Issiqlik dvigatelining samaradorligini aniqlash. Issiqlik dvigatelining samaradorligi

Ishchi suyuqlik isitish moslamasidan ma'lum miqdorda Q1 issiqlikni qabul qilib, |Q2| moduli bo'yicha bu issiqlik miqdorining bir qismini muzlatgichga beradi. Shuning uchun, bajarilgan ish bundan ortiq bo'lishi mumkin emas A = Q1 - |Q2|. Bu ishning isitgichdan kengayadigan gaz tomonidan olingan issiqlik miqdoriga nisbati deyiladi samaradorlik issiqlik dvigateli:

Yopiq siklda ishlaydigan issiqlik dvigatelining samaradorligi har doim birdan kam. Issiqlik energetikasining vazifasi samaradorlikni imkon qadar yuqori qilish, ya'ni ish ishlab chiqarish uchun isitgichdan olingan issiqlikni iloji boricha ko'proq ishlatishdir. Birinchi marta izoterm va adiabatlardan tashkil topgan eng mukammal siklik jarayonni 1824 yilda fransuz fizigi va muhandisi S.Karno taklif qilgan.

3) Ideal deganda maksimal samaradorlikka ega issiqlik dvigatelini tushunamiz. T1 isitgich va T2 muzlatgichining berilgan qiymatlarida.
Termodinamikaning ikkinchi qonunidan kelib chiqadiki, hatto yo'qotishlarsiz ishlaydigan ideal issiqlik mashinasi ham samaradorlikka ega. 100% dan past va quyidagi formula bo'yicha hisoblanadi:

Ideal issiqlik dvigatelidagi ishchi suyuqlik ideal gaz bo'lib, u Karno sikli bo'yicha ishlaydi:

4) Kontseptsiya entropiya Qaytmas energiya sarfini aniqlash uchun termodinamikaga Klauzius tomonidan kiritilgan, real jarayonning idealdan chetga chiqish ko'rsatkichlari. Kamaytirilgan issiqliklar yig'indisi sifatida aniqlanadi, u holat funktsiyasi bo'lib, yopiq qaytar jarayonlarda doimiy bo'lib qoladi, qaytarilmas jarayonlarda esa uning o'zgarishi doimo ijobiy bo'ladi.

Matematik jihatdan, entropiya tizimning termodinamik harorati bilan bog'liq bo'lgan muvozanat jarayonida tizimga berilgan yoki tizimdan chiqarilgan issiqlik miqdoriga teng bo'lgan tizim holatining funktsiyasi sifatida aniqlanadi:

entropiya ortishi qayerda; - tizimga beriladigan minimal issiqlik; - jarayonning mutlaq harorati.

Entropiya makro va mikro holatlar o'rtasida aloqa o'rnatadi. Bu xarakteristikaning o'ziga xos xususiyati shundaki, u fizikada jarayonlarning yo'nalishini ko'rsatadigan yagona funktsiyadir. Entropiya holat funktsiyasi bo'lganligi sababli, u tizimning bir holatidan ikkinchi holatiga o'tish qanday amalga oshirilishiga bog'liq emas, balki faqat tizimning boshlang'ich va oxirgi holatlari bilan belgilanadi.

Masalan, 0 °C haroratda suv suyuq holatda bo'lishi mumkin va ozgina tashqi ta'sir bilan tezda muzga aylana boshlaydi va ma'lum miqdorda issiqlik chiqaradi. Bunday holda, moddaning harorati 0 ° C bo'lib qoladi. Moddaning holati strukturaning o'zgarishi tufayli issiqlik chiqishi bilan birga o'zgaradi.

Rudolf Klauzius miqdorga "entropiya" nomini berdi, bu yunoncha "o'zgarish" (o'zgarish, o'zgarish, o'zgarish) so'zidan kelib chiqqan. Bu tenglik entropiyaning o'zini to'liq aniqlamasdan, entropiyaning o'zgarishini anglatadi.

« Fizika - 10-sinf"

Masalalarni yechish uchun issiqlik mashinalarining samaradorligini aniqlash uchun ma'lum iboralardan foydalanish kerak va (13.17) ifoda faqat ideal issiqlik mashinasi uchun amal qilishini yodda tutish kerak.

Vazifa 1.

Bug 'dvigatelining qozonida harorat 160 ° C, muzlatgichning harorati esa 10 ° C.
Og'irligi 200 kg bo'lgan, solishtirma yonish issiqligi 2,9 10 7 J/kg bo'lgan ko'mir 60% ga teng bo'lgan o'choqda yondirilsa, mashina nazariy jihatdan maksimal qancha ishni bajarishi mumkin?

Yechim.

Maksimal ishni Karno sikli bo'yicha ishlaydigan ideal issiqlik mashinasi bajarishi mumkin, uning samaradorligi ē = (T 1 - T 2) / T 1, bu erda T 1 va T 2 isitgichning mutlaq harorati va. muzlatgich. Har qanday issiqlik mashinasi uchun samaradorlik ē = A/Q 1 formulasi bilan aniqlanadi, bu erda A - issiqlik mashinasi tomonidan bajariladigan ish, Q 1 - isitish moslamasidan mashina tomonidan qabul qilingan issiqlik miqdori.
Masala shartlaridan ma’lum bo‘ladiki, Q 1 yonilg‘i yonishida ajralib chiqadigan issiqlik miqdorining bir qismidir: Q 1 = ē 1 mq.

U holda A = ē 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1,2 10 9 J qayerda bo'ladi.

Vazifa 2.

N = 14,7 kVt quvvatga ega bo'lgan bug 'dvigatelining 1 soatlik ishiga m = 8,1 kg og'irlikdagi yoqilg'i sarflanadi, o'ziga xos yonish issiqligi q = 3,3 10 7 J / kg.
Qozon harorati 200 °C, muzlatgich 58 °C.
Ushbu mashinaning samaradorligini aniqlang va uni ideal issiqlik dvigatelining samaradorligi bilan taqqoslang.

Yechim.

Issiqlik dvigatelining samaradorligi tugallangan mexanik ish A ning yoqilg'i yonishi paytida chiqarilgan Qlt issiqlik miqdoriga nisbatiga teng.
Issiqlik miqdori Q 1 = mq.

Bir vaqtning o'zida bajarilgan ish A = Nt.

Shunday qilib, ē = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198 yoki ē ≈ 20%.

Ideal issiqlik dvigateli uchun η < η ид.

Vazifa 3.

Samaradorlik ē bo'lgan ideal issiqlik mashinasi teskari siklda ishlaydi (13.15-rasm).

Mexanik A ishni bajarish orqali muzlatgichdan maksimal qancha issiqlik olinadi?

Sovutgich mashinasi teskari aylanishda ishlaganligi sababli, issiqlikni kamroq isitiladigan jismdan ko'proq isitiladigan tanaga o'tkazish uchun tashqi kuchlar ijobiy ish qilishlari kerak.
Sovutgich mashinasining sxematik diagrammasi: muzlatgichdan issiqlik miqdori Q 2 olinadi, ish tashqi kuchlar tomonidan bajariladi va issiqlik miqdori Q 1 isitgichga o'tkaziladi.
Demak, Q 2 = Q 1 (1 - ē), Q 1 = A/ē.

Nihoyat, Q 2 = (A/ē)(1 - ē).

Manba: “Fizika - 10-sinf”, 2014 yil, darslik Myakishev, Buxovtsev, Sotskiy

Termodinamikaning asoslari. Issiqlik hodisalari - Fizika, 10-sinf uchun darslik - Sinf fizikasi

Ishchi suyuqlik isitish moslamasidan ma'lum miqdorda Q 1 issiqlikni qabul qilib, moduli bo'yicha |Q2| ga teng bo'lgan bu issiqlik miqdorining bir qismini muzlatgichga beradi. Shuning uchun, bajarilgan ish bundan ortiq bo'lishi mumkin emas A = Q 1- |Q 2 |. Bu ishning isitgichdan kengayadigan gaz tomonidan olingan issiqlik miqdoriga nisbati deyiladi samaradorlik issiqlik dvigateli:

Yopiq siklda ishlaydigan issiqlik dvigatelining samaradorligi har doim birdan kam. Issiqlik energetikasining vazifasi samaradorlikni imkon qadar yuqori qilish, ya'ni ish ishlab chiqarish uchun isitgichdan olingan issiqlikni iloji boricha ko'proq ishlatishdir. Bunga qanday erishish mumkin?
Birinchi marta izoterm va adiabatlardan tashkil topgan eng mukammal siklik jarayonni 1824 yilda fransuz fizigi va muhandisi S.Karno taklif qilgan.

Karno sikli.

Faraz qilaylik, gaz silindrda bo'lib, uning devorlari va pistoni issiqlik o'tkazmaydigan materialdan, pastki qismi esa yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lgan materialdan yasalgan. Gaz egallagan hajm ga teng V 1.

2-rasm

Tsilindrni isitgich bilan aloqa qilaylik (2-rasm) va gazga izotermik kengayish va ish qilish imkoniyatini beramiz. . Gaz isitgichdan ma'lum miqdorda issiqlik oladi Q 1. Bu jarayon grafik ravishda izoterm (egri chiziq) bilan ifodalanadi AB).

3-rasm

Gaz hajmi ma'lum bir qiymatga teng bo'lganda V 1'< V 2 , silindrning pastki qismi isitgichdan ajratilgan , Shundan so'ng gaz adiabatik ravishda hajmgacha kengayadi V 2, silindrdagi pistonning mumkin bo'lgan maksimal zarbasiga mos keladi (adiabatik Quyosh). Bunday holda, gaz haroratgacha sovutiladi T 2< T 1 .
Sovutilgan gaz endi haroratda izotermik tarzda siqilishi mumkin T2. Buning uchun uni bir xil haroratga ega bo'lgan tana bilan aloqa qilish kerak T 2, ya'ni muzlatgich bilan , va gazni tashqi kuch bilan siqib chiqaradi. Biroq, bu jarayonda gaz asl holatiga qaytmaydi - uning harorati har doim undan past bo'ladi T 1.
Shuning uchun izotermik siqilish ma'lum bir oraliq hajmga keltiriladi V 2 '>V 1(izoterm CD). Bunday holda, gaz sovutgichga bir oz issiqlik beradi Q2, uning ustida bajarilgan siqilish ishiga teng. Shundan so'ng, gaz adiabatik tarzda bir hajmgacha siqiladi V 1, bir vaqtning o'zida uning harorati ko'tariladi T 1(adiabatik D.A.). Endi gaz asl holatiga qaytdi, uning hajmi V 1 ga teng, harorat - T1, bosim - p 1, va tsikl yana takrorlanishi mumkin.

Shunday qilib, saytda ABC gaz ishlaydi (A > 0), va saytda CDA gaz ustida bajarilgan ishlar (A< 0). Saytlarda Quyosh Va AD ish faqat gazning ichki energiyasini o'zgartirish orqali amalga oshiriladi. Ichki energiyaning o'zgarishidan beri UBC = - UDA, u holda adiabatik jarayonlardagi ish teng bo'ladi: ABC = –ADA. Binobarin, bir tsiklda bajarilgan umumiy ish izotermik jarayonlarda bajarilgan ishlarning farqi bilan aniqlanadi (bo'limlar). AB Va CD). Raqamli ravishda, bu ish tsiklning egri chizig'i bilan chegaralangan raqam maydoniga teng A B C D.
Issiqlik miqdorining faqat bir qismi aslida foydali ishga aylanadi QT, isitgichdan olingan, teng QT 1 – |QT 2 |. Shunday qilib, Karno siklida foydali ish A = QT 1– |QT 2 |.
S. Karno ko'rsatgan ideal siklning maksimal samaradorligini isitgich harorati bilan ifodalash mumkin. (T 1) va muzlatgich (T 2):

Haqiqiy dvigatellarda ideal izotermik va adiabatik jarayonlardan iborat tsiklni amalga oshirish mumkin emas. Shuning uchun haqiqiy dvigatellarda amalga oshiriladigan tsiklning samaradorligi har doim Carnot tsiklining samaradorligidan past bo'ladi (isitgichlar va muzlatgichlarning bir xil haroratlarida):

Formula shuni ko'rsatadiki, isitgich harorati qanchalik baland bo'lsa va muzlatgich harorati qanchalik past bo'lsa, vosita samaradorligi shunchalik yuqori bo'ladi.

Karnot Nikolas Leonard Sadi (1796-1832) - iste'dodli frantsuz muhandisi va fizigi, termodinamika asoschilaridan biri. O'zining "Olovning harakatlantiruvchi kuchi va bu kuchni rivojlantirishga qodir bo'lgan mashinalar to'g'risida" (1824) asarida u birinchi marta issiqlik dvigatellari faqat issiqlikni issiq jismdan sovuqqa o'tkazish jarayonida ishni bajarishi mumkinligini ko'rsatdi. Karno ideal issiqlik dvigatelini o'ylab topdi, ideal mashinaning samaradorligini hisoblab chiqdi va bu koeffitsient har qanday haqiqiy issiqlik mashinasi uchun mumkin bo'lgan maksimal ko'rsatkich ekanligini isbotladi.
O'z tadqiqotiga yordam sifatida, Karnot 1824 yilda (qog'ozda) ishchi suyuqlik sifatida ideal gazga ega bo'lgan ideal issiqlik dvigatelini ixtiro qildi. Carnot dvigatelining muhim roli nafaqat uning mumkin bo'lgan amaliy qo'llanilishida, balki umuman issiqlik dvigatellarining ishlash tamoyillarini tushuntirishga imkon beradi; Karno o'z dvigateli yordamida termodinamikaning ikkinchi qonunini asoslash va tushunishga katta hissa qo'shishga muvaffaq bo'lganligi ham xuddi shunday muhimdir. Carnot mashinasidagi barcha jarayonlar muvozanat (qaytariladigan) deb hisoblanadi. Qaytariladigan jarayon shu qadar sekin kechadigan jarayonki, uni bir muvozanat holatidan ikkinchisiga ketma-ket o'tish va hokazo deb hisoblash mumkin va bu butun jarayon bajarilgan ish va miqdorni o'zgartirmasdan teskari yo'nalishda amalga oshirilishi mumkin. issiqlik uzatiladi. (E'tibor bering, barcha real jarayonlar qaytarilmas) Mashinada aylanma jarayon yoki tsikl amalga oshiriladi, bunda tizim bir qator transformatsiyalardan so'ng dastlabki holatiga qaytadi. Karno sikli ikkita izoterm va ikkita adiabadan iborat. A - B va C - D egri chiziqlari izotermlar, B - C va D - A adiabatlardir. Birinchidan, gaz T 1 haroratda izotermik ravishda kengayadi. Shu bilan birga, u isitgichdan Q 1 issiqlik miqdorini oladi. Keyin u adiabatik tarzda kengayadi va atrofdagi jismlar bilan issiqlik almashmaydi. Buning ortidan T 2 haroratda gazning izotermik siqilishi kuzatiladi. Bu jarayonda gaz Q 2 issiqlik miqdorini muzlatgichga o'tkazadi. Nihoyat, gaz adiabatik tarzda siqiladi va dastlabki holatiga qaytadi. Izotermik kengayish vaqtida gaz issiqlik miqdori Q 1 ga teng A" 1 >0 ish qiladi. B - C adiabatik kengayish bilan musbat ish A" 3 gaz haroratdan sovutilganda ichki energiyaning kamayishiga teng. T 1 dan T 2 haroratgacha: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1) -U(T 2). T 2 haroratda izotermik siqish gazda A 2 ishni bajarishni talab qiladi. Gaz mos ravishda manfiy ish bajaradi. A" 2 = -A 2 = Q 2. Nihoyat, adiabatik siqish gazda bajarilgan ishni talab qiladi A 4 = dU 2.1. Gazning o'zining ishi A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Demak, gazning ikkita adiabatik jarayondagi umumiy ishi nolga teng. Tsikl davomida gaz ishlaydi A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Bu ish son jihatdan tsiklning egri chizig'i bilan chegaralangan raqam maydoniga teng.Uylanish samaradorligini hisoblash uchun A - B va C - D izotermik jarayonlari uchun ishni hisoblash kerak. Hisoblashlar quyidagi natijaga olib keladi: (2) Karno issiqlik mashinasining samaradorligi isitgich va muzlatgichning mutlaq haroratlari orasidagi farqning isitgichning mutlaq haroratiga nisbatiga teng. Karno formulasining (2) ideal mashinaning samaradorligi uchun asosiy ahamiyati shundaki, u har qanday issiqlik dvigatelining maksimal mumkin bo'lgan samaradorligini aniqlaydi. Karno quyidagi teoremani isbotladi: T 1 haroratdagi isitgich va T 2 haroratdagi sovutgich bilan ishlaydigan har qanday haqiqiy issiqlik dvigateli ideal issiqlik dvigatelining samaradorligidan yuqori bo'lishi mumkin emas. Haqiqiy issiqlik dvigatellarining samaradorligi Formula (2) issiqlik dvigatellari samaradorligining maksimal qiymatining nazariy chegarasini beradi. Bu shuni ko'rsatadiki, isitgichning harorati qanchalik baland bo'lsa va muzlatgichning harorati qanchalik past bo'lsa, issiqlik dvigatelining samaradorligi shunchalik yuqori bo'ladi. Mutlaq nolga teng bo'lgan muzlatgich haroratidagina samaradorlik 1 ga teng bo'ladi. Haqiqiy issiqlik mashinalarida jarayonlar shu qadar tez boradiki, uning hajmi o'zgarganda ishchi moddaning ichki energiyasining kamayishi va ortishi, uning miqdori bilan kompensatsiya qilishga vaqt topa olmaydi. isitgichdan energiya oqimi va sovutgichga energiya chiqishi. Shuning uchun izotermik jarayonlarni amalga oshirish mumkin emas. Xuddi shu narsa qat'iy adiabatik jarayonlarga ham tegishli, chunki tabiatda ideal issiqlik izolyatorlari yo'q. Haqiqiy issiqlik dvigatellarida amalga oshiriladigan tsikllar ikkita izoxora va ikkita adiabadan (Otto siklida), ikkita adiabadan, izobardan va izoxoradan (dizel siklida), ikkita adiabat va ikkita izobardan (gaz turbinasida) va boshqalardan iborat. Bunday holda, shuni yodda tutish kerakki, bu tsikllar ham Karno sikli kabi ideal bo'lishi mumkin. Ammo buning uchun isitgich va muzlatgichning harorati Karno siklidagi kabi doimiy bo'lmasligi, balki izoxorik isitish va sovutish jarayonlarida ishlaydigan moddaning harorati o'zgarishi bilan bir xil tarzda o'zgarishi kerak. Boshqacha qilib aytganda, ishlaydigan modda cheksiz ko'p sonli isitgichlar va muzlatgichlar bilan aloqada bo'lishi kerak - faqat bu holda izoxorlarda muvozanat issiqlik almashinuvi bo'ladi. Albatta, haqiqiy issiqlik dvigatellarining sikllarida jarayonlar muvozanatsizdir, buning natijasida bir xil harorat oralig'ida haqiqiy issiqlik dvigatellarining samaradorligi Karno siklining samaradorligidan sezilarli darajada past bo'ladi. Shu bilan birga, (2) ifoda termodinamikada katta rol o'ynaydi va haqiqiy issiqlik dvigatellarining samaradorligini oshirish yo'llarini ko'rsatadigan o'ziga xos "mayoq" dir.
	Otto siklida silindrga dastlab ishchi aralashma 1-2 so'riladi, so'ngra adiabatik siqilish 2-3 va uning izoxorik yonishidan keyin 3-4 yonish mahsulotlarining harorati va bosimining oshishi, ularning adiabatik kengayishi bilan birga keladi. 4-5 sodir bo'ladi, keyin izoxorik bosimning pasayishi 5 -2 va chiqindi gazlarning piston tomonidan izobarik chiqarilishi 2-1. Izokorlarda hech qanday ish bajarilmaganligi sababli va ish aralashmasini so'rish va chiqindi gazlarni chiqarish paytida ish teng va qarama-qarshi ishorali bo'lganligi sababli, bir tsikl uchun foydali ish kengayish va siqish va adiabatlardagi ishlarning farqiga teng bo'ladi. sikl maydoni bilan grafik tasvirlangan.
Haqiqiy issiqlik dvigatelining samaradorligini Karno siklining samaradorligi bilan solishtirganda shuni ta'kidlash kerakki, (2) ifodada T 2 harorati istisno holatlarda biz muzlatgich uchun qabul qiladigan atrof-muhit haroratiga to'g'ri kelishi mumkin, ammo umumiy holatda u atrof-muhit haroratidan oshib ketadi. Shunday qilib, masalan, ichki yonish dvigatellarida T2 ni chiqindi gazlar hosil bo'ladigan muhitning harorati emas, balki chiqindi gazlarining harorati deb tushunish kerak.
	Rasmda izobarik yonish bilan to'rt taktli ichki yonish dvigatelining aylanishi (Dizel aylanishi) ko'rsatilgan. Oldingi tsikldan farqli o'laroq, 1-2 bo'limda u so'riladi. 2-3 dan 3 10 6 -3 10 5 Pa gacha bo'lgan qismida adiabatik siqilishga duchor bo'lgan atmosfera havosi. AOK qilingan suyuq yoqilg'i yuqori siqilgan va shuning uchun isitiladigan havo muhitida yonadi va izobarik ravishda 3-4 yonadi, so'ngra yonish mahsulotlarining adiabatik kengayishi 4-5 sodir bo'ladi. Qolgan jarayonlar 5-2 va 2-1 oldingi tsikldagi kabi davom etadi. Shuni esda tutish kerakki, ichki yonish dvigatellarida tsikllar shartli ravishda yopiladi, chunki har bir tsikldan oldin silindr ma'lum bir ish moddasi massasi bilan to'ldiriladi, u tsikl oxirida silindrdan chiqariladi.
Ammo muzlatgichning harorati deyarli atrof-muhit haroratidan ancha past bo'lishi mumkin emas. Isitgichning haroratini oshirishingiz mumkin. Biroq, har qanday material (qattiq tana) cheklangan issiqlik qarshiligiga, yoki issiqlikka chidamliligiga ega. Qizdirilganda, u asta-sekin elastik xususiyatlarini yo'qotadi va etarlicha yuqori haroratda eriydi. Hozirda muhandislarning asosiy sa'y-harakatlari dvigatellarning ishqalanish darajasini, ularning to'liq yonmasligi natijasida yonilg'i yo'qotishlarini va hokazolarni kamaytirish orqali dvigatellarning samaradorligini oshirishga qaratilgan. Bu erda samaradorlikni oshirish uchun haqiqiy imkoniyatlar hali ham katta bo'lib qolmoqda. Demak, bug 'turbinasi uchun bug'ning boshlang'ich va oxirgi harorati taxminan quyidagicha: T 1 = 800 K va T 2 = 300 K. Bu haroratlarda samaradorlik koeffitsientining maksimal qiymati: Har xil turdagi energiya yo'qotishlari tufayli haqiqiy samaradorlik qiymati taxminan 40% ni tashkil qiladi. Maksimal samaradorlik - taxminan 44% - ichki yonuv dvigatellari tomonidan erishiladi. Har qanday issiqlik dvigatelining samaradorligi maksimal mumkin bo'lgan qiymatdan oshmasligi kerak Bu erda T 1 - isitgichning mutlaq harorati va T 2 - muzlatgichning mutlaq harorati. Issiqlik dvigatellarining samaradorligini oshirish va uni maksimal darajada yaqinlashtirish eng muhim texnik vazifadir.

Klauzius tengsizligi

(1854): Har qanday dumaloq jarayonda tizim tomonidan olingan issiqlik miqdori, uni qabul qilingan mutlaq haroratga bo'linadi ( berilgan issiqlik miqdori), ijobiy emas.

Berilgan issiqlik miqdori kvazistatik tizim tomonidan qabul qilingan o'tish yo'liga bog'liq emas (faqat tizimning boshlang'ich va oxirgi holatlari bilan belgilanadi) - uchun kvazistatik jarayonlar Klauzius tengsizligi aylanadi tenglik .

Entropiya, holat funksiyasi S termodinamik tizim, uning o'zgarishi dS tizim holatining cheksiz teskari o'zgarishi uchun bu jarayonda tizim tomonidan qabul qilingan (yoki tizimdan olingan) issiqlik miqdorining mutlaq haroratga nisbati tengdir. T:

Kattalik dS to'liq differentsialdir, ya'ni. uning har qanday o'zboshimchalik bilan tanlangan yo'l bo'ylab integratsiyalashuvi qiymatlar orasidagi farqni beradi entropiya boshlang'ich (A) va yakuniy (B) holatlarida:

Issiqlik holat funktsiyasi emas, shuning uchun dQ ning integrali A va B holatlar orasidagi tanlangan o'tish yo'liga bog'liq. Entropiya J/(mol deg) bilan o‘lchanadi.

Kontseptsiya entropiya tizim holatining funksiyasi sifatida taxmin qilinadi termodinamikaning ikkinchi qonuni orqali ifodalanadi entropiya orasidagi farq qaytarilmas va qaytarilmas jarayonlar. Birinchi dS>dQ/T uchun ikkinchi dS=dQ/T.

Funktsiya sifatida entropiya ichki energiya U sistemasi, hajmi V va mollar soni n i i th komponent xarakterli funktsiyadir (qarang. Termodinamik potensiallar). Bu termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarining natijasidir va quyidagi tenglama bilan yoziladi:

Qayerda R - bosim, m i - kimyoviy potensial i th komponent. Hosilalar entropiya tabiiy o'zgaruvchilar tomonidan U, V Va n i teng:

Oddiy formulalar ulanadi entropiya doimiy bosimdagi issiqlik sig'imlari bilan S p va doimiy hajm Rezyume:

Yordamida entropiya doimiy ichki energiya, hajm va mollar sonida tizimning termodinamik muvozanatiga erishish uchun shartlar ishlab chiqilgan. i th komponent (izolyatsiya qilingan tizim) va bunday muvozanat uchun barqarorlik sharti:

Bu shuni anglatadiki entropiya Izolyatsiya qilingan tizim termodinamik muvozanat holatida maksimal darajaga etadi. Tizimdagi o'z-o'zidan jarayonlar faqat o'sish yo'nalishida sodir bo'lishi mumkin entropiya.

Entropiya Massier-Plank funktsiyalari deb ataladigan termodinamik funktsiyalar guruhiga kiradi. Ushbu guruhga tegishli boshqa funktsiyalar Massier funktsiyasidir F 1 = S - (1/T)U va Plank funksiyasi F 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, entropiyaga Legendre konvertatsiyasini qo'llash orqali olinishi mumkin.

Termodinamikaning uchinchi qonuniga ko'ra (qarang. Issiqlik teoremasi), o'zgartirish entropiya kondensatsiyalangan holatdagi moddalar o'rtasidagi teskari kimyoviy reaktsiyada nolga intiladi T→0:

Plank postulati (issiqlik teoremasining muqobil formulasi) shuni bildiradi entropiya mutlaq nol haroratda kondensatsiyalangan holatda har qanday kimyoviy birikma shartli ravishda nolga teng va mutlaq qiymatni aniqlashda boshlang'ich nuqta sifatida olinishi mumkin. entropiya har qanday haroratdagi moddalar. (1) va (2) tenglamalar aniqlanadi entropiya doimiy muddatgacha.

Kimyoviy sohada termodinamika Quyidagi tushunchalar keng qo'llaniladi: standart entropiya S 0, ya'ni. entropiya bosim ostida R=1,01·10 5 Pa (1 atm); standart entropiya kimyoviy reaktsiya, ya'ni. standart farq entropiyalar mahsulotlar va reaktivlar; qisman molar entropiya ko'p komponentli tizimning tarkibiy qismi.

Kimyoviy muvozanatni hisoblash uchun quyidagi formuladan foydalaning:

Qayerda TO - muvozanat konstantasi, va - mos ravishda standart Gibbs energiyasi, reaksiyaning entalpiyasi va entropiyasi; R- gaz doimiyligi.

Kontseptsiyaning ta'rifi entropiya muvozanatsiz tizim uchun mahalliy termodinamik muvozanat g'oyasiga asoslanadi. Mahalliy muvozanat umuman muvozanat bo'lmagan tizimning kichik hajmlari uchun (3) tenglamaning bajarilishini nazarda tutadi (qarang. Qaytmas jarayonlarning termodinamiği). Tizimdagi qaytarilmas jarayonlar jarayonida ishlab chiqarish (roy bo'lishi) mumkin entropiya. To'liq differentsial entropiya bu holda Karnot-Klauzius tengsizligi bilan aniqlanadi:

Qayerda dS i > 0 - differentsial entropiya, issiqlik oqimi bilan bog'liq emas, balki ishlab chiqarish tufayli entropiya tizimdagi qaytarilmas jarayonlar tufayli ( diffuziya. issiqlik o'tkazuvchanligi, kimyoviy reaktsiyalar va boshqalar). Mahalliy ishlab chiqarish entropiya (t- vaqt) umumlashgan termodinamik kuchlar mahsuloti X yig'indisi sifatida ifodalanadi i umumlashtirilgan termodinamik oqimlarga J i:

Ishlab chiqarish entropiya masalan, komponentning tarqalishi tufayli i materiyaning kuchi va oqimi tufayli J; ishlab chiqarish entropiya kimyoviy reaksiya tufayli - kuch bilan X=A/T, Qayerda A-kimyoviy yaqinlik va oqim J, reaksiya tezligiga teng. Statistik termodinamikada entropiya izolyatsiyalangan sistema munosabati bilan aniqlanadi: qayerda k - Boltsman doimiysi. - energiya, hajm, zarrachalar sonining berilgan qiymatlari bilan tizimning mumkin bo'lgan kvant holatlari soniga teng holatning termodinamik og'irligi. Tizimning muvozanat holati yagona (degeneratsiyalanmagan) kvant holatlari populyatsiyalarining tengligiga mos keladi. Ortib bormoqda entropiya qaytarilmas jarayonlarda tizimning berilgan energiyasini alohida quyi tizimlar o'rtasida yanada ehtimoliy taqsimlanishini o'rnatish bilan bog'liq. Umumlashtirilgan statistik ta'rif entropiya, bu izolyatsiyalanmagan tizimlarga ham tegishli, ulanadi entropiya turli mikroholatlar ehtimoli bilan quyidagicha:

Qayerda w i- ehtimollik i- davlat.

Mutlaq entropiya Kimyoviy birikma eksperimental ravishda, asosan, kalorimetrik usulda, nisbatga asoslanib aniqlanadi:

Ikkinchi tamoyildan foydalanish bizga aniqlash imkonini beradi entropiya eksperimental ma'lumotlarga asoslangan kimyoviy reaktsiyalar (elektromotor kuch usuli, bug 'bosimi usuli va boshqalar). Hisoblash mumkin entropiya molekulyar konstantalar, molekulyar og'irlik, molekulyar geometriya va normal tebranish chastotalariga asoslangan statistik termodinamika usullaridan foydalangan holda kimyoviy birikmalar. Ushbu yondashuv ideal gazlar uchun muvaffaqiyatli amalga oshiriladi. Kondensatsiyalangan fazalar uchun statistik hisob-kitoblar sezilarli darajada kamroq aniqlikni ta'minlaydi va cheklangan miqdordagi hollarda amalga oshiriladi; Keyingi yillarda bu borada sezilarli yutuqlarga erishildi.

Tegishli ma'lumotlar.

Dvigatel tomonidan bajariladigan ish:

Bu jarayon birinchi marta frantsuz muhandisi va olimi N. L. S. Karno tomonidan 1824 yilda "Olovning harakatlantiruvchi kuchi va bu kuchni rivojlantirishga qodir bo'lgan mashinalar haqida fikr" kitobida ko'rib chiqilgan.

Karno tadqiqotining maqsadi o'sha davrdagi issiqlik dvigatellarining nomukammalligi sabablarini aniqlash (ularning samaradorligi ≤ 5% bo'lgan) va ularni yaxshilash yo'llarini izlash edi.

Karno sikli eng samarali hisoblanadi. Uning samaradorligi maksimal.

Rasmda tsiklning termodinamik jarayonlari ko'rsatilgan. Izotermik kengayish paytida (1-2) haroratda T 1 , ish isitgichning ichki energiyasining o'zgarishi, ya'ni gazni issiqlik bilan ta'minlash tufayli amalga oshiriladi. Q:

A 12 = Q 1 ,

Siqilishdan oldin gazni sovutish (3-4) adiabatik kengayish paytida (2-3) sodir bo'ladi. Ichki energiyaning o'zgarishi DU 23 adiabatik jarayon davomida ( Q = 0) butunlay mexanik ishga aylantiriladi:

A 23 = -DU 23 ,

Adiyabatik kengayish natijasida gaz harorati (2-3) muzlatgich haroratiga tushadi. T 2 < T 1 . Jarayonda (3-4) gaz izotermik tarzda siqilib, issiqlik miqdori muzlatgichga o'tkaziladi. Q 2:

A 34 = Q 2,

Tsikl adiabatik siqilish (4-1) jarayoni bilan tugaydi, bunda gaz haroratgacha qizdiriladi. T 1.

Karno sikli bo'yicha ideal gazli issiqlik dvigatellarining maksimal samaradorlik qiymati:

.

Formulaning mohiyati tasdiqlanganda ifodalangan BILAN. Karno teoremasi har qanday issiqlik dvigatelining samaradorligi isitgich va muzlatgichning bir xil haroratida amalga oshirilgan Karno siklining samaradorligidan oshmasligi kerak.

« Fizika - 10-sinf"

Termodinamik tizim nima va uning holatini qanday parametrlar xarakterlaydi.
Termodinamikaning birinchi va ikkinchi qonunlarini ayting.

Aynan issiqlik dvigatellari nazariyasining yaratilishi termodinamikaning ikkinchi qonunini shakllantirishga olib keldi.

Er qobig'i va okeanlardagi ichki energiya zahiralarini amalda cheksiz deb hisoblash mumkin. Ammo amaliy muammolarni hal qilish uchun energiya zaxiralariga ega bo'lish etarli emas. Shuningdek, energiyadan zavod va fabrikalarda dastgoh asboblarini, transport vositalarini, traktorlarni va boshqa mashinalarni harakatga keltirish, elektr toki generatorlari rotorlarini aylantirish va boshqalar uchun energiyadan foydalanishni bilish kerak. Erdagi dvigatellarning aksariyati issiqlik dvigatellari.

Issiqlik dvigatellari- bu yoqilg'ining ichki energiyasini mexanik ishga aylantiruvchi qurilmalar.

Issiqlik dvigatellarining ishlash printsipi.

Dvigatelning ishlashi uchun dvigatel pistonining yoki turbinaning har ikki tomonida bosim farqi bo'lishi kerak. Barcha issiqlik dvigatellarida bu bosim farqiga haroratni oshirish orqali erishiladi ishlaydigan suyuqlik(gaz) atrof-muhit haroratiga nisbatan yuzlab yoki minglab darajaga. Bu harorat oshishi yoqilg'i yoqilganda sodir bo'ladi.

Dvigatelning asosiy qismlaridan biri harakatlanuvchi pistonli gaz bilan to'ldirilgan idishdir. Barcha issiqlik dvigatellarining ishchi suyuqligi gaz bo'lib, u kengayish vaqtida ishlaydi. Ishchi suyuqlikning (gazning) boshlang'ich haroratini T 1 bilan belgilaymiz. Bug 'turbinalari yoki mashinalaridagi bu haroratga bug' qozonidagi bug' orqali erishiladi. Ichki yonish dvigatellari va gaz turbinalarida harorat ko'tarilishi dvigatelning o'zida yoqilg'ining yonishi natijasida sodir bo'ladi. Harorat T 1 deyiladi isitgich harorati.

Sovutgichning roli.

Ish bajarilganda, gaz energiyani yo'qotadi va muqarrar ravishda ma'lum bir harorat T2 ga soviydi, bu odatda atrof-muhit haroratidan biroz yuqoriroqdir. Uni chaqirishadi muzlatgich harorati. Sovutgich - bu atmosfera yoki chiqindi bug'ni sovutish va kondensatsiyalash uchun maxsus qurilmalar - kondansatörler. Ikkinchi holda, muzlatgichning harorati atrof-muhit haroratidan bir oz pastroq bo'lishi mumkin.

Shunday qilib, dvigatelda kengayish vaqtida ishlaydigan suyuqlik ish bajarish uchun barcha ichki energiyasidan voz kecha olmaydi. Issiqlikning bir qismi muqarrar ravishda ichki yonuv dvigatellari va gaz turbinalaridan chiqindi bug 'yoki chiqindi gazlari bilan birga muzlatgichga (atmosferaga) o'tkaziladi.

Yoqilg'ining ichki energiyasining bu qismi yo'qoladi. Issiqlik dvigateli ishlaydigan suyuqlikning ichki energiyasi tufayli ishni bajaradi. Bundan tashqari, bu jarayonda issiqlik issiqroq jismlardan (isitgich) sovuqroqlarga (muzlatgich) o'tkaziladi. Issiqlik dvigatelining sxematik diagrammasi 13.13-rasmda keltirilgan.

Dvigatelning ishchi suyuqligi yoqilg'i yonishi paytida isitgichdan Q 1 issiqlik miqdorini oladi, A" ni bajaradi va issiqlik miqdorini muzlatgichga o'tkazadi. Q 2< Q 1 .

Dvigatelning uzluksiz ishlashi uchun ishchi suyuqlikni dastlabki holatiga qaytarish kerak, bunda ishchi suyuqlikning harorati T 1 ga teng. Bundan kelib chiqadiki, vosita vaqti-vaqti bilan takrorlanadigan yopiq jarayonlarga muvofiq yoki ular aytganidek, tsiklda ishlaydi.

Velosiped tizimning dastlabki holatiga qaytishi natijasida bir qator jarayonlardir.

Issiqlik dvigatelining ishlash koeffitsienti (samaradorligi).

Gazning ichki energiyasini issiqlik dvigatellari ishiga to'liq aylantirishning mumkin emasligi tabiatdagi jarayonlarning qaytarilmasligi bilan bog'liq. Agar issiqlik sovutgichdan isitgichga o'z-o'zidan qaytishi mumkin bo'lsa, u holda ichki energiya har qanday issiqlik dvigateli tomonidan to'liq foydali ishga aylantirilishi mumkin edi. Termodinamikaning ikkinchi qonuni quyidagicha ifodalanishi mumkin:

Termodinamikaning ikkinchi qonuni:
Issiqlikni butunlay mexanik ishga aylantiradigan ikkinchi turdagi doimiy harakat mashinasini yaratish mumkin emas.

Energiyaning saqlanish qonuniga ko'ra, dvigatel bajargan ish quyidagilarga teng:

A" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)

Bu erda Q 1 - isitgichdan olingan issiqlik miqdori, Q2 - muzlatgichga berilgan issiqlik miqdori.

Issiqlik dvigatelining ishlash koeffitsienti (samaradorligi) dvigatel tomonidan bajarilgan "A" ishining isitgichdan olingan issiqlik miqdoriga nisbati:

Barcha dvigatellar sovutgichga ma'lum miqdorda issiqlik o'tkazganligi sababli, ē< 1.

Issiqlik dvigatellarining maksimal samaradorlik qiymati.

Termodinamika qonunlari T1 haroratda isitkich va T2 haroratda sovutgich bilan ishlaydigan issiqlik dvigatelining maksimal mumkin bo'lgan samaradorligini hisoblash, shuningdek, uni oshirish yo'llarini aniqlash imkonini beradi.

Birinchi marta issiqlik dvigatelining mumkin bo'lgan maksimal samaradorligini frantsuz muhandisi va olimi Sadi Karno (1796-1832) o'zining "Olovning harakatlantiruvchi kuchi va bu kuchni rivojlantirishga qodir bo'lgan mashinalar haqida fikr" asarida hisoblab chiqdi (1824). ).

Karno ishlaydigan suyuqlik sifatida ideal gazga ega bo'lgan ideal issiqlik dvigatelini yaratdi. Ideal Karno issiqlik mashinasi ikkita izoterm va ikkita adiabatdan iborat siklda ishlaydi va bu jarayonlar teskari deb hisoblanadi (13.14-rasm). Birinchidan, gaz bo'lgan idish isitgich bilan aloqa qiladi, gaz T 1 haroratda ijobiy ish qilib, izotermik ravishda kengayadi va u Q 1 issiqlik miqdorini oladi.

Keyin idish termal izolyatsiyalanadi, gaz adiabatik ravishda kengayishda davom etadi, uning harorati T 2 muzlatgichining haroratiga tushadi. Shundan so'ng, gaz muzlatgich bilan aloqa qiladi, izotermik siqish paytida u sovutgichga Q 2 issiqlik miqdorini beradi va V 4 hajmgacha siqiladi.< 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:

Formuladan (13.17) kelib chiqqan holda, Carnot mashinasining samaradorligi isitgich va muzlatgichning mutlaq haroratlari farqiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

Ushbu formulaning asosiy ahamiyati shundaki, u samaradorlikni oshirish yo'lini ko'rsatadi, buning uchun isitgichning haroratini oshirish yoki muzlatgichning haroratini pasaytirish kerak.

T1 haroratdagi isitgich va T2 haroratdagi sovutgich bilan ishlaydigan har qanday haqiqiy issiqlik dvigatelining samaradorligi ideal issiqlik dvigatelidan yuqori bo'lishi mumkin emas: Haqiqiy issiqlik dvigatelining aylanishini tashkil etuvchi jarayonlar qaytarilmaydi.

Formula (13.17) issiqlik dvigatellarining maksimal rentabellik qiymatining nazariy chegarasini beradi. Bu shuni ko'rsatadiki, issiqlik dvigateli samaraliroq bo'lsa, isitgich va muzlatgich o'rtasidagi harorat farqi qanchalik katta bo'lsa.

Mutlaq nolga teng bo'lgan muzlatgich haroratidagina ē = 1. Bundan tashqari, (13.17) formula yordamida hisoblangan samaradorlik ishchi moddaga bog'liq emasligi isbotlangan.

Ammo odatda atmosfera rolini o'ynaydigan muzlatgichning harorati deyarli atrofdagi havo haroratidan past bo'lishi mumkin emas. Isitgichning haroratini oshirishingiz mumkin. Biroq, har qanday material (qattiq) cheklangan issiqlik qarshiligiga yoki issiqlikka chidamliligiga ega. Qizdirilganda, u asta-sekin elastik xususiyatlarini yo'qotadi va etarlicha yuqori haroratda eriydi.

Endi muhandislarning asosiy sa'y-harakatlari dvigatellarning ishqalanishini, to'liq yonmaslik natijasida yonilg'i yo'qotishlarini va boshqalarni kamaytirish orqali dvigatellarning samaradorligini oshirishga qaratilgan.

Bug 'turbinasi uchun bug'ning boshlang'ich va oxirgi harorati taxminan quyidagicha: T 1 - 800 K va T 2 - 300 K. Bu haroratlarda maksimal samaradorlik qiymati 62% ni tashkil qiladi (esda tutingki, samaradorlik odatda foiz sifatida o'lchanadi). . Har xil turdagi energiya yo'qotishlari tufayli haqiqiy samaradorlik qiymati taxminan 40% ni tashkil qiladi. Maksimal samaradorlik - taxminan 44% - dizel dvigatellari tomonidan erishiladi.

Atrof muhitni muhofaza qilish.

Zamonaviy dunyoni issiqlik dvigatellarisiz tasavvur qilish qiyin. Ular bizni farovon hayot bilan ta'minlovchilardir. Issiqlik dvigatellari transport vositalarini boshqaradi. Atom elektr stansiyalari mavjudligiga qaramay, elektr energiyasining 80% ga yaqini issiqlik dvigatellari yordamida ishlab chiqariladi.

Biroq, issiqlik dvigatellarining ishlashi paytida atrof-muhitning muqarrar ifloslanishi sodir bo'ladi. Bu qarama-qarshilik: bir tomondan, insoniyat har yili ko'proq va ko'proq energiya talab qiladi, uning asosiy qismi yoqilg'ining yonishi orqali olinadi, boshqa tomondan, yonish jarayonlari muqarrar ravishda atrof-muhitning ifloslanishi bilan birga keladi.

Yoqilg'i yoqilganda, atmosferadagi kislorod miqdori kamayadi. Bundan tashqari, yonish mahsulotlarining o'zi tirik organizmlar uchun zararli kimyoviy birikmalar hosil qiladi. Ifloslanish nafaqat erda, balki havoda ham sodir bo'ladi, chunki har qanday samolyot parvozi atmosferaga zararli aralashmalarning chiqishi bilan birga keladi.

Dvigatellarning oqibatlaridan biri karbonat angidridning hosil bo'lishi bo'lib, u Yer yuzasidan infraqizil nurlanishni o'zlashtiradi, bu esa atmosfera haroratining oshishiga olib keladi. Bu issiqxona effekti deb ataladi. O'lchovlar shuni ko'rsatadiki, atmosfera harorati yiliga 0,05 ° C ga ko'tariladi. Haroratning bunday uzluksiz ko'tarilishi muzning erishiga olib kelishi mumkin, bu esa, o'z navbatida, okeanlardagi suv sathining o'zgarishiga, ya'ni qit'alarni suv bosishiga olib keladi.

Issiqlik dvigatellaridan foydalanishda yana bir salbiy jihatga e'tibor qaratamiz. Shunday qilib, ba'zida dvigatellarni sovutish uchun daryolar va ko'llar suvi ishlatiladi. Keyin isitiladigan suv yana qaytariladi. Suv havzalarida haroratning oshishi tabiiy muvozanatni buzadi, bu hodisa termal ifloslanish deb ataladi.

Atrof-muhitni muhofaza qilish uchun zararli moddalarning atmosferaga tarqalishini oldini olish uchun turli xil tozalash filtrlari keng qo'llaniladi va dvigatel konstruktsiyalari takomillashtirilmoqda. Yonish jarayonida kamroq zararli moddalar ishlab chiqaradigan yoqilg'ining doimiy takomillashuvi, shuningdek, uning yonish texnologiyasi mavjud. Shamol, quyosh radiatsiyasi va yadro energiyasidan foydalanadigan muqobil energiya manbalari faol rivojlanmoqda. Quyosh energiyasidan quvvat oladigan elektromobillar va avtomobillar allaqachon ishlab chiqarilmoqda.