ऊष्मा इंजन की दक्षता हमेशा होती है ऊष्मा इंजनों के संचालन का सिद्धांत

एक ऊष्मा इंजन (मशीन) एक उपकरण है जो ईंधन की आंतरिक ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है, आसपास के निकायों के साथ गर्मी का आदान-प्रदान करता है। अधिकांश आधुनिक ऑटोमोबाइल, विमान, समुद्री और रॉकेट इंजन संचालन के सिद्धांतों पर डिज़ाइन किए गए हैं इंजन गर्म करें. काम करने वाले पदार्थ की मात्रा को बदलकर काम किया जाता है, और किसी भी प्रकार के इंजन की दक्षता को चिह्नित करने के लिए, एक मूल्य का उपयोग किया जाता है जिसे दक्षता कारक (सीओपी) कहा जाता है।

हीट इंजन कैसे काम करता है

ऊष्मप्रवैगिकी के दृष्टिकोण से (भौतिकी की एक शाखा जो आंतरिक और यांत्रिक ऊर्जा के पारस्परिक परिवर्तनों के पैटर्न और एक शरीर से दूसरे शरीर में ऊर्जा के हस्तांतरण का अध्ययन करती है), किसी भी ऊष्मा इंजन में एक हीटर, एक रेफ्रिजरेटर और एक कार्यशील द्रव होता है .

चावल। 1. ऊष्मा इंजन का संरचनात्मक आरेख:।

एक प्रोटोटाइप हीट इंजन का पहला उल्लेख एक भाप टरबाइन को संदर्भित करता है, जिसका आविष्कार प्राचीन रोम (दूसरी शताब्दी ईसा पूर्व) में किया गया था। सच है, उस समय कई सहायक विवरणों की कमी के कारण आविष्कार को व्यापक आवेदन नहीं मिला। उदाहरण के लिए, उस समय किसी भी तंत्र के संचालन के लिए असर के रूप में इस तरह के एक महत्वपूर्ण तत्व का आविष्कार नहीं किया गया था।

किसी भी ताप इंजन के संचालन की सामान्य योजना इस प्रकार है:

• हीटर का तापमान T 1 इतना अधिक होता है कि वह बड़ी मात्रा में ऊष्मा Q 1 को स्थानांतरित कर सकता है। अधिकांश ऊष्मा इंजनों में, दहन से ऊष्मा उत्पन्न होती है। ईंधन मिश्रण(ईंधन-ऑक्सीजन);
• इंजन का कार्यशील द्रव (भाप या गैस) उपयोगी कार्य करता है लेकिन,उदाहरण के लिए, पिस्टन को हिलाना या टरबाइन को घुमाना;
• रेफ्रिजरेटर काम कर रहे तरल पदार्थ से ऊर्जा का हिस्सा अवशोषित करता है। फ्रिज का तापमान टी 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .

हीट इंजन (इंजन) को लगातार काम करना चाहिए, इसलिए काम कर रहे द्रव को अपनी मूल स्थिति में वापस आना चाहिए ताकि उसका तापमान T 1 के बराबर हो जाए। प्रक्रिया की निरंतरता के लिए, मशीन का संचालन समय-समय पर दोहराते हुए चक्रीय रूप से होना चाहिए। एक चक्रीय तंत्र बनाने के लिए - काम कर रहे तरल पदार्थ (गैस) को उसकी मूल स्थिति में वापस करने के लिए - संपीड़न प्रक्रिया के दौरान गैस को ठंडा करने के लिए एक रेफ्रिजरेटर की आवश्यकता होती है। वातावरण एक रेफ्रिजरेटर के रूप में काम कर सकता है (इंजनों के लिए अन्तः ज्वलन) या ठंडा पानी (भाप टर्बाइनों के लिए)।

ऊष्मा इंजन की दक्षता कितनी होती है

1824 में फ्रांसीसी यांत्रिक इंजीनियर साडी कार्नोट ने ऊष्मा इंजनों की दक्षता का निर्धारण करने के लिए। अवधारणा पेश की ऊष्मीय दक्षतायन्त्र। दक्षता को दर्शाने के लिए ग्रीक अक्षर का प्रयोग किया जाता है। के मान की गणना ऊष्मा इंजन दक्षता सूत्र का उपयोग करके की जाती है:

$$η=(A\ओवर Q1)$$

चूंकि $ A = Q1 - Q2 $, तो

$η =(1 - Q2\Q1 से अधिक)$

चूंकि सभी इंजनों में गर्मी का कुछ हिस्सा रेफ्रिजरेटर को दिया जाता है, तो हमेशा< 1 (меньше 100 процентов).

एक आदर्श ऊष्मा इंजन की अधिकतम संभव दक्षता

एक आदर्श ऊष्मा इंजन के रूप में, साडी कार्नोट ने एक आदर्श गैस के साथ एक कार्यशील द्रव के रूप में एक मशीन का प्रस्ताव रखा। आदर्श कार्नोट मॉडल एक चक्र (कार्नोट चक्र) पर कार्य करता है जिसमें दो समतापी और दो रुद्धोष्म होते हैं।

चावल। 2. कार्नोट चक्र:.

स्मरण करो:

• रुद्धोष्म प्रक्रियाएक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया है जो पर्यावरण के साथ गर्मी के आदान-प्रदान के बिना होती है (क्यू = 0);
• इज़ोटेर्मल प्रक्रियाएक थर्मोडायनामिक प्रक्रिया है जो तब होती है जब स्थिर तापमान. चूंकि एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है, गैस को स्थानांतरित गर्मी की मात्रा क्यूए (क्यू = ए) काम करने के लिए पूरी तरह से चला जाता है .

साडी कार्नोट ने साबित किया कि एक आदर्श ऊष्मा इंजन द्वारा प्राप्त की जा सकने वाली अधिकतम संभव दक्षता निम्नलिखित सूत्र द्वारा दी गई है:

$$ηअधिकतम=1-(T2\T1 से अधिक)$$

कार्नोट सूत्र आपको ऊष्मा इंजन की अधिकतम संभव दक्षता की गणना करने की अनुमति देता है। हीटर और रेफ्रिजरेटर के तापमान में जितना अधिक अंतर होगा, दक्षता उतनी ही अधिक होगी।

विभिन्न प्रकार के इंजनों की वास्तविक दक्षता क्या है

उपरोक्त उदाहरणों से, यह देखा जा सकता है कि उच्चतम दक्षता मूल्य (40-50%) आंतरिक दहन इंजन (डीजल संस्करण में) और तरल ईंधन जेट इंजन हैं।

चावल। 3. वास्तविक ताप इंजन की दक्षता:।

हमने क्या सीखा?

तो, हमने सीखा कि इंजन दक्षता क्या है। किसी भी ऊष्मा इंजन की दक्षता हमेशा 100 प्रतिशत से कम होती है। हीटर टी 1 और रेफ्रिजरेटर टी 2 के बीच तापमान का अंतर जितना अधिक होगा, दक्षता उतनी ही अधिक होगी।

विषय प्रश्नोत्तरी

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इंजन द्वारा किया गया कार्य है:

इस प्रक्रिया पर पहली बार फ्रांसीसी इंजीनियर और वैज्ञानिक एन.एल.एस. कार्नोट ने 1824 में रिफ्लेक्शंस ऑन ड्राइविंग फोर्स ऑफ फायर और इस बल को विकसित करने में सक्षम मशीनों पर पुस्तक में विचार किया था।

कार्नोट के शोध का उद्देश्य उस समय के ताप इंजनों की अपूर्णता के कारणों का पता लगाना था (उनकी दक्षता 5% थी) और उन्हें सुधारने के तरीके खोजना था।

कार्नोट चक्र सभी में सबसे कुशल है। इसकी दक्षता अधिकतम है।

आंकड़ा चक्र की थर्मोडायनामिक प्रक्रियाओं को दर्शाता है। एक तापमान पर इज़ोटेर्मल विस्तार (1-2) की प्रक्रिया में टी 1 , काम हीटर की आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन के कारण होता है, अर्थात गैस को गर्मी की आपूर्ति के कारण क्यू:

ए 12 = क्यू 1 ,

संपीड़न से पहले गैस का ठंडा होना (3-4) रुद्धोष्म प्रसार (2-3) के दौरान होता है। आंतरिक ऊर्जा में परिवर्तन यू 23 रुद्धोष्म प्रक्रिया में ( क्यू = 0) पूरी तरह से यांत्रिक कार्य में परिवर्तित हो जाता है:

ए 23 = -Δयू 23 ,

रुद्धोष्म प्रसार (2-3) के परिणामस्वरूप गैस का तापमान रेफ्रिजरेटर के तापमान तक कम हो जाता है टी 2 < टी 1 . इस प्रक्रिया में (3-4), गैस समतापी रूप से संपीड़ित होती है, जिससे गर्मी की मात्रा रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित हो जाती है Q2:

ए 34 = क्यू 2,

यह चक्र रुद्धोष्म संपीड़न (4-1) की प्रक्रिया से पूरा होता है, जिसमें गैस को तापमान पर गर्म किया जाता है टी 1.

पर काम कर रहे ताप इंजनों की दक्षता का अधिकतम मूल्य आदर्श गैस, कार्नोट चक्र के अनुसार:

.

सूत्र का सार सिद्ध में व्यक्त किया गया है से. कार्नोट की प्रमेय कि किसी भी ऊष्मा इंजन की दक्षता हीटर और रेफ्रिजरेटर के समान तापमान पर किए गए कार्नोट चक्र की दक्षता से अधिक नहीं हो सकती है।

प्राचीन काल से, लोगों ने ऊर्जा को यांत्रिक कार्यों में बदलने की कोशिश की है। उन्होंने हवा की गतिज ऊर्जा, पानी की स्थितिज ऊर्जा आदि को परिवर्तित कर दिया। 18वीं शताब्दी से शुरू होकर, मशीनें दिखाई देने लगीं जो ईंधन की आंतरिक ऊर्जा को काम में बदल देती हैं। ऐसी मशीनें हीट इंजन की बदौलत काम करती हैं।

एक ऊष्मा इंजन एक ऐसा उपकरण है जो उच्च तापमान से विस्तार (अक्सर गैसों) के कारण तापीय ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करता है।

किसी भी ताप इंजन में घटक होते हैं:

• एक ताप तत्व. शरीर के साथ उच्च तापमानपर्यावरण के संबंध में।
• काम करने वाला शरीर।चूंकि विस्तार कार्य प्रदान करता है, इसलिए इस तत्व का अच्छी तरह से विस्तार होना चाहिए। एक नियम के रूप में, गैस या भाप का उपयोग किया जाता है।
• शीतक. कम तापमान वाला शरीर।

कार्यशील द्रव हीटर से तापीय ऊर्जा प्राप्त करता है। नतीजतन, यह विस्तार करना और काम करना शुरू कर देता है। सिस्टम को फिर से काम करने के लिए, इसे अपनी मूल स्थिति में वापस करना होगा। इसलिए, काम कर रहे तरल पदार्थ को ठंडा किया जाता है, अर्थात, अतिरिक्त तापीय ऊर्जा, जैसा कि था, शीतलन तत्व में छुट्टी दे दी जाती है। और सिस्टम अपनी मूल स्थिति में आ जाता है, फिर प्रक्रिया फिर से दोहराई जाती है।

दक्षता गणना

दक्षता की गणना करने के लिए, हम निम्नलिखित संकेतन का परिचय देते हैं:

Q1 - ताप तत्व से प्राप्त ऊष्मा की मात्रा

A'- कार्यरत निकाय द्वारा किया गया कार्य

क्यू 2 - कूलर से काम कर रहे तरल पदार्थ द्वारा प्राप्त गर्मी की मात्रा

शीतलन की प्रक्रिया में, शरीर ऊष्मा का स्थानान्तरण करता है, इसलिए Q 2< 0.

ऐसे उपकरण का संचालन एक चक्रीय प्रक्रिया है। इसका मतलब है कि एक पूरे चक्र के बाद, आंतरिक ऊर्जा अपनी मूल स्थिति में वापस आ जाएगी। फिर, ऊष्मप्रवैगिकी के पहले नियम के अनुसार, कार्यशील द्रव द्वारा किया गया कार्य हीटर से प्राप्त ऊष्मा की मात्रा और कूलर से प्राप्त ऊष्मा के अंतर के बराबर होगा:

Q 2 एक ऋणात्मक मान है, इसलिए इसे modulo . लिया जाता है

दक्षता को सिस्टम द्वारा किए गए कुल कार्य के लिए उपयोगी कार्य के अनुपात के रूप में व्यक्त किया जाता है। इस मामले में, कुल काम गर्मी की मात्रा के बराबर होगा जो काम कर रहे तरल पदार्थ को गर्म करने पर खर्च होता है। सभी खर्च की गई ऊर्जा Q 1 के माध्यम से व्यक्त की जाती है।

इसलिए, दक्षता कारक के रूप में परिभाषित किया गया है।

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  गणितीय रूप से, दक्षता की परिभाषा को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

  η = एक क्यू , (\displaystyle \eta =(\frac (ए)(क्यू)),)

  कहाँ पे लेकिन- उपयोगी कार्य (ऊर्जा), और क्यू- व्यर्थ ऊर्जा।

  यदि दक्षता प्रतिशत के रूप में व्यक्त की जाती है, तो इसकी गणना सूत्र द्वारा की जाती है:

  η = एक क्यू × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (ए)(क्यू))\बार 100\%) ε एक्स = क्यू एक्स / ए (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),

  कहाँ पे क्यू एक्स (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- ठंडे सिरे से ली गई गर्मी (प्रशीतन मशीनों में प्रशीतन क्षमता); ए (\ डिस्प्लेस्टाइल ए)

  ताप पंपों के लिए शब्द का प्रयोग करें परिवर्तन अनुपात

  = क्यू Γ / ए (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),

  कहाँ पे क्यू (\displaystyle Q_(\Gamma ))- संक्षेपण गर्मी शीतलक को हस्तांतरित; ए (\ डिस्प्लेस्टाइल ए)- इस प्रक्रिया पर खर्च किया गया कार्य (या बिजली)।

  बिल्कुल सही कार में क्यू Γ = क्यू एक्स + ए (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), इसलिए आदर्श मशीन के लिए Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

  प्रशीतन मशीनों के लिए सर्वोत्तम प्रदर्शन संकेतकों में रिवर्स कार्नोट चक्र होता है: इसमें प्रदर्शन का गुणांक

  ε = टी एक्स टी Γ - टी एक्स (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\Gamma )-T_(\mathrm (X) )))), चूंकि, ध्यान में रखी गई ऊर्जा के अतिरिक्त ए(जैसे विद्युत), गर्म करने के लिए क्यूएक ठंडे स्रोत से ली गई ऊर्जा भी है।

  एक आदर्श मशीन की दक्षता के लिए कार्नोट द्वारा प्राप्त सूत्र (5.12.2) का मुख्य महत्व यह है कि यह किसी भी ताप इंजन की अधिकतम संभव दक्षता निर्धारित करता है।

  उष्मागतिकी* के दूसरे नियम के आधार पर कार्नोट ने निम्नलिखित प्रमेय को सिद्ध किया: तापमान हीटर के साथ काम करने वाला कोई भी वास्तविक ताप इंजनटी 1 और फ्रिज का तापमानटी 2 , एक आदर्श ताप इंजन की दक्षता से अधिक दक्षता नहीं हो सकती है।

  * कार्नोट ने वास्तव में क्लॉसियस और केल्विन से पहले थर्मोडायनामिक्स का दूसरा नियम स्थापित किया था, जब थर्मोडायनामिक्स का पहला कानून अभी तक सख्ती से तैयार नहीं किया गया था।

  पहले विचार करें इंजन गर्म करेंएक वास्तविक गैस के साथ एक प्रतिवर्ती चक्र पर काम करना। चक्र कोई भी हो सकता है, केवल यह महत्वपूर्ण है कि हीटर और रेफ्रिजरेटर का तापमान हो टी 1 और टी 2 .

  आइए मान लें कि एक अन्य ताप इंजन की दक्षता (कार्नोट चक्र के अनुसार काम नहीं कर रही है) ’ > η . मशीनें एक सामान्य हीटर और एक सामान्य कूलर के साथ काम करती हैं। कारनोट मशीन को रिवर्स साइकिल (रेफ्रिजरेशन मशीन की तरह) और दूसरी मशीन को फॉरवर्ड साइकिल में काम करने दें (चित्र 5.18)। ऊष्मा इंजन सूत्र (5.12.3) और (5.12.5) के अनुसार समान कार्य करता है:

  

  रेफ्रिजरेशन मशीन को हमेशा इस तरह से डिजाइन किया जा सकता है कि वह रेफ्रिजरेटर से गर्मी की मात्रा ले सके क्यू 2 = ||

  फिर उस पर सूत्र (5.12.7) के अनुसार कार्य किया जायेगा

  (5.12.12)

  चूंकि शर्त के अनुसार η" > , फिर ए"> ए.इसलिए, गर्मी इंजन प्रशीतन इंजन को चला सकता है, और अभी भी काम की अधिकता होगी। यह अतिरिक्त कार्य एक स्रोत से ली गई ऊष्मा की कीमत पर किया जाता है। आखिरकार, एक साथ दो मशीनों की कार्रवाई के तहत गर्मी को रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित नहीं किया जाता है। लेकिन यह ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम का खंडन करता है।

  यदि हम यह मान लें कि > ", तब आप दूसरी मशीन को उल्टे चक्र में और कार्नोट की मशीन को एक सीधी रेखा में काम कर सकते हैं। हम ऊष्मप्रवैगिकी के दूसरे नियम के साथ फिर से विरोधाभास पर आते हैं। इसलिए, प्रतिवर्ती चक्रों पर चलने वाली दो मशीनों की दक्षता समान होती है: " = η .

  यह अलग बात है कि दूसरी मशीन अपरिवर्तनीय चक्र में चलती है। अगर हम की अनुमति देते हैं " > η , तब हम फिर से ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के साथ विरोधाभास पर आ जाते हैं। हालांकि, धारणा एम|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" , या

  यह मुख्य परिणाम है:

  (5.12.13)

  वास्तविक ऊष्मा इंजनों की दक्षता

  सूत्र (5.12.13) ऊष्मा इंजनों की अधिकतम दक्षता के लिए सैद्धांतिक सीमा देता है। यह दर्शाता है कि ऊष्मा इंजन अधिक कुशल होता है, हीटर का तापमान जितना अधिक होता है और रेफ्रिजरेटर का तापमान उतना ही कम होता है। केवल जब रेफ्रिजरेटर का तापमान परम शून्य के बराबर हो, = 1।

  लेकिन रेफ्रिजरेटर का तापमान व्यावहारिक रूप से परिवेश के तापमान से बहुत कम नहीं हो सकता है। आप हीटर का तापमान बढ़ा सकते हैं। हालांकि, किसी भी सामग्री (ठोस) में सीमित गर्मी प्रतिरोध, या गर्मी प्रतिरोध होता है। गर्म होने पर, यह धीरे-धीरे अपने लोचदार गुणों को खो देता है, और पर्याप्त उच्च तापमान पर पिघल जाता है।

  अब इंजीनियरों के मुख्य प्रयासों का उद्देश्य उनके पुर्जों के घर्षण को कम करके, इसके अधूरे दहन के कारण ईंधन की हानि आदि को कम करके इंजन की दक्षता में वृद्धि करना है। यहां दक्षता बढ़ाने के वास्तविक अवसर अभी भी बड़े हैं। तो, एक भाप टरबाइन के लिए, प्रारंभिक और अंतिम भाप तापमान लगभग इस प्रकार हैं: टी 1 = 800 के और टी 2 = 300 K. इन तापमानों पर, दक्षता का अधिकतम मूल्य है:

  

  विभिन्न प्रकार की ऊर्जा हानियों के कारण दक्षता का वास्तविक मूल्य लगभग 40% है। अधिकतम दक्षता - लगभग 44% - में आंतरिक दहन इंजन होते हैं।

  किसी भी ऊष्मा इंजन की दक्षता अधिकतम संभव मान से अधिक नहीं हो सकती है
  , जहां टी 1 - हीटर का पूर्ण तापमान, और टी 2 - रेफ्रिजरेटर का पूर्ण तापमान।

  ताप इंजनों की दक्षता बढ़ाना और इसे अधिकतम संभव के करीब लाना- सबसे महत्वपूर्ण तकनीकी चुनौती।