Główna wartość otrzymanych formuły Carnota(5.12.2) dla wydajności idealnej maszyny jest to, że określa ona maksymalną możliwą wydajność 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.
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 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 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 wartości maksymalnej wydajność termiczna silniki. Wynika z niego, że silnik cieplny jest bardziej wydajny, 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 sprawność - około 44% - posiadają silniki wewnętrzne spalanie.
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.
Historycznie, pojawienie się termodynamiki jako nauki wiązało się z praktycznym zadaniem stworzenia wydajnego silnik cieplny(silnik termiczny).
silnik cieplny
Silnik cieplny to urządzenie, które wykonuje pracę z powodu ciepła dostarczanego do silnika. Ta maszyna jest okresowy.
Silnik cieplny zawiera następujące obowiązkowe elementy:
- płyn roboczy (zwykle gaz lub para);
- podgrzewacz;
- lodówka.
Rysunek 1. Cykl pracy silnika cieplnego. Author24 - internetowa wymiana prac studenckich
Na rys. 1 przedstawiamy cykl, według którego może pracować silnik cieplny. W tym cyklu:
- gaz rozszerza się z objętości $V_1$ do objętości $V_2$;
- gaz jest sprężany z objętości $V_2$ do objętości $V_1$.
Aby uzyskać więcej niż zero pracy wykonanej przez gaz, ciśnienie (a tym samym temperatura) musi być większe podczas rozprężania niż podczas sprężania. W tym celu gaz w procesie rozprężania odbiera ciepło, a podczas sprężania ciepło jest odbierane z płynu roboczego. Z tego wyciągnie wniosek, że oprócz płynu roboczego w silniku cieplnym muszą znajdować się jeszcze dwa ciała zewnętrzne:
- grzejnik, który oddaje ciepło do płynu roboczego;
- lodówka, korpus, który podczas sprężania odbiera ciepło z płynu roboczego.
Po zakończeniu cyklu korpus roboczy i wszystkie mechanizmy maszyny wracają do poprzedniego stanu. Oznacza to, że zmiana energii wewnętrznej płynu roboczego wynosi zero.
Rysunek 1 wskazuje, że podczas procesu rozprężania płyn roboczy otrzymuje ilość ciepła równą $Q_1$. W procesie sprężania płyn roboczy daje chłodnicy ilość ciepła równą $Q_2$. Dlatego w jednym cyklu ilość ciepła odbieranego przez płyn roboczy wynosi:
$\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$
Z pierwszej zasady termodynamiki, zakładając, że w cyklu zamkniętym $\Delta U=0$ praca wykonywana przez ciało robocze to:
$A=Q_1-Q_2 (2).$
Aby zorganizować powtarzające się cykle silnika cieplnego, konieczne jest, aby część swojego ciepła oddawała do lodówki. Wymóg ten jest zgodny z drugą zasadą termodynamiki:
Niemożliwe jest stworzenie maszyny perpetuum mobile, która okresowo całkowicie przekształca ciepło otrzymane z określonego źródła w pracę.
Tak więc nawet dla idealnego silnika cieplnego ilość ciepła przekazywanego do lodówki nie może być równa zeru, istnieje dolna granica $Q_2$.
sprawność silnika cieplnego
Oczywiste jest, że należy ocenić, jak wydajnie pracuje silnik cieplny, biorąc pod uwagę kompletność konwersji ciepła odebranego z grzałki na pracę płynu roboczego.
Parametrem obrazującym sprawność silnika cieplnego jest współczynnik wydajności (COP).
Definicja 1
Sprawność silnika cieplnego to stosunek pracy wykonanej przez płyn roboczy ($A$) do ilości ciepła, jakie ciało to otrzymuje z nagrzewnicy ($Q_1$):
$\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$
Biorąc pod uwagę wyrażenie (2) sprawność silnika cieplnego, otrzymujemy jako:
$\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$
Z zależności (4) wynika, że sprawność nie może być większa niż jeden.
Wydajność chillera
Odwróćmy cykl pokazany na ryc. jeden.
Uwaga 1
Odwrócenie pętli oznacza zmianę kierunku pętli.
W wyniku odwrócenia cyklu otrzymujemy cykl maszyny chłodniczej. Maszyna ta odbiera ciepło $Q_2$ z ciała o niskiej temperaturze i przekazuje je do grzałki o wyższej temperaturze, ilości ciepła $Q_1$ i $Q_1>Q_2$. Praca wykonana na ciele roboczym wynosi $A'$ na cykl.
Wydajność naszej lodówki określa współczynnik, który obliczany jest jako:
$\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\lewo (5\prawo).$
Sprawność odwracalnego i nieodwracalnego silnika cieplnego
Sprawność nieodwracalnego silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż sprawność maszyny odwracalnej, gdy maszyny pracują z tą samą grzałką i chłodnicą.
Rozważ silnik cieplny składający się z:
- cylindryczne naczynie zamknięte tłokiem;
- gaz pod tłokiem;
- podgrzewacz;
- lodówka.
- Gaz odbiera trochę ciepła $Q_1$ z grzejnika.
- Gaz rozszerza się i popycha tłok, wykonując pracę $A_+0$.
- Gaz jest sprężany, ciepło $Q_2$ jest przekazywane do lodówki.
- Praca jest wykonywana na ciele roboczym $A_-
Praca wykonywana przez ciało robocze na cykl jest równa:
Aby spełnić warunek odwracalności procesów, muszą być przeprowadzane bardzo powoli. Ponadto konieczne jest, aby nie było tarcia tłoka o ściany naczynia.
Oznaczmy pracę wykonaną w jednym cyklu przez odwracalny silnik cieplny jako $A_(+0)$.
Wykonajmy ten sam cykl z dużą prędkością iw obecności tarcia. Jeśli rozprężanie gazu odbywa się szybko, jego ciśnienie w pobliżu tłoka będzie mniejsze niż w przypadku powolnego rozprężania, ponieważ rozrzedzenie zachodzące pod tłokiem rozprzestrzenia się na całą objętość ze skończoną prędkością. Pod tym względem praca gazu w nieodwracalnym wzroście objętości jest mniejsza niż w odwracalnym:
Jeśli szybko sprężysz gaz, ciśnienie w pobliżu tłoka jest większe niż wtedy, gdy sprężasz go powoli. Oznacza to, że wartość ujemnej pracy płynu roboczego w sprężaniu nieodwracalnym jest większa niż w sprężaniu odwracalnym:
Otrzymujemy, że praca gazu w obiegu $A$ maszyny nieodwracalnej, obliczona ze wzoru (5), wykonana pod wpływem ciepła odebranego z grzałki, będzie mniejsza niż praca wykonana w obiegu przez odwracalny silnik cieplny :
Tarcie występujące w nieodwracalnym silniku cieplnym prowadzi do zamiany części pracy wykonanej przez gaz na ciepło, co zmniejsza sprawność silnika.
Możemy więc stwierdzić, że sprawność silnika cieplnego maszyny odwracalnej jest większa niż nieodwracalnej.
Uwaga 2
Korpus, z którym płyn roboczy wymienia ciepło, będzie nazywany zbiornikiem ciepła.
Rewersyjny silnik cieplny realizuje cykl, w którym znajdują się sekcje, w których płyn roboczy wymienia ciepło z nagrzewnicą i lodówką. Proces wymiany ciepła jest odwracalny tylko wtedy, gdy po odebraniu ciepła i oddaniu go podczas suwu powrotnego, płyn roboczy ma taką samą temperaturę, równą temperaturze zbiornika termicznego. Dokładniej, temperatura ciała, które odbiera ciepło, musi być bardzo niewiele niższa od temperatury zbiornika.
Taki proces może być procesem izotermicznym zachodzącym w temperaturze zbiornika.
Aby silnik cieplny działał, musi mieć dwa zbiorniki ciepła (grzałkę i chłodnicę).
Obieg odwracalny, który w silniku cieplnym realizowany jest przez płyn roboczy, musi składać się z dwóch izoterm (w temperaturach zbiorników ciepła) i dwóch adiabatów.
Procesy adiabatyczne zachodzą bez wymiany ciepła. W procesach adiabatycznych gaz (płyn roboczy) rozszerza się i kurczy.
Silnik cieplny to silnik, który wykonuje pracę kosztem źródła energii cieplnej.
Energia cieplna ( Q grzejnik) ze źródła jest przekazywana do silnika, natomiast część otrzymanej energii silnik zużywa na wykonanie pracy W, niewykorzystana energia ( Q lodówka) trafia do lodówki, której rolę może pełnić np. powietrze z otoczenia. Silnik cieplny może działać tylko wtedy, gdy temperatura lodówki jest niższa niż temperatura grzałki.
Współczynnik wydajności (COP) silnika cieplnego można obliczyć ze wzoru: Wydajność = W/Q ng.
Wydajność = 1 (100%), jeśli cała energia cieplna jest zamieniana na pracę. Wydajność=0 (0%), jeśli żadna energia cieplna nie jest zamieniana na pracę.
Sprawność rzeczywistego silnika cieplnego mieści się w zakresie od 0 do 1, im wyższa sprawność tym silnik jest bardziej wydajny.
Q x / Q ng \u003d T x / T ng Wydajność \u003d 1- (Q x / Q ng) Wydajność \u003d 1- (T x / T ng)
Biorąc pod uwagę trzecią zasadę termodynamiki, która mówi, że temperatura zera bezwzględnego (T=0K) nie może zostać osiągnięta, można powiedzieć, że nie da się opracować silnika cieplnego o sprawności=1, gdyż T x >0 jest zawsze.
Sprawność silnika cieplnego będzie tym większa, im wyższa temperatura grzałki, a niższa temperatura lodówki.
Fizyka, klasa 10
Lekcja 25 Sprawność silników cieplnych
Lista pytań rozważanych na lekcji:
1) Pojęcie silnika cieplnego;
2) Urządzenie i zasada działania silnika cieplnego;
3) sprawność silnika cieplnego;
4) cykl Carnota.
Powiązany słownik
Silnik cieplny - urządzenie, w którym energia wewnętrzna paliwa jest zamieniana na energię mechaniczną.
efektywność ( współczynnik sprawności) to stosunek pracy użytecznej wykonanej przez ten silnik do ilości ciepła odbieranego z grzałki.
Silnik spalinowy- silnik, w którym paliwo spala się bezpośrednio w komorze roboczej (wewnątrz) silnika.
Silnik odrzutowy- silnik, który wytwarza siłę trakcyjną niezbędną do ruchu, przekształcając energię wewnętrzną paliwa w energię kinetyczną strumienia cieczy roboczej.
Cykl Carnota jest idealnym procesem kołowym składającym się z dwóch procesów adiabatycznych i dwóch izotermicznych.
Podgrzewacz- urządzenie, z którego organizm roboczy otrzymuje energię, której część jest wykorzystywana do wykonywania pracy.
Lodówka- ciało, które pochłania część energii ciała pracującego (środowisko lub urządzenia specjalne do chłodzenia i kondensacji pary odlotowej, tj. kondensatory).
ciało robocze- ciało, które rozszerzając się działa (jest to gaz lub para)
Podstawowa i dodatkowa literatura na temat lekcji:
1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Sotsky N.N. Fizyka Klasa 10. Podręcznik dla ogólnych organizacji edukacyjnych M.: Edukacja, 2017. - S. 269 - 273.
2. Rymkevich A.P. Zbiór problemów fizyki. 10-11 klasa. -M.: Drop, 2014. - S. 87 - 88.
Otwarte zasoby elektroniczne na temat lekcji
Materiał teoretyczny do samodzielnej nauki
Opowieści i mity różnych narodów świadczą o tym, że ludzie zawsze marzyli o szybkim przemieszczaniu się z miejsca na miejsce lub szybkim wykonywaniu tej czy innej pracy. Aby osiągnąć ten cel, potrzebne były urządzenia, które mogłyby wykonywać pracę lub poruszać się w kosmosie. Obserwując otaczający ich świat, wynalazcy doszli do wniosku, że aby ułatwić pracę i szybko się poruszać, konieczne jest wykorzystanie energii innych ciał, na przykład wody, wiatru itp. Czy można wykorzystać energię wewnętrzną prochu lub innego rodzaju paliwa do własnych celów? Jeśli weźmiemy probówkę, wlej do niej wodę, zamknij korkiem i podgrzej. Po podgrzaniu woda się zagotuje, a powstała para wodna wypchnie korek. Para rozszerza się i działa. W tym przykładzie widzimy, że energia wewnętrzna paliwa została zamieniona na energię mechaniczną poruszającej się świecy. Zamieniając korek na tłok poruszający się wewnątrz tuby, a samą tubę na cylinder, otrzymamy najprostszy silnik cieplny.
Silnik cieplny - Silnik cieplny to urządzenie, w którym energia wewnętrzna paliwa jest zamieniana na energię mechaniczną.
Przypomnij sobie budowę najprostszego silnika spalinowego. Silnik spalinowy składa się z cylindra, w którym porusza się tłok. Tłok jest połączony z wałem korbowym za pomocą korbowodu. Na górze każdego cylindra znajdują się dwa zawory. Jeden z zaworów nazywa się wlotem, a drugi wylotem. Aby zapewnić płynny skok tłoka na wał korbowy wzmocnione ciężkie koło zamachowe.
Cykl pracy silnika spalinowego składa się z czterech cykli: dolotowego, sprężania, skoku mocy, wydechu.
Podczas pierwszego skoku zawór wlotowy otwiera się, a zawór wydechowy pozostaje zamknięty. Tłok poruszający się w dół zasysa do cylindra mieszanina palna.
W drugim skoku oba zawory są zamknięte. Ruchomy w górę tłok ściska palną mieszankę, która podczas sprężania nagrzewa się.
W trzecim suwie, gdy tłok znajduje się w górnym położeniu, mieszanina zapalana jest iskrą elektryczną świecy. Zapalona mieszanina tworzy gorące gazy, których ciśnienie wynosi 3-6 MPa, a temperatura sięga 1600-2200 stopni. Siła nacisku popycha tłok w dół, którego ruch jest przenoszony na wał korbowy za pomocą koła zamachowego. Po otrzymaniu silnego pchnięcia koło zamachowe będzie nadal obracać się bezwładnością, zapewniając ruch tłoka podczas kolejnych suwów. Podczas tego skoku oba zawory pozostają zamknięte.
W czwartym skoku zawór wydechowy otwiera się i spaliny są wypychane przez poruszający się tłok przez tłumik (nie pokazany na rysunku) do atmosfery.
Każdy silnik cieplny zawiera trzy główne elementy: grzejnik, płyn roboczy, lodówkę.
Aby określić sprawność silnika cieplnego, wprowadzono pojęcie sprawności.
Sprawność to stosunek pracy użytecznej wykonanej przez dany silnik do ilości ciepła odbieranego z grzałki.
Q 1 - ilość ciepła otrzymanego z ogrzewania
Q 2 - ilość ciepła oddana do lodówki
to praca wykonana przez silnik na cykl.
Ta wydajność jest rzeczywista, tj. właśnie ta formuła służy do charakteryzowania prawdziwych silników cieplnych.
Znając moc N i czas pracy silnika t pracę wykonaną na cykl można obliczyć ze wzoru
Przeniesienie niewykorzystanej części energii do lodówki.
W XIX wieku, w wyniku prac nad ciepłownictwem, francuski inżynier Sadi Carnot zaproponował inny sposób określania sprawności (poprzez temperaturę termodynamiczną).
Głównym znaczeniem tego wzoru jest to, że każdy prawdziwy silnik cieplny pracujący z grzałką o temperaturze T 1 i lodówką o temperaturze T 2 nie może mieć sprawności przewyższającej sprawność idealnego silnika cieplnego. Sadi Carnot, zastanawiając się, w którym zamkniętym procesie silnik cieplny będzie miał maksymalną wydajność, zasugerował użycie cyklu składającego się z 2 procesów adiabatycznych i 2 izotermicznych
Cykl Carnota jest najbardziej wydajnym cyklem o maksymalnej wydajności.
Nie ma silnika cieplnego o sprawności 100% lub 1.
Wzór podaje teoretyczną granicę maksymalnej wartości sprawności silników cieplnych. Wynika z niego, że silnik cieplny jest bardziej wydajny, 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 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.
Zwiększenie sprawności silników cieplnych i przybliżenie jej do maksimum jest najważniejszym wyzwaniem technicznym.
Silniki cieplne – turbiny parowe, są również instalowane we wszystkich elektrowniach jądrowych do produkcji pary wysoka temperatura. Silniki cieplne są stosowane głównie we wszystkich głównych rodzajach nowoczesnego transportu: w samochodach - silniki tłokowe wewnętrzne spalanie; na wodzie - silniki spalinowe i turbiny parowe; na kolei - lokomotywy spalinowe z instalacje diesla; w lotnictwie - silniki tłokowe, turboodrzutowe i odrzutowe.
Porównajmy Charakterystyka wydajności silniki cieplne.
Silnik parowy - 8%.
Turbina parowa - 40%.
Turbina gazowa - 25-30%.
Silnik spalinowy - 18-24%.
Silnik Diesla - 40–44%.
Silnik odrzutowy - 25%.
Powszechne stosowanie silników cieplnych nie pozostaje bez śladu dla środowiska: stopniowo zmniejsza się ilość tlenu, a wzrasta ilość dwutlenku węgla w atmosferze, powietrze zanieczyszczone jest szkodliwymi dla zdrowia związkami chemicznymi. Istnieje zagrożenie zmianami klimatycznymi. Dlatego znalezienie sposobów na zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska jest obecnie jednym z najpilniejszych problemów naukowych i technicznych.
Przykłady i analiza rozwiązywania problemów
1 . Jaka jest średnia moc silnika samochodowego, jeśli przy prędkości 180 km/h spalanie benzyny wynosi 15 litrów na 100 kilometrów, a sprawność silnika wynosi 25%?
Aby silnik działał, potrzebna jest różnica ciśnień po obu stronach tłoka silnika lub łopatek turbiny. We wszystkich silnikach cieplnych tę różnicę ciśnień uzyskuje się poprzez podwyższenie temperatury płynu roboczego o setki stopni w stosunku do temperatury otoczenia. Ten wzrost temperatury występuje podczas spalania paliwa.
Płynem roboczym dla wszystkich silników cieplnych jest gaz (patrz § 3.11), który działa podczas rozszerzania. Oznaczmy początkową temperaturę płynu roboczego (gazu) przez T 1 . Ta temperatura w turbinach parowych lub maszynach jest uzyskiwana przez parę w kotle parowym. W silnikach spalinowych i turbinach gazowych wzrost temperatury następuje podczas spalania paliwa w samym silniku. Temperatura T 1 zwany temperaturą grzałki.
Rola lodówki
W miarę wykonywania pracy gaz traci energię i nieuchronnie ochładza się do określonej temperatury. T 2 . Temperatura ta nie może być niższa niż temperatura otoczenia, w przeciwnym razie ciśnienie gazu spadnie poniżej ciśnienia atmosferycznego i silnik nie będzie mógł pracować. Zwykle temperatura T 2 nieco powyżej temperatury otoczenia. Nazywa się to temperaturą lodówki. Lodówka to atmosfera lub specjalne urządzenia do chłodzenia i kondensacji pary odlotowej - skraplacze. W tym drugim przypadku temperatura lodówki może być nieco niższa niż temperatura atmosfery.
Tak więc w silniku płyn roboczy podczas rozprężania nie może oddać całej swojej wewnętrznej energii do wykonania pracy. Część energii jest nieuchronnie przekazywana do atmosfery (lodówka) wraz z parą spalinową lub spalinami z silników spalinowych i turbin gazowych. Ta część energii wewnętrznej jest bezpowrotnie stracona. Dokładnie to mówi druga zasada termodynamiki Kelvina.
Schemat ideowy silnika cieplnego pokazano na rysunku 5.15. Korpus roboczy silnika odbiera ilość ciepła podczas spalania paliwa Q 1 , wykonuje pracę ALE" i przekazuje ilość ciepła do lodówki | Q 2 | <| Q 1 |.
Sprawność silnika cieplnego
Zgodnie z prawem zachowania energii praca wykonywana przez silnik jest
(5.11.1)
gdzie Q 1 - ilość ciepła odbieranego z nagrzewnicy, a Q 2 - ilość ciepła przekazana do lodówki.
Sprawność silnika cieplnego to stosunek pracy ALE", wykonywane przez silnik, do ilości ciepła odbieranego z grzałki:
(5.11.2)
W turbinie parowej nagrzewnicą jest kocioł parowy, aw silnikach spalinowych same produkty spalania paliwa.
Ponieważ we wszystkich silnikach pewna ilość ciepła jest przekazywana do lodówki, to η< 1.
Zastosowanie silników cieplnych
Największe znaczenie ma zastosowanie silników cieplnych (głównie potężnych turbin parowych) w elektrociepłowniach, gdzie napędzają one wirniki generatorów prądu elektrycznego. Około 80% całej energii elektrycznej w naszym kraju wytwarzane jest w elektrowniach cieplnych.
Silniki cieplne (turbiny parowe) są również instalowane w elektrowniach jądrowych. Na tych stacjach energia jąder atomowych jest wykorzystywana do wytwarzania pary o wysokiej temperaturze.
Silniki cieplne są stosowane głównie we wszystkich głównych rodzajach nowoczesnego transportu. W samochodach stosuje się tłokowe silniki spalinowe z zewnętrznym tworzeniem mieszanki palnej (silniki gaźnikowe) i silniki z tworzeniem mieszanki palnej bezpośrednio wewnątrz cylindrów (diesle). Te same silniki są instalowane w ciągnikach.
W transporcie kolejowym do połowy XX wieku. głównym silnikiem był silnik parowy. Obecnie używane są głównie lokomotywy spalinowe i lokomotywy elektryczne. Ale lokomotywy elektryczne otrzymują również energię z silników cieplnych elektrowni.
Transport wodny wykorzystuje zarówno silniki spalinowe, jak i potężne turbiny dla dużych statków.
W lotnictwie silniki tłokowe są instalowane na lekkich samolotach, a silniki turbośmigłowe i odrzutowe, które również należą do silników cieplnych, są instalowane na ogromnych liniowcach. Silniki odrzutowe są również wykorzystywane w rakietach kosmicznych.
Współczesna cywilizacja jest nie do pomyślenia bez silników cieplnych. Nie mielibyśmy taniej energii elektrycznej i zostalibyśmy pozbawieni wszelkiego rodzaju nowoczesnego szybkiego transportu.