Quel est le rendement d'un moteur thermique. rendement des moteurs thermiques. Efficacité du moteur thermique - formule. Efficacité du moteur thermique réversible et irréversible

Facteur d'efficacité (COP) est une mesure de l'efficacité d'un système en termes de conversion ou de transfert d'énergie, qui est déterminée par le rapport de l'énergie utilement utilisée à l'énergie totale reçue par le système.

Efficacité- la valeur est sans dimension, elle est généralement exprimée en pourcentage :

Le coefficient de performance (COP) d'un moteur thermique est déterminé par la formule : , où A = Q1Q2. Le rendement d'un moteur thermique est toujours inférieur à 1.

Cycle de Carnot- Il s'agit d'un procédé gaz circulaire réversible, qui consiste en deux procédés consécutifs isothermes et deux procédés adiabatiques réalisés avec un fluide de travail.

Le cycle circulaire, qui comprend deux isothermes et deux adiabatiques, correspond à l'efficacité maximale.

L'ingénieur français Sadi Carnot en 1824 a dérivé une formule pour l'efficacité maximale d'un moteur thermique idéal, où le fluide de travail est un gaz parfait, dont le cycle se composait de deux isothermes et de deux adiabats, c'est-à-dire le cycle de Carnot. Le cycle de Carnot est le véritable cycle de travail d'un moteur thermique qui effectue un travail dû à la chaleur fournie au fluide de travail dans un processus isotherme.

La formule du rendement du cycle de Carnot, c'est-à-dire le rendement maximum d'un moteur thermique, est : , où T1 est la température absolue du radiateur, T2 est la température absolue du réfrigérateur.

Moteurs thermiques- Ce sont des structures dans lesquelles l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique.

Les moteurs thermiques sont divers à la fois dans leur conception et leur objectif. Il s'agit notamment des moteurs à vapeur, des turbines à vapeur, des moteurs combustion interne, moteurs à réaction.

Cependant, malgré la diversité, il existe des caractéristiques communes dans le principe de fonctionnement des différents moteurs thermiques. Les principaux composants de chaque moteur thermique :

• chauffe-eau;
• corps de travail;
• réfrigérateur.

Le réchauffeur libère de l'énergie thermique tout en chauffant le fluide de travail situé dans la chambre de travail du moteur. Le fluide de travail peut être de la vapeur ou du gaz.

Après avoir accepté la quantité de chaleur, le gaz se dilate, car. sa pression est supérieure à la pression externe et déplace le piston, produisant un travail positif. Dans le même temps, sa pression chute et son volume augmente.

Si nous comprimons le gaz en passant par les mêmes états, mais dans le sens opposé, nous effectuerons alors la même valeur absolue, mais un travail négatif. En conséquence, tout le travail du cycle sera égal à zéro.

Pour que le travail d'un moteur thermique soit non nul, il faut que le travail de compression du gaz soit inférieur au travail de détente.

Pour que le travail de compression devienne inférieur au travail de détente, il est nécessaire que le processus de compression se déroule à une température plus basse, pour cela le fluide de travail doit être refroidi, par conséquent, un réfrigérateur est inclus dans la conception du moteur thermique. Le fluide de travail dégage la quantité de chaleur vers le réfrigérateur lorsqu'il est en contact avec celui-ci.

Le travail effectué par le moteur est de :

Ce procédé a été envisagé pour la première fois par l'ingénieur et scientifique français N. L. S. Carnot en 1824 dans le livre Réflexions sur la force motrice du feu et sur les machines capables de développer cette force.

Les recherches de Carnot avaient pour but de découvrir les raisons de l'imperfection des moteurs thermiques de l'époque (ils avaient un rendement ≤ 5 %) et de trouver des moyens de les améliorer.

Le cycle de Carnot est le plus efficace de tous. Son efficacité est maximale.

La figure montre les processus thermodynamiques du cycle. Dans le processus d'expansion isotherme (1-2) à une température J 1 , le travail est effectué en modifiant l'énergie interne de l'appareil de chauffage, c'est-à-dire en fournissant la quantité de chaleur au gaz Q:

UNE 12 = Q 1 ,

Le refroidissement du gaz avant compression (3-4) se produit lors de la détente adiabatique (2-3). Changement d'énergie interne ∆U 23 dans un processus adiabatique ( Q=0) est entièrement converti en travail mécanique :

UNE 23 = -∆U 23 ,

La température du gaz à la suite de l'expansion adiabatique (2-3) diminue jusqu'à la température du réfrigérateur J 2 < J 1 . Dans le processus (3-4), le gaz est comprimé de manière isotherme, transférant la quantité de chaleur au réfrigérateur Q2:

A 34 = Q 2,

Le cycle est complété par le processus de compression adiabatique (4-1), dans lequel le gaz est chauffé à une température T 1.

La valeur maximale du rendement des moteurs thermiques fonctionnant au gaz parfait, selon le cycle de Carnot :

.

L'essence de la formule s'exprime dans le sens éprouvé À PARTIR DE. Théorème de Carnot selon lequel l'efficacité de tout moteur thermique ne peut pas dépasser l'efficacité du cycle de Carnot effectué à la même température de l'appareil de chauffage et du réfrigérateur.

« Physique - 10e année "

Qu'est-ce qu'un système thermodynamique et quels paramètres caractérisent son état.
Énoncer les première et deuxième lois de la thermodynamique.

C'est la création de la théorie des moteurs thermiques qui a conduit à la formulation de la deuxième loi de la thermodynamique.

Les réserves d'énergie interne de la croûte terrestre et des océans peuvent être considérées comme pratiquement illimitées. Mais pour résoudre des problèmes pratiques, disposer de réserves d'énergie ne suffit toujours pas. Il est également nécessaire de pouvoir utiliser l'énergie pour mettre en mouvement les machines-outils dans les usines, les moyens de transport, les tracteurs et autres machines, faire tourner les rotors des générateurs de courant électrique, etc. L'humanité a besoin de moteurs - des appareils capables de faire un travail. La plupart des moteurs sur Terre sont moteurs thermiques.

Moteurs thermiques- Ce sont des dispositifs qui convertissent l'énergie interne du combustible en travail mécanique.

Le principe de fonctionnement des moteurs thermiques.

Pour que le moteur fonctionne, une différence de pression est nécessaire des deux côtés du piston du moteur ou des aubes de turbine. Dans tous les moteurs thermiques, cette différence de pression est obtenue en augmentant la température corps de travail(gaz) des centaines ou des milliers de degrés au-dessus de la température ambiante. Cette augmentation de température se produit lors de la combustion du carburant.

L'une des parties principales du moteur est un récipient rempli de gaz avec un piston mobile. Le fluide de travail de tous les moteurs thermiques est un gaz qui fonctionne pendant la détente. Désignons la température initiale du fluide de travail (gaz) par T 1 . Cette température dans les turbines ou machines à vapeur est acquise par la vapeur dans une chaudière à vapeur. Dans les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz, l'augmentation de température se produit lorsque le carburant est brûlé à l'intérieur du moteur lui-même. La température T 1 est appelée température de chauffage.

Le rôle du réfrigérateur

Au fur et à mesure du travail, le gaz perd de l'énergie et se refroidit inévitablement jusqu'à une certaine température T 2 , généralement un peu supérieure à la température ambiante. Ils l'appellent température du réfrigérateur. Le réfrigérateur est l'atmosphère ou des dispositifs spéciaux pour refroidir et condenser la vapeur d'échappement - condensateurs. Dans ce dernier cas, la température du réfrigérateur peut être légèrement inférieure à la température ambiante.

Ainsi, dans le moteur, le fluide de travail lors de la détente ne peut pas donner toute son énergie interne pour effectuer un travail. Une partie de la chaleur est inévitablement transférée au refroidisseur (atmosphère) avec la vapeur d'échappement ou les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne et des turbines à gaz.

Cette partie de l'énergie interne du combustible est perdue. Un moteur thermique effectue un travail grâce à l'énergie interne du fluide de travail. De plus, dans ce processus, la chaleur est transférée des corps les plus chauds (chauffage) vers les plus froids (réfrigérateur). Un schéma de principe d'un moteur thermique est présenté à la figure 13.13.

Le fluide de travail du moteur reçoit du réchauffeur lors de la combustion du carburant la quantité de chaleur Q 1, effectue le travail A "et transfère la quantité de chaleur au réfrigérateur Q2< Q 1 .

Pour que le moteur fonctionne en continu, il est nécessaire de ramener le fluide de travail à son état initial, auquel la température du fluide de travail est égale à T 1 . Il en résulte que le fonctionnement du moteur se produit selon des processus fermés se répétant périodiquement, ou, comme on dit, selon un cycle.

Cycle est une série de processus à la suite desquels le système revient à son état initial.

Coefficient de performance (COP) d'un moteur thermique.

L'impossibilité d'une conversion complète de l'énergie interne du gaz en travail des moteurs thermiques est due à l'irréversibilité des processus dans la nature. Si la chaleur pouvait revenir spontanément du réfrigérateur au radiateur, l'énergie interne pourrait être complètement convertie en travail utile à l'aide de n'importe quel moteur thermique. La deuxième loi de la thermodynamique peut être formulée comme suit :

Deuxième loi de la thermodynamique :
il est impossible de créer une machine à mouvement perpétuel du second genre, qui convertirait complètement la chaleur en travail mécanique.

Selon la loi de conservation de l'énergie, le travail effectué par le moteur est :

A" \u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

où Q 1 - la quantité de chaleur reçue du radiateur et Q2 - la quantité de chaleur transmise au réfrigérateur.

Le coefficient de performance (COP) d'un moteur thermique est le rapport du travail A" effectué par le moteur sur la quantité de chaleur reçue du réchauffeur :

Étant donné que dans tous les moteurs, une certaine quantité de chaleur est transférée au réfrigérateur, alors η< 1.

La valeur maximale de l'efficacité des moteurs thermiques.

Les lois de la thermodynamique permettent de calculer le rendement maximal possible d'un moteur thermique fonctionnant avec un réchauffeur ayant une température de T 1 et un réfrigérateur ayant une température de T 2, et aussi de déterminer les moyens de l'augmenter.

Pour la première fois, l'efficacité maximale possible d'un moteur thermique a été calculée par l'ingénieur et scientifique français Sadi Carnot (1796-1832) dans son ouvrage "Réflexions sur la force motrice du feu et sur les machines capables de développer cette force" (1824 ).

Carnot a proposé un moteur thermique idéal avec un gaz parfait comme fluide de travail. Une machine thermique de Carnot idéale fonctionne selon un cycle composé de deux isothermes et de deux adiabats, et ces processus sont considérés comme réversibles (Fig. 13.14). Tout d'abord, un récipient contenant du gaz est mis en contact avec un réchauffeur, le gaz se dilate de manière isotherme, faisant un travail positif, à une température T 1 , tandis qu'il reçoit une quantité de chaleur Q 1 .

Puis la cuve est isolée thermiquement, le gaz continue de se dilater déjà de manière adiabatique, tandis que sa température décroît jusqu'à la température du réfrigérateur T 2 . Après cela, le gaz est mis en contact avec le réfrigérateur, sous compression isotherme, il dégage la quantité de chaleur Q 2 au réfrigérateur, se comprimant à un volume 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:

Comme il ressort de la formule (13.17), l'efficacité de la machine de Carnot est directement proportionnelle à la différence des températures absolues du radiateur et du réfrigérateur.

La signification principale de cette formule est qu'elle indique le moyen d'augmenter l'efficacité, pour cela, il est nécessaire d'augmenter la température de l'appareil de chauffage ou d'abaisser la température du réfrigérateur.

Tout moteur thermique réel fonctionnant avec un réchauffeur ayant une température T 1 et un réfrigérateur ayant une température T 2 ne peut avoir un rendement supérieur au rendement d'un moteur thermique idéal : Les processus qui composent le cycle d'un vrai moteur thermique ne sont pas réversibles.

La formule (13.17) donne une limite théorique pour la valeur maximale du rendement des moteurs thermiques. Il montre qu'un moteur thermique est d'autant plus efficace que l'écart de température entre le chauffage et le réfrigérateur est important.

Seulement à la température du réfrigérateur, égale au zéro absolu, η = 1. De plus, il a été prouvé que l'efficacité calculée par la formule (13.17) ne dépend pas de la substance de travail.

Mais la température du réfrigérateur, dont le rôle est généralement joué par l'atmosphère, ne peut pratiquement pas être inférieure à la température ambiante. Vous pouvez augmenter la température du radiateur. Cependant, tout matériau (corps solide) a une résistance à la chaleur ou une résistance à la chaleur limitée. Lorsqu'il est chauffé, il perd progressivement ses propriétés élastiques et fond à une température suffisamment élevée.

Désormais, les principaux efforts des ingénieurs visent à augmenter le rendement des moteurs en réduisant le frottement de leurs pièces, les pertes de carburant dues à une combustion incomplète, etc.

Pour une turbine à vapeur, les températures de vapeur initiale et finale sont approximativement les suivantes : T 1 - 800 K et T 2 - 300 K. À ces températures, le rendement maximal est de 62 % (notez que le rendement est généralement mesuré en pourcentage). La valeur réelle de l'efficacité due à divers types de pertes d'énergie est d'environ 40 %. Les moteurs diesel ont l'efficacité maximale - environ 44%.

Protection environnementale.

Il est difficile d'imaginer le monde moderne sans moteurs thermiques. Ils nous offrent une vie confortable. Les moteurs thermiques entraînent les véhicules. Environ 80 % de l'électricité, malgré la présence de centrales nucléaires, est produite à l'aide de moteurs thermiques.

Cependant, lors du fonctionnement des moteurs thermiques, une pollution environnementale inévitable se produit. C'est une contradiction : d'une part, chaque année, l'humanité a besoin de plus en plus d'énergie, dont la majeure partie est obtenue en brûlant du carburant, d'autre part, les processus de combustion s'accompagnent inévitablement de pollution environnementale.

Lorsque le carburant est brûlé, la teneur en oxygène dans l'atmosphère diminue. De plus, les produits de combustion forment eux-mêmes des composés chimiques nocifs pour les organismes vivants. La pollution se produit non seulement au sol, mais aussi dans les airs, car tout vol d'avion s'accompagne d'émissions d'impuretés nocives dans l'atmosphère.

L'une des conséquences du fonctionnement des moteurs est la formation de dioxyde de carbone, qui absorbe le rayonnement infrarouge de la surface de la Terre, ce qui entraîne une augmentation de la température de l'atmosphère. C'est ce qu'on appelle l'effet de serre. Les mesures montrent que la température de l'atmosphère augmente de 0,05 °C par an. Une telle augmentation continue de la température peut provoquer la fonte des glaces, ce qui entraînera à son tour une modification du niveau de l'eau dans les océans, c'est-à-dire l'inondation des continents.

On note un autre point négatif lors de l'utilisation des moteurs thermiques. Ainsi, parfois, l'eau des rivières et des lacs est utilisée pour refroidir les moteurs. L'eau chauffée est ensuite renvoyée. L'augmentation de la température des masses d'eau perturbe l'équilibre naturel, ce phénomène est appelé pollution thermique.

Pour la protection de l'environnement, divers nettoyage des filtres, empêchant l'émission de substances nocives dans l'atmosphère, la conception des moteurs est en cours d'amélioration. Il y a une amélioration continue du carburant, qui donne moins de substances nocives lors de la combustion, ainsi que de la technologie de sa combustion. Des sources d'énergie alternatives utilisant le vent, le rayonnement solaire et l'énergie de base sont activement développées. Des véhicules électriques et des véhicules alimentés par l'énergie solaire sont déjà produits.

Pour que le moteur fonctionne, une différence de pression est nécessaire des deux côtés du piston du moteur ou des aubes de turbine. Dans tous les moteurs thermiques, cette différence de pression est obtenue en augmentant la température du fluide de travail de plusieurs centaines de degrés par rapport à la température ambiante. Cette augmentation de température se produit lors de la combustion du carburant.

Le fluide de travail de tous les moteurs thermiques est un gaz (voir § 3.11), qui travaille lors de la détente. Notons la température initiale du fluide de travail (gaz) par J 1 . Cette température dans les turbines ou machines à vapeur est acquise par la vapeur dans une chaudière à vapeur. Dans les moteurs à combustion interne et les turbines à gaz, l'augmentation de température se produit lorsque le carburant est brûlé à l'intérieur du moteur lui-même. Température J 1 appelée température de chauffage.

Le rôle du réfrigérateur

Au fur et à mesure que le travail est effectué, le gaz perd de l'énergie et se refroidit inévitablement jusqu'à une certaine température. J 2 . Cette température ne peut pas être inférieure à la température ambiante, sinon la pression du gaz deviendra inférieure à la pression atmosphérique et le moteur ne pourra pas fonctionner. Généralement la température J 2 légèrement au-dessus de la température ambiante. C'est ce qu'on appelle la température du réfrigérateur. Le réfrigérateur est l'atmosphère ou des dispositifs spéciaux pour refroidir et condenser la vapeur d'échappement - condenseurs. Dans ce dernier cas, la température du réfrigérateur peut être quelque peu inférieure à la température de l'atmosphère.

Ainsi, dans le moteur, le fluide de travail lors de la détente ne peut pas donner toute son énergie interne pour effectuer un travail. Une partie de l'énergie est inévitablement transférée dans l'atmosphère (réfrigérateur) avec la vapeur d'échappement ou les gaz d'échappement des moteurs à combustion interne et des turbines à gaz. Cette partie de l'énergie interne est irrémédiablement perdue. C'est exactement ce que dit la deuxième loi de la thermodynamique de Kelvin.

Un schéma de principe d'un moteur thermique est présenté à la figure 5.15. Le corps de travail du moteur reçoit la quantité de chaleur lors de la combustion du carburant Q 1 , Fait le travail MAIS" et transfère la quantité de chaleur au réfrigérateur | Q 2 | <| Q 1 |.

Efficacité du moteur thermique

Selon la loi de conservation de l'énergie, le travail effectué par le moteur est

(5.11.1)

où Q 1 - la quantité de chaleur reçue du réchauffeur, un Q 2 - la quantité de chaleur donnée au réfrigérateur.

Le rendement d'un moteur thermique est le rapport du travail MAIS", effectuée par le moteur, à la quantité de chaleur reçue du réchauffeur :

(5.11.2)

Dans une turbine à vapeur, le réchauffeur est une chaudière à vapeur et, dans les moteurs à combustion interne, les produits de la combustion du carburant eux-mêmes.

Étant donné que dans tous les moteurs, une certaine quantité de chaleur est transférée au réfrigérateur, alors η< 1.

L'utilisation des moteurs thermiques

L'utilisation de moteurs thermiques (principalement de puissantes turbines à vapeur) dans les centrales thermiques, où ils entraînent les rotors des générateurs de courant électrique, est de la plus grande importance. Environ 80% de toute l'électricité de notre pays est produite dans des centrales thermiques.

Des moteurs thermiques (turbines à vapeur) sont également installés dans les centrales nucléaires. Dans ces stations, l'énergie des noyaux atomiques est utilisée pour produire de la vapeur à haute température.

Les moteurs thermiques sont principalement utilisés dans tous les principaux types de transport moderne. Sur les automobiles, des moteurs à combustion interne à piston avec formation externe d'un mélange combustible (moteurs à carburateur) et des moteurs avec formation d'un mélange combustible directement à l'intérieur des cylindres (diesels) sont utilisés. Les mêmes moteurs sont installés sur les tracteurs.

Sur le transport ferroviaire jusqu'au milieu du XXe siècle. la machine principale était une machine à vapeur. Désormais, les locomotives diesel et les locomotives électriques sont principalement utilisées. Mais les locomotives électriques reçoivent également de l'énergie des moteurs thermiques des centrales électriques.

Le transport par eau utilise à la fois des moteurs à combustion interne et de puissantes turbines pour les grands navires.

Dans l'aviation, les moteurs à pistons sont installés sur les avions légers, et les turbopropulseurs et les moteurs à réaction, qui appartiennent également aux moteurs thermiques, sont installés sur d'énormes paquebots. Les moteurs à réaction sont également utilisés dans les fusées spatiales.

La civilisation moderne est impensable sans moteurs thermiques. Nous n'aurions pas d'électricité bon marché et serions privés de tous les moyens de transport modernes à grande vitesse.

La signification principale de la formule (5.12.2) obtenue par Carnot pour le rendement d'une machine idéale est qu'elle détermine le rendement maximal possible de tout moteur thermique.

Carnot a prouvé, en se basant sur la seconde loi de la thermodynamique*, le théorème suivant : tout moteur thermique réel fonctionnant avec un réchauffeur de températureJ 1 et la température du réfrigérateurJ 2 , ne peut avoir un rendement supérieur au rendement d'un moteur thermique idéal.

* Carnot a effectivement établi la deuxième loi de la thermodynamique avant Clausius et Kelvin, alors que la première loi de la thermodynamique n'avait pas encore été formulée de manière rigoureuse.

Considérons tout d'abord un moteur thermique fonctionnant selon un cycle réversible avec un gaz réel. Le cycle peut être n'importe lequel, il est seulement important que les températures de l'appareil de chauffage et du réfrigérateur soient J 1 Et J 2 .

Supposons que le rendement d'un autre moteur thermique (ne fonctionnant pas selon le cycle de Carnot) η ’ > η . Les machines fonctionnent avec un réchauffeur commun et un refroidisseur commun. Faire fonctionner la machine Carnot en cycle inverse (comme une machine frigorifique), et l'autre machine en cycle aller (Fig. 5.18). Le moteur thermique effectue un travail égal, selon les formules (5.12.3) et (5.12.5) :

La machine frigorifique peut toujours être conçue de manière à absorber la quantité de chaleur du réfrigérateur Q 2 = ||

Ensuite, selon la formule (5.12.7), des travaux seront effectués dessus

(5.12.12)

Puisque par condition η" > η , ensuite A" > A. Par conséquent, le moteur thermique peut entraîner le moteur frigorifique, et il y aura toujours un excès de travail. Ce travail excédentaire se fait au détriment de la chaleur prélevée sur une seule source. Après tout, la chaleur n'est pas transférée au réfrigérateur sous l'action de deux machines à la fois. Mais cela contredit la deuxième loi de la thermodynamique.

Si nous supposons que η > η ", alors on peut faire fonctionner une autre machine en cycle inverse, et la machine de Carnot en ligne droite. Nous arrivons à nouveau à une contradiction avec la seconde loi de la thermodynamique. Ainsi, deux machines fonctionnant sur des cycles réversibles ont le même rendement : η " = η .

Il en va autrement si la deuxième machine fonctionne selon un cycle irréversible. Si on admet η " > η , puis nous arrivons à nouveau à une contradiction avec la seconde loi de la thermodynamique. Cependant, l'hypothèse 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, ou

Voici le résultat principal :

(5.12.13)

Efficacité des vrais moteurs thermiques

La formule (5.12.13) donne la limite théorique du rendement maximal des moteurs thermiques. Il montre que plus le moteur thermique est performant, plus la température du réchauffeur est élevée et plus la température du réfrigérateur est basse. Seulement lorsque la température du réfrigérateur est égale au zéro absolu, η = 1.

Mais la température du réfrigérateur ne peut pratiquement pas être bien inférieure à la température ambiante. Vous pouvez augmenter la température du radiateur. Cependant, tout matériau (solide) a une résistance à la chaleur limitée ou une résistance à la chaleur. Lorsqu'il est chauffé, il perd progressivement ses propriétés élastiques et fond à une température suffisamment élevée.

Désormais, les principaux efforts des ingénieurs visent à augmenter l'efficacité des moteurs en réduisant le frottement de leurs pièces, les pertes de carburant dues à sa combustion incomplète, etc. Les possibilités réelles d'augmenter l'efficacité sont ici encore importantes. Ainsi, pour une turbine à vapeur, les températures de vapeur initiale et finale sont approximativement les suivantes : J 1 = 800K et J 2 = 300 K. A ces températures, la valeur maximale du rendement est de :

La valeur réelle de l'efficacité due à divers types de pertes d'énergie est d'environ 40 %. L'efficacité maximale - environ 44% - a des moteurs à combustion interne.

Le rendement de tout moteur thermique ne peut dépasser la valeur maximale possible
, où T 1 - température absolue de l'élément chauffant, et T 2 - température absolue du réfrigérateur.

Augmenter le rendement des moteurs thermiques et le rapprocher du maximum possible- le défi technique le plus important.