Veikimo koeficientas (COP) yra terminas, kuris gali būti taikomas, ko gero, kiekvienai sistemai ir įrenginiui. Net žmogus turi efektyvumą, nors, ko gero, dar nėra objektyvios formulės, kaip jį surasti. Šiame straipsnyje mes išsamiai paaiškinsime, kas yra efektyvumas ir kaip jį galima apskaičiuoti įvairioms sistemoms.
Efektyvumo apibrėžimas
Efektyvumas yra sistemos efektyvumo matas, išreikštas energijos išeiga arba konversija. Efektyvumas yra neišmatuojama vertė ir pateikiama arba kaip skaitinė vertė nuo 0 iki 1, arba kaip procentinė dalis.
Bendra formulė
Efektyvumą rodo simbolis Ƞ.
Bendra matematinė efektyvumo nustatymo formulė parašyta taip:
Ƞ = A / Q, kur A yra sistemos atliekama naudinga energija / darbas, o Q yra šios sistemos sunaudota energija, skirta organizuoti naudingos produkcijos gavimo procesą.
Deja, efektyvumo koeficientas visada yra mažesnis nei vienas arba lygus jam, nes pagal energijos išsaugojimo įstatymą mes negalime gauti daugiau darbo nei sunaudota energija. Be to, efektyvumas iš tikrųjų labai retai prilygsta vienybei, nes naudingą darbą visada lydi nuostoliai, pavyzdžiui, šildant mechanizmą.
Šilumos variklio efektyvumas
Šilumos variklis yra prietaisas, kuris šiluminę energiją paverčia mechanine. Šilumos variklyje darbą lemia skirtumas tarp šilumos kiekio, gauto iš šildytuvo ir aušintuvui suteiktos šilumos kiekio, todėl efektyvumas nustatomas pagal formulę:
- Ƞ = Qн-Qх / Qн, kur Qн-šilumos kiekis, gautas iš šildytuvo, o Qх-aušintuvui suteiktas šilumos kiekis.
Manoma, kad didžiausią efektyvumą užtikrina varikliai, veikiantys Karnoto ciklu. Šiuo atveju efektyvumas nustatomas pagal formulę:
- Ƞ = T1-T2 / T1, kur T1 yra karšto šaltinio temperatūra, T2-šalto šaltinio temperatūra.
Elektros variklio efektyvumas
Elektros variklis yra įtaisas, kuris elektros energiją paverčia mechanine energija, todėl efektyvumas šiuo atveju yra prietaiso efektyvumo koeficientas elektros energijos pavertimo mechanine energija požiūriu. Elektros variklio efektyvumo nustatymo formulė atrodo taip:
- Ƞ = P2 / P1, kur P1 yra tiekiama elektros energija, P2 - grynoji mechaninė variklio sukurta galia.
Elektros galia randama kaip sistemos srovės ir įtampos sandauga (P = UI), o mechaninė galia - kaip darbo ir laiko vieneto santykis (P = A / t)
Transformatoriaus efektyvumas
Transformatorius yra įrenginys, kuris, išlaikydamas dažnį, vienos įtampos kintamąją srovę paverčia kitos įtampos kintamąja. Be to, transformatoriai taip pat gali konvertuoti kintamą srovę į nuolatinę srovę.
Transformatoriaus efektyvumas nustatomas pagal formulę:
- Ƞ = 1/1 + (P0 + PL * n2) / (P2 * n), kur P0 yra nuostolis be apkrovos, PL yra apkrovos nuostolis, P2 yra apkrovai tiekiama aktyvi galia, n yra santykinis laipsnis pakrovimo.
Efektyvumas ar ne efektyvumas?
Verta paminėti, kad be efektyvumo, yra keletas rodiklių, apibūdinančių energetinių procesų efektyvumą, o kartais galime rasti tipo aprašymus - efektyvumas yra apie 130%, tačiau šiuo atveju reikia suprasti kad terminas vartojamas ne visai teisingai ir, greičiausiai, autorius ar gamintojas pagal šią santrumpą supranta šiek tiek kitokias charakteristikas.
Pavyzdžiui, šilumos siurbliai skiriasi tuo, kad gali išskirti daugiau šilumos nei sunaudoja. Taigi šaldymo mašina iš aušinamo objekto gali pašalinti daugiau šilumos nei sunaudojama energijos ekvivalentui pašalinimui organizuoti. Šaldymo mašinos efektyvumo indeksas vadinamas eksploatacinių savybių koeficientu, žymimu raide Ɛ ir nustatomas pagal formulę: Ɛ = Qx / A, kur Qx yra šiluma, pašalinta iš šaltojo galo, A yra darbas, pašalinimo procesas. Tačiau kartais našumo koeficientas dar vadinamas šaldymo mašinos efektyvumu.
Įdomu ir tai, kad iškastinio kuro katilų efektyvumas paprastai skaičiuojamas pagal mažiausią šilumingumą, o gali būti ir daugiau. Nepaisant to, jis vis dar tradiciškai vadinamas efektyvumu. Galima nustatyti katilo efektyvumą pagal didžiausią šilumingumą, ir tada jis visada bus mažesnis nei vienas, tačiau šiuo atveju bus nepatogu lyginti katilų rodiklius su kitų įrenginių duomenimis.
Atsižvelgiant į tai, kad dalis šilumos, veikiant šilumos varikliams, neišvengiamai perkeliama į šaldytuvą, variklių efektyvumas negali būti lygus vienybei. Labai įdomu rasti maksimalų galimą šilumos variklio, veikiančio su temperatūros šildytuvu Tg ir šaldytuvu, kurio temperatūra T2, efektyvumą. Pirmą kartą tai padarė prancūzų inžinierius ir mokslininkas Sadi Carnot.
Idealus šilumos variklis Carnot
„Carnot“ sugalvojo idealų šilumos variklį su idealiomis dujomis kaip darbinis skystis. Visi procesai Carnot mašinoje laikomi pusiausvyra (grįžtama).
Mašinoje atliekamas apskritas procesas arba ciklas, kurio metu sistema po daugybės transformacijų grįžta į pradinę būseną. Karnoto ciklą sudaro dvi izotermos ir
du, adiabatai (5.16 pav.). 1-2 ir 3-4 kreivės yra izotermos, o 2-3 ir 4-1-adiabatai.
Pirma, dujos izotermiškai plečiasi esant temperatūrai T1. Tuo pačiu metu jis gauna šilumą iš šildytuvo. Tada jis plečiasi adiabatiškai ir nekeičia šilumos su aplinkiniais kūnais. Sekė
izoterminis dujų suspaudimas esant o ~ ^
temperatūra T2. Dujos duoda šiuose ryžiuose g jg
Šaldytuvo procese šilumos kiekis Q2 Galiausiai dujos suspaudžiamos adiabatiškai ir grįžta į pradinę būseną.
Esant izoterminiam išsiplėtimui, dujos atlieka darbą> 0, lygų šilumos kiekiui. Esant adiabatiniam išsiplėtimui 2-3, teigiamas darbas A "3 yra lygus vidinės energijos sumažėjimui, kai dujos atšaldomos nuo 7 \ iki temperatūros T2: A "3 = -AU12 = SHTX) - U (T2).
Izoterminiam suspaudimui esant temperatūrai T2 reikia atlikti A2 darbą su dujomis. Dujos atlieka atitinkamai neigiamą darbą А 2
Q2. Galiausiai, adiabatiniam suspaudimui reikia atlikti A4 = AU21 darbą su dujomis. Darbas
Karnotas Nicola Leonard Sadi (1796-1832) - talentingas prancūzų inžinierius ir fizikas, vienas iš termodinamikos pradininkų. Savo darbe „Galvodamas apie ugnies varomąją jėgą ir apie mašinas, galinčias išvystyti šią jėgą“ (1824), jis pirmą kartą parodė, kad šilumos varikliai gali dirbti tik tada, kai šiluma pereina iš karšto kūno į šaltą. Karnotas sugalvojo idealų šilumos variklį, apskaičiavo idealaus variklio efektyvumą ir įrodė, kad šis koeficientas yra maksimalus įmanomas bet kuriam tikram šilumos varikliui. dujos A \ = -L4 \ u003d -At / 2i \ u003d -ЩТх). Todėl bendras ra
dujų botas dviem adiabatiniams procesams lygus nuliui.
Dujos veikia per ciklą
A "= A [ + A" 2 = Q1 + Q2 = IQJ - | Q2 |. (5.12.1)
Šis darbas skaitiniu požiūriu lygus figūros plotui, apribotam ciklo kreive (užtemdytas 5.16 pav.).
Norėdami apskaičiuoti efektyvumą, turite apskaičiuoti darbą 1-2 ir 3-4 izoterminių procesų metu. Skaičiavimai duoda tokį rezultatą:
(5.12.2) „Carnot“ šiluminio variklio efektyvumas yra lygus skirtumo tarp absoliučių šildytuvo ir šaldytuvo temperatūrų santykio su absoliučia šildytuvo temperatūra.
Mašinos atliekamą darbą per ciklą ir šaldytuvui suteiktą šilumos kiekį Q2 galima išreikšti per mašinos efektyvumą ir iš šildytuvo gautą šilumos kiekį Pagal efektyvumo apibrėžimą
L "= l Šilumos kiekis
Q2 = A "- = TlQi- Qi = QiOl- D- (5.12.4)
Kadangi t) | Q2 | = (1-71) QI. (5.12.5)
Ideali šaldymo mašina
Karnoto ciklas yra grįžtamas, todėl jį galima atlikti priešinga kryptimi. Tai nebebus šilumos variklis, o ideali šaldymo mašina.
Procesai apsivers aukštyn kojomis. Darbas A atliekamas vairuojant mašiną. Šilumos kiekį Qx darbinis skystis perneša į aukštesnės temperatūros šildytuvą, o šilumos kiekis Q2 tiekiamas į darbinį skystį iš šaldytuvo (5.17 pav.). Šiluma perduodama iš šalto kūno į karštą, todėl mašina vadinama šaldymu.
Šilumos kiekis Q
"G.
Šilumos kiekis Q2
Darbas
ŠALDYTUVO temperatūra T2
Ryžiai. 5.17
Bet tai neprieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui: šiluma neperduoda savaime, bet dėl darbo atlikimo.
Išreikškime šilumos kiekius Q1 ir Q2 per darbą A ir mašinos T | efektyvumą. Kadangi pagal (5.12.3) formulę A "= riQj = -A, tada
(5.12.6)
Darbinio skysčio perduodamas šilumos kiekis, kaip visada, yra neigiamas. Akivaizdu, | Qj | = ^. Pagal išraišką
(5.12.4) šilumos kiekis Q2 = QiCn ~ 1) arba atsižvelgiant į santykį (5.12.3) (5.12.7)
q2 = V1a> 0- Tokį šilumos kiekį darbinis skystis gauna iš šaldytuvo.
Šaldytuvas veikia kaip šilumos siurblys. Šilumos kiekis Qj perduodamas į karštą kūną, kuris yra didesnis nei kiekis, paimtas iš šaldytuvo. Pagal formulę (5.12.7) Q2 = ^ -A = -Qj -A. Vadinasi
| Q1 \ = A + Q2. (5.12.8)
Šaldytuvo efektyvumą lemia
pagal є = -г, nes jo paskirtį galima kiek įmanoma atimti
daugiau šilumos iš aušinamos sistemos, tuo pačiu atliekant kuo mažiau darbų. Kiekis є vadinamas našumo koeficientu. Idealiam aušintuvui pagal (5.12.7) ir (5.12.2) formules
Qn T2
tai yra, kuo mažesnis temperatūrų skirtumas, tuo didesnis šaldymo koeficientas ir kuo žemesnė kūno temperatūra, iš kurios imama šiluma. Akivaizdu, kad našumo koeficientas gali būti didesnis nei vienas. Tikruose šaldytuvuose - daugiau nei trys. Šaldymo mašinos tipas yra oro kondicionierius, kuris paima šilumą iš kambario ir perduoda jį į aplinkinį orą.
Šilumos siurblys
Šildant patalpas elektriniais šildytuvais, energetiškai pelningiau naudoti šilumos siurblį, o ne tik srovę šildomą ritę. Siurblys papildomai perduos šilumos kiekį Q2 iš aplinkos oro į kambarį. Tačiau tai nėra daroma dėl didelių šaldymo įrenginio išlaidų, palyginti su įprasta elektrine virykle ar židiniu.
Naudojant šilumos siurblį, praktiškai domina šildomo kūno gautas šilumos kiekis Qj, o ne šaltam kūnui suteiktas šilumos kiekis Q2. Todėl šilumos siurblio charakteristika yra tokia
lQi |
vadinamas šildymo koeficientu? nuo =.
Idealiai mašinai, atsižvelgiant į ryšius (5.12.6) ir (5.12.2), turėsime Єfrom = m ^ V "(5.12.10)
1 1 ~ 1 2
kur 7 "1 yra absoliuti šildomo kambario temperatūra, o Г2 yra absoliuti aplinkos oro temperatūra. Taigi, šildymo koeficientas visada yra didesnis už vienetą. Tikriesiems prietaisams, esant aplinkos temperatūrai t2 = 0 ° C ir temperatūra tl = 25 ° C єf = 12 Į kambarį perduodamas šilumos kiekis, kuris beveik 12 kartų viršija sunaudojamos elektros kiekį.
Maksimalus šilumos variklių efektyvumas
(Karnoto teorema)
Pagrindinė formulės (5.12.2), kurią gavo „Carnot“, reikšmė idealios mašinos efektyvumui yra ta, kad ji nustato maksimalų galimą bet kurio šilumos variklio efektyvumą.
Remdamasis antruoju termodinamikos dėsniu, Carnot įrodė tokią teoremą: bet koks tikras šilumos variklis, veikiantis su Tt temperatūros šildytuvu ir T2 temperatūros šaldytuvu, negali būti efektyvesnis už idealaus šilumos variklio efektyvumą.
Pirmiausia apsvarstykime šilumos variklį, veikiantį grįžtamuoju ciklu su tikromis dujomis. Ciklas gali būti bet koks, tik svarbu, kad šildytuvo ir šaldytuvo temperatūra būtų T1, T2.
Tarkime, kad kitos šilumos mašinos (kuri neveikia pagal Carnot ciklą) efektyvumas yra r \ "> G |. Mašinos veikia su bendru šildytuvu ir bendru šaldytuvu. Tegul Carnot mašina veikia atvirkštiniu ciklu (pvz. šaldymo mašina) ir kita tiesioginio ciklo mašina (5.18 pav.). Šiluminis variklis atlieka lygų darbą pagal (5.12.3) ir (5.12.5) formules
A "= r \" Q [= ^ _, \ Q "2 \. (5.12.11)
Šaldymo mašina visada gali būti suprojektuota taip, kad iš šaldytuvo paimtų šilumos kiekį Q2 = \ Q2 \.
Tada pagal formulę (5.12.7) bus atliktas darbas
A = (5.12.12)
Kadangi pagal sąlygą Г | "> т |, tada A"> A. Todėl šilumos variklis gali suaktyvinti šaldymo mašiną, o darbo vis tiek bus perteklius. Šis perteklinis darbas atliekamas naudojant šilumą, paimtą iš vieno šaltinio. Juk šiluma neperduodama į šaldytuvą, kai veikia dvi mašinos vienu metu. Bet tai prieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui.
Jei manytume, kad T | > T | ", tada kitą mašiną galima priversti dirbti atvirkštiniu ciklu, o Karnoto mašiną - tiesioginiu ciklu. Mes vėl susiduriame su prieštaravimu antrajam termodinamikos dėsniui. Todėl dvi mašinos, veikiančios grįžtamuoju ciklu, turi tas pats efektyvumas: r | " = Г |.
Kitas dalykas, jei antroji mašina veikia negrįžtamu ciklu. Jei darome prielaidą D) "> D), tada vėl susiduriame su prieštaravimu antrajam termodinamikos dėsniui. Tačiau prielaida D)"
Tai yra pagrindinis rezultatas:
(5.12.13)
Tikro šilumos variklių efektyvumas
Formulėje (5.12.13) pateikiama teorinė maksimalios šilumos variklių naudingumo vertės riba. Tai rodo, kad kuo aukštesnė šildytuvo temperatūra ir žemesnė šaldytuvo temperatūra, tuo efektyvesnis šilumos variklis. Tik tada, kai šaldytuvo temperatūra lygi absoliučiam nuliui, Г | = 1.
Tačiau šaldytuvo temperatūra praktiškai negali būti daug žemesnė už aplinkos temperatūrą. Galite padidinti šildytuvo temperatūrą. Tačiau bet kuri medžiaga (kieta medžiaga) turi ribotą atsparumą karščiui arba atsparumą karščiui. Šildant jis palaipsniui praranda savo elastines savybes, o esant pakankamai aukštai temperatūrai jis tirpsta.
Dabar pagrindinės inžinierių pastangos yra nukreiptos į variklių efektyvumo didinimą, sumažinant jų dalių trintį, degalų nuostolius dėl nepilno degimo ir pan. Tikrosios galimybės padidinti efektyvumą čia vis dar yra puikios. Taigi garo turbinos pradinė ir galutinė garų temperatūra yra maždaug tokia: T1 = 800 K ir T2 = 300 K. Esant tokioms temperatūroms, didžiausia efektyvumo vertė yra
T1 - T2
Lmax = = 0,62 = 62%.
Faktinė efektyvumo vertė dėl įvairių energijos nuostolių yra maždaug 40%. Vidaus degimo varikliai turi didžiausią efektyvumą - apie 44%.
Bet kokio šilumos efektyvumas
variklis negali viršyti didžiausios
T1 ~ T2
galima reikšmė Лшах = - ^ - " - absoliuti
11
šildytuvo temperatūra, o T2 yra absoliutus
šaldytuvo temperatūra.
Šilumos variklių efektyvumo didinimas ir priartinimas prie maksimalaus įmanomo yra svarbiausias
techninis iššūkis.
Tema: „Šiluminio variklio veikimo principas. Šildo variklį su didžiausiu efektyvumu “.
Forma: Kombinuota pamoka naudojant kompiuterines technologijas.
Tikslai:
- Parodykite šilumos variklio naudojimo svarbą žmogaus gyvenime.
- Ištirti tikrų šilumos variklių veikimo principą ir idealų variklį, veikiantį pagal Carnot ciklą.
- Apsvarstykite galimus būdus, kaip pagerinti tikro variklio efektyvumą.
- Ugdyti mokinių smalsumą, domėjimąsi technine kūryba, pagarbą mokslininkų ir inžinierių mokslo pasiekimams.
Pamokos planas.
P / p Nr. |
Klausimai |
Laikas |
| 1 | Parodykite poreikį naudoti šilumos variklius šiuolaikinėmis sąlygomis. | |
| 2 | „Šiluminio variklio“ sąvokos kartojimas. Šilumos variklių tipai: ICE (karbiuratorius, dyzelinas), garo ir dujų turbinos, turboreaktyviniai ir raketiniai varikliai. | |
| 3 | Naujos teorinės medžiagos paaiškinimas. Šiluminio variklio schema ir įtaisas, veikimo principas, efektyvumas. Karnoto ciklas, idealus šilumos variklis, jo efektyvumas. Tikro ir idealaus šilumos variklio efektyvumo palyginimas. |
|
| 4 | Problemos Nr. 703 (Stepanova), Nr. 525 (Bendrikovas) sprendimas. | |
| 5 | Darbas su šilumos variklio modeliu. |
|
| 6 | Apibendrinant. Namų darbai § 33, problemos Nr. 700 ir Nr. 697 (Stepanova) |
Teorinė medžiaga
Nuo seniausių laikų žmogus norėjo išsilaisvinti iš fizinių pastangų arba jas palengvinti ką nors judant, turėti daugiau jėgų, greičio.
Buvo sukurtos legendos apie kilimus, lėktuvus, septynių lygų batus ir burtininkus, kurie lazdelės banga nešė žmogų į tolimus kraštus. Nešiodami svarmenis žmonės išrado vežimėlius, nes juos lengviau ridenti. Tada jie pritaikė gyvūnus - jaučius, elnius, šunis, labiausiai arklius. Taip atsirado vežimėliai ir vežimėliai. Ekipažuose žmonės siekė komforto, juos vis labiau tobulindami.
Žmonių noras padidinti greitį taip pat paspartino įvykių pasikeitimą transporto vystymosi istorijoje. Iš graikų kalbos „autos“ - „self“ ir lotyniško „mobilis“ - „mobile“ Europos kalbose susidarė būdvardis „savaeigis“, pažodžiui „auto - mobile“.
Jame buvo kalbama apie laikrodžius, automatines lėlės, į įvairius mechanizmus, apskritai į viską, kas buvo papildymas žmogaus „tęsimui“, „tobulėjimui“. Aštuonioliktame amžiuje jie bandė pakeisti darbo jėgą garais ir pritaikė terminą „automobilis“ bekeliams vežimėliams.
Kodėl automobilio amžius paimtas iš pirmųjų „benzininių automobilių“ su vidaus degimo varikliu, išrastas ir pagamintas 1885–1886 m. Tarsi pamiršta apie garų ir akumuliatorių (elektrinius) ekipažus. Faktas yra tas, kad vidaus degimo variklis padarė tikrą transporto technologijų revoliuciją. Ilgą laiką jis pasirodė labiausiai atitinkantis automobilio idėją, todėl ilgą laiką išlaikė savo dominuojančią padėtį. Automobilių su vidaus degimo varikliais dalis šiandien sudaro daugiau nei 99,9% pasaulio kelių transporto.<1 priedas >
Pagrindinės šilumos variklio dalys
Šiuolaikinėse technologijose mechaninė energija daugiausia gaunama iš vidinės degalų energijos. Prietaisai, paverčiantys vidinę energiją į mechaninę energiją, vadinami šilumos varikliais.<2 priedėlis >
Norėdami atlikti darbą degindami kurą įtaise, vadinamame šildytuvu, galite naudoti cilindrą, kuriame dujos įkaista, plečiasi ir juda stūmoklis.<3 priedėlis > Dujos, dėl kurių išsiplėtimo stūmoklis juda, vadinamos darbiniu skysčiu. Dujos plečiasi, nes jų slėgis yra didesnis nei išorinis. Tačiau kai dujos plečiasi, jų slėgis mažėja, ir anksčiau ar vėliau jos taps lygios išoriniam slėgiui. Tada dujų plėtimasis baigsis ir nustos dirbti.
Ką daryti, kad šiluminio variklio darbas nesustotų? Kad variklis veiktų nuolat, būtina, kad stūmoklis, išsiplėtęs dujoms, kiekvieną kartą grįžtų į pradinę padėtį ir suspaustų dujas į pradinę būseną. Dujos gali būti suspaustos tik veikiant išorinei jėgai, kuri šiuo atveju atlieka darbą (dujų slėgio jėga šiuo atveju veikia neigiamai). Po to vėl gali įvykti dujų išsiplėtimo ir susitraukimo procesai. Tai reiškia, kad šilumos variklio darbą turėtų sudaryti periodiškai besikartojantys plėtimosi ir susitraukimo procesai (ciklai).
1 paveiksle grafiškai pavaizduoti dujų išsiplėtimo procesai (eilutė AB) ir suspaudimas iki pradinio tūrio (linija) CD). Dujų darbas plėtimosi metu yra teigiamas ( AF> 0 ABEF... Dujų darbas suspaudimo metu yra neigiamas (nuo AF< 0
) ir skaičiais lygus figūros plotui CDEF. Naudingas šio ciklo darbas yra skaitiniu požiūriu lygus sričių po kreivėmis skirtumui AB ir CD(užpildytas paveikslėlyje).
Šildytuvo, darbinio skysčio ir šaldytuvo buvimas yra būtina sąlyga nuolatiniam bet kurio šilumos variklio cikliniam darbui.
Šilumos variklio efektyvumas
Darbinis skystis, iš šildytuvo gaunantis tam tikrą šilumos kiekį Q 1, dalį šio šilumos kiekio, modulo | Q2 |, atiduoda šaldytuvui. Todėl atliekamų darbų negali būti daugiau A = Q 1 - | Q 2 |. Vadinamas šio darbo santykis su šilumos kiekiu, kurį iš šildytuvo gauna besiplečiančios dujos efektyvumasšilumos mašina:
Šildymo variklio, veikiančio uždarame cikle, efektyvumas visada yra mažesnis nei vienas. Šilumos energetikos uždavinys yra padaryti kuo didesnį efektyvumą, tai yra, kuo daugiau iš šildytuvo gautos šilumos panaudoti darbui. Kaip tai galima pasiekti?
Pirmą kartą tobuliausią ciklinį procesą, susidedantį iš izotermų ir adiabatų, prancūzų fizikas ir inžinierius S. Carnot pasiūlė 1824 m.
Karnoto ciklas.
Tarkime, kad dujos yra balione, kurio sienos ir stūmoklis pagaminti iš šilumą izoliuojančios medžiagos, o dugnas-iš medžiagos, pasižyminčios dideliu šilumos laidumu. Dujų užimamas tūris yra V 1.
Balioną priliesime prie šildytuvo (2 pav.) Ir leisime dujoms izotermiškai išsiplėsti ir atlikti darbus . Tuo pačiu metu dujos gauna tam tikrą šilumos kiekį iš šildytuvo. 1 klausimas.Šis procesas grafiškai pavaizduotas izotermos (kreivės) AB).
Kai dujų tūris tampa lygus tam tikrai vertei V 1 '< V 2 ,
cilindro apačia yra izoliuota nuo šildytuvo ,
po to dujos adiabatiškai išsiplečia iki tūrio V 2, atitinkantis didžiausią galimą stūmoklio eigą cilindre (adiabatas Saulė). Tokiu atveju dujos atšaldomos iki temperatūros T 2< T 1 .
Atvėsusias dujas dabar galima suspausti izotermiškai tam tikroje temperatūroje T2. Norėdami tai padaryti, jis turi būti kontaktuojamas su kūnu, kurio temperatūra yra tokia pati T 2, y., su šaldytuvu ,
ir suspausti dujas išorine jėga. Tačiau šiame procese dujos negrįš į pradinę būseną - jų temperatūra visada bus žemesnė nei T 1.
Todėl izoterminis suspaudimas pasiekiamas iki tam tikro tarpinio tūrio V 2 '> V 1(izotermija CD). Tokiu atveju dujos atiduoda tam tikrą šilumos kiekį į šaldytuvą. 2 klausimas, lygus su juo atliekamam suspaudimo darbui. Po to dujos suspaudžiamos adiabatiškai iki tūrio V 1, kol jo temperatūra pakyla iki T 1(adiabatas DA). Dabar dujos grįžo į pradinę būseną, kai jų tūris lygus V 1, temperatūra yra T 1, slėgis - 1 p, ir ciklą galima pakartoti dar kartą.
Taigi, svetainėje ABC dujos veikia (A> 0), ir svetainėje CDA darbas atliekamas su dujomis (A.< 0).
Ant sklypų Saulė ir REKLAMA darbas atliekamas tik keičiant vidinę dujų energiją. Nuo vidinės energijos pasikeitimo UBC = -UDA, tada adiabatinių procesų darbas yra lygus: ABC = –ADA. Vadinasi, bendras ciklo metu atliktas darbas nustatomas pagal skirtumą tarp darbų, atliktų atliekant izoterminius procesus (skirsniai AB ir CD). Skaitmeniniu požiūriu šis darbas yra lygus figūros plotui, kurį riboja ciklo kreivė ABCD.
Tik dalis šilumos kiekio iš tikrųjų paverčiama naudingais darbais. QT, gautas iš šildytuvo, lygus QT 1 - | QT 2 |. Taigi, Karnoto cikle naudingas darbas A = QT 1 - | QT 2 |.
Maksimalų idealaus ciklo efektyvumą, kaip parodė S. Carnot, galima išreikšti šildytuvo temperatūra (T 1) ir šaldytuvas (T 2):
Tikruose varikliuose neįmanoma atlikti ciklo, susidedančio iš idealių izoterminių ir adiabatinių procesų. Todėl realiuose varikliuose atlikto ciklo efektyvumas visada yra mažesnis už Karnoto ciklo efektyvumą (esant vienodoms šildytuvų ir šaldytuvų temperatūroms):
Iš formulės matyti, kad kuo aukštesnė šildytuvo temperatūra ir žemesnė šaldytuvo temperatūra, tuo didesnis variklių efektyvumas.
Problemos numeris 703
Variklis veikia pagal Carnot ciklą. Kaip pasikeis šilumos variklio efektyvumas, jei esant pastoviai 17 ° C šaldytuvo temperatūrai, šildytuvo temperatūra padidinama nuo 127 iki 447 ° C?
Problemos numeris 525
Nustatykite traktoriaus variklio efektyvumą, kuriam atlikti prireikė 1,5 kg degalų, kurių specifinė šilumingumo vertė 4,2 107J / kg, kad būtų galima atlikti 1,9 107J darbus.
Kompiuterio testo atlikimas tam tikra tema.<4 priedėlis > Darbas su šiluminio variklio modeliu.
USE kodifikatoriaus temos: šilumos variklių veikimo principai, šilumos variklio efektyvumas, šilumos varikliai ir aplinkos apsauga.
Trumpai tariant, šilumos mašinos paversti šilumą į darbą arba, atvirkščiai, darbą į šilumą.
Šilumos varikliai yra dviejų tipų - priklausomai nuo juose vykstančių procesų krypties.
1. Šilumos varikliaišilumą, gaunamą iš išorinio šaltinio, paversti mechaniniu darbu.
2. Šaldymo mašinos perduoti šilumą iš mažiau įkaitinto korpuso į labiau įkaitusią dėl mechaninio išorinio šaltinio darbo.
Panagrinėkime šiuos šilumos variklių tipus išsamiau.
Šilumos varikliai
Mes žinome, kad darbas su kūnu yra vienas iš būdų pakeisti jo vidinę energiją: tobulas darbas tarsi ištirpsta kūne, virsdamas chaotiško judėjimo ir jo dalelių sąveikos energija.
Ryžiai. 1. Šildykite variklį
Šilumos variklis yra prietaisas, kuris, priešingai, išgauna naudingą darbą iš „chaotiškos“ vidinės kūno energijos. Šiluminio variklio išradimas radikaliai pakeitė žmogaus civilizacijos veidą.
Šiluminio variklio schema gali būti pavaizduota taip (1 pav.). Supraskime, ką reiškia šios diagramos elementai.
Darbinis kūnas variklis yra dujinis. Jis plečiasi, juda stūmoklis ir taip atlieka naudingą mechaninį darbą.
Tačiau norint priversti dujas plėstis, įveikiant išorines jėgas, būtina jas pašildyti iki temperatūros, kuri yra žymiai aukštesnė už aplinkos temperatūrą. Šiuo tikslu dujos liečiasi su šildytuvas- degantis kuras.
Kuro deginimo metu išsiskiria didelė energija, kurios dalis naudojama dujoms šildyti. Dujos gauna šilumos kiekį iš šildytuvo. Dėl šios šilumos variklis atlieka naudingą darbą.
Visa tai aišku. Kas yra šaldytuvas ir kodėl jis reikalingas?
Vieną kartą išsiplėtę dujas, mes galime kuo efektyviau panaudoti gaunamą šilumą ir visiškai ją paversti darbu. Norėdami tai padaryti, būtina dujas išplėsti izotermiškai: pirmasis termodinamikos dėsnis, kaip žinome, suteikia mums šiuo atveju.
Tačiau niekam nereikia vienkartinio išplėtimo. Variklis turi veikti cikliškai, užtikrinantis periodišką stūmoklio judesių pakartojamumą. Todėl išsiplėtimo pabaigoje dujos turi būti suspaustos, grąžindamos jas į pradinę būseną.
Plėtimosi metu dujos daro teigiamą darbą. Suspaudimo metu su dujomis atliekamas teigiamas darbas (o pačios dujos atlieka neigiamą darbą). Dėl to naudingas dujų darbas per ciklą :.
Žinoma, class = "tex" alt = "(! LANG: A> 0"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}
Suspaudžiant dujas, mes turime atlikti mažiau darbo nei dujos, kai išsiplėtė.
Kaip tai galima pasiekti? Atsakymas: suspausti dujas esant mažesniam slėgiui nei buvo išsiplėtimo metu. Kitaip tariant, suspaudimo procesas turėtų vykti -diagramoje žemiau plėtimosi procesas, tai yra, ciklas turi praeiti pagal laikrodžio rodyklę(2 pav.).
Ryžiai. 2. Šildymo variklio ciklas
Pavyzdžiui, paveiksle esančiame cikle dujų darbas išsiplėtimo metu yra lygus išlenktos trapecijos plotui. Panašiai suspaudžiamų dujų darbas yra lygus išlenktos trapecijos plotui su minuso ženklu. Dėl to dujų darbas per ciklą yra teigiamas ir lygus ciklo plotui.
Gerai, bet kaip priversti dujas grįžti į pradinę būseną išilgai žemesnės kreivės, t. Y. Per būsenas su mažesniu slėgiu? Prisiminkite, kad esant tam tikram tūriui, kuo žemesnė temperatūra, tuo mažesnis dujų slėgis. Todėl suspaudimo metu dujos turi praeiti per žemesnės temperatūros būsenas.
Būtent tam skirtas šaldytuvas: iki Saunus dujos suspaudimo procese.
Šaldytuvas gali būti atmosfera (vidaus degimo varikliams) arba aušinamas tekantis vanduo (garo turbinos). Atvėsusios dujos atiduoda tam tikrą šilumos kiekį į šaldytuvą.
Bendras šilumos kiekis, kurį dujos gauna per ciklą, yra lygus. Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį:
kur yra dujų vidinės energijos pokytis per ciklą. Jis lygus nuliui: kadangi dujos grįžo į pradinę būseną (o vidinė energija, kaip prisimename, yra būsenos funkcija). Dėl to dujų darbas per ciklą yra lygus:
(1)
Kaip matote, neįmanoma visiškai iš šildytuvo sklindančios šilumos paversti darbu. Dalį šilumos reikia atiduoti į šaldytuvą, kad būtų užtikrintas proceso cikliškumas.
Degimo kuro energijos pavertimo mechaniniu darbu efektyvumo rodiklis yra šilumos variklio efektyvumas.
Šilumos variklio efektyvumas yra mechaninio darbo ir šilumos, gautos iš šildytuvo, santykis:
Atsižvelgdami į santykį (1), mes taip pat turime
(2)
Šilumos variklio efektyvumas, kaip matome, visada yra mažesnis už vienybę. Pavyzdžiui, garo turbinų efektyvumas yra apytikslis, o vidaus degimo variklių - maždaug.
Šaldymo mašinos
Kasdienė patirtis ir fiziniai eksperimentai byloja, kad šilumos mainų metu šiluma iš labiau įkaitusio kūno perkeliama į mažiau įkaitusią, bet ne atvirkščiai. Niekada nepastebimi procesai, kuriuose dėl šilumos perdavimo energija spontaniškai pereina iš šalto kūno į karštą, dėl to šaltas kūnas dar labiau atvės, o karštas kūnas dar labiau įkaista.
Ryžiai. 3. Šaldymo mašina
Pagrindinis žodis čia yra „spontaniškai“. Jei naudojate išorinį energijos šaltinį, visiškai įmanoma atlikti šilumos perdavimo iš šalto kūno į karštą procesą. Tai daro šaldytuvai.
automobilių.
Palyginti su šilumos varikliu, procesai šaldymo mašinoje yra priešingos krypties (3 pav.).
Darbinis kūnas taip pat vadinama šaldymo mašina šaltnešis... Paprastumo dėlei mes tai laikysime dujomis, kurios sugeria šilumą išsiplėtimo metu ir išsiskiria suspaudimo metu (tikruose šaldymo įrenginiuose šaltnešis yra lakus tirpalas, turintis žemą virimo temperatūrą, kuris išgarina garą ir išsiskiria kondensacijos metu).
Šaldytuvasšaldymo mašinoje tai yra korpusas, iš kurio pašalinama šiluma. Šaldytuvas perduoda šilumos kiekį į darbinį skystį (dujas), dėl to dujos plečiasi.
Suspaudimo metu dujos skleidžia šilumą šiltesniam kūnui - šildytuvas... Kad toks šilumos perdavimas įvyktų, dujos turi būti suspaustos aukštesnėje temperatūroje nei buvo išsiplėtimo metu. Tai įmanoma tik dėl darbo, kurį atlieka išorinis šaltinis (pavyzdžiui, elektros variklis (tikruose šaldymo įrenginiuose elektros variklis sukuria žemą slėgį garintuve, dėl to šaltnešis užverda ir ima šilumą); priešingai, elektros variklis sukuria aukštą slėgį kondensatoriuje, po kurio šaltnešis kondensuojasi ir šiltai duoda)). Todėl į šildytuvą perduodamas šilumos kiekis yra didesnis nei šilumos kiekis, paimtas iš šaldytuvo, tik tokiu kiekiu:
Taigi diagrama rodo šaldymo mašinos darbo ciklą prieš laikrodį... Ciklo plotas yra darbas, kurį atlieka išorinis šaltinis (4 pav.).
Ryžiai. 4. Šaldytuvo ciklas
Pagrindinis šaldymo mašinos tikslas yra atvėsinti tam tikrą baką (pavyzdžiui, šaldiklį). Šiuo atveju šis rezervuaras atlieka šaldytuvo vaidmenį, o aplinka tarnauja kaip šildytuvas - iš rezervuaro pašalinta šiluma išsklaidoma į jį.
Šaldymo mašinos efektyvumo rodiklis yra šaldymo koeficientas lygus iš šaldytuvo pašalintos šilumos ir išorinio šaltinio darbo santykiui:
Veikimo koeficientas gali būti daugiau nei vienas. Tikruose šaldytuvuose jis yra maždaug nuo 1 iki 3.
Yra dar viena įdomi programa: aušintuvas gali veikti kaip Šilumos siurblys... Tuomet jo paskirtis yra šildyti tam tikrą rezervuarą (pavyzdžiui, šildyti patalpą) dėl iš aplinkos pašalintos šilumos. Šiuo atveju šis rezervuaras bus šildytuvas, o aplinka - šaldytuvas.
Šilumos siurblio efektyvumo rodiklis yra šildymo koeficientas lygus į šildomą baką perduotos šilumos kiekio ir išorinio šaltinio darbo santykiui:
Tikrųjų šilumos siurblių šildymo koeficiento vertės paprastai yra nuo 3 iki 5.
Šildymo mašina Karnot
Svarbiausios šilumos variklio charakteristikos yra aukščiausios ir žemiausios darbinio skysčio temperatūros vertės ciklo metu. Šios vertės yra atitinkamai pavadintos šildytuvo temperatūra ir šaldytuvo temperatūra.
Mes matėme, kad šilumos variklio efektyvumas yra griežtai mažesnis už vienybę. Kyla natūralus klausimas: koks yra didžiausias galimas šilumos variklio efektyvumas su fiksuotomis šildytuvo temperatūros ir šaldytuvo temperatūros reikšmėmis?
Tegul, pavyzdžiui, maksimali variklio darbinio skysčio temperatūra yra lygi, o minimali -. Kokia teorinė tokio variklio efektyvumo riba?
Atsakymą į šį klausimą pateikė prancūzų fizikas ir inžinierius Sadi Carnot 1824 m.
Jis išrado ir ištyrė nuostabų šilumos variklį su idealiomis dujomis kaip darbinis skystis. Ši mašina veikia Karnoto ciklas susideda iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų.
Apsvarstykite tiesioginė kilpa„Carnot“ mašina sukasi pagal laikrodžio rodyklę (5 pav.). Šiuo atveju mašina veikia kaip šilumos variklis.
Ryžiai. 5. Karnoto ciklas
Izotermija... Vietoje dujos yra termiškai kontaktuojamos su temperatūros šildytuvu ir izotermiškai plečiasi. Šilumos kiekis tiekiamas iš šildytuvo ir visiškai paverčiamas darbu šioje srityje:.
Adiabatas... Vėlesniam suspaudimui dujas būtina perkelti į žemesnės temperatūros zoną. Šiuo tikslu dujos yra termiškai izoliuotos, o po to adiabatiškai plečiasi vietoje.
Plečiantis dujos daro teigiamą darbą, ir dėl to jų vidinė energija mažėja:.
Izotermija... Šilumos izoliacija pašalinama, dujos termiškai liečiasi su šaldytuvu su temperatūra. Atsiranda izoterminis suspaudimas. Dujos išskiria šilumos kiekį į šaldytuvą ir atlieka neigiamą darbą.
Adiabatas... Šis skyrius yra būtinas norint grąžinti dujas į pradinę būseną. Adiabatinio suspaudimo metu dujos atlieka neigiamą darbą, o vidinės energijos pokytis yra teigiamas: Dujos pašildomos iki pradinės temperatūros.
Carnot nustatė šio ciklo efektyvumą (deja, skaičiavimai nepatenka į mokyklos mokymo programą):
(3)
Be to, jis tai įrodė „Carnot“ ciklo efektyvumas yra didžiausias įmanomas visiems šilumos varikliams su šildytuvo temperatūra ir šaldytuvo temperatūra .
Taigi aukščiau pateiktame pavyzdyje mes turime:
Kokia prasmė naudoti izotermas ir adiabatus, o ne kai kuriuos kitus procesus?
Pasirodo, kad izoterminiai ir adiabatiniai procesai sukuria Carnot mašiną grįžtamasis... Jį gali valdyti atvirkštinė kilpa(prieš laikrodžio rodyklę) tarp to paties šildytuvo ir šaldytuvo, nenaudojant kitų prietaisų. Tokiu atveju „Carnot“ mašina veiks kaip aušintuvas.
Gebėjimas valdyti „Carnot“ mašiną abiem kryptimis vaidina labai svarbų vaidmenį termodinamikoje. Pavyzdžiui, šis faktas tarnauja kaip nuoroda įrodant maksimalų Karnoto ciklo efektyvumą. Prie to dar grįšime kitame straipsnyje, skirtame antrajam termodinamikos dėsniui.
Šilumos varikliai ir aplinkos apsauga
Šiluminiai varikliai daro didelę žalą aplinkai. Platus jų naudojimas sukelia daugybę neigiamų padarinių.
Didžiojo kiekio šilumos energijos išsklaidymas į atmosferą padidina planetos temperatūrą. Klimato atšilimas gali virsti tirpstančiais ledynais ir katastrofiškomis nelaimėmis.
Anglies dioksido kaupimasis atmosferoje, dėl kurio sulėtėja Žemės šiluminės spinduliuotės pabėgimas į kosmosą (šiltnamio efektas), taip pat lemia klimato atšilimą.
Dėl didelės kuro degimo produktų koncentracijos aplinkos padėtis blogėja.
Tai visos civilizacijos problemos. Siekiant kovoti su žalingu šilumos variklių veikimo poveikiu, būtina didinti jų efektyvumą, mažinti toksiškų medžiagų išmetimą, kurti naujas kuro rūšis ir ekonomiškai naudoti energiją.
Pagrindinė formulės (5.12.2), kurią gavo „Carnot“, reikšmė idealios mašinos efektyvumui yra ta, kad ji nustato maksimalų galimą bet kurio šilumos variklio efektyvumą.
Remdamasis antruoju termodinamikos dėsniu *, Carnot įrodė šią teoremą: bet kokia tikra šilumos mašina, veikianti su temperatūros šildytuvuT 1 ir šaldytuvo temperatūraT 2 , efektyvumo koeficientas negali viršyti idealaus šilumos variklio efektyvumo.
* Karnotas iš tikrųjų nustatė antrąjį termodinamikos dėsnį prieš Clausiusą ir Kelviną, kai pirmasis termodinamikos dėsnis dar nebuvo griežtai suformuluotas.
Pirmiausia apsvarstykime šilumos variklį, veikiantį grįžtamuoju ciklu su tikromis dujomis. Ciklas gali būti bet koks, tik svarbu, kad būtų šildytuvo ir šaldytuvo temperatūra T 1 ir T 2 .
Tarkime, kad kito šilumos variklio (neveikiančio pagal Karnoto ciklą) efektyvumas η ’ > η . Mašinos dirba su bendru šildytuvu ir bendru šaldytuvu. Leiskite „Carnot“ mašinai dirbti atvirkštiniu ciklu (pvz., Šaldymo mašinai), o kitai mašinai - pirmyn (5.18 pav.). Šilumos variklis atlieka vienodą darbą pagal (5.12.3) ir (5.12.5) formules:
Šaldymo mašina visada gali būti suprojektuota taip, kad iš šaldytuvo paimtų tam tikrą šilumą. Q 2
= |
|
Tada pagal formulę (5.12.7) bus atliktas darbas
(5.12.12)
Kadangi pagal sąlygą η "> η , tada A "> A. Todėl šilumos variklis gali maitinti aušintuvą, ir dar lieka perteklinis darbas. Šis perteklinis darbas atliekamas naudojant šilumą, paimtą iš vieno šaltinio. Juk šiluma neperduodama į šaldytuvą, kai veikia dvi mašinos vienu metu. Bet tai prieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui.
Jei darytume prielaidą, kad η> η ", tada kitą mašiną galima priversti dirbti atvirkštiniu ciklu, o „Carnot“ mašiną - pirmyn. Mes vėl susiduriame su prieštaravimu su antruoju termodinamikos dėsniu. Todėl dvi mašinos, veikiančios grįžtamuoju ciklu, turi tą patį efektyvumą: η " = η .
Kitas dalykas, jei antroji mašina veikia negrįžtamu ciklu. Jei manytume η "
>
η ,
tada vėl prieiname prie prieštaravimo antrajam termodinamikos dėsniui. Tačiau prielaida t | "< г| не противоречит второму закону
термодинамики, так как необратимая
тепловая машина не может работать как
холодильная машина. Следовательно, КПД
любой тепловой машины η"
≤ η, arba 
Tai yra pagrindinis rezultatas:
(5.12.13)
Tikro šilumos variklių efektyvumas
Formulėje (5.12.13) pateikiama teorinė maksimalios šilumos variklių naudingumo vertės riba. Tai rodo, kad kuo aukštesnė šildytuvo temperatūra ir žemesnė šaldytuvo temperatūra, tuo efektyvesnis šilumos variklis. Tik tada, kai šaldytuvo temperatūra lygi absoliučiam nuliui, η = 1.
Tačiau šaldytuvo temperatūra praktiškai negali būti daug žemesnė už aplinkos temperatūrą. Galite padidinti šildytuvo temperatūrą. Tačiau bet kuri medžiaga (kieta medžiaga) turi ribotą atsparumą karščiui arba atsparumą karščiui. Šildant jis palaipsniui praranda savo elastines savybes, o esant pakankamai aukštai temperatūrai jis tirpsta.
Dabar pagrindinės inžinierių pastangos yra nukreiptos į variklių efektyvumo didinimą, sumažinant jų dalių trintį, degalų nuostolius dėl nepilno degimo ir pan. Tikrosios galimybės padidinti efektyvumą čia vis dar yra puikios. Taigi garo turbinos pradinė ir galutinė garo temperatūra yra maždaug tokia: T 1 = 800 K ir T 2 = 300 K. Esant tokiai temperatūrai, didžiausia efektyvumo vertė yra:
Faktinė efektyvumo vertė dėl įvairių energijos nuostolių yra maždaug 40%. Vidaus degimo varikliai turi didžiausią efektyvumą - apie 44%.
Bet kurio šilumos variklio efektyvumas negali viršyti didžiausios įmanomos vertės 
,
kur T. 1
-
absoliučią šildytuvo temperatūrą ir T 2
-
absoliuti šaldytuvo temperatūra.
Šilumos variklių efektyvumo didinimas ir priartinimas prie maksimalaus įmanomo- svarbiausias techninis iššūkis.
