ТЪРСИ

Топлинна ефективност. Ефективност на формулата на топлинен двигател

Съвременните реалности предполагат широко разпространениеексплоатация на топлинни 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 технологиите все още са релевантнипроизводството на акумулатори на електрическа енергия, като се взема предвид тяхното дългосрочно използване. 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

ефективността на термичните машини

Възможността за преобразуване на парата в енергиядвижението е било известно 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

ефективността на идеалната термична машина

Трансформацията на вътрешната енергия на горивото в енергията на движението на частите на машините и механизмите се използва в термичните 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.

Очертава се основната характеристика на ефективносттаТоплинна ефективност. 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 Q1, Работното тяло работи А, а енергията, дадена на хладилника, е Q2,

Въз основа на определението, изчислете стойността на ефективността:

η = A / Q1, Вземаме под внимание, че A = Q1 - Q2.

Следователно ефективността на термичната машина, чиято формула има формата η = (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.

топлинната ефективност на формулата

Идеалният топлинен двигател

Възможно ли е да се създаде такъв двигател,чиято ефективност би била максимална (в идеалния случай - 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 Q1. след Газът без топлинен трансфер се разширява (адиабатичен процес). След достигане на температурата T2, газът се компресира изотермично, пренасяйки енергията Q2, Газът се връща в първоначалното си състояние адиабатно.

Ефективността на идеалния двигател на Carnotточното изчисление е равно на съотношението на температурната разлика между устройствата за отопление и охлаждане до температурата на нагревателя. Тя изглежда така: η = (Т1 - Т.2) / T1.

Възможната ефективност на термичната машина, чиято формула има формата: η = 1 - Т.2/ 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 термичните машини може да бъде равна на единството само когато хладилникът достигне абсолютна нулева температура. 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.

топлинна машина за термична машина

Пример за разрешаване на проблеми

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

T1= 800заС = 1073 К, АТ = 500заC = 500 К, η -?

решение:

По дефиниция: η = (Т1 - Т.2) / T1.

Не ни се дава температурата на хладилника, но ΔT = (Т1 - Т.2), оттук:

η = ΔT / Т1 = 500 К / 1073 К = 0.46.

Отговор: Ефективност = 46%.

Пример 2. Определете ефективността на идеалната топлинна машина, акоотчитането на закупеното килоджаула на нагревателната енергия прави 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, н-а, Т1 =?

решение:

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

η = A / Q1.

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

η = (Т1 - Т.2) / T1 = 1 - Т.2/ Т1.

Извършвайки математически трансформации, получаваме:

T1 = T2 / (1 - η).

T1 = T2 / (1 - A / Q1).

Ние изчисляваме:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

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

Отговорът е: η = 65%, T1 = 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.

максимална ефективност на термична машина

Всъщност създайте условия за течениеПроцесът на промяна на състоянието на газа без придружаващи температурни промени е невъзможен. 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 топлинните машини, създадени в реални условияусловия, значително се различават 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: процес, който се осъществява при постоянно налягане, се заменя с адиабатичен процес, който затваря цикъла.

Създайте равновесни процеси в реалнидвигатели (да ги приближим до идеала) при условия на модерна технология не е възможно. Ефективността на термичните машини е много по-ниска, дори при отчитане на същите температурни условия, както при идеалната топлинна инсталация.

Но не трябва да намалявате ролята на изчислителната формула за ефективността на цикъла на Карно, тъй като тя се превръща в отправна точка в процеса на работа за повишаване на ефективността на реалните двигатели.

Начини за промяна на ефективността

Чрез сравняване на идеалната и реалната топлинадвигатели, заслужава да се отбележи, че температурата на хладилника на последния не може да бъде никаква. Обикновено хладилникът се счита за атмосфера. Да се ​​вземе температурата на атмосферата е възможно само при приблизителни изчисления. Опитът показва, че температурата на охладителя е равна на температурата на отработените газове в двигателите, какъвто е случаят с двигателите с вътрешно горене (за кратко, ICE).

Каква е ефективността на идеалния топлинен двигател?

ICE - най-често срещаният в нашия святтоплинен двигател. Ефективността на топлинния двигател в този случай зависи от температурата, създадена от горивото. Съществена разлика на ICE от парните машини е сливането на функциите на нагревателя и работния флуид на устройството във въздушно-горивната смес. Изгарянето на сместа създава натиск върху движещите се части на двигателя.

Повишават се температурите на работните газовезначително променя свойствата на горивото. За съжаление, това е невъзможно да се направи за неопределено време. Всеки материал, от който е направена горивната камера на двигателя, има своя точка на топене. Топлинната устойчивост на такива материали е основната характеристика на двигателя, както и възможността за значително влияние върху ефективността.

Стойности на ефективност на двигателя

Ако разгледаме парната турбина, температуратаРаботната пара, на входа на която е 800 K, а отработеният газ е 300 K, ефективността на тази машина е 62%. В действителност тази стойност не надвишава 40%. Това намаление се дължи на топлинните загуби при загряване на корпуса на турбината.

определя ефективността на идеален топлинен двигател

Най-високата ефективност на вътрешните двигателигоренето не надвишава 44%. Увеличаването на тази стойност е въпрос на близко бъдеще. Промяната на свойствата на материалите и горивата е проблем, върху който работят най-добрите умове на човечеството.

  • Оценка: