Топлинна ефективност. Ефективност на формулата на топлинен двигател

Съвременните реалности предполагат широка експлоатация на топлинните двигатели. Множество опити да се заменят с електродвигатели са се провалили досега. Проблемите, свързани с натрупването на електроенергия в автономните системи, се решават с голяма трудност.

Проблемите на технологията за производство на батерии за електрическа енергия все още са релевантни, като се има предвид тяхната дългосрочна употреба. Характеристиките на скоростта на електрическите автомобили са далеч от тези на автомобилите с двигатели с вътрешно горене.

Първите стъпки за създаване на хибридни двигатели могат значително да намалят вредните емисии в мегаполисите, като решат екологични проблеми.

Малко история

Възможността за преобразуване на парата в енергия на движението е била известна в древни времена. 130 г. пр.н.е.: Философският чар на Александрия представя на играчите парна играчка - еопип. Сферата, изпълнена с пара, се завъртя под действието на джетове, излъчвани от нея. Този прототип на модерни парни турбини в тези дни не намери приложение.

В продължение на много години и векове развитието на философа се смятало за забавна играчка. През 1629 г. италианският Г. Бранчи създава активна турбина. Парата постави в движение диск, оборудван с ножове.

От този момент започва бързото развитие на парните двигатели.

Топлинна машина

трансформация вътрешна енергия гориво в енергията на движението на части от машини и механизми, използвани в топлинни машини.

Основните части на машините са нагревател (система за получаване на енергия отвън), работна среда (това има полезен ефект), хладилник.

Нагревателят е предназначен за работното тяло да натрупва достатъчно количество вътрешна енергия за извършване на полезна работа. Хладилникът отнема прекалената енергия.

Основната характеристика на ефективността е ефективността на термичните машини. Тази стойност показва колко енергия, изразходвана за отопление, се изразходва за извършване на полезна работа. Колкото е по-висока ефективността, толкова по-добра е производителността на машината, но тази стойност не може да надвишава 100%.

Изчисляване на ефективността

Нека нагревателят придобие отвън енергията, равна на Q_1. Работното тяло работи А, а енергията, дадена на хладилника, е Q_2.

Въз основа на определението, изчислете стойността на ефективността:

ета- = A / Q₁. Вземаме под внимание, че A = Q₁ - Q_2.

Оттук и ефективността на термична машина, чиято формула има формата ета- = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁ ни позволява да направим следните изводи:

• Ефективността не може да надвишава 1 (или 100%);
• За да се увеличи максимално тази стойност, е необходимо увеличаване на енергията, получена от нагревателя, или намаляване на енергията, дадена на хладилника;
• Увеличаването на енергията на нагревателя се постига чрез промяна на качеството на горивото;
• Намаляването на енергията, дадена на хладилника, позволява да се постигнат конструктивни характеристики на двигателите.

Идеалният топлинен двигател

Възможно ли е да се създаде такъв двигател, чиято ефективност би била максимална (в идеалния случай - равна на 100%)? Френският теоретичен физик и талантлив инженер Сади Карно се опита да намери отговор на този въпрос. През 1824 г. публичните му теоретични сведения за процесите, протичащи в газовете.

Основната идея, вградена в идеална машина, може да се счита за осъществяване на обратими процеси с идеален газ. Започваме с изотермично разширяване на газа при температура Т₁. Количеството топлина, необходимо за това, е Q_1. следгаз без топлообмен разширява (процесът е адиабатичен). След достигане на температурата T₂, Газът се компресира изотермично, пренасяйки енергията Q₂. Газът се връща в първоначалното си състояние адиабатно.

Ефективността на идеалния термо двигател Carnot за точно изчисление е равна на съотношението на температурната разлика между отоплителните и охладителните устройства до температурата, която има нагревателя. Това изглежда така: ета = (Т₁ - T₂) / T_1.

Възможната ефективност на термична машина, чиято формула е: ета- = 1- T₂/ Т₁, зависи само от стойностите на температурите на нагревателя и охладителя и не може да бъде повече от 100%.

Освен това, тази връзка ни позволява да докажем, че ефективността на термични машини може да бъде равна на единството само когато хладилника абсолютна нула температури. Както знаете, тази стойност е недостижима.

Теоретичните изчисления на Carnot ни позволяват да определим максималната ефективност на термична машина от всякакъв дизайн.

Теоремата, доказана от Карно, гласи следното. Независимата термична машина при никакви условия не може да има ефективност, по-голяма от тази на идеален топлинен двигател.

Пример за разрешаване на проблеми

Пример 1. Каква е ефективността на идеалната термична машина, в случай че температурата на нагревателя е 800^заС, и температура на хладилник на 500^заОтдолу?

T₁= 800^заС = 1073 К, АТ = 500^заС = 500 К, eta- -

решение:

По дефиниция: ета = (Т₁ - T₂) / T_1.

Не ни се дава температурата на хладилника, но ΔT = (Т₁ - T₂), оттук:

ета- = ΔT / Т₁ = 500 К / 1073 К = 0.46.

Отговор: Ефективност = 46%.

Пример 2. Определете ефективността на идеалния топлинен двигател, ако на цената на закупената килоджаула енергия на нагревателя се произвежда полезна работа от 650 J. Каква е температурата на нагревателя на топлинния двигател, ако температурата на охладителя е 400 K?

Q₁ = 1 kJ = 1000 J, А = 650 J, Т₂ = 400 К, ета-а, Т₁ =?

решение:

В този проблем става дума за термична инсталация, чиято ефективност може да бъде изчислена от формулата:

ета- = A / Q_1.

За да определим температурата на нагревателя, използваме формулата за ефективността на идеален топлинен двигател:

етанол (Т.₁ - T₂) / T₁ = 1- T₂/ Т_1.

Извършвайки математически трансформации, получаваме:

T₁ = T₂ / (1- eta-).

T₁ = T₂ / (1 - A / Q₁).

Ние изчисляваме:

= 650 J / 1000 J = 0.65.

T₁ = 400 К / (1 650 J / 1000 J) = 1142,8 К.

отговори на: етанол = 65%, Т₁ = 1142.8 К.

Реални условия

Идеалният топлинен двигател е проектиран, като се вземат предвид идеалните процеси. Работата се извършва само при изотермични процеси, нейната величина се определя като областта, ограничена от графиката на цикъла Carnot.

Всъщност е невъзможно да се създадат условия за процеса на промяна на състоянието на газа без придружаващи температурни промени. Няма такъв материал, който да изключва топлообмен с околните обекти. Адиабатичният процес става невъзможен. В случай на топлообмен, температурата на газа трябва непременно да се промени.

Ефективността на термичните машини, създадени в реални условия, значително се различава от ефективността на идеалните двигатели. Отбелязваме, че процесите в реалните двигатели се появяват толкова бързо, че изменението на вътрешната топлинна енергия на работното вещество по време на процеса на промяна на неговия обем не може да бъде компенсирано от притока на топлина от нагревателя и връщането в хладилника.

Други термични двигатели

Реалните двигатели работят на други цикли:

• Ото цикъл: процесът за непроменен обем варира адиабатно, създавайки затворен цикъл;
• Дизелов цикъл: изобобар, адиабат, изоохор, адиабат;
• газовата турбина: процесът, протичащ при постоянно налягане, се заменя с адиабатичен процес, който затваря цикъла.

Не е възможно да се създадат равновесни процеси в реални двигатели (с цел тяхното приближаване до идеални) в условията на съвременната технология. Ефективността на термичните машини е много по-ниска, дори при отчитане на същите температурни условия, както при идеалната топлинна инсталация.

Но не намалете ролята на дизайнерската формула за ефективност Carnot цикъл, тъй като тя се превръща в еталон в процеса на работа по повишаване на ефективността на реалните двигатели.

Начини за промяна на ефективността

Сравнявайки идеалните и истинските термични двигатели, трябва да се отбележи, че температурата на хладилника не може да бъде никаква. Обикновено хладилникът се счита за атмосфера. Приемайте температурата на атмосферата само при приблизителни изчисления. Опитът показва, че температурата на охладителя е равна на температурата на изгорелите газове в двигателите, какъвто е случаят с двигателите с вътрешно горене (съкратено с ICE).

ICE е най-разпространената термична машина в нашия свят. Ефективността на топлинния двигател в този случай зависи от температурата, създадена от изгарящото гориво. Значителна разлика между ICE и парните двигатели е сливането на функциите на нагревателя и работното тяло на устройството в смес въздух-гориво. При горенето, сместа създава натиск върху движещите се части на двигателя.

Увеличават се температурите на работните газове, като се променят значително свойствата на горивото. За съжаление е невъзможно да се направи това неограничено. Всеки материал, от който е направена горивната камера на двигателя, има точката на топене. Топлоустойчивостта на такива материали е основната характеристика на двигателя, както и възможността за значително въздействие върху ефективността.

Стойности на ефективността на двигателя

Ако вземем предвид парна турбина, работната пара на входа на която е равна на 800 К, а отработеният газ - 300 К, тогава ефективността на тази машина е 62%. В действителност тази стойност не надвишава 40%. Такова намаляване възниква поради топлинни загуби, когато турбината на корпуса се нагрява.

Най-високата стойност на ефективността на двигателите с вътрешно горене не надвишава 44%. Увеличаването на тази стойност е въпрос на близко бъдеще. Промяна на свойствата на материалите, гориво - това е проблем, върху който работят най-добрите умове на човечеството.