Determinarea randamentului unui motor termic. Eficiența motorului termic
Fluidul de lucru, primind o anumită cantitate de căldură Q1 de la încălzitor, dă o parte din această cantitate de căldură, egală în modul |Q2|, frigiderului. Prin urmare, munca depusă nu poate fi mai mare A = Q1 - |Q2|. Se numește raportul dintre acest lucru și cantitatea de căldură primită de gazul în expansiune din încălzitor eficienţă motor termic:
Eficiența unui motor termic care funcționează într-un ciclu închis este întotdeauna mai mică de unu. Sarcina ingineriei energiei termice este de a face eficiența cât mai mare posibil, adică de a folosi cât mai mult posibil din căldura primită de la încălzitor pentru a produce lucru. Pentru prima dată, cel mai perfect proces ciclic, constând din izoterme și adiabați, a fost propus de fizicianul și inginerul francez S. Carnot în 1824.
3) Prin ideal ne referim la un motor termic care are randament maxim. la valorile date ale încălzitorului T1 și frigiderului T2.
Din a doua lege a termodinamicii rezultă că chiar și un motor termic ideal care funcționează fără pierderi are eficiență. fundamental sub 100% și se calculează folosind formula:
Fluidul de lucru dintr-un motor termic ideal este un gaz ideal și funcționează conform ciclului Carnot:
4) Concept entropie a fost introdus pentru prima dată de Clausius în termodinamică pentru a determina măsura disipării ireversibile a energiei, măsuri de abatere a unui proces real de la unul ideal. Definită ca suma căldurilor reduse, este o funcție de stare și rămâne constantă în procesele reversibile închise, în timp ce în procesele ireversibile modificarea sa este întotdeauna pozitivă.
Matematic, entropia este definită ca o funcție a stării sistemului, egală într-un proces de echilibru cu cantitatea de căldură transmisă sistemului sau îndepărtată din sistem, raportată la temperatura termodinamică a sistemului:
unde este incrementul de entropie; - caldura minima furnizata sistemului; - temperatura absolută a procesului.
Entropia stabilește o legătură între macro și micro-stări. Particularitatea acestei caracteristici este că este singura funcție din fizică care arată direcția proceselor. Deoarece entropia este o funcție de stare, ea nu depinde de modul în care se realizează tranziția de la o stare a sistemului la alta, ci este determinată doar de stările inițiale și finale ale sistemului.
De exemplu, la o temperatură de 0 °C, apa poate fi în stare lichidă și, cu o influență externă mică, începe să se transforme rapid în gheață, eliberând o anumită cantitate de căldură. În acest caz, temperatura substanței rămâne 0 °C. Starea unei substanțe se modifică, însoțită de eliberarea de căldură, din cauza unei modificări de structură.
Rudolf Clausius a dat cantității denumirea de „entropie”, care provine de la cuvântul grecesc τρoπή, „schimbare” (schimbare, transformare, transformare). Această egalitate se referă la schimbarea entropiei, fără a defini complet entropia în sine.
« Fizica - clasa a X-a"
Pentru a rezolva probleme, trebuie să folosiți expresii cunoscute pentru determinarea eficienței motoarelor termice și să rețineți că expresia (13.17) este valabilă numai pentru un motor termic ideal.
Sarcina 1.
În cazanul unui motor cu abur temperatura este de 160 °C, iar temperatura frigiderului este de 10 °C.
Care este munca maximă pe care o poate efectua teoretic o mașină dacă într-un cuptor cu o eficiență de 60% este ars cărbune cu o greutate de 200 kg și o căldură specifică de ardere de 2,9 10 7 J/kg?
Soluţie.
Lucrul maxim poate fi realizat de un motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot, a cărui eficiență este η = (T 1 - T 2)/T 1, unde T 1 și T 2 sunt temperaturile absolute ale încălzitorului și frigider. Pentru orice motor termic, eficiența este determinată de formula η = A/Q 1, unde A este munca efectuată de motorul termic, Q 1 este cantitatea de căldură primită de mașină de la încălzitor.
Din condițiile problemei este clar că Q 1 face parte din cantitatea de căldură degajată în timpul arderii combustibilului: Q 1 = η 1 mq.
Atunci unde A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1,2 10 9 J.
Sarcina 2.
Un motor cu abur cu o putere de N = 14,7 kW consumă combustibil cu o greutate de m = 8,1 kg la 1 oră de funcționare, cu o căldură specifică de ardere q = 3,3 10 7 J/kg.
Temperatura cazanului 200 °C, frigider 58 °C.
Determinați eficiența acestei mașini și comparați-o cu eficiența unui motor termic ideal.
Soluţie.
Eficiența unui motor termic este egală cu raportul dintre munca mecanică finalizată A și cantitatea de căldură consumată Qlt eliberată în timpul arderii combustibilului.
Cantitatea de căldură Q 1 = mq.
Munca efectuată în același timp A = Nt.
Astfel, η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, sau η ≈ 20%.
Pentru un motor termic ideal 
η < η ид.
Sarcina 3.
Un motor termic ideal cu randament η funcționează într-un ciclu invers (Fig. 13.15).
Care este cantitatea maximă de căldură care poate fi preluată de la frigider prin efectuarea lucrului mecanic A?
Deoarece mașina de refrigerare funcționează într-un ciclu invers, pentru ca căldura să se transfere de la un corp mai puțin încălzit la unul mai încălzit, este necesar ca forțele externe să facă o muncă pozitivă.
Schema schematică a unei mașini frigorifice: se ia o cantitate de căldură Q 2 din frigider, se lucrează prin forțe externe și o cantitate de căldură Q 1 este transferată în încălzitor.
Prin urmare, 
Q2 = Q1 (1 - η), Q1 = A/η.
În cele din urmă, Q 2 = (A/η)(1 - η).
Sursa: „Fizica - clasa a X-a”, 2014, manual Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky
Fundamentele termodinamicii. Fenomene termice - Fizica, manual pentru clasa a 10-a - Fizica clasei
Fluidul de lucru, primind o anumită cantitate de căldură Q 1 de la încălzitor, dă o parte din această cantitate de căldură, egală ca modul cu |Q2|, frigiderului. Prin urmare, munca depusă nu poate fi mai mare A = Q 1- |Q 2 |. Se numește raportul dintre acest lucru și cantitatea de căldură primită de gazul în expansiune din încălzitor eficienţă motor termic:
Eficiența unui motor termic care funcționează într-un ciclu închis este întotdeauna mai mică de unu. Sarcina ingineriei energiei termice este de a face eficiența cât mai mare posibil, adică de a folosi cât mai mult posibil din căldura primită de la încălzitor pentru a produce lucru. Cum se poate realiza acest lucru?
Pentru prima dată, cel mai perfect proces ciclic, constând din izoterme și adiabați, a fost propus de fizicianul și inginerul francez S. Carnot în 1824.
Ciclul Carnot.
Să presupunem că gazul se află într-un cilindru, ai cărui pereți și piston sunt fabricați dintr-un material termoizolant, iar fundul este dintr-un material cu conductivitate termică ridicată. Volumul ocupat de gaz este egal cu V 1.
Figura 2
Să aducem cilindrul în contact cu încălzitorul (Figura 2) și să dăm gazului posibilitatea de a se extinde izotermic și de a lucra . Gazul primește o anumită cantitate de căldură de la încălzitor Î 1. Acest proces este reprezentat grafic printr-o izotermă (curbă AB).
Figura 3
Când volumul de gaz devine egal cu o anumită valoare V 1'< V 2 ,
partea inferioară a cilindrului este izolată de încălzitor ,
După aceasta, gazul se extinde adiabatic la volum V 2, corespunzătoare cursei maxime posibile a pistonului în cilindru (adiabatic Soare). În acest caz, gazul este răcit la o temperatură T 2< T 1 .
Gazul răcit poate fi acum comprimat izotermic la o temperatură T2. Pentru a face acest lucru, trebuie adus în contact cu un corp care are aceeași temperatură T 2, adică cu frigider ,
și comprimă gazul printr-o forță externă. Cu toate acestea, în acest proces, gazul nu va reveni la starea inițială - temperatura sa va fi întotdeauna mai mică decât T 1.
Prin urmare, compresia izotermă este adusă la un anumit volum intermediar V 2 '>V 1(izotermă CD). În acest caz, gazul degajă puțină căldură frigiderului Q2, egală cu munca de compresie efectuată asupra acestuia. După aceasta, gazul este comprimat adiabatic la un volum V 1, in acelasi timp temperatura ii creste la T 1(adiabatic D.A.). Acum gazul a revenit la starea inițială, în care volumul său este egal cu V 1, temperatura - T1, presiune - p 1, iar ciclul poate fi repetat din nou.
Deci, pe site ABC gazul merge (A > 0), si pe site CDA munca efectuata la gaz (A< 0).
La site-uri SoareȘi ANUNȚ munca se face numai prin modificarea energiei interne a gazului. De la schimbarea energiei interne UBC = – UDA, atunci munca în timpul proceselor adiabatice este egală: ABC = –ADA.În consecință, munca totală efectuată pe ciclu este determinată de diferența de muncă efectuată în timpul proceselor izoterme (secțiuni ABȘi CD). Numeric, această muncă este egală cu aria figurii delimitată de curba ciclului ABCD.
Doar o parte din cantitatea de căldură este de fapt convertită în muncă utilă QT, primit de la încălzitor, egal cu QT 1 – |QT 2 |. Deci, în ciclul Carnot, muncă utilă A = QT 1– |QT 2 |.
Eficiența maximă a unui ciclu ideal, așa cum arată S. Carnot, poate fi exprimată în termeni de temperatură a încălzitorului (T 1) si frigider (T 2):
În motoarele reale nu este posibil să se implementeze un ciclu constând din procese izoterme și adiabatice ideale. Prin urmare, eficiența ciclului efectuat în motoarele reale este întotdeauna mai mică decât eficiența ciclului Carnot (la aceleași temperaturi ale încălzitoarelor și frigiderelor):
Formula arată că cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și temperatura frigiderului este mai mică, cu atât eficiența motorului este mai mare.
| Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - un talentat inginer și fizician francez, unul dintre fondatorii termodinamicii. În lucrarea sa „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță” (1824), el a arătat mai întâi că motoarele termice pot lucra numai în procesul de transfer de căldură de la un corp fierbinte la unul rece. Carnot a venit cu un motor termic ideal, a calculat randamentul mașinii ideale și a demonstrat că acest coeficient este maximul posibil pentru orice motor termic real. |  | ||
Ca ajutor pentru cercetările sale, Carnot a inventat (pe hârtie) în 1824 un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Rolul important al motorului Carnot constă nu numai în posibila sa aplicație practică, ci și în faptul că ne permite să explicăm principiile de funcționare a motoarelor termice în general; La fel de important este și faptul că Carnot, cu ajutorul motorului său, a reușit să aducă o contribuție semnificativă la fundamentarea și înțelegerea celei de-a doua legi a termodinamicii. Toate procesele dintr-o mașină Carnot sunt considerate echilibrate (reversibile). Un proces reversibil este un proces care se desfășoară atât de lent încât poate fi considerat ca o tranziție secvențială de la o stare de echilibru la alta etc., iar acest întreg proces poate fi efectuat în direcția opusă fără a modifica munca efectuată și cantitatea de caldura transferata. (Rețineți că toate procesele reale sunt ireversibile) În mașină se realizează un proces sau un ciclu circular, în care sistemul, după o serie de transformări, revine la starea inițială. Ciclul Carnot este format din două izoterme și două adiabate. Curbele A - B și C - D sunt izoterme, iar B - C și D - A sunt adiabate. În primul rând, gazul se extinde izotermic la temperatura T1. În același timp, primește cantitatea de căldură Q 1 de la încălzitor. Apoi se extinde adiabatic și nu face schimb de căldură cu corpurile din jur. Aceasta este urmată de compresia izotermă a gazului la temperatura T2. În acest proces, gazul transferă cantitatea de căldură Q 2 către frigider. În cele din urmă, gazul este comprimat adiabatic și revine la starea inițială. În timpul expansiunii izoterme, gazul lucrează A" 1 >0, egal cu cantitatea de căldură Q 1. În cazul expansiunii adiabatice B - C, lucrul pozitiv A" 3 este egal cu scăderea energiei interne atunci când gazul este răcit de la temperatură. T 1 la temperatura T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1) -U(T 2). Compresia izotermă la temperatura T 2 necesită munca A 2 care trebuie efectuată asupra gazului. Gazul efectuează un lucru negativ corespunzător. A" 2 = -A 2 = Q 2. În cele din urmă, compresia adiabatică necesită muncă efectuată pe gazul A 4 = dU 2.1. Lucrul gazului însuși A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Prin urmare, munca totală a gazului în timpul a două procese adiabatice este zero. În timpul ciclului, gazul funcționează A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Acest lucru este numeric egal cu aria figurii limitată de curba ciclului.Pentru a calcula eficiența, este necesar să se calculeze munca pentru procesele izoterme A - B și C - D. Calculele conduc la următorul rezultat:  (2) Eficiența unui motor termic Carnot este egală cu raportul dintre diferența dintre temperaturile absolute ale încălzitorului și frigiderului și temperatura absolută a încălzitorului. Principala semnificație a formulei lui Carnot (2) pentru eficiența unei mașini ideale este că determină randamentul maxim posibil al oricărui motor termic. Carnot a demonstrat următoarea teoremă: orice motor termic real care funcționează cu un încălzitor la temperatura T 1 și un frigider la temperatura T 2 nu poate avea o eficiență care să depășească randamentul unui motor termic ideal. Eficiența motoarelor termice reale Formula (2) oferă limita teoretică pentru valoarea maximă a randamentului motoarelor termice. Arată că, cu cât temperatura încălzitorului este mai mare și temperatura frigiderului este mai scăzută, cu atât un motor termic este mai eficient. Numai la o temperatură a frigiderului egală cu zero absolut randamentul este egal cu 1. În motoarele termice reale, procesele se desfășoară atât de repede încât scăderea și creșterea energiei interne a substanței de lucru atunci când volumul acesteia se modifică nu are timp să fie compensată de afluxul de energie din încălzitor și eliberarea energiei către frigider. Prin urmare, procesele izoterme nu pot fi realizate. Același lucru se aplică proceselor strict adiabatice, deoarece nu există izolatori termici ideali în natură. Ciclurile efectuate în motoarele termice reale constau din două izocore și două adiabate (în ciclul Otto), din două adiabate, izobare și izocore (în ciclul Diesel), din două adiabate și două izobare (într-o turbină cu gaz), etc. În acest caz, trebuie să aveți în vedere că și aceste cicluri pot fi ideale, ca și ciclul Carnot. Dar pentru aceasta este necesar ca temperaturile încălzitorului și frigiderului să nu fie constante, ca în ciclul Carnot, ci să se schimbe în același mod în care temperatura substanței de lucru se modifică în procesele de încălzire și răcire izocoră. Cu alte cuvinte, substanța de lucru trebuie să fie în contact cu un număr infinit de încălzitoare și frigidere - numai în acest caz va exista un transfer de căldură de echilibru la izocori. Desigur, în ciclurile motoarelor termice reale, procesele sunt neechilibrate, drept urmare eficiența motoarelor termice reale la același interval de temperatură este semnificativ mai mică decât eficiența ciclului Carnot. În același timp, expresia (2) joacă un rol imens în termodinamică și este un fel de „far” indicând modalități de creștere a eficienței motoarelor termice reale. |
|||
 | În ciclul Otto, mai întâi amestecul de lucru 1-2 este aspirat în cilindru, apoi compresia adiabatică 2-3 și după arderea sa izocoră 3-4, însoțită de creșterea temperaturii și presiunii produselor de ardere, dilatarea adiabatică a acestora. 4-5 are loc apoi o scădere de presiune izocoră 5 -2 și expulzare izobară a gazelor de eșapament de către pistonul 2-1. Deoarece nu se lucrează asupra izocorelor, iar munca în timpul aspirației amestecului de lucru și expulzării gazelor de eșapament este egală și opusă ca semn, munca utilă pentru un ciclu este egală cu diferența de lucru pe adiabatele de expansiune și compresie și este reprezentat grafic de zona ciclului. | ||
| Comparând randamentul unui motor termic real cu randamentul ciclului Carnot, trebuie remarcat că în expresia (2) temperatura T 2 în cazuri excepționale poate coincide cu temperatura ambiantă, pe care o luăm pentru un frigider, dar în caz general depășește temperatura ambiantă. Deci, de exemplu, în motoarele cu ardere internă, T2 ar trebui înțeles ca fiind temperatura gazelor de eșapament și nu temperatura mediului în care sunt produse evacuarea. | |||
 | Figura prezintă ciclul unui motor cu ardere internă în patru timpi cu ardere izobară (ciclu Diesel). Spre deosebire de ciclul anterior, în secțiunea 1-2 se absoarbe. aerul atmosferic, care este supus compresiei adiabatice în secțiunea 2-3 până la 3 10 6 -3 10 5 Pa. Combustibilul lichid injectat se aprinde într-un mediu de aer puternic comprimat și, prin urmare, încălzit și arde izobar 3-4, iar apoi are loc o expansiune adiabatică a produselor de combustie 4-5. Procesele rămase 5-2 și 2-1 se desfășoară în același mod ca în ciclul anterior. Trebuie amintit că la motoarele cu ardere internă ciclurile sunt închise condiționat, deoarece înainte de fiecare ciclu cilindrul este umplut cu o anumită masă de substanță de lucru, care este ejectată din cilindru la sfârșitul ciclului. | ||
Dar temperatura frigiderului practic nu poate fi mult mai mică decât temperatura ambiantă. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (corp solid) are rezistență limitată la căldură sau rezistență la căldură. Când este încălzită, își pierde treptat proprietățile elastice, iar la o temperatură suficient de ridicată se topește. Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea frecării pieselor lor, a pierderilor de combustibil din cauza arderii incomplete etc. Oportunitățile reale de creștere a eficienței aici rămân încă mari. Deci, pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ următoarele: T 1 = 800 K și T 2 = 300 K. La aceste temperaturi, valoarea maximă a coeficientului de eficiență este:  Valoarea efectivă a eficienței datorată diferitelor tipuri de pierderi de energie este de aproximativ 40%. Eficiența maximă - aproximativ 44% - este atinsă de motoarele cu ardere internă. Eficiența oricărui motor termic nu poate depăși valoarea maximă posibilă  unde T1 este temperatura absolută a încălzitorului și T2 este temperatura absolută a frigiderului. Creșterea eficienței motoarelor termice și aducerea acesteia la maximum posibil este cea mai importantă sarcină tehnică. |
Inegalitatea Clausius
(1854): Cantitatea de căldură obținută de un sistem în orice proces circular, împărțită la temperatura absolută la care a fost primită ( dat cantitatea de căldură), nepozitiv.
Cantitatea de căldură furnizată cvasistatic primit de sistem nu depinde de calea de tranziție (determinată doar de stările inițiale și finale ale sistemului) - pt. cvasistatic proceselor Inegalitatea Clausius se transformă în egalitate .
Entropie, funcție de stare S sistem termodinamic, a cărui modificare dS pentru o modificare reversibilă infinitezimală a stării sistemului este egală cu raportul dintre cantitatea de căldură primită de sistem în acest proces (sau luată din sistem) și temperatura absolută T:
Magnitudinea dS este un diferențial total, adică integrarea sa de-a lungul oricărei căi alese în mod arbitrar dă diferența dintre valori entropieîn stările inițiale (A) și finale (B):
Căldura nu este o funcție de stare, deci integrala lui δQ depinde de calea de tranziție aleasă între stările A și B. Entropie măsurată în J/(grad mol).
Concept entropieîn funcţie de starea sistemului se postulează a doua lege a termodinamicii, care se exprimă prin entropie diferență între procese ireversibile și reversibile. Pentru primul dS>δQ/T pentru al doilea dS=δQ/T.
Entropia ca functie energie interna U sistem, volumul V și numărul de moli n i i componenta este o funcție caracteristică (vezi. Potențiale termodinamice). Aceasta este o consecință a primei și a doua legi ale termodinamicii și este scrisă de ecuația:
Unde R - presiune, μ i - potenţial chimic i a componenta. Derivate entropie prin variabile naturale U, VȘi n i sunt egale:
Formulele simple se conectează entropie cu capacitati termice la presiune constanta S pși volum constant CV:
Prin utilizarea entropie sunt formulate condițiile pentru atingerea echilibrului termodinamic al unui sistem la energie internă constantă, volum și număr de moli i a-a componentă (sistem izolat) și condiția de stabilitate pentru un astfel de echilibru:
Înseamnă că entropie a unui sistem izolat atinge un maxim în stare de echilibru termodinamic. Procesele spontane în sistem pot avea loc numai în direcția creșterii entropie.
Entropia aparține unui grup de funcții termodinamice numite funcții Massier-Planck. Alte funcții aparținând acestui grup sunt funcția Massier F 1 = S - (1/T)U iar funcţia Planck Ф 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, poate fi obținut prin aplicarea transformării Legendre la entropie.
Conform celei de-a treia legi a termodinamicii (vezi. Teorema termică), Schimbare entropieîntr-o reacție chimică reversibilă între substanțe în stare condensată tinde spre zero la T→0:
Postulatul lui Planck (o formulare alternativă a teoremei termice) afirmă că entropie al oricărui compus chimic în stare condensată la temperatura zero absolut este zero condiționat și poate fi luat ca punct de plecare la determinarea valorii absolute entropie substanțe la orice temperatură. Ecuațiile (1) și (2) definesc entropie până la un termen constant.
În chimie termodinamica Următoarele concepte sunt utilizate pe scară largă: standard entropie S 0, adică entropie la presiune R=1,01.105 Pa (1 atm); standard entropie reacție chimică, adică diferență standard entropiile produse și reactivi; molar parțial entropie componentă a unui sistem multicomponent.
Pentru a calcula echilibrul chimic, utilizați formula:
Unde LA - constanta de echilibru, și - respectiv standard Energia Gibbs, entalpia și entropia de reacție; R- constanta de gaz.
Definiția conceptului entropie pentru un sistem de neechilibru se bazează pe ideea echilibrului termodinamic local. Echilibrul local implică îndeplinirea ecuației (3) pentru volume mici ale unui sistem care este dezechilibrat ca întreg (vezi. Termodinamica proceselor ireversibile). În timpul proceselor ireversibile din sistem, poate avea loc producția (apariția). entropie. Diferenţial complet entropie este determinată în acest caz de inegalitatea Carnot-Clausius:
Unde dS i > 0 - diferential entropie, nu este legat de fluxul de căldură ci datorită producției entropie din cauza proceselor ireversibile din sistem ( difuziune. conductivitate termică, reacții chimice etc.). Producția locală entropie (t- timpul) este reprezentat ca suma produselor forțelor termodinamice generalizate X i la fluxurile termodinamice generalizate J i:
Productie entropie datorită, de exemplu, difuzării unei componente i datorită forţei şi curgerii materiei J; producție entropie datorită unei reacţii chimice – prin forţă X=A/T, Unde A-afinitate chimică și flux J, egală cu viteza de reacție. În termodinamica statistică entropie sistem izolat este determinat de relaţia: unde k - constanta Boltzmann. - greutatea termodinamică a stării, egală cu numărul de stări cuantice posibile ale sistemului cu valori date de energie, volum, număr de particule. Starea de echilibru a sistemului corespunde egalității populațiilor de stări cuantice unice (nedegenerate). Crescând entropieîn procesele ireversibile este asociată cu stabilirea unei distribuții mai probabile a energiei date a sistemului între subsisteme individuale. Definiție statistică generalizată entropie, care se aplică și sistemelor neizolate, se conectează entropie cu probabilitățile diferitelor microstări, după cum urmează:
Unde w i- probabilitate i-a stare.
Absolut entropie un compus chimic se determină experimental, în principal prin metoda calorimetrică, pe baza raportului:
Utilizarea celui de-al doilea principiu ne permite să determinăm entropie reacții chimice bazate pe date experimentale (metoda forței electromotoare, metoda presiunii de vapori etc.). Posibil calcul entropie compuși chimici folosind metode statistice de termodinamică, bazate pe constante moleculare, greutate moleculară, geometrie moleculară și frecvențe normale de vibrație. Această abordare este realizată cu succes pentru gazele ideale. Pentru fazele condensate, calculele statistice oferă o precizie semnificativ mai mică și sunt efectuate într-un număr limitat de cazuri; În ultimii ani, s-au înregistrat progrese semnificative în acest domeniu.
Informații conexe.
Lucrul efectuat de motor este:
Acest proces a fost considerat pentru prima dată de inginerul și omul de știință francez N. L. S. Carnot în 1824 în cartea „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță”.
Scopul cercetării lui Carnot a fost acela de a afla motivele imperfecțiunii motoarelor termice de atunci (aveau o eficiență ≤ 5%) și de a găsi modalități de îmbunătățire a acestora.
Ciclul Carnot este cel mai eficient dintre toate. Eficiența sa este maximă.
Figura prezintă procesele termodinamice ale ciclului. În timpul expansiunii izoterme (1-2) la temperatură T 1 , munca se realizează datorită unei modificări a energiei interne a încălzitorului, adică datorită furnizării de căldură a gazului Q:
A 12 = Q 1 ,
Răcirea gazului înainte de comprimare (3-4) are loc în timpul expansiunii adiabatice (2-3). Schimbarea energiei interne ΔU 23 în timpul unui proces adiabatic ( Q = 0) este complet transformată în lucru mecanic:
A 23 = -ΔU 23 ,
Temperatura gazului ca urmare a expansiunii adiabatice (2-3) scade la temperatura frigiderului T 2 < T 1 . În procesul (3-4), gazul este comprimat izotermic, transferând cantitatea de căldură la frigider. Î 2:
A 34 = Q 2,
Ciclul se încheie cu procesul de compresie adiabatică (4-1), în care gazul este încălzit la o temperatură T 1.
Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice pe gaz ideal în funcție de ciclul Carnot:
.
Esența formulei este exprimată în dovedit CU. Teorema lui Carnot conform căreia randamentul oricărui motor termic nu poate depăși eficiența unui ciclu Carnot efectuat la aceeași temperatură a încălzitorului și a frigiderului.
« Fizica - clasa a X-a"
Ce este un sistem termodinamic și ce parametri îi caracterizează starea.
Prezentați prima și a doua lege a termodinamicii.
Crearea teoriei motoarelor termice a condus la formularea celei de-a doua legi a termodinamicii.
Rezervele de energie internă din scoarța terestră și oceane pot fi considerate practic nelimitate. Dar pentru a rezolva probleme practice, a avea rezerve de energie nu este suficient. De asemenea, este necesar să poți folosi energia pentru a pune în mișcare mașinile-unelte în fabrici și fabrici, vehicule, tractoare și alte mașini, pentru a roti rotoarele generatoarelor de curent electric etc. Omenirea are nevoie de motoare - dispozitive capabile să facă lucru. Majoritatea motoarelor de pe Pământ sunt motoare termice.
Motoare termice- acestea sunt dispozitive care transformă energia internă a combustibilului în lucru mecanic.
Principiul de funcționare al motoarelor termice.
Pentru ca un motor să funcționeze, trebuie să existe o diferență de presiune pe ambele părți ale pistonului motorului sau ale palelor turbinei. La toate motoarele termice, această diferență de presiune se realizează prin creșterea temperaturii fluid de lucru(gaz) cu sute sau mii de grade în comparație cu temperatura ambiantă. Această creștere a temperaturii are loc atunci când combustibilul arde.
Una dintre părțile principale ale motorului este un vas umplut cu gaz cu un piston mobil. Fluidul de lucru al tuturor motoarelor termice este gaz, care funcționează în timpul expansiunii. Să notăm temperatura inițială a fluidului de lucru (gaz) cu T 1 . Această temperatură în turbinele cu abur sau în mașini este realizată de aburul din cazanul de abur. În motoarele cu ardere internă și turbinele cu gaz, creșterea temperaturii are loc pe măsură ce combustibilul arde în interiorul motorului însuși. Se numește temperatura T 1 temperatura încălzitorului.
Rolul frigiderului.
Pe măsură ce se lucrează, gazul pierde energie și inevitabil se răcește la o anumită temperatură T2, care este de obicei puțin mai mare decât temperatura ambiantă. Ei o sună temperatura frigiderului. Frigiderul este atmosfera sau dispozitivele speciale pentru racirea si condensarea aburului rezidual - condensatoare. În acest din urmă caz, temperatura frigiderului poate fi puțin mai mică decât temperatura ambiantă.
Astfel, într-un motor, fluidul de lucru în timpul expansiunii nu poate renunța la toată energia sa internă pentru a lucra. O parte din căldură este transferată inevitabil în frigider (atmosferă) împreună cu aburul rezidual sau gazele de eșapament de la motoarele cu ardere internă și turbinele cu gaz.
Această parte a energiei interne a combustibilului se pierde. Un motor termic efectuează lucru datorită energiei interne a fluidului de lucru. Mai mult, în acest proces, căldura este transferată de la corpurile mai fierbinți (încălzitor) la cele mai reci (frigider). Schema schematică a unui motor termic este prezentată în Figura 13.13.
Fluidul de lucru al motorului primește de la încălzitor în timpul arderii combustibilului cantitatea de căldură Q 1, lucrează A" și transferă cantitatea de căldură la frigider Î 2< Q 1 .
Pentru ca motorul să funcționeze continuu, este necesar să readuceți fluidul de lucru la starea sa inițială, la care temperatura fluidului de lucru este egală cu T 1. Rezultă că motorul funcționează conform proceselor închise care se repetă periodic sau, după cum se spune, într-un ciclu.
Ciclu este o serie de procese în urma cărora sistemul revine la starea inițială.
Coeficientul de performanță (eficiență) al unui motor termic.
Imposibilitatea de a transforma complet energia internă a gazului în lucrul motoarelor termice se datorează ireversibilității proceselor din natură. Dacă căldura s-ar putea întoarce spontan de la frigider la încălzitor, atunci energia internă ar putea fi complet convertită în muncă utilă de către orice motor termic. A doua lege a termodinamicii poate fi formulată după cum urmează:
A doua lege a termodinamicii:
Este imposibil să se creeze o mașină cu mișcare perpetuă de al doilea fel, care să transforme complet căldura în lucru mecanic.
Conform legii conservării energiei, munca efectuată de motor este egală cu:
A" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)
unde Q 1 este cantitatea de căldură primită de la încălzitor și Q2 este cantitatea de căldură dată frigiderului.
Coeficientul de performanță (eficiență) al unui motor termic este raportul dintre munca „A” efectuată de motor și cantitatea de căldură primită de la încălzitor:
Deoarece toate motoarele transferă o anumită cantitate de căldură la frigider, atunci η< 1.
Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice.
Legile termodinamicii fac posibilă calcularea eficienței maxime posibile a unui motor termic care funcționează cu un încălzitor la temperatura T1 și un frigider la temperatura T2, precum și determinarea modalităților de creștere a acesteia.
Pentru prima dată, eficiența maximă posibilă a unui motor termic a fost calculată de inginerul și omul de știință francez Sadi Carnot (1796-1832) în lucrarea sa „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță” (1824). ).
Carnot a creat un motor termic ideal cu un gaz ideal ca fluid de lucru. Un motor termic Carnot ideal funcționează pe un ciclu format din două izoterme și două adiabate, iar aceste procese sunt considerate reversibile (Fig. 13.14). În primul rând, un vas cu gaz este adus în contact cu încălzitorul, gazul se extinde izotermic, făcând lucru pozitiv, la temperatura T 1 și primește o cantitate de căldură Q 1.
Apoi vasul este izolat termic, gazul continuă să se extindă adiabatic, în timp ce temperatura lui scade la temperatura frigiderului T 2. După aceasta, gazul este adus în contact cu frigiderul; în timpul compresiei izoterme, acesta dă cantitatea de căldură Q 2 frigiderului, comprimându-se la un volum V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:
După cum rezultă din formula (13.17), eficiența unei mașini Carnot este direct proporțională cu diferența dintre temperaturile absolute ale încălzitorului și frigiderului.
Semnificația principală a acestei formule este că indică modalitatea de creștere a eficienței, pentru aceasta este necesară creșterea temperaturii încălzitorului sau scăderea temperaturii frigiderului.
Orice motor termic real care funcționează cu un încălzitor la temperatura T1 și un frigider la temperatura T2 nu poate avea o eficiență care să depășească pe cea a unui motor termic ideal: 
Procesele care compun ciclul unui motor termic real nu sunt reversibile.
Formula (13.17) oferă o limită teoretică pentru valoarea maximă a randamentului motoarelor termice. Arată că un motor termic este mai eficient, cu atât diferența de temperatură dintre încălzitor și frigider este mai mare.
Numai la o temperatură a frigiderului egală cu zero absolut are η = 1. În plus, s-a dovedit că eficiența calculată folosind formula (13.17) nu depinde de substanța de lucru.
Dar temperatura frigiderului, al cărui rol este de obicei jucat de atmosferă, practic nu poate fi mai mică decât temperatura aerului ambiant. Puteți crește temperatura încălzitorului. Cu toate acestea, orice material (solid) are rezistență limitată la căldură sau rezistență la căldură. Când este încălzită, își pierde treptat proprietățile elastice, iar la o temperatură suficient de ridicată se topește.
Acum, principalele eforturi ale inginerilor vizează creșterea eficienței motoarelor prin reducerea frecării pieselor lor, a pierderilor de combustibil din cauza arderii incomplete etc.
Pentru o turbină cu abur, temperaturile inițiale și finale ale aburului sunt aproximativ următoarele: T 1 - 800 K și T 2 - 300 K. La aceste temperaturi, valoarea maximă a randamentului este de 62% (rețineți că eficiența este de obicei măsurată în procente) . Valoarea efectivă a eficienței datorată diferitelor tipuri de pierderi de energie este de aproximativ 40%. Eficiența maximă - aproximativ 44% - este atinsă de motoarele Diesel.
Protectia mediului.
Este greu de imaginat lumea modernă fără motoare termice. Ei sunt cei care ne oferă o viață confortabilă. Motoarele termice conduc vehicule. Aproximativ 80% din electricitate, în ciuda prezenței centralelor nucleare, este generată cu ajutorul motoarelor termice.
Cu toate acestea, în timpul funcționării motoarelor termice, are loc inevitabil poluare a mediului. Aceasta este o contradicție: pe de o parte, omenirea are nevoie de din ce în ce mai multă energie în fiecare an, a cărei parte principală este obținută prin arderea combustibilului, pe de altă parte, procesele de ardere sunt însoțite inevitabil de poluarea mediului.
Când combustibilul arde, conținutul de oxigen din atmosferă scade. În plus, produsele de ardere în sine formează compuși chimici care sunt dăunători pentru organismele vii. Poluarea are loc nu numai la sol, ci și în aer, deoarece orice zbor cu avionul este însoțit de emisii de impurități nocive în atmosferă.
Una dintre consecințele motoarelor este formarea de dioxid de carbon, care absoarbe radiația infraroșie de la suprafața Pământului, ceea ce duce la creșterea temperaturii atmosferice. Acesta este așa-numitul efect de seră. Măsurătorile arată că temperatura atmosferică crește cu 0,05 °C pe an. O astfel de creștere continuă a temperaturii poate provoca topirea gheții, care, la rândul său, va duce la modificări ale nivelului apei în oceane, adică la inundarea continentelor.
Să remarcăm încă un punct negativ atunci când folosim motoare termice. Deci, uneori apa din râuri și lacuri este folosită pentru a răci motoarele. Apa încălzită este apoi returnată înapoi. O creștere a temperaturii în corpurile de apă perturbă echilibrul natural; acest fenomen se numește poluare termică.
Pentru a proteja mediul înconjurător, diferite filtre de curățare sunt utilizate pe scară largă pentru a preveni eliberarea de substanțe nocive în atmosferă, iar designul motoarelor este îmbunătățit. Există o îmbunătățire continuă a combustibilului care produce substanțe mai puțin nocive în timpul arderii, precum și tehnologia arderii acestuia. Sursele alternative de energie care utilizează vântul, radiația solară și energia nucleară sunt dezvoltate în mod activ. Mașini electrice și mașini alimentate cu energie solară sunt deja produse.
