Eficiență termică. Eficiența unui motor termic - formula

Realitățile moderne presupun o exploatare largă a motoarelor termice. Numeroasele încercări de a le înlocui cu motoare electrice au eșuat până acum. Problemele asociate cu acumularea de energie electrică în sistemele autonome sunt rezolvate cu mare dificultate.

Problemele tehnologiei de fabricare a bateriilor cu energie electrică sunt încă relevante, luând în considerare utilizarea lor pe termen lung. Caracteristicile de viteză ale vehiculelor electrice sunt departe de cele ale motoarelor cu ardere internă.

Primii pași pentru a crea motoare hibride pot reduce în mod semnificativ emisiile nocive în megacities, rezolvând problemele de mediu.

Un pic de istorie

Posibilitatea de a transforma energia aburului în energie de mișcare a fost cunoscută în antichitate. 130 î.Hr.: Filozoful Heron din Alexandria a prezentat publicului o jucărie de aburi - eolipil. Sfera, plină de aburi, a intrat în rotație sub acțiunea jeturilor care i s-au emis. Acest prototip de turbine cu abur moderne în acele zile nu a găsit aplicații.

Timp de mulți ani și de secole, dezvoltarea filozofului a fost considerată doar o jucărie amuzantă. În 1629 italianul D. Branci a creat o turbină activă. Aburul a pus în mișcare un disc echipat cu lame.

Din acest moment a început dezvoltarea rapidă a motoarelor cu aburi.

Mașină termică

transformare energia internă combustibil în energia de mișcare a părților mașinilor și a mecanismelor utilizate în mașini termice.

Principalele părți ale mașinilor sunt un încălzitor (un sistem pentru obținerea energiei din exterior), un mediu de lucru (efect util), un frigider.

Încălzitorul este proiectat pentru ca corpul de lucru să acumuleze o cantitate suficientă de energie internă pentru a comite o muncă utilă. Frigiderul elimină excesul de energie.

Principala caracteristică a eficienței este eficiența mașinilor termice. Această valoare arată cât de multă energie consumată pentru încălzire este cheltuită pentru a face o muncă utilă. Cu cât este mai mare eficiența, cu atât este mai bună performanța mașinii, dar această valoare nu poate depăși 100%.

Calculul eficienței

Lăsați încălzitorul să achiziționeze din afara energiei egale cu Q_1. Organismul de lucru a lucrat A, în timp ce energia dată frigiderului era Q_2.

Pe baza definiției, se calculează valoarea eficienței:

eta- = A / Q₁. Luăm în considerare faptul că A = Q₁ - Q_2.

Prin urmare, eficiența unei mașini termice, a cărei formulă are forma eta- (Q₁ - Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁ ne permite să tragem următoarele concluzii:

• Eficiența nu poate depăși 1 (sau 100%);
• Pentru a maximiza această valoare, fie este necesară o creștere a energiei primite de la încălzitor, fie o reducere a energiei furnizate frigiderului;
• Creșterea energiei încălzitorului se realizează prin schimbarea calității combustibilului;
• Reducerea energiei furnizate frigiderului permite obținerea caracteristicilor de proiectare ale motoarelor.

Motorul ideal pentru încălzire

Este posibil să se creeze un astfel de motor, a cărui eficiență ar fi maximă (în mod ideal - egală cu 100%)? Un fizician teoretic francez și un inginer talentat, Sadi Carnot, au încercat să găsească un răspuns la această întrebare. În 1824, constatările sale teoretice despre procesele care au loc în gaze au fost făcute publice.

Ideea principală încorporată într-o mașină ideală poate fi considerată ca realizând procese reversibile cu un gaz ideal. Începem cu izotermia de expansiune a gazului la temperatura T₁. Cantitatea de căldură necesară pentru acest lucru este Q_1. dupăgazul fără schimb de căldură se extinde (procesul este adiabatic). După atingerea temperaturii T₂, Gazul este comprimat izotermic, transferând energia Q₂. Gazul este returnat în stare inițială adiabatic.

Eficiența unui motor termic ideal Carnot pentru un calcul precis este egală cu raportul diferenței de temperatură dintre dispozitivele de încălzire și răcire la temperatura pe care o are încălzitorul. Se pare ca aceasta: eta = (T₁ - T₂) / T_1.

Eficiența posibilă a unei mașini termice, a cărei formulă este: eta- = 1- T₂/ T₁, depinde numai de valorile temperaturilor încălzitorului și ale răcitorului și nu poate fi mai mare de 100%.

Mai mult decât atât, această relație ne permite să demonstrăm că eficiența mașinilor termice poate fi egală cu unitatea numai atunci când frigiderul absolut zero Temperaturile. După cum știți, această valoare nu poate fi atinsă.

Calculele teoretice ale Carnot ne permit să determinăm eficiența maximă a unei mașini termice de orice tip.

Teorema dovedită de Carnot citește după cum urmează. O mașină termică arbitrară în orice condiții nu este capabilă să aibă o eficiență mai mare decât cea a unui motor termic ideal.

Exemplu de rezolvare a problemelor

Exemplul 1. Care este eficiența unei mașini termice ideale, în cazul în care temperatura încălzitorului este de 800^despreCu, și temperatura unui frigider pe 500^despreDe jos?

T₁= 800^despreC = 1073 K, ΔT = 500^despreC = 500 K, eta- -?

soluţie:

Prin definiție: eta = (T₁ - T₂) / T_1.

Nu ni se dă temperatura frigiderului, dar ΔT = (T₁ - T₂), de aici:

eta- = ΔT / T₁ = 500 K / 1073 K = 0,46.

Răspuns: Eficiență = 46%.

Exemplul 2. Se determină eficiența unui motor termic ideală, în cazul în care datorită energiei dobândite de un kj încălzitor efectuat o muncă utilă 650 J. Care este temperatura încălzitorului motorului termic dacă temperatura lichidului de răcire. - 400 K?

Q₁ = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T₂ = 400 K, eta-a, T₁ =?

soluţie:

În această problemă vorbim despre o instalație termică, a cărei eficiență poate fi calculată din formula:

eta- = A / Q_1.

Pentru a determina temperatura încălzitorului, folosim formula pentru eficiența unui motor termic ideal:

eta- (T₁ - T₂) / T₁ = 1- T₂/ T_1.

Realizând transformări matematice, obținem:

T₁ = T₂ / (1- eta-).

T₁ = T₂ / (1-A / Q₁).

Calculăm:

eta = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

răspundă: eta = 65%, T₁ = 1142,8 K.

Condiții reale

Motorul ideal pentru încălzire este proiectat ținând cont de procesele ideale. Lucrarea se face numai în procese izotermice, magnitudinea ei fiind definită ca suprafața delimitată de graficul ciclului Carnot.

De fapt, este imposibil să se creeze condiții pentru procesul de schimbare a stării gazului fără modificări de temperatură însoțitoare. Nu există un astfel de material care să excludă schimbul de căldură cu obiectele din jur. Procesul adiabatic devine imposibil. În cazul schimbului de căldură, temperatura gazului trebuie schimbată în mod necesar.

Eficiența mașinilor termice create în condiții reale este semnificativ diferită de eficiența motoarelor ideale. Rețineți că fluxul de procese în motoarele reale se întâmplă atât de repede încât variația energiei termice interne a substanței de lucru în procesul de schimbare a volumului său nu poate fi compensată prin afluxul de cantitatea de căldură a unui încălzitor și un retur mai rece.

Alte motoare termice

Motoarele reale lucrează pe alte cicluri:

• Ciclul Otto: procesul pentru un volum nemodificat variază adiabatic, creând un ciclu închis;
• Ciclul diesel: izobar, adiabat, isochor, adiabat;
• turbină cu gaz: procesul care apare la presiune constantă este înlocuit de un proces adiabatic, închide ciclul.

Pentru a crea procese de echilibru în motoarele reale (pentru a le apropia de cele ideale) în condițiile tehnologiei moderne nu este posibilă. Eficiența mașinilor termice este mult mai scăzută, chiar ținând cont de aceleași condiții de temperatură ca și în cazul unei instalații de încălzire ideale.

Dar nu reduceți rolul formulării de design pentru eficiență Carnot ciclu, deoarece devine punctul de referință în procesul de lucru privind creșterea eficienței motoarelor reale.

Modalități de schimbare a eficienței

Efectuând o comparație a motoarelor termice ideale și reale, este de remarcat că temperatura frigiderului nu poate fi niciodată. De obicei, un frigider este considerat o atmosferă. Acceptați că temperatura atmosferei poate fi doar în calcule aproximative. Experiența arată că temperatura lichidului de răcire este gazul de eșapament în motoarele, așa cum se întâmplă în motoarele cu ardere internă (abreviat ca DVS).

ICE este cea mai comună mașină termică din lumea noastră. Eficiența motorului termic depinde în acest caz de temperatura creată de combustibilul ars. O diferență semnificativă între motoarele ICE și cu aburi este fuziunea funcțiilor încălzitorului și a corpului de lucru al dispozitivului într-un amestec aer-combustibil. În timpul arderii, amestecul creează presiune asupra părților mobile ale motorului.

Creșterea temperaturii gazelor de lucru se realizează, schimbând semnificativ proprietățile combustibilului. Din păcate, este imposibil să faci acest lucru fără restricții. Orice material din care este realizată camera de ardere a motorului are punctul său de topire. Rezistența la căldură a acestor materiale este principala caracteristică a motorului, precum și posibilitatea de a afecta semnificativ eficiența.

Valorile eficienței motorului

Dacă luăm în considerare turbina cu abur, temperatura aburului de lucru la intrare este egală cu 800 K, iar gazul de eșapament - 300 K, atunci eficiența acestei mașini este de 62%. În realitate, această valoare nu depășește 40%. O astfel de reducere apare din cauza pierderilor termice când se încălzește carcasa turbinei.

Cea mai mare valoare a eficienței motoarelor cu combustie internă nu depășește 44%. Creșterea acestei valori este o problemă a viitorului apropiat. Schimbarea proprietăților materialelor, combustibilului - este o problemă asupra căreia funcționează cele mai bune minți ale omenirii.