İstilik mühərrikinin səmərəliliyi. İstilik mühərrikinin səmərəliliyi - təyin düsturu. Termal mühərrik. Termodinamikanın ikinci qanunu İstilik mühərrikinin istilik səmərəliliyinin növləri

Cari dərsin mövzusu əvvəlki dərslərdə olduğu kimi mücərrəd deyil, çox konkret şəkildə baş verən proseslərin nəzərdən keçirilməsi olacaq, cihazlar - istilik mühərrikləri. Biz belə maşınları müəyyən edəcəyik, onların əsas komponentlərini və iş prinsipini təsvir edəcəyik. Həm də bu dərs zamanı biz səmərəliliyin tapılması məsələsini nəzərdən keçirəcəyik - istilik mühərriklərinin həm real, həm də mümkün olan maksimum səmərəlilik əmsalı.

Mövzu: Termodinamikanın əsasları
Dərs: İstilik mühərriki necə işləyir

Sonuncu dərsin mövzusu qazın bir hissəsinə ötürülən müəyyən istilik miqdarı ilə genişlənmə zamanı bu qazın gördüyü iş arasında əlaqəni təyin edən termodinamikanın birinci qanunu idi. İndi bu düsturun təkcə bəzi nəzəri hesablamalar üçün deyil, həm də kifayət qədər praktik tətbiqi üçün maraqlı olduğunu söyləməyin vaxtı gəldi, çünki qazın işi istilik mühərriklərindən istifadə edərkən çıxardığımız faydalı işdən başqa bir şey deyil.

Tərif. İstilik mühərriki- yanacağın daxili enerjisinin mexaniki işə çevrildiyi cihaz (şəkil 1).

düyü. 1. İstilik mühərriklərinin müxtəlif nümunələri (), ()

Şəkildən göründüyü kimi, istilik mühərrikləri yuxarıda göstərilən prinsiplə işləyən hər hansı bir cihazdır və dizayn baxımından inanılmaz dərəcədə sadədən çox mürəkkəbə qədər dəyişir.

İstisnasız olaraq, bütün istilik mühərrikləri funksional olaraq üç komponentə bölünür (bax. Şəkil 2):

• Qızdırıcı
• İşləyən maye
• Soyuducu

düyü. 2. İstilik mühərrikinin funksional diaqramı ()

Qızdırıcı yanacağın yanması prosesidir, yanma zamanı qaza böyük miqdarda istilik ötürür, onu yüksək temperaturlara qədər qızdırır. İşləyən maye olan isti qaz, temperaturun artması və nəticədə təzyiqin artması səbəbindən genişlənir, iş görür. Təbii ki, mühərrik gövdəsi, ətrafdakı hava və s. ilə həmişə istilik ötürülməsi olduğundan, iş ədədi olaraq ötürülən istiliyə bərabər olmayacaq - enerjinin bir hissəsi, bir qayda olaraq, ətraf mühit olan soyuducuya gedir. .

Baş verən prosesi təsəvvür etməyin ən asan yolu, hərəkət edən bir pistonun (məsələn, daxili yanma mühərrikinin silindrinin) altındakı sadə bir silindrdir. Təbii ki, mühərrikin işləməsi və mənalı olması üçün proses birdəfəlik deyil, dövri olaraq baş verməlidir. Yəni, hər genişlənmədən sonra qaz ilkin vəziyyətinə qayıtmalıdır (şəkil 3).

düyü. 3. İstilik mühərrikinin dövri işləmə nümunəsi ()

Qazın ilkin vəziyyətinə qayıtması üçün onun üzərində müəyyən işlər görülməlidir (xarici qüvvələrin işi). Və qazın işi əks işarəli qazın işinə bərabər olduğundan, qazın bütün dövr ərzində ümumi müsbət iş görməsi üçün (əks halda mühərrikdə heç bir nöqtə olmazdı) lazımdır. ki, xarici qüvvələrin işi qazın işindən az olsun. Yəni, P-V koordinatlarında tsiklik prosesin qrafiki formaya malik olmalıdır: saat yönünün əksinə hərəkət edən qapalı döngə. Bu şərtlə qazın gördüyü iş (qrafikin həcmin artdığı bölməsində) qazın gördüyü işdən (həcminin azaldığı hissədə) böyük olur (şək. 4).

düyü. 4. İstilik maşınında baş verən prosesin qrafikinə nümunə

Müəyyən bir mexanizmdən bəhs etdiyimiz üçün onun effektivliyinin nə olduğunu söyləmək mütləqdir.

Tərif. İstilik Mühərrikinin Səmərəliliyi (İstifadə əmsalı).- işləyən mayenin yerinə yetirdiyi faydalı işin qızdırıcıdan bədənə ötürülən istilik miqdarına nisbəti.

Enerjinin saxlanmasını nəzərə alsaq: qızdırıcıdan çıxan enerji heç yerdə yoxa çıxmır - onun bir hissəsi iş şəklində çıxarılır, qalan hissəsi soyuducuya gedir:

Biz əldə edirik:

Bu, hissələrdə səmərəliliyin ifadəsidir, əgər səmərəliliyin dəyərini faizlə almaq lazımdırsa, nəticədə alınan rəqəmi 100-ə vurmalısınız. SI ölçmə sistemində səmərəlilik ölçüsüz kəmiyyətdir və düsturdan göründüyü kimi, ola bilməz. birdən çox (və ya 100) olmalıdır.

Onu da demək lazımdır ki, bu ifadə real istilik mühərrikinin (istilik mühərrikinin) real səmərəliliyi və ya səmərəliliyi adlanır. Mühərrik dizaynındakı çatışmazlıqlardan bir şəkildə tamamilə qurtula bildiyimizi düşünsək, ideal bir mühərrik əldə edəcəyik və onun səmərəliliyi ideal istilik mühərrikinin səmərəliliyi düsturu ilə hesablanacaqdır. Bu düstur fransız mühəndisi Sadi Karno tərəfindən alınmışdır (şək. 5):

Müasir reallıqlar istilik maşınlarının geniş istifadəsini tələb edir. Onları elektrik mühərrikləri ilə əvəz etmək üçün edilən çoxsaylı cəhdlər indiyədək uğursuz olub. Avtonom sistemlərdə elektrik enerjisinin yığılması ilə bağlı problemləri həll etmək çətindir.

Uzunmüddətli istifadəni nəzərə alaraq elektrik enerjisi batareyalarının istehsal texnologiyası problemləri hələ də aktualdır. Elektrikli nəqliyyat vasitələrinin sürət xüsusiyyətləri daxili yanma mühərrikləri olan avtomobillərdən çox uzaqdır.

Hibrid mühərriklərin yaradılması üçün ilk addımlar ekoloji problemləri həll etməklə meqapolislərdə zərərli emissiyaları əhəmiyyətli dərəcədə azalda bilər.

Bir az tarix

Buxar enerjisini hərəkət enerjisinə çevirmək imkanı qədim zamanlarda məlum idi. Eramızdan əvvəl 130: İsgəndəriyyəli filosof Heron tamaşaçılara buxar oyuncağı - aeolipile təqdim etdi. Buxarla dolu kürə ondan çıxan reaktivlərin təsiri ilə fırlanmağa başladı. Müasir buxar turbinlərinin bu prototipindən o dövrlərdə istifadə olunmurdu.

Uzun illər və əsrlər boyu filosofun inkişafı sadəcə əyləncəli oyuncaq hesab olunurdu. 1629-cu ildə italyan D.Brançi aktiv turbin yaratdı. Buxar, bıçaqlarla təchiz edilmiş bir disk sürdü.

Bu andan etibarən buxar maşınlarının sürətli inkişafı başladı.

İstilik mühərriki

Yanacağın maşın hissələrinin və mexanizmlərinin hərəkət enerjisinə çevrilməsindən istilik maşınlarında istifadə olunur.

Maşınların əsas hissələri: qızdırıcı (xarici enerji əldə etmək üçün sistem), işçi maye (faydalı hərəkət edir), soyuducu.

Qızdırıcı, işləyən mayenin faydalı işi yerinə yetirmək üçün kifayət qədər daxili enerji təchizatı toplamasını təmin etmək üçün nəzərdə tutulmuşdur. Soyuducu artıq enerjini çıxarır.

Səmərəliliyin əsas xarakteristikasına istilik mühərriklərinin səmərəliliyi deyilir. Bu dəyər isitməyə sərf olunan enerjinin nə qədər faydalı iş görməyə sərf olunduğunu göstərir. Səmərəlilik nə qədər yüksək olsa, maşının işləməsi bir o qədər sərfəli olur, lakin bu dəyər 100% -dən çox ola bilməz.

Effektivliyin hesablanması

Qızdırıcının xarici enerjidən Q 1-ə bərabər enerji almasına icazə verin. İşçi maye A işini yerinə yetirdi, soyuducuya verilən enerji isə Q 2 oldu.

Tərifə əsasən, səmərəlilik dəyərini hesablayırıq:

η= A / Q 1 . Nəzərə alaq ki, A = Q 1 - Q 2.

Deməli, düsturu η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1 olan istilik mühərrikinin səmərəliliyi aşağıdakı nəticələr çıxarmağa imkan verir:

• Səmərəlilik 1-dən (və ya 100%) çox ola bilməz;
• bu dəyəri maksimuma çatdırmaq üçün ya qızdırıcıdan alınan enerjini artırmaq, ya da soyuducuya verilən enerjini azaltmaq lazımdır;
• qızdırıcının enerjisinin artırılması yanacağın keyfiyyətinin dəyişdirilməsi ilə əldə edilir;
• Mühərriklərin dizayn xüsusiyyətləri soyuducuya verilən enerjini azalda bilər.

İdeal istilik maşını

Səmərəliliyi maksimum (ideal olaraq 100% -ə bərabər) olan bir mühərrik yaratmaq mümkündürmü? Fransız nəzəri fiziki və istedadlı mühəndis Sadi Karno bu suala cavab tapmağa çalışıb. 1824-cü ildə onun qazlarda baş verən proseslərlə bağlı nəzəri hesablamaları ictimaiyyətə açıqlandı.

İdeal maşına xas olan əsas ideya ideal qazla geri dönən proseslərin aparılması hesab edilə bilər. T 1 temperaturunda qazı izotermik olaraq genişləndirməklə başlayırıq. Bunun üçün tələb olunan istilik miqdarı Q 1-dir.Sonra qaz istilik mübadiləsi olmadan genişlənir.T 2 temperaturuna çatdıqdan sonra qaz izotermik şəkildə sıxılır və Q 2 enerjisini soyuducuya ötürür. Qaz adiabatik olaraq ilkin vəziyyətinə qayıdır.

İdeal Carnot istilik mühərrikinin səmərəliliyi, dəqiq hesablandıqda, istilik və soyutma cihazları arasındakı temperatur fərqinin qızdırıcının temperaturuna nisbətinə bərabərdir. Bu belə görünür: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Düsturu: η = 1 - T 2 / T 1 olan istilik mühərrikinin mümkün səmərəliliyi yalnız qızdırıcının və soyuducunun temperaturlarından asılıdır və 100% -dən çox ola bilməz.

Üstəlik, bu əlaqə istilik mühərriklərinin səmərəliliyinin yalnız soyuducu temperatura çatdıqda birliyə bərabər ola biləcəyini sübut etməyə imkan verir. Məlum olduğu kimi, bu dəyər əldə edilə bilməz.

Carnotun nəzəri hesablamaları istənilən konstruksiyalı istilik mühərrikinin maksimum səmərəliliyini təyin etməyə imkan verir.

Karnotun sübut etdiyi teorem aşağıdakı kimidir. Heç bir halda ixtiyari istilik mühərriki ideal istilik mühərrikinin eyni səmərəlilik dəyərindən daha çox səmərəliliyə malik ola bilməz.

Problemin həlli nümunəsi

Misal 1. Qızdırıcının temperaturu 800 o C, soyuducunun temperaturu isə 500 o C aşağı olarsa, ideal istilik maşınının səmərəliliyi nə qədərdir?

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

Tərifinə görə: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Bizə soyuducunun temperaturu deyil, ∆T= (T 1 - T 2) verilir, deməli:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Cavab: Səmərəlilik = 46%.

Misal 2. Alınan bir kilojoul qızdırıcı enerjisi hesabına 650 J faydalı iş görülərsə, ideal istilik maşınının səmərəliliyini təyin edin.Soyuducunun temperaturu 400 K olarsa, istilik maşınının qızdırıcısının temperaturu neçə olur?

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

Bu problemdə səmərəliliyi formula ilə hesablana bilən istilik qurğusundan danışırıq:

Qızdırıcının temperaturunu təyin etmək üçün ideal bir istilik mühərrikinin səmərəliliyi üçün düsturdan istifadə edirik:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Riyazi çevrilmələri həyata keçirdikdən sonra əldə edirik:

T 1 = T 2 /(1- η).

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

Gəlin hesablayaq:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

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

Cavab: η= 65%, T 1 = 1142,8 K.

Real şərait

İdeal istilik mühərriki ideal proseslər nəzərə alınmaqla hazırlanmışdır. İş yalnız izotermik proseslərdə aparılır, onun dəyəri Karno dövrünün qrafiki ilə məhdudlaşan sahə kimi müəyyən edilir.

Reallıqda temperatur dəyişikliyi ilə müşayiət olunmadan qazın vəziyyətinin dəyişməsi prosesinin baş verməsinə şərait yaratmaq mümkün deyil. Ətrafdakı obyektlərlə istilik mübadiləsini istisna edən heç bir material yoxdur. Adiabatik prosesi həyata keçirmək qeyri-mümkün olur. İstilik mübadiləsi vəziyyətində qazın temperaturu mütləq dəyişməlidir.

Real şəraitdə yaradılmış istilik mühərriklərinin səmərəliliyi ideal mühərriklərin səmərəliliyindən əhəmiyyətli dərəcədə fərqlənir. Qeyd edək ki, real mühərriklərdə proseslər o qədər tez baş verir ki, həcminin dəyişdirilməsi prosesində işləyən maddənin daxili istilik enerjisindəki dəyişiklik qızdırıcıdan istilik axını və soyuducuya ötürülməsi ilə kompensasiya edilə bilməz.

Digər istilik mühərrikləri

Həqiqi mühərriklər müxtəlif dövrlərdə işləyir:

• Otto dövrü: sabit həcmli proses adiabatik olaraq dəyişir, qapalı dövr yaradır;
• Dizel dövrü: izobar, adiabatik, izoxor, adiabatik;
• sabit təzyiqdə baş verən proses adiabatik ilə əvəz olunur, dövrü bağlayır.

Müasir texnologiya şəraitində real mühərriklərdə tarazlıq prosesləri yaratmaq (onları ideal olanlara yaxınlaşdırmaq) mümkün deyil. İdeal istilik qurğusunda olduğu kimi eyni temperatur şəraiti nəzərə alınmaqla belə istilik mühərriklərinin səmərəliliyi əhəmiyyətli dərəcədə aşağıdır.

Ancaq səmərəliliyin hesablanması düsturunun rolu azalmamalıdır, çünki real mühərriklərin səmərəliliyini artırmaq üçün iş prosesində başlanğıc nöqtəsi məhz budur.

Effektivliyi dəyişməyin yolları

İdeal və həqiqi istilik mühərriklərini müqayisə edərkən, sonuncunun soyuducunun temperaturunun heç bir ola bilməyəcəyini qeyd etmək lazımdır. Adətən atmosfer soyuducu hesab olunur. Atmosferin temperaturu yalnız təxmini hesablamalarla qəbul edilə bilər. Təcrübə göstərir ki, soyuducu suyun temperaturu daxili yanma mühərriklərində olduğu kimi mühərriklərdəki işlənmiş qazların temperaturuna bərabərdir (qısaldılmış ICE).

ICE dünyamızda ən çox yayılmış istilik mühərrikidir. Bu vəziyyətdə istilik mühərrikinin səmərəliliyi yanan yanacağın yaratdığı temperaturdan asılıdır. Daxili yanma mühərrikləri və buxar mühərrikləri arasındakı əhəmiyyətli fərq, qızdırıcının funksiyalarının və cihazın işləyən mayesinin hava-yanacaq qarışığında birləşməsidir. Qarışıq yandıqca mühərrikin hərəkət edən hissələrinə təzyiq yaradır.

İşləyən qazların temperaturunda artım əldə edilir, yanacağın xüsusiyyətləri əhəmiyyətli dərəcədə dəyişir. Təəssüf ki, bunu sonsuza qədər etmək mümkün deyil. Mühərrikin yanma kamerasının hazırlandığı hər hansı materialın öz ərimə nöqtəsi var. Bu cür materialların istilik müqaviməti mühərrikin əsas xarakteristikasıdır, həmçinin səmərəliliyə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərmək qabiliyyətidir.

Motor səmərəliliyi dəyərləri

Girişindəki iş buxarının temperaturu 800 K, işlənmiş qazın isə 300 K olduğunu nəzərə alsaq, bu maşının səmərəliliyi 62% -dir. Reallıqda bu dəyər 40%-i keçmir. Bu azalma turbin korpusunun qızdırılması zamanı istilik itkiləri hesabına baş verir.

Daxili yanmanın ən yüksək dəyəri 44% -dən çox deyil. Bu dəyərin artırılması yaxın gələcəyin işidir. Materialların və yanacağın xüsusiyyətlərinin dəyişdirilməsi bəşəriyyətin ən yaxşı ağıllarının üzərində çalışdığı bir problemdir.

Qədim dövrlərdən bəri insanlar enerjini mexaniki işə çevirməyə çalışdılar. Küləyin kinetik enerjisini, suyun potensial enerjisini və s. 18-ci əsrdən başlayaraq yanacağın daxili enerjisini işə çevirən maşınlar meydana çıxmağa başladı. Belə maşınlar istilik mühərrikləri sayəsində işləyirdi.

İstilik mühərriki, yüksək temperatur səbəbiylə genişlənmə (ən çox qazlar) səbəbindən istilik enerjisini mexaniki işə çevirən bir cihazdır.

Hər hansı bir istilik mühərriki aşağıdakı komponentlərə malikdir:

• İstilik elementi. Ətraf mühitə nisbətən yüksək temperaturu olan bir bədən.
• İşləyən maye. Genişlənmə işi təmin etdiyi üçün bu element yaxşı genişlənməlidir. Adətən qaz və ya buxar istifadə olunur.
• Soyuducu. Aşağı temperaturlu bədən.

İşləyən maye qızdırıcıdan istilik enerjisi alır. Nəticədə genişlənməyə və işləməyə başlayır. Sistemin yenidən işi yerinə yetirməsi üçün onu ilkin vəziyyətinə qaytarmaq lazımdır. Buna görə də, işçi maye soyudulur, yəni artıq istilik enerjisi, sanki, soyutma elementinə atılır. Və sistem ilkin vəziyyətinə qayıdır, sonra proses yenidən təkrarlanır.

Effektivliyin hesablanması

Effektivliyi hesablamaq üçün aşağıdakı qeydləri təqdim edirik:

Q 1 – Qızdırıcı elementdən alınan istilik miqdarı

A'- İşçi maye ilə görülən iş

Q 2 – İşçi mayenin soyuducudan aldığı istilik miqdarı

Soyutma prosesində bədən istiliyi ötürür, buna görə Q 2< 0.

Belə bir cihazın işləməsi dövri bir prosesdir. Bu o deməkdir ki, tam dövrə başa çatdıqdan sonra daxili enerji ilkin vəziyyətinə qayıdacaq. Sonra, termodinamikanın birinci qanununa görə, işçi mayenin gördüyü iş qızdırıcıdan alınan istilik miqdarı ilə soyuducudan alınan istilik fərqinə bərabər olacaqdır:

Q 2 mənfi qiymətdir, ona görə də modul qəbul edilir

Səmərəlilik faydalı işin sistemin yerinə yetirdiyi ümumi işə nisbəti kimi ifadə edilir. Bu vəziyyətdə, ümumi iş işçi mayenin qızdırılmasına sərf olunan istilik miqdarına bərabər olacaqdır. Bütün sərf olunan enerji Q 1 vasitəsilə ifadə edilir.

İdeal maşının səmərəliliyi üçün Karnotun əldə etdiyi düsturun (5.12.2) əsas əhəmiyyəti ondan ibarətdir ki, o, istənilən istilik mühərrikinin maksimum mümkün səmərəliliyini müəyyən edir.

Karnot termodinamikanın ikinci qanununa əsaslanaraq aşağıdakı teoremi sübut etdi: temperatur qızdırıcısı ilə işləyən hər hansı bir real istilik mühərrikiT 1 və soyuducu temperaturuT 2 , ideal istilik mühərrikinin səmərəliliyini aşan səmərəliliyə malik ola bilməz.

* Carnot əslində termodinamikanın ikinci qanununu Klauzius və Kelvindən əvvəl, termodinamikanın birinci qanunu hələ ciddi şəkildə tərtib edilmədiyi bir vaxtda qurdu.

Əvvəlcə həqiqi qazla geri dönən dövrədə işləyən istilik mühərrikini nəzərdən keçirək. Döngə hər hansı bir şey ola bilər, yalnız qızdırıcının və soyuducunun temperaturlarının olması vacibdir T 1 Və T 2 .

Fərz edək ki, başqa bir istilik mühərrikinin səmərəliliyi (Karno dövrünə görə işləməyən) η ’ > η . Maşınlar ümumi qızdırıcı və ümumi soyuducu ilə işləyir. Carnot maşını tərs dövrədə işləsin (soyuducu maşın kimi), digər maşın isə irəli dövrədə işləsin (şək. 5.18). İstilik mühərriki (5.12.3) və (5.12.5) düsturlarına uyğun olaraq aşağıdakılara bərabər işi yerinə yetirir:

Soyuducu maşın həmişə soyuducudan istilik miqdarını götürəcək şəkildə dizayn edilə bilər Q 2 = ||

Sonra (5.12.7) düsturuna əsasən onun üzərində iş aparılacaqdır

(5.12.12)

Çünki η" > η şərti ilə , Bu A" > A. Buna görə də, istilik mühərriki soyuducu maşını idarə edə bilər və hələ də artıq iş qalacaq. Bu artıq iş bir mənbədən alınan istilik hesabına həyata keçirilir. Axı, iki maşın bir anda işləyərkən istilik soyuducuya verilmir. Lakin bu, termodinamikanın ikinci qanununa ziddir.

η > η olduğunu fərz etsək ", onda siz başqa bir maşının tərs dövrədə, Carnot maşınının isə irəli dövrədə işləməsini təmin edə bilərsiniz. Biz yenidən termodinamikanın ikinci qanunu ilə ziddiyyətə düşəcəyik. Nəticə etibarilə, geri dönən dövrlərdə işləyən iki maşın eyni səmərəliliyə malikdir: η " = η .

İkinci maşın geri dönməz bir dövrədə işləyirsə, bu fərqli bir məsələdir. η fərz etsək " > η , onda biz yenidən termodinamikanın ikinci qanunu ilə ziddiyyətə gələcəyik. Bununla belə, fərziyyə 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, və ya

Əsas nəticə budur:

(5.12.13)

Həqiqi istilik mühərriklərinin səmərəliliyi

Formula (5.12.13) istilik mühərriklərinin maksimum səmərəlilik dəyərinin nəzəri həddini verir. Bu göstərir ki, qızdırıcının temperaturu nə qədər yüksək olarsa və soyuducunun temperaturu nə qədər aşağı olarsa, istilik mühərriki bir o qədər səmərəlidir. Yalnız mütləq sıfıra bərabər olan soyuducu temperaturunda η = 1 olur.

Lakin soyuducunun temperaturu praktiki olaraq ətraf mühitin temperaturundan çox aşağı ola bilməz. Qızdırıcının temperaturunu artıra bilərsiniz. Bununla belə, hər hansı bir material (bərk bədən) məhdud istilik müqavimətinə və ya istilik müqavimətinə malikdir. Qızdırıldıqda, tədricən elastik xüsusiyyətlərini itirir və kifayət qədər yüksək temperaturda əriyir.

İndi mühəndislərin əsas səyləri onların hissələrinin sürtünməsini, natamam yanma nəticəsində yanacaq itkilərini və s. azaltmaqla mühərriklərin səmərəliliyinin artırılmasına yönəlib. Burada səmərəliliyin artırılması üçün real imkanlar hələ də böyük olaraq qalır. Beləliklə, buxar turbinləri üçün ilkin və son buxar temperaturları təxminən aşağıdakı kimidir: T 1 = 800 K və T 2 = 300 K. Bu temperaturlarda maksimum səmərəlilik dəyəri:

Müxtəlif növ enerji itkilərinə görə faktiki səmərəlilik dəyəri təxminən 40% təşkil edir. Maksimum səmərəlilik - təxminən 44% - daxili yanma mühərrikləri tərəfindən əldə edilir.

Hər hansı bir istilik mühərrikinin səmərəliliyi mümkün olan maksimum dəyərdən çox ola bilməz
, harada T 1 - qızdırıcının mütləq temperaturu və T 2 - soyuducunun mütləq temperaturu.

İstilik maşınlarının səmərəliliyinin artırılması və mümkün olan maksimuma yaxınlaşdırılması- ən mühüm texniki problemdir.

İstilik mühərrikinin nəzəri modelində üç cisim nəzərə alınır: qızdırıcı, işləyən maye Və soyuducu.

Qızdırıcı - temperaturu sabit olan istilik anbarı (böyük gövdə).

Mühərrikin işinin hər bir dövründə işçi maye qızdırıcıdan müəyyən miqdarda istilik alır, genişlənir və mexaniki işləri yerinə yetirir. Qızdırıcıdan alınan enerjinin bir hissəsinin soyuducuya köçürülməsi işçi mayenin orijinal vəziyyətinə qayıtması üçün lazımdır.

Model istilik mühərrikinin işləməsi zamanı qızdırıcının və soyuducunun temperaturunun dəyişmədiyini qəbul etdiyinə görə, dövr başa çatdıqdan sonra: işçi mayenin qızdırılması-genişlənməsi-soyutma-sıxılması, maşının əvvəlki vəziyyətinə qayıtması hesab olunur. onun orijinal vəziyyəti.

Hər bir dövr üçün termodinamikanın birinci qanununa əsaslanaraq istilik miqdarını yaza bilərik Q qızdırıcıdan alınan istilik, istilik miqdarı | Q soyuq| soyuducuya verilir və işçi orqanının gördüyü işlər Aəlaqəsi ilə bir-biri ilə bağlıdır:

A = Q istilik – | Q soyuq|.

İstilik mühərrikləri adlanan real texniki cihazlarda yanacağın yanması zamanı ayrılan istiliklə işləyən maye qızdırılır. Beləliklə, bir elektrik stansiyasının buxar turbinində qızdırıcı isti kömür ilə bir sobadır. Daxili yanma mühərrikində (ICE) yanma məhsulları qızdırıcı, artıq hava isə işləyən maye hesab edilə bilər. Onlar soyuducu kimi atmosfer havasından və ya təbii mənbələrdən gələn sudan istifadə edirlər.

İstilik mühərrikinin (maşın) səmərəliliyi

İstilik mühərrikinin səmərəliliyi (səmərəlilik) mühərrikin gördüyü işin qızdırıcıdan alınan istilik miqdarına nisbətidir:

Hər hansı bir istilik mühərrikinin səmərəliliyi vəhdətdən azdır və faizlə ifadə edilir. Qızdırıcıdan alınan bütün istilik miqdarını mexaniki işə çevirməyin qeyri-mümkünlüyü, tsiklik bir prosesin təşkili ehtiyacının ödənilməsi üçün qiymətdir və termodinamikanın ikinci qanunundan irəli gəlir.

Həqiqi istilik maşınlarında səmərəlilik eksperimental mexaniki güclə müəyyən edilir N mühərrik və vaxt vahidində yandırılan yanacağın miqdarı. Beləliklə, əgər vaxtında t yanacaq kütləsi m və xüsusi yanma istiliyi q, Bu

Nəqliyyat vasitələri üçün istinad xarakteristikası çox vaxt həcmdir V yolda yanacaq yandırıb s mexaniki mühərrik gücündə N və sürətlə. Bu halda, yanacağın r sıxlığını nəzərə alaraq, səmərəliliyin hesablanması üçün düstur yaza bilərik:

Termodinamikanın ikinci qanunu

Bir neçə formula var termodinamikanın ikinci qanunu. Onlardan biri deyir ki, yalnız istilik mənbəyi hesabına işləyəcək istilik mühərrikinin olması mümkün deyil, yəni. soyuducu yoxdur. Dünya okeanları onun üçün praktiki olaraq tükənməz daxili enerji mənbəyi kimi xidmət edə bilərdi (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Termodinamikanın ikinci qanununun digər formulaları buna bərabərdir.

Clausius formulası(1850): istiliyin kortəbii olaraq daha az qızdırılan cisimlərdən daha çox qızdırılan cisimlərə keçməsi qeyri-mümkündür.

Tomsonun formulası(1851): dairəvi bir proses qeyri-mümkündür, bunun yeganə nəticəsi istilik anbarının daxili enerjisini azaltmaqla iş istehsalı olacaq.

Clausius formulası(1865): qapalı qeyri-tarazlıq sistemində bütün kortəbii proseslər sistemin entropiyasının artdığı istiqamətdə baş verir; istilik tarazlığı vəziyyətində maksimum və sabitdir.

Boltzmann formulası(1877): çoxlu hissəciklərdən ibarət qapalı sistem kortəbii olaraq daha nizamlı vəziyyətdən daha az nizamlı vəziyyətə keçir. Sistem kortəbii olaraq tarazlıq mövqeyini tərk edə bilməz. Boltzmann bir çox bədəndən ibarət bir sistemdə pozğunluğun kəmiyyət ölçüsünü təqdim etdi - entropiya.

İşçi maye kimi ideal qazı olan istilik mühərrikinin səmərəliliyi

Əgər istilik maşınında işləyən mayenin modeli verilirsə (məsələn, ideal qaz), onda genişlənmə və sıxılma zamanı işçi mayenin termodinamik parametrlərinin dəyişməsini hesablamaq olar. Bu, termodinamika qanunları əsasında istilik mühərrikinin səmərəliliyini hesablamağa imkan verir.

Şəkil, işləyən mayenin ideal qaz olduğu və parametrlər bir termodinamik prosesin digərinə keçid nöqtələrində göstərildiyi təqdirdə səmərəliliyin hesablana biləcəyi dövrləri göstərir.

Carnot dövrü. İdeal istilik mühərrikinin səmərəliliyi

Verilmiş qızdırıcı temperaturlarında ən yüksək səmərəlilik T qızdırıcı və soyuducu T zalda istilik mühərriki var, burada işləyən maye genişlənir və buna görə daralır Carnot dövrü(Şəkil 2), qrafiki iki izotermdən (2–3 və 4–1) və iki adiabatdan (3–4 və 1–2) ibarətdir.

Karno teoremi sübut edir ki, belə bir mühərrikin səmərəliliyi istifadə olunan işçi mayedən asılı deyil, ona görə də onu ideal qaz üçün termodinamik əlaqələrdən istifadə etməklə hesablamaq olar:

İstilik mühərriklərinin ətraf mühitə təsiri

İstilik mühərriklərinin nəqliyyatda və energetikada (istilik və atom elektrik stansiyaları) intensiv istifadəsi Yerin biosferinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. İnsan fəaliyyətinin Yerin iqliminə təsir mexanizmləri ilə bağlı elmi mübahisələr olsa da, bir çox elm adamları belə bir təsirin baş verə biləcəyi amilləri qeyd edirlər:

1. İstixana effekti atmosferdə karbon qazının (istilik mühərriklərinin qızdırıcılarında yanma məhsulu) konsentrasiyasının artmasıdır. Karbon qazı Günəşdən görünən və ultrabənövşəyi radiasiyanın keçməsinə imkan verir, lakin Yerdən gələn infraqırmızı radiasiyanı kosmosa udur. Bu, atmosferin aşağı təbəqələrinin temperaturunun artmasına, qasırğalı küləklərin artmasına və buzların qlobal əriməsinə səbəb olur.
2. Zəhərli işlənmiş qazların canlı təbiətə birbaşa təsiri (kanserogenlər, duman, yanma məhsullarından yaranan turşu yağışı).
3. Təyyarə uçuşları və raket atışları zamanı ozon təbəqəsinin məhv edilməsi. Üst atmosferdəki ozon Yerdəki bütün həyatı Günəşdən gələn həddindən artıq ultrabənövşəyi radiasiyadan qoruyur.

Yaranan ekoloji böhrandan çıxış yolu istilik mühərriklərinin səmərəliliyinin artırılmasıdır (müasir istilik mühərriklərinin səmərəliliyi nadir hallarda 30% -dən çox olur); istismara yararlı mühərriklərdən və zərərli işlənmiş qaz neytrallaşdırıcılarından istifadə etməklə; alternativ enerji mənbələrindən (günəş panelləri və qızdırıcılar) və alternativ nəqliyyat vasitələrindən (velosipedlər və s.) istifadə.