Ցանկացած սարքի շահագործման կարևոր պարամետրերից մեկը, որի համար առանձնահատուկ նշանակություն ունի էներգիայի փոխակերպման արդյունավետությունը, արդյունավետությունն է։ Ըստ սահմանման, սարքավորումների օգտակարությունը որոշվում է օգտակար էներգիայի և առավելագույն էներգիայի հարաբերակցությամբ և արտահայտվում է որպես η գործակից: Սա, պարզեցված իմաստով, ցանկալի գործակիցն է՝ սառնարանի ու տաքացուցիչի արդյունավետությունը, որը կարելի է գտնել ցանկացած տեխնիկական հրահանգում։ Այս դեպքում դուք պետք է իմանաք որոշ տեխնիկական կետեր.

Սարքի և բաղադրիչների արդյունավետությունը

Արդյունավետության գործոնը, որն ամենաշատն է հետաքրքրում ընթերցողներին, չի տարածվի ամբողջ սառնարանային սարքի վրա: Ամենից հաճախ `տեղադրված կոմպրեսոր, որն ապահովում է անհրաժեշտ հովացման պարամետրերը, կամ շարժիչ: Այդ իսկ պատճառով, երբ մտածում եք, թե որքան է սառնարանի արդյունավետությունը, խորհուրդ ենք տալիս հարցնել տեղադրված կոմպրեսորի և տոկոսների մասին։

Ավելի լավ է այս հարցը դիտարկել օրինակով։ Օրինակ՝ կա Ariston MB40D2NFE սառնարան (2003թ.), որի վրա տեղադրված է սեփական Danfoss NLE13KK.3 R600a կոմպրեսորը, որի հզորությունը 219W է -23,3°C աշխատանքային ջերմաստիճանի պայմաններում: Սառնարանային կոմպրեսորների դեպքում դա կարող է կախված լինել RC պարամետրից (աշխատող կոնդենսատոր), մեր դեպքում՝ 1,51 (առանց RC, -23,3°C) և 1,60 (RC-ով, -23,3°C)։ Այս տվյալները կարելի է գտնել տեխնիկական պարամետրերում: Սարքի աշխատանքի վրա կոնդենսատորի ազդեցությունը կայանում է նրանում, որ այն թույլ է տալիս ավելի արագ հասնել գործառնական արագությանը և դրանով իսկ մեծացնում է դրա օգտակար ազդեցությունը:

Ձեր սառնարանային միավորի շարժիչի արդյունավետությունը կապված է էներգիայի և էներգիայի սպառման հետ: Ակնհայտ է, որ որքան ցածր է գործակիցը, այնքան ավելի շատ էլեկտրաէներգիա է սպառում մոդելը, այնքան պակաս արդյունավետ է: Այսինքն՝ առավելագույն գործակիցը կարող է անուղղակիորեն որոշվել էներգիայի սպառման դասով՝ A+++։

Կոմպրեսորի արդյունավետության գործակիցը 1-ից բարձր է. ինչպե՞ս և ինչու:

Հաճախ օգտակար գործողության գործակցի հարցը անհանգստացնում է այն մարդկանց, ովքեր մի փոքր հիշում են իրենց դպրոցական ֆիզիկայի դասընթացը և չեն կարողանում հասկանալ, թե ինչու է օգտակար գործողությունը 100%-ից ավելի: Այս հարցը պահանջում է մի փոքր էքսկուրսիա դեպի ֆիզիկա: Հարցը վերաբերում է, թե արդյոք ջերմային գեներատորի արդյունավետության գործակիցը կարող է լինել 1-ից մեծ:

Պրոֆեսիոնալների շրջանում այս հարցը հստակորեն բարձրացվել է 2006 թվականին, երբ «Փաստարկներ և փաստեր» թիվ 8-ում հրապարակվել է, որ պտտվող ջերմային գեներատորներն ունակ են արտադրել 172%: Չնայած ֆիզիկայի դասընթացի գիտելիքների արձագանքներին, որտեղ արդյունավետությունը միշտ 1-ից պակաս է, նման պարամետրը հնարավոր է, բայց որոշակի պայմաններում: Խոսքը կոնկրետ Կարնո ցիկլի հատկությունների մասին է։

1824 թվականին ֆրանսիացի ինժեներ Ս. Կարնոն ուսումնասիրեց և նկարագրեց մեկ շրջանաձև գործընթաց, որը հետագայում որոշիչ դեր խաղաց թերմոդինամիկայի զարգացման և տեխնոլոգիայի մեջ ջերմային պրոցեսների կիրառման գործում։ Կարնո ցիկլը բաղկացած է երկու իզոթերմից և երկու ադիաբատից։

Այն իրականացվում է գազով մխոցով բալոնում, իսկ արդյունավետության գործակիցը արտահայտվում է տաքացուցիչի և սառնարանի պարամետրերով և կազմում է հարաբերակցություն։ Առանձնահատուկ առանձնահատկությունն այն է, որ ջերմությունը կարող է փոխանցվել ջերմափոխանակիչների միջև առանց մխոցով աշխատանք կատարելու, այդ իսկ պատճառով Կարնո ցիկլը համարվում է ամենաարդյունավետ գործընթացը, որը կարող է մոդելավորվել անհրաժեշտ ջերմափոխանակության պայմաններում: Այլ կերպ ասած, սառնարանային ագրեգատի օգտակար ազդեցությունը իրականացվող Carnot ցիկլով կլինի ամենաբարձրը, ավելի ճիշտ՝ առավելագույնը։

Եթե ​​տեսության այս հատվածը շատերը հիշում են դպրոցական դասընթացից, ապա մնացածը հաճախ կորչում է կուլիսներում: Հիմնական գաղափարն այն է, որ այս ցիկլը կարող է ավարտվել ցանկացած ուղղությամբ: Ջերմային շարժիչը սովորաբար գործում է առաջընթաց ցիկլով, իսկ սառնարանային միավորները գործում են հակառակ ցիկլով, երբ ջերմությունը կրճատվում է սառը ջրամբարում և տեղափոխվում տաք՝ աշխատանքի արտաքին աղբյուրի՝ կոմպրեսորի պատճառով:

Իրավիճակը, երբ օգտակարության գործակիցը 1-ից մեծ է, առաջանում է, եթե այն հաշվարկվում է մեկ այլ օգտակար գործակիցից, այն է՝ W(ստացված)/W(ծախսված) հարաբերակցությունից մեկ պայմանով: Այն բաղկացած է նրանից, որ ծախսված էներգիան նշանակում է միայն օգտակար էներգիա, որն օգտագործվում է իրական ծախսերի համար: Արդյունքում, ջերմային պոմպերի թերմոդինամիկական ցիկլերում հնարավոր է որոշել էներգիայի ծախսերը, որոնք պակաս կլինեն արտադրվող ջերմության ծավալից։ Այսպիսով, 1-ից պակաս օգտակար սարքավորումների դեպքում ջերմային պոմպի արդյունավետությունը կարող է ավելի մեծ լինել:

Թերմոդինամիկական արդյունավետությունը միշտ 1-ից պակաս է

Սառնարանային (ջերմային) մեքենաներում բանաձևը սովորաբար հաշվի է առնում թերմոդինամիկական արդյունավետությունը և սառեցման գործակիցը: Սառնարանային ստորաբաժանումներում այս գործակիցը ենթադրում է օգտակար աշխատանք ստանալու ցիկլի արդյունավետությունը, երբ ջերմությունը մատակարարվում է աշխատանքային սարքին արտաքին աղբյուրից (ջերմային հաղորդիչ) և հեռացվում է ջերմային շղթայի մեկ այլ հատվածում՝ այլ արտաքին ընդունիչ փոխանցելու նպատակով։ .

Ընդհանուր առմամբ, աշխատանքային հեղուկը ենթարկվում է երկու գործընթացի՝ ընդլայնման և սեղմման, որոնք համապատասխանում են աշխատանքի պարամետրին: Ամենաարդյունավետ սարքը համարվում է, երբ մատակարարվող ջերմությունը պակաս է հեռացված ջերմությունից, այնքան ավելի ընդգծված կլինի ցիկլի արդյունավետությունը:

Ջերմությունը մեխանիկական աշխատանքի փոխակերպող թերմոդինամիկ սարքի կատարելության աստիճանը գնահատվում է ջերմային գործակիցով որպես տոկոս, որը կարող է հետաքրքրել այս դեպքում։ Ջերմային արդյունավետությունը սովորաբար չափում և չափում է ջեռուցիչից և սառնարանից ստացվող ջերմության քանակությունը, որը մեքենան վերածում է շահագործման հատուկ պայմաններում, որոնք համարվում են իդեալական: Ջերմային պարամետրի արժեքը միշտ 1-ից պակաս է և չի կարող ավելի բարձր լինել, ինչպես դա կոմպրեսորների դեպքում է: 40° ջերմաստիճանի դեպքում սարքը կաշխատի նվազագույն արդյունավետությամբ:

Ի վերջո

Ժամանակակից կենցաղային սառնարանային ստորաբաժանումներում օգտագործվում է հակադարձ Carnot գործընթացը, և սառնարանի ջերմաստիճանը կարող է որոշվել կախված ջեռուցման տարրից փոխանցվող ջերմության քանակից: Սառեցման խցիկի և ջեռուցիչների պարամետրերը գործնականում կարող են լիովին տարբեր լինել, ինչպես նաև կախված են շարժիչի արտաքին գործարկումից կոմպրեսորով, որն ունի իր արդյունավետության պարամետրը: Համապատասխանաբար, այս պարամետրերը (սառնարանի արդյունավետությունը որպես տոկոս) սկզբունքորեն նույնական թերմոդինամիկ գործընթացով կախված կլինեն արտադրողի կողմից կիրառվող տեխնոլոգիայից:

Քանի որ, ըստ բանաձևի, օգտակարության գործակիցը կախված է ջերմափոխանակիչների ջերմաստիճանից, տեխնիկական պարամետրերը ցույց են տալիս, թե ինչ տոկոս օգտակարություն կարելի է ձեռք բերել որոշակի իդեալական պայմաններում: Այս տվյալներն են, որոնք կարող են օգտագործվել տարբեր ապրանքանիշերի մոդելները համեմատելու համար ոչ միայն լուսանկարների հիման վրա, այդ թվում՝ նորմալ պայմաններում կամ մինչև 40° ջերմության պայմաններում աշխատողների:

Արդյունավետության գործակիցը (արդյունավետությունը) տերմին է, որը կարող է կիրառվել, հավանաբար, յուրաքանչյուր համակարգի և սարքի վրա: Անգամ մարդն ունի արդյունավետության գործոն, թեեւ այն գտնելու օբյեկտիվ բանաձեւ դեռ երեւի 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 համակարգի արդյունավետությունը էներգիայի արտադրության կամ փոխակերպման առումով: Արդյունավետությունը անչափելի մեծություն 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 կատարվող օգտակար էներգիան/աշխատանքն է, իսկ Q-ն այս համակարգի կողմից սպառվող էներգիան է՝ օգտակար արդյունք ստանալու գործընթացը կազմակերպելու համար:

Արդյունավետության գործակիցը, ցավոք, միշտ փոքր է կամ հավասար է միասնությանը, քանի որ էներգիայի պահպանման օրենքի համաձայն մենք չենք կարող ավելի շատ աշխատանք ստանալ, քան ծախսած էներգիան։ Բացի այդ, արդյունավետությունը, փաստորեն, չափազանց հազվադեպ է հավասար միասնության, 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 արդյունավետությունն 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 վերածելու համար: Էլեկտրական շարժիչի արդյունավետությունը գտնելու բանաձևը հետևյալն է.

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

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

Տրանսֆորմատորի արդյունավետությունը

Տրանսֆորմատորը սարք է, որը փոխակերպում է մեկ լարման փոփոխական հոսանքը մեկ այլ լարման փոփոխական հոսանքի՝ պահպանելով հաճախականությունը։ Բացի այդ, տրանսֆորմատորները կարող են նաև փոփոխական հոսանքը վերածել ուղղակի հոսանքի:

Տրանսֆորմատորի արդյունավետությունը որոշվում է բանաձևով.

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), որտեղ P0-ն առանց բեռի կորուստն է, PL-ը՝ բեռի կորուստը, P2-ը՝ բեռին մատակարարվող ակտիվ հզորությունը, n-ը՝ հարաբերական աստիճանը: բեռի.

Արդյունավետություն, թե ոչ արդյունավետություն.

Հարկ է նշել, որ բացի արդյունավետությունից, կան մի շարք ցուցանիշներ, որոնք բնութագրում են էներգետիկ գործընթացների արդյունավետությունը, և երբեմն կարող ենք հանդիպել այնպիսի բնութագրերի, ինչպիսիք են՝ արդյունավետությունը 130% կարգի, սակայն այս դեպքում պետք է հասկանալ, որ. տերմինը լիովին ճիշտ չի օգտագործվում, և, ամենայն հավանականությամբ, հեղինակը կամ արտադրողը հասկանում են այս հապավումը որպես 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 սառեցվող օբյեկտից, քան ծախսվել է էներգիայի համարժեք էներգիա՝ հեռացումը կազմակերպելու համար: Սառնարանային մեքենայի արդյունավետության ցուցիչը կոչվում է սառեցման գործակից, որը նշվում է Ɛ տառով և որոշվում է բանաձևով. Ɛ=Qx/A, որտեղ Qx-ը սառը ծայրից հեռացվող ջերմությունն է, A-ն հեռացման գործընթացի վրա ծախսված աշխատանքն է։ . Այնուամենայնիվ, երբեմն սառեցման գործակիցը կոչվում է նաև սառնարանային մեքենայի արդյունավետություն:

Հետաքրքիր է նաև, որ օրգանական վառելիքի վրա աշխատող կաթսաների արդյունավետությունը սովորաբար հաշվարկվում է ավելի ցածր ջերմային արժեքի հիման վրա, և այն կարող է ավելի մեծ լինել, քան միասնությունը։ Այնուամենայնիվ, դա դեռ ավանդաբար կոչվում է արդյունավետություն: Հնարավոր է կաթսայի արդյունավետությունը որոշել ավելի բարձր ջերմային արժեքով, այնուհետև այն միշտ կլինի մեկից պակաս, բայց այս դեպքում անհարմար կլինի համեմատել կաթսաների աշխատանքը այլ կայանքների տվյալների հետ:

>>Ֆիզիկա. Ջերմային շարժիչների աշխատանքի սկզբունքը. Ջերմային շարժիչների աշխատանքի (արդյունավետության) գործակիցը

Երկրի ընդերքում և օվկիանոսներում ներքին էներգիայի պաշարները կարելի է համարել գործնականում անսահմանափակ։ Բայց գործնական խնդիրներ լուծելու համար էներգիայի պաշարներ ունենալը բավարար չէ։ Անհրաժեշտ է նաև կարողանալ էներգիա օգտագործել գործարաններում և գործարաններում գործի դնելու հաստոցները, տրանսպորտային միջոցները, տրակտորները և այլ մեքենաները, պտտել էլեկտրական հոսանքի գեներատորների ռոտորները և այլն: Մարդկությանը անհրաժեշտ են շարժիչներ՝ աշխատելու ունակ սարքեր: Երկրի վրա շարժիչների մեծ մասն են ջերմային շարժիչներ. Ջերմային շարժիչները սարքեր են, որոնք վառելիքի ներքին էներգիան վերածում են մեխանիկական էներգիայի:
Ջերմային շարժիչների շահագործման սկզբունքները.Որպեսզի շարժիչն աշխատի, պետք է ճնշման տարբերություն լինի շարժիչի մխոցի կամ տուրբինի շեղբերի երկու կողմերում: Բոլոր ջերմային շարժիչներում ճնշման այս տարբերությունը ձեռք է բերվում աշխատանքային հեղուկի (գազի) ջերմաստիճանը հարյուրավոր կամ հազարավոր աստիճաններով բարձրացնելով շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի համեմատ: Ջերմաստիճանի այս բարձրացումը տեղի է ունենում վառելիքի այրման ժամանակ:
Շարժիչի հիմնական մասերից մեկը գազով լցված անոթն է՝ շարժական մխոցով։ Բոլոր ջերմային շարժիչների աշխատանքային հեղուկը գազն է, որն աշխատում է ընդարձակման ժամանակ: Գործող հեղուկի (գազի) սկզբնական ջերմաստիճանը նշանակենք Տ 1.Այս ջերմաստիճանը գոլորշու տուրբիններում կամ մեքենաներում ձեռք է բերվում գոլորշու կաթսայի գոլորշու միջոցով: Ներքին այրման շարժիչներում և գազատուրբիններում ջերմաստիճանի բարձրացումը տեղի է ունենում, երբ վառելիքը այրվում է հենց շարժիչի ներսում: Ջերմաստիճանը Տ 1ջեռուցիչի ջերմաստիճանը»:
Սառնարանի դերը.Աշխատանքի ընթացքում գազը կորցնում է էներգիան և անխուսափելիորեն սառչում է մինչև որոշակի ջերմաստիճան: Տ 2, որը սովորաբար մի փոքր բարձր է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից։ Նրան կանչում են սառնարանի ջերմաստիճանը. Սառնարանը մթնոլորտ է կամ հատուկ սարքեր՝ թափոնների գոլորշու հովացման և խտացման համար. կոնդենսատորներ. Վերջին դեպքում սառնարանի ջերմաստիճանը կարող է մի փոքր ցածր լինել մթնոլորտի ջերմաստիճանից։
Այսպիսով, շարժիչում աշխատանքային հեղուկը ընդլայնման ժամանակ չի կարող հրաժարվել իր ամբողջ ներքին էներգիան աշխատանք կատարելու համար: Ջերմության մի մասն անխուսափելիորեն փոխանցվում է սառնարան (մթնոլորտ) ներքին այրման շարժիչների և գազատուրբինների թափոնների գոլորշու կամ արտանետվող գազերի հետ միասին: Ներքին էներգիայի այս հատվածը կորչում է։
Ջերմային շարժիչը աշխատանք է կատարում՝ օգտագործելով աշխատանքային հեղուկի ներքին էներգիան։ Ավելին, այս գործընթացում ջերմությունը փոխանցվում է ավելի տաք մարմիններից (ջեռուցիչ) ավելի սառը (սառնարան):
Ջերմային շարժիչի սխեմատիկ դիագրամը ներկայացված է Նկար 13.11-ում:
Շարժիչի աշխատանքային հեղուկը վառելիքի այրման ժամանակ ջերմություն է ստանում ջեռուցիչից Q 1աշխատում է Ա« և ջերմության քանակությունը փոխանցում է սառնարան Q 2 .
Ջերմային շարժիչի աշխատանքի (արդյունավետության) գործակիցըԳազի ներքին էներգիան ջերմային շարժիչների աշխատանքի ամբողջությամբ վերափոխելու անհնարինությունը պայմանավորված է բնության մեջ տեղի ունեցող գործընթացների անշրջելիությամբ։ Եթե ​​ջերմությունը կարող էր ինքնաբերաբար վերադառնալ սառնարանից դեպի ջեռուցիչ, ապա ներքին էներգիան կարող է ամբողջությամբ վերածվել օգտակար աշխատանքի ցանկացած ջերմային շարժիչի կողմից:
Ըստ էներգիայի պահպանման օրենքի՝ շարժիչի կատարած աշխատանքը հավասար է.

Որտեղ Q 1- ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակը և Q 2- սառնարան տեղափոխվող ջերմության քանակը.
Ջերմային շարժիչի աշխատանքի (արդյունավետության) գործակիցըկոչվում է աշխատանքային վերաբերմունք Աիրականացվում է շարժիչի կողմից ջեռուցիչից ստացված ջերմության քանակով.

Քանի որ բոլոր շարժիչները որոշակի քանակությամբ ջերմություն են փոխանցում սառնարան, ապա η<1.
Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը համաչափ է ջեռուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանի տարբերությանը: ժամը T 1 -T 2=0 Շարժիչը չի կարող աշխատել:
Ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության արժեքը.Թերմոդինամիկայի օրենքները հնարավորություն են տալիս հաշվարկել ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը, որն աշխատում է ջերմաստիճան ունեցող ջեռուցիչով. Տ 1, և ջերմաստիճանով սառնարան Տ 2. Առաջին անգամ դա արեց ֆրանսիացի ինժեներ և գիտնական Սադի Կարնոն (1796-1832) իր «Մտորումներ կրակի շարժիչ ուժի և այս ուժը զարգացնելու ունակ մեքենաների մասին» աշխատության մեջ (1824):
Carnot-ն ստեղծեց իդեալական ջերմային շարժիչ՝ որպես աշխատանքային հեղուկ իդեալական գազ: Իդեալական Carnot ջերմային շարժիչը գործում է երկու իզոթերմից և երկու ադիաբատից բաղկացած ցիկլի վրա: Նախ, գազով անոթը շփվում է ջեռուցիչի հետ, գազը իզոթերմորեն ընդլայնվում է՝ կատարելով դրական աշխատանք, ջերմաստիճանում։ T1,միաժամանակ ստանում է ջերմության քանակությունը Q 1.
Այնուհետև անոթը ջերմամեկուսացվում է, գազը շարունակում է ադիաբատիկ ընդլայնվել, մինչդեռ դրա ջերմաստիճանը իջնում ​​է մինչև սառնարանի ջերմաստիճանը։ Տ 2. Սրանից հետո գազը իզոթերմային սեղմման ժամանակ շփվում է սառնարանի հետ, այն ջերմություն է փոխանցում սառնարանին Q 2, փոքրանալով մինչև ծավալ V 4 . Այնուհետև անոթը կրկին ջերմամեկուսացվում է, գազը ադիաբատիկորեն սեղմվում է մինչև ծավալը V 1և վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին:
Այս մեքենայի արդյունավետության համար Կարնոն ստացավ հետևյալ արտահայտությունը.

Ինչպես կարելի էր ակնկալել, Carnot մեքենայի արդյունավետությունը ուղիղ համեմատական ​​է ջեռուցիչի և սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանների տարբերությանը:
Այս բանաձևի հիմնական նշանակությունն այն է, որ ցանկացած իրական ջերմային շարժիչ, որն աշխատում է ջերմաստիճան ունեցող ջեռուցիչով T1,և սառնարան՝ ջերմաստիճանով Տ 2, չի կարող ունենալ իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:

Բանաձևը (13.19) տալիս է ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության արժեքի տեսական սահմանը: Այն ցույց է տալիս, որ որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի արդյունավետ է ջերմային շարժիչը: Միայն սառնարանի ջերմաստիճանում, որը հավասար է բացարձակ զրոյի, η =1.
Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող ցածր լինել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից։ Դուք կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ մարմին) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ տաքացվում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները, իսկ բավական բարձր ջերմաստիճանում հալվում է։
Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը՝ նվազեցնելով դրանց մասերի շփումը, վառելիքի կորուստները 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 K. Այս ջերմաստիճաններում առավելագույն արդյունավետության արժեքը հետևյալն է.

Էներգիայի տարբեր տեսակի կորուստների պատճառով իրական արդյունավետության արժեքը մոտավորապես 40% է: Առավելագույն արդյունավետությունը՝ մոտ 44%, ձեռք է բերվում դիզելային շարժիչներով:
Ջերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացումն ու հնարավոր առավելագույնին մոտեցնելը ամենակարեւոր տեխնիկական խնդիրն է։
Ջերմային շարժիչները աշխատանք են կատարում մխոցների կամ տուրբինի շեղբերների մակերեսների վրա գազի ճնշման տարբերության պատճառով: Ճնշման այս տարբերությունը ստեղծվում է ջերմաստիճանի տարբերությամբ: Առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը համաչափ է այս ջերմաստիճանի տարբերությանը և հակադարձ համեմատական ​​է ջեռուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանին:
Ջերմային շարժիչը չի կարող աշխատել առանց սառնարանի, որի դերը սովորաբար խաղում է մթնոլորտը։

???
1. Ո՞ր սարքն է կոչվում ջերմային շարժիչ:
2. Ի՞նչ դեր ունեն տաքացուցիչը, հովացուցիչը և աշխատող հեղուկը ջերմային շարժիչում:
3. Որքա՞ն է շարժիչի արդյունավետությունը:
4. Ո՞րն է ջերմային շարժիչի առավելագույն արդյունավետության արժեքը:

Գ.Յա.Մյակիշև, Բ.Բ.Բուխովցև, Ն.Ն.Սոցկի, Ֆիզիկա 10-րդ դաս.

Դասի բովանդակությունը դասի նշումներաջակցող շրջանակային դասի ներկայացման արագացման մեթոդներ ինտերակտիվ տեխնոլոգիաներ Պրակտիկա առաջադրանքներ և վարժություններ ինքնաստուգման սեմինարներ, թրեյնինգներ, դեպքեր, քվեստներ տնային առաջադրանքների քննարկման հարցեր հռետորական հարցեր ուսանողներից Նկարազարդումներ աուդիո, տեսահոլովակներ և մուլտիմեդիալուսանկարներ, նկարներ, գրաֆիկա, աղյուսակներ, դիագրամներ, հումոր, անեկդոտներ, կատակներ, կոմիքսներ, առակներ, ասացվածքներ, խաչբառեր, մեջբերումներ Հավելումներ վերացականներհոդվածների հնարքներ հետաքրքրասեր օրորոցների համար դասագրքեր հիմնական և տերմինների լրացուցիչ բառարան այլ Դասագրքերի և դասերի կատարելագործումուղղել դասագրքի սխալներըԴասագրքի հատվածի թարմացում, դասում նորարարության տարրեր, հնացած գիտելիքների փոխարինում նորերով. Միայն ուսուցիչների համար կատարյալ դասերտարվա օրացուցային ծրագիր; Ինտեգրված դասեր

Եթե ​​ունեք ուղղումներ կամ առաջարկություններ այս դասի համար,

Աշխատանքային հեղուկը, տաքացուցիչից ստանալով Q 1 որոշակի քանակությամբ ջերմություն, այս քանակության ջերմության մի մասը՝ մոդուլով հավասար |Q2|, տալիս է սառնարան։ Հետեւաբար, կատարված աշխատանքն ավելի մեծ լինել չի կարող A = Q 1- |Ք 2 |.Այս աշխատանքի հարաբերակցությունը ջեռուցիչից ընդլայնվող գազի ստացած ջերմության քանակին կոչվում է արդյունավետությունը ջերմային շարժիչ.

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

Կարնո ցիկլը.

Ենթադրենք, որ գազը գտնվում է բալոնի մեջ, որի պատերը և մխոցը պատրաստված են ջերմամեկուսիչ նյութից, իսկ հատակը՝ բարձր ջերմահաղորդականություն ունեցող նյութից։ Գազի զբաղեցրած ծավալը հավասար է V 1.

Նկար 2

Եկեք բալոնը շփենք տաքացուցիչի հետ (Նկար 2) և գազին հնարավորություն տանք իզոթերմորեն ընդարձակվելու և աշխատանք կատարելու։ . Գազը տաքացուցիչից ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն Q 1.Այս գործընթացը գրաֆիկորեն ներկայացված է իզոթերմով (կոր ԱԲ).

Նկար 3

Երբ գազի ծավալը հավասարվում է որոշակի արժեքի V 1'< V 2 , մխոցի հատակը մեկուսացված է ջեռուցիչից , Դրանից հետո գազը ադիաբատիկորեն ընդլայնվում է մինչև ծավալը V 2,համապատասխանում է մխոցի առավելագույն հնարավոր հարվածին մխոցում (ադիաբատիկ Արև). Այս դեպքում գազը սառչում է մինչև ջերմաստիճան Տ 2< 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: Սակայն այս գործընթացում գազը չի վերադառնա իր սկզբնական վիճակին՝ նրա ջերմաստիճանը միշտ ավելի ցածր կլինի, քան Տ 1.
Հետեւաբար, իզոթերմային սեղմումը հասցվում է որոշակի միջանկյալ ծավալի V 2 '> V 1(իզոթերմ CD). Այս դեպքում գազը որոշակի ջերմություն է հաղորդում սառնարանին Q2,հավասար է դրա վրա կատարված սեղմման աշխատանքին։ Դրանից հետո գազը ադիաբատիկորեն սեղմվում է մինչև ծավալը V 1,միևնույն ժամանակ նրա ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև Տ 1(ադիաբատիկ Դ.Ա.). Այժմ գազը վերադարձել է իր սկզբնական վիճակին, որի ծավալը հավասար է V 1-ի, ջերմաստիճանը՝ T1,ճնշում - p 1, և ցիկլը կարող է նորից կրկնվել:

Այսպիսով, կայքում ABCգազն աշխատում է (A > 0),և կայքում CDAգազի վրա կատարված աշխատանք (Ա< 0). Կայքերում ԱրևԵվ ՀԱՅՏԱՐԱՐՈՒԹՅՈՒՆաշխատանքը կատարվում է միայն գազի ներքին էներգիան փոխելով։ Քանի որ ներքին էներգիայի փոփոխությունը UBC = – UDA, ապա աշխատանքը ադիաբատիկ գործընթացների ժամանակ հավասար է. ABC = –ADA.Հետևաբար, մեկ ցիկլով կատարված ընդհանուր աշխատանքը որոշվում է իզոթերմային գործընթացների ընթացքում կատարված աշխատանքի տարբերությամբ (հատվածներ ԱԲԵվ CD). Թվային առումով այս աշխատանքը հավասար է ցիկլի կորով սահմանափակված գործչի տարածքին Ա Բ Գ Դ.
Ջերմության քանակի միայն մի մասն է իրականում վերածվում օգտակար աշխատանքի QT,ստացված ջեռուցիչից, հավասար է QT 1 – |QT 2 |.Այսպիսով, Carnot ցիկլում օգտակար աշխատանք 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 սառնարանների նույն ջերմաստիճաններում).

Բանաձևը ցույց է տալիս, որ որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է շարժիչի արդյունավետությունը:

Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - տաղանդավոր ֆրանսիացի ինժեներ և ֆիզիկոս, թերմոդինամիկայի հիմնադիրներից մեկը: Իր «Մտորումներ կրակի շարժիչ ուժի և այս ուժը զարգացնելու ունակ մեքենաների մասին» (1824) աշխատության մեջ նա առաջին անգամ ցույց տվեց, որ ջերմային շարժիչները կարող են աշխատանք կատարել միայն տաք մարմնից սառը ջերմությունը փոխանցելու գործընթացում: Carnot-ը ստեղծեց իդեալական ջերմային շարժիչ, հաշվարկեց իդեալական մեքենայի արդյունավետությունը և ապացուցեց, որ այս գործակիցը առավելագույն հնարավորն է ցանկացած իրական ջերմային շարժիչի համար:
Որպես օգնություն իր հետազոտությանը, Կարնոն 1824 թվականին հորինեց (թղթի վրա) իդեալական ջերմային շարժիչ՝ իդեալական գազով որպես աշխատանքային հեղուկ: Կարնո շարժիչի կարևոր դերը կայանում է ոչ միայն դրա հնարավոր գործնական կիրառման մեջ, այլ նաև նրանում, որ այն թույլ է տալիս մեզ բացատրել ջերմային շարժիչների շահագործման սկզբունքները ընդհանրապես. Ոչ պակաս կարևոր է, որ Կարնոն իր շարժիչի օգնությամբ կարողացավ զգալի ներդրում ունենալ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի հիմնավորման և ըմբռնման գործում։ Կարնո մեքենայի բոլոր գործընթացները համարվում են հավասարակշռություն (շրջելի): Հետադարձելի պրոցեսը գործընթաց է, որն այնքան դանդաղ է ընթանում, որ այն կարելի է դիտարկել որպես հաջորդական անցում մի հավասարակշռության վիճակից մյուսին և այլն, և այս ամբողջ գործընթացը կարող է իրականացվել հակառակ ուղղությամբ՝ առանց կատարված աշխատանքի և քանակի փոփոխության։ փոխանցված ջերմություն. (Նկատի ունեցեք, որ բոլոր իրական գործընթացներն անշրջելի են) Մեքենայում իրականացվում է շրջանաձև պրոցես կամ ցիկլ, որի դեպքում համակարգը մի շարք փոխակերպումներից հետո վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին։ Կարնո ցիկլը բաղկացած է երկու իզոթերմից և երկու ադիաբատից։ A - B և C - D կորերը իզոթերմեր են, իսկ B - C և D - A-ն ադիաբատներ են: Նախ, գազը իզոթերմորեն ընդլայնվում է T 1 ջերմաստիճանում: Միաժամանակ ջեռուցիչից ստանում է Q 1 ջերմության քանակությունը։ Այնուհետև այն ադիաբատիկորեն ընդլայնվում է և ջերմություն չի փոխանակում շրջակա մարմինների հետ։ Դրան հաջորդում է գազի իզոթերմային սեղմումը T 2 ջերմաստիճանում: Այս գործընթացում գազը Q 2 ջերմության քանակությունը փոխանցում է սառնարան: Վերջապես գազը սեղմվում է ադիաբատիկ կերպով և վերադառնում իր սկզբնական վիճակին։ Իզոթերմային ընդարձակման ժամանակ գազը աշխատում է A" 1 >0, որը հավասար է Q 1 ջերմության քանակին: B - C ադիաբատիկ ընդլայնման դեպքում դրական աշխատանքը A" 3 հավասար է ներքին էներգիայի նվազմանը, երբ գազը սառչում է ջերմաստիճանից: T 1 մինչև T 2 ջերմաստիճանը: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2): Իզոթերմային սեղմումը T 2 ջերմաստիճանում պահանջում է A 2 աշխատանքը գազի վրա: Գազը կատարում է համապատասխան բացասական աշխատանք: A" 2 = -A 2 = Q 2: Վերջապես, ադիաբատիկ սեղմումը պահանջում է աշխատանքը գազի վրա A 4 = dU 2.1: Գազի աշխատանքը ինքնին A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1): Հետևաբար, գազի ընդհանուր աշխատանքը երկու ադիաբատիկ գործընթացների ընթացքում զրո է: Ցիկլի ընթացքում գազն աշխատում է A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Այս աշխատանքը թվայինորեն հավասար է ցիկլի կորով սահմանափակված գործչի մակերեսին Արդյունավետությունը հաշվարկելու համար անհրաժեշտ է հաշվարկել իզոթերմային պրոցեսների A - B և C - D: Հաշվարկները հանգեցնում են հետևյալ արդյունքի. (2) Կարնո ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը հավասար է ջեռուցիչի և սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանների և ջեռուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանի տարբերության հարաբերակցությանը։ Իդեալական մեքենայի արդյունավետության համար Կարնո բանաձևի (2) հիմնական նշանակությունն այն է, որ այն որոշում է ցանկացած ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը։ Կարնոն ապացուցեց հետևյալ թեորեմը. ցանկացած իրական ջերմային շարժիչ, որն աշխատում է T 1 ջերմաստիճանի տաքացուցիչով և T 2 ջերմաստիճանի սառնարանով, չի կարող ունենալ իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը գերազանցող արդյունավետություն: Իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը Բանաձևը (2) տալիս է ջերմային շարժիչների արդյունավետության առավելագույն արժեքի տեսական սահմանը: Այն ցույց է տալիս, որ որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը, այնքան ավելի արդյունավետ է ջերմային շարժիչը: Միայն սառնարանի ջերմաստիճանում, որը հավասար է բացարձակ զրոյին, արդյունավետությունը հավասար է 1-ի: Իրական ջերմային շարժիչներում գործընթացներն այնքան արագ են ընթանում, որ աշխատանքային նյութի ներքին էներգիայի նվազումն ու աճը, երբ դրա ծավալը փոխվում է, ժամանակ չի ունենում փոխհատուցելու համար: էներգիայի ներհոսք ջեռուցիչից և էներգիայի արտահոսք դեպի սառնարան: Հետևաբար, իզոթերմային գործընթացները չեն կարող իրականացվել։ Նույնը վերաբերում է խիստ ադիաբատիկ գործընթացներին, քանի որ բնության մեջ չկան իդեալական ջերմամեկուսիչներ: Իրական ջերմային շարժիչներում իրականացվող ցիկլերը բաղկացած են երկու իզոխորից և երկու ադիաբատից (Օտտո ցիկլում), երկու ադիաբատից, իզոբարից և իզոխորից (Դիզելային ցիկլում), երկու ադիաբատից և երկու իզոբարից (գազատուրբինում) և այլն։ Այս դեպքում պետք է նկատի ունենալ, որ այս ցիկլերը նույնպես կարող են լինել իդեալական, ինչպես Կարնո ցիկլը: Բայց դրա համար անհրաժեշտ է, որ ջեռուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանները մշտական ​​չլինեն, ինչպես Կարնո ցիկլում, այլ փոխվեն այնպես, ինչպես աշխատանքային նյութի ջերմաստիճանը փոխվում է իզոխորիկ ջեռուցման և հովացման գործընթացներում: Այլ կերպ ասած, աշխատանքային նյութը պետք է շփվի անսահման մեծ քանակությամբ ջեռուցիչների և սառնարանների հետ. միայն այս դեպքում կլինի հավասարակշռված ջերմափոխանակություն իզոխորներում: Իհարկե, իրական ջերմային շարժիչների ցիկլերում գործընթացները անհավասարակշիռ են, ինչի արդյունքում նույն ջերմաստիճանային միջակայքում իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը զգալիորեն ցածր է Կարնո ցիկլի արդյունավետությունից: Միևնույն ժամանակ, արտահայտությունը (2) հսկայական դեր է խաղում թերմոդինամիկայի մեջ և մի տեսակ «փարոս» է, որը ցույց է տալիս իրական ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը բարձրացնելու ուղիները:
	Օտտո ցիկլում աշխատանքային խառնուրդը նախ ներծծվում է 1-2 գլան, ապա ադիաբատիկ սեղմում 2-3 և դրա իզոխորիկ այրումից հետո 3-4, ուղեկցվում է այրման արտադրանքի ջերմաստիճանի և ճնշման բարձրացմամբ, դրանց ադիաբատիկ ընդլայնմամբ: Առաջանում է 4-5, այնուհետև իզոխորիկ ճնշման անկում 5-2 և արտանետվող գազերի իզոբարային արտամղում 2-1 մխոցով: Քանի որ իզոխորների վրա աշխատանք չի կատարվում, իսկ աշխատանքային խառնուրդի ներծծման և արտանետվող գազերի արտանետման ժամանակ աշխատանքը հավասար է և հակառակ նշանով, մեկ ցիկլի համար օգտակար աշխատանքը հավասար է ընդարձակման և սեղմման ադիաբատների աշխատանքի տարբերությանը։ գրաֆիկորեն պատկերված է ցիկլի տարածքով:
Համեմատելով իրական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը Carnot ցիկլի արդյունավետության հետ, պետք է նշել, որ (2) արտահայտության մեջ T 2 ջերմաստիճանը բացառիկ դեպքերում կարող է համընկնել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի հետ, որը մենք վերցնում ենք սառնարանի համար, բայց ընդհանուր դեպքում այն ​​գերազանցում է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Այսպիսով, օրինակ, ներքին այրման շարժիչներում T2-ը պետք է հասկանալ որպես արտանետվող գազերի ջերմաստիճան, այլ ոչ թե շրջակա միջավայրի ջերմաստիճան, որտեղ արտադրվում է արտանետումը:
	Նկարը ցույց է տալիս իզոբարային այրմամբ չորս հարվածային ներքին այրման շարժիչի ցիկլը (Դիզելային ցիկլ): Ի տարբերություն նախորդ ցիկլի, 1-2 հատվածում այն ​​ներծծվում է: մթնոլորտային օդը, որը ենթարկվում է ադիաբատիկ սեղմման 2-3-ից մինչև 3 10 6 -3 10 5 Պա հատվածում: Ներարկվող հեղուկ վառելիքը բռնկվում է բարձր սեղմված և, հետևաբար, ջեռուցվող օդի միջավայրում և այրվում է հավասարաչափ 3-4, իսկ հետո տեղի է ունենում այրման արտադրանքի ադիաբատիկ ընդլայնում 4-5: Մնացած 5-2 և 2-1 գործընթացները ընթանում են նույն կերպ, ինչպես նախորդ ցիկլում: Պետք է հիշել, որ ներքին այրման շարժիչներում ցիկլերը պայմանականորեն փակ են, քանի որ յուրաքանչյուր ցիկլից առաջ մխոցը լցված է աշխատանքային նյութի որոշակի զանգվածով, որը ցիկլի վերջում դուրս է մղվում մխոցից։
Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը գործնականում չի կարող շատ ավելի ցածր լինել, քան շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանը: Դուք կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ մարմին) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ տաքացվում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները, իսկ բավական բարձր ջերմաստիճանում հալվում է։ Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը՝ նվազեցնելով դրանց մասերի շփումը, վառելիքի կորուստները թերի այրման հետևանքով և այլն։ Այստեղ արդյունավետությունը բարձրացնելու իրական հնարավորությունները դեռևս մեծ են։ Այսպիսով, գոլորշու տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանները մոտավորապես հետևյալն են. T 1 = 800 K և T 2 = 300 K: Այս ջերմաստիճաններում արդյունավետության գործակիցի առավելագույն արժեքը հետևյալն է. Էներգիայի տարբեր տեսակի կորուստների պատճառով իրական արդյունավետության արժեքը մոտավորապես 40% է: Առավելագույն արդյունավետությունը՝ մոտ 44%, ձեռք է բերվում ներքին այրման շարժիչներով։ Ցանկացած ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը չի կարող գերազանցել առավելագույն հնարավոր արժեքը որտեղ T 1-ը ջեռուցիչի բացարձակ ջերմաստիճանն է, իսկ T 2-ը՝ սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանը: Ջերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացումն ու հնարավոր առավելագույնին մոտեցնելը ամենակարեւոր տեխնիկական խնդիրն է։

Կլաուզիուսի անհավասարություն

(1854): Համակարգի կողմից ստացված ջերմության քանակը ցանկացած շրջանաձև գործընթացում բաժանված է բացարձակ ջերմաստիճանի վրա, որում այն ​​ստացվել է ( տրվածջերմության քանակը), ոչ դրական:

Մատակարարվող ջերմության քանակը քվազաստատիկ կերպովՀամակարգի կողմից ստացվածը կախված չէ անցումային ուղուց (որոշվում է միայն համակարգի սկզբնական և վերջնական վիճակներով). քվազի-ստատիկ գործընթացներըԿլաուզիուսի անհավասարությունը վերածվում է հավասարություն .

Էնտրոպիա, վիճակի ֆունկցիա Սթերմոդինամիկական համակարգ, որի փոփոխությունը dSՀամակարգի վիճակի անվերջ փոքր շրջելի փոփոխությունը հավասար է այս գործընթացում համակարգի կողմից ստացված ջերմության քանակի (կամ համակարգից հեռացված) բացարձակ ջերմաստիճանի հարաբերակցությանը. T:

Մեծություն dSընդհանուր դիֆերենցիալ է, այսինքն. դրա ինտեգրումը ցանկացած կամայականորեն ընտրված ճանապարհով տալիս է արժեքների տարբերությունը էնտրոպիասկզբնական (A) և վերջնական (B) մեջ նշվում է.

Ջերմությունը վիճակի ֆունկցիա չէ, ուստի δQ-ի ինտեգրալը կախված է A և B վիճակների միջև ընտրված անցումային ուղուց: Էնտրոպիաչափված J/(mol deg):

Հայեցակարգ էնտրոպիաորպես համակարգի վիճակի ֆունկցիա դրվում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը, որն արտահայտվում է միջոցով էնտրոպիամիջև տարբերությունը անշրջելի և շրջելի գործընթացներ. Առաջին dS>δQ/T երկրորդի համար dS=δQ/T:

Էնտրոպիան որպես ֆունկցիա ներքին էներգիա Uհամակարգը, V ծավալը և խալերի քանակը n i iրդ բաղադրիչը բնորոշ ֆունկցիա է (տես. Ջերմոդինամիկական պոտենցիալներ). Սա թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքների հետևանք է և գրված է հավասարմամբ.

Որտեղ Ռ - ճնշում, μ i - քիմիական ներուժ եսրդ բաղադրիչ. Ածանցյալներ էնտրոպիաբնական փոփոխականներով Ու, ՎԵվ n iհավասար են՝

Պարզ բանաձևերը միանում են էնտրոպիամշտական ​​ճնշման տակ ջերմային հզորություններով Ս պև հաստատուն ծավալ CV:

Օգտագործելով էնտրոպիապայմանները ձևակերպված են համակարգի թերմոդինամիկական հավասարակշռության հասնելու համար մշտական ​​ներքին էներգիայի, մոլերի ծավալի և քանակի դեպքում եսրդ բաղադրիչը (մեկուսացված համակարգ) և կայունության պայմանը նման հավասարակշռության համար.

Դա նշանակում է որ էնտրոպիաՄեկուսացված համակարգի առավելագույնը հասնում է թերմոդինամիկական հավասարակշռության վիճակում: Համակարգում ինքնաբուխ գործընթացները կարող են առաջանալ միայն աճի ուղղությամբ էնտրոպիա.

Էնտրոպիան պատկանում է թերմոդինամիկական ֆունկցիաների խմբին, որը կոչվում է Մասիե-Պլանկի ֆունկցիաներ։ Այս խմբին պատկանող այլ գործառույթներ են Massier ֆունկցիան Ֆ 1 = S - (1/T)Uև Պլանկի ֆունկցիան Ф 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, կարելի է ստանալ՝ կիրառելով Legendre-ի փոխակերպումը էնտրոպիայի վրա։

Համաձայն թերմոդինամիկայի երրորդ օրենքի (տես. Ջերմային թեորեմ), փոփոխություն էնտրոպիախտացված վիճակում գտնվող նյութերի միջև շրջելի քիմիական ռեակցիայում հակված է զրոյի Տ→0:

Պլանկի պոստուլատը (ջերմային թեորեմի այլընտրանքային ձևակերպում) ասում է, որ էնտրոպիաԲացարձակ զրոյական ջերմաստիճանում խտացված վիճակում գտնվող ցանկացած քիմիական միացություն պայմանականորեն զրո է և կարող է ընդունվել որպես ելակետ բացարձակ արժեքը որոշելիս էնտրոպիանյութեր ցանկացած ջերմաստիճանում: (1) և (2) հավասարումները սահմանում են էնտրոպիամինչև հաստատուն ժամկետ:

Քիմ թերմոդինամիկալայնորեն կիրառվում են հետևյալ հասկացությունները՝ ստանդարտ էնտրոպիա S 0, այսինքն. էնտրոպիաճնշման տակ Ռ=1,01·10 5 Պա (1 ատմ); ստանդարտ էնտրոպիաքիմիական ռեակցիա, այսինքն. ստանդարտ տարբերություն էնտրոպիաներարտադրանք և ռեակտիվներ; մասնակի մոլար էնտրոպիաբազմաբաղադրիչ համակարգի բաղադրիչ.

Քիմիական հավասարակշռությունը հաշվարկելու համար օգտագործեք բանաձևը.

Որտեղ TO - հավասարակշռության հաստատուն, և - համապատասխանաբար ստանդարտ Գիբսի էներգիան, ռեակցիայի էնթալպիա և էնտրոպիա; Ռ- գազի մշտական.

Հայեցակարգի սահմանում էնտրոպիահամար ոչ հավասարակշռված համակարգը հիմնված է տեղական թերմոդինամիկական հավասարակշռության գաղափարի վրա: Տեղական հավասարակշռությունը ենթադրում է (3) հավասարման կատարումը համակարգի փոքր ծավալների համար, որն ամբողջությամբ ոչ հավասարակշռված է (տես. Անդառնալի պրոցեսների թերմոդինամիկա). Համակարգում անդառնալի պրոցեսների ժամանակ կարող է առաջանալ արտադրություն (առաջացում)։ էնտրոպիա. Ամբողջական դիֆերենցիալ էնտրոպիաորոշվում է այս դեպքում Կարնո-Կլաուզիուս անհավասարությամբ.

Որտեղ dS i > 0 - դիֆերենցիալ էնտրոպիա, կապված չէ ջերմության հոսքի հետ, այլ արտադրության պատճառով էնտրոպիահամակարգում անդառնալի գործընթացների պատճառով ( դիֆուզիոն. ջերմային ջերմահաղորդությունքիմիական ռեակցիաներ և այլն): Տեղական արտադրություն էնտրոպիա (տ- ժամանակ) ներկայացված է որպես X ընդհանրացված թերմոդինամիկական ուժերի արտադրյալների գումար եսընդհանրացված թերմոդինամիկական հոսքերին Ջ ի:

Արտադրություն էնտրոպիապայմանավորված, օրինակ, բաղադրիչի տարածմամբ եսնյութի ուժի և հոսքի պատճառով Ջ; արտադրությունը էնտրոպիաքիմիական ռեակցիայի պատճառով՝ ուժով X=A/T, Որտեղ Ա- քիմիական հարաբերակցությունը և հոսքը Ջ, հավասար է ռեակցիայի արագությանը: Վիճակագրական թերմոդինամիկայի մեջ էնտրոպիամեկուսացված համակարգը որոշվում է հարաբերությամբ՝ որտեղ կ - Բոլցմանի հաստատուն. - վիճակի թերմոդինամիկական քաշը, որը հավասար է համակարգի հնարավոր քվանտային վիճակների թվին էներգիայի, ծավալի, մասնիկների քանակի տրված արժեքներով: Համակարգի հավասարակշռության վիճակը համապատասխանում է միայնակ (ոչ այլասերված) քվանտային վիճակների պոպուլյացիաների հավասարությանը։ Աճող էնտրոպիաանշրջելի գործընթացներում կապված է առանձին ենթահամակարգերի միջև համակարգի տվյալ էներգիայի առավել հավանական բաշխման հաստատման հետ։ Ընդհանրացված վիճակագրական սահմանում էնտրոպիա, որը վերաբերում է նաև ոչ մեկուսացված համակարգերին, միանում է էնտրոպիատարբեր միկրովիճակների հավանականությամբ հետևյալ կերպ.

Որտեղ w i- հավանականություն ես-րդ նահանգ.

Բացարձակ էնտրոպիաՔիմիական միացությունը որոշվում է փորձարարական եղանակով, հիմնականում կալորիմետրիկ մեթոդով, հիմնվելով հարաբերակցության վրա.

Երկրորդ սկզբունքի օգտագործումը թույլ է տալիս որոշել էնտրոպիաքիմիական ռեակցիաներ, որոնք հիմնված են փորձարարական տվյալների վրա (էլեկտրաշարժիչ ուժի մեթոդ, գոլորշու ճնշման մեթոդ և այլն): Հնարավոր է հաշվարկ էնտրոպիաքիմիական միացություններ՝ օգտագործելով վիճակագրական թերմոդինամիկայի մեթոդներ՝ հիմնված մոլեկուլային հաստատունների, մոլեկուլային քաշի, մոլեկուլային երկրաչափության և նորմալ թրթռումների հաճախականությունների վրա։ Այս մոտեցումը հաջողությամբ իրականացվում է իդեալական գազերի համար: Խտացված փուլերի համար վիճակագրական հաշվարկները զգալիորեն ավելի քիչ ճշգրտություն են ապահովում և իրականացվում են սահմանափակ թվով դեպքերում. Վերջին տարիներին այս ոլորտում զգալի առաջընթաց է գրանցվել։

Առնչվող տեղեկություններ.

Ջերմային շարժիչի տեսական մոդելում դիտարկվում են երեք մարմիններ. ջեռուցիչ, աշխատանքային հեղուկԵվ սառնարան.

Ջեռուցիչ – ջերմային ջրամբար (մեծ մարմին), որի ջերմաստիճանը մշտական ​​է։

Շարժիչի աշխատանքի յուրաքանչյուր ցիկլում աշխատանքային հեղուկը ջեռուցիչից ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն, ընդլայնվում և կատարում մեխանիկական աշխատանք: Ջեռուցիչից ստացված էներգիայի մի մասի փոխանցումը սառնարան անհրաժեշտ է աշխատանքային հեղուկը իր սկզբնական վիճակին վերադարձնելու համար։

Քանի որ մոդելը ենթադրում է, որ ջեռուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանը չի փոխվում ջերմային շարժիչի աշխատանքի ընթացքում, ապա ցիկլի ավարտին՝ աշխատանքային հեղուկի տաքացում-ընդլայնում-սառեցում-սեղմում, համարվում է, որ մեքենան վերադառնում է. իր սկզբնական վիճակին:

Յուրաքանչյուր ցիկլի համար, հիմնվելով թերմոդինամիկայի առաջին օրենքի վրա, կարող ենք գրել, որ ջերմության քանակը Քտաքացուցիչից ստացվող ջերմություն, ջերմության քանակ | Քսառնարանին տրված, իսկ աշխատանքային մարմնի կատարած աշխատանքը Ամիմյանց հետ կապված են հարաբերությամբ.

Ա = Քջերմություն – | Քսառը|.

Իրական տեխնիկական սարքերում, որոնք կոչվում են ջերմային շարժիչներ, աշխատանքային հեղուկը տաքացվում է վառելիքի այրման ժամանակ արտազատվող ջերմությամբ։ Այսպիսով, էլեկտրակայանի գոլորշու տուրբինում ջեռուցիչը տաք ածուխով վառարան է: Ներքին այրման շարժիչում (ICE) այրման արտադրանքը կարելի է համարել ջեռուցիչ, իսկ ավելցուկային օդը՝ աշխատող հեղուկ։ Որպես սառնարան նրանք օգտագործում են մթնոլորտային օդը կամ բնական աղբյուրներից ստացված ջուրը։

Ջերմային շարժիչի (մեքենայի) արդյունավետությունը.

Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն (արդյունավետություն)շարժիչի կատարած աշխատանքի հարաբերակցությունն է ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակին.

Ցանկացած ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը միավորից պակաս է և արտահայտվում է որպես տոկոս: Ջեռուցիչից ստացվող ջերմության ողջ քանակությունը մեխանիկական աշխատանքի վերածելու անհնարինությունը ցիկլային գործընթաց կազմակերպելու անհրաժեշտության համար վճարվող գինն է և բխում է թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքից։

Իրական ջերմային շարժիչներում արդյունավետությունը որոշվում է փորձարարական մեխանիկական հզորությամբ Նշարժիչը և այրված վառելիքի քանակը մեկ միավոր ժամանակում: Այսպիսով, եթե ժամանակի ընթացքում տայրվել է վառելիքի զանգված մև այրման հատուկ ջերմություն ք, Դա

Տրանսպորտային միջոցների համար հղման հատկանիշը հաճախ ծավալն է Վճանապարհին վառելիք է այրվել սմեխանիկական շարժիչի հզորությամբ Նև արագությամբ: Այս դեպքում, հաշվի առնելով վառելիքի r խտությունը, կարող ենք գրել արդյունավետության հաշվարկման բանաձևը.

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը

Կան մի քանի ձևակերպումներ թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը. Նրանցից մեկն ասում է, որ անհնար է ունենալ ջերմային շարժիչ, որը կաշխատի միայն ջերմության աղբյուրի շնորհիվ, այսինքն. ոչ սառնարան. Համաշխարհային օվկիանոսները նրա համար կարող էին ծառայել որպես ներքին էներգիայի գործնականում անսպառ աղբյուր (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901):

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի այլ ձևակերպումներ համարժեք են այս մեկին։

Կլաուզիուսի ձևակերպում(1850). անհնար է մի գործընթաց, որի ժամանակ ջերմությունը ինքնաբերաբար փոխանցվում է ավելի քիչ տաքացած մարմիններից ավելի տաքացած մարմիններին:

Թոմսոնի ձևակերպումը(1851). շրջանաձև գործընթաց անհնար է, որի միակ արդյունքը կլինի աշխատանքի արտադրությունը՝ նվազեցնելով ջերմային ջրամբարի ներքին էներգիան։

Կլաուզիուսի ձևակերպում(1865). փակ ոչ հավասարակշռված համակարգում բոլոր ինքնաբուխ պրոցեսները տեղի են ունենում այն ​​ուղղությամբ, որտեղ համակարգի էնտրոպիան մեծանում է. ջերմային հավասարակշռության վիճակում առավելագույն և հաստատուն է։

Բոլցմանի ձևակերպում(1877). Բազմաթիվ մասնիկների փակ համակարգը ինքնաբերաբար ավելի կարգավորված վիճակից անցնում է ավելի քիչ կարգավորված վիճակի: Համակարգը չի կարող ինքնաբերաբար հեռանալ իր հավասարակշռության դիրքից: Բոլցմանը ներկայացրեց անկարգության քանակական չափանիշ մի համակարգում, որը բաղկացած է բազմաթիվ մարմիններից. էնտրոպիա.

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը իդեալական գազով որպես աշխատանքային հեղուկ

Եթե ​​տրվում է ջերմային շարժիչում աշխատող հեղուկի մոդելը (օրինակ՝ իդեալական գազ), ապա հնարավոր է հաշվարկել աշխատանքային հեղուկի թերմոդինամիկական պարամետրերի փոփոխությունը ընդլայնման և սեղմման ժամանակ։ Սա թույլ է տալիս ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը հաշվարկել թերմոդինամիկայի օրենքների հիման վրա:

Նկարը ցույց է տալիս ցիկլեր, որոնց արդյունավետությունը կարող է հաշվարկվել, եթե աշխատանքային հեղուկը իդեալական գազ է, և պարամետրերը նշված են մեկ թերմոդինամիկ գործընթացի մյուսին անցման կետերում:

	Իզոբարիկ-իզոխորիկ
	Իզոխորիկ-ադիաբատիկ
	Իզոբարային-ադիաբատիկ
	Իզոբարիկ-իզոխորիկ-իզոթերմ
	Իզոբարային-իզոխորիկ-գծային

Կարնո ցիկլը. Իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը

Առավելագույն արդյունավետությունը տաքացուցիչի տվյալ ջերմաստիճանում Տջեռուցիչ և սառնարան Տսրահն ունի ջերմային շարժիչ, որտեղ աշխատանքային հեղուկը ընդլայնվում և կծկվում է համապատասխանաբար Կարնո ցիկլը(նկ. 2), որի գրաֆիկը բաղկացած է երկու իզոթերմից (2–3 և 4–1) և երկու ադիաբատից (3–4 և 1–2)։

Կարնոյի թեորեմըապացուցում է, որ նման շարժիչի արդյունավետությունը կախված չէ օգտագործվող աշխատանքային հեղուկից, ուստի այն կարելի է հաշվարկել՝ օգտագործելով թերմոդինամիկական հարաբերությունները իդեալական գազի համար.

Ջերմային շարժիչների բնապահպանական հետեւանքները

Ջերմային շարժիչների ինտենսիվ օգտագործումը տրանսպորտում և էներգետիկայում (ջերմային և ատոմակայաններ) զգալիորեն ազդում է Երկրի կենսոլորտի վրա։ Թեև կան գիտական ​​վեճեր Երկրի կլիմայի վրա մարդու գործունեության ազդեցության մեխանիզմների վերաբերյալ, շատ գիտնականներ նշում են այն գործոնները, որոնց պատճառով կարող է առաջանալ նման ազդեցություն.

1. Ջերմոցային էֆեկտը մթնոլորտում ածխածնի երկօքսիդի (ջերմային շարժիչների տաքացուցիչներում այրման արտադրանք) կոնցենտրացիայի ավելացումն է։ Ածխածնի երկօքսիդը թույլ է տալիս Արեգակից տեսանելի և ուլտրամանուշակագույն ճառագայթներին անցնել, բայց ներծծում է Երկրի ինֆրակարմիր ճառագայթումը դեպի տիեզերք: Սա հանգեցնում է մթնոլորտի ստորին շերտերի ջերմաստիճանի բարձրացմանը, փոթորիկ քամիների ավելացմանը և սառույցի գլոբալ հալմանը:
2. Թունավոր արտանետվող գազերի ուղղակի ազդեցությունը վայրի բնության վրա (քաղցկեղածին նյութեր, մշուշ, թթվային անձրև այրման կողմնակի արտադրանքներից):
3. Օզոնային շերտի ոչնչացում ինքնաթիռների թռիչքների և հրթիռների արձակման ժամանակ։ Օզոնը մթնոլորտի վերին շերտում պաշտպանում է Երկրի ողջ կյանքը Արեգակի ավելորդ ուլտրամանուշակագույն ճառագայթումից:

Առաջացող բնապահպանական ճգնաժամից ելքը կայանում է ջերմային շարժիչների արդյունավետության բարձրացման մեջ (ժամանակակից ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը հազվադեպ է գերազանցում 30%); օգտագործելով սպասարկվող շարժիչներ և վնասակար արտանետվող գազերի չեզոքացուցիչներ. էներգիայի այլընտրանքային աղբյուրների (արևային մարտկոցներ և ջեռուցիչներ) և այլընտրանքային տրանսպորտային միջոցների (հեծանիվներ և այլն) օգտագործումը։

Կարդացեք նաև...

• Կոմպոտ միանգամյա միջուկով
• Ձմռանը րանետկիի և խաղողի կոմպոտ
• Բանջարեղենով շոգեխաշել կարտոֆիլով և ցուկկինիով - շատ համեղ բաղադրատոմս
• Ինչու՞ եք երազում օդապարիկի մասին: