המציאות המודרנית מציעה רחבההפעלה של מנועי חום. ניסיונות רבים להחליף אותם עם מנועים חשמליים נכשלו עד כה. הבעיות הקשורות להצטברות החשמל במערכות אוטונומיות נפתרות בקושי רב.

בעיות הטכנולוגיה עדיין רלוונטיותייצור של צבר אנרגיה חשמלית תוך התחשבות בשימוש ארוך הטווח שלהם. מהירות המאפיינים של כלי רכב חשמליים רחוקים מאלה של מכוניות על מנועי בעירה פנימית.

השלבים הראשונים ליצירת מנועים היברידיים יכולים להפחית באופן משמעותי פליטות מזיקות במיגסיטיס, פתרון בעיות סביבתיות.

קצת היסטוריה

היעילות של מכונות תרמיות

האפשרות של המרת אנרגיית קיטור לאנרגיההתנועה היתה ידועה בימי קדם. 130 לפנה"ס: פילוסוף הרון של אלכסנדריה הציג צעצוע אדים - eolipil - לקהל. הכדור, מלא אדים, נכנס לסיבוב תחת פעולת המטוסים שנבעו ממנו. אב טיפוס זה של טורבינות קיטור מודרניות באותם ימים לא מצא יישום.

במשך שנים רבות ומאות שנים נחשבה התפתחותו של הפילוסוף רק לצעצוע משעשע. בשנת 1629 האיטלקי ד בראנסי יצר טורבינה פעילה. קיטור הניע את הדיסק מצויד בלהבים.

מרגע זה החלה ההתפתחות המהירה של מנועי הקיטור.

מכונה תרמית

יעילות של מכונה תרמית אידיאלי

הפיכת האנרגיה הפנימית של הדלק לאנרגיה של התנועה של חלקים של מכונות ומנגנונים משמש במכונות תרמיות.

החלקים העיקריים של המכונות הם תנור (מערכת להשגת אנרגיה מבחוץ), מדיום עבודה (זה עושה אפקט שימושי), מקרר.

תנור המיועד לגוף העובד לצבור אספקה ​​מספקת של אנרגיה פנימית לביצוע עבודה שימושית. המקרר לוקח עודף אנרגיה.

המאפיין העיקרי של יעילות נקראיעילות תרמית. ערך זה מראה כמה אנרגיה הוצא על חימום הוא בילה על ביצוע עבודה שימושית. ככל שהיעילות גבוהה יותר, כך הביצועים של המכונה טובים יותר, אך ערך זה אינו עולה על 100%.

חישוב היעילות

תן לתנור לרכוש מבחוץ האנרגיה שווה Q1. הגוף העובד עשה עבודה, ואילו האנרגיה שניתן למקרר היתה Q2.

על פי ההגדרה, לחשב את הערך של היעילות:

η = A / Q1. אנו מציינים כי A = Q1 - ש2.

מכאן היעילות של מכונה תרמית, הנוסחה של אשר יש את הטופס η = (Q1 - ש2) / ש1 = 1 - Q2/ Q1, מאפשר לנו להסיק את המסקנות הבאות:

  • היעילות אינה יכולה לעלות על 1 (או 100%);
  • כדי למקסם ערך זה, יש צורך בגידול באנרגיה המתקבלת מהתנור או בהקטנת האנרגיה הניתנת למקרר.
  • הגדלת האנרגיה של התנור מושגת על ידי שינוי איכות הדלק;
  • הפחתת האנרגיה הניתנת למקרר, מאפשרת להשיג תכונות עיצוב של מנועים.

יעילות תרמית של הנוסחה

מנוע החום האידיאלי

האם ניתן ליצור מנוע כזה,אשר יעילות יהיה מקסימלי (אידיאלי - 100%)? פיזיקאי תאורטיקאי צרפתי ומהנדס מוכשר, סדי קרנו, ניסה למצוא תשובה לשאלה זו. בשנת 1824 פורסמו התיאורים התיאורטיים שלו על התהליכים המתרחשים בגזים.

הרעיון המרכזי המוטבע במכונה האידיאלית יכול להיחשב לביצוע תהליכים הפיך עם גז אידיאלי. אנחנו מתחילים עם הרחבת הגז isothermally בטמפרטורה T1. כמות החום הנדרשת לכך היא Q1. אחרי הגז ללא העברת חום מתרחב (תהליך adiabatic). לאחר שהגיע הטמפרטורה T2, הגז הוא דחוס isothermally, העברת האנרגיה ש2. הגז מוחזר למצב המקורי שלו.

היעילות של המנוע האידיאלי קרנוחישוב מדויק שווה היחס של ההבדל הטמפרטורה בין חימום וקירור התקנים לטמפרטורה כי יש דוד. זה נראה כך: η = (T1 - T2) / T1.

יעילות אפשרית של מכונה תרמית, הנוסחה של אשר יש את הטופס: η = 1 - T2/ T1, תלוי רק בערכים של הטמפרטורות של החימום ואת מצנן ולא יכול להיות יותר מ -100%.

יתר על כן, מערכת היחסים הזו מאפשרת אחד כדי להוכיח כי היעילות של מנועי חום יכולה להיות שווה אחדות רק כאשר מקרר אפס הטמפרטורה המוחלטת. כפי שאתם יודעים, ערך זה אינו ניתן להשגה.

חישובים תיאורטית של קרנו מאפשרים לנו לקבוע את היעילות המקסימלית של מכונה תרמית של כל עיצוב.

משפט הוכיח על ידי קרנו קורא כדלקמן. מכונה תרמית שרירותית בכל תנאי אינה מסוגלת להשיג יעילות גדולה מזו של מנוע חום אידיאלי.

מכונה תרמית יעילות תרמית המכונה

דוגמה לפתרון בעיות

דוגמה 1. מהי היעילות של מכונה תרמית אידיאלי, במקרה טמפרטורת החימום הוא 800oעם, ואת הטמפרטורה של מקרר על 500oמלמטה?

T1800 =oC = 1073 K, ΔT = 500oC = 500 K, η -?

פתרון:

לפי ההגדרה: η = (T1 - T2) / T1.

אנחנו לא מקבלים את הטמפרטורה של המקרר, אבל ΔT = (T1 - T2), מכאן:

η = ΔT / T1 = 500 K / 1073 K = 0.46.

תשובה: יעילות = 46%.

דוגמה 2. לקבוע את היעילות של מנוע חום אידיאלי אםהחשבון של קילוגרול אחד שנרכש של אנרגיה מחמם עושה עבודה שימושית של 650 ג 'מה טמפרטורת החימום של מנוע חום, אם הטמפרטורה של המצנן הוא 400 K?

ש1 = 1 KJ = 1000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η - ?, T1 =?

פתרון:

בעיה זו אנו מדברים על התקנה תרמית, היעילות של אשר ניתן לחשב מהנוסחה:

η = A / Q1.

כדי לקבוע את הטמפרטורה של התנור, אנו משתמשים בנוסחה ליעילות של מנוע חום אידיאלי:

η = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2/ T1.

ביצוע טרנספורמציות מתמטיות, אנו מקבלים:

T1 = T2 / (1 - η).

T1 = T2 / (1 - A / Q1).

אנו מחשבים:

η = 650 J / 1000 J = 0.65.

T1 = 400 K / (1 650 J / 1000 J) = 1142.8 ק.

התשובה היא: η = 65%, T1 = 1142.8 ק

תנאים אמיתיים

מנוע החום האידיאלי מתוכנן תוך התחשבות בתהליכים האידיאליים. העבודה נעשית רק בתהליכים איזותרמיים, עוצמתה מוגדרת כשטח המוגבל על ידי גרף מחזור קרנו.

יעילות מקסימלית של מכונה תרמית

למעשה, ליצור תנאים לזרוםתהליך שינוי מצב הגז ללא שינויי טמפרטורה נלווים אינו אפשרי. אין חומר כזה שלא יכלול חילופי חום עם אובייקטים שמסביב. התהליך האדיאבי הופך לבלתי אפשרי. במקרה של החלפת חום, טמפרטורת הגז חייבת להשתנות.

היעילות של מכונות תרמיות שנוצרו במציאותתנאי, שונים באופן משמעותי מן היעילות של מנועי אידיאלי. אנו מציינים כי התהליכים במנועים אמיתיים מתרחשים במהירות כה רבה עד כי וריאציה של האנרגיה התרמית הפנימית של החומר העובד במהלך תהליך שינוי הנפח שלה אינה ניתנת לפיצוי על ידי זרם החום מהתנור והחזרה למקרר.

מנועים תרמיים אחרים

מנועי נדל לעבוד על מחזורים אחרים:

  • מחזור אוטו: התהליך עבור נפח ללא שינוי משתנה באופן שונה, יוצר מחזור סגור;
  • מחזור דיזל: isobar, adiabat, isochor, adiabat;
  • טורבינת גז: תהליך המתרחש בלחץ מתמיד, מוחלף בתהליך אדיבטיבי, סוגר את המחזור.

יצירת שיווי משקל תהליכים אמיתימנועי (כדי לקרב אותם אידיאלי) בתנאים של הטכנולוגיה המודרנית אינו אפשרי. היעילות של מכונות תרמיות הוא הרבה יותר נמוך, אפילו לוקח בחשבון את תנאי טמפרטורה זהה כמו ההתקנה החום האידיאלי.

אבל לא להפחית את התפקיד של הנוסחה המחושבת על היעילות של מחזור קרנו, שכן הוא הופך את נקודת התייחסות בתהליך של עבודה על הגדלת היעילות של מנועי אמיתי.

דרכים לשנות את היעילות

על ידי השוואת תרמית אידיאלית אמיתיתמנועי, ראוי לציין כי הטמפרטורה של המקרר לא יכול להיות כל. בדרך כלל מקרר נחשב לאווירה. קבל את הטמפרטורה של האטמוספירה יכול להיות רק חישובים משוערים. הניסיון מלמד כי טמפרטורת המצנן שווה לטמפרטורת גזי הפליטה במנועים, כמו במקרה של מנועי בעירה פנימית (מקוצר ל- ICE).

מהי היעילות של מכונה תרמית אידיאלית

ICE - הנפוץ ביותר בעולם שלנומכונה תרמית. היעילות של מנוע החום במקרה זה תלויה בטמפרטורה שנוצרה על ידי הדלק הבוער. הבדל משמעותי בין ICE לבין מנועי קיטור הוא היתוך של פונקציות החימום ואת הגוף העובד של המכשיר בתערובת דלק אוויר. שריפה, תערובת יוצרת לחץ על חלקים נעים של המנוע.

עליית הטמפרטורה של גזים עובד להגיע,שינוי משמעותי במאפייני הדלק. למרבה הצער, זה בלתי אפשרי לעשות את זה ללא הגבלה. כל חומר שממנו חדר הבעירה של המנוע הוא עשה את נקודת ההתכה שלה. ההתנגדות החום של חומרים כאלה היא המאפיין העיקרי של המנוע, כמו גם את האפשרות להשפיע באופן משמעותי על היעילות.

ערכים של יעילות המנוע

אם ניקח בחשבון טורבינת קיטור, את הטמפרטורהעובד קיטור בקלט אשר שווה ל 800 K, ואת פליטה גז - 300 K, אז את היעילות של מכונה זו הוא 62%. במציאות, ערך זה אינו עולה על 40%. ירידה כזו מתרחשת עקב הפסדים תרמיים כאשר פגז הטורבינה מחומם.

לקבוע את היעילות של מנוע חום אידיאלי

הערך הגבוה ביותר של היעילות של מנועי בעירה פנימיתהבעירה אינה עולה על 44%. הגדלת ערך זה הוא עניין של העתיד הקרוב. שינוי המאפיינים של חומרים, דלק - זוהי בעיה שעליה המוחות הטובים ביותר של האנושות עבודה.

</ p>