Коефициент на производителност (COP) - термин, който може да се приложи към всяка система и устройство. Дори човек има ефективност, но вероятно все още няма обективна формула за намирането й. В тази статия ще обясним подробно какво е ефективността и как може да се изчисли за различни системи.
определение за ефективност
Ефективността е показател, който характеризира ефективността на определена система по отношение на връщането или преобразуването на енергия. Ефективността е неизмерима стойност и се представя или като числова стойност в диапазона от 0 до 1, или като процент.
Обща формула
Ефективността се обозначава със символа Ƞ.
Общата математическа формула за намиране на ефективността се записва, както следва:
Ƞ=A/Q, където A е полезната енергия/работата, извършена от системата, а Q е енергията, консумирана от тази система за организиране на процеса на получаване на полезен изход.
Коефициентът на ефективност, за съжаление, винаги е по-малък от едно или равен на него, тъй като според закона за запазване на енергията не можем да получим повече работа от изразходваната енергия. Освен това ефективността всъщност изключително рядко е равна на единица, тъй като полезната работа винаги е придружена от загуби, например за нагряване на механизма.
Ефективност на топлинния двигател
Топлинният двигател е устройство, което преобразува топлинната енергия в механична енергия. В топлинен двигател работата се определя от разликата между количеството топлина, получено от нагревателя и количеството топлина, подадено на охладителя, и следователно ефективността се определя по формулата:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, където Qн е количеството топлина, получено от нагревателя, а Qх е количеството топлина, отдадено на охладителя.
Смята се, че най-висока ефективност се осигурява от двигатели, работещи по цикъла на Карно. В този случай ефективността се определя по формулата:
- Ƞ=T1-T2/T1, където T1 е температурата на горещия източник, T2 е температурата на студения източник.
Ефективност на електродвигателя
Електрическият двигател е устройство, което преобразува електрическата енергия в механична енергия, така че ефективността в този случай е коефициентът на ефективност на устройството по отношение на преобразуването на електрическата енергия в механична енергия. Формулата за намиране на ефективността на електрически двигател изглежда така:
- Ƞ=P2/P1, където P1 е доставената електрическа мощност, P2 е полезната механична мощност, генерирана от двигателя.
Електрическата мощност се намира като произведение на системния ток и напрежение (P=UI), а механичната мощност се намира като съотношение на работа към единица време (P=A/t)
ефективност на трансформатора
Трансформаторът е устройство, което преобразува променлив ток от едно напрежение в променлив ток с друго напрежение, като поддържа честота. В допълнение, трансформаторите могат също да преобразуват AC в DC.
Ефективността на трансформатора се намира по формулата:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), където P0 - загуби при празен ход, PL - загуби при натоварване, P2 - активна мощност, подадена към товара, n - относителна степен на натоварване.
Ефективност или не ефективност?
Струва си да се отбележи, че в допълнение към ефективността има редица показатели, които характеризират ефективността на енергийните процеси и понякога можем да намерим описания на типа - ефективност от порядъка на 130%, но в този случай трябва да разбират, че терминът не се използва съвсем правилно и най-вероятно авторът или производителят разбират малко по-различна характеристика от това съкращение.
Например термопомпите се отличават с това, че могат да отделят повече топлина, отколкото консумират. По този начин хладилната машина може да отстрани повече топлина от охладения обект, отколкото се изразходва в енергиен еквивалент за организацията на отстраняването. Индикаторът за ефективност на хладилната машина се нарича коефициент на производителност, обозначен с буквата Ɛ и се определя по формулата: Ɛ=Qx/A, където Qx е топлината, отведена от студения край, A е работата, изразходвана върху процес на отстраняване. Въпреки това, понякога коефициентът на производителност се нарича също ефективност на хладилната машина.
Интересно е също, че ефективността на котлите, работещи на изкопаеми горива, обикновено се изчислява на базата на по-ниската калоричност, докато може да се окаже повече от една. Въпреки това, все още традиционно се нарича ефективност. Възможно е да се определи ефективността на котела по брутната калоричност и тогава тя винаги ще бъде по-малка от една, но в този случай ще бъде неудобно да се сравнява производителността на котлите с данните на други инсталации.
Поради факта, че част от топлината по време на работа на топлинните двигатели неизбежно се прехвърля в хладилника, ефективността на двигателите не може да бъде равна на единица. От голям интерес е да се намери максимално възможната ефективност на топлинен двигател, работещ с нагревател при температура Tg и хладилник при температура T2. Това е направено за първи път от френския инженер и учен Сади Карно.
Идеалната топлинна машина на Карно
Карно измисли идеален топлинен двигател с идеален газ като работен флуид. Всички процеси в машината на Карно се считат за равновесни (обратими).
В машината се извършва кръгов процес или цикъл, при който системата след серия от трансформации се връща в първоначалното си състояние. Цикълът на Карно се състои от две изотерми и
две, адиабата (фиг. 5.16). Криви 1-2 и 3-4 са изотерми, а криви 2-3 и 4-1 са адиабати.
Първо, газът се разширява изотермично при температура T1. В същото време той получава известно количество топлина от нагревателя.След това се разширява адиабатично и не обменя топлина с околните тела. Следван от
изотермично компресиране на газ при o~ ^
температура Т2. Газът отделя в този ориз g jg
В процеса на хладилника количеството топлина Q2 Накрая газът се компресира адиабатично и се връща в първоначалното си състояние.
По време на изотермично разширение газът извършва работа\u003e 0, равно на количеството топлина. При адиабатно разширение 2-3 положителната работа A "3 е равна на намаляването на вътрешната енергия, когато газът се охлажда от температура 7\ до температура T2: A" 3 \u003d -AU12 \u003d WTX) - U(T2).
Изотермичното компресиране при температура T2 изисква работа A2 да се извърши върху газа. Газът извършва съответно отрицателна работа A 2
Q2. И накрая, адиабатното компресиране изисква работа да се извърши върху газа A4 = AU21. Работата на
Карно Никола Леонард Сади (1796-1832) - талантлив френски инженер и физик, един от основателите на термодинамиката. В работата си „Мислейки за движещата сила на огъня и за машини, способни да развият тази сила“ (1824 г.), той за първи път показа, че топлинните двигатели могат да вършат работа само в процеса на предаване на топлина от горещо тяло към студено. Карно измисли идеален топлинен двигател, изчисли ефективността на идеалния двигател и доказа, че този коефициент е максималният възможен за всяка реална топлинна машина. газ A\ \u003d -L4 \u003d -При / 2i \u003d - WTx). Следователно общото
Работата на газа в два адиабатични процеса е равна на нула.
Газът работи в цикъл
A "= A[ + A" 2 \u003d Q1 + Q2 \u003d IQJ - |Q2 |. (5.12.1)
Тази работа е числено равна на площта на фигурата, ограничена от кривата на цикъла (защрихована на фиг. 5.16).
За да изчислите ефективността, трябва да изчислите работата за изотермични процеси 1-2 и 3-4. Изчисленията водят до следния резултат:
(5.12.2) Ефективността на топлинната машина на Карно е равна на съотношението на разликата между абсолютните температури на нагревателя и охладителя към абсолютната температура на нагревателя.
Възможно е да се изрази работата, извършена от машината за цикъл, и количеството топлина, подадено на хладилника Q2 чрез ефективността на машината и количеството топлина, получено от нагревателя, според дефиницията за ефективност
L" \u003d l Количество топлина
Q2 = A" - = TlQi - Qi = QiOl - D- (5.12.4)
Тъй като t) |Q2| = (1-71)QI. (5.12.5)
Идеален чилър
Цикълът на Карно е обратим, така че може да бъде начертан в обратна посока. Вече няма да бъде топлинен двигател, а идеална хладилна машина.
Процесите ще вървят в обратен ред. Работа А се извършва за задвижване на машината. Количеството топлина Qx се предава от работния флуид към нагревателя с по-висока температура, а количеството топлина Q2 се подава към работния флуид от хладилника (фиг. 5.17). Топлината се предава от студено тяло към горещо, поради което машината се нарича хладилна машина.?
Количество топлина Q
„Г
Количество топлина Q2
РаботаА
Температура на ХЛАДИЛНИКА Т2
Ориз. 5.17
Но това не противоречи на втория закон на термодинамиката: топлината не се предава сама по себе си, а поради извършването на работа.
Изразяваме количествата топлина Q1 и Q2 чрез работата A и ефективността на машината T|. Тъй като според формулата (5.12.3) A" \u003d riQj \u003d -A, тогава
(5.12.6)
Количеството топлина, пренесено от работния флуид, както винаги, е отрицателно. Очевидно |Qj| = ^. Според израза
(5.12.4) количество топлина Q2 = QiCn ~ 1) или като се вземе предвид съотношението (5.12.3) (5.12.7)
q2= V1a>0- Това количество топлина се получава от работния флуид от хладилника.
Чилърът работи като термопомпа. Количеството топлина Qj, предадено на горещото тяло, е по-голямо от количеството, взето от охладителя. Съгласно формулата (5.12.7) Q2 = ^ -A = -Qj - A. Следователно
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
Ефективността на хладилната машина се определя от
решение є \u003d -g, тъй като целта му е да отнеме колкото е възможно повече
повече топлина от охладената система, докато извършвате възможно най-малко работа. Стойността на є се нарича коефициент на производителност. За идеален хладилник съгласно формули (5.12.7) и (5.12.2)
Qn T2
т.е. коефициентът на производителност е толкова по-голям, колкото по-малка е температурната разлика и колкото по-малка е, толкова по-ниска е температурата на тялото, от което се взема топлина. Очевидно коефициентът на производителност може да бъде по-голям от единица. За истинските хладилници е повече от три. Разновидност на хладилната машина е климатикът, който отнема топлината от помещението и я предава на околния въздух.
Топлинна помпа
При отопление на помещения с електрически нагреватели е енергийно по-изгодно да се използва термопомпа, а не просто спирала, нагрявана от ток. Помпата допълнително ще прехвърли количеството топлина Q2 от околния въздух в помещението. Това обаче не се прави поради високата цена на хладилния агрегат в сравнение с конвенционалната електрическа печка или камина.
При използване на термопомпа от практически интерес е количеството топлина Qj, получено от нагрятото тяло, а не количеството топлина Q2, отдадено на студеното тяло. Следователно характеристиката на термопомпата е такава
lQi|
коефициент на нагряване?от= .
За идеална машина, като се вземат предвид отношенията (5.12.6) и (5.12.2), ще имаме
1 1 ~ 1 2
където 7 "1 е абсолютната температура на отопляемото помещение, а Г2 е абсолютната температура на атмосферния въздух. Така коефициентът на нагряване винаги е по-голям от единица. За реални устройства при температура на околната среда t2 = 0 °C и стайна температура tl = 25 ° C єot = 12 Количеството топлина, пренесено в помещението, е почти 12 пъти по-голямо от количеството консумирана електроенергия.
Максимална ефективност на термичните машини
(теоремата на Карно)
Основното значение на формулата (5.12.2), получена от Карно за ефективността на идеалната машина, е, че тя определя максимално възможната ефективност на всяка топлинна машина.
Карно доказа, въз основа на втория закон на термодинамиката, следната теорема: всеки реален топлинен двигател, работещ с нагревател с температура Tt и хладилник с температура T2, не може да има ефективност, надвишаваща ефективността на идеалната топлинна машина.
Помислете първо за топлинен двигател, работещ на обратим цикъл с реален газ. Цикълът може да бъде всеки, важно е само температурите на нагревателя и хладилника да са T1–T2.
Да приемем, че ефективността на друга топлинна машина (неработеща според цикъла на Карно) е r\"\u003e T|. Машините работят с общ нагревател и общ хладилник. Нека машината на Карно работи в обратен цикъл ( като хладилник), а другата машина в директен цикъл (фиг. 5.18) Топлинният двигател извършва равностойна работа, съгласно формули (5.12.3) и (5.12.5)
A" = r\"Q[ = ^_,\Q"2\. (5.12.11)
Хладилната машина винаги може да бъде проектирана така, че да поема количеството топлина Q2 = \Q2\ от хладилника.
След това, съгласно формула (5.12.7), ще се извърши работа върху него
A = (5.12.12)
Тъй като според условието G|" > m|, то A" > A. Следователно топлинният двигател може да задейства хладилната машина и пак ще има излишък от работа. Тази излишна работа се извършва за сметка на топлината, взета от един източник. В крайна сметка топлината не се прехвърля в хладилника под действието на две машини наведнъж. Но това противоречи на втория закон на термодинамиката.
Ако приемем, че T| > T |", тогава можете да накарате друга машина да работи в обратен цикъл, а машината на Карно в директен. Отново стигаме до противоречие с втория закон на термодинамиката. Следователно две машини, работещи в обратими цикли, имат еднаква ефективност : r | " = Г|.
Друг е въпросът, ако втората машина работи в необратим цикъл. Ако приемем Γ)" > Γ), тогава отново стигаме до противоречие с втория закон на термодинамиката. Въпреки това, допускането Γ)"
Това е основният резултат:
(5.12.13)
Ефективност на истинските топлинни двигатели
Формула (5.12.13) дава теоретичната граница за максимална ефективност на топлинните двигатели. Показва, че топлинният двигател е по-ефективен, колкото по-висока е температурата на нагревателя и толкова по-ниска е температурата на хладилника. Само когато температурата на хладилника е равна на абсолютна нула, G | = 1.
Но температурата на хладилника практически не може да бъде много по-ниска от температурата на околната среда. Можете да увеличите температурата на нагревателя. Въпреки това, всеки материал (твърд) има ограничена топлоустойчивост или устойчивост на топлина. При нагряване той постепенно губи своите еластични свойства и се топи при достатъчно висока температура.
Сега основните усилия на инженерите са насочени към повишаване на ефективността на двигателите чрез намаляване на триенето на техните части, загубите на гориво поради непълното му изгаряне и т. н. Реалните възможности за повишаване на ефективността тук все още са големи. И така, за парна турбина началната и крайната температура на парата са приблизително както следва: T1 = 800 K и T2 = 300 K. При тези температури максималната стойност на ефективността е
Т1 - Т2
Lmax = 0,62 = 62%.
Действителната стойност на ефективността поради различни видове енергийни загуби е приблизително 40%. Максималната ефективност - около 44% - имат двигателите с вътрешно горене.
Ефективността на всяка термична
двигателя не може да надвишава максимума
T1~T2
възможна стойност
11
температура на нагревателя, а Т2 е абсолютната
температура на хладилника.
Повишаването на ефективността на топлинните двигатели и приближаването й до максимално възможния е най-важното
техническа задача.
Тема: „Принципът на работа на топлинния двигател. Топлинен двигател с най-висока ефективност.
Формата:Комбиниран урок по компютърна техника.
цели:
- Покажете значението на използването на топлинен двигател в човешкия живот.
- Да се изучава принципът на действие на истински топлинни двигатели и идеален двигател, работещ по цикъла на Карно.
- Помислете за възможни начини за повишаване на ефективността на истински двигател.
- Да развива у учениците любознателност, интерес към техническото творчество, уважение към научните постижения на учени и инженери.
План на урока.
№ п / стр |
Въпроси |
Време |
| 1 | Покажете необходимостта от използването на топлинни двигатели в съвременни условия. | |
| 2 | Повторение на концепцията за "топлинен двигател". Видове топлинни двигатели: двигатели с вътрешно горене (карбураторни, дизелови), парни и газови турбини, турбореактивни и ракетни двигатели. | |
| 3 | Обяснение на нов теоретичен материал. Схема и устройство на топлинен двигател, принцип на действие, ефективност. Цикъл на Карно, идеален топлинен двигател, неговата ефективност. Сравнение на ефективността на реален и идеален топлинен двигател. |
|
| 4 | Решение на задача No 703 (Степанова), No 525 (Бендриков). | |
| 5 | Работа с модел на топлинен двигател. |
|
| 6 | Обобщавайки. Домашна § 33, задачи № 700 и № 697 (Степанова) |
Теоретичен материал
От древни времена човек е искал да се отърве от физическите усилия или да ги улесни при преместване на нещо, да има повече сила, скорост.
Създават се приказки за килими от самолети, ботуши от седем лига и магьосници, които пренасят човек в далечни земи с махане на пръчка. Пренасяйки тежести, хората са измислили количките, защото е по-лесно да се търкалят. Тогава адаптираха животни – волове, елени, кучета, най-вече коне. Значи имаше вагони, файтони. Във вагоните хората се стремяха към комфорт, все повече и повече ги подобряваха.
Желанието на хората да увеличат скоростта ускори промяната на събитията в историята на развитието на транспорта. От гръцкото „autos” – „самостоятелен” и латинското „mobilis” – „мобилен” в европейските езици се е развило прилагателното „самоходен”, буквално „авто-мобилен”.
Прилагаше се за часовници, автоматични кукли, за всякакви механизми, като цяло, за всичко, което служи като допълнение, като че ли, „продължение“, „подобрение“ на човек. През 18-ти век те се опитват да заменят работната сила с парна енергия и прилагат термина „кола“ към безпътни колички.
Защо възрастта на автомобила се брои от първия "бензин" с двигател с вътрешно горене, изобретен и произведен през 1885-1886 г.? Сякаш забравя за пара и акумулаторни (електрически) вагони. Факт е, че двигателят с вътрешно горене направи истинска революция в транспортните технологии. Дълго време той се оказа най-съобразен с идеята за колата и следователно запази доминиращата си позиция за дълго време. Делът на превозните средства с двигатели с вътрешно горене днес е повече от 99,9% от световния автомобилен транспорт.<Приложение 1 >
Основните части на топлинния двигател
В съвременните технологии механичната енергия се получава главно от вътрешната енергия на горивото. Устройствата, които преобразуват вътрешната енергия в механична енергия, се наричат топлинни двигатели.<Приложение 2 >
За извършване на работа чрез изгаряне на гориво в устройство, наречено нагревател, можете да използвате цилиндър, в който газът се нагрява и се разширява и движи буталото.<Приложение 3 > Газ, чието разширяване кара буталото да се движи, се нарича работен флуид. Газът се разширява, защото налягането му е по-високо от външното налягане. Но когато газът се разширява, налягането му спада и рано или късно то ще стане равно на външното налягане. Тогава разширяването на газа ще приключи и той ще спре да върши работа.
Какво трябва да се направи, за да не спре работата на топлинния двигател? За да работи двигателят непрекъснато, е необходимо буталото, след като разшири газта, всеки път да се връща в първоначалното си положение, компресирайки газа до първоначалното си състояние. Компресирането на същия газ може да се случи само под действието на външна сила, която в този случай върши работа (силата на налягането на газа в този случай върши отрицателна работа). След това отново могат да възникнат процесите на разширяване и компресиране на газа. Това означава, че работата на топлинния двигател трябва да се състои от периодично повтарящи се процеси (цикли) на разширяване и свиване.
Фигура 1 показва графично процесите на разширяване на газа (линия АБ) и компресиране до оригиналния обем (линия CD).Работата, извършена от газа по време на разширение, е положителна ( AF > 0 ABEF. Работата, извършена от газа по време на компресия, е отрицателна (тъй като AF< 0
) и е числено равно на площта на фигурата CDEF.Полезната работа за този цикъл е числено равна на разликата между площите под кривите АБИ CD(защрихована на снимката).
Наличието на нагревател, работен флуид и охладител е фундаментално необходимо условие за непрекъсната циклична работа на всеки топлинен двигател.
Ефективност на топлинния двигател
Работният флуид, получавайки определено количество топлина Q 1 от нагревателя, отдава част от това количество топлина, по модул равна на |Q2|, на хладилника. Следователно свършената работа не може да бъде повече A = Q 1 - |Q 2 |.Нарича се съотношението на тази работа към количеството топлина, получено от разширяващия се газ от нагревателя ефективносттермична машина:
Ефективността на топлинния двигател, работещ в затворен цикъл, винаги е по-малък от единица. Задачата на топлоенергетиката е да направи ефективността възможно най-висока, тоест да използва възможно най-много топлина, получена от нагревателя, за да получи работа. Как може да се постигне това?
За първи път най-съвършеният цикличен процес, състоящ се от изотерми и адиабати, е предложен от френския физик и инженер С. Карно през 1824г.
Цикъл на Карно.
Да приемем, че газът е в цилиндър, чиито стени и бутало са направени от топлоизолационен материал, а дъното е направено от материал с висока топлопроводимост. Обемът, зает от газа е V1.
Нека поставим цилиндъра в контакт с нагревателя (Фигура 2) и оставим газа да се разшири изотермично и да свърши работа. . В същото време газът получава определено количество топлина от нагревателя Q1.Този процес е графично представен чрез изотерма (крива АБ).
Когато обемът на газа стане равен на определена стойност V1'< V 2 ,
дъното на цилиндъра е изолирано от нагревателя ,
След това газът се разширява адиабатично до обем V2,съответстващ на максимално възможния ход на буталото в цилиндъра (адиабатичен слънце). След това газът се охлажда до температура Т2< T 1 .
Охладеният газ вече може да се компресира изотермично при температура Т2.За да направите това, той трябва да влезе в контакт с тяло със същата температура. T 2 ,с хладилник ,
и компресирайте газа с външна сила. При този процес обаче газът няма да се върне в първоначалното си състояние - температурата му винаги ще бъде по-ниска от T 1 .
Следователно, изотермичната компресия се довежда до някакъв междинен обем V2 '>V1(изотерма CD). В този случай газът отдава определено количество топлина на хладилника. Q2,равна на работата на компресия, извършена върху него. След това газът се компресира адиабатично до обем V1,докато температурата му се повишава до Т 1(адиабатен DA). Сега газът се е върнал в първоначалното си състояние, в което обемът му е равен на V 1, температурата е T1,налягане - p1и цикълът може да се повтори отново.
И така, в района ABCгазта работи (A > 0),и на сайта CDAизвършена работа на газ (НО< 0).
На парцелите слънцеИ АДработата се извършва само чрез промяна на вътрешната енергия на газа. Тъй като промяната във вътрешната енергия UBC=-UDA, то работата за адиабатните процеси е равна на: ABC = -ADA.Следователно, общата извършена работа за цикъл се определя от разликата в извършената работа по време на изотермични процеси (секции АБИ CD). Числено тази работа е равна на площта на фигурата, ограничена от кривата на цикъла ABCD.
Само част от количеството топлина всъщност се превръща в полезна работа. qt,получен от нагревателя, равен на QT 1 - |QT 2 |.И така, в цикъла на Карно, полезната работа A = QT 1 - |QT 2 |.
Максималната ефективност на идеалния цикъл, както е показано от S. Carnot, може да бъде изразена чрез температурата на нагревателя (Т 1)и хладилник (T 2):
В реалните двигатели не е възможно да се реализира цикъл, състоящ се от идеални изотермични и адиабатични процеси. Следователно ефективността на цикъла, извършван в реалните двигатели, винаги е по-малка от ефективността на цикъла на Карно (при същите температури на нагревателите и охладителите):
От формулата се вижда, че ефективността на двигателите е по-голяма, колкото по-висока е температурата на нагревателя и толкова по-ниска е температурата на хладилника.
Проблем №703
Двигателят работи по цикъла на Карно. Как ще се промени ефективността на топлинния двигател, ако при постоянна температура на хладилника от 17 ° C температурата на нагревателя се увеличи от 127 на 447 ° C?
Проблем №525
Определете ефективността на двигателя на трактора, който изисква 1,5 kg гориво със специфична топлина на горене 4,2 107 J/kg за извършване на работа от 1,9 107 J.
Извършване на компютърен тест по темата.<Приложение 4 > Работете с модела на топлинния двигател.
Теми на кодификатора USE: принципи на действие на термични двигатели, ефективност на термични двигатели, термични двигатели и опазване на околната среда.
Накратко, термични машинипревръщат топлината в работа или, обратно, работата в топлина.
Има два вида топлинни двигатели – в зависимост от посоката на протичащите в тях процеси.
1. Топлинни двигателипреобразуват топлината от външен източник в механична работа.
2. Хладилни машинипренасят топлина от по-малко нагрятото тяло към по-загрятото поради механичната работа на външен източник.
Помислете за тези видове топлинни двигатели по-подробно.
Топлинни двигатели
Знаем, че извършването на работа върху тялото е един от начините за промяна на вътрешната му енергия: извършената работа сякаш се разтваря в тялото, превръщайки се в енергия на хаотично движение и взаимодействие на неговите частици.
Ориз. 1. Топлинен двигател
Топлинният двигател е устройство, което, напротив, извлича полезна работа от "хаотичната" вътрешна енергия на тялото. Изобретяването на топлинния двигател радикално промени лицето на човешката цивилизация.
Схематична диаграма на топлинен двигател може да бъде изобразена, както следва (фиг. 1). Нека разберем какво означават елементите на тази схема.
работно тялодвигателя е на газ. Той се разширява, движи буталото и по този начин извършва полезна механична работа.
Но за да принудите газа да се разширява, преодолявайки външните сили, е необходимо да го нагреете до температура, която е значително по-висока от температурата на околната среда. За да направите това, газът се въвежда в контакт с нагревател- изгаряне на гориво.
В процеса на изгаряне на горивото се отделя значителна енергия, част от която се използва за загряване на газа. Газът получава топлина от нагревателя. Благодарение на тази топлина двигателят извършва полезна работа.
Всичко това е ясно. Какво е хладилник и защо е необходим?
С едно-единствено разширение на газа можем да използваме входящата топлина възможно най-ефективно и да я превърнем изцяло в работа. За да направите това, е необходимо газът да се разшири изотермично: първият закон на термодинамиката, както знаем, ни дава в този случай .
Но никой не се нуждае от еднократно удължаване. Двигателят трябва да работи циклично, осигуряващи периодично повторение на движенията на буталото. Следователно, в края на разширяването, газът трябва да бъде компресиран, връщайки го в първоначалното му състояние.
В процеса на разширяване газът върши известна положителна работа. В процеса на компресия се извършва положителна работа върху газа (а самият газ извършва отрицателна работа). В резултат полезната работа на газа за цикъл: .
Разбира се, трябва да бъде class="tex" alt="(!LANG:A>0"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}
Като компресираме газа, трябва да вършим по-малко работа, отколкото газът при разширяване.
Как да постигнем това? Отговор: компресирайте газа при по-ниски налягания, отколкото по време на разширението. С други думи, на -диаграмата процесът на компресиране трябва да върви По-долупроцес на разширяване, т.е. цикълът трябва да се премине по часовниковата стрелка(фиг. 2).
Ориз. 2. Цикъл на топлинен двигател
Например, в цикъла на фигурата работата, извършена от газа по време на разширение, е равна на площта на криволинейния трапец. По същия начин работата, извършена от газ по време на компресия, е равна на площта на криволинеен трапец със знак минус. В резултат на това работата на газа за цикъл е положителна и равна на площта на цикъла.
Добре, но как да накарам газа да се върне в първоначалното си състояние по по-ниска крива, тоест през състояния с по-ниско налягане? Припомнете си, че за даден обем налягането на газа е толкова по-ниско, колкото по-ниска е температурата. Следователно по време на компресия газът трябва да премине през състояния с по-ниски температури.
Точно за това служи един хладилник. готиногаз по време на компресия.
Хладилникът може да бъде атмосфера (за двигатели с вътрешно горене) или охлаждаща течаща вода (за парни турбини). Когато се охлади, газът отдава определено количество топлина на хладилника.
Общото количество топлина, получено от газа за цикъл, е равно на . Според първия закон на термодинамиката:
където е промяната във вътрешната енергия на газа за цикъл. Тя е равна на нула: , тъй като газът се върна в първоначалното си състояние (а вътрешната енергия, както си спомняме, е държавна функция). В резултат на това работата, извършена от газа за цикъл, е равна на:
(1)
Както можете да видите, не е възможно напълно да се преобразува топлината, идваща от нагревателя, в работа. Част от топлината трябва да се отдаде на хладилника - за да се осигури цикличен процес.
Показател за ефективността на преобразуването на енергията на горящото гориво в механична работа е ефективността на топлинния двигател.
Ефективност на топлинния двигателе съотношението на механичната работа към количеството топлина, получено от нагревателя:
Като се вземе предвид отношение (1), ние също имаме
(2)
Ефективността на топлинния двигател, както виждаме, винаги е по-малка от единица. Например ефективността на парните турбини е приблизително , а ефективността на двигателите с вътрешно горене е около .
Хладилни машини
Ежедневният опит и физическите експерименти ни казват, че в процеса на пренос на топлина топлината се прехвърля от по-горещо тяло към по-малко нагрето, но не и обратното. Никога не се наблюдават процеси, при които поради пренос на топлина се получава енергия спонтаннопреминава от студено тяло към горещо, в резултат на което студеното тяло би се охладило още повече, а горещото ще се нагрее още повече.
Ориз. 3. Чилър
Ключовата дума тук е "спонтанно". Ако използвате външен източник на енергия, тогава е напълно възможно да извършите процеса на пренос на топлина от студено тяло към горещо. Това правят хладилниците.
автомобили.
В сравнение с топлинния двигател, процесите в хладилната машина имат обратна посока (фиг. 3).
работно тялохладилна машина се нарича още хладилен агент. За простота ще го считаме за газ, който поглъща топлина по време на разширение и отделя топлина по време на компресия (в реалните хладилни агрегати хладилният агент е летлив разтвор с ниска точка на кипене, който поема топлина по време на изпаряване и отделя по време на кондензация).
Хладилникв хладилна машина това е тялото, от което се отстранява топлината. Хладилникът предава количеството топлина на работния флуид (газ), в резултат на което газът се разширява.
По време на компресия газът отдава топлина на по-горещо тяло - нагревател. За да се осъществи такъв пренос на топлина, газът трябва да бъде компресиран при по-високи температури, отколкото са били наблюдавани по време на разширението. Това е възможно само поради работата, извършена от външен източник (например електрически двигател (в реалните хладилни агрегати електрическият двигател създава ниско налягане в изпарителя, в резултат на което хладилният агент кипи и загрява; на напротив, в кондензатора електрическият двигател създава високо налягане, при което хладилният агент кондензира и отделя топлина)). Следователно количеството топлина, прехвърлено към нагревателя, се оказва по-голямо от количеството топлина, взето от хладилника, само със стойността:
Така на -диаграмата върви работният цикъл на хладилната машина обратно на часовниковата стрелка. Зоната на цикъла е работата, извършена от външен източник (фиг. 4).
Ориз. 4. Цикъл на охладителя
Основната цел на хладилната машина е да охлажда определен резервоар (например фризер). В този случай този резервоар играе ролята на хладилник, а околната среда служи като нагревател - отведената от резервоара топлина се разсейва в него.
Индикатор за ефективността на хладилната машина е коефициент на производителност, равно на съотношението на топлината, отведена от хладилника, към работата на външен източник:
Коефициентът на производителност може да бъде по-голям от единица. В истинските хладилници той приема стойности приблизително от 1 до 3.
Има още едно интересно приложение: хладилната машина може да работи като Топлинна помпа. Тогава целта му е да затопли определен резервоар (например затопляне на помещение) поради топлината, отведена от околната среда. В този случай този резервоар ще бъде нагревателят, а околната среда ще бъде хладилникът.
Индикатор за ефективността на термопомпата е коефициент на нагряване, равна на съотношението на количеството топлина, прехвърлено в отопляемия резервоар, към работата на външен източник:
Стойностите на коефициента на нагряване на реалните термопомпи обикновено са в диапазона от 3 до 5.
Топлинен двигател на Карно
Важни характеристики на топлинния двигател са най-високите и най-ниските температури на работния флуид по време на цикъла. Тези стойности са съответно именувани температура на нагревателяИ температура на хладилника.
Видяхме, че ефективността на топлинния двигател е строго по-малка от единица. Възниква естествен въпрос: каква е максималната възможна ефективност на топлинен двигател с фиксирани стойности на температурата на нагревателя и температурата на хладилника?
Нека например максималната температура на работната течност на двигателя е , а минималната - . Каква е теоретичната граница на ефективност на такъв двигател?
Отговорът на този въпрос е даден от френския физик и инженер Сади Карно през 1824 г.
Той изобретява и изследва прекрасен топлинен двигател с идеален газ като работен флуид. Тази машина работи на Цикъл на Карно, състояща се от две изотерми и две адиабати.
Обмисли директен цикълмашина Carnot, която върви по часовниковата стрелка (фиг. 5). В този случай машината функционира като топлинен двигател.
Ориз. 5. Цикъл на Карно
изотерма. В секцията газът влиза в термичен контакт с температурен нагревател и се разширява изотермично. Количеството топлина идва от нагревателя и се преобразува изцяло в работа в тази област: .
адиабат. За целите на последващо компресиране е необходимо газът да се прехвърли в зона с по-ниски температури. За да направите това, газът е термично изолиран и след това се разширява адиабатично върху площта.
Когато газът се разширява, той върши положителна работа и поради това вътрешната му енергия намалява: .
изотерма. Топлоизолацията се отстранява, газът се привежда в термичен контакт с температурния охладител. Възниква изотермична компресия. Газът отделя количеството топлина на хладилника и върши отрицателна работа.
адиабат. Този раздел е необходим за връщане на газа в първоначалното му състояние. В хода на адиабатното компресиране газът извършва отрицателна работа, а промяната на вътрешната енергия е положителна: . Газът се нагрява до първоначалната си температура.
Карно откри ефективността на този цикъл (изчисленията, за съжаление, са извън обхвата на училищната програма):
(3)
Освен това той доказа това Ефективността на цикъла на Карно е максимално възможната за всички топлинни двигатели с температура на нагревателя и по-ниска температура .
И така, в горния пример имаме:
Какъв е смисълът да се използват точно изотерми и адиабати, а не някакви други процеси?
Оказва се, че изотермичните и адиабатните процеси правят машината на Карно обратимо. Може да се стартира от обратен цикъл(обратно на часовниковата стрелка) между същия нагревател и хладилник, без да се включват други устройства. В този случай машината Carnot ще функционира като хладилна машина.
Способността да се управлява машина на Карно и в двете посоки играе много важна роля в термодинамиката. Например този факт служи като връзка в доказателството за максималната ефективност на цикъла на Карно. Ще се върнем към това в следващата статия за втория закон на термодинамиката.
Топлинни двигатели и опазване на околната среда
Топлинните двигатели причиняват сериозни щети на околната среда. Широкото им използване води до редица негативни ефекти.
Разсейването на огромно количество топлинна енергия в атмосферата води до повишаване на температурата на планетата. Затоплянето на климата заплашва да се превърне в топене на ледници и катастрофални бедствия.
Натрупването на въглероден диоксид в атмосферата също води до затопляне на климата, което забавя изтичането на топлинната радиация на Земята в космоса (парников ефект).
Поради високата концентрация на продукти от горенето на горивото, екологичната ситуация се влошава.
Това са цивилизационни проблеми. За борба с вредните ефекти от работата на топлинните двигатели е необходимо да се повиши тяхната ефективност, да се намалят емисиите на токсични вещества, да се разработят нови видове гориво и да се използва икономично енергията.
Основното значение на формулата (5.12.2), получена от Карно за ефективността на идеалната машина, е, че тя определя максимално възможната ефективност на всяка топлинна машина.
Карно доказа, въз основа на втория закон на термодинамиката*, следната теорема: всеки истински топлинен двигател, работещ с температурен нагревателт 1 и температура на хладилникат 2 , не може да има ефективност, превишаваща ефективността на идеален топлинен двигател.
* Карно всъщност установява втория закон на термодинамиката преди Клаузиус и Келвин, когато първият закон на термодинамиката все още не е бил формулиран строго.
Помислете първо за топлинен двигател, работещ на обратим цикъл с реален газ. Цикълът може да бъде всякакъв, важно е само температурите на нагревателя и хладилника да са т 1 И т 2 .
Да приемем, че ефективността на друг топлинен двигател (неработещ по цикъла на Карно) η ’ > η . Машините работят с общ нагревател и общ охладител. Оставете машината на Карно да работи в обратен цикъл (като хладилна машина), а другата машина в предния цикъл (фиг. 5.18). Топлинният двигател извършва равностойна работа, съгласно формули (5.12.3) и (5.12.5):
Хладилната машина винаги може да бъде проектирана така, че да поема количеството топлина от хладилника В 2
= |
|
След това, съгласно формула (5.12.7), ще се извърши работа върху него
(5.12.12)
Тъй като по условие η" > η , тогава А" > А.Следователно топлинният двигател може да задвижи хладилния двигател и пак ще има излишък от работа. Тази излишна работа се извършва за сметка на топлината, взета от един източник. В крайна сметка топлината не се прехвърля в хладилника под действието на две машини наведнъж. Но това противоречи на втория закон на термодинамиката.
Ако приемем, че η > η ", тогава можете да накарате друга машина да работи в обратен цикъл, а машината на Карно в права линия. Отново стигаме до противоречие с втория закон на термодинамиката. Следователно две машини, работещи на обратими цикли, имат еднаква ефективност: η " = η .
Друг е въпросът, ако втората машина работи в необратим цикъл. Ако допуснем η "
>
η ,
тогава отново стигаме до противоречие с втория закон на термодинамиката. Въпреки това, допускането 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, или 
Това е основният резултат:
(5.12.13)
Ефективност на истинските топлинни двигатели
Формула (5.12.13) дава теоретичната граница за максимална ефективност на топлинните двигатели. Показва, че топлинният двигател е по-ефективен, колкото по-висока е температурата на нагревателя и толкова по-ниска е температурата на хладилника. Само когато температурата в хладилника е равна на абсолютна нула, η = 1.
Но температурата на хладилника практически не може да бъде много по-ниска от температурата на околната среда. Можете да увеличите температурата на нагревателя. Въпреки това, всеки материал (твърд) има ограничена топлоустойчивост или устойчивост на топлина. При нагряване той постепенно губи своите еластични свойства и се топи при достатъчно висока температура.
Сега основните усилия на инженерите са насочени към повишаване на ефективността на двигателите чрез намаляване на триенето на техните части, загубите на гориво поради непълното му изгаряне и т. н. Реалните възможности за повишаване на ефективността тук все още са големи. Така че, за парна турбина, началната и крайната температура на парата са приблизително както следва: т 1 = 800 К и т 2 = 300 К. При тези температури максималната стойност на ефективността е:
Действителната стойност на ефективността поради различни видове енергийни загуби е приблизително 40%. Максималната ефективност - около 44% - имат двигателите с вътрешно горене.
Ефективността на всеки топлинен двигател не може да надвишава максимално възможната стойност 
,
където Т 1
-
абсолютна температура на нагревателя и Т 2
-
абсолютна температура на хладилника.
Повишаване на ефективността на топлинните двигатели и приближаването й до максимално възможния- най-важното техническо предизвикателство.
