از چه فرمولی برای محاسبه بازده موتور حرارتی استفاده می شود؟ کارایی موتورهای حرارتی

عملکرد بسیاری از انواع ماشین ها با شاخص مهمی مانند کارایی موتور حرارتی مشخص می شود. مهندسان هر ساله تلاش می کنند تا فناوری پیشرفته تری ایجاد کنند که با کمترین میزان، حداکثر نتیجه را از استفاده از آن به ارمغان می آورد.

دستگاه موتور حرارتی

قبل از درک چیستی آن، لازم است درک کنیم که این مکانیسم چگونه کار می کند. بدون دانستن اصول عمل آن، پی بردن به ماهیت این شاخص غیرممکن است. موتور حرارتی دستگاهی است که کار را با استفاده از انرژی داخلی انجام می دهد. هر موتور حرارتی که به موتور مکانیکی تبدیل می شود از انبساط حرارتی مواد با افزایش دما استفاده می کند. در موتورهای حالت جامد، نه تنها می توان حجم یک ماده، بلکه شکل بدنه را نیز تغییر داد. عملکرد چنین موتوری تابع قوانین ترمودینامیک است.

اصول کارکرد، اصول جراحی، اصول عملکرد

برای درک نحوه عملکرد یک موتور حرارتی، باید اصول طراحی آن را در نظر گرفت. برای کارکرد دستگاه به دو بدنه گرم (بخاری) و سرد (یخچال، کولر) نیاز است. اصل عملکرد موتورهای حرارتی (بازده موتور حرارتی) به نوع آنها بستگی دارد. اغلب یخچال یک کندانسور بخار است و بخاری هر نوع سوختی است که در جعبه آتش می سوزد. کارایی یک موتور حرارتی ایده آل با فرمول زیر بدست می آید:

کارایی = (Theat - Cool) / Theat. × 100 درصد

در این حالت، بازده یک موتور واقعی هرگز نمی تواند از مقدار بدست آمده طبق این فرمول بیشتر شود. همچنین این رقم هرگز از مقدار فوق فراتر نخواهد رفت. برای افزایش راندمان، اغلب دمای بخاری افزایش و دمای یخچال کاهش می یابد. هر دوی این فرآیندها با شرایط عملیاتی واقعی تجهیزات محدود خواهند شد.

هنگامی که یک موتور حرارتی کار می کند، کار انجام می شود، زیرا گاز شروع به از دست دادن انرژی می کند و تا دمای خاصی خنک می شود. دومی معمولاً چندین درجه بالاتر از جو اطراف است. این دمای یخچال است. این دستگاه ویژه برای خنک کردن و متراکم شدن بعدی بخار خروجی طراحی شده است. در جاهایی که کندانسور وجود دارد، دمای یخچال گاهی کمتر از دمای محیط است.

در یک موتور حرارتی، وقتی بدن گرم می شود و منبسط می شود، نمی تواند تمام انرژی داخلی خود را برای انجام کار صرف کند. مقداری از گرما به همراه یا بخار به یخچال منتقل می شود. این قسمت از گرما به طور اجتناب ناپذیری از بین می رود. در طی احتراق سوخت، سیال کار مقدار مشخصی از گرمای Q 1 را از بخاری دریافت می کند. در همان زمان، همچنان کار A را انجام می دهد، که طی آن بخشی از انرژی حرارتی را به یخچال منتقل می کند: Q 2

راندمان کارایی موتور را در زمینه تبدیل و انتقال انرژی مشخص می کند. این شاخص اغلب به صورت درصد اندازه گیری می شود. فرمول کارایی:

η*A/Qx100% که در آن Q انرژی مصرف شده است، A کار مفید است.

بر اساس قانون پایستگی انرژی می توان نتیجه گرفت که راندمان همیشه کمتر از واحد خواهد بود. به عبارت دیگر، هرگز کار مفیدتر از انرژی صرف شده برای آن وجود نخواهد داشت.

راندمان موتور نسبت کار مفید به انرژی تامین شده توسط بخاری است. می توان آن را در قالب فرمول زیر نشان داد:

η = (Q 1 -Q 2) / Q 1 که در آن Q 1 گرمای دریافتی از بخاری است و Q 2 به یخچال داده می شود.

کارکرد موتور حرارتی

کار انجام شده توسط یک موتور حرارتی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

A = |Q H | - |Q X |، که در آن A کار است، Q H مقدار گرمای دریافتی از بخاری، Q X مقدار گرمای داده شده به کولر است.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

برابر است با نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی. بخشی از انرژی حرارتی در این انتقال از بین می رود.

موتور کارنو

حداکثر راندمان یک موتور حرارتی در دستگاه کارنو مشاهده می شود. این به این دلیل است که در این سیستم فقط به دمای مطلق بخاری (Tn) و کولر (Tx) بستگی دارد. راندمان موتور حرارتی که بر روی آن کار می کند با فرمول زیر تعیین می شود:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

قوانین ترمودینامیک محاسبه حداکثر بازده ممکن را ممکن می سازد. این شاخص اولین بار توسط دانشمند و مهندس فرانسوی سادی کارنو محاسبه شد. او یک موتور حرارتی اختراع کرد که با گاز ایده آل کار می کرد. در یک چرخه 2 ایزوترم و 2 آدیابات کار می کند. اصل عملکرد آن بسیار ساده است: یک بخاری به یک ظرف با گاز متصل می شود که در نتیجه سیال کار به صورت همدما منبسط می شود. در عین حال کار می کند و مقدار مشخصی گرما را دریافت می کند. سپس ظرف عایق حرارتی می شود. با وجود این، گاز همچنان به گسترش خود ادامه می دهد، اما به صورت آدیاباتیک (بدون تبادل حرارت با محیط). در این زمان دمای آن تا دمای یخچال کاهش می یابد. در این لحظه گاز با یخچال تماس پیدا می کند و در نتیجه در حین فشردگی ایزومتریک مقدار معینی گرما از خود خارج می کند. سپس ظرف دوباره عایق حرارتی می شود. در این حالت گاز به صورت آدیاباتیک به حجم و حالت اولیه خود فشرده می شود.

انواع

امروزه انواع زیادی از موتورهای حرارتی وجود دارند که بر اساس اصول مختلف و با سوخت های مختلف کار می کنند. همه آنها کارایی خاص خود را دارند. این موارد شامل موارد زیر است:

موتور احتراق داخلی (پیستون) که مکانیزمی است که در آن بخشی از انرژی شیمیایی سوخت سوختن به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. چنین وسایلی می توانند گاز و مایع باشند. موتورهای 2 زمانه و 4 زمانه وجود دارد. آنها می توانند یک چرخه کار مداوم داشته باشند. با توجه به روش تهیه مخلوط سوخت، چنین موتورهایی کاربراتوری (با تشکیل مخلوط خارجی) و دیزلی (با داخلی) هستند. بر اساس نوع مبدل انرژی به پیستونی، جت، توربین و ترکیبی تقسیم می شوند. راندمان چنین ماشین هایی از 0.5 تجاوز نمی کند.

موتور استرلینگ وسیله ای است که در آن سیال کار در فضایی محدود قرار می گیرد. این یک نوع موتور احتراق خارجی است. اصل عملکرد آن بر اساس سرد کردن/گرمایش دوره ای بدن با تولید انرژی به دلیل تغییر حجم آن است. این یکی از کارآمدترین موتورها است.

موتور توربین (دوار) با احتراق خارجی سوخت. چنین تاسیساتی اغلب در نیروگاه های حرارتی یافت می شود.

موتورهای احتراق داخلی توربین (دوار) در نیروگاه های حرارتی در حالت پیک استفاده می شوند. به اندازه دیگران گسترده نیست.

یک موتور توربین بخشی از نیروی رانش خود را از طریق پروانه خود ایجاد می کند. بقیه را از گازهای خروجی اگزوز می گیرد. طراحی آن یک موتور دوار است که روی شفت آن یک پروانه نصب شده است.

انواع دیگر موتورهای حرارتی

راکت، توربوجت و آنهایی که در اثر برگشت گازهای اگزوز نیروی رانش دریافت می کنند.

موتورهای حالت جامد از ماده جامد به عنوان سوخت استفاده می کنند. در حین کار، حجم آن نیست که تغییر می کند، بلکه شکل آن است. هنگام کار با تجهیزات، از اختلاف دمای بسیار کم استفاده می شود.

چگونه می توانید کارایی را افزایش دهید

آیا افزایش راندمان موتور حرارتی امکان پذیر است؟ پاسخ را باید در ترمودینامیک جستجو کرد. او تحولات متقابل انواع مختلف انرژی را مطالعه می کند. مشخص شده است که تمام مکانیکی ها و غیره موجود قابل استفاده نیستند و در عین حال تبدیل آنها به حرارتی بدون محدودیت صورت می گیرد. این امر به دلیل این واقعیت امکان پذیر است که ماهیت انرژی حرارتی بر اساس حرکت نامنظم (آشوب) ذرات است.

هرچه بدن بیشتر گرم شود، مولکول های تشکیل دهنده آن سریعتر حرکت می کنند. حرکت ذرات حتی نامنظم تر خواهد شد. در کنار این، همه می دانند که نظم به راحتی می تواند به هرج و مرج تبدیل شود که سفارش دادن آن بسیار دشوار است.

از زمان های قدیم، مردم سعی کرده اند انرژی را به کار مکانیکی تبدیل کنند. آنها انرژی جنبشی باد، انرژی پتانسیل آب و غیره را تبدیل کردند. در آغاز قرن هجدهم، ماشین هایی ظاهر شدند که انرژی داخلی سوخت را به کار تبدیل می کردند. چنین ماشین هایی به لطف موتورهای حرارتی کار می کردند.

موتور حرارتی وسیله ای است که انرژی حرارتی را در اثر انبساط (اغلب گازها) در اثر دمای بالا به کار مکانیکی تبدیل می کند.

هر موتور حرارتی دارای اجزای زیر است:

• یک عنصر گرمایشی. جسمی با دمای بالا نسبت به محیطش.
• سیال کار.از آنجایی که بسط کار را فراهم می کند، این عنصر باید به خوبی گسترش یابد. معمولاً از گاز یا بخار استفاده می شود.
• خنک کننده. بدن با دمای پایین

سیال عامل انرژی حرارتی را از بخاری دریافت می کند. در نتیجه شروع به گسترش و انجام کار می کند. برای اینکه سیستم دوباره کار کند باید به حالت اولیه برگردد. بنابراین، سیال کار خنک می شود، یعنی انرژی حرارتی اضافی، همانطور که بود، به عنصر خنک کننده ریخته می شود. و سیستم به حالت اولیه خود برمی گردد، سپس این روند دوباره تکرار می شود.

محاسبه بازده

برای محاسبه بازده، نماد زیر را معرفی می کنیم:

س 1 - مقدار گرمای دریافتی از المنت گرمایشی

الف – کاری که توسط سیال کار انجام می شود

س 2 - مقدار گرمای دریافتی سیال کار از کولر

در طی فرآیند خنک‌سازی، بدن گرما را منتقل می‌کند، بنابراین Q2< 0.

عملکرد چنین دستگاهی یک فرآیند چرخه ای است. این بدان معنی است که پس از تکمیل یک چرخه کامل، انرژی داخلی به حالت اولیه خود باز می گردد. سپس، طبق قانون اول ترمودینامیک، کار انجام شده توسط سیال عامل برابر با اختلاف مقدار گرمای دریافتی از بخاری و گرمای دریافتی از کولر خواهد بود:

Q 2 یک مقدار منفی است، بنابراین مدول گرفته می شود

کارایی به صورت نسبت کار مفید به کل کار انجام شده توسط سیستم بیان می شود. در این حالت کل کار برابر با مقدار گرمایی خواهد بود که برای گرم کردن سیال کار صرف می شود. تمام انرژی مصرف شده از طریق Q 1 بیان می شود.

بنابراین، کارایی به صورت زیر تعریف می شود:

راندمان موتور حرارتیبر اساس قانون پایستگی انرژی، کار انجام شده توسط موتور برابر است با:

گرمای دریافتی از بخاری کجاست، گرمایی است که به یخچال داده می شود.

راندمان یک موتور حرارتی نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است:

از آنجایی که همه موتورها مقداری گرما را در همه موارد به یخچال منتقل می کنند

حداکثر بازده موتورهای حرارتیمهندس و دانشمند فرانسوی سادی کارنو (1796 1832) در کار خود "بازتاب در نیروی محرکه آتش" (1824) هدفی را تعیین کرد: پیدا کردن اینکه در چه شرایطی عملکرد یک موتور حرارتی موثرتر خواهد بود، یعنی تحت چه شرایطی. شرایطی که موتور حداکثر کارایی را داشته باشد.

کارنو یک موتور حرارتی ایده‌آل با گاز ایده‌آل به‌عنوان سیال کار ارائه کرد. او کارایی این دستگاه را با بخاری دما و یخچال درجه حرارت محاسبه کرد

اهمیت اصلی این فرمول این است که همانطور که کارنو ثابت کرد، با اتکا به قانون دوم ترمودینامیک، هر موتور حرارتی واقعی که با گرمکن دما و یخچال دمایی کار می‌کند، نمی‌تواند بازدهی بیش از راندمان یک موتور حرارتی ایده‌آل داشته باشد.

فرمول (4.18) حد نظری را برای حداکثر مقدار راندمان موتورهای حرارتی ارائه می دهد. این نشان می دهد که هر چه دمای بخاری بالاتر و دمای یخچال کمتر باشد، یک موتور حرارتی کارآمدتر است. فقط در دمای یخچال برابر با صفر مطلق،

اما دمای یخچال عملا نمی تواند خیلی کمتر از دمای محیط باشد. می توانید دمای بخاری را افزایش دهید. با این حال، هر ماده (جسم جامد) مقاومت حرارتی یا مقاومت حرارتی محدودی دارد. هنگامی که گرم می شود، به تدریج خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد و در دمای به اندازه کافی بالا ذوب می شود.

در حال حاضر تلاش اصلی مهندسان در جهت افزایش راندمان موتورها از طریق کاهش اصطکاک قطعات آنها، تلفات سوخت ناشی از احتراق ناقص و غیره است. فرصت های واقعی برای افزایش راندمان در اینجا هنوز عالی است. بنابراین، برای یک توربین بخار، دمای اولیه و نهایی بخار تقریباً به شرح زیر است: در این دماها حداکثر مقدار بازده برابر است:

مقدار واقعی بازده ناشی از انواع تلفات انرژی برابر است با:

افزایش راندمان موتورهای حرارتی و نزدیک کردن آن به حداکثر ممکن، مهمترین وظیفه فنی است.

موتورهای حرارتی و حفاظت از طبیعتاستفاده گسترده از موتورهای حرارتی به منظور به دست آوردن انرژی مناسب تا حد زیادی در مقایسه با

تمام انواع دیگر فرآیندهای تولید با اثرات زیست محیطی مرتبط هستند.

طبق قانون دوم ترمودینامیک، تولید انرژی الکتریکی و مکانیکی نمی‌تواند بدون انتشار مقادیر قابل توجهی گرما در محیط انجام شود. این نمی تواند منجر به افزایش تدریجی میانگین دمای زمین شود. اکنون مصرف برق حدود 1010 کیلو وات است. با رسیدن به این توان، دمای متوسط ​​به طور محسوسی افزایش می یابد (حدود یک درجه). افزایش بیشتر دما می‌تواند خطر ذوب یخچال‌ها و افزایش فاجعه‌بار سطح دریاها را به همراه داشته باشد.

اما این به دور از عواقب منفی استفاده از موتورهای حرارتی است. کوره های نیروگاه های حرارتی، موتورهای احتراق داخلی خودروها و غیره به طور مداوم مواد مضر برای گیاهان، حیوانات و انسان ها را در جو منتشر می کنند: ترکیبات گوگردی (در حین احتراق زغال سنگ)، اکسیدهای نیتروژن، هیدروکربن ها، مونوکسید کربن (CO)، و غیره خطر ویژه در این زمینه خودروهایی به نمایش گذاشته می شوند که تعداد آنها به طرز نگران کننده ای در حال افزایش است و تصفیه گازهای خروجی اگزوز دشوار است. نیروگاه های هسته ای با مشکل دفع زباله های رادیواکتیو خطرناک مواجه هستند.

بعلاوه استفاده از توربین های بخار در نیروگاه ها مستلزم فضای وسیعی برای حوضچه ها برای خنک سازی بخار خروجی است که با افزایش ظرفیت نیروگاه، نیاز به آب به شدت افزایش می یابد. در سال 1980، کشور ما برای این منظور نیاز به آب داشت، یعنی حدود 35 درصد آب مورد نیاز تمام بخش های اقتصاد را تامین می کرد.

همه اینها یکسری مشکلات جدی برای جامعه ایجاد می کند. در کنار مهمترین وظیفه افزایش راندمان موتورهای حرارتی، لازم است اقدامات متعددی برای حفاظت از محیط زیست انجام شود. افزایش کارایی سازه هایی که از انتشار مواد مضر در جو جلوگیری می کنند ضروری است. دستیابی به احتراق کاملتر سوخت در موتورهای خودرو. در حال حاضر، وسایل نقلیه با محتوای CO بالا در گازهای خروجی مجاز به استفاده نیستند. امکان ایجاد وسایل نقلیه الکتریکی که می توانند با خودروهای معمولی رقابت کنند و امکان استفاده از سوخت بدون مواد مضر در گازهای خروجی اگزوز، به عنوان مثال، در موتورهایی که با مخلوطی از هیدروژن و اکسیژن کار می کنند، مورد بحث قرار گرفته است.

برای صرفه جویی در فضا و منابع آب، ساخت مجموعه های کامل نیروگاه ها، در درجه اول نیروگاه های هسته ای، با چرخه تامین آب بسته توصیه می شود.

جهت دیگر تلاش های صورت گرفته افزایش بهره وری مصرف انرژی و مبارزه برای صرفه جویی در آن است.

حل مشکلات ذکر شده در بالا برای بشریت حیاتی است. و این مشکلات با حداکثر موفقیت می تواند

در یک جامعه سوسیالیستی با توسعه اقتصادی برنامه ریزی شده در سراسر کشور حل شود. اما سازماندهی حفاظت از محیط زیست نیازمند تلاش در مقیاس جهانی است.

1. به چه فرآیندهایی برگشت ناپذیر می گویند؟ 2. معمولی ترین فرآیندهای برگشت ناپذیر را نام ببرید. 3. نمونه هایی از فرآیندهای برگشت ناپذیر را که در متن ذکر نشده اند، ذکر کنید. 4. قانون دوم ترمودینامیک را فرموله کنید. 5. اگر رودخانه ها به سمت عقب حرکت کنند، آیا این به معنای نقض قانون بقای انرژی است؟ 6. به چه وسیله ای موتور حرارتی می گویند؟ 7. نقش بخاری، یخچال و سیال کار موتور حرارتی چیست؟ 8. چرا موتورهای حرارتی نمی توانند از انرژی داخلی اقیانوس به عنوان منبع انرژی استفاده کنند؟ 9. راندمان موتور حرارتی چقدر است؟

10. حداکثر مقدار ممکن راندمان یک موتور حرارتی چقدر است؟

از لحاظ تاریخی، ظهور ترمودینامیک به عنوان یک علم با وظیفه عملی ایجاد یک موتور حرارتی مؤثر (موتور حرارتی) همراه بود.

موتور گرمایی

موتور حرارتی دستگاهی است که با استفاده از گرمای عرضه شده به موتور کار می کند. این دستگاه دوره ای است.

موتور حرارتی شامل عناصر مورد نیاز زیر است:

• سیال کار (معمولا گاز یا بخار)؛
• بخاری؛
• یخچال

شکل 1. چرخه عملکرد یک موتور حرارتی. نویسنده24 - تبادل آنلاین کار دانشجویی

در شکل 1 چرخه ای را نشان می دهیم که در آن یک موتور حرارتی می تواند کار کند. در این چرخه:

• گاز از حجم $V_1$ به حجم $V_2$ منبسط می شود.
• گاز از حجم $V_2$ به حجم $V_1$ فشرده می شود.

برای به دست آوردن بیش از صفر کار انجام شده توسط گاز، فشار (و در نتیجه دما) در طول فرآیند انبساط باید بیشتر از فرآیند فشرده سازی باشد. برای این منظور، گاز در حین انبساط گرما دریافت می کند و در هنگام فشرده سازی، گرما از سیال عامل خارج می شود. از این نتیجه او به این نتیجه خواهد رسید که علاوه بر سیال کار، دو جسم خارجی دیگر نیز باید در موتور حرارتی وجود داشته باشد:

• بخاری که گرما را به سیال کار منتقل می کند.
• یخچال، بدنه ای که در حین فشرده سازی، گرما را از سیال کار می گیرد.

پس از اتمام چرخه، سیال کار و تمام مکانیزم های ماشین به حالت قبلی خود باز می گردند. این بدان معنی است که تغییر در انرژی داخلی سیال عامل صفر است.

شکل 1 نشان می دهد که در طول فرآیند انبساط، سیال عامل مقداری گرما معادل Q_1$ دریافت می کند. در طی فرآیند فشرده سازی، سیال عامل مقداری گرما معادل Q_2$ به یخچال منتقل می کند. بنابراین، در یک چرخه مقدار گرمای دریافتی توسط سیال عامل برابر است با:

$\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$

از قانون اول ترمودینامیک، با در نظر گرفتن این واقعیت که در یک سیکل بسته $\Delta U=0$، کار انجام شده توسط سیال عامل برابر است با:

$A=Q_1-Q_2 (2).$

برای سازماندهی چرخه های مکرر یک موتور حرارتی، لازم است که بخشی از گرمای خود را به یخچال منتقل کند. این الزام با قانون دوم ترمودینامیک مطابقت دارد:

ایجاد یک ماشین حرکت دائمی که بطور دوره ای گرمای دریافتی از یک منبع خاص را به طور کامل به کار تبدیل کند غیرممکن است.

بنابراین، حتی با یک موتور حرارتی ایده آل، مقدار گرمای منتقل شده به یخچال نمی تواند برابر با صفر باشد؛ محدودیت کمتری در مقدار Q_2$ وجود دارد.

راندمان موتور حرارتی

واضح است که میزان کارآمدی یک موتور حرارتی باید با در نظر گرفتن کامل بودن تبدیل گرمای دریافتی از بخاری به کار سیال کار ارزیابی شود.

پارامتری که کارایی یک موتور حرارتی را نشان می دهد ضریب عملکرد (COP) است.

تعریف 1

راندمان یک موتور حرارتی نسبت کار انجام شده توسط سیال عامل ($A$) به مقدار گرمایی است که این بدنه از بخاری دریافت می کند ($Q_1$):

$\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$

با در نظر گرفتن عبارت (2)، بازده موتور حرارتی را به صورت زیر درمی یابیم:

$\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$

رابطه (4) نشان می دهد که بازده نمی تواند بیشتر از یک باشد.

کارایی یخچال

بیایید چرخه نشان داده شده در شکل را معکوس کنیم. 1.

یادداشت 1

معکوس کردن یک چرخه به معنای تغییر جهت عبور از کانتور است.

در نتیجه وارونگی چرخه، چرخه دستگاه تبرید را به دست می آوریم. این دستگاه گرمای Q_2$ را از بدنه ای با دمای پایین دریافت می کند و آن را به بخاری با دمای بالاتر در مقدار حرارت $Q_1$ و $Q_1>Q_2$ منتقل می کند. کار انجام شده روی سیال عامل $A'$ در هر سیکل است.

راندمان یخچال ما با ضریبی تعیین می شود که به صورت زیر محاسبه می شود:

$\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\ چپ (5\راست).$

کارایی موتور حرارتی برگشت پذیر و غیر قابل برگشت

راندمان یک موتور حرارتی برگشت ناپذیر همیشه کمتر از راندمان یک ماشین برگشت پذیر است زمانی که ماشین ها با بخاری و یخچال یکسان کار می کنند.

یک موتور حرارتی متشکل از:

• یک ظرف استوانه ای که توسط پیستون بسته می شود.
• گاز زیر پیستون؛
• بخاری؛
• یخچال.

1. گاز مقدار معینی از گرما Q_1$ را از بخاری دریافت می کند.
2. گاز منبسط می شود و پیستون را هل می دهد و کار A_+0$ را انجام می دهد.
3. گاز فشرده شده و حرارت Q_2$ به یخچال منتقل می شود.
4. کار روی سیال عامل $A_- انجام می شود

کار انجام شده توسط سیال عامل در هر سیکل برابر است با:

برای تحقق شرط برگشت پذیری فرآیندها، آنها باید بسیار آهسته انجام شوند. علاوه بر این، لازم است که هیچ اصطکاک پیستون در برابر دیواره های کشتی وجود نداشته باشد.

اجازه دهید کار انجام شده در یک چرخه توسط یک موتور حرارتی برگشت پذیر را به عنوان $A_(+0)$ نشان دهیم.

بیایید همان چرخه را با سرعت بالا و در حضور اصطکاک انجام دهیم. اگر گاز به سرعت منبسط شود، فشار آن در نزدیکی پیستون کمتر از زمانی است که گاز به آرامی منبسط شود، زیرا خلاء ایجاد شده در زیر پیستون با سرعت محدود به کل حجم گسترش می یابد. از این نظر، کار گاز در افزایش حجم غیرقابل برگشت کمتر از برگشت پذیر است:

اگر گاز را به سرعت فشرده کنید، فشار اطراف پیستون بیشتر از فشار آهسته است. این بدان معنی است که میزان کار منفی انجام شده توسط سیال عامل در تراکم برگشت ناپذیر بیشتر از فشرده سازی برگشت پذیر است:

ما دریافتیم که کار گاز در چرخه $A$ یک ماشین برگشت ناپذیر، محاسبه شده با فرمول (5) که به دلیل گرمای دریافتی از بخاری انجام می شود، کمتر از کار انجام شده در چرخه توسط یک موتور حرارتی برگشت پذیر خواهد بود:

اصطکاک موجود در یک موتور حرارتی برگشت ناپذیر منجر به تبدیل بخشی از کار انجام شده توسط گاز به گرما می شود که باعث کاهش راندمان موتور می شود.

بنابراین، می توان نتیجه گرفت که راندمان موتور حرارتی یک ماشین برگشت پذیر بیشتر از یک ماشین برگشت ناپذیر است.

تبصره 2

جسمی که سیال عامل با آن گرما را مبادله می کند، مخزن گرما نامیده می شود.

یک موتور حرارتی برگشت‌پذیر چرخه‌ای را تکمیل می‌کند که در آن بخش‌هایی وجود دارد که سیال عامل گرما را با بخاری و یخچال تبادل می‌کند. فرآیند تبادل گرما تنها در صورتی برگشت پذیر است که در هنگام دریافت گرما و برگشت آن در زمان حرکت معکوس، سیال کار دارای دمای یکسانی برابر با دمای مخزن گرما باشد. به طور دقیق تر، دمای بدنی که گرما دریافت می کند باید مقدار بسیار کمی کمتر از دمای مخزن باشد.

چنین فرآیندی ممکن است یک فرآیند همدما باشد که در دمای مخزن رخ می دهد.

برای اینکه یک موتور حرارتی کار کند، باید دو مخزن حرارتی (یک بخاری و یک یخچال) داشته باشد.

چرخه برگشت پذیر، که در یک موتور حرارتی توسط سیال کار انجام می شود، باید از دو ایزوترم (در دمای مخازن حرارتی) و دو آدیابات تشکیل شده باشد.

فرآیندهای آدیاباتیک بدون تبادل حرارت رخ می دهند. در فرآیندهای آدیاباتیک، انبساط و فشرده سازی گاز (سیال کار) رخ می دهد.

واقعیت های مدرن شامل عملیات گسترده موتورهای حرارتی است. تلاش های متعدد برای جایگزینی آنها با موتورهای الکتریکی تاکنون شکست خورده است. حل مشکلات مربوط به انباشت برق در سیستم های خودمختار دشوار است.

با در نظر گرفتن استفاده طولانی مدت از آنها، هنوز مشکلات فناوری برای ساخت باتری های برقی مرتبط است. مشخصات سرعت خودروهای الکتریکی با خودروهای موتورهای احتراق داخلی فاصله زیادی دارد.

اولین قدم ها در جهت ایجاد موتورهای هیبریدی می تواند به طور قابل توجهی انتشارات مضر را در کلان شهرها کاهش دهد و مشکلات زیست محیطی را حل کند.

کمی تاریخ

امکان تبدیل انرژی بخار به انرژی حرکتی در دوران باستان شناخته شده بود. 130 قبل از میلاد: هرون فیلسوف اسکندریه یک اسباب بازی بخار - aeolipil را به حاضران ارائه کرد. یک کره پر از بخار تحت تأثیر جت های خارج شده از آن شروع به چرخش کرد. این نمونه اولیه از توربین های بخار مدرن در آن روزها کاربرد پیدا نکرد.

برای سال ها و قرن ها، پیشرفت های فیلسوف فقط یک اسباب بازی سرگرم کننده در نظر گرفته می شد. در سال 1629، D. Branchi ایتالیایی یک توربین فعال ایجاد کرد. بخار دیسک مجهز به تیغه را به حرکت در می آورد.

از آن لحظه توسعه سریع موتورهای بخار آغاز شد.

موتور گرمایی

تبدیل سوخت به انرژی برای حرکت قطعات ماشین آلات و مکانیزم ها در موتورهای حرارتی استفاده می شود.

قسمت های اصلی ماشین آلات: بخاری (سیستمی برای دریافت انرژی از خارج)، سیال کار (عمل مفیدی انجام می دهد)، یخچال.

بخاری طوری طراحی شده است که اطمینان حاصل شود که سیال کار منبع کافی از انرژی داخلی را برای انجام کار مفید جمع می کند. یخچال انرژی اضافی را از بین می برد.

مشخصه اصلی راندمان راندمان موتورهای حرارتی نامیده می شود. این مقدار نشان می دهد که چه بخشی از انرژی صرف شده برای گرمایش صرف انجام کارهای مفید می شود. هرچه راندمان بالاتر باشد، عملکرد دستگاه سودآورتر است، اما این مقدار نمی تواند از 100٪ تجاوز کند.

محاسبه بازده

اجازه دهید بخاری از خارج انرژی برابر Q 1 دریافت کند. سیال عامل کار A را انجام داد، در حالی که انرژی داده شده به یخچال Q2 بود.

بر اساس تعریف، کارایی را محاسبه می کنیم:

η= A / Q 1 . ما در نظر می گیریم که A \u003d Q 1 - Q 2.

از اینجا، بازده موتور حرارتی، که فرمول آن به شکل η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1 است، به ما امکان می دهد نتایج زیر را بگیریم:

• راندمان نباید از 1 (یا 100%) تجاوز کند.
• برای به حداکثر رساندن این مقدار، یا افزایش انرژی دریافتی از بخاری یا کاهش انرژی داده شده به یخچال ضروری است.
• افزایش انرژی بخاری با تغییر کیفیت سوخت حاصل می شود.
• ویژگی های طراحی موتورها می تواند انرژی داده شده به یخچال را کاهش دهد.

موتور حرارتی ایده آل

آیا می توان چنین موتوری ایجاد کرد که راندمان آن حداکثر (در حالت ایده آل برابر با 100٪) باشد؟ سعدی کارنو، فیزیکدان نظری فرانسوی و مهندس با استعداد، تلاش کرد تا پاسخ این سوال را بیابد. در سال 1824، محاسبات نظری او در مورد فرآیندهایی که در گازها اتفاق می افتد، عمومی شد.

ایده اصلی ذاتی ماشین ایده آل را می توان انجام فرآیندهای برگشت پذیر با گاز ایده آل در نظر گرفت. ما با انبساط گاز به صورت همدما در دمای T 1 شروع می کنیم. مقدار گرمای مورد نیاز برای این کار Q 1 است. پس از اینکه گاز بدون تبادل حرارت منبسط شد، پس از رسیدن به دمای T 2، گاز به صورت همدما فشرده می شود و انرژی Q2 را به یخچال منتقل می کند. بازگشت گاز به حالت اولیه آدیاباتیک است.

راندمان یک موتور حرارتی ایده آل کارنو، زمانی که به طور دقیق محاسبه شود، برابر است با نسبت اختلاف دمای دستگاه های گرمایشی و سرمایشی به دمایی که بخاری دارد. به نظر می رسد: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

راندمان احتمالی یک موتور حرارتی که فرمول آن این است: η= 1 - T 2 / T 1 فقط به دمای بخاری و کولر بستگی دارد و نمی تواند بیش از 100٪ باشد.

علاوه بر این، این نسبت به ما امکان می دهد ثابت کنیم که راندمان موتورهای حرارتی تنها زمانی که یخچال به دما می رسد می تواند برابر با واحد باشد. همانطور که می دانید این ارزش دست نیافتنی است.

محاسبات نظری کارنو امکان تعیین حداکثر بازده موتور حرارتی با هر طرحی را فراهم می کند.

قضیه اثبات شده توسط کارنو به شرح زیر است. یک موتور حرارتی دلخواه تحت هیچ شرایطی قادر به داشتن ضریب بازدهی بیشتر از مقدار مشابه بازده یک موتور حرارتی ایده آل نیست.

نمونه ای از حل مسئله

مثال 1. اگر دمای بخاری 800 درجه سانتیگراد و دمای یخچال 500 درجه سانتیگراد کمتر باشد، بازده یک موتور حرارتی ایده آل چقدر است؟

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K، ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K، η -؟

طبق تعریف: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

دمای یخچال به ما داده نمی شود، اما ∆T = (T 1 - T 2)، از اینجا:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0.46.

پاسخ: راندمان = 46٪.

مثال 2. راندمان یک موتور حرارتی ایده آل را در صورتی که 650 ژول کار مفید به دلیل یک کیلوژول انرژی بخاری به دست آمده انجام شود، تعیین کنید، اگر دمای مایع خنک کننده 400 کلوین باشد، دمای بخاری موتور حرارتی چقدر است؟

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

در این مشکل ما در مورد نصب حرارتی صحبت می کنیم که بازده آن را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد:

برای تعیین دمای بخاری از فرمول راندمان یک موتور حرارتی ایده آل استفاده می کنیم:

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

پس از انجام تبدیل های ریاضی، به دست می آوریم:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

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

بیایید محاسبه کنیم:

η= 650 J / 1000 J = 0.65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142.8 K.

پاسخ: η \u003d 65٪، T 1 \u003d 1142.8 K.

شرایط واقعی

موتور حرارتی ایده آل با در نظر گرفتن فرآیندهای ایده آل طراحی شده است. کار فقط در فرآیندهای همدما انجام می شود، مقدار آن به عنوان ناحیه محدود شده توسط نمودار چرخه کارنو تعریف می شود.

در واقع، ایجاد شرایط برای فرآیند تغییر حالت گاز بدون تغییرات دما غیرممکن است. هیچ ماده ای وجود ندارد که تبادل حرارت با اجسام اطراف را حذف کند. فرآیند آدیاباتیک دیگر امکان پذیر نیست. در مورد انتقال حرارت، دمای گاز لزوما باید تغییر کند.

راندمان موتورهای حرارتی ایجاد شده در شرایط واقعی به طور قابل توجهی با راندمان موتورهای ایده آل متفاوت است. توجه داشته باشید که فرآیندها در موتورهای واقعی به قدری سریع هستند که تغییر در انرژی حرارتی داخلی ماده کار در فرآیند تغییر حجم آن را نمی توان با هجوم گرما از بخاری جبران کرد و به کولر بازگرداند.

سایر موتورهای حرارتی

موتورهای واقعی در چرخه های مختلف کار می کنند:

• چرخه اتو: فرآیند در حجم ثابت به صورت آدیاباتیک تغییر می کند و یک چرخه بسته ایجاد می کند.
• چرخه دیزل: ایزوبار، آدیابات، ایزوکر، آدیابات;
• فرآیندی که در فشار ثابت اتفاق می افتد با یک آدیاباتیک جایگزین می شود و چرخه را می بندد.

ایجاد فرآیندهای تعادلی در موتورهای واقعی (برای نزدیکتر کردن آنها به موتورهای ایده آل) تحت فناوری مدرن امکان پذیر نیست. راندمان موتورهای حرارتی به میزان قابل توجهی کمتر است، حتی با در نظر گرفتن شرایط دمایی مشابه در یک تاسیسات حرارتی ایده آل.

اما شما نباید نقش فرمول محاسبه راندمان را کاهش دهید، زیرا این است که نقطه شروع در روند کار برای افزایش راندمان موتورهای واقعی است.

راه های تغییر کارایی

هنگام مقایسه موتورهای حرارتی ایده آل و واقعی، شایان ذکر است که دمای یخچال دومی نمی تواند هیچ باشد. معمولاً جو را یخچال می دانند. دمای جو را فقط در محاسبات تقریبی می توان اندازه گیری کرد. تجربه نشان می دهد که دمای مایع خنک کننده با دمای گازهای خروجی در موتورها برابر است، همانطور که در موتورهای احتراق داخلی (موتورهای احتراق داخلی به اختصار) چنین است.

ICE رایج ترین موتور حرارتی در جهان ما است. راندمان یک موتور حرارتی در این مورد به دمای ایجاد شده توسط سوخت سوزان بستگی دارد. یک تفاوت اساسی بین موتورهای احتراق داخلی و موتورهای بخار، ادغام عملکردهای بخاری و سیال کار دستگاه در مخلوط هوا و سوخت است. در حال سوختن، مخلوط باعث ایجاد فشار بر روی قسمت های متحرک موتور می شود.

افزایش دمای گازهای کار با تغییر قابل توجه خواص سوخت حاصل می شود. متأسفانه انجام این کار به طور نامحدود امکان پذیر نیست. هر ماده ای که محفظه احتراق موتور از آن ساخته شده باشد، نقطه ذوب خاص خود را دارد. مقاومت حرارتی چنین موادی ویژگی اصلی موتور و همچنین توانایی تأثیر قابل توجهی بر راندمان است.

مقادیر راندمان موتور

اگر دمای بخار کاری که در ورودی آن 800 کلوین و گاز خروجی آن 300 کلوین است را در نظر بگیریم، بازده این دستگاه 62 درصد است. در واقع، این مقدار از 40٪ تجاوز نمی کند. چنین کاهشی به دلیل تلفات حرارتی در هنگام گرم کردن محفظه توربین رخ می دهد.

بالاترین مقدار احتراق داخلی از 44٪ تجاوز نمی کند. افزایش این ارزش موضوعی در آینده نزدیک است. تغییر خواص مواد، سوخت مشکلی است که بهترین ذهن بشر روی آن کار می کند.