Učinkovitost toplinskog motora. Učinkovitost toplinskog stroja - formula za određivanje. Termički motor. Drugi zakon termodinamike Vrste toplinskog učinka toplinskih motora

Tema trenutne lekcije bit će razmatranje procesa koji se odvijaju u vrlo konkretnim, a ne apstraktnim, kao u prethodnim lekcijama, uređajima - toplinskim motorima. Definirat ćemo takve strojeve, opisati njihove glavne komponente i princip rada. Također tijekom ove lekcije razmotrit ćemo pitanje pronalaženja učinkovitosti - faktora učinkovitosti toplinskih motora, kako stvarnog tako i maksimalnog mogućeg.

Tema: Osnove termodinamike
Lekcija: Kako radi toplinski stroj

Tema zadnje lekcije bio je prvi zakon termodinamike, koji je definirao odnos između određene količine topline koja je predana dijelu plina i rada tog plina tijekom širenja. A sada je došlo vrijeme da se kaže da je ova formula zanimljiva ne samo za neke teorijske proračune, već iu sasvim praktičnoj primjeni, jer rad plina nije ništa više od korisnog rada, koji izdvajamo pri uporabi toplinskih motora.

Definicija. Toplotna mašina- uređaj u kojem se unutarnja energija goriva pretvara u mehanički rad (slika 1).

Riža. 1. Razni primjeri toplinskih motora (), ()

Kao što možete vidjeti sa slike, toplinski motori su svi uređaji koji rade na gore navedenom principu, a variraju od nevjerojatno jednostavnih do vrlo složenih konstrukcija.

Bez iznimke, svi toplinski strojevi funkcionalno su podijeljeni u tri komponente (vidi sliku 2):

• Grijač
• Radna tekućina
• Hladnjak

Riža. 2. Funkcionalni dijagram toplinskog stroja ()

Grijač je proces izgaranja goriva, koji tijekom izgaranja prenosi veliku količinu topline na plin, zagrijavajući ga na visoke temperature. Vrući plin, koji je radni fluid, širi se zbog povećanja temperature, a time i tlaka, vršeći rad. Naravno, budući da uvijek postoji prijenos topline s tijelom motora, okolnim zrakom itd., rad neće biti brojčano jednak prenesenoj toplini - dio energije odlazi u hladnjak, koji je u pravilu okoliš .

Najlakše je zamisliti proces koji se odvija u jednostavnom cilindru ispod klipa koji se kreće (na primjer, cilindar motora s unutarnjim izgaranjem). Naravno, da bi motor radio i imao smisla, proces se mora odvijati ciklički, a ne jednokratno. To jest, nakon svake ekspanzije, plin se mora vratiti u svoj prvobitni položaj (slika 3).

Riža. 3. Primjer cikličkog rada toplinskog stroja ()

Da bi se plin vratio u početni položaj potrebno je izvršiti određeni rad na njemu (rad vanjskih sila). A kako je rad plina jednak radu na plinu suprotnog predznaka, da bi plin izvršio ukupan pozitivan rad tijekom cijelog ciklusa (inače ne bi bilo smisla u motoru), potrebno je da rad vanjskih sila bude manji od rada plina. Odnosno, graf cikličkog procesa u P-V koordinatama trebao bi imati oblik: zatvorena petlja s obilaskom u smjeru kazaljke na satu. Pod tim uvjetom rad plina (u dijelu grafikona gdje se volumen povećava) veći je od rada plina (u dijelu gdje se volumen smanjuje) (slika 4).

Riža. 4. Primjer grafa procesa koji se odvija u toplinskom stroju

Budući da je riječ o određenom mehanizmu, nužno je reći koja je njegova učinkovitost.

Definicija. Učinkovitost (koeficijent učinka) toplinskog stroja- omjer korisnog rada radnog fluida i količine topline prenesene na tijelo od grijača.

Ako uzmemo u obzir očuvanje energije: energija koja napušta grijač nigdje ne nestaje - dio se uklanja u obliku rada, ostatak ide u hladnjak:

Dobivamo:

Ovo je izraz za učinkovitost u dijelovima; ako trebate dobiti vrijednost učinkovitosti u postocima, morate dobiveni broj pomnožiti sa 100. Učinkovitost u SI mjernom sustavu je veličina bez dimenzija i, kao što se može vidjeti iz formule, ne može biti više od jednog (ili 100).

Također treba reći da se ovaj izraz naziva realna učinkovitost ili učinkovitost pravog toplinskog stroja (toplinskog stroja). Ako pretpostavimo da se nekako uspijemo potpuno riješiti nedostataka konstrukcije motora, tada ćemo dobiti idealan motor, a njegova učinkovitost će se izračunati pomoću formule za učinkovitost idealnog toplinskog stroja. Ovu formulu je dobio francuski inženjer Sadi Carnot (slika 5):

Moderne stvarnosti zahtijevaju široku upotrebu toplinskih motora. Brojni pokušaji da ih se zamijeni elektromotorima dosad su propali. Probleme povezane s akumulacijom električne energije u autonomnim sustavima teško je riješiti.

Problemi tehnologije proizvodnje električnih baterija, uzimajući u obzir njihovu dugotrajnu upotrebu, još uvijek su aktualni. Brzinske karakteristike električnih vozila daleko su od onih automobila s motorima s unutarnjim izgaranjem.

Prvi koraci za stvaranje hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u velegradovima, rješavajući ekološke probleme.

Malo povijesti

Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju gibanja bila je poznata još u antičko doba. 130. pr. Kr.: Filozof Heron iz Aleksandrije predstavio je publici parnu igračku - eolipile. Kugla ispunjena parom počela se okretati pod utjecajem mlaznica koje su izlazile iz nje. Ovaj prototip modernih parnih turbina nije bio korišten u to vrijeme.

Dugi niz godina i stoljeća, razvoj filozofa smatran je samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Talijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. Para je pokretala disk opremljen lopaticama.

Od tog trenutka počinje nagli razvoj parnih strojeva.

Toplotna mašina

Pretvorba goriva u energiju kretanja strojnih dijelova i mehanizama koristi se u toplinskim strojevima.

Glavni dijelovi strojeva: grijač (sustav za dobivanje energije izvana), radna tekućina (vrši korisnu radnju), hladnjak.

Grijač je dizajniran da osigura da radna tekućina akumulira dovoljnu zalihu unutarnje energije za obavljanje korisnog rada. Hladnjak uklanja višak energije.

Glavna karakteristika učinkovitosti naziva se učinkovitost toplinskih strojeva. Ova vrijednost pokazuje koliko se energije utrošene na grijanje troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća učinkovitost, to je profitabilniji rad stroja, ali ta vrijednost ne smije prijeći 100%.

Proračun učinkovitosti

Neka grijač dobije izvana energiju jednaku Q 1 . Radna tekućina izvršila je rad A, dok je energija predana hladnjaku iznosila Q2.

Na temelju definicije izračunavamo vrijednost učinkovitosti:

η= A / Q 1 . Uzmimo u obzir da je A = Q 1 - Q 2.

Dakle, učinkovitost toplinskog motora, čija je formula η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, omogućuje nam da izvučemo sljedeće zaključke:

• Učinkovitost ne može prijeći 1 (ili 100%);
• da bi se maksimizirala ova vrijednost, potrebno je ili povećati energiju primljenu od grijača ili smanjiti energiju koja se daje hladnjaku;
• povećanje energije grijača postiže se promjenom kvalitete goriva;
• Dizajnerske značajke motora mogu smanjiti energiju koja se daje hladnjaku.

Idealan toplinski motor

Je li moguće stvoriti motor čija bi učinkovitost bila maksimalna (idealno jednaka 100%)? Odgovor na to pitanje pokušao je pronaći francuski teorijski fizičar i talentirani inženjer Sadi Carnot. Godine 1824. objavljeni su njegovi teorijski proračuni o procesima koji se odvijaju u plinovima.

Glavna ideja svojstvena idealnom stroju može se smatrati izvođenjem reverzibilnih procesa s idealnim plinom. Počinjemo izotermno ekspandirati plin na temperaturi T 1 . Za to je potrebna količina topline Q 1. Nakon toga plin se širi bez izmjene topline.Dostigavši ​​temperaturu T 2 plin se izotermno sabija predajući energiju Q 2 hladnjaku. Plin se adijabatski vraća u prvobitno stanje.

Učinkovitost idealnog Carnotovog toplinskog stroja, kada se točno izračuna, jednaka je omjeru temperaturne razlike između uređaja za grijanje i hlađenje i temperature grijača. To izgleda ovako: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Moguća učinkovitost toplinskog stroja, čija je formula: η = 1 - T 2 / T 1, ovisi samo o temperaturama grijača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.

Štoviše, ovaj odnos nam omogućuje da dokažemo da učinkovitost toplinskih motora može biti jednaka jedinici samo kada hladnjak dosegne temperaturu. Kao što je poznato, ova vrijednost je nedostižna.

Carnotovi teorijski izračuni omogućuju određivanje maksimalne učinkovitosti toplinskog motora bilo kojeg dizajna.

Teorem koji je dokazao Carnot je sljedeći. Ni pod kojim uvjetima proizvoljni toplinski stroj ne može imati učinkovitost veću od iste vrijednosti učinkovitosti idealnog toplinskog stroja.

Primjer rješavanja problema

Primjer 1. Koliki je učinak idealnog toplinskog stroja ako je temperatura grijača 800 o C, a temperatura hladnjaka 500 o C niža?

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

Prema definiciji: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nije nam zadana temperatura hladnjaka, već ∆T= (T 1 - T 2), dakle:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Odgovor: Učinkovitost = 46%.

Primjer 2. Odredite stupanj djelovanja idealnog toplinskog stroja ako se zbog dobivenog jednog kilojoula energije grijača izvrši koristan rad od 650 J. Kolika je temperatura grijača toplinskog stroja ako je temperatura hladnjaka 400 K?

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

U ovom problemu govorimo o toplinskoj instalaciji čija se učinkovitost može izračunati pomoću formule:

Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za učinkovitost idealnog toplinskog stroja:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Nakon izvršenja matematičkih transformacija dobivamo:

T 1 = T 2 /(1- η).

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

Izračunajmo:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

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

Odgovor: η= 65%, T 1 = 1142,8 K.

Realni uvjeti

Idealni toplinski stroj dizajniran je imajući na umu idealne procese. Rad se odvija samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost je određena kao površina ograničena grafom Carnotovog ciklusa.

U stvarnosti je nemoguće stvoriti uvjete da se proces promjene stanja plina odvija bez popratnih promjena temperature. Ne postoje materijali koji bi isključili izmjenu topline s okolnim predmetima. Adijabatski proces postaje nemoguće provesti. U slučaju izmjene topline, temperatura plina mora se nužno promijeniti.

Učinkovitost toplinskih motora stvorenih u realnim uvjetima bitno se razlikuje od učinkovitosti idealnih motora. Imajte na umu da se procesi u stvarnim motorima odvijaju tako brzo da se promjena unutarnje toplinske energije radne tvari u procesu promjene volumena ne može kompenzirati dotokom topline iz grijača i prijenosom u hladnjak.

Ostali toplinski strojevi

Pravi motori rade u različitim ciklusima:

• Ottov ciklus: proces s konstantnim volumenom mijenja se adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
• Dieselov ciklus: izobarni, adijabatski, izohorni, adijabatski;
• proces koji se odvija pri konstantnom tlaku zamjenjuje se adijabatskim, čime se ciklus zatvara.

Suvremenom tehnologijom nije moguće stvoriti ravnotežne procese u stvarnim motorima (približiti ih idealnim). Učinkovitost toplinskih strojeva znatno je manja, čak i ako se uzmu u obzir isti temperaturni uvjeti kao u idealnoj toplinskoj instalaciji.

Ali uloga formule za izračun učinkovitosti ne bi trebala biti smanjena, jer upravo to postaje polazište u procesu rada na povećanju učinkovitosti stvarnih motora.

Načini promjene učinkovitosti

Kada se uspoređuju idealni i stvarni toplinski motori, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se prihvatiti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tekućine jednaka temperaturi ispušnih plinova u motorima, kao što je slučaj kod motora s unutarnjim izgaranjem (skraćeno ICE).

ICE je najčešći toplinski motor u našem svijetu. Učinkovitost toplinskog stroja u ovom slučaju ovisi o temperaturi koju stvara izgaranje goriva. Značajna razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i parnih strojeva je spajanje funkcija grijača i radnog fluida uređaja u smjesi zrak-gorivo. Kako smjesa izgara, stvara pritisak na pokretne dijelove motora.

Postiže se povećanje temperature radnih plinova, čime se značajno mijenjaju svojstva goriva. Nažalost, to se ne može raditi unedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima svoje talište. Toplinska otpornost takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i mogućnost značajnog utjecaja na učinkovitost.

Vrijednosti učinkovitosti motora

Ako uzmemo u obzir temperaturu radne pare na ulazu koja je 800 K, a ispušni plin - 300 K, tada je učinkovitost ovog stroja 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Ovo smanjenje nastaje zbog gubitaka topline pri zagrijavanju kućišta turbine.

Najveća vrijednost unutarnjeg izgaranja ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti stvar je bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala i goriva problem je na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.

Od davnina su ljudi pokušavali energiju pretvoriti u mehanički rad. Preračunali su kinetičku energiju vjetra, potencijalnu energiju vode itd. Početkom 18. stoljeća počinju se pojavljivati ​​strojevi koji pretvaraju unutarnju energiju goriva u rad. Takvi su strojevi radili zahvaljujući toplinskim motorima.

Toplinski stroj je uređaj koji pretvara toplinsku energiju u mehanički rad uslijed širenja (najčešće plinova) uslijed visoke temperature.

Svaki toplinski motor ima sljedeće komponente:

• Grijaći element. Tijelo s visokom temperaturom u odnosu na okolinu.
• Radna tekućina. Budući da ekspanzija osigurava posao, ovaj bi se element trebao dobro proširiti. Obično se koristi plin ili para.
• hladnjak. Tijelo s niskom temperaturom.

Radni fluid dobiva toplinsku energiju od grijača. Kao rezultat toga, počinje se širiti i raditi. Da bi sustav mogao ponovno raditi potrebno ga je vratiti u prvobitno stanje. Zbog toga se radni fluid hladi, odnosno višak toplinske energije se, takoreći, baca u rashladni element. I sustav se vraća u prvobitno stanje, zatim se proces ponovno ponavlja.

Proračun učinkovitosti

Za izračun učinkovitosti uvodimo sljedeću oznaku:

Q 1 – Količina topline primljena od grijaćeg elementa

A’– Rad radnog fluida

Q 2 – Količina topline koju radni fluid prima od hladnjaka

Tijekom procesa hlađenja tijelo predaje toplinu, pa je Q 2< 0.

Rad takvog uređaja je ciklički proces. To znači da će se unutarnja energija nakon završetka punog ciklusa vratiti u svoje izvorno stanje. Tada će prema prvom zakonu termodinamike rad radnog fluida biti jednak razlici količine topline primljene od grijača i topline primljene od hladnjaka:

Q 2 je negativna vrijednost, pa se uzima modulo

Učinkovitost se izražava kao omjer korisnog rada i ukupnog rada koji sustav obavlja. U tom će slučaju ukupni rad biti jednak količini topline koja se troši na zagrijavanje radnog fluida. Sva potrošena energija izražava se kroz Q 1.

Glavno značenje formule (5.12.2) koju je dobio Carnot za učinkovitost idealnog stroja je da ona određuje najveću moguću učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja.

Carnot je dokazao, na temelju drugog zakona termodinamike*, sljedeći teorem: bilo koji pravi toplinski stroj koji radi s temperaturnim grijačemT 1 i temperaturu hladnjakaT 2 , ne može imati učinkovitost koja premašuje učinkovitost idealnog toplinskog stroja.

* Carnot je zapravo uspostavio drugi zakon termodinamike prije Clausiusa i Kelvina, kada prvi zakon termodinamike još nije bio striktno formuliran.

Razmotrimo prvo toplinski stroj koji radi u reverzibilnom ciklusu sa stvarnim plinom. Ciklus može biti bilo kakav, bitno je samo da su temperature grijača i hladnjaka T 1 I T 2 .

Pretpostavimo da je učinkovitost drugog toplinskog stroja (koji ne radi prema Carnotovom ciklusu) η ’ > η . Strojevi rade sa zajedničkim grijačem i zajedničkim hladnjakom. Neka Carnotov stroj radi u obrnutom ciklusu (poput rashladnog stroja), a drugi neka radi u naprijed (sl. 5.18). Toplinski stroj obavlja rad jednak, prema formulama (5.12.3) i (5.12.5):

Rashladni stroj se uvijek može konstruirati tako da preuzima količinu topline iz hladnjaka Q 2 = ||

Tada će se prema formuli (5.12.7) raditi na njemu

(5.12.12)

Budući da prema uvjetu η" > η , Da A" > A. Dakle, toplinski stroj može pokretati rashladni stroj, a višak posla će i dalje ostati. Ovaj višak rada obavlja toplina preuzeta iz jednog izvora. Uostalom, toplina se ne prenosi u hladnjak kada dva stroja rade odjednom. Ali to je u suprotnosti s drugim zakonom termodinamike.

Ako pretpostavimo da je η > η ", tada možete natjerati drugi stroj da radi u obrnutom ciklusu, a Carnotov stroj u ravnoj liniji. Opet ćemo doći u kontradikciju s drugim zakonom termodinamike. Prema tome, dva stroja koji rade na reverzibilnim ciklusima imaju istu učinkovitost: η " = η .

Druga je stvar ako drugi stroj radi u nepovratnom ciklusu. Ako pretpostavimo η " > η , tada ćemo opet doći u kontradikciju s drugim zakonom termodinamike. Međutim, pretpostavka 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, ili

Ovo je glavni rezultat:

(5.12.13)

Učinkovitost pravih toplinskih strojeva

Formula (5.12.13) daje teoretsku granicu za maksimalnu učinkovitost toplinskih motora. To pokazuje da je toplinski stroj učinkovitiji što je viša temperatura grijača, a niža temperatura hladnjaka. Samo pri temperaturi hladnjaka jednakoj apsolutnoj nuli η = 1.

Ali temperatura hladnjaka praktički ne može biti mnogo niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, bilo koji materijal (krutina) ima ograničenu otpornost na toplinu ili otpornost na toplinu. Kada se zagrijava, postupno gubi elastična svojstva i topi se na dovoljno visokoj temperaturi.

Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje učinkovitosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog nepotpunog izgaranja itd. Stvarne mogućnosti za povećanje učinkovitosti ovdje i dalje ostaju velike. Dakle, za parnu turbinu, početna i konačna temperatura pare su približno sljedeće: T 1 = 800 K i T 2 = 300 K. Na ovim temperaturama maksimalna vrijednost učinkovitosti je:

Stvarna vrijednost učinkovitosti zbog različitih vrsta gubitaka energije je približno 40%. Maksimalnu učinkovitost - oko 44% - postižu motori s unutarnjim izgaranjem.

Učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja ne može prijeći najveću moguću vrijednost
, gdje je T 1 - apsolutna temperatura grijača i T 2 - apsolutna temperatura hladnjaka.

Povećanje učinkovitosti toplinskih strojeva i približavanje maksimalnoj mogućoj- najvažniji tehnički izazov.

U teoretskom modelu toplinskog stroja razmatraju se tri tijela: grijač, radna tekućina I hladnjak.

Grijač – toplinski spremnik (veliko tijelo), čija je temperatura stalna.

U svakom ciklusu rada motora radna tekućina prima određenu količinu topline od grijača, širi se i vrši mehanički rad. Prijenos dijela energije primljene od grijača do hladnjaka neophodan je za vraćanje radnog fluida u prvobitno stanje.

Budući da model pretpostavlja da se temperatura grijača i hladnjaka ne mijenja tijekom rada toplinskog stroja, tada se po završetku ciklusa: grijanje-ekspanzija-hlađenje-kompresija radnog fluida smatra da se stroj vraća u prvobitno stanje.

Za svaki ciklus, na temelju prvog zakona termodinamike, možemo napisati da je količina topline Q toplina primljena od grijača, količina topline | Q hladno| dato hladnjaku, a rad radnog tijela A međusobno su povezani relacijom:

A = Q toplina – | Q hladno|.

U pravim tehničkim uređajima, koji se nazivaju toplinski strojevi, radni fluid se zagrijava toplinom koja se oslobađa pri izgaranju goriva. Dakle, u parnoj turbini elektrane grijač je peć s vrućim ugljenom. Kod motora s unutarnjim izgaranjem (ICE) produkti izgaranja mogu se smatrati grijačem, a višak zraka radnim fluidom. Kao hladnjak koriste atmosferski zrak ili vodu iz prirodnih izvora.

Učinkovitost toplinskog motora (stroja)

Učinkovitost toplinskog motora (učinkovitost) je omjer rada motora i količine topline primljene od grijača:

Učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja manja je od jedinice i izražava se u postocima. Nemogućnost pretvaranja cjelokupne količine topline primljene od grijača u mehanički rad cijena je za potrebu organiziranja cikličkog procesa i proizlazi iz drugog zakona termodinamike.

U stvarnim toplinskim strojevima učinkovitost je određena eksperimentalnom mehaničkom snagom N motora i količine goriva izgorjelog u jedinici vremena. Dakle, ako na vrijeme t masa izgorjelog goriva m i specifična toplina izgaranja q, To

Za vozila je referentna karakteristika često volumen V spaljeno gorivo na putu s pri mehaničkoj snazi ​​motora N i na brzinu. U ovom slučaju, uzimajući u obzir gustoću r goriva, možemo napisati formulu za izračun učinkovitosti:

Drugi zakon termodinamike

Postoji nekoliko formulacija drugi zakon termodinamike. Jedna od njih kaže da je nemoguć toplinski stroj koji bi radio samo zahvaljujući izvoru topline, tj. bez hladnjaka. Svjetski ocean mogao bi joj poslužiti kao praktički neiscrpan izvor unutarnje energije (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901.).

Ostale formulacije drugog zakona termodinamike ekvivalentne su ovoj.

Clausiusova formulacija(1850): nemoguć je proces u kojem bi toplina spontano prelazila s manje zagrijanih tijela na više zagrijana tijela.

Thomsonova formulacija(1851): nemoguć je kružni proces čiji bi jedini rezultat bila proizvodnja rada smanjenjem unutarnje energije toplinskog spremnika.

Clausiusova formulacija(1865): svi spontani procesi u zatvorenom neravnotežnom sustavu odvijaju se u smjeru u kojem se povećava entropija sustava; u stanju toplinske ravnoteže je maksimalan i konstantan.

Boltzmannova formulacija(1877): zatvoreni sustav mnogih čestica spontano prelazi iz uređenijeg stanja u manje uređeno. Sustav ne može spontano napustiti svoj ravnotežni položaj. Boltzmann je uveo kvantitativnu mjeru nereda u sustavu koji se sastoji od mnogo tijela - entropija.

Učinkovitost toplinskog stroja s idealnim plinom kao radnim fluidom

Ako je zadan model radnog fluida u toplinskom stroju (npr. idealni plin), tada je moguće izračunati promjenu termodinamičkih parametara radnog fluida tijekom širenja i kompresije. To omogućuje izračunavanje učinkovitosti toplinskog stroja na temelju zakona termodinamike.

Na slici su prikazani ciklusi za koje se može izračunati učinkovitost ako je radni fluid idealan plin, a parametri su navedeni na prijelazima jednog termodinamičkog procesa u drugi.

Carnotov ciklus. Učinkovitost idealnog toplinskog stroja

Najveća učinkovitost pri zadanim temperaturama grijača T grijač i hladnjak T dvorana ima toplinski stroj, gdje se radna tekućina širi i skuplja prema Carnotov ciklus(Sl. 2), čiji se graf sastoji od dvije izoterme (2–3 i 4–1) i dvije adijabate (3–4 i 1–2).

Carnotov teorem dokazuje da učinkovitost takvog motora ne ovisi o korištenom radnom fluidu, pa se može izračunati pomoću termodinamičkih odnosa za idealni plin:

Ekološke posljedice toplinskih strojeva

Intenzivna uporaba toplinskih strojeva u prometu i energetici (termo i nuklearne elektrane) značajno utječe na biosferu Zemlje. Iako postoje znanstveni sporovi o mehanizmima utjecaja ljudske aktivnosti na klimu na Zemlji, mnogi znanstvenici ističu čimbenike zbog kojih do takvog utjecaja može doći:

1. Efekt staklenika je povećanje koncentracije ugljičnog dioksida (produkt izgaranja u grijačima toplinskih motora) u atmosferi. Ugljični dioksid propušta vidljivo i ultraljubičasto zračenje Sunca, ali apsorbira infracrveno zračenje Zemlje u svemir. To dovodi do porasta temperature nižih slojeva atmosfere, pojačanih uraganskih vjetrova i globalnog otapanja leda.
2. Izravan utjecaj toksičnih ispušnih plinova na biljni i životinjski svijet (karcinogeni, smog, kisele kiše iz nusproizvoda izgaranja).
3. Uništavanje ozonskog omotača tijekom letova zrakoplova i lansiranja raketa. Ozon u gornjim slojevima atmosfere štiti sav život na Zemlji od prekomjernog ultraljubičastog zračenja Sunca.

Izlaz iz novonastale ekološke krize leži u povećanju učinkovitosti toplinskih strojeva (učinkovitost suvremenih toplinskih strojeva rijetko prelazi 30%); korištenje ispravnih motora i neutralizatora štetnih ispušnih plinova; korištenje alternativnih izvora energije (solarni paneli i grijalice) i alternativnih prijevoznih sredstava (bicikli i sl.).