در یک موتور حرارتی ایده آل که در یک چرخه کار می کند. چرخه ایده آل موتور حرارتی کارنو

در مدل نظری موتور گرماییسه بدن در نظر گرفته می شود: بخاری, سیال کار و یخچال.

بخاری - مخزن حرارتی (جسم بزرگ) که دمای آن ثابت است.

در هر سیکل کارکرد موتور، سیال عامل مقدار معینی گرما را از بخاری دریافت می کند، منبسط می شود و کارهای مکانیکی انجام می دهد. انتقال بخشی از انرژی دریافتی از بخاری به یخچال برای بازگرداندن سیال کار به حالت اولیه ضروری است.

از آنجایی که مدل فرض می‌کند که دمای بخاری و یخچال در طول کار موتور حرارتی تغییر نمی‌کند، پس از اتمام چرخه: گرمایش - انبساط - خنک‌کننده - فشرده‌سازی سیال کار، در نظر گرفته می‌شود که ماشین به حالت اولیه برمی‌گردد. حالت اولیه آن

برای هر سیکل، بر اساس قانون اول ترمودینامیک، می توانیم مقدار گرما را بنویسیم سگرمای دریافتی از بخاری، میزان گرما | سسرد| داده شده به یخچال و کار انجام شده توسط بدنه آاز طریق رابطه با یکدیگر مرتبط هستند:

آ = سگرما – | سسرد|.

در واقع دستگاه های فنیکه به آنها موتورهای حرارتی می گویند، سیال عامل به دلیل گرمای آزاد شده در حین احتراق سوخت گرم می شود. بنابراین، در توربین بخاردر یک نیروگاه، بخاری یک کوره پر از زغال سنگ داغ است. در موتور احتراق داخلیمحصولات احتراق (ICE) را می توان یک بخاری و هوای اضافی را می توان یک سیال کار در نظر گرفت. آنها از هوای اتمسفر یا آب منابع طبیعی به عنوان یخچال استفاده می کنند.

کارایی موتور حرارتی (ماشین)

ضریب اقدام مفیدموتور گرمایی (بهره وری)نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است:

راندمان هر موتور حرارتی کمتر از واحد است و به صورت درصد بیان می شود. عدم امکان تبدیل کل مقدار گرمای دریافتی از بخاری به کار مکانیکی هزینه ای است که برای نیاز به سازماندهی یک فرآیند چرخه ای پرداخت می شود و از قانون دوم ترمودینامیک پیروی می کند.

در موتورهای حرارتی واقعی، راندمان به صورت تجربی تعیین می شود قدرت مکانیکی نموتور و میزان سوخت مصرف شده در واحد زمان. بنابراین، اگر در زمان تیتوده سوخت سوخته مترو گرمای ویژه احتراق q، آن

برای وسیله نقلیهمشخصه مرجع اغلب حجم است Vسوخت در راه سدر قدرت موتور مکانیکی نو با سرعت در این حالت، با در نظر گرفتن چگالی r سوخت، می‌توانیم فرمول محاسبه راندمان را بنویسیم:

قانون دوم ترمودینامیک

چندین فرمول وجود دارد قانون دوم ترمودینامیک. یکی از آنها می گوید که غیرممکن است که یک موتور حرارتی داشته باشیم که فقط به دلیل یک منبع گرما کار کند، یعنی. بدون یخچال اقیانوس‌های جهان می‌توانند برای او به‌عنوان منبع عملاً پایان‌ناپذیر انرژی درونی خدمت کنند (ویلهلم فردریش استوالد، 1901).

فرمول های دیگر قانون دوم ترمودینامیک معادل این قانون هستند.

فرمول کلازیوس(1850): فرآیندی که در آن گرما به طور خود به خود از اجسام با حرارت کمتر به اجسام گرمتر منتقل می شود غیرممکن است.

فرمول تامسون(1851): یک فرآیند دایره ای غیرممکن است که تنها نتیجه آن تولید کار با کاهش انرژی داخلی مخزن حرارتی است.

فرمول کلازیوس(1865): تمام فرآیندهای خود به خودی در یک سیستم بسته غیرتعادلی در جهتی رخ می دهند که در آن آنتروپی سیستم افزایش می یابد. در حالت تعادل حرارتی حداکثر و ثابت است.

فرمول بولتزمن(1877): یک سیستم بسته از بسیاری از ذرات به طور خود به خود از حالت منظم تر به حالت کمتر مرتب می شود. سیستم نمی تواند به طور خود به خود از موقعیت تعادل خود خارج شود. بولتزمن یک اندازه گیری کمی از بی نظمی را در سیستمی متشکل از بسیاری از بدن ها معرفی کرد - آنتروپی.

کارایی یک موتور حرارتی با گاز ایده آل به عنوان سیال کار

اگر مدلی از سیال کار در یک موتور حرارتی داده شود (به عنوان مثال، یک گاز ایده آل)، آنگاه می توان تغییر را محاسبه کرد. پارامترهای ترمودینامیکیسیال کار در حین انبساط و فشرده سازی. این اجازه می دهد تا بازده یک موتور حرارتی بر اساس قوانین ترمودینامیک محاسبه شود.

شکل چرخه هایی را نشان می دهد که در صورتی که سیال عامل یک گاز ایده آل باشد و پارامترها در نقاط انتقال یک فرآیند ترمودینامیکی به فرآیند ترمودینامیکی دیگر مشخص شده باشند، بازده را می توان محاسبه کرد.

	ایزوباریک-ایزوکوریک
	ایزوکوریک-آدیاباتیک
	ایزوباریک-آدیاباتیک
	ایزوباریک-ایزوکوریک-همدما
	ایزوباریک-ایزوکوریک-خطی

چرخه کارنو کارایی یک موتور حرارتی ایده آل

بالاترین راندمان در دمای داده شده بخاری تیبخاری و یخچال تیسالن دارای یک موتور حرارتی است که سیال کار مطابق با آن منبسط و منقبض می شود چرخه کارنو(شکل 2)، که نمودار آن از دو ایزوترم (2-3 و 4-1) و دو آدیابات (3-4 و 1-2) تشکیل شده است.

قضیه کارنوثابت می کند که راندمان چنین موتوری به سیال عامل مورد استفاده بستگی ندارد، بنابراین می توان آن را با استفاده از روابط ترمودینامیکی برای یک گاز ایده آل محاسبه کرد:

پیامدهای زیست محیطی موتورهای حرارتی

استفاده شدید از موتورهای حرارتی در حمل و نقل و انرژی (نیروگاه های حرارتی و هسته ای) به طور قابل توجهی بر زیست کره زمین تأثیر می گذارد. اگرچه اختلافات علمی در مورد مکانیسم های تأثیر فعالیت انسان بر آب و هوای زمین وجود دارد، بسیاری از دانشمندان به عواملی اشاره می کنند که به واسطه آنها چنین تأثیری می تواند رخ دهد:

1. اثر گلخانه ای- افزایش غلظت دی اکسید کربن (محصول احتراق در بخاری های موتورهای حرارتی) در جو. دی اکسید کربن به تشعشعات مرئی و فرابنفش خورشید اجازه عبور می دهد، اما تابش مادون قرمز زمین را به فضا جذب می کند. این منجر به افزایش دمای لایه‌های پایین جو، افزایش بادهای طوفانی و ذوب جهانی یخ‌ها می‌شود.
2. تأثیر مستقیم سموم گازهای خروجیبر طبیعت زنده (مواد سرطان زا، مه دود، باران اسیدی از محصولات جانبیاحتراق).
3. تخریب لایه اوزون در طی پروازهای هواپیما و پرتاب موشک. ازن در قسمت بالایی جو از تمام حیات روی زمین در برابر اشعه ماوراء بنفش اضافی خورشید محافظت می کند.

راه برون رفت از بحران زیست محیطی در حال ظهور در افزایش است راندمان حرارتیموتورها (بازده موتورهای حرارتی مدرن به ندرت بیش از 30٪ است). استفاده کنید موتورهای قابل سرویسو خنثی کننده گازهای اگزوز مضر؛ استفاده کنید منابع جایگزینانرژی ( پنل های خورشیدیو بخاری) و وسایل حمل و نقل جایگزین (دوچرخه و غیره).

موتور گرمایی- موتوری که در آن انرژی داخلی سوختی که می سوزد به کار مکانیکی تبدیل می شود.

هر موتور حرارتی از سه بخش اصلی تشکیل شده است: بخاری, سیال کار(گاز، مایع و غیره) و یخچال. عملکرد موتور بر اساس یک فرآیند چرخه ای است (این فرآیندی است که در نتیجه سیستم به حالت اولیه خود باز می گردد).

چرخه کارنو

در موتورهای حرارتی، آنها تلاش می کنند تا به کامل ترین تبدیل انرژی حرارتی به انرژی مکانیکی دست یابند. حداکثر بهره وری.

شکل چرخه های مورد استفاده در موتور کاربراتوری بنزینی و در را نشان می دهد موتور دیزل. در هر دو مورد، سیال عامل مخلوطی از بخارات بنزین یا سوخت دیزلیبا هوا چرخه یک موتور احتراق داخلی کاربراتوری از دو ایزوکور (1-2، 3-4) و دو آدیابات (2-3، 4-1) تشکیل شده است. یک موتور احتراق داخلی دیزل در چرخه ای متشکل از دو آدیابات (1-2، 3-4)، یک ایزوبار (2-3) و یک ایزوکور (4-1) کار می کند. راندمان واقعی یک موتور کاربراتوری حدود 30 درصد و بازده موتور دیزل حدود 40 درصد است.

فیزیکدان فرانسوی S. Carnot عملکرد یک موتور حرارتی ایده آل را توسعه داد. قسمت کار موتور کارنو را می توان به عنوان یک پیستون در یک سیلندر پر از گاز تصور کرد. از آنجایی که موتور کارنو است ماشین کاملاً تئوری است، یعنی ایده آل استنیروهای اصطکاک بین پیستون و سیلندر و تلفات حرارتی برابر با صفر در نظر گرفته می شود. کارهای مکانیکیاگر سیال عامل سیکلی متشکل از دو ایزوترم و دو آدیابات را انجام دهد حداکثر است. این چرخه نامیده می شود چرخه کارنو.

بخش 1-2: گاز مقداری گرما Q 1 از بخاری دریافت می کند و در دمای T 1 به صورت همدما منبسط می شود.

بخش 2-3: گاز به صورت آدیاباتیک منبسط می شود، دما به دمای یخچال T 2 کاهش می یابد.

بخش 3-4: گاز به صورت گرمازا فشرده می شود، در حالی که مقدار حرارت Q2 را به یخچال منتقل می کند.

بخش 4-1: گاز به صورت آدیاباتیک فشرده می شود تا دمای آن به T1 برسد.

کار انجام شده توسط سیال کار مساحت شکل حاصل 1234 است.

چنین موتوری به شرح زیر عمل می کند:

1. ابتدا سیلندر با یک مخزن داغ تماس پیدا می کند و گاز ایده آل در دمای ثابت منبسط می شود. در طی این فاز، گاز مقدار معینی گرما را از مخزن داغ دریافت می کند.

2. سپس سیلندر توسط عایق حرارتی کامل احاطه می شود که به دلیل آن مقدار گرمای موجود در گاز حفظ می شود و گاز به انبساط ادامه می دهد تا دمای آن به دمای مخزن حرارتی سرد کاهش یابد.

3. در فاز سوم عایق حرارتی برداشته می شود و گاز موجود در سیلندر در تماس با مخزن سرد فشرده شده و مقداری از گرما را به مخزن سرد می دهد.

4. هنگامی که تراکم به یک نقطه خاص رسید، سیلندر دوباره توسط عایق حرارتی احاطه شده و گاز با بالا بردن پیستون فشرده می شود تا دمای آن برابر با دمای مخزن داغ شود. پس از این، عایق حرارتی برداشته شده و چرخه دوباره از فاز اول تکرار می شود.

وقتی از برگشت پذیری فرآیندها صحبت می کنیم، باید در نظر داشت که این نوعی ایده آل سازی است. همه فرآیندهای واقعی برگشت ناپذیر هستند، به همین دلیل چرخه هایی که در آنها کار می کنند، برگشت ناپذیر هستند موتورهای حرارتی، همچنین برگشت ناپذیر هستند و بنابراین تعادل ندارند. با این حال، برای ساده‌سازی ارزیابی‌های کمی چنین چرخه‌هایی، لازم است که آنها را تعادلی در نظر بگیریم، یعنی گویی فقط از فرآیندهای تعادلی تشکیل شده‌اند. این توسط یک دستگاه به خوبی توسعه یافته ترمودینامیک کلاسیک مورد نیاز است.

چرخه معروف موتور ایده آلکارنو یک فرآیند دایره ای معکوس تعادلی در نظر گرفته می شود. در شرایط واقعی، هیچ چرخه ای نمی تواند ایده آل باشد، زیرا ضرر و زیان وجود دارد. بین دو منبع گرما با دمای ثابتدر هیت سینک T 1و هیت سینک تی 2، و همچنین سیال عامل، که به عنوان یک گاز ایده آل در نظر گرفته می شود (شکل 3.1).

برنج. 3.1.چرخه موتور حرارتی

ما معتقدیم که T 1 > تی 2 و حذف گرما از هیت سینک و تامین گرما به هیت سینک بر دمای آنها تأثیر نمی گذارد. T 1و T 2ثابت باقی می ماند. اجازه دهید پارامترهای گاز را در سمت چپ مشخص کنیم موقعیت اضطراریپیستون موتور حرارتی: فشار - P 1جلد - V 1، درجه حرارت تی 1 . این نقطه 1 در نمودار روی محورها است P-V.در این لحظه گاز (سیال کار) با هیت سینک که دمای آن نیز هست برهمکنش می کند تی 1 . با حرکت پیستون به سمت راست، فشار گاز در سیلندر کاهش می یابد و حجم آن افزایش می یابد. این کار تا زمانی ادامه می یابد که پیستون به موقعیت تعیین شده توسط نقطه 2 برسد، جایی که پارامترهای سیال کار (گاز) مقادیر P 2 , V 2 را می گیرند. T 2. دما در این نقطه بدون تغییر باقی می ماند، زیرا دمای گاز و هیت سینک در هنگام انتقال پیستون از نقطه 1 به نقطه 2 (انبساط) یکسان است. فرآیندی که در آن تیتغییر نمی کند، همدما نامیده می شود و منحنی 1-2 ایزوترم نامیده می شود. در این فرآیند گرما از فرستنده حرارتی به سیال در حال کار عبور می کند س 1.

در نقطه 2 استوانه کاملاً جدا شده است محیط خارجی(بدون تبادل حرارت) و در حرکت بیشترپیستون به سمت راست، کاهش فشار و افزایش حجم در طول منحنی 2-3 رخ می دهد که به آن می گویند. آدیاباتیک(فرایند بدون تبادل حرارت با محیط خارجی). هنگامی که پیستون به سمت راست منتهی می شود (نقطه 3) فرآیند انبساط به پایان می رسد و پارامترها دارای مقادیر P 3, V 3 خواهند بود و دما برابر با دمای هیت سینک می شود. تی 2. با این موقعیت پیستون، عایق سیال کار کاهش می یابد و با هیت سینک در تعامل است. اگر اکنون فشار روی پیستون را افزایش دهیم، در دمای ثابت به سمت چپ حرکت می کند T 2(فشرده سازی). این بدان معنی است که این فرآیند فشرده سازی همدما خواهد بود. در این فرآیند گرما س 2از سیال کار به هیت سینک عبور می کند. پیستون با حرکت به سمت چپ با پارامترها به نقطه 4 می رسد P4، V4و T 2، جایی که سیال کار دوباره از محیط خارجی جدا می شود. فشرده سازی بیشتر در امتداد منحنی آدیاباتیک 4-1 با افزایش دما اتفاق می افتد. در نقطه 1، فشرده سازی در پارامترهای سیال کار به پایان می رسد P 1، V 1، T 1. پیستون به حالت اولیه خود بازگشت. در نقطه 1، جداسازی سیال عامل از محیط خارجی حذف شده و چرخه تکرار می شود.

کارایی یک موتور کارنو ایده آل

مسئله 15.1.1.شکل‌های 1، 2 و 3 نمودارهایی از سه فرآیند چرخه‌ای را نشان می‌دهند که با یک گاز ایده‌آل رخ می‌دهند. گاز در کدام یک از این فرآیندها در یک چرخه کامل شد؟ کار مثبت?

مسئله 15.1.3. گاز ایده آل، با تکمیل برخی از فرآیندهای چرخه ای، به حالت اولیه بازگشت. مقدار کل گرمای دریافتی گاز در طول کل فرآیند (تفاوت بین مقدار گرمای دریافتی از بخاری و مقدار حرارت داده شده به یخچال) برابر است. چه مقدار کار توسط گاز در طول چرخه انجام شد؟

مسئله 15.1.5. شکل نموداری از فرآیند چرخه ای را نشان می دهد که با گاز اتفاق می افتد. پارامترهای فرآیند در نمودار نشان داده شده است. گاز در طول این فرآیند چرخه ای چقدر کار می کند؟

مسئله 15.1.6. یک گاز ایده آل تحت یک فرآیند چرخه ای قرار می گیرد؛ نمودار در مختصات در شکل نشان داده شده است. مشخص است که فرآیند 2-3 ایزوکوریک است؛ در فرآیندهای 1-2 و 3-1، گاز به ترتیب کار انجام می دهد. چه مقدار کار توسط گاز در طول چرخه انجام شد؟

مسئله 15.1.7.کارایی یک موتور حرارتی نشان می دهد

مسئله 15.1.8.در طول چرخه، موتور حرارتی مقداری گرما را از بخاری دریافت می کند و مقداری گرما را به یخچال منتقل می کند. چه فرمولی کارایی موتور را تعیین می کند؟

مسئله 15.1.10. بهره وری ایده آلیک موتور حرارتی که بر اساس چرخه کارنو کار می کند 50٪ است. دمای بخاری دو برابر می شود اما دمای یخچال تغییر نمی کند. بازده موتور حرارتی ایده آل حاصل چقدر خواهد بود؟