열기관의 효율은 얼마입니까? 열기관의 효율성. 열 엔진 효율 - 공식. 가역 및 비가역 열기관의 효율

효율 계수(COP)시스템이 받는 총 에너지에 대한 유용하게 사용된 에너지의 비율에 의해 결정되는 에너지 변환 또는 전달 측면에서 시스템의 효율성을 측정한 것입니다.

능률- 값은 무차원이며 일반적으로 백분율로 표시됩니다.

열 기관의 성능 계수(COP)는 공식에 의해 결정됩니다. , 여기서 A = Q1Q2입니다. 열기관의 효율은 항상 1보다 작습니다.

카르노 사이클- 작동유체로 2회의 연속적인 등온과 2개의 단열공정으로 이루어진 가역적 원형기체공정이다.

두 개의 등온선과 두 개의 단열재를 포함하는 순환 주기는 최대 효율에 해당합니다.

1824년 프랑스 엔지니어인 사디 카르노(Sadi Carnot)는 작동 유체가 두 개의 등온선과 두 개의 단열재로 구성된 이상기체인 이상 열기관의 최대 효율 공식을 도출했습니다. 즉, 카르노 사이클입니다. Carnot 사이클은 등온 과정에서 작동 유체에 공급되는 열로 인해 작업을 수행하는 열 기관의 실제 작동 주기입니다.

Carnot 사이클의 효율, 즉 열기관의 최대 효율에 대한 공식은 다음과 같습니다. , 여기서 T1은 히터의 절대 온도, T2는 냉장고의 절대 온도입니다.

열기관- 열에너지가 기계적 에너지로 변환되는 구조입니다.

열기관은 디자인과 목적이 다양합니다. 여기에는 증기 엔진, 증기 터빈, 엔진이 포함됩니다. 내부 연소, 제트 엔진.

그러나 다양성에도 불구하고 다양한 열기관의 작동 원리에는 공통된 특징이 있습니다. 각 열 기관의 주요 구성 요소:

• 히터;
• 작업체;
• 냉장고.

히터는 엔진의 작업실에 있는 작동 유체를 가열하면서 열에너지를 방출합니다. 작동 유체는 증기 또는 가스일 수 있습니다.

열량을 수용하면 가스가 팽창하기 때문입니다. 그 압력은 외부 압력보다 크고 피스톤을 움직여 긍정적인 작업을 생성합니다. 동시에 압력이 떨어지고 부피가 증가합니다.

동일한 상태를 통과하지만 반대 방향으로 가스를 압축하면 동일한 절대 값을 수행하지만 음수 작업을 수행합니다. 결과적으로 사이클의 모든 작업은 0과 같습니다.

열기관의 일이 0이 되려면 기체를 압축하는 일이 팽창하는 일보다 작아야 합니다.

압축일을 팽창일보다 적게 하기 위해서는 더 낮은 온도에서 압축과정이 이루어져야 하는데, 이를 위해서는 작동유체를 냉각시켜야 하므로 냉장고가 설계에 포함된다. 열 엔진. 작동 유체는 냉장고와 접촉할 때 냉장고에 많은 양의 열을 방출합니다.

엔진이 수행하는 작업은 다음과 같습니다.

이 과정은 1824년 프랑스의 공학자이자 과학자인 N. L. S. Carnot이 화재의 원동력과 이 힘을 발전시킬 수 있는 기계에 대한 성찰이라는 책에서 처음으로 고려되었습니다.

Carnot의 연구 목적은 당시 열기관의 불완전성(효율이 5% 이하)의 원인을 찾고 개선할 수 있는 방법을 찾는 것이었습니다.

Carnot 사이클은 가장 효율적입니다. 그 효율성은 최대입니다.

그림은 사이클의 열역학적 과정을 보여줍니다. (1-2) 온도에서 등온 팽창하는 과정에서 티 1 , 작업은 히터의 내부 에너지 변화, 즉 가스에 열 공급으로 인해 수행됩니다. 큐:

ㅏ 12 = 큐 1 ,

압축 전 가스 냉각(3-4)은 단열 팽창(2-3) 중에 발생합니다. 내부 에너지의 변화 ΔU 23 단열 과정에서 ( Q=0)은 완전히 기계 작업으로 변환됩니다.

ㅏ 23 = -ΔU 23 ,

단열 팽창으로 인한 가스 온도(2-3)는 냉장고의 온도로 감소합니다. 티 2 < 티 1 . (3-4) 과정에서 기체를 등온압축하여 열량을 냉장고로 전달 2분기:

A 34 = Q 2,

사이클은 단열 압축 과정(4-1)에 의해 완료되며, 이 과정에서 가스는 다음 온도로 가열됩니다. T 1.

Carnot 주기에 따른 이상기체에서 작동하는 열기관의 효율의 최대값:

.

공식의 본질은 입증 된 에서. 모든 열기관의 효율은 히터와 냉장고의 동일한 온도에서 수행되는 카르노 사이클의 효율을 초과할 수 없다는 카르노의 정리.

« 물리학 - 10학년 "

열역학 시스템이란 무엇이며 그 상태를 특징 짓는 매개 변수는 무엇입니까?
열역학 제1법칙과 제2법칙을 서술하시오.

열역학 제2법칙을 공식화한 것은 열기관 이론의 창안이었습니다.

지각과 해양의 내부 에너지 매장량은 실질적으로 무제한으로 간주될 수 있습니다. 그러나 실질적인 문제를 해결하기 위해서는 에너지 비축량만으로는 충분하지 않습니다. 또한 에너지를 사용하여 공장의 공작 기계, 운송 수단, 트랙터 및 기타 기계를 작동시키고, 전류 발생기의 로터를 회전시킬 수 있어야 합니다. 인류는 엔진, 즉 작업을 수행할 수 있는 장치가 필요합니다. 지구상의 대부분의 엔진은 열 기관.

열기관- 연료의 내부 에너지를 기계적 일로 변환시키는 장치입니다.

열기관의 작동 원리.

엔진이 작동하려면 엔진 피스톤이나 터빈 블레이드의 양쪽에 압력차가 필요합니다. 모든 열기관에서 이 압력차는 온도를 높여서 얻을 수 있습니다. 일하는 몸(기체) 주위 온도보다 수백 또는 수천도 높은 온도. 이러한 온도 상승은 연료 연소 중에 발생합니다.

엔진의 주요 부품 중 하나는 피스톤이 움직이는 가스로 채워진 용기입니다. 모든 열기관의 작동 유체는 팽창하는 동안 작동하는 가스입니다. T 1 을 통해 작동유체(기체)의 초기온도를 나타내자. 증기 터빈 또는 기계의 이 온도는 증기 보일러의 증기에 의해 획득됩니다. 내연기관 및 가스터빈에서 연료가 엔진 자체 내부에서 연소될 때 온도 상승이 발생합니다. 온도 T 1은 히터 온도.

냉장고의 역할

작업이 완료되면 가스는 에너지를 잃고 불가피하게 특정 온도 T 2 로 냉각되는데, 이는 일반적으로 주변 온도보다 다소 높습니다. 그들은 그녀를 부른다 냉장고 온도. 냉장고는 배기 증기를 냉각 및 응축시키는 대기 또는 특수 장치입니다. 커패시터. 후자의 경우 냉장고의 온도가 주변 온도보다 약간 낮을 수 있습니다.

따라서 엔진에서 팽창하는 동안 작동 유체는 모든 내부 에너지를 일을 수행할 수 없습니다. 열의 일부는 불가피하게 내연기관 및 가스터빈의 배기증기 또는 배기가스와 함께 냉각기(대기)로 전달됩니다.

연료의 내부 에너지 중 이 부분이 손실됩니다. 열기관은 작동 유체의 내부 에너지로 인해 일을 수행합니다. 또한 이 과정에서 뜨거운 물체(히터)에서 차가운 물체(냉장고)로 열이 전달됩니다. 열기관의 개략도는 그림 13.13에 나와 있습니다.

엔진의 작동 유체는 연료가 연소되는 동안 히터에서 열량 Q 1을 받고 일 A "를 수행하고 열량을 냉장고로 전달합니다. 2분기< Q 1 .

엔진이 지속적으로 작동하려면 작동 유체의 온도가 T 1 인 초기 상태로 작동 유체를 되돌릴 필요가 있습니다. 이것으로부터 엔진의 작동은 주기적으로 반복되는 닫힌 프로세스에 따라 또는 그들이 말했듯이 사이클에 따라 발생합니다.

주기시스템이 초기 상태로 돌아가는 일련의 과정입니다.

열기관의 성능 계수(COP).

가스의 내부 에너지를 열 기관의 작업으로 완전히 변환할 수 없는 것은 자연의 과정을 돌이킬 수 없기 때문입니다. 열이 자발적으로 냉장고에서 히터로 되돌아갈 수 있다면 내부 에너지는 열 기관을 사용하여 완전히 유용한 일로 변환될 수 있습니다. 열역학 제2법칙은 다음과 같이 공식화할 수 있습니다.

열역학 제2법칙:
열을 기계 작업으로 완전히 변환하는 두 번째 종류의 영구 운동 기계를 만드는 것은 불가능합니다.

에너지 보존 법칙에 따르면 엔진이 하는 일은 다음과 같습니다.

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

여기서 Q 1 - 히터에서 받은 열의 양, Q2 - 냉장고에 제공되는 열의 양.

열 기관의 성능 계수(COP)는 히터에서 받은 열량에 대해 엔진이 수행한 작업 A의 비율입니다.

모든 엔진에서 일정량의 열이 냉장고로 전달되기 때문에 η< 1.

열기관 효율의 최대값.

열역학 법칙을 사용하면 온도가 T 1 인 히터와 온도가 T 2인 냉장고로 작동하는 열 기관의 가능한 최대 효율을 계산하고 이를 높이는 방법을 결정할 수 있습니다.

열기관의 가능한 최대 효율은 프랑스의 공학자이자 과학자인 Sadi Carnot(1796-1832)이 "화력의 추진력과 이 힘을 발전시킬 수 있는 기계에 대한 고찰"(1824)에서 처음으로 계산되었습니다. ).

Carnot은 이상 기체를 작동 유체로 하는 이상 열 기관을 고안했습니다. 이상적인 Carnot 열기관은 두 개의 등온선과 두 개의 단열재로 구성된 사이클에서 작동하며 이러한 프로세스는 가역적인 것으로 간주됩니다(그림 13.14). 먼저, 가스가 담긴 용기가 히터와 접촉하고, 가스는 양의 열 Q 1 을 받는 동안 온도 T 1 에서 등온적으로 팽창하여 양의 일을 합니다.

그런 다음 용기는 단열되고 가스는 이미 단열적으로 계속 팽창하는 반면 온도는 냉장고 T 2 의 온도로 감소합니다. 그 후, 가스는 냉장고와 접촉하게 되고, 등온 압축 하에서 냉장고에 열량 Q 2 를 방출하고 부피 V 4 로 압축됩니다.< 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:

식 (13.17)에서 알 수 있듯이 Carnot 기계의 효율은 히터와 냉장고의 절대 온도 차이에 정비례합니다.

이 공식의 주요 의미는 효율성을 높이는 방법을 나타내는 것이므로 히터의 온도를 높이거나 냉장고의 온도를 낮추는 것이 필요합니다.

온도가 T 1 인 히터와 온도 T 2 인 냉장고로 작동하는 실제 열기관은 이상 열기관의 효율을 초과하는 효율을 가질 수 없습니다. 실제 열 기관의 주기를 구성하는 프로세스는 되돌릴 수 없습니다.

공식 (13.17)은 열기관 효율의 최대값에 대한 이론적 한계를 제공합니다. 열기관의 효율이 높을수록 히터와 냉장고의 온도차가 크다는 것을 보여줍니다.

절대 영도와 같은 냉장고의 온도에서만 η = 1입니다. 또한 공식 (13.17)에 의해 계산된 효율은 작동 물질에 의존하지 않는다는 것이 입증되었습니다.

그러나 일반적으로 대기의 역할을하는 냉장고의 온도는 실제로 주변 온도보다 낮을 수 없습니다. 히터의 온도를 높일 수 있습니다. 그러나 모든 재료(고체)는 내열성이나 내열성에 한계가 있습니다. 가열하면 점차적으로 탄성을 잃고 충분히 높은 온도에서 녹습니다.

이제 엔지니어의 주요 노력은 부품의 마찰, 불완전 연소로 인한 연료 손실 등을 줄여 엔진 효율을 높이는 데 있습니다.

증기 터빈의 경우 초기 및 최종 증기 온도는 대략 T 1 - 800K 및 T 2 - 300K입니다. 이러한 온도에서 최대 효율은 62%입니다(효율은 일반적으로 백분율로 측정됨). 다양한 종류의 에너지 손실로 인한 효율의 실제 값은 약 40%입니다. 디젤 엔진은 최대 효율이 약 44%입니다.

환경 보호.

열 엔진이 없는 현대 사회는 상상하기 어렵습니다. 그들은 우리에게 편안한 삶을 제공합니다. 열기관은 차량을 운전합니다. 원자력 발전소가 있음에도 불구하고 전기의 약 80%는 열 엔진을 사용하여 생성됩니다.

그러나 열기관의 운전 중에는 불가피한 환경오염이 발생한다. 이것은 모순입니다. 한편으로 인류는 매년 점점 더 많은 에너지를 필요로하며, 그 주요 부분은 연료를 태워서 얻는 반면 연소 과정에는 필연적으로 환경 오염이 동반됩니다.

연료가 연소되면 대기 중의 산소 함량이 감소합니다. 또한 연소 생성물 자체가 생물체에 유해한 화합물을 형성합니다. 모든 항공기 비행에는 유해한 불순물이 대기 중으로 방출되기 때문에 오염은 지상뿐만 아니라 공기에서도 발생합니다.

엔진 작동의 결과 중 하나는 지구 표면에서 적외선을 흡수하여 대기 온도를 상승시키는 이산화탄소의 형성입니다. 이른바 온실효과다. 측정 결과 대기 온도가 매년 0.05°C씩 상승하는 것으로 나타났습니다. 이러한 지속적인 온도 상승은 얼음을 녹이게 할 수 있으며, 이는 차례로 해양 수위의 변화, 즉 대륙의 범람으로 이어질 수 있습니다.

열 엔진을 사용할 때 한 가지 더 부정적인 점에 주목합니다. 따라서 때때로 강과 호수의 물을 사용하여 엔진을 냉각합니다. 가열된 물은 다시 반환됩니다. 수역의 온도가 상승하면 자연적인 균형이 무너지며 이러한 현상을 열 오염이라고 합니다.

환경 보호를 위해 다양한 필터 청소, 유해물질이 대기 중으로 배출되는 것을 방지하기 위해 엔진 설계를 개선하고 있습니다. 연소 기술뿐만 아니라 연소 중에 유해한 물질을 덜 제공하는 연료의 지속적인 개선이 있습니다. 풍력, 태양복사, 핵심에너지를 이용한 대체 에너지원 개발이 활발히 진행되고 있습니다. 전기 자동차와 태양 에너지로 구동되는 자동차는 이미 생산되고 있습니다.

엔진이 작동하려면 엔진 피스톤이나 터빈 블레이드의 양쪽에 압력차가 필요합니다. 모든 열기관에서 이 압력차는 주변 온도에 비해 작동 유체의 온도를 수백도 높여서 달성됩니다. 이러한 온도 상승은 연료 연소 중에 발생합니다.

모든 열기관의 작동 유체는 팽창하는 동안 작동하는 가스(§ 3.11 참조)입니다. 다음을 통해 작동 유체(기체)의 초기 온도를 나타냅니다. 티 1 . 증기 터빈 또는 기계의 이 온도는 증기 보일러의 증기에 의해 획득됩니다. 내연기관 및 가스터빈에서 연료가 엔진 자체 내부에서 연소될 때 온도 상승이 발생합니다. 온도 티 1 히터 온도라고 합니다.

냉장고의 역할

작업이 완료되면 가스는 에너지를 잃고 불가피하게 특정 온도로 냉각됩니다. 티 2 . 이 온도는 주변 온도보다 낮을 수 없습니다. 그렇지 않으면 가스 압력이 대기압보다 낮아져 엔진이 작동하지 않습니다. 일반적으로 온도 티 2 주변 온도보다 약간 높습니다. 냉장고의 온도라고 합니다. 냉장고는 배기 증기 - 응축기를 냉각 및 응축하기 위한 대기 또는 특수 장치입니다. 후자의 경우 냉장고의 온도가 대기의 온도보다 다소 낮을 수 있습니다.

따라서 엔진에서 팽창하는 동안 작동 유체는 모든 내부 에너지를 일을 수행할 수 없습니다. 에너지의 일부는 내연기관 및 가스터빈에서 배출되는 증기나 배기가스와 함께 불가피하게 대기(냉장고)로 전달됩니다. 내부 에너지의 이 부분은 회복 불가능하게 손실됩니다. 이것이 바로 켈빈의 열역학 제2법칙이 말하는 것입니다.

열기관의 개략도는 그림 5.15에 나와 있습니다. 엔진의 작동체는 연료가 연소되는 동안 열량을 받습니다. 큐 1 , 일을 한다 하지만"열량을 냉장고로 전달 | 큐 2 | <| 큐 1 |.

열기관 효율

에너지 보존 법칙에 따르면 엔진이 한 일은

(5.11.1)

어디 큐 1 - 히터로부터 받는 열량, 큐 2 - 냉장고에 제공되는 열의 양.

열기관의 효율은 일의 비율이다 하지만",엔진에 의해 수행되는 히터에서 받는 열의 양:

(5.11.2)

증기 터빈에서 히터는 증기 보일러이고 내연 기관에서는 연료 자체의 연소 생성물입니다.

모든 엔진에서 일정량의 열이 냉장고로 전달되기 때문에 η< 1.

열 엔진의 사용

가장 중요한 것은 화력 발전소에서 열 엔진(주로 강력한 증기 터빈)을 사용하는 것인데, 여기서 열 엔진은 전류 발생기의 로터를 구동합니다. 우리나라 전체 전력의 약 80%가 화력발전소에서 생산됩니다.

열기관(증기 터빈)도 원자력 발전소에 설치됩니다. 이 스테이션에서 원자핵의 에너지는 고온 증기를 생성하는 데 사용됩니다.

열 엔진은 모든 주요 유형의 현대 운송에 주로 사용됩니다. 자동차에는 가연성 혼합물이 외부에 형성되는 피스톤 내연 기관(기화기 엔진)과 실린더 내부에 직접 가연성 혼합물이 형성되는 엔진(디젤)이 사용됩니다. 동일한 엔진이 트랙터에 설치됩니다.

20세기 중반까지 철도 운송. 주기관은 증기기관이었다. 이제 디젤 기관차와 전기 기관차가 주로 사용됩니다. 그러나 전기 기관차는 발전소의 화력 기관에서도 에너지를 받습니다.

수상 운송에서는 대형 선박용 내연 기관과 강력한 터빈이 모두 사용됩니다.

항공에서는 경량 항공기에 피스톤 엔진이 설치되고 열 엔진에 속하는 터보프롭 및 제트 엔진이 거대한 라이너에 설치됩니다. 제트 엔진은 우주 로켓에도 사용됩니다.

현대 문명은 열 엔진 없이는 생각할 수 없습니다. 우리는 값싼 전기를 사용할 수 없으며 모든 유형의 현대식 고속 운송 수단을 박탈당할 것입니다.

이상적인 기계의 효율성에 대해 Carnot이 얻은 공식 (5.12.2)의 주요 의미는 열기관의 가능한 최대 효율성을 결정한다는 것입니다.

Carnot은 열역학 제2법칙*에 따라 다음 정리를 증명했습니다. 온도 히터로 작동하는 모든 실제 열 엔진티 1 그리고 냉장고 온도티 2 , 이상적인 열기관의 효율을 초과하는 효율을 가질 수 없습니다.

* Carnot은 열역학 제1법칙이 아직 엄밀하게 공식화되지 않았을 때, 실제로 Clausius와 Kelvin 이전에 열역학 제2법칙을 확립했습니다.

먼저 실제 가스를 사용하여 가역 사이클에서 작동하는 열 엔진을 고려하십시오. 주기는 무엇이든 될 수 있으며 히터와 냉장고의 온도가 다음과 같은 것이 중요합니다. 티 1 그리고 티 2 .

다른 열기관의 효율(카르노 사이클에 따라 작동하지 않음) η ’ > η . 기계는 공통 히터 및 공통 냉각기와 함께 작동합니다. Carnot 기계는 역 사이클로 작동하고(냉장 기계와 같이) 다른 기계는 정방향 사이클로 작동합니다(그림 5.18). 열 기관은 공식 (5.12.3) 및 (5.12.5)에 따라 동일한 작업을 수행합니다.

냉동기는 항상 냉장고의 열량을 취하도록 설계될 수 있습니다. 큐 2 = ||

그런 다음 공식 (5.12.7)에 따라 작업이 수행됩니다.

(5.12.12)

조건 η" > η에 의해 , 그 다음에 아" > 아.따라서 열 엔진은 냉동 엔진을 구동할 수 있으며 여전히 과도한 작업이 있을 것입니다. 이 초과 작업은 한 소스에서 가져온 열을 희생하여 수행됩니다. 결국, 한 번에 두 대의 기계가 작동하여 열이 냉장고로 전달되지 않습니다. 그러나 이것은 열역학 제2법칙과 모순된다.

η > η라고 가정하면 ", 그러면 다른 기계는 역 사이클로, Carnot의 기계는 직선으로 작동하게 할 수 있습니다. 우리는 다시 열역학 제2법칙과 모순된다. 따라서 가역 사이클에서 작동하는 두 기계는 동일한 효율성을 갖습니다. η " = η .

두 번째 기계가 되돌릴 수 없는 사이클로 작동하는 경우는 다른 문제입니다. η를 허용하면 " > η , 그러면 우리는 다시 열역학 제2법칙과 모순됩니다. 그러나 가정 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, 또는

주요 결과는 다음과 같습니다.

(5.12.13)

실제 열기관의 효율성

공식 (5.12.13)은 열기관의 최대 효율에 대한 이론적 한계를 제공합니다. 이는 열기관이 히터의 온도가 높을수록 냉장고의 온도가 낮을수록 더 효율적임을 보여줍니다. 냉장고 온도가 절대 영도와 같을 때만 η = 1입니다.

그러나 냉장고의 온도는 실제로 주변 온도보다 훨씬 낮을 수 없습니다. 히터의 온도를 높일 수 있습니다. 그러나 모든 재료(고체)는 내열성 또는 내열성이 제한되어 있습니다. 가열하면 점차적으로 탄성을 잃고 충분히 높은 온도에서 녹습니다.

이제 엔지니어의 주요 노력은 부품의 마찰, 불완전 연소로 인한 연료 손실 등을 줄여 엔진 효율성을 높이는 데 있습니다. 효율성을 높일 수 있는 실제 기회는 여전히 많습니다. 따라서 증기 터빈의 경우 초기 및 최종 증기 온도는 대략 다음과 같습니다. 티 1 = 800K 및 티 2 = 300K. 이 온도에서 효율의 최대값은 다음과 같습니다.

다양한 종류의 에너지 손실로 인한 효율의 실제 값은 약 40%입니다. 최대 효율(약 44%)에는 내연 기관이 있습니다.

열기관의 효율은 가능한 최대값을 초과할 수 없습니다.
, 여기서 T 1 - 히터의 절대 온도 및 T 2 - 냉장고의 절대 온도.

열기관의 효율을 높이고 가능한 최대에 가깝게- 가장 중요한 기술적 과제.