Uno dei parametri operativi importanti di qualsiasi dispositivo, per il quale l'efficienza della conversione energetica è di particolare importanza, è l'efficienza. Per definizione, l'utilità delle apparecchiature è determinata dal rapporto tra l'energia utile e l'energia massima ed è espressa come coefficiente η. Questo, in senso semplificato, è il coefficiente desiderato, l'efficienza del frigorifero e del riscaldatore, che può essere trovato in qualsiasi istruzione tecnica. In questo caso è necessario conoscere alcuni punti tecnici.

Efficienza del dispositivo e dei componenti

Il fattore di efficienza, che interessa maggiormente ai lettori, non si applicherà all'intero dispositivo di refrigerazione. Molto spesso: un compressore installato che fornisce i parametri di raffreddamento necessari o un motore. Ecco perché, quando ci si chiede quale sia l'efficienza di un frigorifero, consigliamo di chiedere il compressore installato e la percentuale.

È meglio considerare questo problema con un esempio. Ad esempio, esiste un frigorifero Ariston MB40D2NFE (2003), su cui è installato un compressore proprietario Danfoss NLE13KK.3 R600a, con una potenza di 219 W in condizioni di temperatura operativa di -23,3°C. Nel caso dei compressori frigoriferi può dipendere dal parametro RC (condensatore di marcia), nel nostro caso è 1,51 (senza RC, -23,3°C) e 1,60 (con RC, -23,3°C). Questi dati si trovano nei parametri tecnici. L'effetto di un condensatore sul funzionamento di un apparecchio è quello di consentire di raggiungere più rapidamente la velocità di funzionamento e quindi di aumentarne l'effetto utile.

L'efficienza del motore dell'unità di refrigerazione è correlata alla potenza e al consumo energetico. Ovviamente, più basso è il coefficiente, più elettricità consuma il modello, meno efficiente è. Cioè, il coefficiente massimo può essere determinato indirettamente dalla classe di consumo energetico - A+++.

Il fattore di efficienza del compressore è superiore a 1: come e perché?

Spesso la questione del coefficiente di azione utile preoccupa le persone che ricordano un po' del corso di fisica scolastico e non riescono a capire perché l'azione utile è superiore al 100%. Questa domanda richiede una piccola escursione nella fisica. La domanda riguarda se il fattore di rendimento di un generatore termico può essere maggiore di 1?

Questo problema è stato sollevato chiaramente tra i professionisti nel 2006, quando è stato pubblicato nel numero 8 di “Arguments and Facts” che i generatori di calore a vortice sono in grado di produrre il 172%. Nonostante gli echi della conoscenza di un corso di fisica, dove l'efficienza è sempre inferiore a 1, tale parametro è possibile, ma a determinate condizioni. Stiamo parlando specificamente delle proprietà del ciclo di Carnot.

Nel 1824, l'ingegnere francese S. Carnot esaminò e descrisse un processo circolare, che successivamente giocò un ruolo decisivo nello sviluppo della termodinamica e nell'uso dei processi termici nella tecnologia. Il ciclo di Carnot è formato da due isoterme e due adiabat.

Viene eseguito dal gas in un cilindro con un pistone e il coefficiente di efficienza è espresso attraverso i parametri del riscaldatore e del frigorifero e forma un rapporto. Una particolarità è il fatto che il calore può trasferirsi tra scambiatori di calore senza compiere lavoro da parte del pistone, per questo motivo il ciclo di Carnot è considerato il processo più efficiente che può essere simulato nelle condizioni del necessario scambio termico. In altre parole, l'effetto utile dell'unità di refrigerazione con il ciclo Carnot implementato sarà il massimo, o più precisamente, il massimo.

Se questa parte della teoria viene ricordata da molti del corso scolastico, il resto spesso si perde dietro le quinte. L'idea principale è che questo ciclo può essere completato in qualsiasi direzione. Un motore termico funziona solitamente in un ciclo avanti e le unità di refrigerazione funzionano in un ciclo inverso, quando il calore viene ridotto in un serbatoio freddo e trasferito in uno caldo a causa di una fonte di lavoro esterna: un compressore.

Una situazione in cui il coefficiente di utilità è maggiore di 1 si verifica se viene calcolato da un altro coefficiente di utilità, vale a dire il rapporto W(ricevuto)/W(speso) in una determinata condizione. Consiste nel fatto che per energia spesa si intende solo energia utile che viene utilizzata per costi reali. Di conseguenza, nei cicli termodinamici delle pompe di calore è possibile determinare costi energetici che saranno inferiori al volume di calore prodotto. Pertanto, con apparecchiature utili inferiori a 1, l'efficienza della pompa di calore può essere maggiore.

L’efficienza termodinamica è sempre inferiore a 1

Nelle macchine di refrigerazione (calore), la formula solitamente considera l'efficienza termodinamica e il coefficiente di refrigerazione. Nelle unità di refrigerazione, questo coefficiente implica l'efficienza del ciclo per ottenere lavoro utile quando il calore viene fornito al dispositivo di lavoro da una fonte esterna (trasmettitore di calore) e rimosso in un'altra sezione del circuito di calore ai fini del trasferimento ad un altro ricevitore esterno .

In totale, il fluido di lavoro subisce due processi: espansione e compressione, che corrispondono al parametro di lavoro. Il dispositivo più efficiente viene considerato quando il calore fornito è inferiore al calore rimosso: maggiore sarà l'efficienza del ciclo.

Il grado di perfezione di un dispositivo termodinamico che converte il calore in lavoro meccanico è stimato dal coefficiente termico in percentuale, che in questo caso può essere interessante. L'efficienza termica di solito misura e misura la quantità di calore proveniente dal riscaldatore e dal frigorifero che la macchina converte in funzionamento in condizioni specifiche considerate ideali. Il valore del parametro termico è sempre inferiore a 1 e non può essere superiore come nel caso dei compressori. Alla temperatura di 40° il dispositivo funzionerà con un'efficienza minima.

Infine

Nelle moderne unità di refrigerazione domestica viene utilizzato il processo Carnot inverso e la temperatura del frigorifero può essere determinata in base alla quantità di calore trasferito dall'elemento riscaldante. I parametri della camera di raffreddamento e dei riscaldatori possono essere completamente diversi nella pratica e dipendono anche dal funzionamento esterno del motore con il compressore, che ha i propri parametri di efficienza. Di conseguenza, questi parametri (efficienza del frigorifero in percentuale) con un processo termodinamico fondamentalmente identico dipenderanno dalla tecnologia implementata dal produttore.

Poiché secondo la formula il coefficiente di utilità dipende dalla temperatura degli scambiatori di calore, i parametri tecnici indicano quale percentuale di utilità può essere ottenuta in determinate condizioni ideali. Sono questi dati che possono essere utilizzati non solo in base alle foto per confrontare modelli di marche diverse, compresi quelli che funzionano in condizioni normali o con temperature fino a 40°.

Fattore di efficienza (efficienza) è un termine che può essere applicato, forse, a ogni sistema e dispositivo. Anche una persona ha un fattore di efficienza, anche se probabilmente non esiste ancora una formula oggettiva per trovarlo. In questo articolo spiegheremo in dettaglio cos'è l'efficienza e come può essere calcolata per vari sistemi.

Definizione di efficienza

L'efficienza è un indicatore che caratterizza l'efficacia di un sistema in termini di produzione o conversione di energia. L'efficienza è una quantità incommensurabile ed è rappresentata come valore numerico compreso tra 0 e 1 o come percentuale.

Formula generale

L'efficienza è indicata dal simbolo Ƞ.

La formula matematica generale per trovare l'efficienza è scritta come segue:

Ƞ=A/Q, dove A è l'energia/lavoro utile svolto dal sistema e Q è l'energia consumata da questo sistema per organizzare il processo volto a ottenere un output utile.

Il fattore di efficienza, purtroppo, è sempre inferiore o uguale all'unità, poiché, secondo la legge di conservazione dell'energia, non possiamo ottenere più lavoro dell'energia spesa. Inoltre, l'efficienza, infatti, è estremamente raramente uguale all'unità, poiché il lavoro utile è sempre accompagnato da perdite, ad esempio, per il riscaldamento del meccanismo.

Efficienza del motore termico

Un motore termico è un dispositivo che converte l'energia termica in energia meccanica. In una macchina termica, il lavoro è determinato dalla differenza tra la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore e la quantità di calore ceduta al frigorifero, e quindi l'efficienza è determinata dalla formula:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, dove Qн è la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore e Qх è la quantità di calore ceduta al frigorifero.

Si ritiene che la massima efficienza sia fornita dai motori che funzionano secondo il ciclo di Carnot. In questo caso l’efficienza è determinata dalla formula:

• Ƞ=T1-T2/T1, dove T1 è la temperatura della sorgente calda, T2 è la temperatura della sorgente fredda.

Efficienza del motore elettrico

Un motore elettrico è un dispositivo che converte l'energia elettrica in energia meccanica, quindi l'efficienza in questo caso è il rapporto di efficienza del dispositivo nel convertire l'energia elettrica in energia meccanica. La formula per trovare l'efficienza di un motore elettrico è simile alla seguente:

• Ƞ=P2/P1, dove P1 è la potenza elettrica fornita, P2 è la potenza meccanica utile generata dal motore.

La potenza elettrica si trova come il prodotto della corrente e della tensione del sistema (P=UI) e la potenza meccanica come il rapporto tra lavoro per unità di tempo (P=A/t)

Efficienza del trasformatore

Un trasformatore è un dispositivo che converte la corrente alternata di una tensione in corrente alternata di un'altra tensione, mantenendo la frequenza. Inoltre, i trasformatori possono anche convertire la corrente alternata in corrente continua.

L'efficienza del trasformatore si trova dalla formula:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), dove P0 è la perdita a vuoto, PL è la perdita a carico, P2 è la potenza attiva fornita al carico, n è il grado relativo di carico.

Efficienza o non efficienza?

Vale la pena notare che oltre all'efficienza, ci sono una serie di indicatori che caratterizzano l'efficienza dei processi energetici, e talvolta possiamo imbatterci in descrizioni come - efficienza dell'ordine del 130%, tuttavia in questo caso dobbiamo capirlo il termine non è usato del tutto correttamente e, molto probabilmente, l'autore o il produttore interpreta questa abbreviazione come una caratteristica leggermente diversa.

Ad esempio, le pompe di calore si distinguono per il fatto che possono rilasciare più calore di quanto ne consumano. Pertanto, una macchina di refrigerazione può rimuovere dall'oggetto da raffreddare più calore di quanto è stato speso in energia equivalente per organizzare la rimozione. L'indicatore di efficienza di una macchina di refrigerazione è chiamato coefficiente di refrigerazione, indicato con la lettera Ɛ e determinato dalla formula: Ɛ=Qx/A, dove Qx è il calore rimosso dall'estremità fredda, A è il lavoro impiegato nel processo di rimozione . Tuttavia, a volte il coefficiente di refrigerazione è anche chiamato efficienza della macchina frigorifera.

È anche interessante notare che l'efficienza delle caldaie funzionanti a combustibile organico viene solitamente calcolata in base al potere calorifico inferiore e può essere maggiore dell'unità. Tuttavia, è ancora tradizionalmente chiamata efficienza. È possibile determinare l'efficienza di una caldaia dal potere calorifico più elevato, e quindi sarà sempre inferiore a uno, ma in questo caso sarà scomodo confrontare le prestazioni delle caldaie con i dati di altri impianti.

>>Fisica: Il principio di funzionamento dei motori termici. Coefficiente di prestazione (efficienza) dei motori termici

Le riserve di energia interna della crosta terrestre e degli oceani possono essere considerate praticamente illimitate. Ma per risolvere problemi pratici non basta avere riserve di energia. È inoltre necessario essere in grado di utilizzare l'energia per mettere in movimento macchine utensili in fabbriche e fabbriche, veicoli, trattori e altre macchine, per ruotare i rotori dei generatori di corrente elettrica, ecc. L'umanità ha bisogno di motori, dispositivi in ​​grado di svolgere lavoro. La maggior parte dei motori sulla Terra lo sono motori termici. I motori termici sono dispositivi che convertono l'energia interna del carburante in energia meccanica.
Principi di funzionamento dei motori termici. Affinché un motore funzioni, è necessario che vi sia una differenza di pressione su entrambi i lati del pistone del motore o delle pale della turbina. In tutti i motori termici, questa differenza di pressione si ottiene aumentando la temperatura del fluido di lavoro (gas) di centinaia o migliaia di gradi rispetto alla temperatura ambiente. Questo aumento di temperatura si verifica quando il carburante brucia.
Una delle parti principali del motore è un recipiente pieno di gas con un pistone mobile. Il fluido di lavoro di tutti i motori termici è il gas, che funziona durante l'espansione. Indichiamo la temperatura iniziale del fluido di lavoro (gas) con T1. Questa temperatura nelle turbine o nelle macchine a vapore viene raggiunta dal vapore nella caldaia a vapore. Nei motori a combustione interna e nelle turbine a gas, l'aumento di temperatura avviene quando il carburante brucia all'interno del motore stesso. Temperatura T1 temperatura del riscaldatore."
Il ruolo del frigorifero. Man mano che il lavoro viene svolto, il gas perde energia e inevitabilmente si raffredda fino ad una certa temperatura. T2, che di solito è leggermente superiore alla temperatura ambiente. La chiamano temperatura del frigorifero. Il frigorifero è l'atmosfera o dispositivi speciali per il raffreddamento e la condensazione del vapore di scarico - condensatori. In quest'ultimo caso la temperatura del frigorifero potrebbe essere leggermente inferiore alla temperatura atmosferica.
Pertanto, in un motore, il fluido di lavoro durante l'espansione non può rinunciare a tutta la sua energia interna per compiere lavoro. Una parte del calore viene inevitabilmente trasferita al frigorifero (atmosfera) insieme al vapore di scarico o ai gas di scarico dei motori a combustione interna e delle turbine a gas. Questa parte dell'energia interna viene persa.
Un motore termico esegue lavoro utilizzando l'energia interna del fluido di lavoro. Inoltre, in questo processo, il calore viene ceduto dai corpi più caldi (riscaldatore) a quelli più freddi (frigorifero).
Il diagramma schematico di un motore termico è mostrato nella Figura 13.11.
Il fluido di lavoro del motore riceve calore dal riscaldatore durante la combustione del carburante Domanda 1 funziona UN´ e trasferisce la quantità di calore al frigorifero Domanda 2 .
Coefficiente di prestazione (efficienza) di un motore termico L'impossibilità di convertire completamente l'energia interna del gas nel lavoro dei motori termici è dovuta all'irreversibilità dei processi in natura. Se il calore potesse ritornare spontaneamente dal frigorifero al riscaldatore, allora l’energia interna potrebbe essere completamente convertita in lavoro utile da qualsiasi motore termico.
Secondo la legge di conservazione dell’energia il lavoro compiuto dal motore è pari a:

Dove Domanda 1- la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore e Domanda 2- la quantità di calore trasferita al frigorifero.
Coefficiente di prestazione (efficienza) di un motore termico chiamata attitudine al lavoro UN eseguita dal motore alla quantità di calore ricevuta dal riscaldatore:

Poiché tutti i motori trasferiscono una certa quantità di calore al frigorifero, allora η<1.
L'efficienza di un motore termico è proporzionale alla differenza di temperatura tra il riscaldatore e il frigorifero. A T1-T2=0 Il motore non può funzionare.
Valore massimo di rendimento dei motori termici. Le leggi della termodinamica consentono di calcolare la massima efficienza possibile di un motore termico funzionante con un riscaldatore a temperatura T1 e un frigorifero con una temperatura T2. Ciò fu fatto per la prima volta dall'ingegnere e scienziato francese Sadi Carnot (1796-1832) nella sua opera “Riflessioni sulla forza motrice del fuoco e sulle macchine capaci di sviluppare questa forza” (1824).
Carnot inventò un motore termico ideale con un gas ideale come fluido di lavoro. Una macchina termica di Carnot ideale funziona su un ciclo costituito da due isoterme e due adiabat. Innanzitutto, un recipiente contenente gas viene messo in contatto con un riscaldatore, il gas si espande isotermamente, eseguendo un lavoro positivo, ad una temperatura T1, allo stesso tempo riceve la quantità di calore Domanda 1.
Quindi la nave viene isolata termicamente, il gas continua ad espandersi adiabaticamente, mentre la sua temperatura scende alla temperatura del frigorifero T2. Successivamente il gas viene portato a contatto con il frigorifero; durante la compressione isotermica cede una quantità di calore al frigorifero Domanda 2, riducendosi in volume V4 . Successivamente il recipiente viene nuovamente isolato termicamente, il gas viene compresso adiabaticamente fino al volume V1 e ritorna al suo stato originale.
Carnot ottenne la seguente espressione per il rendimento di questa macchina:

Come ci si aspetterebbe, l’efficienza di una macchina di Carnot è direttamente proporzionale alla differenza tra le temperature assolute del riscaldatore e del frigorifero.
Il significato principale di questa formula è che qualsiasi motore termico reale funzionante con un riscaldatore ha una temperatura T1, e un frigorifero con una temperatura T2, non può avere un rendimento superiore a quello di un motore termico ideale.

La formula (13.19) fornisce il limite teorico per il valore massimo di efficienza dei motori termici. Ciò dimostra che quanto più alta è la temperatura del riscaldatore e quanto più bassa è la temperatura del frigorifero, tanto più efficiente è un motore termico. Solo a temperatura del frigorifero pari allo zero assoluto, η =1.
Ma la temperatura del frigorifero praticamente non può essere inferiore alla temperatura ambiente. È possibile aumentare la temperatura del riscaldatore. Tuttavia, qualsiasi materiale (corpo solido) ha una resistenza al calore o resistenza al calore limitata. Quando riscaldato, perde gradualmente le sue proprietà elastiche e ad una temperatura sufficientemente elevata si scioglie.
Ora gli sforzi principali degli ingegneri sono volti ad aumentare l'efficienza dei motori riducendo l'attrito delle loro parti, le perdite di carburante dovute a combustione incompleta, ecc. Le reali opportunità per aumentare l'efficienza qui rimangono ancora grandi. Pertanto, per una turbina a vapore, le temperature iniziale e finale del vapore sono approssimativamente le seguenti: T1≈800 K e T2≈300 K. A queste temperature il valore di efficienza massima è:

Il valore effettivo del rendimento dovuto alle varie tipologie di perdite energetiche è pari a circa il 40%. L'efficienza massima - circa il 44% - è raggiunta dai motori Diesel.
Aumentare l'efficienza dei motori termici e avvicinarla al massimo possibile è il compito tecnico più importante.
I motori termici eseguono lavoro grazie alla differenza di pressione del gas sulle superfici dei pistoni o delle pale delle turbine. Questa differenza di pressione è creata da una differenza di temperatura. La massima efficienza possibile è proporzionale a questa differenza di temperatura e inversamente proporzionale alla temperatura assoluta del riscaldatore.
Un motore termico non può funzionare senza un frigorifero, il cui ruolo è solitamente svolto dall'atmosfera.

???
1. Quale dispositivo è chiamato motore termico?
2. Qual è il ruolo del riscaldatore, del raffreddatore e del fluido di lavoro in un motore termico?
3. Qual è l'efficienza del motore?
4. Qual è il valore massimo di efficienza di un motore termico?

G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Fisica 10a elementare

Contenuto della lezione appunti di lezione metodi di accelerazione della presentazione delle lezioni con frame di supporto tecnologie interattive Pratica compiti ed esercizi autotest workshop, corsi di formazione, casi, ricerche compiti a casa domande di discussione domande retoriche degli studenti Illustrazioni audio, video clip e contenuti multimediali fotografie, immagini, grafica, tabelle, diagrammi, umorismo, aneddoti, barzellette, fumetti, parabole, detti, cruciverba, citazioni Componenti aggiuntivi abstract articoli trucchi per i curiosi presepi libri di testo dizionario base e aggiuntivo dei termini altro Miglioramento di libri di testo e lezionicorreggere gli errori nel libro di testo aggiornamento di un frammento in un libro di testo, elementi di innovazione nella lezione, sostituzione di conoscenze obsolete con nuove Solo per insegnanti lezioni perfette piano di calendario per l'anno; raccomandazioni metodologiche; Lezioni integrate

Se hai correzioni o suggerimenti per questa lezione,

Il fluido di lavoro, ricevendo una certa quantità di calore Q 1 dal riscaldatore, cede parte di questa quantità di calore, uguale in modulo |Q2|, al frigorifero. Pertanto, il lavoro svolto non può essere maggiore A = Q1- |Q2 |. Viene chiamato il rapporto tra questo lavoro e la quantità di calore ricevuta dal gas in espansione dal riscaldatore efficienza motore termico:

L'efficienza di un motore termico funzionante a ciclo chiuso è sempre inferiore a uno. Il compito dell'ingegneria termoelettrica è quello di rendere l'efficienza più alta possibile, cioè di utilizzare quanto più calore possibile ricevuto dal riscaldatore per produrre lavoro. Come è possibile raggiungere questo obiettivo?
Per la prima volta, il processo ciclico più perfetto, costituito da isoterme e adiabati, fu proposto dal fisico e ingegnere francese S. Carnot nel 1824.

Ciclo di Carnot.

Supponiamo che il gas si trovi in ​​un cilindro, le cui pareti e pistone sono costituiti da materiale termoisolante e il fondo è costituito da un materiale ad alta conduttività termica. Il volume occupato dal gas è pari a V1.

figura 2

Portiamo la bombola a contatto con il riscaldatore (Figura 2) e diamo la possibilità al gas di espandersi isotermicamente e di compiere lavoro . Il gas riceve una certa quantità di calore dal riscaldatore Domanda 1. Questo processo è rappresentato graficamente da un'isoterma (curva AB).

Figura 3

Quando il volume del gas diventa uguale ad un certo valore V1'< V 2 , il fondo del cilindro è isolato dal riscaldatore , Successivamente il gas si espande adiabaticamente fino al volume V2, corrispondente alla corsa massima possibile del pistone nel cilindro (adiabatico Sole). In questo caso, il gas viene raffreddato ad una temperatura T2< T 1 .
Il gas raffreddato può ora essere compresso isotermamente a temperatura T2. Per fare ciò deve essere messo a contatto con un corpo avente la stessa temperatura T2, cioè con un frigorifero , e comprimere il gas con una forza esterna. Tuttavia, in questo processo il gas non tornerà al suo stato originale: la sua temperatura sarà sempre inferiore a quella T1.
Pertanto la compressione isotermica viene portata ad un certo volume intermedio V2'>V1(isoterma CD). In questo caso il gas cede calore al frigorifero Q2, pari al lavoro di compressione compiuto su di esso. Successivamente, il gas viene compresso adiabaticamente fino a raggiungere un volume V1, allo stesso tempo la sua temperatura sale a T1(adiabatico D.A.). Ora il gas è tornato al suo stato originale, in cui il suo volume è uguale a V 1, la temperatura - T1, pressione - pag 1, e il ciclo può essere ripetuto di nuovo.

Quindi, sul sito ABC il gas funziona (A > 0), e sul sito CDA lavoro svolto sul gas (UN< 0). Nei siti Sole E ANNO DOMINI il lavoro viene svolto solo a causa dei cambiamenti nell'energia interna del gas. Dal momento che il cambiamento di energia interna CUB = – UDA, allora il lavoro durante le trasformazioni adiabatiche è uguale: ABC = –ADA. Di conseguenza, il lavoro totale svolto per ciclo è determinato dalla differenza nel lavoro svolto durante i processi isotermici (sezioni AB E CD). Numericamente, questo lavoro è uguale all’area della figura delimitata dalla curva del ciclo ABCD.
Solo una parte della quantità di calore viene effettivamente convertita in lavoro utile QT, ricevuto dal riscaldatore, pari a QT 1 – |QT 2 |. Quindi, nel ciclo di Carnot, lavoro utile A = QT1– |QT 2 |.
La massima efficienza di un ciclo ideale, come dimostrato da S. Carnot, può essere espressa in termini di temperatura del riscaldatore (T1) e frigorifero (T2):

Nei motori reali non è possibile realizzare un ciclo costituito da processi ideali isotermici e adiabatici. Pertanto, l'efficienza del ciclo effettuato nei motori reali è sempre inferiore all'efficienza del ciclo di Carnot (alle stesse temperature di riscaldatori e frigoriferi):

La formula mostra che quanto più alta è la temperatura del riscaldatore e quanto più bassa è la temperatura del frigorifero, tanto maggiore è l'efficienza del motore.

Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - un talentuoso ingegnere e fisico francese, uno dei fondatori della termodinamica. Nella sua opera "Riflessioni sulla forza motrice del fuoco e sulle macchine in grado di sviluppare questa forza" (1824), dimostrò per la prima volta che i motori termici possono eseguire lavoro solo nel processo di trasferimento del calore da un corpo caldo a uno freddo. Carnot inventò un motore termico ideale, calcolò l'efficienza della macchina ideale e dimostrò che questo coefficiente è il massimo possibile per qualsiasi motore termico reale.
Come aiuto alla sua ricerca, Carnot inventò (sulla carta) nel 1824 una macchina termica ideale con un gas ideale come fluido di lavoro. L'importante ruolo del motore di Carnot non risiede solo nella sua possibile applicazione pratica, ma anche nel fatto che permette di spiegare i principi di funzionamento dei motori termici in generale; È altrettanto importante che Carnot, con l'aiuto del suo motore, sia riuscito a dare un contributo significativo alla fondatezza e alla comprensione della seconda legge della termodinamica. Tutti i processi in una macchina di Carnot sono considerati di equilibrio (reversibili). Un processo reversibile è un processo che procede così lentamente che può essere considerato come una transizione sequenziale da uno stato di equilibrio a un altro, ecc., e l'intero processo può essere eseguito nella direzione opposta senza modificare il lavoro svolto e la quantità di lavoro svolto. calore trasferito. (Si noti che tutti i processi reali sono irreversibili) Nella macchina viene eseguito un processo o ciclo circolare in cui il sistema, dopo una serie di trasformazioni, ritorna al suo stato originale. Il ciclo di Carnot è formato da due isoterme e due adiabat. Le curve A - B e C - D sono isoterme, e B - C e D - A sono adiabate. Innanzitutto il gas si espande isotermamente alla temperatura T 1 . Allo stesso tempo riceve la quantità di calore Q 1 dal riscaldatore. Quindi si espande adiabaticamente e non scambia calore con i corpi circostanti. Segue la compressione isotermica del gas alla temperatura T 2 . In questo processo il gas trasferisce la quantità di calore Q 2 al frigorifero. Infine il gas viene compresso adiabaticamente e ritorna allo stato originale. Durante l'espansione isotermica, il gas compie il lavoro A" 1 >0, pari alla quantità di calore Q 1. Con l'espansione adiabatica B - C, il lavoro positivo A" 3 è uguale alla diminuzione dell'energia interna quando il gas viene raffreddato dalla temperatura T 1 alla temperatura T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2). La compressione isotermica alla temperatura T 2 richiede che venga eseguito lavoro A 2 sul gas. Il gas esegue un lavoro negativo corrispondente A"2 = -A2 = Q2. Infine, la compressione adiabatica richiede lavoro svolto sul gas A 4 = dU 2,1. Il lavoro del gas stesso A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Pertanto il lavoro totale del gas durante due trasformazioni adiabatiche è zero. Durante il ciclo, il il gas funziona A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Questo lavoro è numericamente uguale all'area della figura limitata dalla curva del ciclo. Per calcolare l'efficienza, è necessario calcolare il lavoro per i processi isotermici A - B e C - D. I calcoli portano al seguente risultato: (2) L'efficienza di un motore termico di Carnot è pari al rapporto tra la differenza tra la temperatura assoluta del riscaldatore e del frigorifero e la temperatura assoluta del riscaldatore. Il significato principale della formula di Carnot (2) per l'efficienza di una macchina ideale è che determina la massima efficienza possibile di qualsiasi motore termico. Carnot ha dimostrato il seguente teorema: qualsiasi motore termico reale funzionante con un riscaldatore alla temperatura T 1 e un frigorifero alla temperatura T 2 non può avere un'efficienza che superi l'efficienza di un motore termico ideale. Efficienza dei motori termici reali La formula (2) fornisce il limite teorico per il valore massimo dell'efficienza dei motori termici. Ciò dimostra che quanto più alta è la temperatura del riscaldatore e quanto più bassa è la temperatura del frigorifero, tanto più efficiente è un motore termico. Solo a una temperatura del frigorifero pari allo zero assoluto l'efficienza è pari a 1. Nei motori termici reali, i processi procedono così rapidamente che la diminuzione e l'aumento dell'energia interna della sostanza di lavoro quando cambia il suo volume non ha il tempo di essere compensata dalla afflusso di energia dal riscaldatore e rilascio di energia al frigorifero. Pertanto, i processi isotermici non possono essere realizzati. Lo stesso vale per i processi strettamente adiabatici, poiché in natura non esistono isolanti termici ideali. I cicli compiuti nei motori termici reali sono costituiti da due isocore e due adiabate (nel ciclo Otto), da due adiabate, isobare e isocore (nel ciclo Diesel), da due adiabate e due isobare (in una turbina a gas), ecc. In questo caso bisogna tenere presente che questi cicli possono anche essere ideali, come il ciclo di Carnot. Ma per questo è necessario che le temperature del riscaldatore e del frigorifero non siano costanti, come nel ciclo di Carnot, ma cambino allo stesso modo in cui cambia la temperatura della sostanza di lavoro nei processi di riscaldamento e raffreddamento isocoro. In altre parole, la sostanza di lavoro deve essere in contatto con un numero infinito di riscaldatori e frigoriferi - solo in questo caso ci sarà un trasferimento di calore di equilibrio alle isocore. Naturalmente, nei cicli dei motori termici reali, i processi non sono in equilibrio, per cui l'efficienza dei motori termici reali nello stesso intervallo di temperature è significativamente inferiore all'efficienza del ciclo di Carnot. Allo stesso tempo, l’espressione (2) gioca un ruolo enorme nella termodinamica ed è una sorta di “faro” che indica modi per aumentare l’efficienza dei motori termici reali.
	Nel ciclo Otto, la miscela di lavoro viene prima aspirata nel cilindro 1-2, poi compressione adiabatica 2-3 e dopo la sua combustione isocora 3-4, accompagnata da un aumento della temperatura e della pressione dei prodotti della combustione, dalla loro espansione adiabatica 4-5, poi si verifica una caduta di pressione isocora 5 -2 ed espulsione isobarica dei gas di scarico da parte del pistone 2-1. Poiché non viene compiuto lavoro sulle isocore, e il lavoro durante l'aspirazione della miscela di lavoro e l'espulsione dei gas di scarico è uguale e contrario in segno, il lavoro utile per un ciclo è uguale alla differenza di lavoro sulle adiabate di espansione e compressione e è rappresentato graficamente dall'area del ciclo.
Confrontando il rendimento di una vera macchina termica con il rendimento del ciclo di Carnot, va notato che nell'espressione (2) la temperatura T 2 in casi eccezionali può coincidere con la temperatura ambiente, che consideriamo un frigorifero, ma nel caso caso generale supera la temperatura ambiente. Quindi, ad esempio, nei motori a combustione interna, T2 dovrebbe essere intesa come la temperatura dei gas di scarico e non la temperatura dell'ambiente in cui vengono prodotti i gas di scarico.
	La figura mostra il ciclo di un motore a combustione interna a quattro tempi con combustione isobarica (ciclo Diesel). A differenza del ciclo precedente, nella sezione 1-2 viene assorbito. aria atmosferica, che è sottoposta a compressione adiabatica nella sezione da 2-3 a 3 10 6 -3 10 5 Pa. Il combustibile liquido iniettato si accende in un ambiente di aria altamente compressa, e quindi riscaldata, e brucia isobaricamente 3-4, quindi si verifica un'espansione adiabatica dei prodotti della combustione 4-5. I restanti processi 5-2 e 2-1 procedono allo stesso modo del ciclo precedente. Va ricordato che nei motori a combustione interna i cicli sono condizionatamente chiusi, poiché prima di ogni ciclo il cilindro viene riempito con una certa massa di sostanza di lavoro, che viene espulsa dal cilindro alla fine del ciclo.
Ma la temperatura del frigorifero praticamente non può essere molto inferiore alla temperatura ambiente. È possibile aumentare la temperatura del riscaldatore. Tuttavia, qualsiasi materiale (corpo solido) ha una resistenza al calore o resistenza al calore limitata. Quando riscaldato, perde gradualmente le sue proprietà elastiche e ad una temperatura sufficientemente elevata si scioglie. Ora gli sforzi principali degli ingegneri sono volti ad aumentare l'efficienza dei motori riducendo l'attrito delle loro parti, le perdite di carburante dovute a combustione incompleta, ecc. Le reali opportunità per aumentare l'efficienza qui rimangono ancora grandi. Quindi, per una turbina a vapore, le temperature iniziale e finale del vapore sono approssimativamente le seguenti: T 1 = 800 K e T 2 = 300 K. A queste temperature il valore massimo del coefficiente di efficienza è: Il valore effettivo del rendimento dovuto alle varie tipologie di perdite energetiche è pari a circa il 40%. L'efficienza massima - circa il 44% - è raggiunta dai motori a combustione interna. L'efficienza di qualsiasi motore termico non può superare il valore massimo possibile dove T1 è la temperatura assoluta del riscaldatore e T2 è la temperatura assoluta del frigorifero. Aumentare l'efficienza dei motori termici e avvicinarla al massimo possibile è il compito tecnico più importante.

Disuguaglianza di Clausius

(1854): La quantità di calore ottenuta da un sistema in qualsiasi processo circolare, divisa per la temperatura assoluta alla quale è stata ricevuta ( dato quantità di calore), non positivo.

La quantità di calore fornita quasi statico ricevuto dal sistema non dipende dal percorso di transizione (determinato solo dagli stati iniziale e finale del sistema) - per quasi statico processi La disuguaglianza di Clausius diventa uguaglianza .

Entropia, funzione di stato S sistema termodinamico, il cui cambiamento dS per un cambiamento reversibile infinitesimo nello stato del sistema è uguale al rapporto tra la quantità di calore ricevuta dal sistema in questo processo (o sottratta al sistema) e la temperatura assoluta T:

Grandezza dSè un differenziale totale, cioè la sua integrazione lungo qualsiasi percorso scelto arbitrariamente dà la differenza tra i valori entropia nella parte iniziale (A) e finale (B) si legge:

Il calore non è una funzione di stato, quindi l'integrale di δQ dipende dal percorso di transizione scelto tra gli stati A e B. Entropia misurato in J/(mol gradi).

Concetto entropia in funzione dello stato del sistema seconda legge della termodinamica, che si esprime attraverso entropia differenza fra processi irreversibili e reversibili. Per il primo dS>δQ/T per il secondo dS=δQ/T.

Entropia come funzione Energia interna U sistema, volume V e numero di moli io io l'esima componente è una funzione caratteristica (vedi. Potenziali termodinamici). Questa è una conseguenza della prima e della seconda legge della termodinamica ed è scritta dall'equazione:

Dove R - pressione, μ i - potenziale chimico io componente. Derivati entropia da variabili naturali U, V E no io sono uguali:

Formule semplici si collegano entropia con capacità termiche a pressione costante S p e volume costante CV:

Usando entropia sono formulate le condizioni per raggiungere l'equilibrio termodinamico di un sistema a energia interna, volume e numero di moli costanti io componente (sistema isolato) e la condizione di stabilità per tale equilibrio:

Significa che entropia di un sistema isolato raggiunge il massimo in uno stato di equilibrio termodinamico. I processi spontanei nel sistema possono avvenire solo nella direzione dell’aumento entropia.

L'entropia appartiene ad un gruppo di funzioni termodinamiche chiamate funzioni di Massier-Planck. Altre funzioni appartenenti a questo gruppo sono la funzione Massier F 1 = S - (1/T)U e funzione di Planck Ф 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, si ottiene applicando la trasformata di Legendre all'entropia.

Secondo il terzo principio della termodinamica (v. Teorema termico), modifica entropia in una reazione chimica reversibile tra sostanze allo stato condensato tende a zero T→0:

Il postulato di Planck (una formulazione alternativa del teorema termico) afferma questo entropia qualsiasi composto chimico allo stato condensato a temperatura zero assoluta è condizionatamente zero e può essere preso come punto di partenza per determinare il valore assoluto entropia sostanze a qualsiasi temperatura. Le equazioni (1) e (2) definiscono entropia fino a un termine costante.

Nella chimica termodinamica sono ampiamente utilizzati i seguenti concetti: standard entropia S0, cioè entropia a pressione R=1,01·10 5 Pa (1 atm); standard entropia reazione chimica, ad es. differenza standard entropie prodotti e reagenti; molare parziale entropia componente di un sistema multicomponente.

Per calcolare gli equilibri chimici, utilizzare la formula:

Dove A - equilibrio costante e - rispettivamente standard Energia di Gibbs, entalpia ed entropia di reazione; R- costante dei gas.

Definizione del concetto entropia per un sistema di non equilibrio si basa sull'idea di equilibrio termodinamico locale. L’equilibrio locale implica il soddisfacimento dell’equazione (3) per piccoli volumi di un sistema che nel suo insieme non è in equilibrio (vedi. Termodinamica dei processi irreversibili). Durante i processi irreversibili nel sistema può verificarsi produzione (evento). entropia. Differenziale completo entropiaè determinata in questo caso dalla disuguaglianza di Carnot-Clausius:

Dove dS i > 0 - differenziale entropia, non legato al flusso di calore ma dovuto alla produzione entropia a causa di processi irreversibili nel sistema ( diffusione. conduttività termica, reazioni chimiche, ecc.). Produzione locale entropia (T- tempo) è rappresentato come la somma dei prodotti delle forze termodinamiche generalizzate X io ai flussi termodinamici generalizzati J i:

Produzione entropia dovuto, ad esempio, alla diffusione di un componente io a causa della forza e del flusso della materia J; produzione entropia a causa di una reazione chimica - con la forza X=A/T, Dove UN-affinità chimica e flusso J, pari alla velocità di reazione. Nella termodinamica statistica entropia il sistema isolato è determinato dalla relazione: dove K - Costante di Boltzmann. - peso termodinamico dello stato, pari al numero di possibili stati quantistici del sistema con dati valori di energia, volume, numero di particelle. Lo stato di equilibrio del sistema corrisponde all'uguaglianza delle popolazioni di singoli stati quantistici (non degenerati). Crescente entropia nei processi irreversibili è associato allo stabilirsi di una distribuzione più probabile dell'energia data del sistema tra i singoli sottosistemi. Definizione statistica generalizzata entropia, che vale anche per sistemi non isolati, connette entropia con le probabilità dei vari microstati come segue:

Dove con io- probabilità io-esimo stato.

Assoluto entropia un composto chimico viene determinato sperimentalmente, principalmente con il metodo calorimetrico, in base al rapporto:

L'uso del secondo principio ci permette di determinare entropia reazioni chimiche basate su dati sperimentali (metodo della forza elettromotrice, metodo della tensione di vapore, ecc.). Calcolo possibile entropia composti chimici utilizzando metodi di termodinamica statistica, basati su costanti molecolari, peso molecolare, geometria molecolare e frequenze di vibrazione normali. Questo approccio viene effettuato con successo per i gas ideali. Per le fasi condensate, i calcoli statistici forniscono una precisione significativamente inferiore e vengono eseguiti in un numero limitato di casi; Negli ultimi anni sono stati compiuti notevoli progressi in questo ambito.

Informazioni correlate.

Nel modello teorico di una macchina termica vengono considerati tre corpi: stufa, fluido di lavoro E frigo.

Riscaldatore – un serbatoio termico (corpo grande), la cui temperatura è costante.

In ogni ciclo di funzionamento del motore, il fluido di lavoro riceve una certa quantità di calore dal riscaldatore, si espande ed esegue un lavoro meccanico. Il trasferimento di parte dell'energia ricevuta dal riscaldatore al frigorifero è necessario per riportare il fluido di lavoro allo stato originale.

Poiché il modello presuppone che la temperatura del riscaldatore e del frigorifero non cambi durante il funzionamento del motore termico, quindi al completamento del ciclo: riscaldamento-espansione-raffreddamento-compressione del fluido di lavoro, si considera che la macchina ritorni al suo stato originale.

Per ogni ciclo, in base alla prima legge della termodinamica, possiamo scrivere la quantità di calore Q calore ricevuto dal riscaldatore, quantità di calore | Q freddo|. dato al frigorifero e il lavoro svolto dal corpo lavorante UN sono legati tra loro dalla relazione:

UN = Q calore – | Q freddo|.

Nei dispositivi tecnici reali, chiamati motori termici, il fluido di lavoro viene riscaldato dal calore rilasciato durante la combustione del carburante. Quindi, in una turbina a vapore di una centrale elettrica, il riscaldatore è una fornace con carbone caldo. In un motore a combustione interna (ICE), i prodotti della combustione possono essere considerati un riscaldatore e l'aria in eccesso può essere considerata un fluido di lavoro. Usano l'aria atmosferica o l'acqua proveniente da fonti naturali come frigorifero.

Efficienza di un motore termico (macchina)

Efficienza del motore termico (efficienza)è il rapporto tra il lavoro svolto dal motore e la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore:

L'efficienza di qualsiasi motore termico è inferiore all'unità ed è espressa in percentuale. L'impossibilità di convertire l'intera quantità di calore ricevuta dal riscaldatore in lavoro meccanico è il prezzo da pagare per la necessità di organizzare un processo ciclico e consegue dalla seconda legge della termodinamica.

Nei motori termici reali, l'efficienza è determinata dalla potenza meccanica sperimentale N motore e la quantità di carburante bruciato per unità di tempo. Quindi, se in tempo T massa di carburante bruciata M e calore specifico di combustione Q, Quello

Per i veicoli la caratteristica di riferimento è spesso il volume V carburante bruciato lungo il percorso S alla potenza del motore meccanico N e in velocità. In questo caso, tenendo conto della densità r del carburante, possiamo scrivere la formula per calcolare il rendimento:

Seconda legge della termodinamica

Esistono diverse formulazioni seconda legge della termodinamica. Uno di loro dice che è impossibile avere un motore termico che funzioni solo grazie a una fonte di calore, ad es. niente frigorifero. Gli oceani del mondo potrebbero servire per lui come una fonte praticamente inesauribile di energia interna (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Altre formulazioni della seconda legge della termodinamica sono equivalenti a questa.

Formulazione di Clausius(1850): un processo in cui il calore si trasferisca spontaneamente da corpi meno riscaldati a corpi più riscaldati è impossibile.

La formulazione di Thomson(1851): un processo circolare è impossibile, il cui unico risultato sarebbe la produzione di lavoro riducendo l'energia interna del serbatoio termico.

Formulazione di Clausius(1865): tutti i processi spontanei in un sistema chiuso di non equilibrio si verificano in una direzione in cui l'entropia del sistema aumenta; in uno stato di equilibrio termico è massimo e costante.

Formulazione di Boltzmann(1877): un sistema chiuso di molte particelle passa spontaneamente da uno stato più ordinato a uno meno ordinato. Il sistema non può lasciare spontaneamente la sua posizione di equilibrio. Boltzmann introdusse una misura quantitativa del disordine in un sistema costituito da molti corpi: entropia.

Rendimento di una macchina termica avente come fluido di lavoro un gas ideale

Se viene fornito un modello del fluido di lavoro in un motore termico (ad esempio un gas ideale), è possibile calcolare la variazione dei parametri termodinamici del fluido di lavoro durante l'espansione e la compressione. Ciò consente di calcolare l'efficienza di un motore termico in base alle leggi della termodinamica.

La figura mostra i cicli per i quali è possibile calcolare l'efficienza se il fluido di lavoro è un gas ideale e i parametri sono specificati nei punti di transizione da un processo termodinamico all'altro.

	Isobarico-isocoro
	Isocorico-adiabatico
	Isobarico-adiabatico
	Isobarico-isocoro-isotermo
	Isobarico-isocoro-lineare

Ciclo di Carnot. Rendimento di una macchina termica ideale

Massima efficienza a determinate temperature del riscaldatore T riscaldamento e frigorifero T sala ha un motore termico, dove il fluido di lavoro si espande e si contrae secondo Ciclo di Carnot(Fig. 2), il cui grafico è costituito da due isoterme (2–3 e 4–1) e due adiabati (3–4 e 1–2).

Teorema di Carnot dimostra che l'efficienza di un tale motore non dipende dal fluido di lavoro utilizzato, quindi può essere calcolata utilizzando le relazioni termodinamiche per un gas ideale:

Conseguenze ambientali dei motori termici

L'uso intensivo dei motori termici nei trasporti e nell'energia (centrali termiche e nucleari) influisce in modo significativo sulla biosfera terrestre. Sebbene esistano controversie scientifiche sui meccanismi di influenza dell'attività umana sul clima terrestre, molti scienziati notano i fattori grazie ai quali può verificarsi tale influenza:

1. L'effetto serra è un aumento della concentrazione di anidride carbonica (un prodotto della combustione nei riscaldatori dei motori termici) nell'atmosfera. L'anidride carbonica consente il passaggio delle radiazioni visibili e ultraviolette del Sole, ma assorbe le radiazioni infrarosse provenienti dalla Terra nello spazio. Ciò porta ad un aumento della temperatura degli strati inferiori dell'atmosfera, all'aumento dei venti degli uragani e allo scioglimento globale dei ghiacci.
2. Impatto diretto dei gas di scarico tossici sulla fauna selvatica (agenti cancerogeni, smog, piogge acide da sottoprodotti della combustione).
3. Distruzione dello strato di ozono durante i voli aerei e i lanci di razzi. L’ozono nell’alta atmosfera protegge tutta la vita sulla Terra dall’eccesso di radiazioni ultraviolette provenienti dal Sole.

La via d'uscita dalla crisi ambientale emergente sta nell'aumento dell'efficienza dei motori termici (l'efficienza dei moderni motori termici raramente supera il 30%); utilizzo di motori riparabili e neutralizzatori di gas di scarico dannosi; l'uso di fonti energetiche alternative (pannelli solari e stufe) e di mezzi di trasporto alternativi (biciclette, ecc.).

Leggi anche...

• Cartomanzia sulle rune per le relazioni “La chiave del cuore”
• Cartomanzia per denaro e ricchezza
• Ricette per waffle per una piastra per waffle sovietica Ricetta per cannucce di latte per una piastra per waffle elettrica
• Presentazione sul tema "Paesi africani" Presentazione sul tema qualsiasi paese africano