شرایط لازم برای کارکرد موتورهای حرارتی

ایجاد و توسعه ترمودینامیک، اول از همه، به دلیل نیاز به توصیف کار و محاسبه پارامترها بود. ماشین های حرارتی . ماشین های حرارتی، یا موتورهای حرارتی، برای به دست آوردن کار فنی (مفید) به دلیل گرمای آزاد شده در اثر واکنش های شیمیایی (احتراق سوخت)، واکنش های هسته ای یا به دلایل دیگر مانند گرمایش با انرژی خورشیدی طراحی شده اند.

با توجه به اصول اولیه کارکرد موتورهای حرارتی، صرف نظر از طراحی آنها، این نتیجه حاصل می شود که تبدیل مداوم انرژی حرارتی به کارهای مکانیکیدر آنها با کمک انجام می شود بدنه کمکی ، در ترمودینامیک نامیده می شود بدنه کار . همانطور که قبلا ذکر شد، مناسب ترین به عنوان کار بدن در خود مشخصات فیزیکیگازها و بخارات مایعات است، زیرا آنها با بیشترین توانایی برای تغییر حجم خود در هنگام تغییر مشخص می شوند. آر و تی .

علاوه بر این، کارکرد این ماشین ها تنها در صورت رعایت دو شرط ضروری امکان پذیر است. شرط اول آن است هر موتور حرارتی باید به صورت چرخه ای کار کند, یعنی بدنه کار با انجام یکسری فرآیندهای انبساط و انقباض در یک دوره زمانی معین، باید به حالت اولیه خود بازگردد. این چرخه باید در تمام مدت کارکرد دستگاه تکرار شود و بسته به طراحی موتور حرارتی، می توان قسمت های جداگانه چرخه را در قسمت های مختلف آن انجام داد. قطعات تشکیل دهنده. به عنوان مثال، در غیاب چرخه، در هر فرآیند فقط انبساط گاز در محفظه کار (سیلندر موتور احتراق داخلی، کانال های پره های کار توربین های بخار و گاز) یک موتور حرارتی، به ترتیب، لحظه ای فرا می رسد که آر و تی سیال کار برابر خواهد شد آر و تی محیط، و این کار را متوقف می کند. در این مورد، شما می توانید تنها مقدار محدودی کار کنید. برای به دست آوردن مجدد کار، یا باید سیال کار را در طی فرآیند فشرده سازی به حالت اولیه خود برگردانید یا به نحوی سیال کار مصرف شده را از محفظه کار خارج کنید و این محفظه را با قسمت جدیدی از این بدنه پر کنید. از نقطه نظر تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی عملکرد یک موتور حرارتی، اصلاً نیازی به پرداختن به بخش های جدید سیال کار نیست، زیرا برای فرآیند تبدیل انرژی حرارتی به کار مکانیکی، مهم نیست که آیا سیال کار قدیمی در محفظه کار باقی می ماند یا یک سیال جدید وارد می شود. بنابراین، می توان فرض کرد که سیلندر یک موتور حرارتی حاوی همان مقدار سیال در حال کار است که به صورت چرخه ای با عبور از یک سری تغییرات در حالت خود از اولیه به نهایی و بالعکس، انرژی حرارتی را به کار مکانیکی تبدیل می کند.

v

پ

v2

v1

R 1

R 2

q 1

q2

شکل 6.6.1. چرخه موتور حرارتی

چرخه دایره ای موتور حرارتی نشان داده شده در شکل را در نظر بگیرید. در روند گسترش سیال کار در طول خط 1-3-2 به آن از منبع انرژی حرارتی با درجه حرارت تی 1 , یعنی از منبع گرمای داغ ، گرما به مقدار عرضه می شود q 1 . در نتیجه، افزایش اضافی در حجم سیال کار وجود دارد. بنابراین، انبساط سیال عامل هم با کاهش فشار در محفظه کار و هم با افزایش دمای آن انجام می شود. با این حال، برای به دست آوردن کار مکانیکی، فرآیند انبساط سیال کاری گرم شده در محفظه کار باید تحت فشار متضاد خاصی از کنار سطوح متحرک محفظه کار انجام شود. این منجر به یک کار مکانیکی خاص مثبت می شود ل 1 ، یعنی کار گسترش بدنه کار، معادل مساحت است S 1-3-2-6-5-1 . با رسیدن به نقطه 2 سیال کار باید به حالت اولیه یعنی به نقطه 1 برگردد برای این کار باید سیال کار را فشرده کنید.

برای اینکه یک موتور حرارتی به طور مداوم انرژی مکانیکی تولید کند، کار انبساط سیال کار باید باشد کار بیشترفشرده سازی آن بنابراین منحنی فشرده سازی 2-4-1 باید زیر منحنی انبساط قرار گیرد. اگر فرآیند فشرده سازی در امتداد خط پیش رود 2-3-1 ، پس هیچ کار فنی، یعنی مفید دریافت نمی شود، زیرا در این صورت خواهد بود ل 1 = ل 2 ، جایی که ل 2 کار اختصاصی منفی فشرده سازی سیال عامل است. بنابراین برای به دست آوردن کار مفید باید فشار سیال عامل را در حین فرآیند انبساط به دلیل حذف بخشی از گرما از آن کاهش داد. q 2 به منبع گرمایی با دمای پایین تر تی 2 , یعنی به منبع گرمای سرد . به ترتیب، ل 2 معادل مساحت S 2-4-1-5-6-2 . در نتیجه، هر کیلوگرم سیال عامل در هر چرخه تولید می شود کار مفید لج، که معادل مساحت است S 1-3-2-4-1 ، توسط کانتور چرخه محدود شده است. بنابراین برای کار مداومیک موتور حرارتی نیاز به یک فرآیند چرخه ای دارد که در آن گرما از یک منبع داغ به سیال کار می رسد q 1 و از آن به منبع گرمای سرد منتقل می شود q 2 . وجود حداقل دو منبع حرارتی با دماهای مختلف - گرم و سرد - دومین شرط لازم برای کارکرد موتورهای حرارتی است. .

تاکید بر اینکه همه چیز گرم است بسیار مهم است q 1 دریافت شده توسط سیال عامل از یک منبع داغ نمی تواند به کار تبدیل شود. قسمت q 1 ، به این معنا که q 2 ، لزوماً باید به بدن (جسم) دیگری با دمای کمتر داده شود. چنین بدنی می تواند باشد هوای جوی, حجم زیادآب و امثال آن تلاش های متعدد برای ایجاد یک موتور حرارتی که در آن همه چیز گرم است q 1 تبدیل به کار می شد، یعنی برابری وجود داشت q 2 = 0، به ناچار با شکست به پایان رسید. چنین ماشینی که می توانست تمام گرمای عرضه شده به آن را به کار تبدیل کند، نامیده می شد دستگاه حرکت دائمی از نوع دوم , یا موبایل دائمی (موبایل دائمی) نوع دوم . تمام مواد تجربی انباشته شده توسط علم نشان می دهد که چنین موتوری غیرممکن است.

یک بار دیگر متذکر می شویم که وجود منبع گرمای سرد و انتقال بخشی از گرمای دریافتی از منبع گرم به آن الزامی است، زیرا در غیر این صورت کارکرد موتور حرارتی غیرممکن است. در واقع، برای به دست آوردن کار مکانیکی پیوسته، لازم است یک جریان انرژی، در این موردجریان دما. اگر منبع سرد وجود نداشته باشد، سیال عامل به ناچار با منبع گرم به تعادل حرارتی می رسد و جریان گرما متوقف می شود.

1-3-2 و 2-4-1 بر این اساس به نظر می رسد:

q 1 = + Du+ ل 1 ;

مقادیر q 2 و ل 2 باید مدولو گرفته شود، که از اشتباه گرفتن با علائم y جلوگیری می کند q 2 , زیرا گرمای خروجی از سیستم علامت منفی دارد. انرژی داخلی سیال کار برای چرخه نباید تغییر کند و بنابراین قبل از آن Du در معادلات دقیقاً در مقابل علائم جبری قرار داده شده است. با جمع کردن این معادلات به دست می آید:

q 1 - | q 2 | = q c = ل 1-½ ل 2 ½ = لج (6.6.1)

جایی که q c - بخشی از گرمای منبع داغ که در چرخه به کار تبدیل می شود. l c - چرخه کار 1-3-2-4-1 .

از آنجایی که در مورد مورد بررسی ل 1 > ل 2 ، سپس چرخه کار مثبت است. همانطور که در (6.6.1) نشان داده شده است، برابر است با اختلاف بین گرمای عرضه شده و حذف شده در چرخه.

راندمان تبدیل q 1 V لجارزیابی شد بازده چرخه موتور حرارتی (ترمودینامیکی، حرارتی):

. (6.6.2)

بنابراین، بازده حرارتی یک چرخه موتور حرارتی، نسبت کار مفید به دست آمده در چرخه است. لجبه تمام گرمای وارد شده به سیال کار q 1 .

چرخه ای متشکل از فرآیندهای برگشت پذیر را ایده آل می نامند. در این حالت سیال کار در چنین سیکلی نباید در معرض تغییرات شیمیایی قرار گیرد. اگر حداقل یکی از فرآیندهای موجود در چرخه غیرقابل برگشت باشد، آنگاه چرخه دیگر ایده آل نخواهد بود. برای انجام یک چرخه ایده آل در یک موتور حرارتی (موتور)، نباید تلفات حرارتی و مکانیکی وجود داشته باشد. به چنین ماشینی موتور حرارتی ایده آل (موتور حرارتی ایده آل) می گویند.

زیرا ½ q 2½> 0، سپس h T< 1.0، یعنی راندمان یک موتور حرارتی، حتی یک موتور ایده آل، همیشه کمتر از 1.0 خواهد بود. نتایج مطالعات چرخه های ایده آل را می توان با معرفی عوامل تصحیح تجربی به فرآیندهای واقعی، یعنی غیرقابل برگشت موتورهای حرارتی واقعی منتقل کرد.

رابطه (6.6.2) بیانی ریاضی از اصل هم ارزی انرژی حرارتی و مکانیکی است. اگر منبع سرد از مدار موتور حرارتی حذف شود، به طور رسمی اصل هم ارزی نقض نمی شود. با این حال، همانطور که در بالا ذکر شد، چنین دستگاهی کار نخواهد کرد.

چرخه هایی که منجر به کار مثبت می شود، یعنی زمانی که ل 1 > ل 2 ، نامیده می شوند چرخه های مستقیم , یا چرخه های موتور حرارتی . این چرخه ها توسط موتورهای احتراق داخلی استفاده می شود. موتور جت، توربین های گاز و بخار و غیره.

اگر چرخه نشان داده شده در شکل 6.6.1 به صورت جریان در جهت مخالف، یعنی در امتداد یک منحنی بسته ارائه شود. 1-4-2-3-1 (شکل 6.6.2 را ببینید)، سپس برای اجرای آن لازم است کار انجام شود لج، که قبلا منفی و معادل مساحت خواهد بود S 1-4-2-3-1 . بدنه خنک شده در چنین ماشینی منبع گرمای سرد است و بدنه گرم شده محیط است، یعنی منبع گرمای گرم. به چنین چرخه هایی سیکل های تبرید می گویند.یا چرخه های تبرید (معکوس)

برای حمایت دمای پایینبدن سرد شده، لازم است به طور مداوم گرما را از آن خارج کنید q 2 ، که از منبع سرد وارد سیال کار می شود. این خروج در چرخه تبرید در فرآیند انجام می شود 1-4-2 انبساط سیال عامل، که این گرما را درک کرده و در همان زمان عمل می کند کار مثبت ل 2 ، معادل مساحت
S 1-4-2-6-5-1 . بازگشت سیال عامل به حالت اولیه در فرآیند فشرده سازی در طول منحنی اتفاق می افتد 2-3-1 در بالای منحنی فرآیند انبساط قرار دارد، یعنی در فرآیندی که در شرایط دمایی بالاتر رخ می دهد. این امکان انتقال گرمای خارج شده از سیال کار را فراهم می کند q 1 یک منبع گرم گرما که معمولاً محیط است. کار منفی صرف فشرده سازی می شود ل 1 بر روی نمودار مساحت تعیین می شود S 2-3-1-5-6-2 .

v

پ

v2

v1

R 1

R 2

q 1

q2

برنج. 6.6.2. چرخه چیلر

معادله قانون 1 ترمودینامیک برای فرآیندها 1-4-2 و 2-3-1 با در نظر گرفتن علائم جبری در جلوی اجزاء، به ترتیب به شکل زیر است:

q2 = + Du+ ل 2 -½ q 1 ½ = - Du- ½ ل 1 ½.

با جمع کردن اجزای هر دو معادله به دست می آید:

q 2 - ½ q 1 ½ = - (½ ل 1 ½ - ل 2) = -½ لج ½ (6.6.3)

½ q 1 ½ = q 2+½ لج ½ (6.6.4)

این عبارت آن گرما را نشان می دهد q 1 ، به منبع گرمای گرم منتقل می شود، از گرما تشکیل شده است q 2 ، که از منبع گرمای سرد وارد سیال کار می شود و کار سیکل است لج. زیرا ½ ل 1 ½ > ل 2 ، آن لج < 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 سیستم عامل و ایجاد شده در جای مناسبدما کمتر از دما است سیستم عامل . با توجه به تبرید (چرخه معکوس) دستگاه های تبرید، پمپ های حرارتی و غیره.

کارایی دستگاه تبرید توسط به اصطلاح ارزیابی می شود ضریب عملکرد e, با نسبت ظرفیت محدود گرمای مفید گرفته شده از منبع سرد تعیین می شود q 2 به کار انجام شده لج:

. (6.6.5)

ضریب عملکرد، کارایی انتقال حرارت از منبع گرمای سرد به منبع گرمای گرم را مشخص می کند. هر چه بیشتر باشد، مقدار گرما بیشتر می شود q 2 از منبع گرمای سرد گرفته شده و به منبع گرمای گرم منتقل می شود و کار کمتری برای آن صرف می شود لج. بر خلاف بازده حرارتی (ترمودینامیکی، حرارتی) h T ضریب عملکرد 𝜺 می تواند بزرگتر، کمتر و برابر با یک باشد.

در یخچال q 1 در محیط منتشر می شود که این است منبع ظرفیت نامحدود . بنابراین می توان از دستگاه تبرید نه تنها برای خنک کردن اجسام مختلف، بلکه برای گرم کردن اتاق نیز استفاده کرد. در واقع، حتی یک یخچال معمولی خانگی، در حالی که محصولات قرار داده شده در آن را خنک می کند، به طور همزمان هوای اتاق را گرم می کند. اصل گرمایش دینامیکی توسط دبلیو تامسون پیشنهاد شد و اساس کار مدرن است پمپ های حرارتی . پمپ های حرارتی ماشین هایی هستند که محصول اصلی آنها حرارت است. q 1 منتقل شده است به منبعی با ظرفیت محدود . اثربخشی آنها ارزیابی می شود ضریب گرمایش ، که نسبت گرمای منتقل شده به مصرف کننده است q 1 به لج:

در این مورد، گرم q 2 از منبعی با ظرفیت نامحدود (هوای جوی، حجم زیاد آب، توده سنگ) گرفته شده است.

مزیت پمپ حرارتی نسبت به بخاری برقیاین شامل این واقعیت است که نه تنها انرژی الکتریکی تبدیل شده به گرما برای گرم کردن محل استفاده می شود، بلکه از گرمای گرفته شده از محیط نیز استفاده می شود. بنابراین راندمان پمپ های حرارتی می تواند بسیار بیشتر از راندمان بخاری های برقی باشد.

ترکیب چرخه موتور و پمپ حرارتی یا چرخه های تبرید یک چرخه است ترانسفورماتور حرارتی , که به شما امکان می دهد گرما را از یک منبع با یکی پمپاژ کنید تی به منبع از سوی دیگر تی در طول سیکل ترکیبی هدف ترانسفورماتور حرارتی تغییر پتانسیل حرارتی است. اگر ترانسفورماتور طوری طراحی شده باشد که حرارت کمتری تولید کند تی, نسبت به اصل تی چشمه آب گرم، سپس چنین ترانسفورماتور نامیده می شود پایین آوردن . اگر گرما در ترانسفورماتور در تی بالاتر از گرمای اصلی است، پس چنین ترانسفورماتور نامیده می شود بالا بردن .

بنابراین، عملکرد هر دستگاه گرما یا تبرید تنها در صورت وجود دو منبع گرما امکان پذیر است: گرم و سرد.

ماشین هایی که در آنها انرژی داخلی سوخت به انرژی مکانیکی تبدیل می شود نامیده می شوند موتورهای حرارتیاینها عبارتند از: موتورهای احتراق داخلی، توربین های بخار و گاز، موتورهای جت. اجازه دهید دریابیم که چه شرایطی برای تبدیل انرژی داخلی سوخت به انرژی مکانیکی شفت کار موتور در یک موتور حرارتی لازم است.

ماده ای که در موتور حرارتی کار می کند نامیده می شود بدنه کاردر موتورهای بخار این بخار و در موتور احتراق داخلی، موتور جت و توربین گاز گاز است. همانطور که تئوری موتورهای حرارتی نشان می دهد، برای اینکه سیال عامل به طور مداوم در آنها کار کند، وجود بخاری و یخچال در موتور ضروری است. دستگاهی که در آن سیال عامل توسط انرژی سوخت گرم می شود نامیده می شود بخاری(دیگ بخار، سیلندر). دستگاهی که در آن سیال عامل پس از انجام کار خنک می شود نامیده می شود یخچال(اتمسفر، کندانسوری است که در آن بخار خروجی توسط آب جاری خنک شده و به آب تبدیل می شود).

بیایید آزمایش زیر را انجام دهیم (شکل 30). یک لوله U شکل پر از آب بردارید. یک زانو لوله به یک گیرنده گرما (که مایع کار در آن قرار دارد - گاز) وصل شده است، در زانوی دیگر یک شناور A وجود دارد. ما به طور متناوب گیرنده گرما را با یک لامپ روح گرم می کنیم و آن را در آب سرد پایین می آوریم. . لامپ روح به عنوان یک گرم کننده برای مایع کار، آب سرد به عنوان یک یخچال عمل می کند. عملکرد چنین مدلی از موتور حرارتی شامل یک فرآیند تکراری است - بالا بردن و پایین آوردن آب همراه با شناور. این اتفاق می افتد: سیال کار (گاز)، گرم شدن در بخاری و انبساط، کار بالا بردن آب را با شناور انجام می دهد. برای اینکه مایع کار بتواند دوباره کار کند، آن را در یخچال سرد کرده و دوباره گرم می کنند. در حالی که این روند تکرار خواهد شد - مدل چنین موتوری کار خواهد کرد.

موتور حرارتی به طور مداوم کار می کند. این به این دلیل اتفاق می افتد که در آن فرآیندهایی که با سیال کار اتفاق می افتد به طور دوره ای تکرار می شوند: گرم می شود، منبسط می شود، کار می کند، سرد می شود، دوباره گرم می شود و غیره (این را در عملکرد یک موتور احتراق داخلی دنبال کنید. بنابراین، برای کارکرد یک موتور حرارتی، داشتن: بخاری، مایع کار و یخچال ضروری است.

برای فرآیندهای تکراری دوره ای، قانونی کشف شد که بر اساس آن انجام چنین فرآیندی که به صورت دوره ای تکرار می شود، تنها و غیرممکن است نتیجه نهاییکه تبدیل کامل مقدار گرمای دریافتی از بخاری به کار خواهد بود.در رابطه با یک موتور حرارتی، این بدان معنی است: مقدار گرمای دریافتی توسط سیال عامل از بخاری را نمی توان به طور کامل برای انجام کار استفاده کرد، زیرا فرآیند انتقال کامل انرژی داخلی از حرکت تصادفی تعداد زیادی مولکول به انرژی مکانیکی حرکت بدن (پیستون موتور، پروانه توربین) غیرممکن است.

برای اینکه سیال کار بارها و بارها در موتورهای حرارتی واقعی کار کند، قسمت مصرف شده سیال کار از موتور به یخچال، یعنی به اتمسفر، یا کندانسور برای گرم کردن آب، یا برای گرمایش (شکل 31). در عین حال، برای حذف هرچه کمتر کار، دما و فشار یخچال همیشه کمتر از محفظه کار موتور است. به دلیل تفاوت بین کار بخار و کار حذف آن، موتور کار مفیدی انجام می دهد. از نقطه نظر انرژی، فرآیندی که در موتورهای حرارتی رخ می دهد به شرح زیر است (شکل 32): سیال عامل مقدار گرما را از بخاری دریافت می کند Q n، که بخشی از آن به یخچال می دهد Q xو با توجه به باقی مانده، کار A \u003d Q n - Q x را انجام می دهد.

کاربردهای زیادی برای موتورهای حرارتی وجود دارد. موتورهای کاربراتوریبه عنوان مثال، در اتومبیل ها، موتور سیکلت ها استفاده می شود. موتورهای دیزل - در تراکتور، اتومبیل وظیفه ی سنگین, لوکوموتیوهای دیزلی, کشتی های موتوری, کشتی های دریایی; توربین های بخار - در نیروگاه ها؛ توربین های گاز - در نیروگاه ها، لوکوموتیوهای توربین گازی، در کوره های بلند برای راندن دمنده ها، بخشی از یکی از انواع موتور جت هستند. موتورهای جت - در هوانوردی، در موشک.

موتور حرارتی گرما را به کار تبدیل می کند، به عبارت دیگر گرما را از برخی اجسام گرفته و به صورت کار مکانیکی به اجسام دیگر منتقل می کند. برای انجام این دگرگونی، داشتن دو جسم متفاوت با حرارت لازم است که تبادل حرارت بین آنها امکان پذیر است. برای اختصار بدنه گرمتر را بخاری و بدنه سردتر را یخچال می نامیم. در حضور چنین دو جسم، فرآیند تبدیل گرما به کار به شرح زیر ترسیم می شود: یک بدنه قابل انبساط (بدنه کار) با یک بخاری در تماس است. گرما از بخاری گرفته می شود و برای کار انبساط استفاده می شود که به بدنه های اطراف داده می شود. علاوه بر این، سیال کار با یخچال تماس پیدا می کند و به آن گرما می دهد

به دلیل کار انجام شده توسط نیروهای خارجی بر روی بدنه کار.

برای به دست آوردن یک موتور حرارتی که به طور مداوم کار می کند، لازم است که سکته فشرده سازی در نقطه ای که سکته انبساط شروع شده است، پایان یابد. به طور خلاصه، فرآیند باید چرخه ای باشد. بدنه کارپس از هر چرخه به حالت اولیه خود باز می گردد. بنابراین قانون بقای انرژی ایجاب می کند که انرژی دریافتی از اجسام اطراف برابر با انرژی منتقل شده به اجسام اطراف باشد. از محیط دریافتی: گرما در حین انبساط و کار A 2 در هنگام فشرده سازی سیال کار. با توجه به محیط: کار A! هنگام انبساط بدن و گرما هنگام انقباض. بنابراین، یا هنگامی که چرخه در جهت عقربه های ساعت انجام می شود، کار فشرده سازی کار کمترپسوندها بنابراین، آخرین برابری بیانگر این واقعیت ساده است که کار خالص توسط بدن کار منتقل می شود محیط خارجی، برابر است با اختلاف حرارت دریافتی از بخاری و داده شده به یخچال. بر این اساس، ضریب اقدام مفیدچرخه، و از این رو کل ماشین، برابر خواهد بود

روند شرح داده شده عملکرد یک موتور حرارتی، البته، یک طرح انتزاعی است. با این حال، ضروری ترین ویژگی های هر موتور حرارتی توسط این طرح منتقل می شود. سیال عامل یک گاز یا بخار منبسط و منقبض است که محیط نقش یک یخچال را ایفا می کند. بخاری یک دیگ بخار یا در موتورهای احتراق داخلی یک مخلوط قابل احتراق است.

همین سه سیستم برای یک ماشین تبرید که چرخه در آن انجام می شود نیز ضروری است سمت معکوس. اصل کار این دستگاه به شرح زیر است: انبساط سیال کار در هنگام تماس با یخچال انجام می شود. این کار باعث خنک شدن بیشتر بدنه سرد می شود که این وظیفه دستگاه تبرید است. علاوه بر این، برای اینکه چرخه ممکن شود، لازم است سیال کار فشرده شود و گرمای دریافتی از یخچال منتقل شود. این کار زمانی انجام می شود که سیال کار با بخاری در تماس باشد. بنابراین، بدن گرمتر حتی بیشتر گرم می شود. انتقال "غیرطبیعی" گرما از بدنی که گرمای کمتری دارد به بدنی که گرمتر می شود با کار "پرداخت" می شود. در واقع، هنگامی که چرخه در خلاف جهت عقربه‌های ساعت انجام می‌شود، برابری انرژی منتقل شده به محیط و انرژی گرفته شده از محیط (یعنی، یا جایی که هنوز شاخص 1 را به بخشی از فرآیند که در تماس با جسم داغ‌تر رخ می‌دهد، ارجاع می‌دهیم). به این معنی است: مقدار حرارت حذف شده از سیستم باید با مقدار مساوی کار مکانیکی جبران شود.

قانون دوم ترمودینامیک شرایطی را بر عملکرد یک موتور حرارتی اعمال می کند. اگر فرآیند را برگشت پذیر فرض کنیم، تغییر آنتروپی سیال عامل پس از عبور از چرخه باید برابر با صفر باشد. به عبارت دیگر تغییر کنید

آنتروپی در حین انبساط باید برابر (با علامت مخالف) با تغییر آنتروپی در حین فشرده سازی باشد، یعنی.

در صورت یک فرآیند برگشت ناپذیر، آنتروپی یک سیستم بسته متشکل از یک بخاری، یک یخچال و یک سیال کار افزایش می یابد و بنابراین

(به شما یادآوری می کنیم که یک کمیت جبری وجود دارد. گرمای ورودی به سیستم مثبت در نظر گرفته می شود.) با محاسبه مقادیر این انتگرال ها برای فرآیندهای خاص، در برخی موارد به راحتی می توان مقدار حداکثر بازده یک را پیدا کرد. چرخه خاص یک موتور حرارتی

« فیزیک - کلاس 10 "

یک سیستم ترمودینامیکی چیست و چه پارامترهایی وضعیت آن را مشخص می کند.
قانون اول و دوم ترمودینامیک را بیان کنید.

ایجاد نظریه موتورهای حرارتی بود که منجر به تدوین قانون دوم ترمودینامیک شد.

ذخایر انرژی داخلی در پوسته زمین و اقیانوس ها را می توان عملا نامحدود در نظر گرفت. اما برای حل مشکلات عملی، داشتن ذخایر انرژی هنوز کافی نیست. همچنین لازم است بتوان از انرژی برای به حرکت درآوردن ماشین ها در کارخانه ها و کارخانه ها، وسایل نقلیه، تراکتورها و سایر ماشین ها، برای چرخاندن روتور ژنراتورها استفاده کرد. جریان الکتریسیتهو غیره. بشر به موتورها نیاز دارد - وسایلی که قادر به انجام کار باشند. بیشتر موتورهای روی زمین هستند موتورهای حرارتی.

موتورهای حرارتی - وسایلی هستند که انرژی داخلی سوخت را به کار مکانیکی تبدیل می کنند.

اصل عملکرد موتورهای حرارتی.

برای اینکه موتور کار کند، اختلاف فشار در دو طرف پیستون موتور یا پره های توربین لازم است. در تمامی موتورهای حرارتی این اختلاف فشار با افزایش دما حاصل می شود بدنه کار(گاز) صدها یا هزاران درجه بالاتر از دمای محیط. این افزایش دما در هنگام احتراق سوخت اتفاق می افتد.

یکی از قطعات اصلی موتور یک مخزن پر از گاز با پیستون متحرک است. سیال کار در همه موتورهای حرارتی گازی است که در حین انبساط کار می کند. اجازه دهید دمای اولیه سیال کار (گاز) را از طریق T 1 نشان دهیم. این دما در توربین های بخاریا ماشین ها بخار را در دیگ بخار بدست می آورند. در موتورهای احتراق داخلی و توربین های گازیافزایش دما زمانی اتفاق می افتد که سوخت در داخل خود موتور سوخته شود. دمای T 1 نامیده می شود دمای بخاری.

نقش یخچال

همانطور که کار انجام می شود، گاز انرژی خود را از دست می دهد و به ناچار تا دمای مشخصی T 2 خنک می شود که معمولاً تا حدودی بالاتر از دمای محیط است. به او زنگ می زنند دمای یخچال. یخچال اتمسفر یا دستگاه های خاصبرای خنک کردن و متراکم کردن بخار خروجی - خازن ها. در حالت دوم، دمای یخچال ممکن است کمی کمتر از دمای محیط باشد.

بنابراین، در موتور، سیال عامل در هنگام انبساط نمی تواند تمام انرژی داخلی خود را برای انجام کار بدهد. بخشی از گرما به طور اجتناب ناپذیری همراه با بخار اگزوز به یخچال (اتمسفر) منتقل می شود. گازهای خروجیموتورهای احتراق داخلی و توربین های گازی.

این بخش از انرژی داخلی سوخت از بین می رود. یک موتور حرارتی به دلیل انرژی داخلی سیال کار انجام می دهد. علاوه بر این، در این فرآیند، گرما از اجسام گرمتر (هیتر) به بدنهای سردتر (یخچال) منتقل می شود. مدارموتور حرارتی در شکل 13.13 نشان داده شده است.

سیال کار موتور در هنگام احتراق سوخت مقدار گرمای Q 1 را از بخاری دریافت می کند و کار A را انجام می دهد و مقدار گرما را به یخچال منتقل می کند. Q2< Q 1 .

برای اینکه موتور به طور مداوم کار کند، باید سیال کار را به حالت اولیه خود برگرداند که در آن دمای سیال کار برابر با T 1 است. از این نتیجه می شود که عملکرد موتور مطابق با تکرار دوره ای فرآیندهای بسته یا همانطور که می گویند طبق یک چرخه اتفاق می افتد.

چرخهمجموعه ای از فرآیندها است که در نتیجه سیستم به حالت اولیه خود باز می گردد.

ضریب عملکرد (COP) یک موتور حرارتی.

عدم امکان تبدیل کامل انرژی داخلی گاز به کار موتورهای حرارتی به دلیل برگشت ناپذیری فرآیندها در طبیعت است. اگر گرما بتواند به طور خود به خود از یخچال به بخاری برگردد، آنگاه انرژی داخلی می تواند با استفاده از هر موتور حرارتی به طور کامل به کار مفید تبدیل شود. قانون دوم ترمودینامیک را می توان به صورت زیر فرموله کرد:

قانون دوم ترمودینامیک:
غیر ممکن برای ایجاد دستگاه حرکت دائمیاز نوع دوم، که گرما را به طور کامل به کار مکانیکی تبدیل می کند.

طبق قانون پایستگی انرژی، کار موتور به صورت زیر است:

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

که در آن Q 1 - مقدار گرمای دریافتی از بخاری، و Q2 - مقدار گرمای داده شده به یخچال است.

ضریب عملکرد (COP) یک موتور حرارتی، نسبت کار A انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است:

از آنجایی که در همه موتورها مقداری گرما به یخچال منتقل می شود، η< 1.

بیشترین ارزش کاراییموتورهای حرارتی

قوانین ترمودینامیک به ما این امکان را می دهد که حداکثر ممکن را محاسبه کنیم راندمان حرارتیموتوری که با بخاری با دمای T 1 و یخچال با دمای T 2 کار می کند و همچنین راه های افزایش آن را تعیین می کند.

برای اولین بار، حداکثر بازده ممکن یک موتور حرارتی توسط مهندس و دانشمند فرانسوی سادی کارنو (1796-1832) در اثر خود "تأملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" (1824) محاسبه شد. ).

کارنو موتور حرارتی ایده آلی را ارائه کرد گاز ایده آلبه عنوان یک بدنه کار یک موتور حرارتی ایده آل کارنو در چرخه ای متشکل از دو ایزوترم و دو آدیابات کار می کند و این فرآیندها برگشت پذیر در نظر گرفته می شوند (شکل 13.14). ابتدا ظرفی با گاز در تماس با بخاری قرار می گیرد، گاز به صورت همدما منبسط می شود و در دمای T 1 کار مثبتی انجام می دهد، در حالی که مقداری گرما Q 1 دریافت می کند.

سپس مخزن از نظر حرارتی عایق می شود، گاز همچنان به طور آدیاباتیک گسترش می یابد، در حالی که دمای آن به دمای یخچال T 2 کاهش می یابد. پس از آن، گاز در تماس با یخچال قرار می گیرد، تحت فشرده سازی همدما، مقدار گرمای Q 2 را به یخچال می دهد و به حجم V 4 فشرده می شود.< 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:

مطابق فرمول (13.17)، راندمان ماشینکارنو با این تفاوت نسبت مستقیم دارد دمای مطلقبخاری و یخچال.

معنی اصلی این فرمول این است که راه افزایش راندمان را نشان می دهد، برای این کار باید دمای بخاری را افزایش داد یا دمای یخچال را کاهش داد.

هر موتور حرارتی واقعی که با بخاری با دمای T 1 و یخچال با دمای T 2 کار می کند، نمی تواند بازدهی بیش از راندمان یک موتور حرارتی ایده آل داشته باشد: فرآیندهایی که چرخه یک موتور حرارتی واقعی را تشکیل می دهند، برگشت پذیر نیستند.

فرمول (13.17) یک حد نظری برای حداکثر مقدار راندمان موتورهای حرارتی می دهد. این نشان می دهد که یک موتور حرارتی کارآمدتر است، هر چه اختلاف دما بین بخاری و یخچال بیشتر باشد.

فقط در دمای یخچال، برابر با صفر مطلق، η = 1. علاوه بر این، ثابت شده است که راندمان محاسبه شده با فرمول (13.17) به ماده کار بستگی ندارد.

اما دمای یخچال که معمولاً نقش آن را جو بر عهده دارد عملا نمی تواند 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 زمانی که به اندازه کافی باشد درجه حرارت بالاذوب می شود.

اکنون تلاش اصلی مهندسان در جهت افزایش است راندمان موتوربا کاهش اصطکاک قطعات آنها، تلفات سوخت ناشی از احتراق ناقص آن و غیره.

برای توربین بخاردمای اولیه و نهایی بخار تقریباً به شرح زیر است: T 1 - 800 K و T 2 - 300 K. در این دماها حداکثر راندمان 62٪ است (توجه داشته باشید که راندمان معمولاً به صورت درصد اندازه گیری می شود). مقدار واقعی راندمان ناشی از انواع تلفات انرژی تقریباً 40٪ است. موتورهای دیزل حداکثر بازده را دارند - حدود 44٪.

حفاظت از محیط زیست.

تصورش سخت است دنیای مدرنبدون موتورهای حرارتی آنها زندگی راحت را برای ما فراهم می کنند. موتورهای حرارتی وسایل نقلیه را هدایت می کنند. حدود 80 درصد برق علیرغم وجود نیروگاه های هسته ای با استفاده از موتورهای حرارتی تولید می شود.

با این حال، در حین کار موتورهای حرارتی، آلودگی محیطی اجتناب ناپذیر رخ می دهد. این یک تناقض است: از یک طرف، بشریت هر ساله به انرژی بیشتری نیاز دارد که بخش اصلی آن از سوختن سوخت به دست می آید، از طرف دیگر، فرآیندهای احتراق به ناچار با آلودگی محیط زیست همراه است.

هنگامی که سوخت می سوزد، محتوای اکسیژن در جو کاهش می یابد. علاوه بر این، محصولات احتراق خود شکل می گیرند ترکیبات شیمیاییبرای موجودات زنده مضر است. آلودگی نه تنها در زمین، بلکه در هوا نیز رخ می دهد، زیرا هر پرواز هواپیما با انتشار ناخالصی های مضر در جو همراه است.

یکی از پیامدهای عملکرد موتورها، تشکیل دی اکسید کربن است که تابش مادون قرمز را از سطح زمین جذب می کند که منجر به افزایش دمای جو می شود. این به اصطلاح اثر گلخانه ای. اندازه گیری ها نشان می دهد که دمای جو سالانه 0.05 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. چنین افزایش مداوم دما می تواند باعث ذوب شدن یخ شود که به نوبه خود منجر به تغییر سطح آب در اقیانوس ها، یعنی سیل قاره ها می شود.

بیایید به یک مورد دیگر توجه کنیم لحظه منفیهنگام استفاده از موتورهای حرارتی بنابراین، گاهی اوقات از آب رودخانه ها و دریاچه ها برای خنک کردن موتورها استفاده می شود. سپس آب گرم شده بر می گردد. افزایش دما در بدنه های آبی تعادل طبیعی را به هم می زند، به این پدیده آلودگی حرارتی می گویند.

برای حفاظت از محیط زیست، مختلف تمیز کردن فیلترهاجلوگیری از انتشار در جو مواد مضرطراحی موتور در حال بهبود است. بهبود مستمر سوخت وجود دارد که مواد مضر کمتری در حین احتراق و همچنین فناوری احتراق آن ایجاد می کند. به طور فعال توسعه یافته است منابع جایگزینانرژی با استفاده از باد، تابش خورشیدی، انرژی هسته ای. وسایل نقلیه الکتریکی و وسایل نقلیه با انرژی خورشیدی در حال حاضر تولید می شوند.

موتور گرمایی - وسیله ای که انرژی داخلی سوخت سوخته را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند. انواع موتورهای حرارتی : 1) موتورهای احتراق داخلی: الف) دیزل، ب) کاربراتور. 2) موتور بخار; 3) توربین ها: الف) گاز، ب) بخار.

همه این موتورهای حرارتی طراحی متفاوتی دارند، اما شامل سه بخش اصلی : بخاری، محیط کار و یخچال. بخاری گرمای موتور را تامین می کند. بدنه کار بخشی از گرمای دریافتی را به کار مکانیکی تبدیل می کند. یخچالمقداری از گرما را از سیال کار می گیرد.

T1- دمای بخاری؛

T2- دمای یخچال؛

Q1- گرمای دریافتی

از بخاری؛

Q2- حرارت داده شده

یخچال و فریزر؛

آ"- کار انجام شد

موتور

عملکرد هر موتور حرارتی شامل فرآیندهای چرخه ای - چرخه های تکراری است. چرخه - این چنین دنباله ای از فرآیندهای ترمودینامیکی است که در نتیجه سیستم به حالت اولیه خود باز می گردد.

ضریب کارایی (COP) یک موتور حرارتی نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است: .

مهندس فرانسوی سعدی کارنو در نظر گرفت موتور حرارتی ایده آل با گاز ایده آل به عنوان سیال کار. او بهترین را پیدا کرد چرخه ایده آلموتور حرارتی، متشکل از دو فرآیند همدما و دو فرآیند برگشت پذیر آدیاباتیک - چرخه کارنو . راندمان چنین موتور حرارتی با بخاری در دما و یخچال در دمای: . صرف نظر از طراحی، انتخاب سیال عامل و نوع فرآیندها در یک موتور حرارتی، راندمان آن نمی تواند بیشتر از راندمان یک موتور حرارتی باشد که طبق چرخه کارنو کار می کند و دارای دمای بخاری و خنک کننده مشابه این موتور حرارتی است.

راندمان موتورهای حرارتی پایین است، بنابراین مهمترین وظیفه فنی افزایش آن است. موتورهای حرارتی دوتا دارند کاستی های قابل توجه. اول، بیشتر موتورهای حرارتی استفاده می کنند سوخت آلی، که استخراج آن به سرعت منابع سیاره را از بین می برد. ثانیاً در نتیجه احتراق سوخت، مقدار زیادی مواد مضر در محیط منتشر می شود که مشکلات زیست محیطی قابل توجهی را ایجاد می کند.

کشف در سال 1850 توسط فیزیکدان آلمانی R. Clasius با مطالعه موضوع حداکثر بازده موتورهای حرارتی همراه است. قانون دوم ترمودینامیک : چنین فرآیندی غیرممکن است که در آن گرما به طور خود به خود از اجسام سردتر به اجسام گرمتر منتقل شود.

کمیت های فیزیکی و واحدهای اندازه گیری آنها:

ارزش نام	تعیین	واحد	فرمول
وزن مولکولی نسبی	آقای(اوه)	کمیت بی بعد
جرم یک مولکول (اتم)	m0	کیلوگرم
وزن	متر	کیلوگرم
جرم مولی	م
مقدار ماده	ν (برهنه)	خال(مول)	;
تعداد ذرات	ن(en)	کمیت بی بعد
فشار	پ(پلی اتیلن)	پا(پاسکال)
تمرکز	n(en)
جلد	V(ve)
میانگین انرژی جنبشی حرکت رو به جلومولکول ها		جی(ژول)
دمای سلسیوس	تی	درجه سانتی گراد
دما کلوین	تی	به(کلوین)
ریشه میانگین سرعت مربع مولکول ها
کشش سطحی	σ (سیگما)
رطوبت مطلق	ρ (ro)
رطوبت نسبی	φ (فی)	%
انرژی درونی	U(y)	جی(ژول)
کار	آ(آ)	جی(ژول)
مقدار گرما	س(ku)	جی(ژول)