Într-un motor termic ideal în funcțiune. Motor termic

Când vorbim despre reversibilitatea proceselor, trebuie avut în vedere că acesta este un fel de idealizare. Toate procesele reale sunt ireversibile, prin urmare, ciclurile după care funcționează motoarele termice sunt și ele ireversibile și, prin urmare, neechilibrate. Totuși, 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 un aparat bine dezvoltat de termodinamică clasică.

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

Orez. 3.1. Ciclul motorului termic

Presupunem asta T 1 > T 2 și îndepărtarea căldurii din radiatorul și furnizarea de căldură către radiatorul nu afectează temperaturile acestora, T 1și T 2 ramane constant. Să desemnăm parametrii gazului în poziția extremă din stânga a pistonului motorului termic: presiune - R 1 volum - V 1, temperatura T 1 . Acesta este punctul 1 din diagrama pe axe P-V.În acest moment, gazul (fluidul de lucru) interacționează cu radiatorul, a cărui temperatură este de asemenea T 1 . Când 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, T 2... 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 schimbătorul de căldură la fluidul de lucru Î 1.

La punctul 2, cilindrul este complet izolat de mediul extern (nu există schimb de căldură) și, odată cu deplasarea ulterioară a pistonului spre dreapta, presiunea scade și volumul crește de-a lungul curbei 2–3, care se numește adiabat(proces fără schimb de căldură cu mediul extern). 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. Odată cu această poziție a pistonului, izolația fluidului de lucru scade și interacționează cu radiatorul. Dacă acum creștem presiunea pe piston, atunci acesta se va deplasa spre stânga la o temperatură constantă T 2(comprimare). Aceasta înseamnă că acest proces de compresie va fi izoterm. În acest proces, căldura Î 2 va trece de la fluidul de lucru la radiatorul. Pistonul, deplasându-se spre stânga, va ajunge la punctul 4 cu parametri P 4, V 4și T2, unde fluidul de lucru este din nou izolat de mediul extern. O compresie suplimentară are loc de-a lungul adiabatului 4–1 odată cu creșterea temperaturii. La punctul 1, compresia se termină cu parametrii fluidului de lucru P 1, V 1, T 1... Pistonul a revenit la starea inițială. La punctul 1, se îndepărtează izolarea fluidului de lucru de mediul extern și se repetă ciclul.

Eficiența unui motor Carnot ideal.

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

Un încălzitor este un rezervor de căldură (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, putem nota că cantitatea de căldură Q căldură primită de la încălzitor, cantitatea de căldură | Q rece | dat la frigider, iar munca efectuată de corpul de lucru A sunt legate prin raportul:

A = Q sarcina - | 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. Ei folosesc aerul atmosferic sau apa din surse naturale ca frigider.

Eficiența motorului termic (mașină)

Coeficientul de randament al motorului termic (Eficienţă) raportul dintre munca efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor se numește:

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 o plată 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 cu putere mecanică a motorului Nși în viteză. În acest caz, ținând cont de densitatea r a combustibilului, este posibil să scrieți formula 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 în detrimentul unei surse de căldură, adică. fara frigider. Oceanele i-ar putea servi, practic, o sursă 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): un proces în care căldura ar trece spontan de la corpuri mai puțin încălzite la corpuri mai încălzite este imposibil.

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

Formularea lui Clausius(1865): toate procesele spontane dintr-un sistem închis de echilibru au loc într-o direcție în care crește entropia sistemului; 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 se oferă un model al 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 trecere de la un proces termodinamic la altul.

Ciclul Carnot. Eficiența unui motor termic ideal

Cea mai mare eficiență la anumite temperaturi ale încălzitorului T căldură și frigider T frigul are un motor termic, unde 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, prin urmare poate fi calculat folosind relațiile termodinamice pentru un gaz ideal:

Consecințele asupra mediului ale funcționării motorului termic

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

1. Efectul de seră este o creștere a concentrației de dioxid de carbon (produs de ardere în încălzitoarele motoarelor termice) în atmosferă. Dioxidul de carbon transmite radiații vizibile și ultraviolete de la Soare, dar absoarbe radiația infraroșie care călătorește în spațiu de pe Pământ. Acest lucru duce la o creștere a temperaturii atmosferei inferioare, la creșterea vântului de uragan și la topirea globală a gheții.
2. Influența directă a gazelor de eșapament toxice asupra vieții sălbatice (agenți cancerigeni, smog, ploi acide din subprodușii arderii).
3. Epuizarea stratului de ozon în timpul zborurilor aeronavelor și al lansărilor de rachete. Ozonul din atmosfera superioară protejează toată viața de pe Pământ de excesul de radiații ultraviolete de la Soare.

Ieșirea din criza de mediu 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 (panouri solare și încălzitoare) și mijloace alternative de transport (biciclete etc.).

Realitățile moderne implică utilizarea 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.

Problemele tehnologiei de fabricare a acumulatorilor de energie electrică, ținând cont de utilizarea lor pe termen lung, sunt încă urgente. Caracteristicile de viteză ale vehiculelor electrice sunt departe de cele ale mașinilor propulsate de motoare cu ardere internă.

Primii pași în crearea motoarelor hibride pot reduce semnificativ emisiile nocive în mega-orașe, 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 - eolipil. Sfera, plină cu vapori, a intrat în rotație 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 amuzantă. 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.

Mașină de încălzire

Conversia combustibilului în energie de mișcare a pieselor 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 astfel încât fluidul de lucru să acumuleze o cantitate suficientă de energie internă pentru muncă utilă. Frigiderul elimină excesul de energie.

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

Calculul randamentului

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

Pe baza definiției, calculăm valoarea eficienței:

η = A / Q 1. Să luăm în considerare faptul că A = Q 1 - Q 2.

Prin urmare, 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 furnizate frigiderului;
• creșterea energiei încălzitorului se realizează prin modificarea calității combustibilului;
• reducerea energiei date frigiderului vă permite să atingeți caracteristicile 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 un răspuns la această întrebare. În 1824, au fost publicate calculele sale teoretice privind procesele care au loc în gaze.

Ideea principală din spatele unei mașini ideale este de a efectua procese reversibile cu un gaz ideal. Începem prin a extinde gazul izotermic 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 energie Q 2 la frigider. Revenirea gazului la starea inițială se realizează adiabatic.

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 are forma: η = 1 - T 2 / T 1, depinde numai de valorile temperaturilor încălzitorului și răcitorului și nu poate fi mai mare de 100%.

Mai mult, acest raport face posibil să se demonstreze 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 Karnot fac posibilă determinarea eficienței maxime a unui motor termic de orice proiect.

Teorema demonstrată de Carnot sună după cum urmează. Un motor termic arbitrar nu este în niciun caz capabil să aibă o eficiență mai mare decât cea a 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 = 800 о С = 1073 K, ∆T = 500 о С = 500 K, η -?

Prin definiție: η = (T 1 - T 2) / T 1.

Nu ni se dă temperatura frigiderului, ci ∆T = (T 1 - T 2), deci:

η = ∆T / T 1 = 500 K / 1073 K = 0,46.

Raspuns: eficienta = 46%.

Exemplul 2. Determinați eficiența unui motor termic ideal dacă se efectuează o muncă utilă de 650 J datorită energiei de încălzire achiziționate de un kilojoule.Care este temperatura încălzitorului motorului termic dacă temperatura răcitorului este de 400 K?

Q1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η -?, T1 =?

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

După efectuarea transformărilor matematice, obținem:

T1 = T2/(1- η).

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

Să calculăm:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

Răspuns: η = 65%, T 1 = 1142,8 K.

Conditii reale

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

De fapt, este imposibil să se creeze condiții pentru procesul de schimbare a stării gazului fără schimbările de temperatură însoțitoare. Nu există materiale care să excludă schimbul de căldură cu obiectele din jur. Devine imposibil să se realizeze procesul adiabatic. În cazul schimbului de căldură, temperatura gazului trebuie neapărat să se modifice.

Eficiența motoarelor termice create în condiții reale diferă semnificativ de eficiența motoarelor ideale. Rețineți că cursul proceselor în motoarele reale are loc atât de repede încât variația energiei termice interne a substanței de lucru în procesul de modificare a volumului acesteia nu poate fi compensată de afluxul cantității de căldură din încălzitor și revenirea la frigider.

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, isochore, adiabat;
• procesul, care are loc la presiune constantă, este înlocuit cu unul adiabatic și închide ciclul.

Nu este posibil să se creeze procese de echilibru în motoarele reale (pentru a le apropia de cele ideale) în condițiile tehnologiei moderne. Eficiența mașinilor termice este mult mai scăzută, chiar și ținând cont de aceleași condiții de temperatură ca într-o instalație termică ideală.

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

Modalități de a schimba eficiența

Comparând motoarele termice ideale și reale, este de remarcat faptul că temperatura frigiderului acestuia din urmă nu poate fi niciuna. De obicei, atmosfera este considerată a fi un frigider. Este posibil să se accepte temperatura atmosferei 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 (pe scurt ICE).

ICE este cel mai răspândit motor termic din lumea noastră. Eficiența motorului termic în acest caz depinde de temperatura creată de combustibilul de ardere. O diferență semnificativă între motorul cu ardere internă și motoarele cu abur este fuziunea funcțiilor încălzitorului și a mediului de lucru al dispozitivului în amestecul aer-combustibil. Arzând, amestecul creează presiune asupra pieselor mobile ale motorului.

Se atinge o creștere a temperaturii gazelor de lucru, modificând semnificativ proprietățile combustibilului. Din păcate, este imposibil să faci asta la infinit. Orice material din care este realizată camera de ardere a motorului 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.

Valorile de randament ale motoarelor

Dacă luăm în considerare temperatura aburului de lucru la intrarea căruia este de 800 K, iar temperatura gazelor de eșapament este de 300 K, atunci eficiența acestei mașini este de 62%. În realitate însă, această valoare nu depășește 40%. O astfel de scădere apare din cauza pierderilor de căldură atunci când carcasa turbinei este încălzită.

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.

Munca efectuată de motor este egală cu:

Pentru prima dată acest proces a fost luat în considerare de inginerul și omul de știință francez N. LS Carnot în 1824 în cartea „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță”.

Scopul cercetării lui Carnot a fost acela de a afla motivele imperfecțiunii motoarelor termice din acea vreme (aveau o eficiență ≤ 5%) și de a căuta modalități de îmbunătățire a acestora.

Ciclul Carnot este cel mai eficient posibil. Eficiența sa este maximă.

Figura prezintă procesele termodinamice ale ciclului. În procesul de dilatare izotermă (1-2) la o temperatură T 1 , munca se realizează prin modificarea energiei interne a încălzitorului, adică prin furnizarea cantității de căldură gazului Q:

A 12 = Q 1 ,

Răcirea gazului înainte de comprimare (3-4) are loc în timpul expansiunii adiabatice (2-3). Schimbarea energiei interne ΔU 23 în procesul adiabatic ( Q = 0) este complet transformată în lucru mecanic:

A 23 = -ΔU 23 ,

Temperatura gazului ca urmare a expansiunii adiabatice (2-3) scade la temperatura frigiderului T 2 < T 1 ... În procesul (3-4), gazul este comprimat izotermic, transferând cantitatea de căldură la frigider Î 2:

A 34 = Q 2,

Ciclul se încheie cu procesul de compresie adiabatică (4-1), în care gazul este încălzit la o temperatură T 1.

Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice care funcționează pe gaz ideal, conform ciclului Carnot:

.

Esența formulei este exprimată în dovedit CU... Teorema lui Carnot conform căreia randamentul oricărui motor termic nu poate depăși eficiența ciclului Carnot efectuat la aceeași temperatură a încălzitorului și a frigiderului.

Sarcina 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 a efectuat gazul un lucru pozitiv în timpul ciclului?

Sarcina 15.1.3. Un gaz ideal, după ce a finalizat un proces ciclic, a revenit la starea inițială. Cantitatea totală de căldură primită de gaz în timpul întregului proces (diferența dintre cantitatea de căldură primită de la încălzitor și cantitatea de căldură dată frigiderului) este egală cu. Ce muncă a făcut gazul în timpul ciclului?

Sarcina 15.1.5. Figura prezintă un grafic al procesului ciclic care are loc cu gazul. Parametrii procesului sunt prezentați în grafic. Ce fel de muncă efectuează gazul în timpul acestui proces ciclic?

Sarcina 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. Ce muncă a făcut gazul în timpul ciclului?

Sarcina 15.1.7. Eficiența motorului termic arată

Sarcina 15.1.8.În timpul ciclului, motorul termic primește cantitatea de căldură de la încălzitor și dă cantitatea de căldură frigiderului. Care este formula pentru determinarea randamentului motorului?

Sarcina 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 eficiența motorului termic ideal rezultat?