Thermal na makina. Ang kahusayan ng makina ng init

Ang salik ng kahusayan (efficiency) ay isang termino na maaaring ilapat sa, marahil, sa bawat sistema at aparato. Kahit na ang isang tao ay may kadahilanan ng kahusayan, bagaman marahil ay wala pang layunin na pormula para sa paghahanap nito. Sa artikulong ito ipapaliwanag namin nang detalyado kung ano ang kahusayan at kung paano ito makalkula para sa iba't ibang mga sistema.

Kahulugan ng kahusayan

Ang kahusayan ay isang tagapagpahiwatig na nagpapakilala sa pagiging epektibo ng isang sistema sa mga tuntunin ng output ng enerhiya o conversion. Ang kahusayan ay isang hindi masusukat na dami at kinakatawan bilang isang numerical na halaga sa hanay mula 0 hanggang 1, o bilang isang porsyento.

Pangkalahatang pormula

Ang kahusayan ay ipinahihiwatig ng simbolong Ƞ.

Ang pangkalahatang pormula ng matematika para sa paghahanap ng kahusayan ay nakasulat tulad ng sumusunod:

Ƞ=A/Q, kung saan ang A ay ang kapaki-pakinabang na enerhiya/trabaho na ginagawa ng system, at ang Q ay ang enerhiya na ginagamit ng system na ito upang ayusin ang proseso ng pagkuha ng kapaki-pakinabang na output.

Ang kadahilanan ng kahusayan, sa kasamaang-palad, ay palaging mas mababa sa o katumbas ng pagkakaisa, dahil, ayon sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, hindi tayo makakakuha ng mas maraming trabaho kaysa sa enerhiya na ginugol. Bilang karagdagan, ang kahusayan, sa katunayan, ay napakabihirang katumbas ng pagkakaisa, dahil ang kapaki-pakinabang na gawain ay palaging sinamahan ng pagkakaroon ng mga pagkalugi, halimbawa, para sa pagpainit ng mekanismo.

Ang kahusayan ng makina ng init

Ang heat engine ay isang device na nagpapalit ng thermal energy sa mechanical energy. Sa isang heat engine, ang trabaho ay tinutukoy ng pagkakaiba sa pagitan ng dami ng init na natanggap mula sa heater at ang dami ng init na ibinigay sa cooler, at samakatuwid ang kahusayan ay tinutukoy ng formula:

• Ƞ=Qн-Qх/Qн, kung saan ang Qн ay ang dami ng init na natanggap mula sa heater, at ang Qх ay ang dami ng init na ibinibigay sa cooler.

Ito ay pinaniniwalaan na ang pinakamataas na kahusayan ay ibinibigay ng mga makina na tumatakbo sa Carnot cycle. Sa kasong ito, ang kahusayan ay tinutukoy ng formula:

• Ƞ=T1-T2/T1, kung saan ang T1 ay ang temperatura ng hot spring, ang T2 ay ang temperatura ng cold spring.

Episyente ng de-koryenteng motor

Ang de-koryenteng motor ay isang aparato na nagko-convert ng elektrikal na enerhiya sa mekanikal na enerhiya, kaya ang kahusayan sa kasong ito ay ang ratio ng kahusayan ng aparato sa pag-convert ng elektrikal na enerhiya sa mekanikal na enerhiya. Ang formula para sa paghahanap ng kahusayan ng isang de-koryenteng motor ay ganito:

• Ƞ=P2/P1, kung saan ang P1 ay ang ibinibigay na electrical power, ang P2 ay ang kapaki-pakinabang na mekanikal na power na nabuo ng makina.

Ang kapangyarihang elektrikal ay matatagpuan bilang produkto ng kasalukuyang at boltahe ng system (P=UI), at mekanikal na kapangyarihan bilang ratio ng trabaho sa bawat yunit ng oras (P=A/t)

Kahusayan ng transformer

Ang transpormer ay isang aparato na nagko-convert ng alternating current ng isang boltahe sa alternating current ng isa pang boltahe habang pinapanatili ang frequency. Bilang karagdagan, ang mga transformer ay maaari ring i-convert ang alternating current sa direktang kasalukuyang.

Ang kahusayan ng transpormer ay matatagpuan sa pamamagitan ng formula:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), kung saan ang P0 ay ang pagkawala ng walang load, ang PL ay ang pagkawala ng load, ang P2 ay ang aktibong power na ibinibigay sa load, ang n ay ang relatibong antas ng load.

Kahusayan o hindi kahusayan?

Kapansin-pansin na bilang karagdagan sa kahusayan, mayroong isang bilang ng mga tagapagpahiwatig na nagpapakilala sa kahusayan ng mga proseso ng enerhiya, at kung minsan ay makakatagpo tayo ng mga paglalarawan tulad ng - kahusayan ng pagkakasunud-sunod ng 130%, gayunpaman sa kasong ito kailangan nating maunawaan na ang termino ay hindi ganap na ginagamit nang tama, at, malamang, nauunawaan ng may-akda o ng tagagawa ang pagdadaglat na ito na nangangahulugang isang bahagyang naiibang katangian.

Halimbawa, ang mga heat pump ay nakikilala sa pamamagitan ng katotohanan na maaari silang maglabas ng mas maraming init kaysa sa kanilang natupok. Kaya, ang isang refrigeration machine ay maaaring mag-alis ng mas maraming init mula sa bagay na pinalamig kaysa sa ginugol sa katumbas ng enerhiya upang ayusin ang pagtanggal. Ang indicator ng kahusayan ng isang refrigeration machine ay tinatawag na refrigeration coefficient, na tinutukoy ng letrang Ɛ at tinutukoy ng formula: Ɛ=Qx/A, kung saan ang Qx ay ang init na inalis mula sa malamig na dulo, A ay ang gawaing ginugol sa proseso ng pagtanggal . Gayunpaman, kung minsan ang refrigeration coefficient ay tinatawag ding kahusayan ng refrigeration machine.

Kapansin-pansin din na ang kahusayan ng mga boiler na nagpapatakbo sa organikong gasolina ay karaniwang kinakalkula batay sa mas mababang halaga ng calorific, at maaari itong maging mas malaki kaysa sa pagkakaisa. Gayunpaman, tradisyonal pa rin itong tinatawag na kahusayan. Posible upang matukoy ang kahusayan ng isang boiler sa pamamagitan ng mas mataas na calorific na halaga, at pagkatapos ay palaging magiging mas mababa sa isa, ngunit sa kasong ito ay hindi maginhawa upang ihambing ang pagganap ng mga boiler sa data mula sa iba pang mga pag-install.

Ang mga modernong katotohanan ay nangangailangan ng malawakang paggamit ng mga heat engine. Maraming mga pagtatangka na palitan ang mga ito ng mga de-kuryenteng motor ay nabigo sa ngayon. Ang mga problemang nauugnay sa akumulasyon ng kuryente sa mga autonomous system ay mahirap lutasin.

Ang mga problema ng teknolohiya ng pagmamanupaktura para sa mga baterya ng kuryente, na isinasaalang-alang ang kanilang pangmatagalang paggamit, ay may kaugnayan pa rin. Ang mga katangian ng bilis ng mga de-koryenteng sasakyan ay malayo sa mga kotse na may panloob na combustion engine.

Ang mga unang hakbang upang lumikha ng mga hybrid na makina ay maaaring makabuluhang bawasan ang mga nakakapinsalang emisyon sa mga megacity, paglutas ng mga problema sa kapaligiran.

Isang maliit na kasaysayan

Ang posibilidad ng pag-convert ng enerhiya ng singaw sa enerhiya ng paggalaw ay kilala noong sinaunang panahon. 130 BC: Ang pilosopo na si Heron ng Alexandria ay nagpakita ng isang laruang singaw - aeolipile - sa madla. Ang globo na puno ng singaw ay nagsimulang umikot sa ilalim ng impluwensya ng mga jet na nagmumula dito. Ang prototype na ito ng mga modernong steam turbine ay hindi ginamit noong mga panahong iyon.

Sa loob ng maraming taon at siglo, ang mga pag-unlad ng pilosopo ay itinuturing na isang masayang laruan lamang. Noong 1629, ang Italian D. Branchi ay lumikha ng isang aktibong turbine. Ang singaw ay nagdulot ng isang disk na nilagyan ng mga blades.

Mula sa sandaling iyon, nagsimula ang mabilis na pag-unlad ng mga makina ng singaw.

Init ang makina

Ang conversion ng gasolina sa enerhiya ng paggalaw ng mga bahagi at mekanismo ng makina ay ginagamit sa mga makina ng init.

Ang mga pangunahing bahagi ng mga makina: pampainit (sistema para sa pagkuha ng enerhiya mula sa labas), gumaganang likido (gumaganap ng isang kapaki-pakinabang na pagkilos), refrigerator.

Ang pampainit ay idinisenyo upang matiyak na ang gumaganang likido ay nag-iipon ng sapat na suplay ng panloob na enerhiya upang maisagawa ang kapaki-pakinabang na gawain. Ang refrigerator ay nag-aalis ng labis na enerhiya.

Ang pangunahing katangian ng kahusayan ay tinatawag na kahusayan ng mga makina ng init. Ipinapakita ng halagang ito kung gaano kalaki sa enerhiya na ginugol sa pag-init ang ginugol sa paggawa ng kapaki-pakinabang na trabaho. Kung mas mataas ang kahusayan, mas kumikita ang pagpapatakbo ng makina, ngunit ang halagang ito ay hindi maaaring lumampas sa 100%.

Pagkalkula ng kahusayan

Hayaang makakuha ang heater mula sa labas ng enerhiya na katumbas ng Q 1 . Ang working fluid ay gumanap ng trabaho A, habang ang enerhiya na ibinigay sa refrigerator ay umabot sa Q 2.

Batay sa kahulugan, kinakalkula namin ang halaga ng kahusayan:

η= A / Q 1 . Isaalang-alang natin na A = Q 1 - Q 2.

Samakatuwid, ang kahusayan ng heat engine, ang formula kung saan ay η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, ay nagpapahintulot sa amin na gumuhit ng mga sumusunod na konklusyon:

• Ang kahusayan ay hindi maaaring lumampas sa 1 (o 100%);
• upang mapakinabangan ang halagang ito, kinakailangan ang alinman sa pagtaas ng enerhiya na natanggap mula sa pampainit o upang bawasan ang enerhiya na ibinigay sa refrigerator;
• ang pagtaas ng enerhiya ng pampainit ay nakamit sa pamamagitan ng pagbabago ng kalidad ng gasolina;
• Ang mga tampok ng disenyo ng mga makina ay maaaring mabawasan ang enerhiya na ibinigay sa refrigerator.

Tamang-tama na makina ng init

Posible bang lumikha ng isang makina na ang kahusayan ay magiging maximum (perpektong katumbas ng 100%)? Sinubukan ng French theoretical physicist at talentadong engineer na si Sadi Carnot na hanapin ang sagot sa tanong na ito. Noong 1824, ang kanyang mga teoretikal na kalkulasyon tungkol sa mga prosesong nagaganap sa mga gas ay ginawang pampubliko.

Ang pangunahing ideya na likas sa perpektong makina ay maaaring isaalang-alang na magsagawa ng mga reversible na proseso na may perpektong gas. Nagsisimula kami sa pamamagitan ng pagpapalawak ng gas isothermally sa temperatura T 1 . Ang halaga ng init na kinakailangan para dito ay Q 1. Pagkatapos, ang gas ay lumalawak nang walang pagpapalitan ng init. Nang maabot ang temperatura T 2, ang gas ay nag-compress ng isothermally, na naglilipat ng enerhiya Q 2 sa refrigerator. Ang gas ay bumalik sa orihinal nitong estado nang adiabatically.

Ang kahusayan ng isang perpektong Carnot heat engine, kapag tumpak na kinakalkula, ay katumbas ng ratio ng pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng mga heating at cooling device sa temperatura ng heater. Mukhang ganito: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Ang posibleng kahusayan ng isang heat engine, ang formula kung saan ay: η = 1 - T 2 / T 1, ay nakasalalay lamang sa mga temperatura ng heater at cooler at hindi maaaring higit sa 100%.

Bukod dito, ang relasyon na ito ay nagpapahintulot sa amin na patunayan na ang kahusayan ng mga heat engine ay maaaring maging katumbas ng pagkakaisa lamang kapag ang refrigerator ay umabot sa mga temperatura. Tulad ng nalalaman, ang halagang ito ay hindi matamo.

Ginagawang posible ng mga teoretikal na kalkulasyon ng Carnot na matukoy ang pinakamataas na kahusayan ng isang heat engine ng anumang disenyo.

Ang theorem na pinatunayan ni Carnot ay ang mga sumusunod. Sa anumang pagkakataon ay maaaring magkaroon ng kahusayan ang isang arbitrary na makina ng init kaysa sa parehong halaga ng kahusayan ng isang perpektong makina ng init.

Halimbawa ng paglutas ng problema

Halimbawa 1. Ano ang kahusayan ng isang perpektong makina ng init kung ang temperatura ng pampainit ay 800 o C at ang temperatura ng refrigerator ay 500 o C na mas mababa?

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

Ayon sa kahulugan: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Hindi kami binibigyan ng temperatura ng refrigerator, ngunit ∆T= (T 1 - T 2), kaya:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0.46.

Sagot: Kahusayan = 46%.

Halimbawa 2. Tukuyin ang kahusayan ng isang perpektong makina ng init kung, dahil sa nakuhang isang kilojoule ng enerhiya ng pampainit, ang kapaki-pakinabang na gawain ng 650 J ay ginanap. Ano ang temperatura ng pampainit ng makina ng init kung ang mas malamig na temperatura ay 400 K?

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

Sa problemang ito pinag-uusapan natin ang tungkol sa isang thermal installation, ang kahusayan nito ay maaaring kalkulahin gamit ang formula:

Upang matukoy ang temperatura ng pampainit, ginagamit namin ang formula para sa kahusayan ng isang perpektong makina ng init:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Pagkatapos magsagawa ng mga pagbabagong matematikal, nakukuha namin ang:

T 1 = T 2 /(1- η).

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).

Kalkulahin natin:

η= 650 J/ 1000 J = 0.65.

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142.8 K.

Sagot: η= 65%, T 1 = 1142.8 K.

Mga tunay na kondisyon

Ang isang perpektong heat engine ay dinisenyo na may perpektong proseso sa isip. Ginagawa lamang ang trabaho sa mga isothermal na proseso; ang halaga nito ay tinutukoy bilang ang lugar na nililimitahan ng graph ng Carnot cycle.

Sa katotohanan, imposibleng lumikha ng mga kondisyon para sa proseso ng pagbabago ng estado ng isang gas na mangyari nang walang kasamang mga pagbabago sa temperatura. Walang mga materyales na magbubukod ng pagpapalitan ng init sa mga nakapalibot na bagay. Ang proseso ng adiabatic ay nagiging imposibleng isagawa. Sa kaso ng pagpapalitan ng init, ang temperatura ng gas ay kinakailangang magbago.

Ang kahusayan ng mga heat engine na nilikha sa totoong mga kondisyon ay naiiba nang malaki sa kahusayan ng mga perpektong makina. Tandaan na ang mga proseso sa mga tunay na makina ay nangyayari nang napakabilis na ang pagkakaiba-iba sa panloob na thermal energy ng gumaganang sangkap sa proseso ng pagbabago ng dami nito ay hindi maaaring mabayaran ng pag-agos ng init mula sa heater at ilipat sa refrigerator.

Iba pang mga heat engine

Ang mga tunay na makina ay gumagana sa iba't ibang mga cycle:

• Otto cycle: isang proseso na may pare-parehong volume ay nagbabago nang adiabatically, na lumilikha ng closed cycle;
• Ikot ng diesel: isobar, adiabatic, isochore, adiabatic;
• ang prosesong nagaganap sa pare-parehong presyon ay pinapalitan ng isang adiabatic, na nagsasara ng cycle.

Hindi posible na lumikha ng mga proseso ng ekwilibriyo sa mga tunay na makina (upang ilapit sila sa mga perpekto) sa ilalim ng modernong teknolohiya. Ang kahusayan ng mga heat engine ay makabuluhang mas mababa, kahit na isinasaalang-alang ang parehong mga kondisyon ng temperatura tulad ng sa isang perpektong thermal installation.

Ngunit ang papel na ginagampanan ng formula ng pagkalkula ng kahusayan ay hindi dapat bawasan, dahil ito mismo ang nagiging panimulang punto sa proseso ng pagtatrabaho upang madagdagan ang kahusayan ng mga tunay na makina.

Mga paraan upang baguhin ang kahusayan

Kapag inihambing ang perpekto at tunay na mga makina ng init, nararapat na tandaan na ang temperatura ng refrigerator ng huli ay hindi maaaring maging anuman. Karaniwan ang kapaligiran ay itinuturing na isang refrigerator. Ang temperatura ng atmospera ay maaari lamang tanggapin sa tinatayang mga kalkulasyon. Ipinakikita ng karanasan na ang temperatura ng coolant ay katumbas ng temperatura ng mga maubos na gas sa mga makina, tulad ng kaso sa mga panloob na engine ng pagkasunog (dinaglat bilang ICE).

Ang ICE ang pinakakaraniwang heat engine sa ating mundo. Ang kahusayan ng heat engine sa kasong ito ay nakasalalay sa temperatura na nilikha ng nasusunog na gasolina. Ang isang makabuluhang pagkakaiba sa pagitan ng mga panloob na combustion engine at steam engine ay ang pagsasama ng mga function ng heater at ang gumaganang fluid ng device sa air-fuel mixture. Habang nasusunog ang halo, lumilikha ito ng presyon sa mga gumagalaw na bahagi ng makina.

Ang isang pagtaas sa temperatura ng mga gumaganang gas ay nakamit, na makabuluhang binabago ang mga katangian ng gasolina. Sa kasamaang palad, hindi ito magagawa nang walang katapusan. Ang anumang materyal kung saan ginawa ang silid ng pagkasunog ng isang makina ay may sariling punto ng pagkatunaw. Ang paglaban ng init ng naturang mga materyales ay ang pangunahing katangian ng makina, pati na rin ang kakayahang makabuluhang makaapekto sa kahusayan.

Mga halaga ng kahusayan ng motor

Kung isasaalang-alang namin ang temperatura ng gumaganang singaw sa pumapasok na kung saan ay 800 K, at ang maubos na gas - 300 K, kung gayon ang kahusayan ng makina na ito ay 62%. Sa katotohanan, ang halagang ito ay hindi lalampas sa 40%. Ang pagbaba na ito ay nangyayari dahil sa pagkawala ng init kapag pinainit ang casing ng turbine.

Ang pinakamataas na halaga ng panloob na pagkasunog ay hindi lalampas sa 44%. Ang pagtaas ng halagang ito ay isang bagay sa malapit na hinaharap. Ang pagpapalit ng mga katangian ng mga materyales at gasolina ay isang problema na ginagawa ng pinakamahuhusay na isipan ng sangkatauhan.

Ang pangunahing kahalagahan ng formula (5.12.2) na nakuha ng Carnot para sa kahusayan ng isang perpektong makina ay na tinutukoy nito ang pinakamataas na posibleng kahusayan ng anumang heat engine.

Pinatunayan ni Carnot, batay sa ikalawang batas ng thermodynamics*, ang sumusunod na theorem: anumang tunay na makina ng init na gumagana gamit ang pampainit ng temperaturaT 1 at temperatura ng refrigeratorT 2 , ay hindi maaaring magkaroon ng kahusayan na lampas sa kahusayan ng isang perpektong makina ng init.

* Talagang itinatag ni Carnot ang pangalawang batas ng thermodynamics bago sina Clausius at Kelvin, noong ang unang batas ng thermodynamics ay hindi pa nabubuo nang mahigpit.

Isaalang-alang muna natin ang isang heat engine na tumatakbo sa isang reversible cycle na may totoong gas. Ang cycle ay maaaring maging anuman, mahalaga lamang na ang mga temperatura ng pampainit at refrigerator ay T 1 At T 2 .

Ipagpalagay natin na ang kahusayan ng isa pang heat engine (hindi gumagana ayon sa Carnot cycle) η ’ > η . Ang mga makina ay nagpapatakbo gamit ang isang karaniwang pampainit at isang karaniwang refrigerator. Hayaang gumana ang Carnot machine sa isang reverse cycle (tulad ng isang refrigeration machine), at hayaan ang isa pang makina na gumana sa isang forward cycle (Fig. 5.18). Ang heat engine ay gumaganap ng trabaho na katumbas ng, ayon sa mga formula (5.12.3) at (5.12.5):

Ang isang refrigeration machine ay maaaring palaging idisenyo upang ito ay tumatagal ng dami ng init mula sa refrigerator Q 2 = ||

Pagkatapos, ayon sa formula (5.12.7), gagawin ito

(5.12.12)

Dahil sa kondisyon η" > η , yun A" > A. Samakatuwid, ang isang heat engine ay maaaring magmaneho ng isang refrigeration machine, at magkakaroon pa rin ng labis na trabaho na natitira. Ang labis na gawaing ito ay ginagawa sa pamamagitan ng init na kinuha mula sa isang pinagmulan. Pagkatapos ng lahat, ang init ay hindi inililipat sa refrigerator kapag ang dalawang makina ay gumana nang sabay-sabay. Ngunit ito ay sumasalungat sa pangalawang batas ng thermodynamics.

Kung ipagpalagay natin na η > η ", pagkatapos ay maaari mong gawin ang isa pang makina sa isang reverse cycle, at isang Carnot machine sa isang forward cycle. Muli tayong sasalungat sa ikalawang batas ng thermodynamics. Dahil dito, ang dalawang makina na nagpapatakbo sa mga reversible cycle ay may parehong kahusayan: η " = η .

Ito ay ibang bagay kung ang pangalawang makina ay gumagana sa isang hindi maibabalik na cycle. Kung ipagpalagay natin η " > η , pagkatapos ay muli tayong sasalungat sa ikalawang batas ng thermodynamics. Gayunpaman, ang palagay 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

Ito ang pangunahing resulta:

(5.12.13)

Kahusayan ng mga tunay na makina ng init

Ang Formula (5.12.13) ay nagbibigay ng teoretikal na limitasyon para sa pinakamataas na halaga ng kahusayan ng mga heat engine. Ipinapakita nito na kung mas mataas ang temperatura ng heater at mas mababa ang temperatura ng refrigerator, mas mahusay ang isang heat engine. Tanging sa temperatura ng refrigerator na katumbas ng absolute zero ang η = 1.

Ngunit ang temperatura ng refrigerator ay halos hindi maaaring mas mababa kaysa sa temperatura ng kapaligiran. Maaari mong taasan ang temperatura ng pampainit. Gayunpaman, ang anumang materyal (solid na katawan) ay may limitadong paglaban sa init, o paglaban sa init. Kapag pinainit, unti-unting nawawala ang mga nababanat na katangian nito, at sa isang sapat na mataas na temperatura ay natutunaw ito.

Ngayon ang mga pangunahing pagsisikap ng mga inhinyero ay naglalayong pataasin ang kahusayan ng mga makina sa pamamagitan ng pagbabawas ng alitan ng kanilang mga bahagi, pagkalugi ng gasolina dahil sa hindi kumpletong pagkasunog, atbp. Ang mga tunay na pagkakataon para sa pagtaas ng kahusayan dito ay nananatiling mahusay. Kaya, para sa isang steam turbine, ang paunang at panghuling temperatura ng singaw ay humigit-kumulang sa mga sumusunod: T 1 = 800K at T 2 = 300 K. Sa mga temperaturang ito, ang pinakamataas na halaga ng kahusayan ay:

Ang aktwal na halaga ng kahusayan dahil sa iba't ibang uri ng pagkalugi ng enerhiya ay humigit-kumulang 40%. Ang pinakamataas na kahusayan - mga 44% - ay nakakamit ng mga panloob na engine ng pagkasunog.

Ang kahusayan ng anumang heat engine ay hindi maaaring lumampas sa pinakamataas na posibleng halaga
, kung saan si T 1 - ganap na temperatura ng pampainit, at T 2 - ganap na temperatura ng refrigerator.

Ang pagtaas ng kahusayan ng mga makina ng init at inilalapit ito sa pinakamataas na posible- ang pinakamahalagang teknikal na hamon.

Ang pagpapatakbo ng maraming uri ng mga makina ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang mahalagang tagapagpahiwatig bilang ang kahusayan ng makina ng init. Bawat taon, sinisikap ng mga inhinyero na lumikha ng mas advanced na kagamitan na, na may mas mababang pagkonsumo ng gasolina, ay magbibigay ng pinakamataas na resulta mula sa paggamit nito.

Heat engine device

Bago maunawaan kung ano ang kahusayan, kinakailangan upang maunawaan kung paano gumagana ang mekanismong ito. Nang hindi nalalaman ang mga prinsipyo ng pagkilos nito, imposibleng malaman ang kakanyahan ng tagapagpahiwatig na ito. Ang heat engine ay isang aparato na gumaganap ng trabaho gamit ang panloob na enerhiya. Ang anumang heat engine na nagpapalit ng thermal energy sa mechanical energy ay gumagamit ng thermal expansion ng mga substance habang tumataas ang temperatura. Sa mga solid-state na makina, posible hindi lamang baguhin ang dami ng isang sangkap, kundi pati na rin ang hugis ng katawan. Ang pagkilos ng naturang makina ay napapailalim sa mga batas ng thermodynamics.

Prinsipyo ng pagpapatakbo

Upang maunawaan kung paano gumagana ang isang heat engine, kinakailangang isaalang-alang ang mga pangunahing kaalaman sa disenyo nito. Para sa pagpapatakbo ng aparato, dalawang katawan ang kailangan: mainit (painit) at malamig (refrigerator, mas malamig). Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga heat engine (heat engine efficiency) ay depende sa kanilang uri. Kadalasan ang refrigerator ay isang steam condenser, at ang heater ay anumang uri ng gasolina na nasusunog sa firebox. Ang kahusayan ng isang perpektong heat engine ay matatagpuan sa pamamagitan ng sumusunod na formula:

Kahusayan = (Theat - Cool) / Theat. x 100%.

Sa kasong ito, ang kahusayan ng isang tunay na makina ay hindi kailanman maaaring lumampas sa halaga na nakuha ayon sa formula na ito. Gayundin, ang figure na ito ay hindi kailanman lalampas sa nabanggit na halaga. Upang madagdagan ang kahusayan, kadalasan ang temperatura ng pampainit ay nadagdagan at ang temperatura ng refrigerator ay nabawasan. Ang parehong mga prosesong ito ay malilimitahan ng aktwal na mga kondisyon ng pagpapatakbo ng kagamitan.

Kapag ang isang heat engine ay nagpapatakbo, ang trabaho ay tapos na, habang ang gas ay nagsisimulang mawalan ng enerhiya at lumalamig sa isang tiyak na temperatura. Ang huli ay karaniwang ilang degree na mas mataas kaysa sa nakapaligid na kapaligiran. Ito ang temperatura ng refrigerator. Ang espesyal na aparato na ito ay idinisenyo para sa paglamig at kasunod na paghalay ng singaw ng tambutso. Kung saan naroroon ang mga condenser, ang temperatura ng refrigerator ay minsan ay mas mababa kaysa sa ambient temperature.

Sa isang heat engine, kapag ang isang katawan ay uminit at lumawak, hindi nito kayang ibigay ang lahat ng panloob na enerhiya nito upang gawin ang trabaho. Ang ilan sa init ay ililipat sa refrigerator kasama ng mga maubos na gas o singaw. Ang bahaging ito ng thermal internal energy ay hindi maiiwasang mawawala. Sa panahon ng pagkasunog ng gasolina, ang gumaganang likido ay tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init Q 1 mula sa pampainit. Kasabay nito, nagsasagawa pa rin ito ng trabaho A, kung saan inililipat nito ang bahagi ng thermal energy sa refrigerator: Q 2

Ang kahusayan ay nagpapakilala sa kahusayan ng makina sa larangan ng conversion at transmission ng enerhiya. Ang tagapagpahiwatig na ito ay kadalasang sinusukat bilang isang porsyento. Formula ng kahusayan:

η*A/Qx100%, kung saan ang Q ay ang ginugol na enerhiya, ang A ay ang kapaki-pakinabang na gawain.

Batay sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, maaari nating tapusin na ang kahusayan ay palaging mas mababa kaysa sa pagkakaisa. Sa madaling salita, hindi kailanman magkakaroon ng mas kapaki-pakinabang na gawain kaysa sa enerhiya na ginugol dito.

Ang kahusayan ng makina ay ang ratio ng kapaki-pakinabang na trabaho sa enerhiya na ibinibigay ng heater. Maaari itong ilarawan sa anyo ng sumusunod na pormula:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, kung saan ang Q 1 ay ang init na natanggap mula sa heater, at ang Q 2 ay ibinibigay sa refrigerator.

Pagpapatakbo ng makina ng init

Ang gawaing ginawa ng isang heat engine ay kinakalkula gamit ang sumusunod na formula:

A = |Q H | - |Q X |, kung saan ang A ay trabaho, ang Q H ay ang dami ng init na natanggap mula sa heater, ang Q X ay ang dami ng init na ibinibigay sa cooler.

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

Ito ay katumbas ng ratio ng gawaing ginawa ng makina sa dami ng init na natanggap. Ang bahagi ng thermal energy ay nawawala sa panahon ng paglilipat na ito.

Carnot engine

Ang pinakamataas na kahusayan ng isang heat engine ay sinusunod sa aparatong Carnot. Ito ay dahil sa ang katunayan na sa sistemang ito ito ay nakasalalay lamang sa ganap na temperatura ng heater (Tn) at cooler (Tx). Ang kahusayan ng isang heat engine na gumagana ayon sa Carnot cycle ay tinutukoy ng sumusunod na formula:

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

Ang mga batas ng thermodynamics ay naging posible upang makalkula ang pinakamataas na kahusayan na posible. Ang tagapagpahiwatig na ito ay unang kinakalkula ng Pranses na siyentipiko at inhinyero na si Sadi Carnot. Nag-imbento siya ng isang heat engine na nagpapatakbo sa isang perpektong gas. Gumagana ito sa isang cycle ng 2 isotherms at 2 adiabats. Ang prinsipyo ng operasyon nito ay medyo simple: ang isang pampainit ay konektado sa isang sisidlan na may gas, bilang isang resulta kung saan ang gumaganang likido ay lumalawak nang isothermally. Kasabay nito, ito ay gumagana at tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init. Pagkatapos ang sisidlan ay thermally insulated. Sa kabila nito, ang gas ay patuloy na lumalawak, ngunit adiabatically (nang walang pagpapalitan ng init sa kapaligiran). Sa oras na ito, bumababa ang temperatura nito sa refrigerator. Sa sandaling ito, ang gas ay nakikipag-ugnay sa refrigerator, bilang isang resulta kung saan nagbibigay ito ng isang tiyak na halaga ng init sa panahon ng isometric compression. Pagkatapos ang sisidlan ay thermally insulated muli. Sa kasong ito, ang gas ay adiabatically compressed sa orihinal na dami at estado nito.

Mga uri

Sa ngayon, maraming uri ng mga heat engine na gumagana sa iba't ibang mga prinsipyo at sa iba't ibang mga gasolina. Lahat sila ay may sariling kahusayan. Kabilang dito ang mga sumusunod:

Isang internal combustion engine (piston), na isang mekanismo kung saan ang bahagi ng kemikal na enerhiya ng nasusunog na gasolina ay na-convert sa mekanikal na enerhiya. Ang ganitong mga aparato ay maaaring gas at likido. Mayroong 2-stroke at 4-stroke na makina. Maaari silang magkaroon ng tuluy-tuloy na duty cycle. Ayon sa paraan ng paghahanda ng pinaghalong gasolina, ang mga naturang makina ay carburetor (na may panlabas na pagbuo ng halo) at diesel (na may panloob). Batay sa uri ng energy converter, nahahati sila sa piston, jet, turbine, at pinagsama. Ang kahusayan ng naturang mga makina ay hindi hihigit sa 0.5.

Ang Stirling engine ay isang aparato kung saan ang gumaganang likido ay matatagpuan sa isang nakakulong na espasyo. Ito ay isang uri ng external combustion engine. Ang prinsipyo ng operasyon nito ay batay sa pana-panahong paglamig/pag-init ng katawan na may produksyon ng enerhiya dahil sa mga pagbabago sa dami nito. Ito ay isa sa mga pinaka-epektibong makina.

Turbine (rotary) engine na may panlabas na pagkasunog ng gasolina. Ang ganitong mga pag-install ay madalas na matatagpuan sa mga thermal power plant.

Ang turbine (rotary) internal combustion engine ay ginagamit sa mga thermal power plant sa peak mode. Hindi kasing laki ng iba.

Ang isang turbine engine ay bumubuo ng ilan sa mga thrust nito sa pamamagitan ng propeller nito. Nakukuha nito ang natitira mula sa mga maubos na gas. Ang disenyo nito ay isang rotary engine (gas turbine), sa baras kung saan naka-mount ang isang propeller.

Iba pang mga uri ng mga heat engine

Mga rocket, turbojet at jet engine na nakakakuha ng thrust mula sa mga maubos na gas.

Ang mga solid state engine ay gumagamit ng solid matter bilang gasolina. Sa panahon ng operasyon, hindi ang dami nito ang nagbabago, ngunit ang hugis nito. Kapag nagpapatakbo ng kagamitan, ginagamit ang napakaliit na pagkakaiba sa temperatura.

Paano mo madaragdagan ang kahusayan

Posible bang dagdagan ang kahusayan ng isang heat engine? Dapat hanapin ang sagot sa thermodynamics. Pinag-aaralan niya ang magkaparehong pagbabago ng iba't ibang uri ng enerhiya. Ito ay itinatag na imposibleng i-convert ang lahat ng magagamit na thermal energy sa electrical, mechanical, atbp. Gayunpaman, ang kanilang conversion sa thermal energy ay nangyayari nang walang anumang mga paghihigpit. Ito ay posible dahil sa ang katunayan na ang likas na katangian ng thermal energy ay batay sa hindi maayos (magulong) paggalaw ng mga particle.

Kung mas umiinit ang isang katawan, mas mabilis ang paggalaw ng mga bumubuo nito. Ang paggalaw ng mga particle ay magiging mas mali-mali. Kasabay nito, alam ng lahat na ang kaayusan ay madaling maging kaguluhan, na napakahirap mag-order.

Ang gawaing ginawa ng makina ay:

Ang prosesong ito ay unang isinasaalang-alang ng French engineer at scientist na si N. L. S. Carnot noong 1824 sa aklat na "Reflections on the driving force of fire and on machines capable to develop this force."

Ang layunin ng pagsasaliksik ni Carnot ay alamin ang mga dahilan para sa di-kasakdalan ng mga heat engine noong panahong iyon (mayroon silang kahusayan na ≤ 5%) at maghanap ng mga paraan upang mapabuti ang mga ito.

Ang Carnot cycle ang pinakamabisa sa lahat. Ang kahusayan nito ay maximum.

Ipinapakita ng figure ang mga thermodynamic na proseso ng cycle. Sa panahon ng isothermal expansion (1-2) sa temperatura T 1 , ginagawa ang trabaho dahil sa pagbabago sa panloob na enerhiya ng pampainit, ibig sabihin, dahil sa supply ng init sa gas Q:

A 12 = Q 1 ,

Ang paglamig ng gas bago ang compression (3-4) ay nangyayari sa panahon ng adiabatic expansion (2-3). Pagbabago sa panloob na enerhiya ΔU 23 sa panahon ng prosesong adiabatic ( Q = 0) ay ganap na na-convert sa mekanikal na gawain:

A 23 = -ΔU 23 ,

Ang temperatura ng gas bilang resulta ng adiabatic expansion (2-3) ay bumababa sa temperatura ng refrigerator T 2 < T 1 . Sa proseso (3-4), ang gas ay isothermally compressed, na naglilipat ng dami ng init sa refrigerator Q 2:

A 34 = Q 2,

Ang cycle ay nagtatapos sa proseso ng adiabatic compression (4-1), kung saan ang gas ay pinainit sa isang temperatura T 1.

Pinakamataas na halaga ng kahusayan ng perpektong gas heat engine ayon sa Carnot cycle:

.

Ang kakanyahan ng formula ay ipinahayag sa napatunayan SA. Carnot's theorem na ang kahusayan ng anumang heat engine ay hindi maaaring lumampas sa kahusayan ng isang Carnot cycle na isinasagawa sa parehong temperatura ng heater at refrigerator.