6.3. Druhý zákon termodynamiky
6.3.1. Součinitel užitečná akce tepelné motory. Carnotův cyklus
Druhý termodynamický zákon vzešel z rozboru činnosti tepelných strojů (strojů). V Kelvinově formulaci to vypadá takto: je nemožný kruhový proces, jehož jediným výsledkem je přeměna tepla přijatého z ohřívače na jemu ekvivalentní práci.
Schéma činnosti tepelného motoru ( tepelný motor) je znázorněn na Obr. 6.3.
Rýže. 6.3
Cyklus tepelného motoru se skládá ze tří fází:
1) ohřívač předává množství tepla Q 1 plynu;
2) expandující plyn vykonává práci A;
3) pro navrácení plynu do původního stavu se teplo Q 2 předá do chladničky.
Z prvního zákona termodynamiky pro cyklický děj
Q=A
kde Q je množství tepla přijatého plynem za cyklus, Q \u003d Q 1 - Q 2; Q 1 - množství tepla přeneseného do plynu z ohřívače; Q 2 - množství tepla odevzdávaného plynem do chladničky.
Proto je pro ideální tepelný stroj rovnost
Q 1 − Q 2 = A.
Při ztrátě energie (v důsledku tření a jejího rozptylu v životní prostředí) chybí při provozu tepelných strojů, zákon zachování energie
Q 1 \u003d A + Q 2,
kde Q 1 je teplo přenesené z ohřívače do pracovní tekutiny (plynu); A je práce vykonaná plynem; Q 2 je teplo přenášené plynem do chladničky.
Účinnost tepelný motor se vypočítá podle jednoho ze vzorců:
η = A Q 1 ⋅ 100 % , η = Q 1 − Q 2 Q 1 ⋅ 100 % , η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100 % ,
kde A je práce vykonaná plynem; Q 1 - teplo přenesené z ohřívače do pracovní tekutiny (plynu); Q 2 je teplo přenášené plynem do chladničky.
Nejčastěji používaným v tepelných motorech je Carnotův cyklus, protože je nejekonomičtější.
Carnotův cyklus se skládá ze dvou izoterm a dvou adiabatů znázorněných na obr. 6.4.
Rýže. 6.4
Sekce 1–2 odpovídá kontaktu pracovní látky (plynu) s ohřívačem. V tomto případě ohřívač předává teplo Q 1 plynu a při teplotě ohřívače T 1 dochází k izotermické expanzi plynu. plyn zavazuje pozitivní práce(A 12 > 0), jeho vnitřní energie se nemění (∆U 12 = 0).
Segment 2–3 odpovídá adiabatické expanzi plynu. Současně dochází k výměně tepla s vnější prostředí nedojde, kladná práce vykonaná A 23 vede ke snížení vnitřní energie plynu: ∆U 23 = −A 23, plyn se ochladí na teplotu chladničky T 2 .
Sekce 3–4 odpovídá kontaktu pracovní látky (plynu) s chladičem. V tomto případě je do chladničky dodáváno teplo Q 2 z plynu a při teplotě chladničky T 2 dochází k izotermické kompresi plynu. Plyn dělá negativní práci (A 34< 0), его внутренняя энергия не изменяется (∆U 34 = 0).
Segment 4–1 odpovídá adiabatické kompresi plynu. V tomto případě nedochází k výměně tepla s vnějším prostředím, provedená negativní práce A 41 vede ke zvýšení vnitřní energie plynu: ∆U 41 = −A 41, plyn se ohřeje na teplotu ohřívače. T 1, tj. vrátí do původního stavu.
Účinnost tepelného motoru pracujícího podle Carnotova cyklu se vypočítá pomocí jednoho ze vzorců:
η = T 1 − T 2 T 1 ⋅ 100 % , η = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100 % ,
kde T1 - teplota ohřívače; T 2 - teplota chladničky.
Příklad 9. Ideální tepelný motor vykoná na cyklus práci 400 J. Kolik tepla se předá chladničce, je-li účinnost stroje 40 %?
Řešení . Účinnost tepelného motoru je určena vzorcem
η = A Q 1 ⋅ 100 % ,
kde A je práce vykonaná plynem za cyklus; Q 1 - množství tepla, které se předá z ohřívače pracovní kapalině (plynu).
Požadovaná hodnota je množství tepla Q 2 přeneseného z pracovní tekutiny (plynu) do chladničky, které není zahrnuto v psaném vzorci.
Vztah mezi prací A, teplem Q 1 přeneseným z ohřívače do plynu a požadovanou hodnotou Q 2 je stanoven pomocí zákona zachování energie pro ideální tepelný motor.
Q 1 \u003d A + Q 2.
Rovnice tvoří systém
η = A Q 1 ⋅ 100 % , Q 1 = A + Q 2 , )
který je potřeba vyřešit s ohledem na Q 2 .
Abychom toho dosáhli, vyjmeme ze systému Q 1 , vyjádříme z každé rovnice
Q 1 \u003d A η ⋅ 100 %, Q 1 \u003d A + Q 2)
a zapsání rovnosti správných částí výsledných výrazů:
A η ⋅ 100 % = A + Q2.
Požadovaná hodnota je určena rovností
Q 2 \u003d A η ⋅ 100 % - A \u003d A (100 % η - 1) .
Výpočet dává hodnotu:
Q 2 \u003d 400 ⋅ (100 % 40 % - 1) \u003d 600 J.
Množství tepla přeneseného za cyklus z plynu do chladničky ideálního tepelného motoru je 600 J.
Příklad 10. V ideálním tepelném motoru se z ohřívače do plynu přivádí 122 kJ/min a z plynu se přenese do chladničky 30,5 kJ/min. Vypočítejte účinnost tohoto ideálního tepelného motoru.
Řešení . Pro výpočet účinnosti použijeme vzorec
η = (1 − Q 2 Q 1) ⋅ 100 % ,
kde Q 2 - množství tepla, které se předá za cyklus z plynu do chladničky; Q 1 - množství tepla, které se předá za cyklus z ohřívače pracovní kapalině (plynu).
Transformujme vzorec vydělením čitatele a jmenovatele zlomku časem t:
η = (1 − Q 2 / t Q 1 / t) ⋅ 100 % ,
kde Q 2 /t je rychlost přenosu tepla z plynu do chladničky (množství tepla, které je předáno plynem do chladničky za sekundu); Q 1 /t - rychlost přenosu tepla z ohřívače do pracovní tekutiny (množství tepla, které se předá z ohřívače do plynu za sekundu).
Ve stavu problému se rychlost přenosu tepla udává v joulech za minutu; převést na jouly za sekundu:
- z plynového ohřívače -
Q 1 t \u003d 122 kJ / min \u003d 122 ⋅ 10 3 60 J / s;
- z plynu do lednice -
Q 2 t \u003d 30,5 kJ/min \u003d 30,5 ⋅ 10 3 60 J/s.
Vypočítejte účinnost tohoto ideálního tepelného motoru:
η = (1 − 30,5 ⋅ 10 3 60 ⋅ 60 122 ⋅ 10 3) ⋅ 100 % = 75 %.
Příklad 11. Účinnost tepelného motoru pracujícího podle Carnotova cyklu je 25 %. Kolikrát se zvýší účinnost, pokud se teplota ohřívače zvýší a teplota chladničky se sníží o 20 %?
Řešení . Účinnost ideálního tepelného motoru pracujícího podle Carnotova cyklu se určuje podle následujících vzorců:
- před změnou teploty ohřívače a chladničky -
η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100 % ,
kde Ti je počáteční teplota ohřívače; T 2 - počáteční teplota chladničky;
- po změně teploty ohřívače a chladničky -
η 2 = (1 − T ′ 2 T ′ 1) ⋅ 100 % ,
kde T' 1 - nová teplota ohřívač, T'1 = 1,2 T1; T ′ 2 - nová teplota chladničky, T 2 = 0,8 T 2 .
Rovnice pro faktory účinnosti tvoří systém
η 1 = (1 − T 2 T 1) ⋅ 100 % , η 2 = (1 − 0,8 T 2 1,2 T 1) ⋅ 100 % , )
který je potřeba řešit s ohledem na η 2 .
Z první rovnice soustavy s přihlédnutím k hodnotě η 1 = 25 % zjistíme teplotní poměr
T 2 T 1 \u003d 1 – η 1 100 % \u003d 1 – 25 % 100 % \u003d 0,75
a dosadit do druhé rovnice
η 2 \u003d (1 - 0,8 1,2 ⋅ 0,75) ⋅ 100 % \u003d 50 %.
Požadovaný poměr účinnosti se rovná:
η 2 η 1 \u003d 50 % 25 % \u003d 2,0.
V důsledku toho indikovaná změna teplot ohřívače a chladničky tepelného motoru povede ke zvýšení faktoru účinnosti o faktor 2.
Moderní realita zahrnuje rozšířený provoz tepelných motorů. Četné pokusy o jejich nahrazení elektromotory zatím selhaly. Problémy spojené s akumulací el autonomní systémy se řeší s velkými obtížemi.
Stále aktuální jsou problémy technologie výroby akumulátorů elektrické energie s ohledem na jejich dlouhodobé používání. Rychlostní vlastnosti elektrická vozidla jsou daleko od automobilů s motory s vnitřním spalováním.
První kroky k vytvoření hybridní motory může výrazně snížit škodlivé emise v megaměstech, řešení ekologických problémů.
Trocha historie
Možnost přeměny energie páry na energii pohybu byla známa již ve starověku. 130 př. n. l.: Filozof Heron Alexandrijský představil publiku parní hračku - aeolipila. Koule naplněná párou se začala otáčet působením trysek, které z ní vycházely. Tento prototyp moderních parních turbín nenašel v tehdejší době uplatnění.
Po mnoho let a staletí byl vývoj filozofa považován pouze za zábavnou hračku. V roce 1629 vytvořil Ital D. Branchi aktivní turbínu. Pára uvedla do pohybu kotouč vybavený lopatkami.
Od tohoto okamžiku začal prudký rozvoj parní stroje.
tepelný motor
Přeměna paliva na energii pro pohyb částí strojů a mechanismů se využívá u tepelných motorů.
Hlavní části strojů: ohřívač (externí napájecí systém), pracovní orgán(provede užitečnou akci), lednice.
Ohřívač je navržen tak, aby zajistil, že pracovní tekutina nashromáždí dostatečnou zásobu vnitřní energie pro výkon užitečné práce. Chladnička odebírá přebytečnou energii.
Hlavní charakteristika účinnosti se nazývá účinnost tepelných motorů. Tato hodnota ukazuje, jaká část energie vynaložené na vytápění je vynaložena na užitečnou práci. Čím vyšší je účinnost, tím výnosnější práci stroj, ale tato hodnota nesmí překročit 100 %.
Výpočet účinnosti
Nechte ohřívač získat zvenčí energii rovnou Q 1 . Pracovní tekutina pracovala A, zatímco energie dodávaná do chladničky byla Q2.
Na základě definice vypočítáme účinnost:
η= A/Qi. Bereme v úvahu, že A \u003d Q 1 - Q 2.
Odtud nám účinnost tepelného motoru, jehož vzorec má tvar η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, umožňuje vyvodit následující závěry:
- Účinnost nesmí překročit 1 (nebo 100 %);
- pro maximalizaci této hodnoty je nutné buď zvýšení energie přijímané z ohřívače, nebo snížení energie dodávané do chladničky;
- zvýšení energie ohřívače je dosaženo změnou kvality paliva;
- snížení energie dané do chladničky, vám umožní dosáhnout Designové vlastnosti motory.
Ideální tepelný motor
Je možné vytvořit takový motor, jehož účinnost by byla maximální (v ideálním případě rovna 100 %)? Na tuto otázku se pokusil najít odpověď francouzský teoretický fyzik a talentovaný inženýr Sadi Carnot. V roce 1824 byly zveřejněny jeho teoretické výpočty o procesech probíhajících v plynech.
Hlavní myšlenka za dokonalé auto, můžeme uvažovat o provádění vratných procesů s ideálním plynem. S expanzí plynu začínáme izotermicky při teplotě T 1 . Potřebné množství tepla je Q 1. Po expanzi plynu bez výměny tepla se plyn po dosažení teploty T 2 izotermicky stlačuje a přenáší energii Q 2 do chladničky. Návrat plynu do původního stavu je adiabatický.
Ideální účinnost Carnotův tepelný motor, když je přesně vypočítán, se rovná poměru teplotního rozdílu mezi topnými a chladicími zařízeními k teplotě, kterou má ohřívač. Vypadá to takto: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Možná účinnost tepelného motoru, jehož vzorec je: η= 1 - T 2 / T 1, závisí pouze na teplotě ohřívače a chladiče a nemůže být větší než 100 %.
Navíc nám tento poměr umožňuje dokázat, že účinnost tepelných motorů se může rovnat jednotce pouze tehdy, když chladnička dosáhne teplot. Jak víte, tato hodnota je nedosažitelná.
Carnotovy teoretické výpočty umožňují určit maximální účinnost tepelný motor libovolné konstrukce.
Carnotova věta je následující. Libovolný tepelný stroj za žádných okolností nemůže mít koeficient účinnosti větší, než je obdobná hodnota účinnosti ideálního tepelného motoru.
Příklad řešení problému
Příklad 1 Jaká je účinnost ideálního tepelného motoru, je-li teplota ohřívače 800 °C a teplota chladničky o 500 °C nižší?
T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -?
Podle definice: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Není nám dána teplota chladničky, ale ∆T = (T 1 - T 2), odtud:
η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.
Odpověď: účinnost = 46 %.
Příklad 2 Určete účinnost ideálního tepelného motoru, jestliže díky získanému jednomu kilojoule energie topení, užitečná práce 650 J. Jaká je teplota topení tepelného motoru, je-li teplota chladicí kapaliny 400 K?
Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T2 \u003d 400 K, η -?, T1 \u003d?
V tomto problému mluvíme o tepelné instalaci, jejíž účinnost lze vypočítat podle vzorce:
Pro určení teploty ohřívače používáme vzorec pro účinnost ideálního tepelného motoru:
η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.
Po provedení matematických transformací dostaneme:
Ti \u003d T2/ (1- η).
T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).
Pojďme spočítat:
n= 650 J / 1000 J = 0,65.
T 1 \u003d 400 K / (1-650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.
Odpověď: η \u003d 65 %, T1 \u003d 1142,8 K.
Reálné podmínky
Ideální tepelný stroj je navržen s ohledem na ideální procesy. Práce je vykonávána pouze v izotermických procesech, její hodnota je definována jako plocha ohraničená grafem Carnotova cyklu.
Ve skutečnosti je nemožné vytvořit podmínky pro proces změny skupenství plynu bez doprovodných změn teploty. Neexistují žádné materiály, které by vylučovaly výměnu tepla s okolními předměty. Adiabatický proces již není možný. V případě přenosu tepla se musí nutně změnit teplota plynu.
Účinnost tepelných strojů vytvořených v reálných podmínkách se výrazně liší od účinnosti ideální motory. Všimněte si, že procesy v skutečné motory dochází tak rychle, že změny vnitřní tepelné energie pracovní látky v procesu změny jejího objemu nemohou být kompenzovány přílivem tepla z ohřívače a návratem do chladiče.
Jiné tepelné motory
Skutečné motory pracují v různých cyklech:
- Ottov cyklus: proces se při konstantním objemu adiabaticky mění a vytváří uzavřený cyklus;
- Dieselový cyklus: izobara, adiabata, izochor, adiabata;
- proces probíhající při konstantním tlaku je nahrazen adiabatickým, čímž se cyklus uzavírá.
Vytvořte rovnovážné procesy v reálných motorech (aby se přiblížily těm ideálním) za podmínek moderní technologie se nezdá možné. Účinnost tepelných motorů je mnohem nižší, i když je vezmeme v úvahu teplotní podmínky, jako v ideální tepelné instalaci.
Neměli byste však snižovat roli vzorce pro výpočet účinnosti, protože se stává výchozím bodem v procesu práce na zvýšení účinnosti skutečných motorů.
Způsoby, jak změnit efektivitu
Při porovnávání ideálních a skutečných tepelných motorů stojí za zmínku, že teplota chladničky druhého nemůže být žádná. Obvykle je atmosféra považována za ledničku. Teplotu atmosféry lze brát pouze přibližnými výpočty. Praxe ukazuje, že teplota chladicí kapaliny se rovná teplotě výfukových plynů v motorech, jako je tomu u spalovacích motorů (zkráceně spalovací motory).
ICE je nejběžnějším tepelným motorem v našem světě. Účinnost tepelného motoru v tomto případě závisí na teplotě vytvářené hořícím palivem. Podstatný rozdíl ICE z parních strojů je fúzí funkcí ohřívače a pracovní tekutiny zařízení do směs vzduch-palivo. Spálením směs vytváří tlak na pohyblivé části motoru.
Zvýšení teploty pracovních plynů se dosahuje výraznou změnou vlastností paliva. Bohužel to nejde dělat donekonečna. Jakýkoli materiál, ze kterého je vyrobena spalovací komora motoru, má svůj vlastní bod tání. Tepelná odolnost takových materiálů je hlavní charakteristikou motoru, stejně jako schopnost výrazně ovlivnit účinnost.
Hodnoty účinnosti motoru
Uvažujeme-li teplotu pracovní páry, na jejímž vstupu je 800 K a výfukových plynů 300 K, je účinnost tohoto stroje 62 %. Ve skutečnosti tato hodnota nepřesahuje 40 %. K takovému poklesu dochází v důsledku tepelných ztrát při ohřevu skříně turbíny.
Nejvyšší hodnota vnitřního spalování nepřesahuje 44 %. Zvýšení této hodnoty je otázkou blízké budoucnosti. Změna vlastností materiálů, paliv je problém, na kterém se pracuje nejlepší mysli lidstvo.
Problém 15.1.1. Obrázky 1, 2 a 3 ukazují grafy tří cyklických procesů, které probíhají s ideálním plynem. Ve kterém z těchto procesů vykonal plyn pozitivní práci za cyklus? 
Problém 15.1.3. Ideální plyn se po dokončení nějakého cyklického procesu vrátil do původního stavu. Celkové množství tepla přijatého plynem během celého procesu (rozdíl mezi množstvím tepla přijatého z ohřívače a odevzdaného do chladničky) se rovná . Jakou práci vykoná plyn během cyklu?
Problém 15.1.5. 
Obrázek ukazuje graf cyklického procesu, ke kterému dochází s plynem. Parametry procesu jsou zobrazeny v grafu. Jakou práci vykonává plyn během tohoto cyklického procesu?
|
|
|
|
|
|
Problém 15.1.6. 
Ideální plyn provádí cyklický proces, graf v souřadnicích je na obrázku. Je známo, že proces 2–3 je izochorický, v procesech 1–2 a 3–1 plyn fungoval, resp. Jakou práci vykoná plyn během cyklu?
Problém 15.1.7. Ukazuje se účinnost tepelného motoru
Problém 15.1.8. Během cyklu tepelný motor přijímá množství tepla z ohřívače a předává množství tepla do chladničky. Jaký je vzorec pro určení účinnosti motoru?
Problém 15.1.10.Účinnost ideálního tepelného motoru pracujícího podle Carnotova cyklu je 50 %. Teplota ohřívače je dvojnásobná, teplota chladničky se nemění. Jaká bude účinnost výsledného ideálního tepelného motoru?
|
|
|
|
|
V teoretickém modelu tepelného motoru jsou uvažována tři tělesa: ohřívač, pracovní orgán A lednička.
Ohřívač - tepelný zásobník (velké těleso), jehož teplota je konstantní.
V každém cyklu provozu motoru přijímá pracovní tekutina určité množství tepla z ohřívače, expanduje a vykonává mechanickou práci. Přenos části přijaté energie z ohřívače do chladničky je nutný k navrácení pracovní tekutiny do původního stavu.
Vzhledem k tomu, že model předpokládá, že teplota ohřívače a chladničky se během provozu tepelného motoru nemění, pak se na konci cyklu: ohřev-expanze-chlazení-stlačení pracovní tekutiny má za to, že se stroj vrátí zpět do původního stavu.
Pro každý cyklus můžeme na základě prvního termodynamického zákona napsat, že množství tepla Q zatížení přijaté z ohřívače, množství tepla | Q cool |, daný do chladničky, a práce vykonaná pracovním orgánem A spolu souvisí:
A = Q zatížení – | Q studený|.
Ve skutečnosti technická zařízení, kterým se říká tepelné motory, je pracovní tekutina ohřívána teplem uvolněným při spalování paliva. Ano, v parní turbína topeniště elektrárny je topeniště se žhavým uhlím. Ve spalovacím motoru (ICE) lze produkty spalování považovat za topidlo a přebytečný vzduch za pracovní tekutinu. Jako ledničku využívají vzduch z atmosféry nebo vodu z přírodních zdrojů.
Účinnost tepelného motoru (stroje)
Účinnost tepelného motoru (účinnost) je poměr práce vykonané motorem k množství tepla přijatého z ohřívače:
Účinnost jakéhokoli tepelného motoru je menší než jedna a vyjadřuje se v procentech. Nemožnost přeměnit celé množství tepla přijatého z ohřívače na mechanickou práci je cenou za nutnost organizovat cyklický proces a vyplývá z druhého termodynamického zákona.
U skutečných tepelných motorů je účinnost stanovena experimentálně mechanická síla N motoru a množství paliva spáleného za jednotku času. Pokud tedy včas t hromadně spálené palivo m a specifické spalné teplo q, Že
Pro Vozidlo referenční charakteristikou je často objem PROTI palivo spálené na cestě s při mechanickém výkonu motoru N a v rychlosti. V tomto případě, vezmeme-li v úvahu hustotu r paliva, můžeme napsat vzorec pro výpočet účinnosti:
Druhý zákon termodynamiky
Existuje několik formulací druhý termodynamický zákon. Jeden z nich říká, že je nemožný tepelný stroj, který by dělal práci jen díky zdroji tepla, tzn. bez lednice. Světový oceán by jí mohl sloužit jako prakticky nevyčerpatelný zdroj vnitřní energie (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).
Jiné formulace druhého termodynamického zákona jsou ekvivalentní tomuto.
Clausiova formulace(1850): je nemožný proces, při kterém by se teplo samovolně předávalo z méně zahřátých těles na více zahřátá tělesa.
Thomsonova formulace(1851): je nemožný kruhový proces, jehož jediným výsledkem by byla produkce práce snížením vnitřní energie tepelného zásobníku.
Clausiova formulace(1865): všechny samovolné procesy v uzavřeném nerovnovážném systému probíhají v takovém směru, ve kterém roste entropie systému; ve stavu tepelné rovnováhy je maximální a konstantní.
Boltzmannova formulace(1877): uzavřený systém mnoha částic spontánně přechází z více uspořádaného stavu do méně uspořádaného. Samovolný odchod systému z rovnovážné polohy je nemožný. Boltzmann zavedl kvantitativní míru neuspořádanosti v systému skládajícím se z mnoha těles - entropie.
Účinnost tepelného motoru s ideálním plynem jako pracovní kapalinou
Pokud je uveden model pracovní tekutiny v tepelném motoru (např. ideální plyn), pak můžeme vypočítat změnu termodynamické parametry pracovní kapalina při expanzi a kontrakci. To vám umožní vypočítat tepelná účinnost motor založený na zákonech termodynamiky.
Na obrázku jsou znázorněny cykly, pro které lze vypočítat účinnost, pokud je pracovní tekutinou ideální plyn a parametry jsou nastaveny v bodech přechodu jednoho termodynamického procesu na druhý.
|
|
Izobarický-izochorický |
|
Izochoricko-adiabatické |
|
Izobaricko-adiabatické |
|
Izobarická-izochorická-izotermická |
|
|
Izobaricko-izochoricky-lineární |
Carnotův cyklus. Účinnost ideálního tepelného motoru
Nejvyšší účinnost při daných teplotách ohřívače T topení a lednice T chlad má tepelný motor, kde se pracovní tekutina rozšiřuje a smršťuje Carnotův cyklus(obr. 2), jehož graf tvoří dvě izotermy (2–3 a 4–1) a dva adiabaty (3–4 a 1–2).
Carnotova věta dokazuje, že účinnost takového motoru nezávisí na použité pracovní tekutině, takže ji lze vypočítat pomocí termodynamických vztahů pro ideální plyn:
Environmentální důsledky tepelných motorů
Intenzivní využívání tepelných motorů v dopravě a energetice (tepelné a jaderné elektrárny) výrazně ovlivňuje biosféru Země. Přestože existují vědecké spory o mechanismech vlivu lidské činnosti na klima Země, mnoho vědců poukazuje na faktory, díky nimž může k takovému vlivu dojít:
- Skleníkový efekt– zvýšení koncentrace oxidu uhličitého (produkt spalování v ohřívačích tepelných strojů) v atmosféře. Oxid uhličitý propouští viditelné a ultrafialové záření ze Slunce, ale absorbuje infračervené záření ze Země. To vede ke zvýšení teploty spodních vrstev atmosféry, nárůstu hurikánových větrů a globálnímu tání ledu.
- Přímý vliv jedovatých výfukové plyny na divokou zvěř (karcinogeny, smog, kyselé deště z vedlejší produkty spalování).
- Ničení ozónové vrstvy během letů letadel a startů raket. Ozon horní atmosféry chrání veškerý život na Zemi před přebytečným ultrafialovým zářením ze Slunce.
Cesta z nastupující ekologické krize spočívá ve zvyšování účinnosti tepelných strojů (účinnost moderních tepelných motorů zřídka přesahuje 30 %); použití provozuschopné motory a neutralizátory škodlivých výfukových plynů; použití alternativní zdroje energie ( solární panely a ohřívače) a alternativní dopravní prostředky (jízdní kola atd.).
tepelný motor- motor, ve kterém se vnitřní energie paliva, které hoří, přeměňuje na mechanickou práci.
Každý tepelný motor se skládá ze tří hlavních částí: ohřívač, pracovní orgán(plyn, kapalina atd.) a lednička. Činnost motoru je založena na cyklickém procesu (jedná se o proces, při kterém se systém vrací do původního stavu).
Carnotův cyklus
U tepelných motorů se snaží dosáhnout co nejúplnější přeměny tepelné energie na mechanickou energii. Maximální účinnost.
Obrázek ukazuje cykly používané v benzínovém karburátorovém motoru a v dieselový motor. V obou případech je pracovní tekutinou směs benzínových par popř nafta se vzduchem. Cyklus karburátorového spalovacího motoru se skládá ze dvou izochór (1–2, 3–4) a dvou adiabat (2–3, 4–1). Dieselový spalovací motor pracuje v cyklu sestávajícím ze dvou adiabatů (1–2, 3–4), jedné izobary (2–3) a jedné izochory (4–1). Skutečná účinnost pro karburátorový motor je asi 30%, pro dieselový motor - asi 40%.
Francouzský fyzik S. Carnot vyvinul práci ideálního tepelného motoru. Pracovní část Carnotova motoru si lze představit jako píst ve válci naplněném plynem. Od Carnotova motoru - stroj je čistě teoretický, tedy ideální třecí síly mezi pístem a válcem a tepelné ztráty se považují za nulové. mechanická práce je maximální, pokud pracovní tekutina provádí cyklus sestávající ze dvou izoterm a dvou adiabatů. Tento cyklus se nazývá Carnotův cyklus.
sekce 1-2: plyn přijímá množství tepla Q 1 z ohřívače a izotermicky expanduje při teplotě T 1
sekce 2-3: plyn expanduje adiabaticky, teplota klesá na teplotu chladničky T 2
sekce 3-4: plyn je exotermicky stlačován, zatímco chladničce dodává množství tepla Q 2
sekce 4-1: plyn je stlačován adiabaticky, dokud jeho teplota nevystoupí na T 1 .
Práce vykonaná pracovním orgánem je plocha výsledného čísla 1234.
Takový motor funguje následovně:
1. Nejprve se válec dostane do kontaktu s horkým zásobníkem a ideální plyn expanduje při konstantní teplotě. Během této fáze přijímá plyn určité teplo z horkého zásobníku.
2. Láhev je poté obklopena dokonalou tepelnou izolací, čímž se zachová množství tepla dostupného plynu a plyn pokračuje v expanzi, dokud jeho teplota neklesne na teplotu studeného tepelného zásobníku.
3. Ve třetí fázi se odstraní tepelná izolace a plyn ve válci, který je v kontaktu se zásobníkem chladu, se stlačí, přičemž část tepla odevzdá zásobníku chladu.
4. Když komprese dosáhne určitého bodu, válec je opět obklopen tepelnou izolací a plyn je stlačován zvednutím pístu, dokud se jeho teplota nevyrovná teplotě horkého zásobníku. Poté se tepelná izolace odstraní a cyklus se opakuje znovu od první fáze.
