Jedan od važnih parametara rada svakog uređaja, za koji je učinkovitost pretvorbe energije od posebne važnosti, je učinkovitost. Prema definiciji, korisnost opreme određena je omjerom korisne energije i maksimalne energije i izražava se koeficijentom η. To je, u pojednostavljenom smislu, željeni koeficijent, učinkovitost hladnjaka i grijača, koji se može naći u svakom tehničkom uputstvu. U ovom slučaju morate znati neke tehničke točke.

Učinkovitost uređaja i komponenti

Faktor učinkovitosti, koji čitatelje najviše zanima, neće se odnositi na cijeli rashladni uređaj. Najčešće - instalirani kompresor koji osigurava potrebne parametre hlađenja ili motor. Zato, kada se pitate kolika je učinkovitost hladnjaka, preporučujemo da se raspitate o ugrađenom kompresoru i postotku.

Bolje je razmotriti ovo pitanje s primjerom. Primjerice, tu je hladnjak Ariston MB40D2NFE (2003.) koji ima ugrađen kompresor Danfoss NLE13KK.3 R600a, snage 219W pri uvjetima radne temperature od -23,3°C. U slučaju rashladnih kompresora, to može ovisiti o parametru RC (radni kondenzator), u našem slučaju to je 1,51 (bez RC, -23,3°C) i 1,60 (s RC, -23,3°C). Ovi podaci mogu se naći u tehničkim parametrima. Utjecaj kondenzatora na rad uređaja je u tome što omogućuje brže postizanje radne brzine i time povećava njegov korisni učinak.

Učinkovitost motora vaše rashladne jedinice povezana je sa snagom i potrošnjom energije. Očito, što je niži koeficijent, što više električne energije model troši, to je manje učinkovit. Odnosno, maksimalni koeficijent može se neizravno odrediti razredom potrošnje energije - A+++.

Faktor učinkovitosti kompresora veći od 1 – kako i zašto?

Često pitanje koeficijenta korisnog djelovanja brine ljude koji se malo sjećaju svog školskog tečaja fizike i ne mogu razumjeti zašto je korisno djelovanje veće od 100%. Ovo pitanje zahtijeva mali izlet u fiziku. Postavlja se pitanje može li faktor učinkovitosti toplinskog generatora biti veći od 1?

Ovo pitanje je jasno pokrenuto među stručnjacima 2006. godine, kada je u “Argumentima i činjenicama” broj 8 objavljeno da su vrtložni generatori topline sposobni proizvesti 172%. Unatoč odjecima znanja iz kolegija fizike, gdje je učinkovitost uvijek manja od 1, takav je parametar moguć, ali pod određenim uvjetima. Govorimo konkretno o svojstvima Carnotovog ciklusa.

Godine 1824. francuski inženjer S. Carnot ispitao je i opisao jedan kružni proces, koji je kasnije odigrao odlučujuću ulogu u razvoju termodinamike i uporabi toplinskih procesa u tehnici. Carnotov ciklus se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate.

Izvodi se plinom u cilindru s klipom, a koeficijent učinkovitosti izražava se kroz parametre grijača i hladnjaka i čini omjer. Posebnost je činjenica da se toplina može prenositi između izmjenjivača topline bez obavljanja rada klipa, zbog čega se Carnotov ciklus smatra najučinkovitijim procesom koji se može simulirati u uvjetima potrebne izmjene topline. Drugim riječima, koristan učinak rashladnog uređaja s implementiranim Carnotovim ciklusom bit će najveći, točnije maksimalan.

Ako se ovaj dio teorije mnogi sjećaju iz školskog tečaja, onda se ostatak često gubi iza kulisa. Glavna ideja je da se ovaj ciklus može završiti u bilo kojem smjeru. Toplinski stroj obično radi u prednjem ciklusu, a rashladni uređaji u obrnutom ciklusu, kada se toplina reducira u hladnom spremniku i prenosi na vrući zahvaljujući vanjskom izvoru rada - kompresoru.

Do situacije u kojoj je koeficijent korisnosti veći od 1 dolazi ako se izračunava iz drugog koeficijenta korisnosti, odnosno omjera W(primljeno)/W(potrošeno) pod jednim uvjetom. Sastoji se u tome da potrošena energija znači samo korisnu energiju koja se koristi za stvarne troškove. Kao rezultat toga, u termodinamičkim ciklusima dizalica topline moguće je odrediti troškove energije koji će biti manji od količine proizvedene topline. Dakle, s korisnom opremom manjom od 1, učinkovitost dizalice topline može biti veća.

Termodinamička učinkovitost je uvijek manja od 1

U rashladnim (toplinskim) strojevima formula obično uzima u obzir termodinamičku učinkovitost i koeficijent hlađenja. U rashladnim jedinicama ovaj koeficijent podrazumijeva učinkovitost ciklusa za dobivanje korisnog rada kada se toplina dovodi radnom uređaju iz vanjskog izvora (odašiljača topline) i uklanja u drugom dijelu kruga topline u svrhu prijenosa na drugi vanjski prijemnik. .

Ukupno, radni fluid prolazi kroz dva procesa - ekspanziju i kompresiju, koji odgovaraju parametru rada. Najučinkovitijim uređajem smatra se kada je dovedena toplina manja od odvedene topline - to će učinkovitost ciklusa biti izraženija.

Stupanj savršenstva termodinamičkog uređaja koji toplinu pretvara u mehanički rad procjenjuje se toplinskim koeficijentom u postocima, što u ovom slučaju može biti od interesa. Toplinska učinkovitost obično mjeri i mjeri koliko topline iz grijača i hladnjaka stroj pretvara u rad pod određenim uvjetima koji se smatraju idealnim. Vrijednost toplinskog parametra uvijek je manja od 1 i ne može biti veća, kao što je slučaj kod kompresora. Na temperaturi od 40° uređaj će raditi s minimalnom učinkovitošću.

Eventualno

U modernim kućanskim rashladnim uređajima koristi se obrnuti Carnotov proces, a temperatura hladnjaka se može odrediti ovisno o količini topline prenesenoj s grijaćeg tijela. Parametri rashladne komore i grijača u praksi mogu biti potpuno različiti, a ovise i o vanjskom radu motora s kompresorom koji ima svoj parametar učinkovitosti. U skladu s tim, ovi parametri (učinkovitost hladnjaka u postocima) s temeljno identičnim termodinamičkim procesom ovisit će o tehnologiji koju implementira proizvođač.

Budući da prema formuli koeficijent korisnosti ovisi o temperaturama izmjenjivača topline, tehnički parametri pokazuju koliki se postotak korisnosti može dobiti pod određenim idealnim uvjetima. To su podaci koji se mogu koristiti za usporedbu modela različitih marki ne samo na temelju fotografija, uključujući one koji rade u normalnim uvjetima ili na vrućini do 40°.

Faktor učinkovitosti (učinkovitost) je pojam koji se može primijeniti na, možda, svaki sustav i uređaj. Čak i osoba ima faktor učinkovitosti, iako vjerojatno još nema objektivne formule za njegovo pronalaženje. U ovom članku ćemo detaljno objasniti što je učinkovitost i kako se može izračunati za različite sustave.

Definicija učinkovitosti

Učinkovitost je pokazatelj koji karakterizira učinkovitost sustava u smislu izlazne energije ili pretvorbe. Učinkovitost je nemjerljiva veličina i predstavlja se ili kao brojčana vrijednost u rasponu od 0 do 1, ili kao postotak.

Opća formula

Učinkovitost je označena simbolom Ƞ.

Opća matematička formula za pronalaženje učinkovitosti napisana je na sljedeći način:

Ƞ=A/Q, gdje je A korisna energija/rad koji izvodi sustav, a Q je energija koju ovaj sustav troši da organizira proces dobivanja korisnog izlaza.

Faktor učinkovitosti je, nažalost, uvijek manji ili jednak jedinici, jer prema zakonu održanja energije ne možemo dobiti veći rad od utrošene energije. Osim toga, učinkovitost je, zapravo, izuzetno rijetko jednaka jedinici, budući da je koristan rad uvijek popraćen gubicima, na primjer, za zagrijavanje mehanizma.

Učinkovitost toplinskog motora

Toplinski stroj je uređaj koji toplinsku energiju pretvara u mehaničku. U toplinskom stroju rad je određen razlikom između količine topline primljene od grijača i količine topline predane hladnjaku, pa se stoga učinkovitost određuje formulom:

• Ƞ=Qn-Qh/Qn, gdje je Qn količina topline primljena od grijača, a Qh je količina topline predana hladnjaku.

Vjeruje se da najveću učinkovitost osiguravaju motori koji rade na Carnotovom ciklusu. U ovom slučaju, učinkovitost se određuje formulom:

• Ƞ=T1-T2/T1, gdje je T1 temperatura toplog izvora, T2 je temperatura hladnog izvora.

Učinkovitost elektromotora

Elektromotor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku, pa je učinkovitost u ovom slučaju omjer učinkovitosti uređaja u pretvaranju električne energije u mehaničku. Formula za pronalaženje učinkovitosti elektromotora izgleda ovako:

• Ƞ=P2/P1, gdje je P1 isporučena električna snaga, P2 je korisna mehanička snaga koju proizvodi motor.

Električna snaga se nalazi kao umnožak struje i napona sustava (P=UI), a mehanička snaga kao omjer rada po jedinici vremena (P=A/t)

Učinkovitost transformatora

Transformator je uređaj koji pretvara izmjeničnu struju jednog napona u izmjeničnu struju drugog napona, zadržavajući frekvenciju. Osim toga, transformatori također mogu pretvarati izmjeničnu struju u istosmjernu.

Učinkovitost transformatora nalazi se formulom:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), gdje je P0 gubitak u praznom hodu, PL je gubitak u opterećenju, P2 je aktivna snaga koja se dovodi opterećenju, n je relativni stupanj opterećenja.

Učinkovitost ili neučinkovitost?

Važno je napomenuti da osim učinkovitosti, postoji niz pokazatelja koji karakteriziraju učinkovitost energetskih procesa, a ponekad se mogu susresti i opisi poput - učinkovitost reda veličine 130%, no u ovom slučaju treba shvatiti da pojam nije sasvim ispravno upotrijebljen, a najvjerojatnije autor ili proizvođač ovu kraticu shvaćaju kao malo drugačiju karakteristiku.

Na primjer, dizalice topline se razlikuju po tome što mogu osloboditi više topline nego što je potroše. Dakle, rashladni stroj može ukloniti više topline iz objekta koji se hladi nego što je potrošeno u ekvivalentu energije za organiziranje uklanjanja. Pokazatelj učinkovitosti rashladnog stroja naziva se koeficijent hlađenja, označen slovom Ɛ i određen formulom: Ɛ=Qx/A, gdje je Qx toplina odvedena s hladnog kraja, A je rad utrošen u procesu odvođenja . Međutim, ponekad se koeficijent hlađenja naziva i učinkovitost rashladnog stroja.

Zanimljivo je i to da se učinkovitost kotlova na organsko gorivo obično računa na temelju niže ogrjevne vrijednosti, a može biti i veća od jedinice. Međutim, to se još uvijek tradicionalno naziva učinkovitost. Moguće je utvrditi učinkovitost kotla prema višoj ogrjevnoj vrijednosti i tada će ona uvijek biti manja od jedan, ali u tom slučaju bit će nezgodno uspoređivati ​​učinkovitost kotla s podacima iz drugih instalacija.

>>Fizika: Princip rada toplinskih strojeva. Koeficijent djelovanja (učinkovitosti) toplinskih strojeva

Zalihe unutarnje energije u zemljinoj kori i oceanima mogu se smatrati praktički neograničenima. Ali za rješavanje praktičnih problema nije dovoljno imati rezerve energije. Također je potrebno moći koristiti energiju za pokretanje alatnih strojeva u tvornicama i tvornicama, vozila, traktora i drugih strojeva, za okretanje rotora generatora električne struje itd. Čovječanstvu su potrebni motori - uređaji sposobni za rad. Većina motora na Zemlji je toplinski strojevi. Toplinski strojevi su uređaji koji pretvaraju unutarnju energiju goriva u mehaničku energiju.
Principi rada toplinskih strojeva. Da bi motor mogao raditi, mora postojati razlika u tlaku s obje strane klipa motora ili lopatica turbine. Kod svih toplinskih motora ta se razlika tlakova postiže povećanjem temperature radnog fluida (plina) za stotine ili tisuće stupnjeva u odnosu na temperaturu okoline. Ovo povećanje temperature događa se kada gorivo izgara.
Jedan od glavnih dijelova motora je posuda ispunjena plinom s pomičnim klipom. Radna tekućina svih toplinskih strojeva je plin koji prilikom širenja obavlja rad. Označimo početnu temperaturu radnog fluida (plina) sa T1. Tu temperaturu u parnim turbinama ili strojevima postiže para u parnom kotlu. U motorima s unutarnjim izgaranjem i plinskim turbinama do porasta temperature dolazi dok gorivo izgara unutar samog motora. Temperatura T 1 temperatura grijača."
Uloga hladnjaka. Kako se rad obavlja, plin gubi energiju i neizbježno se hladi na određenu temperaturu. T 2, koja je obično malo viša od temperature okoline. Zovu je temperatura hladnjaka. Hladnjak je atmosfera ili posebni uređaji za hlađenje i kondenzaciju otpadne pare - kondenzatori. U potonjem slučaju, temperatura hladnjaka može biti nešto niža od atmosferske temperature.
Dakle, u motoru radna tekućina tijekom ekspanzije ne može predati svu svoju unutarnju energiju za obavljanje rada. Dio topline neizbježno se prenosi u hladnjak (atmosferu) zajedno s otpadnom parom ili ispušnim plinovima iz motora s unutarnjim izgaranjem i plinskih turbina. Ovaj dio unutarnje energije se gubi.
Toplinski stroj obavlja rad koristeći unutarnju energiju radnog fluida. Štoviše, u tom se procesu toplina prenosi s toplijih tijela (grijač) na hladnija (hladnjak).
Principski dijagram toplinskog stroja prikazan je na slici 13.11.
Radna tekućina motora dobiva toplinu od grijača tijekom izgaranja goriva P 1 radi A´ i prenosi količinu topline u hladnjak P 2 .
Koeficijent djelovanja (učinkovitosti) toplinskog stroja Nemogućnost potpunog pretvaranja unutarnje energije plina u rad toplinskih strojeva posljedica je nepovratnosti procesa u prirodi. Kad bi se toplina mogla spontano vratiti iz hladnjaka u grijač, tada bi se unutarnja energija mogla potpuno pretvoriti u koristan rad pomoću bilo kojeg toplinskog stroja.
Prema zakonu održanja energije, rad motora jednak je:

Gdje P 1- količina topline primljena od grijača, i P 2- količina topline prenesena u hladnjak.
Koeficijent djelovanja (učinkovitosti) toplinskog stroja naziva radni stav A´ vrši motor na količinu topline primljenu od grijača:

Budući da svi motori predaju određenu količinu topline hladnjaku, tada je η<1.
Učinkovitost toplinskog stroja proporcionalna je razlici temperature između grijača i hladnjaka. Na T 1 -T 2=0 Motor ne može raditi.
Maksimalna vrijednost učinkovitosti toplinskih strojeva. Zakoni termodinamike omogućuju izračunavanje najveće moguće učinkovitosti toplinskog stroja koji radi s grijačem koji ima temperaturu T 1, te hladnjak s temp T 2. To je prvi učinio francuski inženjer i znanstvenik Sadi Carnot (1796.-1832.) u svom djelu “Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o strojevima sposobnim razviti tu silu” (1824.).
Carnot je došao do idealnog toplinskog stroja s idealnim plinom kao radnim fluidom. Idealan Carnotov toplinski stroj radi na ciklusu koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Najprije se posuda s plinom dovodi u kontakt s grijačem, plin se izotermno širi, vršeći pozitivan rad, na temperaturi T1, pritom on prima količinu topline P 1.
Zatim se posuda toplinski izolira, plin se nastavlja adijabatski širiti, a njegova temperatura pada na temperaturu hladnjaka. T 2. Nakon toga, plin se dovodi u kontakt s hladnjakom tijekom izotermne kompresije, prenosi količinu topline u hladnjak P 2, skupljajući se na volumen V 4 . Zatim se posuda ponovno toplinski izolira, plin se adijabatski komprimira na volumen V 1 i vraća se u prvobitno stanje.
Carnot je dobio sljedeći izraz za učinkovitost ovog stroja:

Kao što se i moglo očekivati, učinkovitost Carnotovog stroja izravno je proporcionalna razlici u apsolutnim temperaturama grijača i hladnjaka.
Glavno značenje ove formule je da svaki pravi toplinski stroj koji radi s grijačem ima temperaturu T1, i hladnjak s temperaturom T 2, ne može imati učinkovitost veću od one idealnog toplinskog motora.

Formula (13.19) daje teoretsku granicu za najveću vrijednost učinkovitosti toplinskih motora. To pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, to je toplinski stroj učinkovitiji. Samo pri temperaturi hladnjaka koja je jednaka apsolutnoj nuli, η =1.
Ali temperatura hladnjaka praktički ne može biti niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, svaki materijal (čvrsto tijelo) ima ograničenu otpornost na toplinu, odnosno otpornost na toplinu. Kada se zagrijava, postupno gubi elastična svojstva, a na dovoljno visokoj temperaturi se topi.
Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje učinkovitosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog nepotpunog izgaranja itd. Stvarne mogućnosti za povećanje učinkovitosti ovdje i dalje ostaju velike. Dakle, za parnu turbinu, početna i konačna temperatura pare su približno sljedeće: T 1≈800 K i T 2≈300 K. Na ovim temperaturama maksimalna vrijednost učinkovitosti je:

Stvarna vrijednost učinkovitosti zbog različitih vrsta gubitaka energije je približno 40%. Maksimalnu učinkovitost - oko 44% - postižu Dieselovi motori.
Povećati učinkovitost toplinskih strojeva i približiti je maksimalnoj mogućoj najvažniji je tehnički zadatak.
Toplinski strojevi obavljaju rad zbog razlike u tlaku plina na površinama klipova ili turbinskih lopatica. Ova razlika tlaka nastaje zbog razlike u temperaturi. Najveća moguća učinkovitost proporcionalna je ovoj temperaturnoj razlici i obrnuto proporcionalna apsolutnoj temperaturi grijača.
Toplinski stroj ne može raditi bez hladnjaka, čiju ulogu obično ima atmosfera.

???
1. Koji se uređaj naziva toplinski stroj?
2. Koja je uloga grijača, hladnjaka i radnog medija u toplinskom stroju?
3. Koja je učinkovitost motora?
4. Koja je najveća vrijednost učinkovitosti toplinskog stroja?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fizika 10. razred

Sadržaj lekcije bilješke lekcija prateći okvir lection presentation metode ubrzanja interaktivne tehnologije Praksa zadaci i vježbe radionice za samotestiranje, treninzi, slučajevi, potrage domaća zadaća pitanja za raspravu retorička pitanja učenika Ilustracije audio, video isječci i multimedija fotografije, slike, grafike, tablice, dijagrami, humor, anegdote, vicevi, stripovi, parabole, izreke, križaljke, citati Dodaci sažetakačlanci trikovi za znatiželjne jaslice udžbenici osnovni i dodatni rječnik pojmova ostalo Poboljšanje udžbenika i nastaveispravljanje grešaka u udžbeniku ažuriranje ulomka u udžbeniku, elementi inovacije u nastavi, zamjena zastarjelih znanja novima Samo za učitelje savršene lekcije kalendarski plan za godinu; metodičke preporuke; Integrirane lekcije

Ako imate ispravke ili prijedloge za ovu lekciju,

Radni fluid, primajući određenu količinu topline Q 1 od grijača, daje dio te količine topline, jednak modulu |Q2|, hladnjaku. Stoga učinjeni posao ne može biti veći A = Q 1- |Q 2 |. Omjer ovog rada i količine topline koju plin koji se širi iz grijača prima nazivamo učinkovitost toplotna mašina:

Učinkovitost toplinskog stroja koji radi u zatvorenom ciklusu uvijek je manja od jedinice. Zadatak termoenergetike je da iskoristivost bude što veća, odnosno da se što više topline dobivene od grijača iskoristi za proizvodnju rada. Kako se to može postići?
Po prvi put je najsavršeniji ciklički proces, koji se sastoji od izotermi i adijabata, predložio francuski fizičar i inženjer S. Carnot 1824. godine.

Carnotov ciklus.

Pretpostavimo da se plin nalazi u cilindru čije su stijenke i klip izrađeni od materijala za toplinsku izolaciju, a dno od materijala visoke toplinske vodljivosti. Volumen koji plin zauzima jednak je V 1.

Slika 2

Dovedimo cilindar u kontakt s grijačem (slika 2) i dajmo plinu priliku da se izotermno širi i izvrši rad . Plin dobiva određenu količinu topline od grijača P 1. Ovaj proces je grafički prikazan izotermom (krivulja AB).

Slika 3

Kada volumen plina postane jednak određenoj vrijednosti V 1'< V 2 , dno cilindra je izolirano od grijača , Nakon toga plin se adijabatski širi do volumena V 2, koji odgovara najvećem mogućem hodu klipa u cilindru (adijabatski Sunce). U tom slučaju plin se hladi na temperaturu T 2< T 1 .
Ohlađeni plin sada se može izotermno komprimirati na temperaturi T2. Da bi se to postiglo, mora se dovesti u kontakt s tijelom iste temperature T 2, tj. s hladnjakom , a plin komprimirati vanjskom silom. Međutim, u tom procesu plin se neće vratiti u prvobitno stanje - njegova temperatura će uvijek biti niža od T 1.
Stoga se izotermna kompresija dovodi do određenog međuvolumena V 2 '>V 1(izoterma CD). U tom slučaju plin predaje malo topline hladnjaku Q2, jednak radu kompresije koji se na njemu izvrši. Nakon toga plin se adijabatski komprimira na volumen V 1, u isto vrijeme njegova temperatura raste do T 1(adijabatski D.A.). Sada se plin vratio u svoje prvobitno stanje, u kojem je njegov volumen jednak V 1, temperatura - T1, pritisak - str 1, i ciklus se može ponovno ponoviti.

Dakle, na mjestu ABC plin radi (A > 0), i na mjestu CDA rad obavljen na plinu (A< 0). Na nalazištima Sunce I OGLAS rad se vrši samo promjenom unutarnje energije plina. Od promjene unutarnje energije UBC = – UDA, tada je rad tijekom adijabatskih procesa jednak: ABC = –ADA. Posljedično, ukupni rad obavljen po ciklusu određen je razlikom obavljenog rada tijekom izotermnih procesa (odjeljci AB I CD). Numerički, ovaj rad je jednak površini figure ograničene krivuljom ciklusa ABCD.
Samo se dio količine topline stvarno pretvara u koristan rad QT, primljen od grijača, jednako QT 1 – |QT 2 |. Dakle, u Carnotovom ciklusu koristan rad A = QT 1– |QT 2 |.
Maksimalna učinkovitost idealnog ciklusa, kako je pokazao S. Carnot, može se izraziti u smislu temperature grijača (T 1) i hladnjak (T 2):

U stvarnim motorima nije moguće implementirati ciklus koji se sastoji od idealnih izotermnih i adijabatskih procesa. Stoga je učinkovitost ciklusa koji se provodi u stvarnim motorima uvijek manja od učinkovitosti Carnotovog ciklusa (pri istim temperaturama grijača i hladnjaka):

Formula pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, veća je učinkovitost motora.

Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - talentirani francuski inženjer i fizičar, jedan od utemeljitelja termodinamike. U svom djelu “Razmišljanja o pogonskoj sili vatre i o strojevima sposobnim razviti tu silu” (1824.) prvi je pokazao da toplinski strojevi mogu obavljati rad samo u procesu prijenosa topline s vrućeg tijela na hladno. Carnot je smislio idealan toplinski stroj, izračunao učinkovitost idealnog stroja i dokazao da je taj koeficijent najveći mogući za bilo koji pravi toplinski stroj.
Kao pomoć u svojim istraživanjima, Carnot je 1824. izumio (na papiru) idealni toplinski stroj s idealnim plinom kao radnim fluidom. Važna uloga Carnotovog motora nije samo u njegovoj mogućoj praktičnoj primjeni, već iu činjenici da nam omogućuje objasniti principe rada toplinskih strojeva općenito; Jednako je važno da je Carnot uz pomoć svog motora uspio značajno pridonijeti potkrijepljenju i razumijevanju drugog zakona termodinamike. Svi procesi u Carnotovom stroju smatraju se ravnotežnim (reverzibilnim). Reverzibilni proces je proces koji se odvija toliko sporo da se može smatrati sekvencijalnim prijelazom iz jednog ravnotežnog stanja u drugo itd., a cijeli ovaj proces se može izvesti u suprotnom smjeru bez promjene obavljenog rada i količine prenesena toplina. (Imajte na umu da su svi stvarni procesi ireverzibilni) U stroju se odvija kružni proces ili ciklus u kojem se sustav, nakon niza transformacija, vraća u prvobitno stanje. Carnotov ciklus se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Krivulje A - B i C - D su izoterme, a B - C i D - A su adijabate. Prvo se plin izotermno širi na temperaturi T 1 . Pritom dobiva količinu topline Q 1 od grijača. Tada se adijabatski širi i ne izmjenjuje toplinu s okolnim tijelima. Nakon toga slijedi izotermna kompresija plina na temperaturi T 2 . U tom procesu plin predaje količinu topline Q 2 hladnjaku. Na kraju se plin adijabatski komprimira i vraća u prvobitno stanje. Tijekom izotermnog širenja, plin obavlja rad A" 1 >0, jednak količini topline Q 1. Kod adijabatskog širenja B - C, pozitivan rad A" 3 jednak je smanjenju unutarnje energije kada se plin ohladi od temperature T 1 do temperature T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2). Izotermna kompresija na temperaturi T 2 zahtijeva rad A 2 koji se mora izvršiti na plinu. Plin obavlja odgovarajući negativan rad A" 2 = -A 2 = Q 2. Konačno, adijabatska kompresija zahtijeva rad na plinu A 4 = dU 2,1. Rad samog plina A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Stoga je ukupni rad plina tijekom dva adijabatska procesa jednak nuli. Tijekom ciklusa, plin obavlja rad A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Ovaj rad je numerički jednak površini slike ograničene krivuljom ciklusa. Za izračun učinkovitosti potrebno je izračunati rad za izotermne procese A - B i C - D. Izračuni dovode do sljedećeg rezultata: (2) Učinkovitost Carnotovog toplinskog stroja jednaka je omjeru razlike između apsolutnih temperatura grijača i hladnjaka i apsolutne temperature grijača. Glavno značenje Carnotove formule (2) za učinkovitost idealnog stroja je to što ona određuje najveću moguću učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja. Carnot je dokazao sljedeći teorem: svaki pravi toplinski stroj koji radi s grijačem na temperaturi T 1 i hladnjakom na temperaturi T 2 ne može imati učinkovitost koja premašuje učinkovitost idealne toplinske mašine. Učinkovitost stvarnih toplinskih strojeva Formula (2) daje teorijsku granicu za maksimalnu vrijednost učinkovitosti toplinskih strojeva. To pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, to je toplinski stroj učinkovitiji. Samo pri temperaturi hladnjaka jednakoj apsolutnoj nuli učinkovitost je jednaka 1. U pravim toplinskim strojevima procesi se odvijaju tako brzo da se smanjenje i povećanje unutarnje energije radne tvari pri promjeni volumena nema vremena kompenzirati dotok energije iz grijača i otpuštanje energije u hladnjak. Stoga se izotermni procesi ne mogu ostvariti. Isto vrijedi i za strogo adijabatske procese, jer u prirodi nema idealnih toplinskih izolatora. Ciklusi koji se provode u pravim toplinskim strojevima sastoje se od dvije izohore i dvije adijabate (u Ottovom ciklusu), od dvije adijabate, izobare i izohore (u Dieselovom ciklusu), od dvije adijabate i dvije izobare (u plinskoj turbini) itd. U ovom slučaju treba imati na umu da ovi ciklusi mogu biti i idealni, poput Carnotovog ciklusa. Ali za to je potrebno da temperature grijača i hladnjaka nisu konstantne, kao u Carnotovom ciklusu, već da se mijenjaju na isti način kao što se mijenja temperatura radne tvari u procesima izohornog zagrijavanja i hlađenja. Drugim riječima, radna tvar mora biti u dodiru s beskonačno velikim brojem grijača i hladnjaka - samo u tom slučaju postojat će ravnotežni prijenos topline na izohorama. Naravno, u ciklusima pravih toplinskih strojeva procesi su neravnotežni, zbog čega je učinkovitost stvarnih toplinskih strojeva u istom rasponu temperatura znatno manja od učinkovitosti Carnotovog ciklusa. U isto vrijeme, izraz (2) igra veliku ulogu u termodinamici i svojevrsni je "svjetionik" koji ukazuje na načine povećanja učinkovitosti stvarnih toplinskih motora.
	U Otto ciklusu, radna smjesa se prvo usisava u cilindar 1-2, zatim adijabatska kompresija 2-3 i nakon njenog izohornog izgaranja 3-4, praćena povećanjem temperature i tlaka produkata izgaranja, njihovom adijabatskom ekspanzijom. 4-5 dolazi do izohornog pada tlaka 5 -2 i izobarnog istiskivanja ispušnih plinova klipom 2-1. Kako se na izohorama ne vrši rad, a rad pri usisu radne smjese i istiskivanju ispušnih plinova jednak je i suprotnog predznaka, korisni rad za jedan ciklus jednak je razlici rada na adijabatama širenja i kompresije i je grafički prikazano područjem ciklusa.
Uspoređujući učinkovitost pravog toplinskog stroja s učinkovitošću Carnotovog ciklusa, treba napomenuti da se u izrazu (2) temperatura T 2 u iznimnim slučajevima može podudarati s temperaturom okoline, koju uzimamo za hladnjak, ali u u općenitom slučaju prelazi temperaturu okoline. Tako, primjerice, kod motora s unutarnjim izgaranjem pod T2 treba podrazumijevati temperaturu ispušnih plinova, a ne temperaturu okoline u koju se ispušni plin proizvodi.
	Na slici je prikazan ciklus četverotaktnog motora s unutarnjim izgaranjem s izobarnim izgaranjem (Dieselov ciklus). Za razliku od prethodnog ciklusa, u odjeljku 1-2 apsorbira se. atmosferski zrak, koji je podvrgnut adijabatskoj kompresiji u presjeku 2-3 do 3 10 6 -3 10 5 Pa. Ubrizgano tekuće gorivo zapali se u okruženju visoko komprimiranog, a time i zagrijanog zraka i gori izobarno 3-4, a zatim dolazi do adijabatskog širenja produkata izgaranja 4-5. Preostali procesi 5-2 i 2-1 odvijaju se na isti način kao u prethodnom ciklusu. Treba imati na umu da su kod motora s unutarnjim izgaranjem ciklusi uvjetno zatvoreni, jer se prije svakog ciklusa cilindar napuni određenom masom radne tvari, koja se na kraju ciklusa izbacuje iz cilindra.
Ali temperatura hladnjaka praktički ne može biti mnogo niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, svaki materijal (čvrsto tijelo) ima ograničenu otpornost na toplinu, odnosno otpornost na toplinu. Kada se zagrijava, postupno gubi elastična svojstva, a na dovoljno visokoj temperaturi se topi. Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje učinkovitosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog nepotpunog izgaranja itd. Stvarne mogućnosti za povećanje učinkovitosti ovdje i dalje ostaju velike. Dakle, za parnu turbinu početna i konačna temperatura pare su približno sljedeće: T 1 = 800 K i T 2 = 300 K. Na ovim temperaturama maksimalna vrijednost koeficijenta iskoristivosti je: Stvarna vrijednost učinkovitosti zbog različitih vrsta gubitaka energije je približno 40%. Maksimalnu učinkovitost - oko 44% - postižu motori s unutarnjim izgaranjem. Učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja ne može prijeći najveću moguću vrijednost gdje je T 1 apsolutna temperatura grijača, a T 2 apsolutna temperatura hladnjaka. Povećati učinkovitost toplinskih strojeva i približiti je maksimalnoj mogućoj najvažniji je tehnički zadatak.

Clausiusova nejednakost

(1854): Količina topline koju sustav dobije u bilo kojem kružnom procesu, podijeljena s apsolutnom temperaturom na kojoj je primljena ( dano količina topline), nepozitivna.

Količina isporučene topline kvazistatički koju prima sustav ne ovisi o prijelaznom putu (određen samo početnim i završnim stanjem sustava) - za kvazistatičan procesima Clausiusova nejednakost se pretvara u jednakost .

Entropija, funkcija stanja S termodinamički sustav, čija se promjena dS za infinitezimalnu reverzibilnu promjenu stanja sustava jednaka je omjeru količine topline koju je sustav primio u tom procesu (ili oduzeo sustavu) i apsolutne temperature T:

Veličina dS je totalni diferencijal, tj. njegova integracija duž proizvoljno odabranog puta daje razliku između vrijednosti entropija u početnom (A) i konačnom (B) stanju:

Toplina nije funkcija stanja, tako da integral od δQ ovisi o odabranom prijelaznom putu između stanja A i B. Entropija mjereno u J/(mol deg).

Koncept entropija kao funkcija stanja sustava postulirana je drugi zakon termodinamike, koji se izražava kroz entropija razlika između nepovratni i reverzibilni procesi. Za prvi dS>δQ/T za drugi dS=δQ/T.

Entropija kao funkcija unutarnja energija U sustav, volumen V i broj molova n i i komponenta je karakteristična funkcija (vidi. Termodinamički potencijali). To je posljedica prvog i drugog zakona termodinamike i zapisano je jednadžbom:

Gdje R - pritisak, μ i - kemijski potencijal ja th komponenta. Derivati entropija po prirodnim varijablama U, V I n i su jednaki:

Jednostavne formule povezuju entropija s toplinskim kapacitetima pri konstantnom tlaku S str i stalan volumen Cv:

Pomoću entropija formulirani su uvjeti za postizanje termodinamičke ravnoteže sustava pri konstantnoj unutarnjoj energiji, volumenu i broju molova ja komponenta (izolirani sustav) i uvjet stabilnosti za takvu ravnotežu:

To znači da entropija izoliranog sustava dostiže maksimum u stanju termodinamičke ravnoteže. Spontani procesi u sustavu mogu se odvijati samo u smjeru povećanja entropija.

Entropija pripada skupini termodinamičkih funkcija koje se nazivaju Massier-Planckove funkcije. Ostale funkcije koje pripadaju ovoj skupini su Massierova funkcija F 1 = S - (1/T)U a Planckova funkcija F 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, može se dobiti primjenom Legendreove transformacije na entropiju.

Prema trećem zakonu termodinamike (vidi. Toplinski teorem), promijeniti entropija u reverzibilnoj kemijskoj reakciji između tvari u kondenziranom stanju teži nuli pri T→0:

Planckov postulat (alternativna formulacija termalnog teorema) kaže da entropija svaki kemijski spoj u kondenziranom stanju na temperaturi apsolutne nule je uvjetno nula i može se uzeti kao polazna točka pri određivanju apsolutne vrijednosti entropija tvari na bilo kojoj temperaturi. Jednadžbe (1) i (2) definiraju entropija do stalnog roka.

U kemijskom termodinamika naširoko se koriste sljedeći pojmovi: standard entropija S 0, tj. entropija na pritisak R=1,01·10 5 Pa (1 atm); standard entropija kemijska reakcija tj. standardna razlika entropije proizvodi i reagensi; parcijalni molar entropija komponenta višekomponentnog sustava.

Za izračun kemijske ravnoteže upotrijebite formulu:

Gdje DO - konstanta ravnoteže, i - standardno Gibbsova energija, entalpija i entropija reakcije; R- plinska konstanta.

Definicija pojma entropija za neravnotežni sustav temelji se na ideji lokalne termodinamičke ravnoteže. Lokalna ravnoteža podrazumijeva ispunjenje jednadžbe (3) za male volumene sustava koji je kao cjelina neravnotežan (vidi. Termodinamika ireverzibilnih procesa). Tijekom ireverzibilnih procesa u sustavu može doći do proizvodnje (pojave). entropija. Puni diferencijal entropija je u ovom slučaju određena Carnot-Clausiusovom nejednakošću:

Gdje dS i > 0 - diferencijal entropija, nije povezano s protokom topline već zbog proizvodnje entropija zbog nepovratnih procesa u sustavu ( difuziju. toplinska vodljivost, kemijske reakcije itd.). Lokalna proizvodnja entropija (t- vrijeme) predstavlja se kao zbroj umnožaka generaliziranih termodinamičkih sila X ja generaliziranim termodinamičkim tokovima J i:

Proizvodnja entropija zbog npr. difuzije komponente ja zbog sile i toka materije J; proizvodnja entropija zbog kemijske reakcije – silom X=A/T, Gdje A-kemijski afinitet i protok J, jednako brzini reakcije. U statističkoj termodinamici entropija izolirani sustav određen je relacijom: gdje k - Boltzmannova konstanta. - termodinamička težina stanja, jednaka broju mogućih kvantnih stanja sustava sa zadanim vrijednostima energije, volumena, broja čestica. Ravnotežno stanje sustava odgovara jednakosti populacija pojedinačnih (nedegeneriranih) kvantnih stanja. Povećavajući se entropija u ireverzibilnim procesima povezana je s uspostavljanjem vjerojatnije raspodjele zadane energije sustava među pojedinim podsustavima. Generalizirana statistička definicija entropija, što vrijedi i za neizolirane sustave, povezuje entropija s vjerojatnostima različitih mikrostanja kako slijedi:

Gdje w i- vjerojatnost ja-to stanje.

Apsolutno entropija kemijski spoj se određuje eksperimentalno, uglavnom kalorimetrijskom metodom, na temelju omjera:

Korištenje drugog principa omogućuje nam da odredimo entropija kemijske reakcije na temelju eksperimentalnih podataka (metoda elektromotorne sile, metoda tlaka pare itd.). Moguća kalkulacija entropija kemijskih spojeva koristeći metode statističke termodinamike, temeljene na molekulskim konstantama, molekularnoj težini, molekularnoj geometriji i normalnim frekvencijama vibracija. Ovaj pristup se uspješno provodi za idealne plinove. Za kondenzirane faze, statistički izračuni daju značajno manju točnost i provode se u ograničenom broju slučajeva; Posljednjih godina u tom je području učinjen značajan napredak.

Povezane informacije.

U teoretskom modelu toplinskog stroja razmatraju se tri tijela: grijač, radna tekućina I hladnjak.

Grijač – toplinski spremnik (veliko tijelo), čija je temperatura stalna.

U svakom ciklusu rada motora radna tekućina prima određenu količinu topline od grijača, širi se i vrši mehanički rad. Prijenos dijela energije primljene od grijača do hladnjaka neophodan je za vraćanje radnog fluida u prvobitno stanje.

Budući da model pretpostavlja da se temperatura grijača i hladnjaka ne mijenja tijekom rada toplinskog stroja, tada se po završetku ciklusa: grijanje-ekspanzija-hlađenje-kompresija radnog fluida smatra da se stroj vraća u prvobitno stanje.

Za svaki ciklus, na temelju prvog zakona termodinamike, možemo napisati da je količina topline Q toplina primljena od grijača, količina topline | Q hladno|.dano hladnjaku, a rad koji obavlja radno tijelo A međusobno su povezani relacijom:

A = Q toplina – | Q hladno|.

U pravim tehničkim uređajima, koji se nazivaju toplinski strojevi, radni fluid se zagrijava toplinom koja se oslobađa pri izgaranju goriva. Dakle, u parnoj turbini elektrane grijač je peć s vrućim ugljenom. U motoru s unutarnjim izgaranjem (ICE) produkti izgaranja mogu se smatrati grijačem, a višak zraka radnim fluidom. Kao hladnjak koriste atmosferski zrak ili vodu iz prirodnih izvora.

Učinkovitost toplinskog motora (stroja)

Učinkovitost toplinskog motora (učinkovitost) je omjer rada motora i količine topline primljene od grijača:

Učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja manja je od jedinice i izražava se u postocima. Nemogućnost pretvaranja cjelokupne količine topline primljene od grijača u mehanički rad cijena je za potrebu organiziranja cikličkog procesa i proizlazi iz drugog zakona termodinamike.

U stvarnim toplinskim strojevima učinkovitost je određena eksperimentalnom mehaničkom snagom N motora i količine goriva izgorjelog u jedinici vremena. Dakle, ako na vrijeme t masa izgorjelog goriva m i specifična toplina izgaranja q, To

Za vozila je referentna karakteristika često volumen V spaljeno gorivo na putu s pri mehaničkoj snazi ​​motora N i na brzinu. U ovom slučaju, uzimajući u obzir gustoću r goriva, možemo napisati formulu za izračun učinkovitosti:

Drugi zakon termodinamike

Postoji nekoliko formulacija drugi zakon termodinamike. Jedan od njih kaže da je nemoguće imati toplinski stroj koji bi radio samo zahvaljujući izvoru topline, tj. bez hladnjaka. Svjetski oceani mogli bi mu poslužiti kao praktički neiscrpan izvor unutarnje energije (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901.).

Ostale formulacije drugog zakona termodinamike ekvivalentne su ovoj.

Clausiusova formulacija(1850): nemoguć je proces u kojem bi toplina spontano prelazila s manje zagrijanih tijela na više zagrijana tijela.

Thomsonova formulacija(1851): nemoguć je kružni proces čiji bi jedini rezultat bila proizvodnja rada smanjenjem unutarnje energije toplinskog spremnika.

Clausiusova formulacija(1865): svi spontani procesi u zatvorenom neravnotežnom sustavu odvijaju se u smjeru u kojem se povećava entropija sustava; u stanju toplinske ravnoteže je maksimalan i konstantan.

Boltzmannova formulacija(1877): zatvoreni sustav mnogih čestica spontano prelazi iz uređenijeg stanja u manje uređeno. Sustav ne može spontano napustiti svoj ravnotežni položaj. Boltzmann je uveo kvantitativnu mjeru nereda u sustavu koji se sastoji od mnogo tijela - entropija.

Učinkovitost toplinskog stroja s idealnim plinom kao radnim fluidom

Ako je zadan model radnog fluida u toplinskom stroju (npr. idealni plin), tada je moguće izračunati promjenu termodinamičkih parametara radnog fluida tijekom širenja i kompresije. To omogućuje izračunavanje učinkovitosti toplinskog stroja na temelju zakona termodinamike.

Na slici su prikazani ciklusi za koje se može izračunati učinkovitost ako je radni fluid idealan plin, a parametri su navedeni na prijelazima jednog termodinamičkog procesa u drugi.

	Izobarni-izohorni
	Izohorno-adijabatski
	Izobarno-adijabatsko
	Izobarni-izohorni-izotermni
	Izobarni-izohorni-linearni

Carnotov ciklus. Učinkovitost idealnog toplinskog stroja

Najveća učinkovitost pri zadanim temperaturama grijača T grijač i hladnjak T dvorana ima toplinski stroj, gdje se radna tekućina širi i skuplja prema Carnotov ciklus(Sl. 2), čiji se graf sastoji od dvije izoterme (2–3 i 4–1) i dvije adijabate (3–4 i 1–2).

Carnotov teorem dokazuje da učinkovitost takvog motora ne ovisi o korištenom radnom fluidu, pa se može izračunati pomoću termodinamičkih odnosa za idealni plin:

Ekološke posljedice toplinskih strojeva

Intenzivna uporaba toplinskih strojeva u prometu i energetici (termo i nuklearne elektrane) značajno utječe na biosferu Zemlje. Iako postoje znanstveni sporovi o mehanizmima utjecaja ljudske aktivnosti na klimu na Zemlji, mnogi znanstvenici ističu čimbenike zbog kojih se takav utjecaj može dogoditi:

1. Efekt staklenika je povećanje koncentracije ugljičnog dioksida (produkt izgaranja u grijačima toplinskih motora) u atmosferi. Ugljični dioksid propušta vidljivo i ultraljubičasto zračenje Sunca, ali apsorbira infracrveno zračenje Zemlje u svemir. To dovodi do porasta temperature nižih slojeva atmosfere, pojačanih uraganskih vjetrova i globalnog otapanja leda.
2. Izravan utjecaj toksičnih ispušnih plinova na biljni i životinjski svijet (karcinogeni, smog, kisele kiše iz nusproizvoda izgaranja).
3. Uništavanje ozonskog omotača tijekom letova zrakoplova i lansiranja raketa. Ozon u gornjim slojevima atmosfere štiti sav život na Zemlji od prekomjernog ultraljubičastog zračenja Sunca.

Izlaz iz novonastale ekološke krize leži u povećanju učinkovitosti toplinskih strojeva (učinkovitost suvremenih toplinskih strojeva rijetko prelazi 30%); korištenje ispravnih motora i neutralizatora štetnih ispušnih plinova; korištenje alternativnih izvora energije (solarni paneli i grijalice) i alternativnih prijevoznih sredstava (bicikli i sl.).

Pročitajte također...

• Proricanje sudbine na runama za veze "Ključ srca"
• Proricanje sudbine za novac i bogatstvo
• Recepti za vafle za sovjetsku peglu za vafle Recept za mliječne slamke za električnu peglu za vafle
• Prezentacija na temu "Afričke zemlje" Prezentacija na temu bilo koja afrička država