența unui motor termic ideal dacă se efectuează 650 J de lucru util datorită energiei de încălzire dobândite de un kilojoule.Care este temperatura încălzitorului motorului termic dacă temperatura lichidului de răcire este de 400 K?

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

În această problemă, vorbim despre o instalație termică, a cărei eficiență poate fi calculată prin formula:

Pentru a determina temperatura încălzitorului, folosim formula pentru eficiența unui motor termic ideal:

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

După efectuarea transformărilor matematice, obținem:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

Să calculăm:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

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

Răspuns: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142,8 K.

Conditii reale

Motorul termic ideal este proiectat având în vedere procesele ideale. Lucrul se realizează numai în procese izoterme, valoarea sa este definită ca aria delimitată de graficul ciclului Carnot.

De fapt, este imposibil să se creeze condiții pentru procesul de schimbare a stării unui gaz fără schimbările însoțitoare de temperatură. Nu există materiale care să excludă schimbul de căldură cu obiectele din jur. Procesul adiabatic nu mai este posibil. În cazul transferului de căldură, temperatura gazului trebuie neapărat să se schimbe.

Eficiența motoarelor termice create în condiții reale diferă semnificativ de eficiența motoarelor ideale. Rețineți că procesele din motoarele reale sunt atât de rapide încât variația energiei termice interne a substanței de lucru în procesul de modificare a volumului acesteia nu poate fi compensată de afluxul de căldură din încălzitor și revenirea la răcitor.

Alte motoare termice

Motoarele reale funcționează pe diferite cicluri:

• Ciclul Otto: procesul la volum constant se modifică adiabatic, creând un ciclu închis;
• Ciclu diesel: izobar, adiabat, isocor, adiabat;
• procesul care are loc la presiune constantă este înlocuit cu unul adiabatic, închizând ciclul.

Nu este posibil să se creeze procese de echilibru în motoarele reale (pentru a le apropia de cele ideale) în condițiile tehnologiei moderne. Eficienta motoarelor termice este mult mai mica, chiar si tinand cont de aceleasi regimuri de temperatura ca intr-o instalatie termica ideala.

Dar nu ar trebui să reduceți rolul formulei de calcul al eficienței, deoarece aceasta devine punctul de plecare în procesul de lucru pentru creșterea eficienței motoarelor reale.

Modalități de a schimba eficiența

Când comparăm motoarele termice ideale și reale, este de remarcat faptul că temperatura frigiderului celui din urmă nu poate fi niciuna. De obicei, atmosfera este considerată a fi un frigider. Temperatura atmosferei poate fi luată doar în calcule aproximative. Experiența arată că temperatura lichidului de răcire este egală cu temperatura gazelor de eșapament din motoare, așa cum este cazul la motoarele cu ardere internă (abreviat motoare cu ardere internă).

ICE este cel mai comun motor termic din lumea noastră. Eficiența unui motor termic în acest caz depinde de temperatura creată de combustibilul care arde. O diferență esențială între un motor cu ardere internă și motoarele cu abur este îmbinarea funcțiilor încălzitorului și fluidului de lucru al dispozitivului în amestecul aer-combustibil. Arzând, amestecul creează presiune asupra pieselor mobile ale motorului.

O creștere a temperaturii gazelor de lucru se realizează prin modificarea semnificativă a proprietăților combustibilului. Din păcate, nu este posibil să faceți acest lucru la infinit. Orice material din care este realizată camera de ardere a unui motor are propriul punct de topire. Rezistența la căldură a unor astfel de materiale este principala caracteristică a motorului, precum și capacitatea de a afecta semnificativ eficiența.

Valori ale randamentului motorului

Dacă luăm în considerare temperatura aburului de lucru la intrarea căruia este de 800 K, iar gazul de evacuare este de 300 K, atunci eficiența acestei mașini este de 62%. În realitate, această valoare nu depășește 40%. O astfel de scădere apare din cauza pierderilor de căldură în timpul încălzirii carcasei turbinei.

Cea mai mare valoare a arderii interne nu depășește 44%. Creșterea acestei valori este o chestiune de viitor apropiat. Schimbarea proprietăților materialelor, combustibililor este o problemă la care lucrează cele mai bune minți ale omenirii.

Când vorbim despre reversibilitatea proceselor, trebuie luat în considerare faptul că acesta este un fel de idealizare. Toate procesele reale sunt ireversibile, prin urmare, ciclurile prin care funcționează motoarele termice sunt, de asemenea, ireversibile și, prin urmare, neechilibrate. Cu toate acestea, pentru a simplifica estimările cantitative ale unor astfel de cicluri, este necesar să le considerăm echilibru, adică ca și cum ar consta doar din procese de echilibru. Acest lucru este cerut de aparatul bine dezvoltat al termodinamicii clasice.

Celebrul ciclu al unui motor Carnot ideal este considerat a fi un proces circular invers de echilibru. În condiții reale, orice ciclu nu poate fi ideal, deoarece există pierderi. Are loc între două surse de căldură cu temperaturi constante la radiator. T 1 si receptor de caldura T 2, precum și fluidul de lucru, care este luat ca gaz ideal (Fig. 3.1).

Orez. 3.1. Ciclul motorului termic

Noi credem că T 1 > T 2 și îndepărtarea căldurii din radiatorul și alimentarea cu căldură către radiatorul nu afectează temperaturile acestora, T1și T2 ramane constant. Să desemnăm parametrii de gaz în poziția extremă din stânga a pistonului motorului termic: presiune - R 1 volum - V 1, temperatura T unu . Acesta este punctul 1 din graficul pe axe P-V.În acest moment, gazul (fluidul de lucru) interacționează cu sursa de căldură, a cărei temperatură este și ea T unu . Pe măsură ce pistonul se mișcă spre dreapta, presiunea gazului în cilindru scade și volumul crește. Aceasta va continua până când pistonul ajunge în poziția determinată de punctul 2, unde parametrii fluidului de lucru (gaz) vor lua valorile P 2 , V 2 , T2. Temperatura în acest punct rămâne neschimbată, deoarece temperatura gazului și a radiatorului este aceeași în timpul tranziției pistonului de la punctul 1 la punctul 2 (expansiune). Un astfel de proces în care T nu se modifică, se numește izotermă, iar curba 1–2 se numește izotermă. În acest proces, căldura este transferată de la sursa de căldură la fluidul de lucru. Î1.

La punctul 2, cilindrul este complet izolat de mediul extern (nu există schimb de căldură), iar odată cu deplasarea ulterioară a pistonului spre dreapta, are loc o scădere a presiunii și o creștere a volumului de-a lungul curbei 2-3, care este numit adiabatic(proces fără schimb de căldură cu mediul). Când pistonul se deplasează în poziția extremă dreaptă (punctul 3), procesul de expansiune se va încheia, iar parametrii vor avea valorile P 3 , V 3 , iar temperatura va deveni egală cu temperatura radiatorului. T 2. Cu această poziție a pistonului, izolația fluidului de lucru este redusă și acesta interacționează cu radiatorul. Dacă acum creștem presiunea pe piston, atunci acesta se va deplasa spre stânga la o temperatură constantă T 2(comprimare). Prin urmare, acest proces de compresie va fi izoterm. În acest proces, căldură Q2 va trece de la fluidul de lucru la radiatorul. Pistonul, deplasându-se spre stânga, va ajunge la punctul 4 cu parametrii P4, V4și T2 unde fluidul de lucru este din nou izolat de mediu. Comprimarea ulterioară are loc de-a lungul unui adiabat 4-1 cu o creștere a temperaturii. La punctul 1, compresia se termină la parametrii fluidului de lucru P1, V1, T1. Pistonul a revenit la starea inițială. La punctul 1, izolarea fluidului de lucru de mediul extern este îndepărtată și ciclul se repetă.

Eficiența unui motor Carnot ideal.

Problema 15.1.1. Figurile 1, 2 și 3 prezintă grafice a trei procese ciclice care au loc cu un gaz ideal. În care dintre aceste procese gazul a efectuat un lucru pozitiv pe ciclu?

Problema 15.1.3. Gazul ideal, după ce a finalizat un proces ciclic, a revenit la starea inițială. Cantitatea totală de căldură primită de gaz pe parcursul întregului proces (diferența dintre cantitatea de căldură primită de la încălzitor și cea dată frigiderului) este egală cu . Care este munca efectuată de gaz în timpul ciclului?

Problema 15.1.5. Figura prezintă un grafic al procesului ciclic care are loc cu gazul. Parametrii procesului sunt prezentați în grafic. Ce lucru este efectuat de gaz în timpul acestui proces ciclic?

Problema 15.1.6. Un gaz ideal efectuează un proces ciclic, graficul în coordonate este prezentat în figură. Se știe că procesul 2-3 este izocor; în procesele 1-2 și 3-1, gazul a funcționat și, respectiv. Care este munca efectuată de gaz în timpul ciclului?

Problema 15.1.7. Eficiența unui motor termic arată

Problema 15.1.8.În timpul ciclului, motorul termic primește o cantitate de căldură de la încălzitor și dă cantitatea de căldură frigiderului. Care este formula pentru determinarea randamentului unui motor?

Problema 15.1.10. Eficiența unui motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot este de 50%. Temperatura încălzitorului este dublată, temperatura frigiderului nu se modifică. Care va fi randamentul motorului termic ideal rezultat?