Գտեք ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը: Ջերմային մեքենաներ. Շարժիչի արդյունավետության արժեքները

Կատարման գործակից (COP) - տերմին, որը կարող է կիրառվել, հավանաբար, յուրաքանչյուր համակարգի և սարքի համար: Նույնիսկ մարդն ունի արդյունավետություն, թեև, հավանաբար, այն գտնելու օբյեկտիվ բանաձև դեռ չկա։ Այս հոդվածում մենք մանրամասն կբացատրենք, թե ինչ է արդյունավետությունը և ինչպես կարելի է այն հաշվարկել տարբեր համակարգերի համար:

արդյունավետության սահմանում

Արդյունավետությունը ցուցիչ է, որը բնութագրում է որոշակի համակարգի արդյունավետությունը էներգիայի վերադարձի կամ փոխակերպման հետ կապված: Արդյունավետությունը անչափելի արժեք է և ներկայացված է կամ որպես թվային արժեք 0-ից 1 միջակայքում, կամ որպես տոկոս:

Ընդհանուր բանաձև

Արդյունավետությունը նշվում է Ƞ նշանով:

Արդյունավետությունը գտնելու ընդհանուր մաթեմատիկական բանաձևը գրված է հետևյալ կերպ.

Ƞ=A/Q, որտեղ A-ն համակարգի կողմից կատարված օգտակար էներգիան/աշխատանքն է, իսկ Q-ն այս համակարգի կողմից սպառվող էներգիան է՝ օգտակար արդյունք ստանալու գործընթացը կազմակերպելու համար։

Արդյունավետության գործակիցը, ցավոք, միշտ մեկից պակաս է կամ հավասար է դրան, քանի որ էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն՝ մենք չենք կարող ավելի շատ աշխատանք ստանալ, քան ծախսած էներգիան։ Բացի այդ, արդյունավետությունը, փաստորեն, չափազանց հազվադեպ է հավասար մեկի, քանի որ օգտակար աշխատանքը միշտ ուղեկցվում է կորուստներով, օրինակ, մեխանիզմը տաքացնելու համար:

Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն

Ջերմային շարժիչը մի սարք է, որը ջերմային էներգիան վերածում է մեխանիկական էներգիայի: Ջերմային շարժիչում աշխատանքը որոշվում է ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակի և հովացուցիչին տրվող ջերմության քանակի տարբերությամբ, և, հետևաբար, արդյունավետությունը որոշվում է բանաձևով.

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, որտեղ Qn-ը ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակն է, իսկ Qх՝ հովացուցիչին տրվող ջերմության քանակությունը։

Ենթադրվում է, որ ամենաբարձր արդյունավետությունը ապահովում են Carnot ցիկլով աշխատող շարժիչները: Այս դեպքում արդյունավետությունը որոշվում է բանաձևով.

• Ƞ=T1-T2/T1, որտեղ T1-ը տաք աղբյուրի ջերմաստիճանն է, T2-ը՝ սառը աղբյուրի ջերմաստիճանը։

Էլեկտրական շարժիչի արդյունավետություն

Էլեկտրական շարժիչը էլեկտրական էներգիան մեխանիկական էներգիայի վերածող սարք է, ուստի արդյունավետությունն այս դեպքում սարքի արդյունավետության հարաբերակցությունն է՝ էլեկտրական էներգիան մեխանիկական էներգիայի փոխակերպման նկատմամբ։ Էլեկտրական շարժիչի արդյունավետությունը գտնելու բանաձևը հետևյալն է.

• Ƞ=P2/P1, որտեղ P1-ը մատակարարվող էլեկտրական հզորությունն է, P2-ը՝ շարժիչի կողմից առաջացած օգտակար մեխանիկական հզորությունը:

Էլեկտրական հզորությունը հայտնաբերվում է որպես համակարգի հոսանքի և լարման արտադրյալ (P=UI), իսկ մեխանիկական հզորությունը՝ որպես աշխատանքի և ժամանակի հարաբերակցություն (P=A/t)

տրանսֆորմատորի արդյունավետությունը

Տրանսֆորմատորը սարք է, որը փոխակերպում է մեկ լարման փոփոխական հոսանքը մյուս լարման փոփոխական հոսանքի՝ պահպանելով հաճախականությունը։ Բացի այդ, տրանսֆորմատորները կարող են նաև փոխարկել AC-ը DC-ի:

Տրանսֆորմատորի արդյունավետությունը որոշվում է բանաձևով.

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), որտեղ P0՝ առանց բեռի կորուստներ, PL՝ բեռի կորուստներ, P2՝ բեռին հասցվող ակտիվ հզորություն, n՝ բեռնվածության հարաբերական աստիճան:

Արդյունավետություն, թե ոչ արդյունավետություն.

Հարկ է նշել, որ բացի արդյունավետությունից, կան մի շարք ցուցանիշներ, որոնք բնութագրում են էներգետիկ գործընթացների արդյունավետությունը, և երբեմն կարող ենք գտնել տիպի նկարագրություններ՝ 130% կարգի արդյունավետություն, սակայն այս դեպքում անհրաժեշտ է. հասկանալ, որ տերմինը այնքան էլ ճիշտ չի օգտագործվում, և, ամենայն հավանականությամբ, հեղինակը կամ արտադրողը այս հապավումով հասկանում են մի փոքր այլ հատկանիշ:

Օրինակ, ջերմային պոմպերն առանձնանում են նրանով, որ կարող են ավելի շատ ջերմություն արձակել, քան սպառում են: Այսպիսով, սառնարանային մեքենան կարող է ավելի շատ ջերմություն հեռացնել սառեցված առարկայից, քան ծախսվում է հեռացման կազմակերպման համար համարժեք էներգիայի մեջ: Սառնարանային մեքենայի արդյունավետության ցուցանիշը կոչվում է կատարողականի գործակից, որը նշվում է Ɛ տառով և որոշվում է բանաձևով. հեռացման գործընթացը. Այնուամենայնիվ, երբեմն կատարողականի գործակիցը կոչվում է նաև սառնարանային մեքենայի արդյունավետություն:

Հետաքրքիր է նաև, որ հանածո վառելիքով աշխատող կաթսաների արդյունավետությունը սովորաբար հաշվարկվում է ավելի ցածր ջերմային արժեքի հիման վրա, մինչդեռ այն կարող է մեկից ավելի լինել։ Այնուամենայնիվ, այն դեռ ավանդաբար կոչվում է արդյունավետություն: Հնարավոր է որոշել կաթսայի արդյունավետությունը համախառն ջերմային արժեքով, այնուհետև այն միշտ կլինի մեկից պակաս, բայց այս դեպքում անհարմար կլինի կաթսաների աշխատանքը համեմատել այլ կայանքների տվյալների հետ:

Շնորհիվ այն բանի, որ ջերմային շարժիչների շահագործման ընթացքում ջերմության մի մասը անխուսափելիորեն փոխանցվում է սառնարան, շարժիչների արդյունավետությունը չի կարող հավասար լինել միասնությանը։ Մեծ հետաքրքրություն է ներկայացնում ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը, որն աշխատում է ջեռուցիչով Tg ջերմաստիճանում և սառնարանով T2 ջերմաստիճանում: Առաջին անգամ դա արեց ֆրանսիացի ինժեներ և գիտնական Սադի Կարնոն:
Carnot-ի իդեալական ջերմային շարժիչը
Carnot-ը ստեղծեց իդեալական ջերմային շարժիչ՝ որպես աշխատանքային հեղուկ իդեալական գազ: Կարնո մեքենայի բոլոր գործընթացները համարվում են հավասարակշռված (շրջելի):
Մեքենայում իրականացվում է շրջանաձև գործընթաց կամ ցիկլ, որի դեպքում համակարգը մի շարք փոխակերպումներից հետո վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին։ Կարնո ցիկլը բաղկացած է երկու իզոթերմներից և

երկուսը՝ ադիաբատը (նկ. 5.16): 1-2 և 3-4 կորերը իզոթերմ են, իսկ 2-3 և 4-1 կորերը՝ ադիաբատներ։
Նախ, գազը իզոթերմորեն ընդլայնվում է T1 ջերմաստիճանում: Միևնույն ժամանակ այն տաքացուցիչից ստանում է ջերմություն, այնուհետև ադիաբատիկորեն ընդլայնվում է և շրջակա մարմինների հետ ջերմություն չի փոխանակում։ Որին հաջորդում է
իզոթերմային գազի սեղմում o~ ^
ջերմաստիճանը T2. Այս բրնձի մեջ գազը դուրս է գալիս g jg
Սառնարանի գործընթացում ջերմության քանակությունը Q2 Վերջապես գազը սեղմվում է ադիաբատիկ կերպով և վերադառնում իր սկզբնական վիճակին:
Իզոթերմային ընդարձակման ժամանակ գազը գործում է\u003e 0, հավասար է ջերմության քանակին: Ադիաբատիկ ընդլայնմամբ 2-3, դրական աշխատանքը A «3 հավասար է ներքին էներգիայի նվազմանը, երբ գազը սառչում է 7 ջերմաստիճանից մինչև ջերմաստիճանը T2: A" 3 \u003d -AU12 \u003d WTX) - U (T2):
Իզոթերմային սեղմումը T2 ջերմաստիճանում պահանջում է A2 աշխատանքը գազի վրա: Գազը կատարում է, համապատասխանաբար, բացասական աշխատանք A 2
Q2. Վերջապես, ադիաբատիկ սեղմումը պահանջում է աշխատանք կատարել A4 = AU21 գազի վրա: -ի աշխատանքը
Կարնո Նիկոլա Լեոնարդ Սադի (1796-1832) - տաղանդավոր ֆրանսիացի ինժեներ և ֆիզիկոս, թերմոդինամիկայի հիմնադիրներից մեկը: Իր «Մտածելով կրակի շարժիչ ուժի և այդ ուժը զարգացնելու ունակ մեքենաների մասին» (1824) աշխատության մեջ նա առաջին անգամ ցույց տվեց, որ ջերմային շարժիչները կարող են աշխատել միայն տաք մարմնից սառը ջերմությունը փոխանցելու գործընթացում: Carnot-ը ստեղծեց իդեալական ջերմային շարժիչ, հաշվարկեց իդեալական շարժիչի արդյունավետությունը և ապացուցեց, որ այս գործակիցը առավելագույն հնարավորն է ցանկացած իրական ջերմային շարժիչի համար: գազ A\ \u003d -L4 \u003d -At / 2i \u003d - WTx): Հետեւաբար, ընդհանուր
Երկու ադիաբատիկ գործընթացներում գազի աշխատանքը հավասար է զրոյի։
Գազը աշխատում է ցիկլով
A "= A[ + A" 2 \u003d Q1 + Q2 \u003d IQJ - |Q2 |. (5.12.1)
Այս աշխատանքը թվայինորեն հավասար է ցիկլի կորով սահմանափակված գործչի մակերեսին (ստվերված Նկար 5.16-ում):
Արդյունավետությունը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է հաշվարկել աշխատանքը իզոթերմային 1-2 և 3-4 պրոցեսների համար: Հաշվարկները հանգեցնում են հետևյալ արդյունքի.
(5.12.2) Կարնո ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը հավասար է ջեռուցիչի և հովացուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանների տարբերության և տաքացուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանի:
Հնարավոր է արտահայտել մեքենայի կատարած աշխատանքը մեկ ցիկլով, և սառնարան Q2-ին տրված ջերմության քանակը մեքենայի արդյունավետության և ջեռուցիչից ստացված ջերմության քանակի միջոցով՝ ըստ արդյունավետության սահմանման։
L" \u003d l Ջերմության քանակը
Q2 = A" - = TlQi ​​- Qi = QiOl - D- (5.12.4)
Քանի որ տ) |Ք2| = (1-71)QI. (5.12.5)
Իդեալական Չիլլեր
Կարնո ցիկլը շրջելի է, ուստի այն կարելի է գծել հակառակ ուղղությամբ։ Այն այլեւս ջերմային շարժիչ չի լինի, այլ իդեալական սառնարանային մեքենա:
Գործընթացները կընթանան հակառակ հերթականությամբ. Աշխատանք Ա-ն կատարվում է մեքենան վարելու համար: Ջերմության Qx քանակությունը աշխատող հեղուկի կողմից փոխանցվում է ավելի բարձր ջերմաստիճանի տաքացուցիչին, իսկ Q2 ջերմության քանակությունը աշխատանքային հեղուկին մատակարարվում է սառնարանից (նկ. 5.17): Ջերմությունը սառը մարմնից փոխանցվում է տաք մարմնին, այդ իսկ պատճառով մեքենան կոչվում է սառնարանային մեքենա:
Ջերմության քանակությունը Ք
«Գ

Ջերմության քանակը Q2
Աշխատանք Ա
Սառնարանի ջերմաստիճանը T2
Բրինձ. 5.17
Բայց դա չի հակասում թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքին. ջերմությունը չի փոխանցվում ինքնին, այլ աշխատանքի կատարման շնորհիվ:
Ջերմության Q1 և Q2 մեծություններն արտահայտում ենք A աշխատանքի և մեքենայի արդյունավետությամբ T|: Քանի որ ըստ (5.12.3) A" \u003d riQj \u003d -A բանաձևի, ապա

(5.12.6)
Աշխատանքային հեղուկով փոխանցվող ջերմության քանակը, ինչպես միշտ, բացասական է։ Ակնհայտորեն, |Քջ| = ^. Ըստ արտահայտության
(5.12.4) ջերմության քանակությունը Q2 = QiCn ~ 1) կամ հաշվի առնելով (5.12.3) հարաբերությունը (5.12.7)
q2= V1a>0- Ջերմության այս քանակությունը ստանում է աշխատանքային հեղուկը սառնարանից:
Չիլլերը աշխատում է ջերմային պոմպի պես: Ջերմության քանակությունը, որը փոխանցվում է տաք մարմնին, ավելի մեծ է, քան հովացուցիչից վերցված քանակությունը: Ըստ (5.12.7) բանաձևի Q2 = ^ -A = -Qj - A. Հետևաբար.
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
Սառնարանային մեքենայի արդյունավետությունը որոշվում է
լուծում є \u003d -g, քանի որ դրա նպատակն է հնարավորինս շատ խլել
ավելի շատ ջերմություն սառեցված համակարգից՝ հնարավորինս քիչ աշխատանք կատարելով: є-ի արժեքը կոչվում է կատարողականի գործակից: Իդեալական սառնարանի համար՝ համաձայն (5.12.7) և (5.12.2) բանաձևերի.
Qn T2
այսինքն, կատարողականի գործակիցը որքան մեծ է, այնքան փոքր է ջերմաստիճանի տարբերությունը, և որքան փոքր է, այնքան ցածր է մարմնի ջերմաստիճանը, որից ջերմություն է վերցվում: Ակնհայտ է, որ կատարողականի գործակիցը կարող է մեկից մեծ լինել։ Իրական սառնարանների համար այն երեքից ավելի է։ Սառնարանային մեքենայի տարբերակ է օդորակիչը, որը ջերմություն է վերցնում սենյակից և փոխանցում շրջակա օդին:
Ջերմային պոմպ
Սենյակները էլեկտրական ջեռուցիչներով ջեռուցելիս էներգետիկ առումով ավելի շահավետ է օգտագործել ջերմային պոմպ, և ոչ թե պարզապես հոսանքով տաքացվող պարույր: Պոմպը լրացուցիչ կփոխանցի Q2 ջերմության քանակությունը շրջակա օդից սենյակ: Այնուամենայնիվ, դա չի արվում, քանի որ սառնարանային միավորի բարձր արժեքը սովորական էլեկտրական վառարանի կամ բուխարիի համեմատությամբ:
Ջերմային պոմպ օգտագործելիս գործնական հետաքրքրություն է ներկայացնում ջեռուցվող մարմնի ստացած Qj ջերմության քանակը, այլ ոչ թե սառը մարմնին տրվող Q2 ջերմության քանակը։ Հետեւաբար, ջերմային պոմպի բնութագրիչն այդպես է
lQi|
կալելի ջեռուցման գործակից?from= .
Իդեալական մեքենայի համար, հաշվի առնելով (5.12.6) և (5.12.2) հարաբերությունները, կունենանք.
1 1 ~ 1 2
որտեղ 7"1-ը ջեռուցվող սենյակի բացարձակ ջերմաստիճանն է, իսկ Г2-ը մթնոլորտային օդի բացարձակ ջերմաստիճանն է: Այսպիսով, ջեռուցման գործակիցը միշտ մեկից մեծ է: Իրական սարքերի համար շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանում t2 = 0 ° C և սենյակային ջերմաստիճանի tl = 25 ° C єot = 12 Սենյակ փոխանցվող ջերմության քանակը գրեթե 12 անգամ գերազանցում է սպառված էլեկտրաէներգիայի քանակը:
Ջերմային մեքենաների առավելագույն արդյունավետությունը
(Կառնոյի թեորեմ)
Իդեալական մեքենայի արդյունավետության համար Carnot-ի ստացած բանաձևի (5.12.2) հիմնական նշանակությունն այն է, որ այն որոշում է ցանկացած ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը։
Կարնոն, հիմնվելով թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի վրա, ապացուցեց հետևյալ թեորեմը. ցանկացած իրական ջերմային շարժիչ, որն աշխատում է Tt ջերմաստիճանի տաքացուցիչով և T2 ջերմաստիճանի սառնարանով, չի կարող ունենալ իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը գերազանցող արդյունավետություն։
Դիտարկենք նախ ջերմային շարժիչը, որն աշխատում է շրջելի ցիկլով իրական գազով: Ցիկլը կարող է լինել ցանկացած, միայն կարևոր է, որ տաքացուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանը լինի T1–T2:
Ենթադրենք, որ մեկ այլ ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը (Կարնո ցիկլի համաձայն չաշխատող) r\"\u003e T| է: Մեքենաներն աշխատում են ընդհանուր տաքացուցիչով և ընդհանուր սառնարանով: Թող Carnot մեքենան աշխատի հակառակ ցիկլով ( ինչպես սառնարանը), իսկ մյուս մեքենան ուղիղ ցիկլում (նկ. 5.18) Ջերմային շարժիչը կատարում է հավասար աշխատանք՝ համաձայն (5.12.3) և (5.12.5) բանաձևերի:
A" = r \"Q[ = ^_, \Q"2\. (5.12.11)
Սառնարանային մեքենան միշտ կարող է նախագծվել այնպես, որ այն վերցնի սառնարանից Q2 = \Q2\ ջերմության քանակությունը:

Այնուհետև, համաձայն (5.12.7) բանաձևի, դրա վրա աշխատանքներ կկատարվեն
A = (5.12.12)
Քանի որ պայմանի համաձայն՝ G|"> m|, ապա A"> A. Հետևաբար, ջերմային շարժիչը կարող է գործի դնել սառնարանային մեքենան, և դեռ աշխատանքի ավելցուկ կլինի: Այդ ավելորդ աշխատանքը կատարվում է մեկ աղբյուրից վերցվող ջերմության հաշվին։ Ի վերջո, ջերմությունը սառնարան չի փոխանցվում միանգամից երկու մեքենաների գործողությամբ։ Բայց սա հակասում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքին։
Եթե ​​ենթադրենք, որ Տ| > T |», ապա դուք կարող եք ստիպել մեկ այլ մեքենայի աշխատել հակադարձ ցիկլով, իսկ Կարնոյի մեքենան՝ ուղիղ: Մենք կրկին հակասության ենք գալիս թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հետ: Հետևաբար, շրջելի ցիկլերով աշխատող երկու մեքենաներ ունեն նույն արդյունավետությունը: : r |" = Գ|.
Այլ հարց է, եթե երկրորդ մեքենան գործում է անշրջելի ցիկլով։ Եթե ​​ենթադրենք Γ)" > Γ), ապա նորից հակասության ենք գալիս թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հետ։ Այնուամենայնիվ, ենթադրությունը Γ)"

Սա է հիմնական արդյունքը.

(5.12.13)
Իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը
Բանաձևը (5.12.13) տալիս է ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության տեսական սահմանը: Այն ցույց է տալիս, որ ջերմային շարժիչն ավելի արդյունավետ է, որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և այնքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը: Միայն այն դեպքում, երբ սառնարանի ջերմաստիճանը հավասար է բացարձակ զրոյի, G | = 1.
Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող շատ ավելի ցածր լինել, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Դուք կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ տաքանում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները և հալվում է բավականաչափ բարձր ջերմաստիճանում։
Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը՝ նվազեցնելով դրանց մասերի շփումը, վառելիքի կորուստները դրա թերի այրման հետևանքով և այլն։ Այստեղ արդյունավետությունը բարձրացնելու իրական հնարավորությունները դեռևս մեծ են։ Այսպիսով, գոլորշու տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանը մոտավորապես հետևյալն է. T1 = 800 K և T2 = 300 K: Այս ջերմաստիճաններում արդյունավետության առավելագույն արժեքը
T1 - T2
Lmax \u003d 0,62 \u003d 62%:
Էներգիայի տարբեր տեսակի կորուստների պատճառով արդյունավետության փաստացի արժեքը մոտավորապես 40% է: Առավելագույն արդյունավետությունը՝ մոտ 44%, ունեն ներքին այրման շարժիչներ։
Ցանկացած ջերմային արդյունավետություն
շարժիչը չի կարող գերազանցել առավելագույնը
T1~T2
հնարավոր արժեքը
11
ջեռուցիչի ջերմաստիճանը, իսկ T2-ը բացարձակ է
սառնարանի ջերմաստիճանը.
Ջերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացումը և հնարավոր առավելագույնին մոտեցնելն ամենակարևորն է
տեխնիկական մարտահրավեր.

Թեմա՝ «Ջերմային շարժիչի շահագործման սկզբունքը. Ջերմային շարժիչ՝ ամենաբարձր արդյունավետությամբ։

Ձեւը:Համակցված դաս համակարգչային տեխնիկայի կիրառմամբ.

Նպատակները:

• Ցույց տալ ջերմային շարժիչի օգտագործման կարևորությունը մարդու կյանքում:
• Ուսումնասիրել իրական ջերմային շարժիչների և Կարնո ցիկլով աշխատող իդեալական շարժիչի աշխատանքի սկզբունքը։
• Մտածեք իրական շարժիչի արդյունավետությունը բարձրացնելու հնարավոր ուղիները:
• Զարգացնել ուսանողների հետաքրքրասիրությունը, հետաքրքրությունը տեխնիկական ստեղծագործության նկատմամբ, հարգանքը գիտնականների և ինժեներների գիտական ​​նվաճումների նկատմամբ:

Դասի պլան.

Թիվ p / p	Հարցեր	Ժամանակը (րոպե)
1	Ցույց տալ ժամանակակից պայմաններում ջերմային շարժիչների օգտագործման անհրաժեշտությունը:
2	«Ջերմային շարժիչ» հասկացության կրկնություն. Ջերմային շարժիչների տեսակները՝ ներքին այրման շարժիչներ (կարբյուրատոր, դիզելային), գոլորշու և գազային տուրբիններ, տուրբոռեակտիվ և հրթիռային շարժիչներ։
3	Նոր տեսական նյութի բացատրություն. Ջերմային շարժիչի սխեման և սարքը, աշխատանքի սկզբունքը, արդյունավետությունը: Կարնո ցիկլ, իդեալական ջերմային շարժիչ, դրա արդյունավետությունը: Իրական և իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետության համեմատություն.
4	Խնդրի լուծում թիվ 703 (Ստեփանովա), թիվ 525 (Բենդրիկով).
5	Ջերմային շարժիչի մոդելի հետ աշխատելը.
6	Ամփոփելով. Տնային առաջադրանք § 33 առաջադրանքներ թիվ 700 և թիվ 697 (Ստեփանովա)

Տեսական նյութ

Հին ժամանակներից մարդ ցանկանում էր ազատվել ֆիզիկական ջանքերից կամ հեշտացնել դրանք ինչ-որ բան տեղափոխելիս, ունենալ ավելի ուժ, արագություն։
Հեքիաթներ ստեղծվեցին ինքնաթիռների գորգերի, յոթ լիգան կոշիկների և կախարդների մասին, որոնք մարդուն գավազանի ալիքով տանում են հեռավոր երկրներ: Մարդիկ կշիռներ կրելով՝ սայլեր են հորինել, քանի որ ավելի հեշտ է գլորվել։ Հետո հարմարեցրին կենդանիներին՝ եզներին, եղնիկներին, շներին, ամենաշատը ձիերին։ Ուրեմն կային վագոններ, վագոններ։ Վագոններում մարդիկ ձգտում էին հարմարավետության՝ ավելի ու ավելի կատարելագործելով դրանք։
Արագությունը բարձրացնելու մարդկանց ցանկությունն արագացրեց իրադարձությունների փոփոխությունը տրանսպորտի զարգացման պատմության մեջ։ Եվրոպական լեզուների հունարեն «autos» - «ինքն» և լատիներեն «mobilis» - «շարժական» բառերից զարգացել է «ինքնագնաց», բառացիորեն «ավտո - շարժական» ածականը։

Դա վերաբերում էր ժամացույցներին, ավտոմատ խամաճիկներին, ամենատարբեր մեխանիզմներին, ընդհանրապես՝ այն ամենին, ինչը հավելում էր մարդու «շարունակությանը», «կատարելագործմանը»։ 18-րդ դարում նրանք փորձեցին փոխարինել աշխատուժը գոլորշու ուժով և կիրառեցին «մեքենա» տերմինը անհետք սայլերի համար։

Ինչու՞ է մեքենայի տարիքը հաշվում 1885-1886 թվականներին հայտնագործված և կառուցված ներքին այրման շարժիչով առաջին «բենզինից»: Կարծես մոռանալով գոլորշու և մարտկոցի (էլեկտրական) վագոնների մասին։ Բանն այն է, որ ներքին այրման շարժիչը իսկական հեղափոխություն է կատարել տրանսպորտային տեխնոլոգիայի մեջ։ Երկար ժամանակ նա ապացուցեց, որ ամենից շատ համահունչ է մեքենայի գաղափարին և, հետևաբար, երկար ժամանակ պահպանեց իր գերիշխող դիրքը: Ներքին այրման շարժիչներով մեքենաների մասնաբաժինը այսօր կազմում է համաշխարհային ավտոմոբիլային տրանսպորտի ավելի քան 99,9%-ը։<Հավելված 1 >

Ջերմային շարժիչի հիմնական մասերը

Ժամանակակից տեխնիկայում մեխանիկական էներգիան ստացվում է հիմնականում վառելիքի ներքին էներգիայից։ Սարքերը, որոնք ներքին էներգիան վերածում են մեխանիկական էներգիայի, կոչվում են ջերմային շարժիչներ։<Հավելված 2 >

Ջեռուցիչ կոչվող սարքում վառելիքի այրման միջոցով աշխատանք կատարելու համար կարող եք օգտագործել բալոն, որի մեջ գազը տաքանում է և ընդլայնվում և շարժում է մխոցը:<Հավելված 3 > Գազը, որի ընդլայնման պատճառով մխոցը շարժվում է, կոչվում է աշխատանքային հեղուկ: Գազը ընդլայնվում է, քանի որ նրա ճնշումը ավելի բարձր է, քան արտաքին ճնշումը: Բայց քանի որ գազը ընդլայնվում է, նրա ճնշումը նվազում է, և վաղ թե ուշ այն հավասարվելու է արտաքին ճնշմանը։ Այդ ժամանակ գազի ընդլայնումը կավարտվի, և այն կդադարի աշխատել։

Ի՞նչ անել, որպեսզի ջերմային շարժիչի աշխատանքը չդադարի։ Շարժիչը շարունակաբար աշխատելու համար անհրաժեշտ է, որ մխոցը գազը ընդլայնելուց հետո ամեն անգամ վերադառնա իր սկզբնական դիրքին՝ գազը սեղմելով իր սկզբնական վիճակին։ Նույն գազի սեղմումը կարող է տեղի ունենալ միայն արտաքին ուժի ազդեցությամբ, որն այս դեպքում գործում է (գազի ճնշման ուժն այս դեպքում բացասական աշխատանք է կատարում): Դրանից հետո կրկին կարող են առաջանալ գազի ընդլայնման և սեղմման գործընթացները։ Սա նշանակում է, որ ջերմային շարժիչի աշխատանքը պետք է բաղկացած լինի ընդարձակման և կծկման պարբերաբար կրկնվող գործընթացներից (ցիկլերից):

Նկար 1-ը գրաֆիկորեն ցույց է տալիս գազի ընդլայնման գործընթացները (տող ԱԲ) և սեղմում մինչև սկզբնական ծավալը (տող CD):Ընդարձակման ժամանակ գազի կատարած աշխատանքը դրական է ( AF > 0 ABEF. Սեղմման ժամանակ գազի կատարած աշխատանքը բացասական է (որովհետև AF< 0 ) և թվայինորեն հավասար է նկարի մակերեսին CDEF.Այս ցիկլի համար օգտակար աշխատանքը թվայինորեն հավասար է կորերի տակ գտնվող տարածքների տարբերությանը ԱԲԵվ CD(նկարում ստվերված է):
Ջեռուցիչի, աշխատող հեղուկի և սառնարանի առկայությունը սկզբունքորեն անհրաժեշտ պայման է ցանկացած ջերմային շարժիչի շարունակական ցիկլային աշխատանքի համար:

Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն

Աշխատանքային հեղուկը, ստանալով տաքացուցիչից Q 1 որոշակի քանակությամբ ջերմություն, այս քանակության ջերմության մի մասը՝ |Q2|-ին հավասար մոդուլ, տալիս է սառնարան։ Հետեւաբար, կատարված աշխատանքն ավելին լինել չի կարող A = Q 1 - |Q 2 |.Այս աշխատանքի հարաբերակցությունը ջեռուցիչից ընդլայնվող գազի ստացած ջերմության քանակին կոչվում է արդյունավետությունըջերմային մեքենա:

Փակ ցիկլով աշխատող ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը միշտ մեկից պակաս է: Ջերմաէներգետիկայի խնդիրն է արդյունավետությունը հնարավորինս բարձր դարձնելը, այսինքն՝ հնարավորինս շատ օգտագործել ջեռուցիչից ստացված ջերմությունը՝ աշխատանք ստանալու համար։ Ինչպե՞ս կարելի է դրան հասնել:
Առաջին անգամ ամենակատարյալ ցիկլային պրոցեսը, որը բաղկացած է իզոթերմներից և ադիաբատներից, առաջարկել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս և ինժեներ Ս.Կառնոն 1824 թվականին։

Կարնո ցիկլը.

Ենթադրենք գազը գտնվում է բալոնի մեջ, որի պատերը և մխոցը պատրաստված են ջերմամեկուսիչ նյութից, իսկ հատակը՝ բարձր ջերմահաղորդականություն ունեցող նյութից։ Գազի զբաղեցրած ծավալը կազմում է V1.

Եկեք մխոցը շփենք տաքացուցիչի հետ (Նկար 2) և թողնենք, որ գազը իզոթերմորեն ընդարձակվի և գործի: . Միաժամանակ գազը ջեռուցիչից ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն Q1.Այս գործընթացը գրաֆիկորեն ներկայացված է իզոթերմով (կոր ԱԲ).

Երբ գազի ծավալը հավասարվում է որոշակի արժեքի V1'< V 2 , մխոցի հատակը մեկուսացված է ջեռուցիչից , Դրանից հետո գազը ադիաբատիկորեն ընդլայնվում է մինչև ծավալ V2,համապատասխանում է մխոցի առավելագույն հնարավոր հարվածին մխոցում (ադիաբատիկ արև): Այնուհետև գազը սառչում է մինչև ջերմաստիճանը T2< T 1 .
Սառեցված գազն այժմ կարող է իզոթերմորեն սեղմվել ջերմաստիճանում T2.Դա անելու համար այն պետք է շփվի նույն ջերմաստիճան ունեցող մարմնի հետ: T 2,այսինքն՝ սառնարանով , եւ սեղմել գազը արտաքին ուժով։ Այնուամենայնիվ, այս գործընթացում գազը չի վերադառնա իր սկզբնական վիճակին՝ նրա ջերմաստիճանը միշտ ավելի ցածր կլինի, քան Տ 1.
Հետևաբար, իզոթերմային սեղմումը հասցվում է որոշ միջանկյալ ծավալի V2 '> V1(իզոթերմ CD): Այս դեպքում գազը որոշակի քանակությամբ ջերմություն է հաղորդում սառնարանին։ Q2,հավասար է դրա վրա կատարված սեղմման աշխատանքին։ Այնուհետև գազը ադիաբատիկորեն սեղմվում է մինչև ծավալը V1,մինչդեռ նրա ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև Տ 1(ադիաբատիկ ԴԱ): Այժմ գազը վերադարձել է իր սկզբնական վիճակին, որի ծավալը հավասար է V 1-ի, ջերմաստիճանը T1,ճնշում - p1և ցիկլը կարող է նորից կրկնվել:

Այսպիսով, տարածքում ABCգազն աշխատում է (A > 0),և կայքում CDAգազի վրա կատարված աշխատանք (ԲԱՅՑ< 0). Հողամասերի վրա արևԵվ ՀԱՅՏԱՐԱՐՈՒԹՅՈՒՆաշխատանքը կատարվում է միայն գազի ներքին էներգիան փոխելով։ Որովհետև ներքին էներգիայի փոփոխությունը UBC=-UDA, ապա ադիաբատիկ պրոցեսների համար աշխատանքը հավասար է. ABC = -ADA:Հետևաբար, մեկ ցիկլի վրա կատարված ընդհանուր աշխատանքը որոշվում է իզոթերմային գործընթացների ընթացքում կատարված աշխատանքի տարբերությամբ (հատվածներ. ԱԲԵվ CD): Թվային առումով այս աշխատանքը հավասար է ցիկլի կորով սահմանափակված թվի մակերեսին. Ա Բ Գ Դ.
Ջերմության քանակի միայն մի մասն է իրականում վերածվում օգտակար աշխատանքի։ qt,ստացված ջեռուցիչից, հավասար է QT 1 - |QT 2 |.Այսպիսով, Կարնո ցիկլում օգտակար աշխատանքը A = QT 1 - |QT 2 |.
Իդեալական ցիկլի առավելագույն արդյունավետությունը, ինչպես ցույց է տվել Ս. Կարնոն, կարող է արտահայտվել ջեռուցիչի ջերմաստիճանով. (T 1)և սառնարան (T 2):

Իրական շարժիչներում հնարավոր չէ իրականացնել ցիկլ, որը բաղկացած է իդեալական իզոթերմային և ադիաբատիկ գործընթացներից։ Հետևաբար, իրական շարժիչներում իրականացվող ցիկլի արդյունավետությունը միշտ ավելի քիչ է, քան Carnot ցիկլի արդյունավետությունը (ջեռուցիչների և հովացուցիչների նույն ջերմաստիճաններում).

Բանաձևից երևում է, որ շարժիչների արդյունավետությունն ավելի մեծ է, որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և այնքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը։

Խնդիր #703

Շարժիչը աշխատում է Carnot ցիկլով: Ինչպե՞ս կփոխվի ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը, եթե սառնարանի 17 ° C մշտական ​​ջերմաստիճանում ջեռուցիչի ջերմաստիճանը բարձրացվի 127-ից մինչև 447 ° C:

Խնդիր #525

Որոշեք տրակտորային շարժիչի արդյունավետությունը, որը 1,9 107Ջ աշխատանք կատարելու համար պահանջեց 1,5 կգ վառելիք՝ 4,2 107 Ջ/կգ այրման հատուկ ջերմությամբ:

Համակարգչային թեստի անցկացում թեմայի շուրջ.<Հավելված 4 > Աշխատեք ջերմային շարժիչի մոդելի հետ:

USE կոդավորիչի թեմաներՋերմային շարժիչների շահագործման սկզբունքները, ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը, ջերմային շարժիչները և շրջակա միջավայրի պահպանությունը:

Կարճ ասած, ջերմային մեքենաներջերմությունը վերածել աշխատանքի կամ, ընդհակառակը, աշխատանքը ջերմության:
Գոյություն ունեն ջերմային շարժիչների երկու տեսակ՝ կախված դրանցում տեղի ունեցող գործընթացների ուղղությունից:

1. Ջերմային շարժիչներարտաքին աղբյուրից ջերմությունը վերածել մեխանիկական աշխատանքի:

2. Սառնարանային մեքենաներԱրտաքին աղբյուրի մեխանիկական աշխատանքի շնորհիվ ավելի քիչ տաքացած մարմնից ջերմություն փոխանցել ավելի տաքացած մարմնին:

Դիտարկենք այս տեսակի ջերմային շարժիչները ավելի մանրամասն:

Ջերմային շարժիչներ

Մենք գիտենք, որ մարմնի վրա աշխատանք կատարելը նրա ներքին էներգիան փոխելու միջոցներից մեկն է. կատարված աշխատանքը, այսպես ասած, լուծվում է մարմնում՝ վերածվելով քաոսային շարժման և նրա մասնիկների փոխազդեցության էներգիայի։

Բրինձ. 1. Ջերմային շարժիչ

Ջերմային շարժիչը մի սարք է, որը, ընդհակառակը, օգտակար աշխատանք է քաղում մարմնի «քաոսային» ներքին էներգիայից։ Ջերմային շարժիչի գյուտը արմատապես փոխեց մարդկային քաղաքակրթության դեմքը։

Ջերմային շարժիչի սխեմատիկ դիագրամը կարելի է պատկերել հետևյալ կերպ (նկ. 1): Եկեք հասկանանք, թե ինչ են նշանակում այս սխեմայի տարրերը:

աշխատանքային մարմինշարժիչը գազ. Այն ընդլայնվում է, շարժում է մխոցը և դրանով իսկ կատարում օգտակար մեխանիկական աշխատանք:

Բայց որպեսզի ստիպենք գազը ընդլայնվել՝ հաղթահարելով արտաքին ուժերը, անհրաժեշտ է այն տաքացնել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից զգալիորեն բարձր ջերմաստիճանի։ Դրա համար գազը շփվում է ջեռուցիչ- այրվող վառելիք.

Վառելիքի այրման գործընթացում զգալի էներգիա է արտազատվում, որի մի մասն օգտագործվում է գազը տաքացնելու համար։ Գազը ջերմություն է ստանում ջեռուցիչից։ Այս ջերմության շնորհիվ է, որ շարժիչը կատարում է օգտակար աշխատանք։

Այս ամենը պարզ է. Ի՞նչ է սառնարանը և ինչու է այն անհրաժեշտ:

Գազի մեկ ընդլայնմամբ մենք կարող ենք հնարավորինս արդյունավետ օգտագործել մուտքային ջերմությունը և այն ամբողջությամբ վերածել աշխատանքի: Դա անելու համար անհրաժեշտ է գազը իզոթերմորեն ընդլայնել. թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը, ինչպես գիտենք, տալիս է մեզ այս դեպքում:

Բայց ոչ մեկին պետք չէ մեկանգամյա ընդլայնում։ Շարժիչը պետք է աշխատի ցիկլային եղանակով, ապահովելով մխոցների շարժումների պարբերական կրկնություն։ Հետեւաբար, ընդլայնման վերջում գազը պետք է սեղմվի՝ այն վերադարձնելով իր սկզբնական վիճակին։

Ընդարձակման գործընթացում գազը որոշակի դրական աշխատանք է կատարում։ Սեղմման գործընթացում գազի վրա դրական աշխատանք է կատարվում (իսկ գազն ինքը բացասական աշխատանք է կատարում)։ Արդյունքում գազի օգտակար աշխատանքը մեկ ցիկլով.

Իհարկե պետք է լինի class="tex" alt="(!LANG:A>0"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}

Սեղմելով գազը, մենք պետք է ավելի քիչ աշխատանք կատարենք, քան գազը ընդլայնելիս:

Ինչպե՞ս հասնել դրան: Պատասխան. սեղմել գազը ավելի ցածր ճնշումներով, քան ընդլայնման ժամանակ: Այլ կերպ ասած, -դիագրամի վրա սեղմման գործընթացը պետք է գնա ստորևընդլայնման գործընթացը, այսինքն՝ օղակը պետք է անցնի ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ(նկ. 2):

Բրինձ. 2. Ջերմային շարժիչի ցիկլը

Օրինակ, նկարի ցիկլում ընդլայնման ընթացքում գազի կատարած աշխատանքը հավասար է կորագիծ տրապիզոնի մակերեսին: Նմանապես, սեղմման ընթացքում գազի կատարած աշխատանքը հավասար է մինուս նշանով կորագիծ տրապիզոնի մակերեսին: Արդյունքում, գազի աշխատանքը մեկ ցիկլի համար դրական է և հավասար է ցիկլի տարածքին:

Լավ, բայց ինչպե՞ս անել, որ գազը վերադառնա իր սկզբնական վիճակին ավելի ցածր կորի երկայնքով, այսինքն՝ ավելի ցածր ճնշում ունեցող վիճակների միջով: Հիշեցնենք, որ տվյալ ծավալի համար գազի ճնշումն ավելի ցածր է, այնքան ցածր է ջերմաստիճանը: Ուստի սեղմման ժամանակ գազը պետք է անցնի ավելի ցածր ջերմաստիճան ունեցող վիճակներով։

Սա հենց այն է, ինչի համար է սառնարանը: թույնգազ սեղմման ժամանակ.

Սառնարանը կարող է լինել մթնոլորտ (ներքին այրման շարժիչների համար) կամ հովացման հոսող ջուր (գոլորշու տուրբինների համար): Սառչելիս գազը որոշակի քանակությամբ ջերմություն է հաղորդում սառնարանին։

Գազի ստացած ջերմության ընդհանուր քանակը մեկ ցիկլով հավասար է . Թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի համաձայն.

որտեղ է գազի ներքին էներգիայի փոփոխությունը մեկ ցիկլով: Այն հավասար է զրոյի, քանի որ գազը վերադարձել է իր սկզբնական վիճակին (իսկ ներքին էներգիան, ինչպես հիշում ենք, պետական ​​գործառույթը): Արդյունքում, գազի կատարած աշխատանքը մեկ ցիկլով հավասար է.

(1)

Ինչպես տեսնում եք, ջեռուցիչից եկող ջերմությունն ամբողջությամբ հնարավոր չէ վերածել աշխատանքի։ Ջերմության մի մասը պետք է տրվի սառնարանին` ապահովելու ցիկլային գործընթացը:

Այրվող վառելիքի էներգիան մեխանիկական աշխատանքի վերածելու արդյունավետության ցուցանիշը ջերմային շարժիչի արդյունավետությունն է։

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունմեխանիկական աշխատանքի հարաբերակցությունն է ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակին.

Հաշվի առնելով (1) հարաբերակցությունը՝ ունենք նաև

(2)

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը, ինչպես տեսնում ենք, միշտ ավելի քիչ է, քան միասնությունը: Օրինակ, գոլորշու տուրբինների արդյունավետությունը մոտավորապես կազմում է, իսկ ներքին այրման շարժիչների արդյունավետությունը մոտ է:

Սառնարանային մեքենաներ

Առօրյա փորձը և ֆիզիկական փորձերը մեզ հուշում են, որ ջերմության փոխանցման գործընթացում ջերմությունը ավելի տաք մարմնից փոխանցվում է ավելի քիչ տաքացած մարմնին, բայց ոչ հակառակը: Երբեք չեն նկատվում գործընթացներ, որոնցում ջերմափոխանակման շնորհիվ էներգիա է ինքնաբերաբարսառը մարմնից անցնում է տաքի, ինչի արդյունքում սառը մարմինն էլ ավելի կսառչի, իսկ տաքը՝ ավելի տաքանալու։

Բրինձ. 3. Չիլլեր

Այստեղ հիմնական բառը «ինքնաբուխ» է։ Եթե ​​դուք օգտագործում եք էներգիայի արտաքին աղբյուր, ապա միանգամայն հնարավոր է իրականացնել ջերմությունը սառը մարմնից տաք մարմնին փոխանցելու գործընթացը։ Ահա թե ինչ են անում սառնարանները։
մեքենաներ.

Ջերմային շարժիչի համեմատությամբ, սառնարանային մեքենայում գործընթացներն ունեն հակառակ ուղղություն (նկ. 3):

աշխատանքային մարմինկոչվում է նաև սառնարանային մեքենա սառնագենտ. Պարզության համար մենք այն կհամարենք գազ, որը կլանում է ջերմությունը ընդարձակման ժամանակ և ջերմություն է թողարկում սեղմման ժամանակ (իրական սառնարանային ագրեգատներում սառնագենտը ցածր եռման կետով ցնդող լուծույթ է, որը գոլորշիացման ընթացքում ջերմություն է վերցնում և այն ազատում խտացման ժամանակ):

ՍառնարանՍառնարանային մեքենայում սա այն մարմինն է, որից ջերմությունը հանվում է: Սառնարանը ջերմության քանակությունը փոխանցում է աշխատող հեղուկին (գազին), ինչի արդյունքում գազը ընդլայնվում է։

Սեղմման ընթացքում գազը ջերմություն է հաղորդում ավելի տաք մարմնին. ջեռուցիչ. Որպեսզի այդպիսի ջերմափոխանակումը տեղի ունենա, գազը պետք է սեղմվի ավելի բարձր ջերմաստիճանում, քան այն ընդլայնված ժամանակ: Դա հնարավոր է միայն արտաքին աղբյուրի (օրինակ՝ էլեկտրական շարժիչի) կատարած աշխատանքի շնորհիվ (իրական սառնարանային ստորաբաժանումներում էլեկտրական շարժիչը գոլորշիչում ցածր ճնշում է ստեղծում, ինչի արդյունքում սառնագենտը եռում և ջերմություն է ընդունում. ընդհակառակը, կոնդենսատորում էլեկտրական շարժիչը ստեղծում է բարձր ճնշում, որի տակ սառնագենտը խտանում է և տաքանում)): Հետևաբար, ջեռուցիչին փոխանցվող ջերմության քանակությունը պարզվում է, որ ավելի մեծ է, քան սառնարանից վերցված ջերմության քանակությունը՝ ընդամենը արժեքով.

Այսպիսով, - դիագրամում անցնում է սառնարանային մեքենայի գործառնական ցիկլը ժամացույցի հակառակ ուղղությամբ. Ցիկլի տարածքը արտաքին աղբյուրի կատարած աշխատանքն է (նկ. 4):

Բրինձ. 4. Չիլերի ցիկլը

Սառնարանային մեքենայի հիմնական նպատակը որոշակի ջրամբարի սառեցումն է (օրինակ՝ սառնարան): Այս դեպքում այս տանկը խաղում է սառնարանի դեր, իսկ միջավայրը ծառայում է որպես տաքացուցիչ՝ տանկից հեռացված ջերմությունը ցրվում է դրա մեջ։

Սառնարանային մեքենայի արդյունավետության ցուցանիշն է կատարողականի գործակիցը, հավասար է սառնարանից հեռացվող ջերմության հարաբերակցությանը արտաքին աղբյուրի աշխատանքին.

Կատարման գործակիցը կարող է մեկից մեծ լինել։ Իրական սառնարաններում այն ​​վերցնում է արժեքներ մոտավորապես 1-ից 3:

Կա ևս մեկ հետաքրքիր հավելված՝ սառնարանային մեքենան կարող է աշխատել այնպես, ինչպես Ջերմային պոմպ. Այնուհետև դրա նպատակն է ջեռուցել որոշակի ջրամբար (օրինակ, սենյակ տաքացնել) շրջակա միջավայրից հեռացված ջերմության պատճառով։ Այս դեպքում այս տանկը կլինի ջեռուցիչը, իսկ միջավայրը՝ սառնարանը։

Ջերմային պոմպի արդյունավետության ցուցանիշն է ջեռուցման գործակիցը, հավասար է ջեռուցվող ջրամբարին փոխանցվող ջերմության քանակի և արտաքին աղբյուրի աշխատանքի հարաբերությանը.

Իրական ջերմային պոմպերի ջեռուցման գործակիցի արժեքները սովորաբար տատանվում են 3-ից 5-ի սահմաններում:

Carnot ջերմային շարժիչ

Ջերմային շարժիչի կարևոր բնութագրիչները ցիկլի ընթացքում աշխատանքային հեղուկի ամենաբարձր և ամենացածր ջերմաստիճաններն են: Այս արժեքները անվանվում են համապատասխանաբար ջեռուցիչի ջերմաստիճանըԵվ սառնարանի ջերմաստիճանը.

Մենք տեսանք, որ ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը խիստ պակաս է միասնությունից: Բնական հարց է ծագում՝ ո՞րն է ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը ջեռուցիչի ջերմաստիճանի և սառնարանի ջերմաստիճանի ֆիքսված արժեքներով:

Թող, օրինակ, շարժիչի աշխատանքային հեղուկի առավելագույն ջերմաստիճանը լինի , իսկ նվազագույնը՝ . Ո՞րն է նման շարժիչի արդյունավետության տեսական սահմանը:

Այս հարցի պատասխանը տվել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս և ինժեներ Սադի Կարնոն 1824 թ.

Նա հորինել և հետազոտել է հիանալի ջերմային շարժիչ՝ որպես աշխատանքային հեղուկ իդեալական գազով։ Այս մեքենան աշխատում է Կարնո ցիկլը, որը բաղկացած է երկու իզոթերմից և երկու ադիաբատից։

Հաշվի առեք ուղղակի ցիկլ carnot մեքենան աշխատում է ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ (նկ. 5): Այս դեպքում մեքենան գործում է որպես ջերմային շարժիչ:

Բրինձ. 5. Կարնո ցիկլը

Իզոթերմ. Բաժինում գազը ջերմային շփման մեջ է բերվում ջերմաստիճանի տաքացուցիչով և իզոթերմորեն ընդլայնվում է։ Ջերմության քանակը գալիս է ջեռուցիչից և ամբողջությամբ վերածվում աշխատանքի այս հատվածում.

ադիաբատ. Հետագա սեղմման նպատակով անհրաժեշտ է գազը տեղափոխել ավելի ցածր ջերմաստիճանի գոտի։ Դա անելու համար գազը ջերմամեկուսացված է, այնուհետև տարածվում է ադիաբատիկ տարածքի վրա:

Երբ գազը ընդլայնվում է, այն դրական աշխատանք է կատարում, և դրա շնորհիվ նրա ներքին էներգիան նվազում է.

Իզոթերմ. Ջերմամեկուսացումը հանվում է, գազը ջերմային շփման մեջ է մտցվում ջերմաստիճանի հովացուցիչի հետ։ Իզոթերմային սեղմում է առաջանում: Գազը ջերմության քանակություն է տալիս սառնարանին և բացասական աշխատանք է կատարում։

ադիաբատ. Այս հատվածը անհրաժեշտ է գազը իր սկզբնական վիճակին վերադարձնելու համար: Ադիաբատիկ սեղմման ընթացքում գազը բացասական աշխատանք է կատարում, իսկ ներքին էներգիայի փոփոխությունը դրական է. Գազը տաքացվում է մինչև իր սկզբնական ջերմաստիճանը:

Կարնոն գտել է այս ցիկլի արդյունավետությունը (հաշվարկները, ցավոք, դուրս են դպրոցական ուսումնական ծրագրի շրջանակներից).

(3)

Ավելին, նա դա ապացուցեց Կարնո ցիկլի արդյունավետությունը առավելագույն հնարավոր է բոլոր ջերմային շարժիչների համար, որոնց ջերմաստիճանը տաքացուցիչ է և ավելի սառը ջերմաստիճանը: .

Այսպիսով, վերը նշված օրինակում մենք ունենք.

Ի՞նչ իմաստ ունի օգտագործել հենց իզոթերմներ և ադիաբատներ, այլ ոչ թե այլ պրոցեսներ։

Պարզվում է, որ իզոթերմային և ադիաբատիկ գործընթացները կազմում են Կարնո մեքենան շրջելի. Այն կարող է գործարկվել հակադարձ ցիկլ(ժամացույցի սլաքի ուղղությամբ) միևնույն ջեռուցիչի և սառնարանի միջև՝ առանց այլ սարքեր ներգրավելու: Այս դեպքում Carnot մեքենան կգործի որպես սառնարանային մեքենա։

Կարնո մեքենան երկու ուղղություններով գործարկելու ունակությունը շատ կարևոր դեր է խաղում թերմոդինամիկայի մեջ: Օրինակ, այս փաստը կապ է ծառայում Կարնո ցիկլի առավելագույն արդյունավետության ապացույցի համար։ Սրան կանդրադառնանք թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հաջորդ հոդվածում։

Ջերմային շարժիչներ և շրջակա միջավայրի պաշտպանություն

Ջերմային շարժիչները լուրջ վնաս են հասցնում շրջակա միջավայրին։ Դրանց լայնածավալ օգտագործումը հանգեցնում է մի շարք բացասական հետեւանքների։

Հսկայական քանակությամբ ջերմային էներգիայի արտանետումը մթնոլորտ հանգեցնում է մոլորակի ջերմաստիճանի բարձրացման։ Կլիմայի տաքացումը սպառնում է վերածվել հալվող սառցադաշտերի և աղետալի աղետների։
Մթնոլորտում ածխաթթու գազի կուտակումը հանգեցնում է նաև կլիմայի տաքացմանը, որը դանդաղեցնում է Երկրի ջերմային ճառագայթման արտահոսքը դեպի տիեզերք (ջերմոցային էֆեկտ)։
Վառելիքի այրման արտադրանքի բարձր կոնցենտրացիայի պատճառով բնապահպանական իրավիճակը վատթարանում է:

Սրանք քաղաքակրթական լայն խնդիրներ են։ Ջերմային շարժիչների շահագործման վնասակար հետևանքների դեմ պայքարելու համար անհրաժեշտ է բարձրացնել դրանց արդյունավետությունը, նվազեցնել թունավոր նյութերի արտանետումները, մշակել վառելիքի նոր տեսակներ և տնտեսապես օգտագործել էներգիան:

Իդեալական մեքենայի արդյունավետության համար Carnot-ի ստացած բանաձևի (5.12.2) հիմնական նշանակությունն այն է, որ այն որոշում է ցանկացած ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը։

Կարնոն, հիմնվելով թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի վրա*, ապացուցեց հետևյալ թեորեմը. ցանկացած իրական ջերմային շարժիչ, որն աշխատում է ջերմաստիճանի ջեռուցիչովՏ 1 և սառնարանի ջերմաստիճանըՏ 2 , չի կարող ունենալ իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը գերազանցող արդյունավետություն։

* Կարնոն իրականում հաստատել է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը Կլաուզիուսից և Քելվինից առաջ, երբ թերմոդինամիկայի առաջին օրենքը դեռ խստորեն ձևակերպված չէր:

Դիտարկենք նախ ջերմային շարժիչը, որն աշխատում է շրջելի ցիկլով իրական գազով: Ցիկլը կարող է լինել ցանկացած, միայն կարևոր է, որ տաքացուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանները լինեն Տ 1 Եվ Տ 2 .

Ենթադրենք, որ մեկ այլ ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը (չի աշխատում Կարնո ցիկլի համաձայն) η ’ > η . Մեքենաներն աշխատում են ընդհանուր տաքացուցիչով և ընդհանուր հովացուցիչով։ Թող Carnot մեքենան աշխատի հակառակ ցիկլով (ինչպես սառնարանային մեքենա), իսկ մյուս մեքենան՝ առաջ ցիկլով (նկ. 5.18): Ջերմային շարժիչը կատարում է հավասար աշխատանք՝ համաձայն (5.12.3) և (5.12.5) բանաձևերի.

Սառնարանային մեքենան միշտ կարող է նախագծվել այնպես, որ այն վերցնի սառնարանից ջերմության քանակությունը Ք 2 = ||

Այնուհետև, համաձայն (5.12.7) բանաձևի, դրա վրա աշխատանքներ կկատարվեն

(5.12.12)

Քանի որ պայմանով η» > η , ապա Ա» > Ա.Հետևաբար, ջերմային շարժիչը կարող է վարել սառնարանային շարժիչը, և դեռ աշխատանքի ավելցուկ կլինի: Այդ ավելորդ աշխատանքը կատարվում է մեկ աղբյուրից վերցվող ջերմության հաշվին։ Ի վերջո, ջերմությունը սառնարան չի փոխանցվում միանգամից երկու մեքենաների գործողությամբ։ Բայց սա հակասում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքին։

Եթե ​​ենթադրենք, որ η > η ", ապա դուք կարող եք ստիպել մեկ այլ մեքենայի աշխատել հակառակ ցիկլով, իսկ Կարնոյի մեքենան՝ ուղիղ գծով: Մենք կրկին հակասության ենք գալիս թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հետ։ Հետևաբար, շրջելի ցիկլերի վրա աշխատող երկու մեքենաներ ունեն նույն արդյունավետությունը՝ η " = η .

Այլ հարց է, եթե երկրորդ մեքենան գործում է անշրջելի ցիկլով։ Եթե ​​թույլ տանք η " > η , հետո նորից հակասության ենք հասնում թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հետ։ Այնուամենայնիվ, ենթադրությունը մ|»< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, կամ

Սա է հիմնական արդյունքը.

(5.12.13)

Իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը

Բանաձևը (5.12.13) տալիս է ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության տեսական սահմանը: Այն ցույց է տալիս, որ ջերմային շարժիչն ավելի արդյունավետ է, որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և այնքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը: Միայն այն դեպքում, երբ սառնարանի ջերմաստիճանը հավասար է բացարձակ զրոյի, η = 1:

Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող շատ ավելի ցածր լինել, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Դուք կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ տաքանում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները և հալվում է բավականաչափ բարձր ջերմաստիճանում։

Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը՝ նվազեցնելով դրանց մասերի շփումը, վառելիքի կորուստները դրա թերի այրման հետևանքով և այլն։ Այստեղ արդյունավետությունը բարձրացնելու իրական հնարավորությունները դեռևս մեծ են։ Այսպիսով, գոլորշու տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանը մոտավորապես հետևյալն է. Տ 1 = 800 Կ և Տ 2 = 300 Կ. Այս ջերմաստիճաններում արդյունավետության առավելագույն արժեքը կազմում է.

Էներգիայի տարբեր տեսակի կորուստների պատճառով արդյունավետության փաստացի արժեքը մոտավորապես 40% է: Առավելագույն արդյունավետությունը՝ մոտ 44%, ունեն ներքին այրման շարժիչներ։

Ցանկացած ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը չի կարող գերազանցել առավելագույն հնարավոր արժեքը
, որտեղ Տ 1 - ջեռուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանը, իսկ Տ 2 - սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանը.

Ջերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացում և հնարավոր առավելագույնին մոտեցնելը- ամենակարեւոր տեխնիկական մարտահրավերը.