sprawność silnika cieplnego. Sprawność silnika cieplnego – wzór definicji

W teoretycznym modelu silnika cieplnego rozważane są trzy ciała: podgrzewacz, ciało robocze oraz lodówka.

Grzałka - zbiornik termiczny (duży korpus), którego temperatura jest stała.

W każdym cyklu pracy silnika płyn roboczy odbiera pewną ilość ciepła z grzałki, rozszerza się i wykonuje pracę mechaniczną. Przeniesienie części energii otrzymanej z grzałki do lodówki jest konieczne, aby przywrócić płyn roboczy do pierwotnego stanu.

Ponieważ model zakłada, że ​​temperatura nagrzewnicy i lodówki nie zmienia się podczas pracy silnika cieplnego, to po zakończeniu cyklu: grzanie-rozprężanie-chłodzenie-sprasowanie płynu roboczego, uważa się, że maszyna powraca do stanu pierwotnego.

Dla każdego cyklu, w oparciu o pierwszą zasadę termodynamiki, możemy napisać, że ilość ciepła Qładunek odbierany z nagrzewnicy, ilość ciepła | Q fajne |, podane do lodówki, a praca wykonana przez ciało robocze ALE są ze sobą powiązane poprzez:

A = Q obciążenie – | Q zimno|.

W prawdziwym urządzenia techniczne, które nazywane są silnikami cieplnymi, płyn roboczy jest podgrzewany przez ciepło uwalniane podczas spalania paliwa. Tak więc w turbinie parowej elektrowni nagrzewnicą jest piec na węgiel. W silniku wewnętrzne spalanie(ICE) produkty spalania można uznać za grzejnik, a nadmiar powietrza za płyn roboczy. Jako lodówka wykorzystują powietrze atmosferyczne lub wodę z naturalnych źródeł.

Sprawność silnika cieplnego (maszyny)

Sprawność silnika cieplnego (efektywność) stosunek pracy wykonanej przez silnik do ilości ciepła odbieranego z grzałki:

Sprawność każdego silnika cieplnego jest mniejsza niż jeden i jest wyrażona w procentach. Niemożność zamiany całej ilości ciepła odebranego z grzałki na pracę mechaniczną jest ceną za konieczność zorganizowania procesu cyklicznego i wynika z drugiej zasady termodynamiki.

W rzeczywistych silnikach cieplnych sprawność określa eksperymentalna moc mechaniczna N silnik i ilość spalonego paliwa w jednostce czasu. Więc jeśli na czas t spalone paliwo masowe m i ciepło właściwe spalania q, następnie

Do Pojazd charakterystyką odniesienia jest często objętość V paliwo spalone po drodze s przy mechanicznej mocy silnika N i szybko. W takim przypadku, biorąc pod uwagę gęstość r paliwa, możemy napisać wzór na obliczenie sprawności:

Druga zasada termodynamiki

Istnieje kilka sformułowań druga zasada termodynamiki. Jedna z nich mówi, że silnik cieplny jest niemożliwy, który działałby tylko dzięki źródłu ciepła, tj. bez lodówki. Ocean światowy mógłby mu służyć jako praktycznie niewyczerpane źródło energii wewnętrznej (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Inne sformułowania drugiej zasady termodynamiki są równoważne temu.

Sformułowanie Clausiusa(1850): niemożliwy jest proces, w którym ciepło samorzutnie przeniosłoby się z mniej nagrzanych ciał do bardziej nagrzanych ciał.

Formuła Thomsona(1851): niemożliwy jest proces okrężny, którego jedynym skutkiem byłoby wytworzenie pracy poprzez zmniejszenie energii wewnętrznej zbiornika termicznego.

Sformułowanie Clausiusa(1865): wszystkie procesy spontaniczne w zamkniętym układzie nierównowagowym zachodzą w takim kierunku, w którym wzrasta entropia układu; w stanie równowagi termicznej jest maksymalny i stały.

Formuła Boltzmanna(1877): zamknięty układ wielu cząstek spontanicznie przechodzi ze stanu bardziej uporządkowanego do mniej uporządkowanego. Spontaniczne wyjście układu z położenia równowagi jest niemożliwe. Boltzmann wprowadził ilościową miarę nieporządku w systemie składającym się z wielu ciał - entropia.

Sprawność silnika cieplnego z gazem idealnym jako płynem roboczym

Jeśli model ciała roboczego jest ustawiony w silnik cieplny(Na przykład, gaz doskonały), wówczas można obliczyć zmianę parametrów termodynamicznych płynu roboczego podczas rozszerzania i kurczenia. Pozwala to obliczyć sprawność silnika cieplnego w oparciu o prawa termodynamiki.

Rysunek przedstawia cykle, dla których można obliczyć wydajność, jeśli płyn roboczy jest gazem idealnym, a parametry są ustawione w punktach przejścia jednego procesu termodynamicznego w drugi.

Cykl Carnota. Sprawność idealnego silnika cieplnego

Najwyższa wydajność przy danych temperaturach grzałki T ogrzewanie i lodówka T zimno ma silnik cieplny, w którym płyn roboczy rozszerza się i kurczy; Cykl Carnota(rys. 2), którego wykres składa się z dwóch izoterm (2–3 i 4–1) oraz dwóch adiabatów (3–4 i 1–2).

Twierdzenie Carnota dowodzi, że sprawność takiego silnika nie zależy od użytego płynu roboczego, więc można ją obliczyć wykorzystując zależności termodynamiczne dla gazu doskonałego:

Konsekwencje środowiskowe silników cieplnych

Intensywne wykorzystanie silników cieplnych w transporcie i energetyce (elektrownie cieplne i jądrowe) znacząco wpływa na biosferę Ziemi. Choć istnieją spory naukowe dotyczące mechanizmów wpływu życia człowieka na klimat Ziemi, wielu naukowców wskazuje na czynniki, dzięki którym taki wpływ może wystąpić:

1. Efekt cieplarniany to wzrost stężenia dwutlenku węgla (produktu spalania w nagrzewnicach maszyn cieplnych) w atmosferze. Dwutlenek węgla przepuszcza promieniowanie widzialne i ultrafioletowe ze Słońca, ale pochłania promieniowanie podczerwone z Ziemi. Prowadzi to do wzrostu temperatury niższych warstw atmosfery, wzrostu huraganów i globalnego topnienia lodu.
2. Bezpośredni wpływ toksycznych spalin na dziką przyrodę (substancje rakotwórcze, smog, kwaśne deszcze z ubocznych produktów spalania).
3. Zniszczenie warstwy ozonowej podczas lotów samolotów i startów rakiet. Ozon w górnej warstwie atmosfery chroni całe życie na Ziemi przed nadmiernym promieniowaniem ultrafioletowym ze Słońca.

Wyjściem z nadchodzącego kryzysu ekologicznego jest zwiększenie sprawności silników cieplnych (sprawność nowoczesnych silników cieplnych rzadko przekracza 30%); stosowanie sprawnych silników i neutralizatorów szkodliwych spalin; wykorzystanie alternatywnych źródeł energii (baterie słoneczne i grzejniki) oraz alternatywnych środków transportu (rowery itp.).

Współczynnik efektywności (COP) jest miarą sprawności systemu pod względem konwersji lub transferu energii, która jest określona przez stosunek energii użytej do wykorzystania do całkowitej energii otrzymanej przez system.

efektywność- wartość jest bezwymiarowa, zwykle wyrażana jest w procentach:

Współczynnik wydajności (COP) silnika cieplnego określa wzór: , gdzie A = Q1Q2. Sprawność silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż 1.

Cykl Carnota- Jest to odwracalny proces gazowy o obiegu zamkniętym, który składa się z dwóch następujących po sobie procesów izotermicznych i dwóch adiabatycznych wykonywanych z płynem roboczym.

Cykl kołowy, który obejmuje dwie izotermy i dwie adiabaty, odpowiada maksymalnej wydajności.

Francuski inżynier Sadi Carnot w 1824 r. wyprowadził wzór na maksymalną sprawność idealnego silnika cieplnego, gdzie płynem roboczym jest gaz doskonały, którego obieg składał się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów, czyli cyklu Carnota. Cykl Carnota to rzeczywisty cykl roboczy silnika cieplnego, który wykonuje pracę dzięki ciepłu dostarczanemu do płynu roboczego w procesie izotermicznym.

Wzór na sprawność obiegu Carnota, czyli maksymalną sprawność silnika cieplnego, to: , gdzie T1 jest temperaturą bezwzględną grzejnika, T2 jest temperaturą bezwzględną lodówki.

Silniki cieplne- Są to struktury, w których energia cieplna zamieniana jest na energię mechaniczną.

Silniki cieplne są zróżnicowane zarówno pod względem konstrukcji, jak i przeznaczenia. Obejmują one silniki parowe, turbiny parowe, silniki spalinowe, silniki odrzutowe.

Jednak pomimo różnorodności, w zasadzie działanie różnych silników cieplnych jest wspólne cechy. Główne elementy każdego silnika cieplnego:

• podgrzewacz;
• ciało robocze;
• lodówka.

Grzałka uwalnia energię cieplną podczas podgrzewania płynu roboczego, który znajduje się w komorze roboczej silnika. Płynem roboczym może być para lub gaz.

Po zaakceptowaniu ilości ciepła gaz rozszerza się, ponieważ. jego ciśnienie jest większe niż ciśnienie zewnętrzne i porusza tłokiem, wytwarzając dodatnią pracę. Jednocześnie jego ciśnienie spada, a jego objętość wzrasta.

Jeśli sprężymy gaz, przechodząc przez te same stany, ale w przeciwnym kierunku, to wykonamy tę samą wartość bezwzględną, ale ujemną pracę. W rezultacie cała praca dla cyklu będzie równa zeru.

Aby praca silnika cieplnego była niezerowa, praca sprężania gazu musi być mniejsza niż praca rozprężania.

Aby praca ściskania była mniejsza niż praca rozprężania, konieczne jest, aby proces ściskania przebiegał w niższej temperaturze, do tego płyn roboczy musi być schłodzony, dlatego w konstrukcji uwzględniono lodówkę. silnik cieplny. Płyn roboczy oddaje ilość ciepła do lodówki w kontakcie z nią.

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: jakikolwiek prawdziwy silnik cieplny praca 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.

Rozważmy najpierw silnik cieplny pracujący w cyklu odwracalnym z prawdziwym gazem. Cykl może być dowolny, ważne jest tylko, aby temperatury grzejnika i lodówki były T 1 oraz 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 do przodu (ryc. 5.18). Silnik cieplny wykonuje pracę równą, zgodnie ze wzorami (5.12.3) i (5.12.5):

Maszynę chłodniczą zawsze można 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%. Maksymalna wydajność- 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.

Praca wielu typów maszyn charakteryzuje się tak ważnym wskaźnikiem, jak sprawność silnika cieplnego. Każdego roku inżynierowie dążą do stworzenia bardziej zaawansowanego sprzętu, który przy mniejszej ilości dawałby maksymalny efekt z jego użytkowania.

Urządzenie z silnikiem cieplnym

Zanim zrozumiemy, co to jest, konieczne jest zrozumienie, jak działa ten mechanizm. Bez znajomości zasad jego działania nie można poznać istoty tego wskaźnika. Silnik cieplny to urządzenie, które działa, wykorzystując energię wewnętrzną. Każdy silnik cieplny, który zamienia się w mechaniczny, wykorzystuje rozszerzalność cieplną substancji wraz ze wzrostem temperatury. W silnikach półprzewodnikowych możliwa jest nie tylko zmiana objętości materii, ale także kształtu ciała. Działanie takiego silnika podlega prawom termodynamiki.

Zasada działania

Aby zrozumieć, jak działa silnik cieplny, należy wziąć pod uwagę podstawy jego konstrukcji. Do działania urządzenia potrzebne są dwa korpusy: gorący (grzałka) i zimny (lodówka, chłodnica). Zasada działania silników cieplnych (sprawność silników cieplnych) zależy od ich rodzaju. Często skraplacz pary pełni rolę lodówki, a każdy rodzaj paliwa spalającego się w piecu działa jak grzałka. Sprawność idealnego silnika cieplnego określa następujący wzór:

Wydajność = (Theating - Tcold.) / Theating. x 100%.

Jednocześnie wydajność prawdziwy silnik nigdy nie może przekroczyć wartości uzyskanej według tego wzoru. Również ten wskaźnik nigdy nie przekroczy powyższej wartości. Aby zwiększyć wydajność, najczęściej zwiększ temperaturę grzałki i obniż temperaturę lodówki. Oba te procesy będą ograniczone rzeczywistymi warunkami pracy sprzętu.

Podczas pracy silnika cieplnego praca jest wykonywana, ponieważ gaz zaczyna tracić energię i schładza się do określonej temperatury. Ta ostatnia znajduje się zwykle kilka stopni nad otaczającą atmosferą. To jest temperatura lodówki. Taki specjalne urządzenie przeznaczony do chłodzenia z następującą kondensacją pary odlotowej. Tam, gdzie występują skraplacze, temperatura lodówki jest czasami niższa niż temperatura otoczenia.

W silniku cieplnym ciało, po rozgrzaniu i rozprężeniu, nie jest w stanie oddać całej swojej wewnętrznej energii do pracy. Część ciepła zostanie przekazana do lodówki wraz z parą. Ta część termiki jest nieuchronnie stracona. Podczas spalania paliwa płyn roboczy odbiera pewną ilość ciepła Q1 z nagrzewnicy. Jednocześnie nadal działa A, podczas którego przekazuje część energii cieplnej do lodówki: Q 2

Sprawność charakteryzuje sprawność silnika w zakresie przetwarzania i przenoszenia energii. Wskaźnik ten jest często mierzony w procentach. Formuła efektywności:

η*A/Qx100%, gdzie Q to wydatkowana energia, A to praca użyteczna.

Na podstawie prawa zachowania energii możemy stwierdzić, że sprawność zawsze będzie mniejsza niż jedność. Innymi słowy, nigdy nie będzie bardziej użytecznej pracy niż wydatkowana na nią energia.

Sprawność silnika to stosunek pracy użytecznej do energii dostarczanej przez grzałkę. Można to przedstawić za pomocą następującej formuły:

η \u003d (Q 1 -Q 2) / Q 1, gdzie Q 1 to ciepło odbierane z grzejnika, a Q 2 jest podawany do lodówki.

Praca silnika cieplnego

Praca wykonana przez silnik cieplny jest obliczana według następującego wzoru:

A = |QH | - |Q X |, gdzie A to praca, Q H to ilość ciepła odebranego z nagrzewnicy, Q X to ilość ciepła oddana do chłodnicy.

|QH | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

Jest równy stosunkowi pracy wykonanej przez silnik do ilości otrzymanego ciepła. Podczas tego transferu tracona jest część energii cieplnej.

Silnik Carnota

Maksymalna sprawność silnika cieplnego jest odnotowana dla urządzenia Carnota. Wynika to z faktu, że w tym systemie zależy tylko od temperatury bezwzględnej nagrzewnicy (Тн) i chłodnicy (Тх). Sprawność pracującego silnika cieplnego określa wzór:

(Tn - Tx) / Tn = - Tx - Tn.

Prawa termodynamiki umożliwiły obliczenie maksymalnej możliwej wydajności. Po raz pierwszy wskaźnik ten został obliczony przez francuskiego naukowca i inżyniera Sadi Carnota. Wynalazł silnik cieplny, który działał na gazie doskonałym. Działa w cyklu 2 izoterm i 2 adiabatów. Zasada jego działania jest dość prosta: kontakt grzałki doprowadzany jest do naczynia z gazem, w wyniku czego płyn roboczy rozszerza się izotermicznie. Jednocześnie funkcjonuje i otrzymuje pewną ilość ciepła. Po termoizolacji statku. Mimo to gaz nadal się rozszerza, ale już adiabatycznie (bez wymiany ciepła z otoczeniem). W tym czasie jego temperatura spada do lodówki. W tym momencie gaz styka się z lodówką, w wyniku czego oddaje jej pewną ilość ciepła podczas kompresji izometrycznej. Następnie naczynie jest ponownie izolowane termicznie. W tym przypadku gaz jest adiabatycznie sprężony do swojej pierwotnej objętości i stanu.

Odmiany

Obecnie istnieje wiele rodzajów silników cieplnych, które działają na różnych zasadach i na różnych paliwach. Wszyscy mają własną wydajność. Należą do nich:

Silnik spalinowy (tłok), który jest mechanizmem, w którym część energii chemicznej spalanego paliwa jest zamieniana na energię mechaniczną. Takie urządzenia mogą być gazowe i płynne. Istnieją silniki dwusuwowe i czterosuwowe. Mogą mieć ciągły cykl pracy. Zgodnie z metodą przygotowania mieszanki paliwowej, takie silniki to gaźnik (z zewnętrznym tworzeniem mieszanki) i olej napędowy (z wewnętrznym). W zależności od rodzajów konwertera energii są one podzielone na tłoki, strumienie, turbiny, połączone. Wydajność takich maszyn nie przekracza 0,5.

Silnik Stirlinga - urządzenie, w którym płyn roboczy znajduje się w zamkniętej przestrzeni. Jest to rodzaj silnika spalinowego. Zasada jego działania opiera się na okresowym ochładzaniu/ogrzewaniu organizmu z wytworzeniem energii w wyniku zmiany jego objętości. To jeden z najwydajniejszych silników.

Silnik turbinowy (obrotowy) z zewnętrznym spalaniem paliwa. Takie instalacje najczęściej spotyka się w elektrociepłowniach.

Turbinowe (obrotowe) silniki spalinowe są stosowane w elektrowniach cieplnych w trybie szczytowym. Nie tak powszechne jak inne.

Silnik turbośmigłowy wytwarza część ciągu dzięki śmigle. Reszta pochodzi ze spalin. Jego konstrukcja to silnik obrotowy, na wale którego zamontowane jest śmigło.

Inne typy silników cieplnych

Rakiety, turboodrzutowe i które otrzymują ciąg w wyniku powrotu spalin.

Silniki półprzewodnikowe wykorzystują jako paliwo ciało stałe. Podczas pracy zmienia się nie objętość, ale kształt. Podczas pracy urządzenia stosowana jest wyjątkowo mała różnica temperatur.

Jak możesz zwiększyć wydajność?

Czy można zwiększyć sprawność silnika cieplnego? Odpowiedzi należy szukać w termodynamice. Bada wzajemne przemiany różnych rodzajów energii. Ustalono, że niemożliwe są wszelkie dostępne mechanizmy mechaniczne itp. Jednocześnie ich konwersja na energię cieplną odbywa się bez żadnych ograniczeń. Jest to możliwe dzięki temu, że natura energii cieplnej opiera się na nieuporządkowanym (chaotycznym) ruchu cząstek.

Im bardziej ciało się nagrzewa, tym szybciej poruszają się cząsteczki, które je tworzą. Ruch cząstek stanie się jeszcze bardziej chaotyczny. Wraz z tym wszyscy wiedzą, że porządek można łatwo zamienić w chaos, który jest bardzo trudny do uporządkowania.

Tematem bieżącej lekcji będzie rozważenie procesów zachodzących w dość specyficznych, a nie abstrakcyjnych, jak na poprzednich lekcjach, urządzeniach - silnikach cieplnych. Zdefiniujemy takie maszyny, opiszemy ich główne podzespoły oraz zasadę działania. Również podczas tej lekcji zostanie rozważona kwestia znalezienia sprawności - sprawności silników cieplnych, zarówno rzeczywistej, jak i maksymalnej możliwej.

Temat: Podstawy termodynamiki
Lekcja: Zasada działania silnika cieplnego

Tematem ostatniej lekcji była pierwsza zasada termodynamiki, która określała zależność pomiędzy pewną ilością ciepła, która została przekazana części gazu, a pracą wykonaną przez ten gaz podczas rozprężania. A teraz pora powiedzieć, że ta formuła jest interesująca nie tylko dla niektórych obliczeń teoretycznych, ale także w dość praktycznym zastosowaniu, ponieważ praca gazu to nic innego jak praca użyteczna, którą wydobywamy przy użyciu silników cieplnych.

Definicja. silnik cieplny- urządzenie, w którym energia wewnętrzna paliwa zamieniana jest na pracę mechaniczną (rys. 1).

Ryż. 1. Różne przykłady silników cieplnych (), ()

Jak widać na rysunku, silniki cieplne to dowolne urządzenia działające zgodnie z powyższą zasadą, od niewiarygodnie prostych do bardzo złożonych w konstrukcji.

Wszystkie silniki cieplne bez wyjątku są funkcjonalnie podzielone na trzy elementy (patrz rys. 2):

• Podgrzewacz
• ciało robocze
• Lodówka

Ryż. 2. Schemat funkcjonalny silnika cieplnego ()

Nagrzewnica to proces spalania paliwa, który podczas spalania oddaje dużą ilość ciepła do gazu, podgrzewając go do wysokich temperatur. Gorący gaz, który jest płynem roboczym, pod wpływem wzrostu temperatury, a co za tym idzie ciśnienia, rozszerza się, wykonując pracę. Oczywiście, ponieważ zawsze zachodzi wymiana ciepła z obudową silnika, powietrzem otoczenia itp., praca nie będzie liczbowo równa transferowi ciepła - część energii trafia do lodówki, którą z reguły jest środowisko.

Najprościej wyobrazić sobie proces zachodzący w prostym cylindrze pod ruchomym tłokiem (np. cylinder silnika spalinowego). Oczywiście, aby silnik działał i miał sens, proces musi odbywać się cyklicznie, a nie jednorazowo. Oznacza to, że po każdym rozprężeniu gaz musi wrócić do swojej pierwotnej pozycji (rys. 3).

Ryż. 3. Przykład cyklicznej pracy silnika cieplnego ()

Aby gaz powrócił do pozycji wyjściowej, konieczne jest wykonanie na nim pewnej pracy (działanie sił zewnętrznych). A ponieważ praca gazu jest równa pracy na gazie o przeciwnym znaku, aby gaz wykonał całkowitą dodatnią pracę przez cały cykl (inaczej nie byłoby sensu w silniku), jest to konieczne aby praca sił zewnętrznych była mniejsza niż praca gazu. Oznacza to, że wykres procesu cyklicznego we współrzędnych P-V powinien wyglądać tak: zamknięta pętla z obejściem zgodnym z ruchem wskazówek zegara. W tych warunkach praca gazu (w tej części wykresu, w której zwiększa się objętość) jest większa niż praca na gazie (w części, w której objętość maleje) (rys. 4).

Ryż. 4. Przykładowy wykres procesu zachodzącego w silniku cieplnym

Skoro mówimy o pewnym mechanizmie, koniecznie trzeba powiedzieć, jaka jest jego skuteczność.

Definicja. Sprawność (współczynnik wydajności) silnika cieplnego- stosunek pracy użytecznej wykonanej przez płyn roboczy do ilości ciepła przekazywanego do ciała z grzałki.

Jeśli weźmiemy pod uwagę zachowanie energii: energia, która odeszła od grzejnika, nigdzie nie znika - część jest usuwana w postaci pracy, reszta trafia do lodówki:

Otrzymujemy:

Jest to wyrażenie na sprawność w częściach, jeśli chcesz otrzymać wartość sprawności w procentach, wynikową liczbę trzeba pomnożyć przez 100. Sprawność w układzie pomiarowym SI jest wartością bezwymiarową i jak widać z formuły, nie może być więcej niż jeden (lub 100).

Należy również powiedzieć, że wyrażenie to nazywa się rzeczywistą sprawnością lub sprawnością rzeczywistego silnika cieplnego (silnika cieplnego). Jeżeli założymy, że jakoś uda się nam całkowicie pozbyć wad konstrukcyjnych silnika, to otrzymamy silnik idealny, a jego sprawność będzie obliczona według wzoru na sprawność idealnego silnika cieplnego. Wzór ten uzyskał francuski inżynier Sadi Carnot (ryc. 5):