Silnik cieplny (maszyna) to urządzenie, które zamienia energię wewnętrzną paliwa na pracę mechaniczną, wymieniając ciepło z otaczającymi ciałami. Większość nowoczesnych silników samochodowych, lotniczych, okrętowych i rakietowych projektuje się na zasadach działania silnik cieplny. Praca odbywa się poprzez zmianę objętości substancji roboczej, a do scharakteryzowania sprawności dowolnego typu silnika stosuje się wartość zwaną współczynnikiem sprawności (COP).
Jak działa silnik cieplny
Z punktu widzenia termodynamiki (gałąź fizyki, która bada wzorce wzajemnych przemian energii wewnętrznych i mechanicznych oraz przekazywania energii z jednego ciała do drugiego), każdy silnik cieplny składa się z grzałki, lodówki i płynu roboczego .
Ryż. 1. Schemat strukturalny silnika cieplnego:.
Pierwsza wzmianka o prototypowym silniku cieplnym dotyczy turbiny parowej, która została wynaleziona w starożytnym Rzymie (II wiek pne). To prawda, że wynalazek nie znalazł wówczas szerokiego zastosowania ze względu na brak wielu szczegółów pomocniczych w tamtym czasie. Na przykład w tym czasie nie wynaleziono jeszcze tak kluczowego elementu dla działania dowolnego mechanizmu, jak łożysko.
Ogólny schemat działania dowolnego silnika cieplnego wygląda tak:
- Grzejnik ma temperaturę T 1 wystarczająco wysoką, aby przekazać dużą ilość ciepła Q 1 . W większości silników cieplnych ciepło jest generowane przez spalanie. mieszanka paliwowa(paliwo-tlen);
- Płyn roboczy (para lub gaz) silnika wykonuje użyteczną pracę ALE, na przykład poruszanie tłokiem lub obracanie turbiny;
- Lodówka pochłania część energii z płynu roboczego. Temperatura lodówki T 2< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .
Silnik cieplny (silnik) musi pracować w sposób ciągły, więc płyn roboczy musi powrócić do pierwotnego stanu, aby jego temperatura stała się równa T 1 . Dla ciągłości procesu praca maszyny musi odbywać się cyklicznie, okresowo powtarzając się. W celu stworzenia mechanizmu cyklicznego - przywrócenia płynu roboczego (gazu) do pierwotnego stanu - potrzebna jest lodówka do chłodzenia gazu podczas procesu sprężania. Atmosfera może służyć jako lodówka (dla silników wewnętrzne spalanie) lub zimna woda (dla turbin parowych).
Jaka jest sprawność silnika cieplnego
Aby określić sprawność silników cieplnych, francuski inżynier mechanik Sadi Carnot w 1824 roku. wprowadził koncepcję wydajność termiczna silnik. Grecka litera η jest używana do oznaczenia wydajności. Wartość η oblicza się ze wzoru na sprawność silnika cieplnego:
$$η=(A\ponad Q1)$$
Ponieważ $ A = Q1 - Q2 $, to
$η =(1 - Q2\ponad Q1)$
Skoro we wszystkich silnikach część ciepła oddawana jest do lodówki, to zawsze η< 1 (меньше 100 процентов).
Maksymalna możliwa wydajność idealnego silnika cieplnego
Jako idealny silnik cieplny Sadi Carnot zaproponował maszynę z gazem doskonałym jako płynem roboczym. Idealny model Carnota działa w cyklu (cykl Carnota) składającym się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów.
Ryż. 2. Cykl Carnota:.
Przypomnienie sobie czegoś:
- proces adiabatyczny to proces termodynamiczny, który zachodzi bez wymiany ciepła z otoczeniem (P=0);
- Proces izotermiczny jest procesem termodynamicznym, który zachodzi, gdy stała temperatura. Ponieważ energia wewnętrzna gazu doskonałego zależy tylko od temperatury, ilość ciepła przekazanego do gazu Q idzie w całości do pracy A (Q = A) .
Sadi Carnot udowodnił, że maksymalną możliwą wydajność, jaką może osiągnąć idealny silnik cieplny, wyraża następujący wzór:
$$ηmax=1-(T2\ponad T1)$$
Formuła Carnota pozwala obliczyć maksymalną możliwą sprawność silnika cieplnego. Im większa różnica temperatur między grzałką a lodówką, tym większa wydajność.
Jaka jest rzeczywista sprawność różnych typów silników
Z powyższych przykładów widać, że najwyższe wartości sprawności (40-50%) mają silniki spalinowe (w wersji diesla) oraz odrzutowe na paliwo ciekłe.
Ryż. 3. Sprawność prawdziwych silników cieplnych:.
Czego się nauczyliśmy?
Tak więc dowiedzieliśmy się, czym jest sprawność silnika. Sprawność każdego silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż 100 procent. Im większa różnica temperatur między grzałką T1 a lodówką T2, tym większa wydajność.
Quiz tematyczny
Ocena raportu
Średnia ocena: 4.2. Łącznie otrzymane oceny: 293.
Praca wykonana przez silnik to:
Proces ten został po raz pierwszy rozważony przez francuskiego inżyniera i naukowca NLS Carnota w 1824 roku w książce Refleksje na temat siły napędowej ognia i maszyn zdolnych do rozwijania tej siły.
Celem badań Carnota było poznanie przyczyn niedoskonałości ówczesnych silników cieplnych (miały sprawność ≤ 5%) i znalezienie sposobów ich poprawy.
Cykl Carnota jest najbardziej wydajny ze wszystkich. Jego wydajność jest maksymalna.
Rysunek przedstawia termodynamiczne procesy cyklu. W procesie ekspansji izotermicznej (1-2) w temperaturze T 1 , praca jest wykonywana ze względu na zmianę energii wewnętrznej nagrzewnicy, tj. ze względu na doprowadzenie ciepła do gazu Q:
A 12 = Q 1 ,
Chłodzenie gazu przed sprężaniem (3-4) następuje podczas rozprężania adiabatycznego (2-3). Zmiana energii wewnętrznej U 23 w procesie adiabatycznym ( Q=0) jest całkowicie przerobiony na pracę mechaniczną:
A 23 = -ΔU 23 ,
Temperatura gazu w wyniku rozprężania adiabatycznego (2-3) spada do temperatury lodówki T 2 < T 1 . W procesie (3-4) gaz jest sprężany izotermicznie, przekazując ilość ciepła do lodówki Q2:
A 34 = Q 2,
Cykl kończy proces kompresji adiabatycznej (4-1), w której gaz jest podgrzewany do temperatury T1.
Maksymalna wartość sprawności silników cieplnych pracujących na gaz doskonały, zgodnie z cyklem Carnota:
.
Istota formuły wyrażona jest w sprawdzonym OD. Twierdzenie Carnota, że sprawność jakiegokolwiek silnika cieplnego nie może przekroczyć sprawności cyklu Carnota przeprowadzonego w tej samej temperaturze nagrzewnicy i lodówki.
Od czasów starożytnych ludzie próbowali zamieniać energię w pracę mechaniczną. Przekształcili energię kinetyczną wiatru, energię potencjalną wody itp. Od XVIII wieku zaczęły pojawiać się maszyny, które zamieniają energię wewnętrzną paliwa w pracę. Takie maszyny działały dzięki silnikom cieplnym.
Silnik cieplny to urządzenie, które zamienia energię cieplną na pracę mechaniczną w wyniku rozprężania (najczęściej gazów) pod wpływem wysokiej temperatury.
Wszelkie silniki cieplne mają elementy:
- Element grzewczy. ciało z wysoka temperatura dotyczące środowiska.
- ciało robocze. Ponieważ ekspansja zapewnia pracę, ten element musi dobrze się rozszerzać. Z reguły stosuje się gaz lub parę.
- chłodnica. Body o niskiej temperaturze.
Płyn roboczy odbiera energię cieplną z grzałki. W rezultacie zaczyna się rozwijać i działać. Aby system ponownie wykonał pracę, musi zostać przywrócony do pierwotnego stanu. Dlatego płyn roboczy jest chłodzony, to znaczy nadmiar energii cieplnej jest niejako odprowadzany do elementu chłodzącego. A system wraca do pierwotnego stanu, po czym proces się powtarza.
Obliczanie wydajności
Aby obliczyć wydajność, wprowadzamy następującą notację:
Q 1 - Ilość ciepła odebranego z elementu grzejnego
A’– Praca wykonana przez ciało robocze
Q 2 - Ilość ciepła odbieranego przez płyn roboczy z chłodnicy
W procesie chłodzenia ciało przekazuje ciepło, więc Q 2< 0.
Działanie takiego urządzenia jest procesem cyklicznym. Oznacza to, że po pełnym cyklu energia wewnętrzna powróci do swojego pierwotnego stanu. Wtedy, zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki, praca wykonana przez płyn roboczy będzie równa różnicy pomiędzy ilością ciepła odebranego z grzałki a ciepłem odebranym z chłodnicy:
Q 2 jest wartością ujemną, więc przyjmuje się ją modulo
Wydajność wyraża się jako stosunek pracy użytecznej do całkowitej pracy wykonanej przez system. W takim przypadku całkowita praca będzie równa ilości ciepła zużytego na podgrzanie płynu roboczego. Cała wydatkowana energia jest wyrażana przez Q 1 .
Dlatego współczynnik efektywności definiuje się jako.
Encyklopedyczny YouTube
-
1 / 5
Matematycznie definicję efektywności można zapisać jako:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)))gdzie ALE- praca użyteczna (energia) oraz Q- zmarnowana energia.
Jeżeli wydajność wyrażona jest w procentach, to oblicza się ją według wzoru:
η = A Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\razy 100\%) ε X = Q X / A (\ Displaystyle \ varepsilon _ (\ operator (X) ) = Q_ (\ operator (X) ) / A),gdzie Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X)))- ciepło pobierane z zimnego końca (wydajność chłodnicza w maszynach chłodniczych); A (\styl wyświetlania A)
W przypadku pomp ciepła użyj terminu współczynnik transformacji
ε Γ = Q Γ / A (\ Displaystyle \ varepsilon _ (\ Gamma) = Q_ (\ Gamma) / A),gdzie Q Γ (\displaystyle Q_(\gamma))- ciepło kondensacji przekazywane do chłodziwa; A (\styl wyświetlania A)- praca (lub energia elektryczna) wydana na ten proces.
W idealnym samochodzie Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\gamma)=Q_(\mathrm (X))+A), stąd idealna maszyna ε Γ = ε X + 1 (\ Displaystyle \ varepsilon _ (\ Gamma ) = \ varepsilon _ (\ operator (X) ) + 1)
Odwrócony cykl Carnota ma najlepsze wskaźniki wydajności dla maszyn chłodniczych: w tym współczynnik wydajności
ε = T X T Γ − T X (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\gamma)-T_(\mathrm (X))))), ponieważ oprócz energii branej pod uwagę A(np. elektryczne), do ogrzewania Q jest też energia pobierana z zimnego źródła.Główne znaczenie wzoru (5.12.2) otrzymanego przez Carnota dla sprawności idealnej maszyny polega na tym, że określa on maksymalną możliwą sprawność dowolnego silnika cieplnego.
Carnot udowodnił, w oparciu o drugą zasadę termodynamiki*, następujące twierdzenie: dowolny prawdziwy silnik cieplny działający z podgrzewaczem temperaturyT 1 i temperatura lodówkiT 2 , nie może mieć sprawności przewyższającej sprawność idealnego silnika cieplnego.
* Carnot faktycznie ustalił drugą zasadę termodynamiki przed Clausiusem i Kelvinem, kiedy pierwsza zasada termodynamiki nie została jeszcze ściśle sformułowana.
Rozważ najpierw silnik cieplny działający w cyklu odwracalnym z prawdziwym gazem. Cykl może być dowolny, ważne jest tylko, aby temperatury grzejnika i lodówki były T 1 I T 2 .
Załóżmy, że sprawność innego silnika cieplnego (nie pracującego w cyklu Carnota) η ’ > η . Maszyny pracują ze wspólną grzałką i wspólną chłodnicą. Niech maszyna Carnota pracuje w cyklu odwrotnym (jak maszyna chłodnicza), a druga maszyna w cyklu bezpośrednim (ryc. 5.18). Silnik cieplny wykonuje pracę równą, zgodnie ze wzorami (5.12.3) i (5.12.5):
Maszynę chłodniczą można zawsze zaprojektować tak, aby pobierała ilość ciepła z lodówki Q 2 = |
|Następnie zgodnie ze wzorem (5.12.7) będzie na nim wykonywana praca
(5.12.12)Ponieważ według warunku η" > η , następnie A” > A. Dlatego silnik cieplny może napędzać silnik chłodniczy, a pracy nadal będzie nadmiar. Ta nadwyżka pracy odbywa się kosztem ciepła pobieranego z jednego źródła. W końcu ciepło nie jest przenoszone do lodówki pod wpływem działania dwóch maszyn jednocześnie. Ale to jest sprzeczne z drugą zasadą termodynamiki.
Jeśli założymy, że η > η ", wtedy możesz sprawić, by inna maszyna działała w cyklu odwrotnym, a maszyna Carnota w linii prostej. Ponownie dochodzimy do sprzeczności z drugą zasadą termodynamiki. Dlatego dwie maszyny pracujące w cyklach odwracalnych mają taką samą wydajność: η " = η .
Inaczej jest, jeśli druga maszyna pracuje w nieodwracalnym cyklu. Jeśli pozwolimy η " > η , wtedy znowu dochodzimy do sprzeczności z drugą zasadą termodynamiki. Jednak założenie m|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, lub
Oto główny wynik:
(5.12.13)Sprawność prawdziwych silników cieplnych
Wzór (5.12.13) podaje teoretyczną granicę maksymalnej sprawności silników cieplnych. Wynika z niego, że silnik cieplny jest wydajniejszy, im wyższa temperatura grzałki i niższa temperatura lodówki. Tylko wtedy, gdy temperatura lodówki jest równa zeru bezwzględnemu, η = 1.
Ale temperatura lodówki praktycznie nie może być dużo niższa niż temperatura otoczenia. Możesz zwiększyć temperaturę grzejnika. Jednak każdy materiał (stały) ma ograniczoną odporność na ciepło lub odporność na ciepło. Po podgrzaniu stopniowo traci swoje właściwości elastyczne i topi się w odpowiednio wysokiej temperaturze.
Teraz główne wysiłki inżynierów mają na celu zwiększenie wydajności silników poprzez zmniejszenie tarcia ich części, strat paliwa z powodu niepełnego spalania itp. Realne możliwości zwiększenia wydajności są tutaj nadal duże. Tak więc w przypadku turbiny parowej początkowe i końcowe temperatury pary są w przybliżeniu następujące: T 1 = 800 tys. i T 2 = 300 K. W tych temperaturach maksymalna wartość sprawności wynosi:
Rzeczywista wartość sprawności z powodu różnego rodzaju strat energii wynosi około 40%. Maksymalną sprawność - około 44% - posiadają silniki spalinowe.
Sprawność jakiegokolwiek silnika cieplnego nie może przekroczyć maksymalnej możliwej wartości
,
gdzie t 1
-
temperatura bezwzględna grzałki i T 2
-
temperatura bezwzględna lodówki.Zwiększenie sprawności silników cieplnych i przybliżenie jej do maksimum możliwego- najważniejsze wyzwanie techniczne.