熱機関の作動に必要な条件

熱力学の創造と発展は、まず第一に、仕事を記述し、パラメーターを計算する必要性によって引き起こされました。 熱機械 . 熱機械、または熱エンジンは、化学反応 (燃料燃焼)、核反応、または太陽エネルギーによる加熱などのその他の理由によって放出される熱によって技術的 (有用な) 仕事を得るように設計されています。

熱機関の動作の基本原理を考慮すると、その設計に関係なく、熱エネルギーは継続的に熱エネルギーに変換されます。 機械的な仕事～の助けを借りて彼らの中で行われた 補助体 、熱力学で呼ばれる 働く体 。 前述したように、彼らの活動体として最も適しているのは、 物理的特性液体の気体および蒸気です。変化すると体積が最も大きく変化するという特徴があるからです。 R と T .

さらに、これらの機械の動作は、2 つの必須条件が満たされた場合にのみ可能です。 最初の条件 それは？ 熱機関は周期的に動作する必要があります, つまり、一定期間にわたって一連の膨張と収縮のプロセスを実行する作動体は、元の状態に戻らなければなりません。 このサイクルは機械の動作期間全体にわたって繰り返す必要があり、熱エンジンの設計に応じて、サイクルの個々の部分を異なる部分で実行できます。 構成部品。 サイクルが存在しない場合、たとえば、作業室 (エンジンシリンダー) 内でガスが膨張するだけのプロセスにおいて、 内燃機関、蒸気タービンとガスタービンの作動ブレードのチャネル）それぞれ、熱機関の瞬間が来るでしょう。 R と T 作動流体は次と等しくなります R と T 環境、これにより仕事ができなくなります。 この場合、限られた量の仕事しか得ることができません。 再び仕事を得るには、圧縮プロセス中に作動流体を元の状態に戻すか、何らかの方法で使用済みの作動流体を作動チャンバーから除去し、このチャンバーをこの本体の新しい部分で満たす必要があります。 熱機関の動作の熱力学的解析の観点からは、熱エネルギーを機械的仕事に変換するプロセスでは、作動流体の新しい部分を扱う必要はまったくありません。古い作動流体が作動室内に残るか、新しい作動流体が導入されます。 したがって、熱機関のシリンダーには同量の作動流体が含まれており、初期から最終、またはその逆の一連の状態変化を周期的に通過して、熱エネルギーを機械的仕事に変換すると想定できます。

v

P

v2

v1

R1

R2

q1

q2

図6.6.1。 熱機関サイクル

図に示す熱機関の循環サイクルを考えてみましょう。 ラインに沿って作動流体を膨張させる過程 1-3-2 温度のある熱エネルギー源からそれに T 1 , つまり、高温の熱源から 、熱量が供給されます。 q 1 。 その結果、作動流体の体積がさらに増加し​​ます。 したがって、作動流体の膨張は、作動室内の圧力を下げることとその温度を上昇させることの両方によって行われます。 しかしながら、機械的仕事を得るには、作動チャンバー内の加熱された作動流体の膨張プロセスが、作動チャンバーの可動表面側からの一定の逆圧力下で実行されなければならない。 これにより、特定の機械的仕事が確実に発生します。 私 1 、すなわち作動体の拡大の仕事は、面積に相当します。 S 1-3-2-6-5-1 。 点 2 に到達したら、作動流体を元の状態、つまり点 1 に戻す必要があります。これを行うには、作動流体を圧縮する必要があります。

熱機関が機械エネルギーを継続的に生成するには、作動流体の膨張仕事が次のとおりである必要があります。 もっと仕事をその圧縮。 したがって、圧縮曲線は 2-4-1 膨張曲線の下になければなりません。 圧縮プロセスが順調に進んでいる場合 2-3-1 、この場合、それは次のとおりであるため、技術的な、つまり有用な作業は受信されません。 私 1 = 私 2 、 どこ 私 2 作動流体の圧縮の負の比仕事です。 したがって、有用な仕事を得るには、膨張プロセス中に作動流体から熱の一部を除去して作動流体の圧力を下げる必要があります。 q 2 より低い温度の熱源に T 2 , つまり、冷たい熱源に 。 それぞれ、 私 2 面積に相当する S 2-4-1-5-6-2 。 その結果、1 サイクルあたり作動流体の 1 キログラムが生成されます。 役に立つ仕事 私 c、面積に相当します S 1-3-2-4-1 、サイクル輪郭によって境界付けられます。 だから、 継続的な作業熱機関は、熱源から作動流体に熱を供給する循環プロセスを必要とします。 q1 そしてそこから冷たい熱源に移されます q 2 . 温度の異なる少なくとも 2 つの熱源 (高温と低温) が存在することが、熱機関の動作に必要な 2 番目の条件です。 .

すべてが暖かいことを強調することが非常に重要です q1 熱源から作動流体が受け取った物質は仕事に変換できません。 部 q 1 、 あれは q 2 、必然的に、より低い温度の別の体（体）に与えられなければなりません。 そんな身体になれるのは、 大気, 大容量水など。 すべてを温める熱機関を作成するための数多くの試み q 1 仕事に変わる、つまり平等が生まれるだろう q 2 = 0、必然的に失敗に終わりました。 供給されたすべての熱を仕事に変換できるそのような機械は、と呼ばれました。 第二種永久機関 , また 永久モバイル (永久モバイル) 第二種 。 科学によって蓄積されたすべての実験資料は、そのようなエンジンが不可能であることを示しています。

繰り返しになりますが、冷熱源の存在と、熱源から受け取った熱の一部を熱源に伝達することが必須であり、そうでないと熱機関の動作が不可能になるためです。 実際、連続的な機械的仕事を得るには、エネルギーの流れが必要です。 この場合熱の流れ。 低温源がない場合、作動流体は必然的に高温源と熱平衡状態になり、熱流は停止します。

1-3-2 と 2-4-1 したがって、次のようになります。

q1 = + ドゥ+ 私 1 ;

量 q 2 と 私 2 はモジュロで計算する必要があります。これにより、記号 y との混同が避けられます。 q 2 , システムから出る熱にはマイナス記号が付いているためです。 サイクル中の作動流体の内部エネルギーは変化してはなりません。 ドゥ 方程式では、正反対の代数符号が置かれます。 これらの方程式を追加すると、次のようになります。

q1 - | q 2 | = q c = 私 1-1/2 私 2 1/2 = 私 c、 (6.6.1)

どこ q c - 熱源の熱の一部。サイクル内で仕事に変換されます。 l c – サイクルワーク 1-3-2-4-1 .

検討中のケースなので 私 1 > 私 2 の場合、サイクル仕事はプラスになります。 (6.6.1) で示されるように、これはサイクル内で供給される熱と除去される熱の差に等しい。

変換効率 q 1 V 私 c評価された 熱（熱力学、熱）熱機関サイクル効率:

. (6.6.2)

したがって、熱機関サイクルの熱効率は、そのサイクルで得られる有用な仕事の比率です。 私 c作動流体に導入されるすべての熱に対して q 1 .

可逆的なプロセスからなるサイクルを理想と呼びます。 この場合、そのようなサイクル中の作動流体は化学変化を受けるべきではありません。 サイクルに含まれるプロセスの少なくとも 1 つが不可逆的である場合、そのサイクルは理想的ではなくなります。 熱機関 (エンジン) で理想的なサイクルを実行するには、熱損失と機械損失があってはなりません。 このような機械を理想熱機関（理想熱機関）と呼びます。

なぜなら ½ q 2 1/2> 0、それでは hT< 1.0、つまり熱機関の効率は、たとえ理想的なものであっても常に 1.0 未満になります。 理想的なサイクルの研究結果は、実験的な補正係数を導入することによって、現実の、つまり実際の熱機関の不可逆的なプロセスに適用することができます。

関係式 (6.6.2) は、熱エネルギーと機械エネルギーの等価原理の数学的表現です。 低温源が熱機関回路から除外された場合、形式的には等価原理に違反することはありません。 ただし、上で述べたように、そのようなマシンは動作しません。

ポジティブな仕事をもたらすサイクル、つまり、 私 1 > 私 2 、と呼ばれます 直接サイクル , また 熱機関サイクル . これらのサイクルは内燃エンジンによって使用されます。 ジェットエンジン、ガスタービン、蒸気タービンなど。

図 6.6.1 に示すサイクルを逆方向​​、つまり閉曲線に沿って流れるように表すと、 1-4-2-3-1 （図6.6.2を参照）、その実装には作業を費やす必要があります 私 c、これはすでに負であり、面積と等価になります。 S 1-4-2-3-1 。 このような機械の冷却された物体は冷熱源であり、加熱された物体は環境、つまり高温の熱源です。 このようなサイクルを冷凍サイクルといい、また 冷凍（逆）サイクル。

サポートする 低温体が冷えているため、継続的に熱を除去する必要があります q 2 、低温源から作動流体に入ります。 冷凍サイクルにおけるこの取り出しは、次のプロセスで行われます。 1-4-2 この熱を感知して同時に作動する作動流体の膨張 ポジティブな仕事 私 2 、面積に相当
S 1-4-2-6-5-1 。 作動流体は曲線に沿って圧縮される過程で元の状態に戻ります。 2-3-1 膨張プロセスの曲線の上、つまり高温条件で発生するプロセスに位置します。 これにより、作動流体から奪った熱を伝達することが可能になります。 q1 高温の熱源、通常は環境です。 マイナスの仕事は圧縮に費やされます 私 1 面図上で決定される S 2-3-1-5-6-2 .

v

P

v2

v1

R1

R2

q1

q2

米。 6.6.2. チラーサイクル

プロセスの熱力学第 1 法則の方程式 1-4-2 と 2-3-1 それぞれのコンポーネントの前にある代数記号を考慮すると、次の形式になります。

q2 = + ドゥ+ 私 2; -1/2 q 1 1/2 = - ドゥ- ½ 私 1 1/2。

両方の方程式の部分を加算すると、次のようになります。

q 2 - 1/2 q 1 1/2= - (1/2 私 1 1/2 - 私 2) = -1/2 私 c 1/2 (6.6.3)

½ q 1 1/2= q 2+1/2 私 c.1/2 (6.6.4)

この表情が熱さを表している q 1 、高温の熱源に伝達され、熱で構成されます。 q 2 冷熱源から作動流体に入る、およびサイクルの仕事 私 c。 なぜなら ½ 私 1 1/2 > 私 2 、 それか 私 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 で作成されました 適切な場所気温は気温よりも低いです OS 。 冷凍（逆サイクル）冷凍機、ヒートポンプ等による。

冷凍機の効率は、いわゆる 成績係数 e, 低温源から得られる有効熱の限られた容量の比率によって決定される q 2 終わった仕事に 私 c:

. (6.6.5)

成績係数は、低温の熱源から高温の​​熱源への熱伝達効率を特徴づけます。 大きいほど熱量も大きくなります q 2 冷たい熱源から熱源を取り出し、熱い熱源に移すことで、それに費やされる仕事が少なくなります。 私 c。 ようではない 熱 (熱力学、熱) 効率 h T 成績係数 𝜺 は、1 より大きくても小さくても、1 に等しい場合があります。

冷蔵庫の中に q 1 環境中に放出される、つまり 無制限の容量のソース . そのため、冷凍機はさまざまな物体を冷やすだけでなく、部屋の暖房にも使用できます。 確かに、一般的な家庭用冷蔵庫でも、中に置かれた製品を冷却すると同時に、部屋の空気を加熱します。 動的加熱の原理は W. トムソンによって提案され、現代の暖房システムの動作の基礎となっています。 ヒートポンプ 。 ヒートポンプは、主に熱を生成する機械です。 q 1 送信されました 限られた容量のソースに . それらの有効性が評価される 発熱係数 、消費者に伝達される熱の比率です。 q 1 に 私 c:

この場合は温めてください q 2 無限の容量の源（大気、大量の水、岩石）から採取されます。

ヒートポンプの利点 電気ヒーターそれは、熱に変換された電気エネルギーだけでなく、環境から取得した熱も施設の暖房に使用されるという事実にあります。 したがって、ヒートポンプの効率は電気ヒーターの効率よりもはるかに高くなる可能性があります。

エンジンサイクルとヒートポンプまたは冷凍サイクルを組み合わせたものがサイクルです。 熱変圧器 , これにより、1台で熱源から熱を汲み上げることができます。 T もう一方のソースに T 複合サイクル中。 熱変圧器の目的は、熱電位を変化させることです。 変圧器がより低い温度で熱を発生するように設計されている場合 T, オリジナルよりも T 温泉の場合、そのような変圧器は呼ばれます 低下 . 変圧器に熱が入った場合、 T 元の熱よりも高い場合、そのような変圧器はと呼ばれます 育てる .

したがって、あらゆる暖房機または冷凍機は、高温と低温の 2 つの熱源がある場合にのみ動作可能です。

燃料の内部エネルギーを機械エネルギーに変換する機械をこう呼びます。 熱エンジン。これらには、内燃機関、蒸気およびガス タービン、ジェット エンジンが含まれます。 熱機関において燃料の内部エネルギーがエンジンの作動軸の機械エネルギーに変換されるためにはどのような条件が必要かを調べてみましょう。

熱機関で働く物質はと呼ばれます 働く身体。蒸気エンジンではこれは蒸気であり、内燃機関、ジェット エンジン、ガス タービンではガスです。 熱機関の理論が示すように、作動流体がその中で継続的に仕事を行うためには、エンジン内にヒーターと冷凍機が必要です。 作動流体が燃料のエネルギーによって加熱される装置は、と呼ばれます。 ヒータ(蒸気ボイラー、シリンダー)。 仕事をした後に作動流体を冷却する装置をいいます。 冷蔵庫（大気、排気蒸気を流水で冷却して水にする復水器）。

次の実験をしてみましょう (図 30)。 水を満たしたU字型のチューブを用意します。 チューブの一方のエルボは受熱器（作動流体 - ガスが入っている）に接続されており、もう一方の膝にはフロートAがあります。 交互にアルコールランプで受熱器を加熱し、冷水に下げます。 。 スピリットランプは作動流体のヒーターとして機能し、冷水は冷蔵庫として機能します。 このような熱機関モデルの動作は、フロートに沿って水を上げたり下げたりするプロセスの繰り返しで構成されます。 それは次のように起こります。作動流体 (ガス) はヒーターで加熱されて膨張し、フロートで水を持ち上げる働きをします。 作動流体が再び仕事をできるようにするには、冷蔵庫で冷却し、その後再び加熱します。 このプロセスが繰り返される間、そのようなエンジンのモデルは機能します。

熱機関は継続的に作動します。 これは、作動流体が加熱し、膨張し、仕事をし、冷却し、再び加熱するなどのプロセスが周期的に繰り返されるためです (これを内燃エンジンの動作で追跡してください。 熱機関を作動させるには、ヒーター、作動流体、冷凍機が必要です。

周期的に繰り返されるプロセスについて、次の法則が発見されました。 このような周期的に繰り返されるプロセスを実行することは不可能であり、唯一の方法です。 最終結果これは、ヒーターから受け取った熱量を仕事に完全に変換することになります。熱機関に関して言えば、これは、多数の分子のランダムな動きによる内部エネルギーの完全な遷移のプロセスが完了するため、ヒーターから作動流体が受け取った熱量を仕事の実行に完全に使用することができないことを意味します。車体（エンジンピストン、タービンインペラ）の動きの機械エネルギーを変換することは不可能です。）

実際の熱機関で作動流体が何度も仕事をするために、作動流体の使用済み部分はエンジンから冷凍機、つまり大気中へ、または水を加熱するための凝縮器へ、または冷却のために除去されます。加熱します (図 31)。 同時に、除去する仕事をできるだけ少なくするために、冷蔵庫内の温度と圧力はエンジンの作動室よりも常に低くなります。 蒸気の仕事とそれを除去する仕事の違いにより、エンジンは有益な仕事をします。 エネルギーの観点から見ると、熱機関で発生するプロセスは次のとおりです (図 32)。 作動流体はヒーターから熱量を受け取ります Q n、その一部は冷蔵庫に与えられます Q×、残りにより、A \u003d Q n - Q x という作業が行われます。

熱機関にはさまざまな用途があります。 キャブレターエンジンたとえば、自動車やオートバイに適用されます。 ディーゼルエンジン - トラクター、自動車 頑丈な、ディーゼル機関車、モーター船、船舶。 蒸気タービン - 発電所; ガスタービン - 発電所、ガスタービン機関車、高炉で送風機を駆動するものは、ジェットエンジンの一種の一部です。 ジェットエンジン - 航空、ロケット。

熱機関は熱を仕事に変換します。つまり、ある物体から熱を受け取り、それを機械的仕事の形で他の物体に伝達します。 この変換を実行するには、互いに熱交換が可能な、異なる加熱が行われた 2 つの物体が必要です。 簡潔にするために、熱い方の本体をヒーター、冷たい方の本体を冷蔵庫と呼びます。 このような 2 つの物体の存在下で、熱が仕事に変換されるプロセスは次のように描かれます。膨張可能な物体 (作業体) がヒーターに接触します。 ヒーターから熱を奪い膨張の仕事に利用し、周囲の物体に熱を与えます。 さらに、作動流体は冷凍機と接触し、熱を放出します。

作動体に対する外力によって実行される仕事によるものです。

熱機関を継続的に動作させるには、膨張行程が始まった時点で圧縮行程を終了する必要があります。 つまり、プロセスは循環的でなければなりません。 働く体各サイクルの後、元の状態に戻ります。 したがって、エネルギー保存則では、周囲の物体から受け取るエネルギーが周囲の物体に伝達されるエネルギーと等しいことが要求されます。 媒体から、膨張時の熱と作動流体の圧縮時の仕事 A 2 を受け取ります。 環境に与える：仕事A! 体が膨張すると熱が発生し、収縮すると熱が発生します。 したがって、または時計回りにサイクルを実行すると、圧縮の仕事は より少ない作業拡張子。 したがって、最後の等式は、作業団体によって転送されるネットワークが次のとおりであるという単純な事実を表します。 外部環境、ヒーターから受け取る熱と冷蔵庫に与える熱の差に等しい。 したがって、係数は 役立つアクションサイクル、したがってマシン全体は次と等しくなります。

もちろん、説明されている熱機関の動作プロセスは抽象的なスキームです。 ただし、各熱エンジンの最も重要な機能は、このスキームによって伝えられます。 作動流体は膨張および収縮する気体または蒸気であり、環境は冷凍機の役割を果たします。 ヒーターは蒸気ボイラー、または内燃エンジンの場合は可燃混合物です。

同じ 3 つのシステムが、サイクルが行われる冷凍機にも必要です。 裏。 この機械の動作原理は次のとおりです。作動流体は冷凍機と接触すると膨張します。 これにより冷えた体をさらに冷やすのが冷凍機の仕事です。 また、このサイクルが可能となるためには、作動流体を圧縮し、冷凍機から受け取った熱を伝達する必要がある。 これは、作動流体がヒーターに接触したときに起こります。 したがって、熱い体はさらに熱くなります。 あまり加熱されていない物体からより加熱された物体への「不自然な」熱の伝達は、仕事によって「支払われ」ます。 実際、サイクルが反時計回りに実行されると、媒体に伝達されるエネルギーと媒体から取得されるエネルギーは等しくなります（つまり、インデックス 1 は、より熱い物体との接触時に発生するプロセスの部分を指します）。は次の意味を持ちます。システムから除去される熱量は、同量の機械的仕事によって補償されなければなりません。

熱力学の第 2 法則は、熱機関の動作に一定の条件を課します。 このプロセスが可逆的であると仮定すると、サイクルを通過した後の作動流体のエントロピーの変化はゼロに等しくなるはずです。 言い換えれば、変化する

拡張中のエントロピーは、圧縮中のエントロピーの変化と（反対の符号で）等しくなければなりません。つまり、

不可逆過程の場合、加熱器、冷凍機、作動流体からなる閉鎖系のエントロピーが増大するため、

(代数的な量があることを思い出してください。システムに入る熱は正であると考えられます。) 特定のプロセスのこれらの積分の値を計算すると、場合によっては、プロセスの最大効率の値を見つけるのが非常に簡単になります。熱機関の特定のサイクル。

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熱力学システムとは何ですか、またその状態を特徴付けるパラメーターは何ですか。
熱力学の第一法則と第二法則について述べます。

熱力学の第 2 法則の定式化につながったのは、熱機関の理論の創造でした。

地球の地殻と海洋の内部エネルギーの埋蔵量は事実上無制限であると考えられます。 しかし、現実的な問題を解決するには、エネルギーを蓄えておくだけではまだ十分ではありません。 また、工場やプラントの機械、車両、トラクター、その他の機械を動かし、発電機のローターを回転させるためにエネルギーを使用できることも必要です。 電流人類にはエンジン、つまり仕事を行うことができる装置が必要です。 地球上のほとんどのエンジンは、 熱機関.

熱機関 - これらは、燃料の内部エネルギーを機械的仕事に変換する装置です。

熱機関の動作原理。

エンジンが正常に動作するには、エンジンのピストンまたはタービンブレードの両側に圧力差が必要です。 すべての熱機関では、この圧力差は温度を上昇させることによって達成されます。 働く体(ガス) 周囲温度より数百度または数千度高い。 この温度上昇は燃料の燃焼中に発生します。

エンジンの主要部品の 1 つは、可動ピストンを備えたガスが充填された容器です。 すべての熱機関の作動流体は、膨張中に仕事をする気体です。 作動流体（ガス）の初期温度を T 1 で表します。 この気温は 蒸気タービンまたは機械が蒸気ボイラーで蒸気を取得します。 内燃機関や ガスタービン温度上昇は、燃料がエンジン自体の内部で燃焼するときに発生します。 温度 T 1 は次のように呼ばれます。 ヒーター温度.

冷蔵庫の役割

仕事が完了すると、ガスはエネルギーを失い、必然的に特定の温度 T 2 まで冷却されます。この温度は、通常、周囲温度よりも若干高い温度です。 彼らは彼女をこう呼びます 冷蔵庫の温度。 冷蔵庫は雰囲気だったり、 特別な装置排気蒸気の冷却と凝縮用 - コンデンサ。 後者の場合、冷蔵庫の温度は周囲温度よりわずかに低い場合があります。

したがって、エンジンでは、膨張中の作動流体はその内部エネルギーをすべて仕事に与えることができません。 熱の一部は必然的に排気蒸気とともに冷凍機（大気）に伝わり、あるいは 排ガス内燃機関とガスタービン。

燃料の内部エネルギーのこの部分は失われます。 熱機関は、作動流体の内部エネルギーによって仕事を実行します。 さらに、このプロセスでは、熱は高温の物体 (ヒーター) から低温の物体 (冷蔵庫) に伝達されます。 回路図熱機関を図 13.13 に示します。

エンジンの作動流体は、燃料の燃焼中にヒーターから熱量Q1を受け取り、仕事Aを行い、その熱量を冷凍機に伝達します。 第2四半期< Q 1 .

エンジンが継続的に作動するためには、作動流体を初期状態（作動流体の温度がＴ １ に等しい）に戻す必要がある。 このことから、エンジンの動作は、周期的に繰り返される閉じたプロセスに従って、または、いわゆるサイクルに従って発生することがわかります。

サイクル一連のプロセスにより、システムは初期状態に戻ります。

熱エンジンの成績係数 (COP)。

ガスの内部エネルギーを熱機関の仕事に完全に変換することが不可能なのは、自然界のプロセスの不可逆性によるものです。 熱が冷蔵庫からヒーターに自発的に戻ることができれば、任意の熱機関を使用して内部エネルギーを有用な仕事に完全に変換できるでしょう。 熱力学の第 2 法則は次のように定式化できます。

熱力学の第二法則:
作成不可能 永久機関 2 番目の種類のものは、熱を機械的仕事に完全に変換します。

エネルギー保存の法則によれば、エンジンによって行われる仕事は次のとおりです。

A」\u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

ここで、Q 1 - ヒーターから受け取る熱量、Q2 - 冷蔵庫に与える熱量です。

熱エンジンの成績係数 (COP) は、エンジンが実行する仕事 A とヒーターから受け取った熱量の比です。

すべてのエンジンではある程度の熱が冷凍機に伝達されるため、η< 1.

最大 効率値熱エンジン。

熱力学の法則により、可能な最大値を計算できます。 熱効率温度 T 1 のヒーターと温度 T 2 の冷凍機でエンジンが動作すること、また温度を上昇させる方法を決定すること。

熱機関の可能な最大効率は、フランスの技術者で科学者のサディ・カルノー (1796-1832) の著書「火の原動力とこの力を開発できる機械についての考察」(1824 年) の中で初めて計算されました。 ）。

カルノーは理想的な熱機関を考案しました 理想気体働く身体として。 理想的なカルノー熱機関は 2 つの等温線と 2 つの断熱線からなるサイクルで動作し、これらのプロセスは可逆的であると考えられます (図 13.14)。 まず、ガスの入った容器をヒーターに接触させると、ガスは温度 T 1 で等温的に膨張し、正の仕事をし、同時に熱量 Q 1 を受け取ります。

その後、容器は断熱され、ガスはすでに断熱的に膨張し続けますが、その温度は冷凍機の温度 T 2 まで低下します。 その後、ガスは冷凍機と接触し、等温圧縮下で熱量 Q 2 を冷凍機に放出し、体積 V 4 に圧縮されます。< 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:

式(13.17)より、 機械効率カルノーは差に正比例します 絶対温度ヒーターと冷蔵庫。

この式の主な意味は、効率を上げる方法を示すことです。そのためには、ヒーターの温度を上げるか、冷蔵庫の温度を下げる必要があります。

温度 T 1 のヒーターと温度 T 2 の冷蔵庫で動作する実際の熱機関は、理想的な熱機関の効率を超える効率を持つことはできません。 実際の熱機関のサイクルを構成するプロセスは可逆的ではありません。

式 (13.17) は、熱機関の効率の最大値の理論的限界を示します。 これは、ヒーターと冷蔵庫の温度差が大きいほど、熱機関の効率が高いことを示しています。

絶対零度に等しい冷蔵庫の温度においてのみ、η = 1 になります。さらに、式 (13.17) で計算された効率は作動物質に依存しないことが証明されています。

しかし、冷蔵庫の温度は通常大気がその役割を果たしているため、実際には周囲温度よりも低くすることはできません。 ヒーターの温度を上げることができます。 しかし、どんな材料（固体）であっても、耐熱性や耐熱性には限界があります。 加熱すると徐々に弾力性が失われ、十分に加熱すると弾力性が失われます。 高温溶ける。

現在、エンジニアの主な取り組みは、 エンジン効率部品の摩擦や不完全燃焼による燃料の損失などを軽減します。

ために 蒸気タービン初期および最終蒸気温度はおよそ次のとおりです: T 1 - 800 K および T 2 - 300 K。これらの温度では、最大効率は 62% です (効率は通常、パーセントで測定されることに注意してください)。 さまざまなエネルギー損失による効率の実測値は約 40% です。 ディーゼルエンジンの最大効率は約 44% です。

環境を守ること。

想像するのは難しい 現代世界熱機関なしで。 それらは私たちに快適な生活を提供してくれます。 熱機関は車両を駆動します。 原子力発電所があるにもかかわらず、電力の約 80% は熱機関を使用して生成されます。

しかし、熱機関の作動中には避けられない環境汚染が発生します。 これは矛盾です。一方で、人類は年々ますます多くのエネルギーを必要とし、その大部分は燃料の燃焼によって得られますが、他方では、燃焼プロセスには必然的に環境汚染が伴います。

燃料が燃焼すると、大気中の酸素含有量が減少します。 さらに、燃焼生成物自体も 化学物質生物にとって有害で​​す。 航空機の飛行には有害な不純物の大気中への排出が伴うため、汚染は地上だけでなく空気中でも発生します。

エンジンの動作の結果の 1 つは、二酸化炭素の形成であり、二酸化炭素は地表からの赤外線を吸収し、大気の温度の上昇につながります。 このいわゆる 温室効果。 測定によると、大気の温度は年間 0.05 °C 上昇します。 このような継続的な温度上昇は氷の融解を引き起こす可能性があり、その結果海洋の水位の変化、つまり大陸の洪水が引き起こされる可能性があります。

もう一つメモしておきます マイナスポイント熱機関を使用する場合。 そのため、エンジンを冷却するために川や湖の水を使用することがあります。 加熱された水はその後戻されます。 水域の温度が上昇すると自然のバランスが崩れ、この現象は熱汚染と呼ばれます。

環境保護のため、さまざまな フィルターの掃除大気中への放出を防ぐ 有害物質エンジンの設計は改良されています。 燃焼時に有害物質の少ない燃料やその燃焼技術の改良が続けられています。 積極的に開発 代替ソース風力、太陽放射、原子力エネルギーを利用したエネルギー。 電気自動車や太陽エネルギーを動力源とする自動車はすでに生産されています。

熱機関 - 燃焼した燃料の内部エネルギーを機械エネルギーに変換する装置。 熱機関の種類 : 1) 内燃機関: a) ディーゼル、b) キャブレター。 2) 蒸気機関; 3) タービン: a) ガス、b) 蒸気。

これらの熱機関はすべて設計が異なりますが、次のもので構成されています。 3つの主要な部分 : ヒーター、作動媒体、冷凍機。 ヒータ エンジンに熱を与えます。 働く体 受け取った熱の一部を機械的仕事に変換します。 冷蔵庫作動流体から熱の一部を奪います。

T1– ヒーター温度;

T2– 冷蔵庫の温度。

Q1- 受け取った熱

ヒーターから。

第2四半期- 放出される熱

冷蔵庫;

あ」- 仕事が終わりました

エンジン。

熱機関の動作は、反復的な周期的なプロセス、つまりサイクルで構成されます。 サイクル - これは一連の熱力学プロセスであり、その結果としてシステムは初期状態に戻ります。

効率係数 (COP) 熱エンジンは、エンジンによって行われる仕事とヒーターから受け取った熱量の比率です。 .

フランス人技師サディ・カルノーはこう考えた。 理想的な熱機関 作動流体として理想気体を使用します。 彼は最高のものを見つけた 理想的なサイクル 2つの等温プロセスと2つの断熱可逆プロセスで構成される熱機関 - カルノーサイクル 。 温度のヒーターと冷蔵庫を備えたこのような熱機関の効率は次のとおりです。 。 熱機関の設計、作動流体の選択、およびプロセスの種類に関係なく、その効率は、カルノー サイクルに従って動作し、この熱機関と同じヒーターおよびクーラーの温度を有する熱エンジンの効率よりも大きくなることはありません。

熱機関の効率は低いため、それを高めることが最も重要な技術課題です。 熱機関は2つある 重大な欠点。 まず、ほとんどの熱機関は次のことを行います。 有機燃料、その抽出は地球の資源を急速に枯渇させます。 第二に、燃料の燃焼の結果、大量の有害物質が環境中に放出され、重大な環境問題を引き起こします。

ドイツの物理学者 R. クラシウスによる 1850 年の発見は、熱機関の最大効率の問題の研究に関連しています。 熱力学の第二法則 : 熱がより冷たい物体からより熱い物体へ自発的に移動するようなプロセスは不可能です。

物理量とその測定単位:

名前の値	指定	ユニット	方式
相対分子量	氏(えーっと)	無次元量
分子（原子）1個の質量	m0	kg
重さ	メートル	kg
モル質量	M
物質の量	ν （ヌード）	モル(モル)	;
粒子の数	N(英語)	無次元量
プレッシャー	p(ペ)	パ（パスカル）
集中	n(英語)
音量	V(ヴェ)
平均運動エネルギー 前進分子		J（ジュール）
摂氏温度	t	℃
温度ケルビン	T	に(ケルビン)
分子の二乗平均平方根速度
表面張力	σ （シグマ）
絶対湿度	ρ (ろ)
相対湿度	φ (フィ)	%
内部エネルギー	U(y)	J（ジュール）
仕事	あ(A)	J（ジュール）
熱量	Q（く）	J（ジュール）