Co ukazuje účinnost tepelného motoru. Účinnost tepelných motorů. Účinnost tepelného motoru - vzorec. Účinnost reverzibilního a nevratného tepelného motoru

Součinitel užitečná akce(účinnost) je charakteristika výkonu systému ve vztahu k přeměně nebo přenosu energie, která je určena poměrem využité užitečné energie k celkové energii přijaté systémem.

Účinnost- bezrozměrná veličina, obvykle vyjádřená v procentech:

Koeficient výkonu (účinnosti) tepelného motoru je určen vzorcem: , kde A = Q1Q2. Účinnost tepelného motoru je vždy menší než 1.

Carnotův cyklus je reverzibilní kruhový plynový proces, který se skládá z sekvenčně probíhajících dvou izotermických a dvou adiabatických procesů prováděných s pracovní tekutinou.

Kruhový cyklus, který zahrnuje dvě izotermy a dva adiabaty, odpovídá maximální účinnosti.

Francouzský inženýr Sadi Carnot v roce 1824 odvodil vzorec pro maximální účinnost ideálního tepelného motoru, kde pracovní tekutinou je ideální plyn, jehož cyklus se skládal ze dvou izoterm a dvou adiabatů, tedy Carnotův cyklus. Carnotův cyklus je skutečný pracovní cyklus tepelného motoru, který vykonává práci díky teplu dodávanému pracovní tekutině v izotermickém procesu.

Vzorec pro účinnost Carnotova cyklu, tedy maximální účinnost tepelného motoru, má tvar: , kde T1 je absolutní teplota ohřívače, T2 je absolutní teplota chladničky.

Tepelné motory- jedná se o konstrukce, ve kterých se tepelná energie přeměňuje na energii mechanickou.

Tepelné motory jsou různorodé jak z hlediska konstrukce, tak i účelu. Patří sem parní stroje, parní turbíny, motory s vnitřním spalováním, proudové motory.

Navzdory rozmanitosti má však v zásadě provoz různých tepelných motorů společné rysy. Hlavní součásti každého tepelného motoru jsou:

• ohřívač;
• pracovní tekutina;
• lednička.

Ohřívač vydává Termální energie, přičemž se zahřívá pracovní kapalina, která se nachází v pracovní komoře motoru. Pracovní tekutinou může být pára nebo plyn.

Po přijetí množství tepla se plyn rozpíná, protože jeho tlak je větší než vnější tlak a pohybuje pístem a vytváří kladnou práci. Zároveň klesá jeho tlak a zvětšuje se jeho objem.

Pokud stlačíme plyn, procházíme stejnými stavy, ale v opačném směru, uděláme stejnou absolutní hodnotu, ale negativní práci. V důsledku toho bude veškerá práce na cyklus nulová.

Aby se práce tepelného motoru lišila od nuly, musí být práce komprese plynu menší než práce expanze.

Aby se práce komprese stala menší než práce expanze, je nutné, aby proces komprese probíhal při nižší teplotě, musí být pracovní tekutina ochlazena, což je důvod, proč konstrukce tepelného motoru zahrnuje lednice. Pracovní tekutina při kontaktu s lednicí předává teplo.

Práce vykonávaná motorem je:

Tímto procesem se poprvé zabýval francouzský inženýr a vědec N. L. S. Carnot v roce 1824 v knize „Reflections on hnací silou oheň a o strojích schopných vyvinout tuto sílu.“

Cílem Carnotova výzkumu bylo zjistit příčiny nedokonalosti tehdejších tepelných strojů (měly účinnost ≤ 5 %) a najít způsoby, jak je zlepšit.

Carnotův cyklus je nejúčinnější ze všech. Jeho účinnost je maximální.

Obrázek ukazuje termodynamické procesy cyklu. Při izotermické expanzi (1-2) při teplotě T 1 , práce se provádí v důsledku změny vnitřní energie ohřívače, tj. v důsledku dodávky tepla do plynu Q:

A 12 = Q 1 ,

Chlazení plynu před kompresí (3-4) nastává během adiabatické expanze (2-3). Změna vnitřní energie ΔU 23 během adiabatického procesu ( Q = 0) je zcela přeměněn na mechanickou práci:

A 23 = -ΔU 23 ,

Teplota plynu v důsledku adiabatické expanze (2-3) klesne na teplotu chladničky T 2 < T 1 . V procesu (3-4) je plyn izotermicky stlačován a přenáší množství tepla do chladničky Q 2:

A34 = Q2,

Cyklus končí procesem adiabatické komprese (4-1), při které se plyn zahřeje na teplotu T 1.

Maximální hodnota účinnosti ideálních plynových tepelných motorů podle Carnotova cyklu:

.

Podstata vzorce je vyjádřena v osvědčeném S. Carnotův teorém, že účinnost žádného tepelného motoru nemůže překročit účinnost Carnotova cyklu prováděného při stejné teplotě ohřívače a chladničky.

« Fyzika - 10. třída"

Co je termodynamický systém a jaké parametry charakterizují jeho stav.
Uveďte první a druhý zákon termodynamiky.

Právě vytvoření teorie tepelných motorů vedlo k formulaci druhého termodynamického zákona.

Zásoby vnitřní energie v zemské kůře a oceánech lze považovat za prakticky neomezené. Ale k řešení praktických problémů nestačí mít zásoby energie. Je také nutné umět využít energii k uvádění do pohybu obráběcích strojů v továrnách a továrnách, vozidel, traktorů a dalších strojů, k otáčení rotorů generátorů elektrického proudu atd. Lidstvo potřebuje motory – zařízení schopná konat práci. Většina motorů na Zemi je tepelné motory.

Tepelné motory- jedná se o zařízení, která přeměňují vnitřní energii paliva na mechanickou práci.

Princip činnosti tepelných motorů.

Aby motor mohl pracovat, musí být tlakový rozdíl na obou stranách pístu motoru nebo lopatek turbíny. U všech tepelných motorů je tohoto tlakového rozdílu dosaženo zvýšením teploty pracovní kapalina(plyn) o stovky nebo tisíce stupňů ve srovnání s okolní teplotou. K tomuto zvýšení teploty dochází při hoření paliva.

Jednou z hlavních částí motoru je plynem plněná nádoba s pohyblivým pístem. Pracovní tekutinou všech tepelných motorů je plyn, který pracuje při expanzi. Počáteční teplotu pracovní tekutiny (plynu) označme T 1 . Této teploty v parních turbínách nebo strojích dosahuje pára v parním kotli. U spalovacích motorů a plynových turbín dochází ke zvýšení teploty, když palivo hoří uvnitř samotného motoru. Teplota T 1 se nazývá teplota ohřívače.

Role lednice.

Při provádění práce plyn ztrácí energii a nevyhnutelně se ochlazuje na určitou teplotu T2, která je obvykle o něco vyšší než okolní teplota. Říkají jí teplota chladničky. Chladnička je atmosféra nebo speciální zařízení pro chlazení a kondenzaci odpadní páry - kondenzátory. V druhém případě může být teplota chladničky o něco nižší než okolní teplota.

V motoru tedy pracovní tekutina během expanze nemůže odevzdat veškerou svou vnitřní energii k výkonu práce. Část tepla se nevyhnutelně přenáší do chladničky (atmosféry) spolu s odpadní párou nebo výfukovými plyny ze spalovacích motorů a plynových turbín.

Tato část vnitřní energie paliva se ztrácí. Tepelný motor vykonává práci díky vnitřní energii pracovní tekutiny. Navíc se při tomto procesu přenáší teplo z teplejších těles (ohřívač) na chladnější (chladnička). Schematický diagram tepelný motor je znázorněn na obrázku 13.13.

Pracovní kapalina motoru přijímá při spalování paliva z topidla množství tepla Q 1, koná práci A“ a předává množství tepla do chladničky Q 2< Q 1 .

Aby motor pracoval nepřetržitě, je nutné vrátit pracovní kapalinu do výchozího stavu, při kterém je teplota pracovní kapaliny rovna T 1. Z toho vyplývá, že motor pracuje podle periodicky se opakujících uzavřených procesů, nebo, jak se říká, v cyklu.

Cyklus je řada procesů, v jejichž důsledku se systém vrací do původního stavu.

Výkonový koeficient (účinnost) tepelného motoru.

Nemožnost úplné přeměny vnitřní energie plynu na práci tepelných motorů je dána nevratností procesů v přírodě. Pokud by se teplo mohlo samovolně vracet z chladničky do ohřívače, pak by vnitřní energie mohla být jakýmkoli tepelným motorem zcela přeměněna na užitečnou práci. Druhý termodynamický zákon lze říci takto:

Druhý termodynamický zákon:
nemožné vytvořit stroj na věčný pohyb druhého druhu, který by teplo zcela přeměnil v mechanickou práci.

Podle zákona zachování energie se práce motoru rovná:

A" = Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

kde Q 1 je množství tepla přijatého z ohřívače a Q2 je množství tepla dodaného do chladničky.

Koeficient výkonu (účinnosti) tepelného motoru je poměr práce "A" vykonaná motorem k množství tepla přijatého z ohřívače:

Protože všechny motory přenášejí určité množství tepla do chladničky, pak η< 1.

Maximální hodnota účinnosti tepelných motorů.

Zákony termodynamiky umožňují vypočítat maximální možnou účinnost tepelného motoru pracujícího s ohřívačem při teplotě T1 a lednicí při teplotě T2 a také určit způsoby jejího zvýšení.

Poprvé maximální možnou účinnost tepelného motoru vypočítal francouzský inženýr a vědec Sadi Carnot (1796-1832) ve své práci „Úvahy o hnací síle ohně ao strojích schopných tuto sílu vyvinout“ (1824 ).

Carnot přišel s ideálním tepelným motorem ideální plyn jako pracovní tekutina. Ideální Carnotův tepelný motor pracuje v cyklu sestávajícím ze dvou izoterm a dvou adiabatů a tyto procesy jsou považovány za vratné (obr. 13.14). Nejprve se nádoba s plynem uvede do kontaktu s ohřívačem, plyn při teplotě T 1 izotermicky expanduje, vykonává kladnou práci a přijímá množství tepla Q 1.

Poté je nádoba tepelně izolována, plyn dále adiabaticky expanduje, přičemž jeho teplota klesá na teplotu chladničky T 2. Poté se plyn při izotermické kompresi uvede do kontaktu s lednicí, předá chladničce množství tepla Q 2, které se stlačí na objem V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Jak vyplývá ze vzorce (13.17), účinnost Carnotova stroje je přímo úměrná rozdílu absolutních teplot ohřívače a chladničky.

Hlavním významem tohoto vzorce je, že ukazuje způsob, jak zvýšit účinnost, k tomu je nutné zvýšit teplotu ohřívače nebo snížit teplotu chladničky.

Žádný skutečný tepelný motor pracující s topením při teplotě T1 a chladničkou při teplotě T2 nemůže mít účinnost převyšující účinnost ideálního tepelného motoru: Procesy, které tvoří cyklus skutečného tepelného stroje, nejsou vratné.

Vzorec (13.17) udává teoretický limit pro maximální hodnotu účinnosti tepelných motorů. Ukazuje, že tepelný motor je tím účinnější, čím větší je teplotní rozdíl mezi ohřívačem a chladničkou.

Pouze při teplotě chladničky rovné absolutní nule je η = 1. Navíc bylo prokázáno, že účinnost vypočítaná podle vzorce (13.17) nezávisí na pracovní látce.

Ale teplota chladničky, jejíž roli obvykle hraje atmosféra, prakticky nemůže být nižší než teplota okolního vzduchu. Můžete zvýšit teplotu ohřívače. Jakýkoli materiál (pevný) má však omezenou tepelnou odolnost nebo tepelnou odolnost. Při zahřátí postupně ztrácí své elastické vlastnosti a když je dostatečně vysoká teplota taje.

Nyní je hlavní úsilí inženýrů zaměřeno na zvýšení účinnosti motorů snížením tření jejich částí, ztrát paliva v důsledku nedokonalého spalování atd.

U parní turbíny jsou počáteční a koncové teploty páry přibližně následující: T 1 - 800 K a T 2 - 300 K. Při těchto teplotách maximální hodnotaúčinnost je 62 % (všimněte si, že účinnost se obvykle měří v procentech). Skutečná hodnota účinnosti v důsledku různých typů energetických ztrát je přibližně 40 %. Maximální účinnosti - asi 44% - dosahují dieselové motory.

Ochrana životního prostředí.

Je těžké si to představit moderní svět bez tepelných motorů. Jsou to oni, kdo nám zajišťuje pohodlný život. Tepelné motory pohánějí vozidla. Asi 80 % elektřiny, navzdory přítomnosti jaderných elektráren, se vyrábí pomocí tepelných motorů.

Při provozu tepelných motorů však nevyhnutelně dochází ke znečištění životního prostředí. To je rozpor: na jedné straně lidstvo potřebuje každým rokem více a více energie, jejíž hlavní část získává spalováním paliva, na druhé straně spalovací procesy nevyhnutelně provází znečištění životního prostředí.

Když palivo hoří, obsah kyslíku v atmosféře klesá. Kromě toho samotné produkty spalování tvoří chemické sloučeniny, které jsou škodlivé pro živé organismy. Znečištění se vyskytuje nejen na zemi, ale také ve vzduchu, protože jakýkoli let letadla je doprovázen emisemi škodlivých nečistot do atmosféry.

Jedním z důsledků motorů je tvorba oxidu uhličitého, který pohlcuje infračervené záření z povrchu Země, což vede ke zvýšení teploty atmosféry. Jde o takzvaný skleníkový efekt. Měření ukazují, že teplota atmosféry stoupá o 0,05 °C za rok. Takové neustálé zvyšování teploty může způsobit tání ledu, což následně povede ke změnám hladiny vody v oceánech, tedy k zaplavení kontinentů.

Všimněme si ještě jednoho negativního bodu při používání tepelných motorů. Někdy se tedy k chlazení motorů používá voda z řek a jezer. Ohřátá voda se pak vrací zpět. Zvýšení teploty ve vodních útvarech narušuje přirozenou rovnováhu tento jev se nazývá tepelné znečištění.

K ochraně životního prostředí různé čištění filtrů Konstrukce motorů se zdokonaluje, aby se zabránilo emisím škodlivých látek do atmosféry. Dochází k neustálému zdokonalování paliva, které při spalování produkuje méně škodlivých látek, a také technologie jeho spalování. Aktivně se rozvíjejí alternativní zdroje energie využívající vítr, sluneční záření a jadernou energii. Elektrická a solární vozidla se již vyrábějí.

Aby motor fungoval, musí být tlakový rozdíl na obou stranách pístu motoru nebo lopatek turbíny. U všech tepelných motorů je tohoto tlakového rozdílu dosaženo zvýšením teploty pracovní tekutiny o stovky stupňů oproti teplotě okolí. K tomuto zvýšení teploty dochází při hoření paliva.

Pracovní tekutinou všech tepelných motorů je plyn (viz § 3.11), který pracuje při expanzi. Počáteční teplotu pracovní tekutiny (plynu) označme T 1 . Této teploty v parních turbínách nebo strojích dosahuje pára v parním kotli. U spalovacích motorů a plynových turbín dochází ke zvýšení teploty, když palivo hoří uvnitř samotného motoru. Teplota T 1 se nazývá teplota ohřívače.

Role lednice

Během práce plyn ztrácí energii a nevyhnutelně se ochladí na určitou teplotu. T 2 . Tato teplota nemůže být nižší než okolní teplota, protože jinak bude tlak plynu nižší než atmosférický a motor nebude schopen provozu. Obvykle teplota T 2 mírně vyšší než okolní teplota. Říká se tomu teplota chladničky. Chladnička je atmosféra nebo speciální zařízení pro chlazení a kondenzaci odpadní páry - kondenzátory. V druhém případě může být teplota chladničky o něco nižší než atmosférická teplota.

V motoru tedy pracovní tekutina během expanze nemůže odevzdat veškerou svou vnitřní energii k výkonu práce. Část energie je nevyhnutelně přenášena do atmosféry (chladničky) spolu s odpadní párou nebo výfukovými plyny ze spalovacích motorů a plynových turbín. Tato část vnitřní energie je nenávratně ztracena. Přesně to říká druhý termodynamický zákon v Kelvinově formulaci.

Schematický diagram tepelného motoru je na obrázku 5.15. Pracovní tekutina motoru přijímá množství tepla při spalování paliva Q 1 , funguje A" a přenáší množství tepla do chladničky | Q 2 | <| Q 1 |.

Účinnost tepelného motoru

Podle zákona zachování energie se práce motoru rovná

(5.11.1)

Kde Q 1 - množství tepla přijatého z ohřívače, a Q 2 - množství tepla přeneseného do chladničky.

Účinnost tepelného motoru je poměr práce A", provedené motorem, na množství tepla přijatého z ohřívače:

(5.11.2)

U parní turbíny je ohřívačem parní kotel a u spalovacích motorů jsou ohřívačem samotné produkty spalování paliva.

Protože všechny motory přenášejí určité množství tepla do chladničky, pak η< 1.

Aplikace tepelných motorů

Největší význam má použití tepelných motorů (především výkonných parních turbín) v tepelných elektrárnách, kde pohánějí rotory generátorů elektrického proudu. V tepelných elektrárnách se u nás vyrábí asi 80 % veškeré elektřiny.

Tepelné motory (parní turbíny) jsou instalovány i v jaderných elektrárnách. Na těchto stanicích se energie atomových jader využívá k výrobě vysokoteplotní páry.

Všechny hlavní typy moderní dopravy využívají především tepelné motory. Automobily používají pístové spalovací motory s vnější tvorbou hořlavé směsi (karburátorové motory) a motory s tvorbou hořlavé směsi přímo uvnitř válců (diesely). Stejné motory jsou instalovány na traktorech.

V železniční dopravě do poloviny 20. stol. Hlavním motorem byl parní stroj. Nyní využívají především dieselové lokomotivy a elektrické lokomotivy. Elektrické lokomotivy ale také přijímají energii z tepelných motorů elektráren.

Vodní doprava využívá jak spalovací motory, tak výkonné turbíny pro velké lodě.

V letectví jsou pístové motory instalovány na lehkých letadlech a turbovrtulové a proudové motory, které jsou také klasifikovány jako tepelné motory, jsou instalovány na obrovských dopravních letadlech. Proudové motory se používají i na vesmírných raketách.

Bez tepelných motorů je moderní civilizace nemyslitelná. Neměli bychom levnou elektřinu a byli bychom ochuzeni o všechny druhy moderní vysokorychlostní dopravy.

Hlavním významem vzorce (5.12.2) získaného Carnotem pro účinnost ideálního stroje je to, že určuje maximální možnou účinnost jakéhokoli tepelného motoru.

Carnot dokázal na základě druhého termodynamického zákona* následující větu: jakýkoli skutečný tepelný motor pracující s teplotním ohřívačemT 1 a teplotu chladničkyT 2 , nemůže mít účinnost, která by převyšovala účinnost ideálního tepelného motoru.

* Carnot ve skutečnosti zavedl druhý termodynamický zákon před Clausiem a Kelvinem, když první termodynamický zákon ještě nebyl striktně formulován.

Uvažujme nejprve tepelný motor pracující ve vratném oběhu s reálným plynem. Cyklus může být jakýkoli, důležité je pouze to, aby byly teploty ohřívače a chladničky T 1 A T 2 .

Předpokládejme, že účinnost jiného tepelného motoru (nefungujícího podle Carnotova cyklu) η ’ > η . Stroje pracují se společným topením a společnou lednicí. Nechte Carnotův stroj pracovat ve zpětném cyklu (jako chladicí stroj) a nechte druhý stroj pracovat v dopředném cyklu (obr. 5.18). Tepelný stroj vykonává práci rovnou podle vzorců (5.12.3) a (5.12.5):

Chladicí stroj může být vždy navržen tak, aby odebíral množství tepla z chladničky Q 2 = ||

Poté se na něm podle vzorce (5.12.7) bude pracovat

(5.12.12)

Protože podle podmínky η" > η , Že A" > A. Tepelný motor tedy může pohánět chladící stroj a stejně zbude přebytek práce. Tato přebytečná práce je vykonána díky teplu odebranému z jednoho zdroje. Při provozu dvou strojů najednou se totiž teplo nepřenáší do chladničky. Ale to odporuje druhému zákonu termodynamiky.

Pokud předpokládáme, že η > η ", pak můžete nechat jiný stroj pracovat ve zpětném cyklu a Carnotův stroj v dopředném cyklu. Opět se dostaneme do rozporu s druhým termodynamickým zákonem. V důsledku toho mají dva stroje pracující na reverzibilních cyklech stejnou účinnost: η " = η .

Jiná věc je, pokud druhý stroj pracuje v nevratném cyklu. Pokud předpokládáme η " > η , pak se opět dostaneme do rozporu s druhým termodynamickým zákonem. Nicméně předpoklad t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, nebo

Toto je hlavní výsledek:

(5.12.13)

Účinnost skutečných tepelných motorů

Vzorec (5.12.13) udává teoretický limit pro maximální hodnotu účinnosti tepelných motorů. Ukazuje, že čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladničky, tím je tepelný motor účinnější. Pouze při teplotě chladničky rovné absolutní nule je η = 1.

Ale teplota chladničky prakticky nemůže být mnohem nižší než okolní teplota. Můžete zvýšit teplotu ohřívače. Jakýkoli materiál (pevné těleso) má však omezenou tepelnou odolnost, neboli tepelnou odolnost. Při zahřívání postupně ztrácí své elastické vlastnosti a při dostatečně vysoké teplotě taje.

Nyní je hlavní úsilí inženýrů zaměřeno na zvýšení účinnosti motorů snížením tření jejich částí, ztrát paliva v důsledku nedokonalého spalování atd. Skutečné příležitosti pro zvýšení účinnosti zde zůstávají stále velké. Pro parní turbínu jsou tedy počáteční a konečné teploty páry přibližně následující: T 1 = 800 K a T 2 = 300 K. Při těchto teplotách je maximální hodnota účinnosti:

Skutečná hodnota účinnosti v důsledku různých typů energetických ztrát je přibližně 40 %. Maximální účinnosti - asi 44 % - dosahují spalovací motory.

Účinnost žádného tepelného motoru nemůže překročit maximální možnou hodnotu
, kde T 1 - absolutní teplota ohřívače a T 2 - absolutní teplota chladničky.

Zvýšení účinnosti tepelných motorů a její přiblížení k maximu možnému- nejdůležitější technickou výzvou.