Motore termico. Efficienza del motore termico

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 utile/lavoro 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 dalla presenza di 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.

Le realtà moderne richiedono l'uso diffuso di motori termici. Numerosi tentativi di sostituirli con motori elettrici sono finora falliti. I problemi associati all’accumulo di elettricità nei sistemi autonomi sono difficili da risolvere.

I problemi della tecnologia di produzione delle batterie elettriche, tenendo conto del loro utilizzo a lungo termine, sono ancora rilevanti. Le caratteristiche di velocità dei veicoli elettrici sono lontane da quelle delle auto con motore a combustione interna.

I primi passi per creare motori ibridi possono ridurre significativamente le emissioni nocive nelle megalopoli, risolvendo i problemi ambientali.

Un po' di storia

La possibilità di convertire l'energia del vapore in energia di movimento era nota fin dall'antichità. 130 aC: il filosofo Airone di Alessandria presentò al pubblico un giocattolo a vapore - aeolipile. La sfera piena di vapore iniziò a ruotare sotto l'influenza dei getti che ne emanavano. A quei tempi questo prototipo delle moderne turbine a vapore non veniva utilizzato.

Per molti anni e secoli gli sviluppi del filosofo furono considerati solo un giocattolo divertente. Nel 1629 l'italiano D. Branchi creò una turbina attiva. Il vapore azionava un disco dotato di lame.

Da quel momento in poi iniziò il rapido sviluppo dei motori a vapore.

Motore termico

La conversione del carburante nell'energia di movimento delle parti e dei meccanismi della macchina viene utilizzata nei motori termici.

Le parti principali delle macchine: riscaldatore (sistema per ottenere energia dall'esterno), fluido di lavoro (svolge un'azione utile), frigorifero.

Il riscaldatore è progettato per garantire che il fluido di lavoro accumuli una quantità sufficiente di energia interna per eseguire un lavoro utile. Il frigorifero rimuove l'energia in eccesso.

La caratteristica principale dell'efficienza è chiamata efficienza dei motori termici. Questo valore mostra quanta energia spesa per il riscaldamento viene spesa per svolgere un lavoro utile. Maggiore è l'efficienza, più redditizio sarà il funzionamento della macchina, ma questo valore non può superare il 100%.

Calcolo dell'efficienza

Lasciamo che il riscaldatore acquisisca dall'esterno un'energia pari a Q 1 . Il fluido di lavoro eseguiva il lavoro A, mentre l'energia ceduta al frigorifero ammontava a Q 2.

In base alla definizione, calcoliamo il valore di efficienza:

η= A/Q1. Teniamo conto che A = Q 1 - Q 2.

Pertanto, l’efficienza del motore termico, la cui formula è η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, ci consente di trarre le seguenti conclusioni:

• L'efficienza non può superare 1 (o 100%);
• per massimizzare questo valore è necessario o aumentare l'energia ricevuta dal riscaldatore oppure diminuire l'energia ceduta al frigorifero;
• l'aumento dell'energia del riscaldatore si ottiene modificando la qualità del carburante;
• Le caratteristiche progettuali dei motori possono ridurre l'energia fornita al frigorifero.

Motore termico ideale

È possibile creare un motore la cui efficienza sia massima (idealmente pari al 100%)? Il fisico teorico e ingegnere di talento francese Sadi Carnot ha cercato di trovare la risposta a questa domanda. Nel 1824 furono resi pubblici i suoi calcoli teorici sui processi che avvengono nei gas.

L'idea principale insita nella macchina ideale può essere considerata quella di eseguire processi reversibili con un gas ideale. Iniziamo espandendo isotermicamente il gas alla temperatura T 1 . La quantità di calore necessaria a tal fine è Q 1. Successivamente il gas si espande senza scambio di calore e, raggiunta la temperatura T 2, il gas si comprime isotermamente trasferendo l'energia Q 2 al frigorifero. Il gas ritorna adiabaticamente al suo stato originale.

L'efficienza di un motore termico di Carnot ideale, se calcolata accuratamente, è uguale al rapporto tra la differenza di temperatura tra i dispositivi di riscaldamento e raffreddamento e la temperatura del riscaldatore. Il risultato è questo: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

La possibile efficienza di un motore termico, la cui formula è: η = 1 - T 2 / T 1, dipende solo dalle temperature del riscaldatore e del frigorifero e non può essere superiore al 100%.

Inoltre, questa relazione permette di dimostrare che il rendimento dei motori termici può essere pari all'unità solo quando il frigorifero raggiunge la temperatura. Come è noto, questo valore è irraggiungibile.

I calcoli teorici di Carnot consentono di determinare l'efficienza massima di un motore termico di qualsiasi tipo.

Il teorema dimostrato da Carnot è il seguente. In nessun caso un motore termico arbitrario può avere un’efficienza maggiore dello stesso valore di efficienza di un motore termico ideale.

Esempio di risoluzione dei problemi

Esempio 1. Qual è l'efficienza di un motore termico ideale se la temperatura del riscaldatore è 800°C e la temperatura del frigorifero è inferiore di 500°C?

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 500 K, η - ?

Per definizione: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Non ci viene data la temperatura del frigorifero, ma ∆T= (T 1 - T 2), quindi:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Risposta: Efficienza = 46%.

Esempio 2. Determinare l'efficienza di un motore termico ideale se, a causa dell'energia termica acquisita di un kilojoule, viene eseguito un lavoro utile di 650 J. Qual è la temperatura del riscaldatore del motore termico se la temperatura più fredda è 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η - ?, T 1 = ?

In questo problema parliamo di un impianto termico, la cui efficienza può essere calcolata utilizzando la formula:

Per determinare la temperatura del riscaldatore, utilizziamo la formula per l'efficienza di un motore termico ideale:

η = (T1 - T2)/ T1 = 1 - T2 / T1.

Dopo aver eseguito le trasformazioni matematiche, otteniamo:

T1 = T2 /(1-η).

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

Calcoliamo:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

T1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Risposta: η= 65%, T1 = 1142,8 K.

Condizioni reali

Un motore termico ideale è progettato pensando ai processi ideali. Il lavoro viene eseguito solo nei processi isotermici; il suo valore è determinato come l'area limitata dal grafico del ciclo di Carnot.

In realtà, è impossibile creare le condizioni affinché il processo di cambiamento di stato di un gas avvenga senza che si verifichino cambiamenti di temperatura. Non esistono materiali che escludano lo scambio termico con gli oggetti circostanti. Il processo adiabatico diventa impossibile da eseguire. Nel caso dello scambio termico, la temperatura del gas deve necessariamente cambiare.

L'efficienza dei motori termici creati in condizioni reali differisce in modo significativo dall'efficienza dei motori ideali. Si noti che i processi nei motori reali si verificano così rapidamente che la variazione dell'energia termica interna della sostanza di lavoro nel processo di modifica del suo volume non può essere compensata dall'afflusso di calore dal riscaldatore e trasferito al frigorifero.

Altri motori termici

I motori reali funzionano su cicli diversi:

• Ciclo Otto: un processo a volume costante cambia adiabaticamente, creando un ciclo chiuso;
• Ciclo diesel: isobaro, adiabatico, isocora, adiabatico;
• il processo che avviene a pressione costante viene sostituito da uno adiabatico, chiudendo il ciclo.

Non è possibile creare processi di equilibrio nei motori reali (per avvicinarli a quelli ideali) con la tecnologia moderna. L'efficienza dei motori termici è significativamente inferiore, anche tenendo conto delle stesse condizioni di temperatura di un impianto termico ideale.

Ma il ruolo della formula per il calcolo dell'efficienza non dovrebbe essere ridotto, poiché è proprio questo che diventa il punto di partenza nel processo di lavoro per aumentare l'efficienza dei motori reali.

Modi per cambiare l'efficienza

Quando si confrontano i motori termici ideali e reali, vale la pena notare che la temperatura del frigorifero di quest'ultimo non può essere nessuna. Di solito l'atmosfera è considerata un frigorifero. La temperatura dell'atmosfera può essere accettata solo in calcoli approssimativi. L'esperienza dimostra che la temperatura del liquido di raffreddamento è uguale alla temperatura dei gas di scarico nei motori, come nel caso dei motori a combustione interna (abbreviato in ICE).

L’ICE è il motore termico più comune nel nostro mondo. L'efficienza del motore termico in questo caso dipende dalla temperatura creata dal combustibile che brucia. Una differenza significativa tra i motori a combustione interna e i motori a vapore è la fusione delle funzioni del riscaldatore e del fluido di lavoro del dispositivo nella miscela aria-carburante. Quando la miscela brucia, crea pressione sulle parti mobili del motore.

Si ottiene un aumento della temperatura dei gas di lavoro, modificando significativamente le proprietà del carburante. Sfortunatamente, questo non può essere fatto indefinitamente. Qualsiasi materiale di cui è composta la camera di combustione di un motore ha il proprio punto di fusione. La resistenza al calore di tali materiali è la caratteristica principale del motore, così come la capacità di influire in modo significativo sull'efficienza.

Valori di efficienza del motore

Se consideriamo la temperatura del vapore di lavoro all'ingresso di 800 K e del gas di scarico di 300 K, l'efficienza di questa macchina è del 62%. In realtà questo valore non supera il 40%. Questa diminuzione è dovuta alle perdite di calore durante il riscaldamento dell'involucro della turbina.

Il valore più alto della combustione interna non supera il 44%. Aumentare questo valore è una questione del prossimo futuro. Cambiare le proprietà dei materiali e del carburante è un problema su cui stanno lavorando le migliori menti dell'umanità.

Il significato principale della formula (5.12.2) ottenuta da Carnot per l'efficienza di una macchina ideale è che determina la massima efficienza possibile di qualsiasi motore termico.

Carnot ha dimostrato, basandosi sulla seconda legge della termodinamica*, il seguente teorema: qualsiasi motore termico reale funzionante con un riscaldatore di temperaturaT 1 e la temperatura del frigoriferoT 2 , non può avere un'efficienza che superi l'efficienza di un motore termico ideale.

* Carnot in realtà stabilì la seconda legge della termodinamica prima di Clausius e Kelvin, quando la prima legge della termodinamica non era ancora stata formulata rigorosamente.

Consideriamo innanzitutto un motore termico funzionante in ciclo reversibile con un gas reale. Il ciclo può essere qualsiasi cosa, è importante solo che le temperature del riscaldatore e del frigorifero siano uguali T 1 E T 2 .

Supponiamo che l'efficienza di un altro motore termico (non funzionante secondo il ciclo di Carnot) η ’ > η . Le macchine funzionano con un riscaldatore comune e un frigorifero comune. Lasciamo che la macchina di Carnot operi in un ciclo inverso (come una macchina di refrigerazione) e lasciamo che l'altra macchina operi in un ciclo in avanti (Fig. 5.18). La macchina termica compie un lavoro pari, secondo le formule (5.12.3) e (5.12.5):

Una macchina frigorifera può sempre essere progettata in modo tale da assorbire la quantità di calore dal frigorifero Q 2 = ||

Quindi, secondo la formula (5.12.7), si lavorerà su di esso

(5.12.12)

Poiché per la condizione η" > η , Quello A" > A. Pertanto, un motore termico può azionare una macchina di refrigerazione e ci sarà ancora un eccesso di lavoro rimasto. Questo lavoro in eccesso viene svolto dal calore prelevato da una fonte. Dopotutto, il calore non viene trasferito al frigorifero quando due macchine funzionano contemporaneamente. Ma questo contraddice la seconda legge della termodinamica.

Se assumiamo che η > η ", quindi puoi far funzionare un'altra macchina in un ciclo inverso e una macchina di Carnot in un ciclo in avanti. Arriveremo ancora una volta ad una contraddizione con la seconda legge della termodinamica. Di conseguenza, due macchine funzionanti con cicli reversibili hanno la stessa efficienza: η " = η .

La questione è diversa se la seconda macchina funziona secondo un ciclo irreversibile. Se assumiamo η " > η , allora arriveremo nuovamente ad una contraddizione con la seconda legge della termodinamica. Tuttavia, il presupposto t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, o

Questo è il risultato principale:

(5.12.13)

Efficienza dei motori termici reali

La formula (5.12.13) 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 una temperatura del frigorifero pari allo zero assoluto η = 1.

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 limitata, o resistenza al calore. 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: T 1 = 800 K e T 2 = 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 a combustione interna.

L'efficienza di qualsiasi motore termico non può superare il valore massimo possibile
, dove 1 - temperatura assoluta del riscaldatore e T 2 - temperatura assoluta del frigorifero.

Aumentare l’efficienza dei motori termici e avvicinarla al massimo possibile- la sfida tecnica più importante.

Il funzionamento di molti tipi di macchine è caratterizzato da un indicatore così importante come l'efficienza del motore termico. Ogni anno gli ingegneri si impegnano a creare attrezzature sempre più avanzate che, con un minor consumo di carburante, diano il massimo risultato dal loro utilizzo.

Dispositivo motore termico

Prima di capire cos’è l’efficienza è necessario capire come funziona questo meccanismo. Senza conoscere i principi della sua azione, è impossibile scoprire l'essenza di questo indicatore. Una macchina termica è un dispositivo che esegue lavoro utilizzando energia interna. Qualsiasi motore termico che converte l'energia termica in energia meccanica sfrutta l'espansione termica delle sostanze all'aumentare della temperatura. Nei motori a stato solido è possibile modificare non solo il volume della sostanza, ma anche la forma del corpo. L'azione di un tale motore è soggetta alle leggi della termodinamica.

Principio operativo

Per capire come funziona un motore termico, è necessario considerare le basi della sua progettazione. Per il funzionamento del dispositivo sono necessari due corpi: caldo (riscaldatore) e freddo (frigorifero, refrigeratore). Il principio di funzionamento dei motori termici (rendimento del motore termico) dipende dal loro tipo. Spesso il frigorifero è un condensatore di vapore e il riscaldatore è qualsiasi tipo di combustibile che brucia nel focolare. Il rendimento di una macchina termica ideale si trova mediante la seguente formula:

Efficienza = (Teatro - Freddo) / Teatrale. x 100%.

In questo caso l'efficienza di un motore reale non potrà mai superare il valore ottenuto secondo questa formula. Inoltre, questa cifra non supererà mai il valore sopra menzionato. Per aumentare l'efficienza, molto spesso si aumenta la temperatura del riscaldatore e si diminuisce la temperatura del frigorifero. Entrambi questi processi saranno limitati dalle effettive condizioni operative dell'apparecchiatura.

Quando un motore termico funziona, il lavoro viene svolto poiché il gas inizia a perdere energia e si raffredda fino a una certa temperatura. Quest'ultimo è solitamente di diversi gradi più alto dell'atmosfera circostante. Questa è la temperatura del frigorifero. Questo speciale dispositivo è progettato per il raffreddamento e la successiva condensazione del vapore di scarico. Dove sono presenti i condensatori, la temperatura del frigorifero talvolta è inferiore alla temperatura ambiente.

In una macchina termica, quando un corpo si riscalda e si espande, non è in grado di cedere tutta la sua energia interna per compiere lavoro. Parte del calore verrà trasferita al frigorifero insieme ai gas di scarico o al vapore. Questa parte dell'energia termica interna viene inevitabilmente persa. Durante la combustione del carburante, il fluido di lavoro riceve una certa quantità di calore Q 1 dal riscaldatore. Contemporaneamente compie ancora il lavoro A, durante il quale trasferisce parte dell'energia termica al frigorifero: Q 2

L'efficienza caratterizza l'efficienza del motore nel campo della conversione e trasmissione dell'energia. Questo indicatore viene spesso misurato in percentuale. Formula di efficienza:

η*A/Qx100%, dove Q è l'energia spesa, A è il lavoro utile.

Sulla base della legge di conservazione dell'energia, possiamo concludere che l'efficienza sarà sempre inferiore all'unità. In altre parole, non ci sarà mai lavoro più utile dell’energia spesa su di esso.

L'efficienza del motore è il rapporto tra il lavoro utile e l'energia fornita dal riscaldatore. Può essere rappresentato sotto forma della seguente formula:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, dove Q 1 è il calore ricevuto dal riscaldatore e Q 2 è ceduto al frigorifero.

Funzionamento del motore termico

Il lavoro compiuto da una macchina termica si calcola con la seguente formula:

A = |Q H | - |Q X |, dove A è il lavoro, Q H è la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore, Q X è la quantità di calore ceduta al frigorifero.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

È uguale al rapporto tra il lavoro svolto dal motore e la quantità di calore ricevuta. Durante questo trasferimento parte dell'energia termica viene persa.

Motore Carnot

La massima efficienza di un motore termico si osserva nel dispositivo di Carnot. Ciò è dovuto al fatto che in questo sistema dipende solo dalla temperatura assoluta del riscaldatore (Tn) e del raffreddatore (Tx). Il rendimento di una macchina termica funzionante secondo il ciclo di Carnot è determinato dalla seguente formula:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

Le leggi della termodinamica hanno permesso di calcolare la massima efficienza possibile. Questo indicatore è stato calcolato per la prima volta dallo scienziato e ingegnere francese Sadi Carnot. Ha inventato un motore termico che funzionava con un gas ideale. Funziona in un ciclo di 2 isoterme e 2 adiabat. Il principio del suo funzionamento è abbastanza semplice: un riscaldatore è collegato a una nave con gas, a seguito della quale il fluido di lavoro si espande isotermicamente. Allo stesso tempo funziona e riceve una certa quantità di calore. Successivamente la nave viene isolata termicamente. Nonostante ciò il gas continua ad espandersi, ma in modo adiabatico (senza scambio termico con l’ambiente). In questo momento, la sua temperatura scende a quella di un frigorifero. In questo momento, il gas entra in contatto con il frigorifero, a seguito del quale emette una certa quantità di calore durante la compressione isometrica. Quindi la nave viene nuovamente isolata termicamente. In questo caso, il gas viene compresso adiabaticamente fino al suo volume e stato originale.

Varietà

Al giorno d'oggi esistono molti tipi di motori termici che funzionano secondo principi diversi e con combustibili diversi. Hanno tutti la loro efficienza. Questi includono quanto segue:

Un motore a combustione interna (pistone), che è un meccanismo in cui parte dell'energia chimica del carburante che brucia viene convertita in energia meccanica. Tali dispositivi possono essere gas e liquidi. Esistono motori a 2 e 4 tempi. Possono avere un ciclo di lavoro continuo. Secondo il metodo di preparazione della miscela di carburante, tali motori sono a carburatore (con formazione di miscela esterna) e diesel (con interno). In base al tipo di convertitore di energia si dividono in a pistone, a getto, a turbina e combinati. L'efficienza di tali macchine non supera 0,5.

Un motore Stirling è un dispositivo in cui il fluido di lavoro si trova in uno spazio ristretto. È un tipo di motore a combustione esterna. Il principio del suo funzionamento si basa sul raffreddamento/riscaldamento periodico del corpo con produzione di energia dovuta alle variazioni del suo volume. Questo è uno dei motori più efficienti.

Motore a turbina (rotativo) con combustione esterna di carburante. Tali installazioni si trovano più spesso nelle centrali termoelettriche.

I motori a combustione interna a turbina (rotativi) vengono utilizzati nelle centrali termoelettriche in modalità di punta. Non così diffuso come altri.

Un motore a turbina genera parte della sua spinta attraverso la sua elica. Il resto lo ottiene dai gas di scarico. Il suo design è un motore rotativo (turbina a gas), sull'albero del quale è montata un'elica.

Altri tipi di motori termici

Motori a razzo, turbogetto e jet che ottengono la spinta dai gas di scarico.

I motori a stato solido utilizzano la materia solida come combustibile. Durante il funzionamento non è il suo volume a cambiare, ma la sua forma. Quando si utilizza l'apparecchiatura, viene utilizzata una differenza di temperatura estremamente piccola.

Come puoi aumentare l'efficienza

È possibile aumentare l’efficienza di un motore termico? La risposta va ricercata nella termodinamica. Studia le trasformazioni reciproche di diversi tipi di energia. È stato stabilito che è impossibile convertire tutta l'energia termica disponibile in elettrica, meccanica, ecc. Tuttavia, la loro conversione in energia termica avviene senza alcuna restrizione. Ciò è possibile perché la natura dell'energia termica si basa sul movimento disordinato (caotico) delle particelle.

Quanto più un corpo si riscalda, tanto più velocemente si muoveranno le sue molecole costituenti. Il movimento delle particelle diventerà ancora più irregolare. Inoltre, tutti sanno che l'ordine può facilmente trasformarsi in caos, il che è molto difficile da ordinare.

Il lavoro compiuto dal motore è:

Questo processo fu considerato per la prima volta dall’ingegnere e scienziato francese N. L. S. Carnot nel 1824 nel libro “Riflessioni sulla forza motrice del fuoco e sulle macchine capaci di sviluppare questa forza”.

L'obiettivo della ricerca di Carnot era scoprire le ragioni dell'imperfezione dei motori termici dell'epoca (avevano un'efficienza ≤ 5%) e trovare modi per migliorarli.

Il ciclo di Carnot è il più efficiente di tutti. La sua efficienza è massima.

La figura mostra i processi termodinamici del ciclo. Durante l'espansione isotermica (1-2) a temperatura T 1 , il lavoro viene svolto a causa di una variazione dell'energia interna del riscaldatore, ovvero a causa della fornitura di calore al gas Q:

UN 12 = Q 1 ,

Il raffreddamento del gas prima della compressione (3-4) avviene durante l'espansione adiabatica (2-3). Cambiamento di energia interna ∆U 23 durante una trasformazione adiabatica ( Q = 0) viene completamente convertito in lavoro meccanico:

UN 23 = -ΔU 23 ,

La temperatura del gas a seguito dell'espansione adiabatica (2-3) scende alla temperatura del frigorifero T 2 < T 1 . Nel processo (3-4), il gas viene compresso isotermicamente, trasferendo la quantità di calore al frigorifero Domanda 2:

A34 = Q2,

Il ciclo termina con il processo di compressione adiabatica (4-1), in cui il gas viene riscaldato ad una certa temperatura T1.

Valore massimo di efficienza dei motori termici a gas ideali secondo il ciclo di Carnot:

.

L'essenza della formula è espressa nel provato CON. Teorema di Carnot secondo cui l'efficienza di qualsiasi motore termico non può superare l'efficienza di un ciclo di Carnot effettuato alla stessa temperatura del riscaldatore e del frigorifero.