V ideálním tepelném motoru běžícím na cyklus. Ideální cyklus Carnotova tepelného motoru

V teoretickém modelu tepelný motor v úvahu přicházejí 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. V motoru s vnitřním spalováním Produkty spalování (ICE) lze považovat za topidlo a přebytečný vzduch za pracovní tekutinu. Jako ledničku využívají vzduch z atmosféry nebo vodu z přírodních zdrojů.

Účinnost tepelného motoru (stroje)

Součinitel užitečná akce tepelný motor (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 dán model pracovní tekutiny v tepelném motoru (například ideální plyn), je možné vypočítat změnu termodynamické parametry pracovní kapalina při expanzi a kontrakci. To umožňuje vypočítat účinnost tepelného motoru na základě zákonů 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:

1. 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.
2. Přímý vliv jedovatých výfukové plyny na divokou zvěř (karcinogeny, smog, kyselé deště z vedlejší produkty spalování).
3. 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 vznikající ekologické krize spočívá ve zvyšování tepelná účinnost motory (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.

Když mluvíme o vratnosti procesů, je třeba vzít v úvahu, že jde o určitou idealizaci. Všechny skutečné procesy jsou nevratné, a tedy i cykly, na kterých pracují tepelné stroje, jsou také nevratné, a tedy nerovnovážné. Pro zjednodušení kvantitativních odhadů takových cyklů je však nutné je považovat za rovnovážné, tedy jako by se skládaly pouze z rovnovážných procesů. To vyžaduje dobře vyvinutý aparát klasické termodynamiky.

slavný cyklus ideální motor Carnot je považován za rovnovážný inverzní kruhový proces. V reálných podmínkách nemůže být žádný cyklus ideální, protože dochází ke ztrátám. Probíhá mezi dvěma zdroji tepla konstantní teploty u chladiče T 1 a přijímačem tepla T 2, stejně jako pracovní kapalina, která je brána jako ideální plyn (obr. 3.1).

Rýže. 3.1. Cyklus tepelného motoru

Věříme tomu T 1 > T 2 a odvod tepla z chladiče a přívod tepla do chladiče neovlivňují jejich teploty, T1 A T2 zůstat konstantní. Označme parametry plynu vlevo krajní poloha píst tepelného motoru: tlak - R 1 hlasitost - V 1, teplota T 1. Toto je bod 1 na grafu na osách P-V. V tomto okamžiku plyn (pracovní tekutina) interaguje se zdrojem tepla, jehož teplota je také T 1. Při pohybu pístu doprava klesá tlak plynu ve válci a zvětšuje se objem. Toto bude pokračovat, dokud píst nedorazí do polohy určené bodem 2, kde parametry pracovní tekutiny (plynu) nabudou hodnot P 2 , V 2 , T2. Teplota v tomto bodě zůstává nezměněna, protože teplota plynu a chladiče je při přechodu pístu z bodu 1 do bodu 2 (expanze) stejná. Takový proces, ve kterém T se nemění se nazývá izotermická a křivka 1–2 se nazývá izoterma. Při tomto procesu se teplo přenáší ze zdroje tepla do pracovní tekutiny. Q1.

V bodě 2 je válec zcela izolován od vnější prostředí(žádný přenos tepla) a další pohyb pístu vpravo dochází k poklesu tlaku a zvětšení objemu po křivce 2-3, která je tzv adiabatické(proces bez výměny tepla s okolím). Když se píst přesune do krajní pravé polohy (bod 3), expanzní proces skončí a parametry budou mít hodnoty P3, V3 a teplota se bude rovnat teplotě chladiče. T 2. S touto polohou pístu se snižuje izolace pracovní tekutiny a ta spolupracuje s chladičem. Pokud nyní zvýšíme tlak na píst, bude se při konstantní teplotě pohybovat doleva T 2(komprese). Tento proces stlačování bude tedy izotermický. Při tomto procesu zahřívejte Q2 bude přecházet z pracovní tekutiny do chladiče. Píst, pohybující se doleva, se dostane do bodu 4 s parametry P4, V4 a T2, kde je pracovní tekutina opět izolována od okolního prostředí. K další kompresi dochází podél 4–1 adiabatu se zvýšením teploty. V bodě 1 komprese končí na parametrech pracovní tekutiny P1, V1, Ti. Píst se vrátil do původního stavu. V bodě 1 je odstraněna izolace pracovní tekutiny od vnějšího prostředí a cyklus se opakuje.

Účinnost ideálního Carnotova motoru.

Problém 15.1.1. Obrázky 1, 2 a 3 ukazují grafy tří cyklických procesů, které probíhají s ideálním plynem. Ve kterém z těchto procesů plyn dokončil cyklus pozitivní práce?

Problém 15.1.3. Ideální plyn, po dokončení nějakého cyklického procesu se vrátil do výchozího 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. Ideální účinnost tepelný motor pracující podle Carnotova cyklu je 50 %. Teplota ohřívače je dvojnásobná, teplota chladničky se nemění. Jaká bude účinnost výsledného ideálního tepelného motoru?