Nezbytné podmínky pro provoz tepelných strojů

Vznik a rozvoj termodynamiky byl způsoben především potřebou popsat práci a vypočítat parametry tepelné stroje . tepelné stroje, nebo tepelné motory, jsou určeny k získání technické (užitečné) práce v důsledku tepla uvolněného v důsledku chemických reakcí (spalování paliva), jaderných reakcí nebo z jiných důvodů, jako je ohřev solární energií.

Z uvážení základních principů činnosti tepelných strojů bez ohledu na jejich konstrukci vyplývá, že nepřetržitá přeměna tepelné energie na mechanická práce provedeno v nich s pomocí pomocné těleso , nazývané v termodynamice pracovní orgán . Jak již bylo uvedeno dříve, nejvhodnější jako pracovní orgány v jejich fyzikální vlastnosti jsou plyny a páry kapalin, protože se vyznačují největší schopností měnit při změně své objemy R A T .

Provoz těchto strojů je navíc možný pouze při splnění dvou nepostradatelných podmínek. První podmínka je to? každý tepelný motor musí pracovat cyklicky, to znamená, že pracovní orgán, provádějící řadu procesů expanze a kontrakce po určitou dobu, se musí vrátit do původního stavu. Tento cyklus je nutné opakovat po celou dobu provozu stroje a v závislosti na konstrukci tepelného motoru lze jednotlivé části cyklu provádět v jeho různých částech. základní části. Při absenci cyklu, například v jakémkoli procesu pouze expanze plynu v pracovní komoře (válce motoru s vnitřním spalováním, kanály pracovních lopatek parních a plynových turbín) tepelného motoru, respektive nastane okamžik, kdy R A T pracovní kapalina se vyrovná R A T životní prostředí, a to přestane fungovat. V tomto případě můžete získat jen omezené množství práce. Pro opětovné získání práce je nutné buď vrátit pracovní tekutinu do původního stavu během procesu stlačování, nebo nějakým způsobem odstranit spotřebovanou pracovní tekutinu z pracovní komory a naplnit tuto komoru novou částí tohoto tělesa. Z hlediska termodynamické analýzy činnosti tepelného motoru není vůbec nutné zabývat se novými podíly pracovní tekutiny, neboť pro proces přeměny tepelné energie na mechanickou práci nezáleží na tom, zda stará pracovní kapalina zůstává v pracovní komoře nebo je zavedena nová. Lze tedy předpokládat, že válec tepelného motoru obsahuje stejné množství pracovní tekutiny, která cyklicky procházející řadou změn svého stavu od počátečního do konečného a naopak přeměňuje tepelnou energii na mechanickou práci.

proti

P

v2

v1

R 1

R 2

q 1

q2

Obr.6.6.1. Cyklus tepelného motoru

Uvažujme kruhový cyklus tepelného motoru znázorněný na obrázku. V procesu rozšiřování pracovní tekutiny podél linky 1-3-2 k němu ze zdroje tepelné energie s teplotou T 1 , tedy z horkého zdroje tepla , teplo je dodáváno v množství q 1 . V důsledku toho dochází k dodatečnému zvětšení objemu pracovní tekutiny. Expanze pracovní tekutiny se tedy provádí jak snížením tlaku v pracovní komoře, tak zvýšením její teploty. Pro získání mechanické práce však musí být proces expanze ohřáté pracovní tekutiny v pracovní komoře prováděn pod určitým protitlakem ze strany pohyblivých ploch pracovní komory. To má za následek pozitivní specifickou mechanickou práci l 1 , totiž práce na rozšíření pracovního orgánu, je ekvivalentní ploše S 1-3-2-6-5-1 . Po dosažení bodu 2 je třeba pracovní tekutinu vrátit do původního stavu, tedy do bodu 1. K tomu je třeba pracovní tekutinu stlačit.

Aby tepelný motor nepřetržitě produkoval mechanickou energii, musí být expanzní práce pracovní tekutiny více práce jeho komprese. Tedy kompresní křivka 2-4-1 musí ležet pod expanzní křivkou. Pokud proces komprese probíhá podél linky 2-3-1 , pak nebude přijata žádná technická, tedy užitečná, práce, protože v tomto případě to bude l 1 = l 2 , Kde l 2 je negativní specifická práce stlačení pracovní tekutiny. Proto, aby se získala užitečná práce, je nutné snížit tlak pracovní tekutiny během procesu expanze kvůli odstranění části tepla z ní. q 2 ke zdroji tepla s nižší teplotou T 2 , tedy ke zdroji studeného tepla . resp. l 2 ekvivalentní ploše S 2-4-1-5-6-2 . Výsledkem je, že každý kilogram pracovní tekutiny vyrobí na cyklus užitečná práce l C, což odpovídá ploše S 1-3-2-4-1 , ohraničený obrysem cyklu. Tak pro nepřetržitá práce tepelný stroj vyžaduje cyklický proces, při kterém je teplo přiváděno do pracovní tekutiny z horkého zdroje q 1 a odvádí se z něj do studeného zdroje tepla q 2 . Přítomnost alespoň dvou zdrojů tepla s rozdílnou teplotou – teplého a studeného – je druhou nezbytnou podmínkou pro provoz tepelných strojů. .

Je nesmírně důležité zdůraznit, že vše je teplé q 1 přijaté pracovní tekutinou z horkého zdroje nelze přeměnit na práci. Část q 1 , to je q 2 , musí být nutně podán jinému tělesu (tělesům) s nižší teplotou. Takové tělo může být atmosférický vzduch, velký objem voda a podobně. Četné pokusy vytvořit tepelný stroj, ve kterém je všechno teplé q 1 by se změnilo v práci, to znamená, že by byla rovnost q 2 = 0, nevyhnutelně skončil neúspěchem. Takový stroj, který dokázal přeměnit všechno jemu dodané teplo na práci, se nazýval perpetuum mobile druhého druhu , nebo perpetuum mobile (perpetuum mobile) druhý druh . Veškerý experimentální materiál nashromážděný vědou ukazuje, že takový motor je nemožný.

Ještě jednou poznamenáváme, že přítomnost studeného zdroje tepla a přenos části tepla přijatého z horkého zdroje do něj je povinný, protože jinak je provoz tepelného motoru nemožný. K dosažení nepřetržité mechanické práce je skutečně nutné mít v sobě tok energie tento případ tepelný tok. Pokud není zdroj chladu, pracovní tekutina se nevyhnutelně dostane do tepelné rovnováhy s horkým zdrojem a tepelný tok se zastaví.

1-3-2 A 2-4-1 bude podle toho vypadat:

q 1 = + Du+ l 1 ;

Množství q 2 A l 2 musí být přijato modulo, což zabrání záměně se znaky y q 2 , protože teplo opouštějící systém má znaménko mínus. Vnitřní energie pracovní tekutiny pro cyklus by se neměla měnit, a proto dříve Du v rovnicích přímo protilehlá jsou položena algebraická znaménka. Sečtením těchto rovnic dostaneme:

q 1 - | q 2 | = q c = l 1-½ l 2 ½ = l C, (6.6.1)

Kde q c - část tepla horkého zdroje přeměněná na práci v cyklu; l c – práce na kole 1-3-2-4-1 .

Jelikož v posuzovaném případě l 1 > l 2 , pak je práce cyklu pozitivní. Jak ukazuje (6.6.1), rovná se rozdílu mezi teplem dodaným a odebraným v cyklu.

Účinnost konverze q 1 PROTI l C hodnoceno tepelná (termodynamická, tepelná) účinnost tepelného cyklu motoru:

. (6.6.2)

Tepelná účinnost cyklu tepelného motoru je tedy poměrem užitečné práce získané v cyklu l C na veškeré teplo vnesené do pracovní tekutiny q 1 .

Cyklus skládající se z vratných procesů se nazývá ideální. V tomto případě by pracovní tekutina v takovém cyklu neměla být vystavena chemickým změnám. Pokud je alespoň jeden z procesů zahrnutých v cyklu nevratný, pak cyklus již nebude ideální. Pro provedení ideálního cyklu v tepelném motoru (motoru) nesmí docházet k tepelným a mechanickým ztrátám. Takový stroj se nazývá ideální tepelný stroj (ideální tepelný stroj).

Protože ½ q 2½> 0, tedy h T< 1,0, tedy účinnost tepelného motoru, i ideálního, bude vždy menší než 1,0. Výsledky studií ideálních cyklů je možné přenést do reálných, tedy nevratných procesů skutečných tepelných strojů zavedením experimentálních korekčních faktorů.

Vztah (6.6.2) je matematickým vyjádřením principu ekvivalence tepelné a mechanické energie. Pokud je z okruhu tepelného motoru vyřazen zdroj chladu, formálně nedojde k porušení principu ekvivalence. Jak je však uvedeno výše, takový stroj nebude fungovat.

Cykly vedoucí k pozitivní práci, tedy kdy l 1 > l 2 , jsou nazývány přímé cykly , nebo cykly tepelného motoru . Tyto cykly využívají spalovací motory. proudové motory, plynové a parní turbíny a tak dále.

Pokud je cyklus znázorněný na obr. 6.6.1 prezentován jako proudící v opačném směru, tj. po uzavřené křivce 1-4-2-3-1 (viz obr. 6.6.2), pak pro jeho realizaci je nutné vynaložit práci l C, která bude již záporná a ekvivalentní oblasti S 1-4-2-3-1 . Chlazené těleso v takovém stroji je studený zdroj tepla a ohřáté těleso je prostředí, tedy horký zdroj tepla. Takové cykly se nazývají chladicí cykly, nebo chladicí (reverzní) cykly.

Podporovat nízká teplota chlazené těleso, je nutné z něj průběžně odvádět teplo q 2 , který vstupuje do pracovní tekutiny ze studeného zdroje. Toto odebírání v chladicím cyklu se provádí v procesu 1-4-2 expanze pracovní tekutiny, která toto teplo vnímá a zároveň vykonává pozitivní práce l 2 , ekvivalentní oblasti
S 1-4-2-6-5-1 . Návrat pracovní tekutiny do původního stavu nastává v procesu stlačování podél křivky 2-3-1 umístěné nad křivkou expanzního procesu, to znamená v procesu probíhajícím za vyšších teplotních podmínek. To umožňuje přenášet teplo odebrané z pracovní tekutiny q 1 horký zdroj tepla, kterým je obvykle okolí. Negativní práce je vynaložena na kompresi l 1 určeno na plošném grafu S 2-3-1-5-6-2 .

proti

P

v2

v1

R 1

R 2

q 1

q2

Rýže. 6.6.2. Chladicí cyklus

Rovnice 1. termodynamického zákona pro procesy 1-4-2 A 2-3-1 s přihlédnutím k algebraickým znaménkům před komponentami mají tvar:

q2 = + Du+ l 2; -½ q 1 ½ = - Du- ½ l 1½.

Sčítání po částech obou rovnic dává:

q 2 - ½ q 1 ½ = - (½ l 1 ½ - l 2) = -½ l c ½ (6.6.3)

½ q 1½= q 2+½ l c.½ (6.6.4)

Tento výraz ukazuje teplo q 1 , přenášený na horký zdroj tepla, je tvořen teplem q 2 , který vstoupil do pracovní tekutiny ze studeného zdroje tepla, a práce cyklu l C. Protože ½ l 1 ½ > l 2 , Že l C < 0 и, следовательно, для непрерывной работы холодильной машины необходимо затрачивать работу. Таким способом осуществляется передача тепла с низшего температурного уровня на высший, то есть производится охлаждение некоторых частей OS a vytvořeno v správné místo teplota je nižší než teplota OS . Podle chlazení (reverzní cyklus) chladicí stroje, tepelná čerpadla a tak dále.

Účinnost chladicího stroje se hodnotí tzv koeficient výkonu e, určeno poměrem omezené kapacity užitečného tepla odebraného ze zdroje chladu q 2 k odvedené práci l C:

. (6.6.5)

Výkonový koeficient charakterizuje účinnost přenosu tepla ze studeného zdroje tepla na horký zdroj tepla. Bude tím větší, čím větší bude množství tepla q 2 bude odebírán ze studeného zdroje tepla a předáván horkému zdroji tepla a tím méně práce na něm bude vynaloženo l C. Na rozdíl od tepelná (termodynamická, tepelná) účinnost h T koeficient výkonu 𝜺 může být větší, menší a roven jedné.

V Lednici q 1 uvolňuje do životního prostředí, což je zdroj neomezené kapacity . Chladicí stroj lze proto využít nejen pro chlazení různých těles, ale i pro vytápění místnosti. Dokonce i běžná domácí chladnička, zatímco chladí produkty v ní umístěné, současně ohřívá vzduch v místnosti. Princip dynamického vytápění navrhl W. Thomson a je základem pro fungování modern tepelná čerpadla . Tepelná čerpadla jsou stroje, jejichž hlavním produktem je teplo. q 1 přenášeno ke zdroji s omezenou kapacitou . Posuzuje se jejich účinnost topný koeficient , což je poměr tepla předaného spotřebiteli q 1 Na l C:

V tomto případě teplé q 2 odebírá se ze zdroje neomezené kapacity (atmosférický vzduch, velké objemy vody, horninový masiv).

Výhoda tepelného čerpadla nad elektrický ohřívač Spočívá v tom, že k vytápění prostor se nevyužívá pouze elektrická energie přeměněná na teplo, ale také teplo odebrané z okolí. Proto může být účinnost tepelných čerpadel mnohem vyšší než účinnost elektrických ohřívačů.

Kombinace cyklu motoru a cyklů tepelného čerpadla nebo chlazení je cyklus tepelný transformátor , který umožňuje čerpat teplo ze zdroje s jedním T ke zdroji na druhé straně T během kombinovaného cyklu. Účelem tepelného transformátoru je změnit tepelný potenciál. Pokud je transformátor navržen tak, aby produkoval teplo při nižší T, než originál T horký pramen, pak se takový transformátor nazývá snížení . Pokud je teplo přijímáno v transformátoru při T vyšší než původní teplo, pak se takový transformátor nazývá zvýšení .

Provoz jakéhokoli tepelného nebo chladicího stroje je tedy možný pouze v případě, že existují dva zdroje tepla: horký a studený.

Nazývají se stroje, ve kterých se vnitřní energie paliva přeměňuje na energii mechanickou tepelné motory. Patří sem: spalovací motory, parní a plynové turbíny, proudové motory. Zjistíme, jaké podmínky jsou nutné k tomu, aby se vnitřní energie paliva přeměnila na mechanickou energii pracovního hřídele motoru v tepelném motoru.

Látka, která funguje v tepelném motoru, se nazývá pracovní orgán. V parních strojích je to pára a ve spalovacím motoru, proudovém motoru a plynové turbíně je to plyn. Jak ukazuje teorie tepelných motorů, aby v nich pracovní tekutina nepřetržitě vykonávala práci, je nutné mít v motoru topení a lednici. Nazývá se zařízení, ve kterém je pracovní tekutina ohřívána energií paliva ohřívač(parní kotel, válec). Nazývá se zařízení, ve kterém se pracovní tekutina po vykonání práce ochladí lednička(atmosféra, kondenzátor, ve kterém se výfuková pára chladí tekoucí vodou a mění se ve vodu).

Udělejme následující pokus (obr. 30). Vezměte trubici ve tvaru U naplněnou vodou. Jedno koleno trubice je napojeno na přijímač tepla (ve kterém je umístěna pracovní tekutina - plyn), v druhém koleni je plovák A. Tepelný přijímač budeme střídavě ohřívat lihovou lampou a spouštět do studené vody . Lampa funguje jako ohřívač pracovní tekutiny, studená voda jako lednička. Provoz takového modelu tepelného motoru spočívá v opakujícím se procesu - zvedání a spouštění vody spolu s plovákem. Stává se to takto: pracovní tekutina (plyn), ohřívající se v ohřívači a expandující, vykonává práci na zvedání vody pomocí plováku; aby mohla pracovní tekutina opět pracovat, ochladí se v lednici a poté znovu zahřeje. Zatímco se tento proces bude opakovat - model takového motoru bude fungovat.

Tepelný motor běží nepřetržitě. Děje se tak proto, že se v něm periodicky opakují procesy, které se vyskytují s pracovní tekutinou: ohřívá se, expanduje, pracuje, ochlazuje, znovu se zahřívá atd. (Vysledujte to při provozu spalovacího motoru. pro provoz tepelného motoru je nutné mít: ohřívač, pracovní kapalinu a chladničku.

Pro periodicky se opakující procesy byl objeven zákon, podle kterého je nemožné provést takový periodicky se opakující proces, jediný a konečný výsledek což by byla úplná přeměna množství přijatého tepla z ohřívače na práci. Ve vztahu k tepelnému motoru to znamená: množství tepla přijatého pracovní tekutinou z ohřívače nelze plně využít k výkonu práce, protože proces úplného přechodu vnitřní energie náhodného pohybu velkého počtu molekul do mechanické energie pohybu tělesa (pístu motoru, oběžného kola turbíny) je nemožné. ).

Aby pracovní tekutina mohla ve skutečných tepelných motorech znovu a znovu vykonávat práci, je spotřebovaná část pracovní tekutiny odváděna z motoru do chladničky, tedy do atmosféry, nebo do kondenzátoru pro ohřev vody, popř. vytápění (obr. 31). Zároveň, aby bylo co nejméně práce, je v lednici vždy nižší teplota a tlak než v pracovní komoře motoru. Vzhledem k rozdílu mezi prací páry a prací na jejím odstranění koná motor užitečnou práci. Z energetického hlediska je proces probíhající v tepelných motorech následující (obr. 32): pracovní tekutina přijímá z ohřívače množství tepla Q n, jehož část dává do lednice Q x, a kvůli zbytku dělá práci A \u003d Q n - Q x.

Tepelné motory mají mnoho využití. Karburátorové motory, například se uplatňují v automobilech, motocyklech; dieselové motory - v traktorech, automobilech těžké povinnosti, dieselové lokomotivy, motorové lodě, námořní plavidla; parní turbíny - v elektrárnách; plynové turbíny - v elektrárnách, lokomotivách s plynovou turbínou, ve vysokých pecích pro pohon dmychadel, jsou součástí jednoho z typů proudových motorů; proudové motory - v letectví, v raketách.

Tepelný stroj přeměňuje teplo na práci, jinými slovy odebírá teplo některým tělesům a předává je jiným tělesům ve formě mechanické práce. K provedení této přeměny je potřeba mít dvě různě ohřívaná tělesa, mezi kterými je možná výměna tepla. Teplejšímu tělesu budeme pro stručnost říkat ohřívač a chladnějšímu ledničce. V přítomnosti takových dvou těles je proces přeměny tepla na práci znázorněn následovně: roztažitelné těleso (pracovní těleso) se přivede do kontaktu s ohřívačem. Teplo je odebíráno z ohřívače a využíváno k práci expanze, kterou odevzdávají okolním tělesům. Dále je pracovní tekutina přivedena do kontaktu s chladničkou, do které odevzdává teplo

v důsledku práce vykonávané vnějšími silami na pracovní těleso.

Pro získání trvale pracujícího tepelného motoru je nutné ukončit kompresní zdvih v bodě, ve kterém začal expanzní zdvih; zkrátka proces musí být cyklický. pracovní orgán po každém cyklu se vrátí do původního stavu. Zákon zachování energie tedy vyžaduje, aby se energie přijatá z okolních těles rovnala energii předané okolním tělesům. Z přijatého média: teplo při expanzi a práce A 2 při stlačování pracovní tekutiny. Vzhledem k životnímu prostředí: práce A! při rozpínání těla a zahřívání při stahování. Proto, nebo Když se cyklus provádí ve směru hodinových ručiček, práce komprese méně práce rozšíření. Poslední rovnost tedy vyjadřuje prostý fakt, že síť převádí pracovní orgán vnější prostředí, se rovná rozdílu tepla přijatého z ohřívače a odevzdaného do chladničky. Podle toho koeficient užitečná akce cyklu, a tím i celého stroje, se bude rovnat

Popsaný proces činnosti tepelného stroje je samozřejmě abstraktní schéma. Toto schéma však přináší nejpodstatnější vlastnosti každého tepelného motoru. Pracovní tekutinou je expandující a smršťující plyn nebo pára, prostředí hraje roli ledničky. Topidlo je parní kotel nebo u spalovacích motorů hořlavá směs.

Stejné tři systémy jsou také nezbytné pro chladicí stroj, ve kterém cyklus probíhá opačná strana. Princip fungování tohoto stroje je následující: expanze pracovní tekutiny se provádí, když je v kontaktu s chladničkou. Tím se chladné těleso ještě více ochladí, což je úkolem chladicího stroje. Dále, aby byl cyklus možný, je nutné stlačit pracovní tekutinu a přenést teplo přijaté z chladničky. To se provádí, když se pracovní kapalina dostane do kontaktu s ohřívačem. Teplejší tělo se tak zahřívá ještě více. „Nepřirozený“ přenos tepla z méně zahřátého tělesa na těleso více zahřáté je „zaplaceno“ prací. Ve skutečnosti, když se cyklus provádí proti směru hodinových ručiček, rovnost energie přenesené do média a energie odebrané z média (tj. nebo tam, kde stále odkazujeme na index 1 na část procesu, ke které dochází při kontaktu s teplejším tělesem) má následující význam: množství tepla odváděného ze systému musí být kompenzováno stejným množstvím mechanické práce.

Druhý termodynamický zákon klade na činnost tepelného motoru určitou podmínku. Pokud předpokládáme, že proces je reverzibilní, pak by změna entropie pracovní tekutiny po průchodu cyklem měla být rovna nule. Jinými slovy, změnit

entropie při expanzi by se měla rovnat (s opačným znaménkem) změně entropie při kompresi, tzn.

V případě nevratného procesu se entropie uzavřeného systému skládajícího se z ohřívače, chladničky a pracovní tekutiny zvýší, a proto

(Připomínáme, že existuje algebraická veličina. Teplo vstupující do systému je považováno za kladné.) Výpočtem hodnot těchto integrálů pro konkrétní procesy je v některých případech poměrně snadné zjistit hodnotu maximální účinnosti a konkrétní cyklus tepelného motoru.

« Fyzika - třída 10"

Co je termodynamický systém a jaké parametry charakterizují jeho stav.
Uveďte první a druhý zákon termodynamiky.

Právě vytvoření teorie tepelných motorů vedlo k formulaci druhého termodynamického zákona.

Zásoby vnitřní energie v zemské kůře a oceánech lze považovat za prakticky neomezené. Ale k řešení praktických problémů stále nestačí mít zásoby energie. Je také nutné umět využívat energii k uvádění do pohybu strojů v továrnách a závodech, vozidel, traktorů a dalších strojů, k otáčení rotorů generátorů. elektrický proud atd. Lidstvo potřebuje motory – zařízení schopná vykonávat práci. Většina motorů na Zemi je tepelné motory.

Tepelné motory - Jedná se o zařízení, která přeměňují vnitřní energii paliva na mechanickou práci.

Princip činnosti tepelných strojů.

Aby motor pracoval, je potřeba tlakový rozdíl na obou stranách pístu motoru nebo lopatek turbíny. U všech tepelných motorů je tohoto tlakového rozdílu dosaženo zvýšením teploty pracovní orgán(plyn) stovky nebo tisíce stupňů nad teplotou okolí. K tomuto zvýšení teploty dochází při spalování paliva.

Jednou z hlavních částí motoru je plynem plněná nádoba s pohyblivým pístem. Pracovní tekutinou ve všech tepelných motorech je plyn, který funguje při expanzi. Označme počáteční teplotu pracovní tekutiny (plynu) přes T 1 . Tato teplota v parní turbíny nebo stroje získávají páru v parním kotli. ve spalovacích motorech a plynové turbíny ke zvýšení teploty dochází při spalování paliva uvnitř samotného motoru. Teplota T 1 se nazývá teplota ohřívače.

Role lednice

Během práce plyn ztrácí energii a nevyhnutelně se ochlazuje na určitou teplotu T 2 , která je obvykle o něco vyšší než okolní teplota. Říkají jí teplota chladničky. Lednička je atmosféra resp speciální zařízení pro chlazení a kondenzaci výfukové páry - kondenzátory. V druhém případě může být teplota chladničky o něco nižší než okolní teplota.

V motoru tedy pracovní tekutina během expanze nemůže dát veškerou svou vnitřní energii k výkonu práce. Část tepla je nevyhnutelně předána do chladničky (atmosféry) spolu s výfukovou párou resp výfukové plyny spalovací motory a plynové turbíny.

Tato část vnitřní energie paliva se ztrácí. Tepelný motor vykonává práci díky vnitřní energii pracovní tekutiny. Navíc se při tomto procesu přenáší teplo z teplejších těles (ohřívač) na chladnější (chladnička). Kruhový diagram tepelný motor je znázorněn na obrázku 13.13.

Pracovní kapalina motoru přijímá od topení při spalování paliva množství tepla Q 1, koná práci A“ a předává množství tepla do chladničky Q2< Q 1 .

Aby motor pracoval nepřetržitě, je nutné vrátit pracovní kapalinu do výchozího stavu, při kterém je teplota pracovní kapaliny rovna T 1 . Z toho vyplývá, že provoz motoru probíhá podle periodicky se opakujících uzavřených procesů, nebo, jak se říká, podle cyklu.

Cyklus je řada procesů, v jejichž důsledku se systém vrací do výchozího stavu.

Výkonový koeficient (COP) tepelného motoru.

Nemožnost úplné přeměny vnitřní energie plynu na práci tepelných motorů je dána nevratností procesů v přírodě. Pokud by se teplo mohlo samovolně vracet z chladničky do ohřívače, pak by se vnitřní energie mohla zcela přeměnit na užitečnou práci pomocí jakéhokoli tepelného motoru. Druhý termodynamický zákon lze formulovat takto:

Druhý termodynamický zákon:
nemožné vytvořit stroj na věčný pohyb druhého druhu, který by teplo zcela přeměnil na mechanickou práci.

Podle zákona zachování energie je práce motoru:

A" \u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

kde Q 1 - množství tepla přijatého z ohřívače a Q2 - množství tepla dodaného do chladničky.

Koeficient výkonu (COP) tepelného motoru je poměr práce A "vykonané motorem k množství tepla přijatého z ohřívače:

Protože u všech motorů se určité množství tepla přenáší do chladničky, pak η< 1.

Maximum hodnota účinnosti tepelné motory.

Zákony termodynamiky nám umožňují vypočítat maximum možného tepelná účinnost motor pracující s ohřívačem o teplotě T1 a lednicí s teplotou T2 a také určit způsoby, jak ji zvýšit.

Poprvé maximální možnou účinnost tepelného motoru vypočítal francouzský inženýr a vědec Sadi Carnot (1796-1832) ve své práci „Úvahy o hnací síle ohně ao strojích schopných tuto sílu vyvinout“ (1824 ).

Carnot přišel s ideálním tepelným motorem ideální plyn jako pracovní orgán. Ideální Carnotův tepelný motor pracuje v cyklu sestávajícím ze dvou izoterm a dvou adiabatů a tyto procesy jsou považovány za vratné (obr. 13.14). Nejprve se nádoba s plynem uvede do kontaktu s ohřívačem, plyn izotermicky expanduje, vykonává kladnou práci, při teplotě T 1 , přičemž přijímá množství tepla Q 1 .

Poté je nádoba tepelně izolována, plyn dále expanduje již adiabaticky, přičemž jeho teplota klesá na teplotu chladničky T 2 . Poté se plyn přivede do kontaktu s lednicí, při izotermické kompresi odevzdá do chladničky množství tepla Q 2 a stlačí se na objem V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Jak vyplývá ze vzorce (13.17), účinnost stroje Carnot je přímo úměrný rozdílu absolutní teploty topení a lednice.

Hlavním významem tohoto vzorce je, že označuje způsob, jak zvýšit účinnost, k tomu je nutné zvýšit teplotu ohřívače nebo snížit teplotu chladničky.

Žádný skutečný tepelný stroj pracující s ohřívačem o teplotě T 1 a chladničkou o teplotě T 2 nemůže mít účinnost přesahující účinnost ideálního tepelného motoru: Procesy, které tvoří cyklus skutečného tepelného stroje, nejsou vratné.

Vzorec (13.17) udává teoretickou hranici pro maximální hodnotu účinnosti tepelných strojů. Ukazuje, že tepelný motor je tím účinnější, čím větší je teplotní rozdíl mezi ohřívačem a chladničkou.

Pouze při teplotě chladničky rovné absolutní nule η = 1. Navíc bylo prokázáno, že účinnost vypočítaná podle vzorce (13.17) nezávisí na pracovní látce.

Ale teplota chladničky, jejíž roli obvykle hraje atmosféra, prakticky nemůže být nižší než okolní teplota. Můžete zvýšit teplotu ohřívače. Jakýkoli materiál (pevné těleso) má však omezenou tepelnou odolnost nebo tepelnou odolnost. Při zahřátí postupně ztrácí své elastické vlastnosti a když je dostatečně vysoká teplota taje.

Nyní je hlavní úsilí inženýrů zaměřeno na zvýšení Účinnost motoru snížením tření jejich částí, ztrát paliva v důsledku jeho nedokonalého spalování atp.

Pro parní turbína počáteční a konečná teplota páry jsou přibližně následující: T 1 - 800 K a T 2 - 300 K. Při těchto teplotách je maximální účinnost 62 % (všimněte si, že účinnost se obvykle měří v procentech). Skutečná hodnota účinnosti v důsledku různých druhů energetických ztrát je přibližně 40 %. Vznětové motory mají maximální účinnost - asi 44%.

Ochrana životního prostředí.

Je těžké si to představit moderní svět bez tepelných motorů. Poskytují nám pohodlný život. Tepelné motory pohánějí vozidla. Asi 80 % elektřiny, navzdory přítomnosti jaderných elektráren, se vyrábí pomocí tepelných motorů.

Při provozu tepelných motorů však nevyhnutelně dochází ke znečištění životního prostředí. To je rozpor: na jedné straně lidstvo potřebuje každým rokem více a více energie, jejíž hlavní část získává spalováním paliva, na druhé straně spalovací procesy nevyhnutelně provází znečištění životního prostředí.

Při spalování paliva klesá obsah kyslíku v atmosféře. Kromě toho se tvoří samotné produkty spalování chemické sloučeninyškodlivé pro živé organismy. Znečištění se vyskytuje nejen na zemi, ale také ve vzduchu, protože jakýkoli let letadla je doprovázen emisemi škodlivých nečistot do atmosféry.

Jedním z důsledků činnosti motorů je tvorba oxidu uhličitého, který pohlcuje infračervené záření z povrchu Země, což vede ke zvýšení teploty atmosféry. Tato tzv Skleníkový efekt. Měření ukazují, že teplota atmosféry stoupá o 0,05 °C za rok. Takové neustálé zvyšování teploty může způsobit tání ledu, což následně povede ke změně hladiny vody v oceánech, tedy k zaplavení kontinentů.

Všimněme si ještě jednoho negativní moment při použití tepelných motorů. K chlazení motorů se tedy někdy používá voda z řek a jezer. Ohřátá voda se pak vrací zpět. Nárůst teploty ve vodních útvarech narušuje přirozenou rovnováhu, tento jev se nazývá tepelné znečištění.

Pro ochranu životního prostředí, různé čištění filtrů brání úniku do atmosféry škodlivé látky konstrukce motorů se zdokonaluje. Dochází k neustálému zdokonalování paliva, které při spalování dává méně škodlivých látek, stejně jako technologie jeho spalování. Aktivně vyvinuté alternativní zdroje energie využívající vítr, sluneční záření, jadernou energii. Elektromobily a vozidla poháněná solární energií se již vyrábějí.

tepelný motor - zařízení, které přeměňuje vnitřní energii spáleného paliva na energii mechanickou. Typy tepelných motorů : 1) spalovací motory: a) diesel, b) karburátor; 2) parní stroje; 3) turbíny: a) plynové, b) parní.

Všechny tyto tepelné motory mají odlišnou konstrukci, ale skládají se z tři hlavní části Kabina: topné těleso, pracovní médium a chladnička. Ohřívač dodává teplo do motoru. pracovní orgán přeměňuje část přijatého tepla na mechanickou práci. Lednička odebírá část tepla pracovní kapalině.

T1– teplota ohřívače;

T2– teplota chladničky;

Q1- přijaté teplo

z ohřívače;

Q2- vydávané teplo

lednička;

A"- práce hotova

motor.

Provoz jakéhokoli tepelného stroje se skládá z opakujících se cyklických procesů - cyklů. Cyklus - jedná se o takový sled termodynamických procesů, v jejichž důsledku se systém vrací do výchozího stavu.

Faktor účinnosti (COP) tepelný motor je poměr práce vykonané motorem k množství tepla přijatého z ohřívače: .

Francouzský inženýr Sadi Carnot uvažoval ideální tepelný motor s ideálním plynem jako pracovní tekutinou. Našel to nejlepší ideální cyklus tepelný motor sestávající ze dvou izotermických a dvou adiabatických reverzibilních procesů - Carnotův cyklus . Účinnost takového tepelného motoru s ohřívačem při teplotě a lednicí při teplotě: . Bez ohledu na konstrukci, volbu pracovní tekutiny a typ procesů v tepelném motoru nemůže být jeho účinnost vyšší než účinnost tepelného motoru pracujícího podle Carnotova cyklu se stejnými teplotami ohřívače a chladiče jako tento tepelný motor.

Účinnost tepelných motorů je nízká, proto je nejdůležitějším technickým úkolem její zvýšení. Tepelné motory mají dva výrazné nedostatky. Za prvé, většina tepelných motorů používá organické palivo, jehož těžba rychle vyčerpává zdroje planety. Za druhé, v důsledku spalování paliva se do životního prostředí uvolňuje obrovské množství škodlivých látek, což vytváří značné ekologické problémy.

Objev v roce 1850 německým fyzikem R. Clasiusem je spojen se studiem problematiky maximální účinnosti tepelných motorů druhý termodynamický zákon : je nemožný takový proces, při kterém by teplo samovolně přecházelo z chladnějších těles na teplejší.

Fyzikální veličiny a jejich měrné jednotky:

Hodnota názvu	Označení	Jednotka	Vzorec
Relativní molekulová hmotnost	pan r(ehm)	bezrozměrné množství
Hmotnost jedné molekuly (atomu)	m0	kg
Hmotnost	m	kg
Molární hmotnost	M
Množství látky	ν (akt)	krtek(mol)	;
Počet částic	N(cs)	bezrozměrné množství
Tlak	p(pe)	Pa(pascal)
Koncentrace	n(cs)
Hlasitost	PROTI(ve)
Průměrná kinetická energie pohyb vpřed molekul		J(joule)
Celsia teplota	t	°C
Teplota Kelvin	T	NA(kelvin)
Odmocnina střední kvadratická rychlost molekul
Povrchové napětí	σ (sigma)
Absolutní vlhkost	ρ (ro)
Relativní vlhkost	φ (fi)	%
Vnitřní energie	U(y)	J(joule)
Práce	A(A)	J(joule)
Množství tepla	Q(ku)	J(joule)