Mașină termică: ciclu, funcționare, eficiență. Probleme de mediu ale mașinilor termice. Care este mașina termică ideală?

Nevoia de utilizare energie mecanică

Dispozitivul mașinilor termice

O mașină termică (motor termic) este un dispozitiv pentru transformarea energiei interne în energie mecanică.

Orice mașină termică are un încălzitor, un corp de lucru (gaz sau abur) care, ca rezultat al încălzirii, efectuează lucrări (rotește arborele turbinei, deplasează pistonul etc.) și frigider. Figura de mai jos prezintă schema motorului termic.

Fundamentele acțiunii motoarelor termice

Fiecare mașină termică este acționată de motor. Pentru a face treaba, trebuie să aibă o diferență de presiune pe ambele părți ale pistonului motorului sau ale lamelor de turbină. Această diferență se realizează la toate motoarele termice după cum urmează: temperatura lichidului de lucru crește cu sute sau mii de grade în comparație cu temperatura ambiantă. În turbine cu gaz iar în motoarele cu combustie internă (ICE), temperatura crește datorită faptului că combustibilul arde în interiorul motorului. Frigiderul poate fi o atmosferă sau un dispozitiv special pentru condensarea și răcirea aburului utilizat.

Ciclul Carnot

Un ciclu (proces circular) este un set de modificări ale stării unui gaz, ca urmare a reveni la starea inițială (poate funcționa). În anul 1824, fizicianul francez Sadi Carnot a arătat că este avantajos să cicloneze un motor termic (ciclul Carnot), care constă din două procese - izoterme și adiabatice. Figura de mai jos prezintă un grafic al ciclului Carnot: 1-2 și 3-4 - izoterme, 2-3 și 4-1 - adiabate.

În conformitate cu legea conservării energiei, activitatea mașinilor termice efectuate de motor este:

A = Q₁- Q₂,

unde Q₁ - cantitatea de căldură primită de la încălzitor și Q₂ - cantitatea de căldură care este dată frigiderului.
Eficiența unui motor termic este raportul dintre activitatea A, efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor:

eta = A / Q = (Q₁- Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q₁.

În „Gânduri despre forța motrice a focului și la mașinile care sunt capabile să dezvolte această forță“ (1824) a descris un motor termic Carnot sub numele de „motor termic ideală cu un gaz ideal, care este un organism de lucru.“ Datorită legilor termodinamicii, este posibil să se calculeze eficiența (cea mai mare posibilă) a unui motor termic cu un încălzitor care are o temperatură T₁, și un frigider cu o temperatură T₂. Mașina termică Carnot are o eficiență:

eta-_max = (T₁ - T₂) / T₁ = 1 - T₂/ T_1.

Sadi Carnot a dovedit că orice mașină termică este reală, care funcționează cu un încălzitor cu o temperatură T₁ și un frigider cu o temperatură T₂ nu este capabil să aibă o eficiență care să depășească eficiența mașinii termice (ideală).

Motorul cu combustie internă (ICE)

ICE în patru timpi constă dintr-unul sau mai mulți cilindri, un piston, un mecanism de manivelă, o supapă de admisie și evacuare și o lumanare.

Ciclul de sarcini constă în patru cicluri:

1) aspirație - amestecul combustibil intră prin supapa din cilindru -
2) compresie - ambele valve sunt închise -
3) cursa de lucru - arderea explozivă a unui amestec combustibil -
4) evacuarea gazelor de eșapament în atmosferă.

Turbină cu abur

Într-o turbină cu abur, conversia de energie are loc datorită diferenței de presiune a vaporilor de apă la intrare și ieșire.
Capacitățile turbinelor cu abur moderne ajung la 1300 MW.

Unii parametri tehnici ai unei turbine cu abur de 1200 MW

• Presiunea de vapori (proaspătă) este de 23,5 MPa.
• Temperatura aburului este de 540 ° C.
• Debitul de abur al turbinei este de 3600 t / h.
• Viteza rotorului este de 3000 rpm.
• Presiunea vaporilor din condensator este de 3,6 kPa.
• Lungimea turbinei este de 47,9 m.
• Masa turbinei este de 1900 de tone.

Motorul termic constă dintr - un compresor de aer, o cameră de ardere și turbină cu gaz. Principiul de funcționare: aerul este adiabatic aspirat în compresor, astfel încât temperatura acestuia se ridică la 200 ° C sau mai mult. Data viitoare aer comprimat cade în camera de ardere, unde, simultan sub presiune mare, combustibilul lichid intră - kerosen, fotogen, combustibil. Când combustibilul este ars, aerul este încălzit la o temperatură de 1500-2000 ° C, se extinde și viteza crește. Aerul se deplasează cu viteză mare, iar produsele de combustie sunt trimise la turbină. După tranziția de la etapă la etapă, produsele de ardere dau paletelor lor turbine energia lor cinetică. O parte din energia primită de turbină ajunge la rotirea compresorului - restul este cheltuit pe rotorul unui generator electric, al unei elice a unui avion sau al unei nave maritime și al roților unei mașini.

Turbina cu gaz poate fi utilizat, pe lângă planul de rotație și roțile vehiculelor sau elicele navei, ca un motor cu reacție. aer și gaze de ardere sunt evacuate la o viteză ridicată de la turbina cu gaz, astfel încât forța de tracțiune cu jet, care apare în acest proces poate fi utilizat pentru a muta avioane (avion) ​​și nave de apă (navă), transportul feroviar. De exemplu, motoarele turbopropulsoare au An-24, An-124 (Ruslan), An-225 (Dream). Astfel, "Visul" cu o viteză de zbor de 700-850 km / h este capabil să transporte 250 de tone de marfă la o distanță de aproape 15.000 km. Este cel mai mare avion de transport din lume.

Probleme de mediu ale mașinilor termice

mare impact asupra climei este condițiile atmosferice, în special, prezența dioxidului de carbon și vapori de apă. Astfel, modificarea conținutului de dioxid de carbon duce la o creștere sau descreștere a efectului de seră, în care dioxidul de carbon absoarbe o parte din căldura care radiază în spațiul pământului, întârzieri în atmosferă crește și astfel temperatura la suprafață și atmosfera inferioară. Fenomenul efectului de seră joacă un rol decisiv în atenuarea schimbărilor climatice. În absența acesteia, temperatura medie a planetei nu ar +15 ° C și mai mică de 30-40 ° C

Acum, în lume există mai mult de 300 de milioane de tipuri diferite de mașini, care creează mai mult de jumătate din poluarea atmosferei.

Peste 1 an in atmosfera din puterea termică din arderea combustibilului se alocă 150 de milioane de tone de oxizi de sulf, 50 de milioane de tone de oxid de azot, 50 de milioane de tone de cenușă, de 200 de milioane de tone de monoxid de carbon, 3 milioane de tone Feona.

Compoziția atmosferei include ozonul, care protejează toată viața de pe pământ de efectele nocive ale razelor ultraviolete. În 1982, cercetătorul englez J. Farman a descoperit o gaură de ozon asupra Antarcticii - o scădere temporară a ozonului în atmosferă. La momentul dezvoltării maxime a gaurii de ozon, pe 7 octombrie 1987, cantitatea de ozon din acesta a scăzut de 2 ori. Gaura de ozon a apărut probabil ca urmare a unor factori antropici, inclusiv utilizarea în industrie a refrigeronurilor (freonilor) care conțin clor, care distrug stratul de ozon. Cu toate acestea, studiile din anii 1990. nu a confirmat acest punct de vedere. Cel mai probabil, apariția unei găuri de ozon nu este legată de activitatea umană și este un proces natural. În 1992, și peste Arctica a fost deschisă o gaură de ozon.

Dacă toată ozonul atmosferic este colectat într-un strat apropiat de suprafața Pământului și este îngroșat la o densitate de aer la presiune atmosferică normală și la 0 ° C, grosimea stratului de protecție a stratului de ozon va fi de numai 2-3 mm! Acesta este scutul întreg.

Un pic de istorie ...

• Iulie 1769. În parc Paris Meudon militar inginer NZ Kyunyo la „vagon de foc“, care a fost echipat cu un motor cu aburi doi cilindri, a condus la câteva zeci de metri.
• 1885 ani. Karl Benz, un inginer german, a construit prima masina cu trei roti pe benzina in patru timpi, cu trei roti, a Motorwagen, cu o capacitate de 0,66 kW, care la 29 ianuarie 1886 a primit un brevet. Viteza masinii a ajuns la 15-18 km / h.
• 1891 ani. Gottlieb Daimler, inventatorul german, a produs un cărucior de transport de marfă cu un motor de 2,9 kW (4 cai putere) din mașină. Viteza maximă Masina a ajuns la 10 km / h, capacitatea de încărcare în diverse modele a variat între 2 și 5 tone.
• 1899 an. Belgianul K. Zhenatzi, în mașina lui "Jame Contant" ("Întotdeauna nemulțumit"), a depășit pentru prima dată o limită de viteză de 100 de kilometri.

Exemple de rezolvare a problemelor

Sarcina 1. Temperatura încălzitorului este o mașină ideală de încălzire egală cu 2000 K, iar temperatura frigiderului este de 100 ° C. Determinați eficiența.

Soluția:
Formula, care determină eficiența mașinii termice (maxim):

ŋ = T₁-T₂/ T_1.
ŋ = (2000К-373К) / 2000 К = 0,81.

răspundă: Eficacitatea motorului este de 81%.

Sarcina 2.În motorul termic, 200 kJ de căldură a fost primită de la arderea combustibilului și 120 kJ de căldură au fost transferate în frigider. Care este eficiența motorului?

soluţie:
Formula pentru determinarea eficienței este după cum urmează:

ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2middot-10⁵ J - 1,2middot-10⁵ J) / 2middot-10⁵ J = 0,4.

răspundă: Eficiența motorului termic este de 40%.

Sarcina 3. Care este eficiența motorului termic, dacă mediul de lucru după cantitatea de căldură de 1,6 MJ de la încălzitor a efectuat 400 kJ? Cât de multă căldură a fost transferată la frigider?

soluţie:
Eficiența poate fi determinată de formula

ŋ = A / Q_1.

ŋ = 0,4middot-10⁶ J / 1,6middot-10⁶ J = 0,25.

Cantitatea de căldură transferată în frigider poate fi determinată din formula

Q₁ - A = Q_2.
Q₂ = 1,6middot-10⁶ J = 0,4middot-10⁶ J = 1,2middot-10⁶ J ..
răspundă: aparatul de încălzire are o eficiență de 25% - cantitatea de căldură transferată la frigider - 1,2middot-10⁶ J ..