열기관 효율. 열기관 효율 - 결정 공식. 열 엔진. 열역학 제2법칙 열기관의 열효율 유형

이번 수업의 주제는 이전 수업에서처럼 열기관 장치와 같이 추상적이지 않고 매우 구체적으로 발생하는 프로세스를 고려하는 것입니다. 우리는 그러한 기계를 정의하고 주요 구성 요소와 작동 원리를 설명합니다. 또한 이 수업에서는 열 엔진의 실제 효율성 요소와 가능한 최대 효율성 요소인 효율성을 찾는 문제를 고려할 것입니다.

주제: 열역학의 기초
교훈: 열기관의 작동 방식

지난 수업의 주제는 열역학 제1법칙이었습니다. 이는 가스의 일부로 전달된 일정량의 열과 팽창하는 동안 이 가스가 한 일 사이의 관계를 명시했습니다. 그리고 이제 이 공식이 일부 이론적 계산뿐만 아니라 실제 적용에도 관심이 있다고 말할 때가 왔습니다. 왜냐하면 가스 작업은 열 엔진을 사용할 때 추출하는 유용한 작업에 지나지 않기 때문입니다.

정의. 열기관- 연료의 내부 에너지가 기계적 일로 변환되는 장치(그림 1).

쌀. 1. 열기관의 다양한 예 (), ()

그림에서 볼 수 있듯이 열 엔진은 위의 원리에 따라 작동하는 모든 장치이며 설계가 매우 단순한 것부터 매우 복잡한 것까지 다양합니다.

예외 없이 모든 열 엔진은 기능적으로 세 가지 구성 요소로 나뉩니다(그림 2 참조).

• 히터
• 작동유체
• 냉장고

쌀. 2. 열기관의 기능도 ()

히터는 연소 중에 많은 양의 열을 가스에 전달하여 고온으로 가열하는 연료 연소 과정입니다. 작동 유체인 뜨거운 가스는 온도 증가로 인해 팽창하고 결과적으로 압력이 증가하여 작업을 수행합니다. 물론 엔진 본체, 주변 공기 등과의 열 전달은 항상 있기 때문에 작업은 전달된 열과 수치적으로 동일하지 않습니다. 에너지의 일부는 일반적으로 환경인 냉장고로 이동합니다. .

진행되는 과정을 상상하는 가장 쉬운 방법은 움직이는 피스톤 아래의 단순한 실린더(예: 내연 기관의 실린더)에서입니다. 당연히 엔진이 작동하고 의미를 가지려면 프로세스가 일회성이 아닌 주기적으로 발생해야 합니다. 즉, 팽창할 때마다 가스는 원래 위치로 돌아가야 합니다(그림 3).

쌀. 3. 열기관의 순환작동 예 ()

가스가 초기 위치로 돌아가려면 가스에 대한 일부 작업(외력의 작업)이 수행되어야 합니다. 그리고 가스의 작업은 반대 기호가 있는 가스에 대한 작업과 동일하므로 가스가 전체 사이클에 걸쳐 총 긍정적인 작업을 수행하려면(그렇지 않으면 엔진에 아무런 의미가 없습니다) 외부 힘의 일은 가스의 일보다 작습니다. 즉, P-V 좌표의 순환 프로세스 그래프는 시계 방향으로 순회하는 폐쇄 루프 형식을 가져야 합니다. 이 조건에서 기체가 한 일(그래프에서 부피가 증가하는 부분)은 기체가 한 일(부피가 감소하는 부분)보다 더 큽니다(그림 4).

쌀. 4. 열기관에서 일어나는 과정 그래프의 예

우리는 특정 메커니즘에 대해 이야기하고 있으므로 그 효율성이 무엇인지 말하는 것이 필수적입니다.

정의. 열기관의 효율(성능계수)- 히터에서 본체로 전달되는 열량에 대한 작동 유체에 의해 수행되는 유용한 작업의 비율입니다.

에너지 보존을 고려하면 히터에서 나가는 에너지는 어디에서나 사라지지 않습니다. 일부는 작업 형태로 제거되고 나머지는 냉장고로 이동합니다.

우리는 다음을 얻습니다:

이는 부분별 효율성에 대한 표현입니다. 효율성 값을 퍼센트로 구하려면 결과 값에 100을 곱해야 합니다. SI 측정 시스템의 효율성은 무차원 수량이며 공식에서 볼 수 있듯이 1개(또는 100개) 이상이어야 합니다.

이 표현을 실제 효율 또는 실제 열기관(열기관)의 효율이라고 부르기도 합니다. 어떻게 든 엔진 설계의 단점을 완전히 없앨 수 있다고 가정하면 이상적인 엔진을 얻을 수 있으며 그 효율성은 이상적인 열 엔진의 효율 공식을 사용하여 계산됩니다. 이 공식은 프랑스 엔지니어 Sadi Carnot에 의해 얻어졌습니다(그림 5).

현대 현실에서는 열 엔진의 광범위한 사용이 필요합니다. 이를 전기 모터로 교체하려는 수많은 시도는 지금까지 실패했습니다. 자율 시스템의 전기 축적과 관련된 문제는 해결하기 어렵습니다.

장기간 사용을 고려한 전력 배터리 제조 기술의 문제는 여전히 관련이 있습니다. 전기 자동차의 속도 특성은 내연 기관 자동차의 속도 특성과 거리가 멀습니다.

하이브리드 엔진을 만드는 첫 번째 단계는 대도시의 유해한 배출을 크게 줄여 환경 문제를 해결할 수 있습니다.

약간의 역사

증기 에너지를 운동 에너지로 변환하는 가능성은 고대부터 알려져 있었습니다. 기원전 130년: 철학자 알렉산드리아의 헤론(Heron of Alexandria)이 증기 장난감인 에어리파일(aeolipile)을 청중에게 선보였습니다. 증기로 채워진 구체는 거기서 나오는 제트의 영향으로 회전하기 시작했습니다. 이 현대식 증기 터빈의 원형은 당시에는 사용되지 않았습니다.

수년과 수세기 동안 철학자의 발전은 단지 재미있는 장난감으로 간주되었습니다. 1629년에 이탈리아의 D. Branchi가 능동 터빈을 만들었습니다. 증기는 블레이드가 장착된 디스크를 구동했습니다.

그 순간부터 증기기관의 급속한 발전이 시작되었습니다.

열기관

연료를 기계 부품 및 메커니즘의 운동 에너지로 변환하는 것은 열 엔진에 사용됩니다.

기계의 주요 부품: 히터(외부에서 에너지를 얻는 시스템), 작동 유체(유용한 작업 수행), 냉장고.

히터는 작동 유체가 유용한 작업을 수행하기에 충분한 내부 에너지 공급을 축적하도록 설계되었습니다. 냉장고는 과도한 에너지를 제거합니다.

효율성의 주요 특징을 열기관의 효율성이라고 합니다. 이 값은 난방에 소비되는 에너지의 양이 유용한 작업을 수행하는 데 소비되는 양을 보여줍니다. 효율성이 높을수록 기계 작동의 수익성이 높아지지만 이 값은 100%를 초과할 수 없습니다.

효율성 계산

히터가 Q 1 과 동일한 에너지를 외부로부터 획득한다고 가정합니다. 작동유체는 A일을 수행한 반면, 냉장고에 주어진 에너지는 Q2에 해당한다.

정의에 따라 효율성 값을 계산합니다.

θ= A / Q 1 . A = Q1 - Q2를 고려해보자.

따라서 공식 eta = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1인 열 엔진의 효율을 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있습니다.

• 효율성은 1(또는 100%)을 초과할 수 없습니다.
• 이 값을 최대화하려면 히터에서 받는 에너지를 늘리거나 냉장고에 제공되는 에너지를 줄여야 합니다.
• 연료의 품질을 변경하면 히터 에너지가 증가합니다.
• 엔진의 설계 특징은 냉장고에 제공되는 에너지를 줄일 수 있습니다.

이상적인 열기관

효율이 최대(이상적으로는 100%)인 엔진을 만드는 것이 가능합니까? 프랑스의 이론 물리학자이자 재능 있는 엔지니어인 Sadi Carnot은 이 질문에 대한 답을 찾으려고 노력했습니다. 1824년에 기체에서 일어나는 과정에 대한 그의 이론적 계산이 공개되었습니다.

이상적인 기계에 내재된 주요 아이디어는 이상적인 가스를 사용하여 가역적 과정을 수행하는 것으로 간주할 수 있습니다. 우리는 온도 T 1 에서 가스를 등온적으로 팽창시키는 것부터 시작합니다. 이에 필요한 열량은 Q1이며, 이후 가스는 열 교환 없이 팽창하며, 온도 T2에 도달하면 가스는 등온 압축되어 에너지 Q2를 냉장고로 전달합니다. 가스는 단열적으로 원래 상태로 돌아갑니다.

이상적인 카르노 열기관의 효율은 정확하게 계산하면 가열 장치와 냉각 장치 사이의 온도 차이와 히터 온도의 비율과 같습니다. 이는 다음과 같습니다: eta=(T 1 - T 2)/ T 1.

열 엔진의 가능한 효율(공식: eta = 1 - T 2 / T 1)은 히터와 냉각기의 온도에만 의존하며 100%를 초과할 수 없습니다.

더욱이, 이 관계를 통해 우리는 열기관의 효율이 냉장고가 온도에 도달할 때만 1과 동일할 수 있음을 증명할 수 있습니다. 알려진 바와 같이, 이 값은 달성할 수 없습니다.

카르노의 이론적 계산을 통해 모든 설계의 열기관의 최대 효율을 결정할 수 있습니다.

카르노가 증명한 정리는 다음과 같습니다. 어떤 상황에서도 임의의 열기관은 이상적인 열기관의 동일한 효율 값보다 더 큰 효율을 가질 수 없습니다.

문제 해결의 예

예시 1. 히터 온도가 800oC이고 냉장고 온도가 500oC 더 낮다면 이상적인 열기관의 효율은 얼마입니까?

T 1 = 800oC = 1073K, ΔT = 500oC = 500K, eta - ?

정의에 따르면: eta=(T 1 - T 2)/ T 1.

냉장고의 온도는 주어지지 않았지만 ΔT= (T 1 - T 2), 따라서:

θ= ΔT / T 1 = 500K/1073K = 0.46.

답: 효율성 = 46%.

예시 2. 획득한 1킬로줄의 히터 에너지로 인해 650J의 유용한 일이 수행되면 이상적인 열기관의 효율을 결정합니다. 냉각기 온도가 400K인 경우 열기관 히터의 온도는 얼마입니까?

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

이 문제에서 우리는 열 설비에 대해 이야기하고 있으며 그 효율은 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

히터 온도를 결정하기 위해 이상적인 열 엔진의 효율 공식을 사용합니다.

eta = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

수학적 변환을 수행한 후 다음을 얻습니다.

T 1 = T 2 /(1- eta).

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

계산해보자:

θ= 650J/1000J = 0.65.

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

답: eta= 65%, T 1 = 1142.8K.

실제 상황

이상적인 열 엔진은 이상적인 프로세스를 염두에 두고 설계되었습니다. 일은 등온 과정에서만 수행되며 그 값은 카르노 사이클 그래프에 의해 제한되는 영역으로 결정됩니다.

현실적으로 온도 변화를 수반하지 않고 기체의 상태 변화 과정이 일어나도록 조건을 만드는 것은 불가능하다. 주변 물체와의 열교환을 배제하는 재료는 없습니다. 단열 과정을 수행하는 것이 불가능해집니다. 열 교환의 경우 가스 온도가 반드시 변해야 합니다.

실제 조건에서 생성된 열기관의 효율은 이상적인 엔진의 효율과 크게 다릅니다. 실제 엔진의 프로세스는 너무 빨리 발생하므로 부피를 변경하는 과정에서 작동 물질의 내부 열에너지 변화가 히터에서 유입되어 냉장고로 전달되는 열에 의해 보상될 수 없습니다.

기타 열기관

실제 엔진은 다양한 주기로 작동합니다.

• 오토 사이클(Otto Cycle): 단열적으로 일정한 부피 변화를 갖는 프로세스로, 폐쇄 사이클을 생성합니다.
• 디젤 사이클: 등압선, 단열, 등압선, 단열;
• 일정한 압력에서 발생하는 공정은 단열 공정으로 대체되어 사이클이 종료됩니다.

현대 기술 하에서 실제 엔진에서 평형 프로세스를 생성하는 것(이상적인 엔진에 더 가깝게 만드는 것)은 불가능합니다. 이상적인 열 설비와 동일한 온도 조건을 고려하더라도 열 엔진의 효율은 상당히 낮습니다.

그러나 효율 계산 공식의 역할을 축소해서는 안 됩니다. 왜냐하면 이것이 실제 엔진의 효율을 높이기 위한 작업 과정의 출발점이 되기 때문입니다.

효율성을 바꾸는 방법

이상적인 열 엔진과 실제 열 엔진을 비교할 때 후자의 냉장고 온도가 전혀 될 수 없다는 점에 주목할 가치가 있습니다. 일반적으로 대기는 냉장고로 간주됩니다. 대기 온도는 대략적인 계산에서만 허용됩니다. 경험에 따르면 냉각수 온도는 내연 기관(ICE로 약칭)의 경우와 마찬가지로 엔진의 배기 가스 온도와 동일합니다.

ICE는 우리 세계에서 가장 일반적인 열 엔진입니다. 이 경우 열기관의 효율은 연료 연소에 의해 생성되는 온도에 따라 달라집니다. 내연 기관과 증기 기관의 중요한 차이점은 공기-연료 혼합물에서 히터 기능과 장치 작동 유체의 병합입니다. 혼합물이 연소되면서 엔진의 움직이는 부분에 압력이 발생합니다.

작동 가스의 온도가 상승하여 연료의 특성이 크게 변경됩니다. 불행하게도 이 작업은 무한정 수행될 수 없습니다. 엔진의 연소실을 구성하는 모든 재료에는 고유한 녹는점이 있습니다. 이러한 재료의 내열성은 엔진의 주요 특징이자 효율성에 큰 영향을 미치는 능력입니다.

모터 효율 값

입구의 작동 증기 온도가 800K이고 배기 가스가 300K인 경우 이 기계의 효율은 62%입니다. 실제로 이 값은 40%를 넘지 않습니다. 이러한 감소는 터빈 케이싱을 가열할 때 열 손실로 인해 발생합니다.

내부 연소의 최고 값은 44%를 초과하지 않습니다. 이 값을 높이는 것은 가까운 미래의 문제입니다. 재료와 연료의 특성을 바꾸는 것은 인류 최고의 정신이 연구하고 있는 문제입니다.

고대부터 사람들은 에너지를 기계적인 일로 변환하려고 노력해 왔습니다. 그들은 바람의 운동에너지, 물의 위치에너지 등을 변환했습니다. 18세기부터 연료의 내부 에너지를 일로 변환하는 기계가 등장하기 시작했습니다. 이러한 기계는 열 엔진 덕분에 작동했습니다.

열기관은 고온으로 인한 팽창(주로 가스)으로 인해 열에너지를 기계적 일로 변환하는 장치입니다.

모든 열 엔진에는 다음과 같은 구성 요소가 있습니다.

• 발열체. 주변 환경에 비해 온도가 높은 신체입니다.
• 작동유체.확장이 작업을 제공하므로 이 요소는 잘 확장되어야 합니다. 일반적으로 가스나 증기가 사용됩니다.
• 냉각기. 체온이 낮은 몸.

작동유체는 히터로부터 열에너지를 받습니다. 결과적으로 확장되고 작업이 시작됩니다. 시스템이 다시 작업을 수행하려면 원래 상태로 돌아가야 합니다. 따라서 작동 유체가 냉각됩니다. 즉, 과도한 열에너지가 그대로 냉각 요소에 버려집니다. 그리고 시스템은 원래 상태로 돌아가고 프로세스가 다시 반복됩니다.

효율성 계산

효율성을 계산하기 위해 다음 표기법을 도입합니다.

Q 1 – 발열체로부터 받는 열량

A' – 작동유체가 하는 일

Q 2 – 냉각기로부터 작동 유체가 받는 열의 양

냉각 과정에서 신체는 열을 전달하므로 Q 2< 0.

이러한 장치의 작동은 순환 프로세스입니다. 이는 전체 사이클이 완료된 후 내부 에너지가 원래 상태로 돌아간다는 것을 의미합니다. 그러면 열역학 제1법칙에 따라 작동 유체가 한 일은 히터에서 받는 열량과 냉각기에서 받는 열량의 차이와 같습니다.

Q 2는 음수 값이므로 모듈로 사용됩니다.

효율성은 시스템이 수행하는 전체 작업에 대한 유용한 작업의 비율로 표현됩니다. 이 경우 총 작업량은 작동 유체를 가열하는 데 소비되는 열량과 같습니다. 소비된 모든 에너지는 Q1을 통해 표현됩니다.

이상적인 기계의 효율성에 대해 Carnot이 얻은 공식(5.12.2)의 주요 의미는 모든 열 엔진의 가능한 최대 효율성을 결정한다는 것입니다.

카르노는 열역학 제2법칙*에 기초하여 다음 정리를 증명했습니다. 온도 히터로 작동하는 실제 열 엔진티 1 그리고 냉장고 온도티 2 , 이상적인 열기관의 효율을 초과하는 효율을 가질 수 없습니다.

* 카르노는 실제로 열역학 제1법칙이 아직 엄격하게 공식화되지 않았던 클라우지우스(Clausius)와 켈빈(Kelvin) 이전에 열역학 제2법칙을 확립했습니다.

먼저 실제 가스를 사용하여 가역 사이클로 작동하는 열 엔진을 고려해 보겠습니다. 주기는 무엇이든 될 수 있습니다. 히터와 냉장고의 온도만 중요합니다. 티 1 그리고 티 2 .

(카르노 사이클에 따라 작동하지 않는) 다른 열기관의 효율 θ ’ > η . 기계는 공용 히터와 공용 냉장고로 작동합니다. 카르노 기계는 (냉동 기계처럼) 역행 사이클로 작동하고, 다른 기계는 전진 사이클로 작동하게 합니다(그림 5.18). 열기관은 공식 (5.12.3)과 (5.12.5)에 따라 다음과 같은 일을 수행합니다.

냉동기는 항상 냉장고의 열량을 흡수하도록 설계될 수 있습니다. 큐 2 = ||

그런 다음 공식 (5.12.7)에 따라 작업이 수행됩니다.

(5.12.12)

조건에 따라 eta" > eta , 저것 아" > 아.따라서 열기관은 냉동기를 구동할 수 있으며, 여전히 과도한 작업이 남아 있을 것입니다. 이 초과 작업은 한 소스에서 가져온 열에 의해 수행됩니다. 결국 두 대의 기계가 동시에 작동하면 열이 냉장고로 전달되지 않습니다. 그러나 이는 열역학 제2법칙에 위배된다.

eta > eta라고 가정하면 ", 그런 다음 다른 기계가 역방향 사이클로 작동하도록 하고 Carnot 기계가 순방향 사이클로 작동하도록 할 수 있습니다. 우리는 다시 열역학 제2법칙과 모순에 직면하게 될 것입니다. 결과적으로 가역 사이클에서 작동하는 두 기계는 동일한 효율성을 갖습니다. " = η .

두 번째 기계가 되돌릴 수 없는 주기로 작동하는 경우는 다른 문제입니다. 를 가정하면 " > η , 그러면 우리는 다시 열역학 제2법칙과 모순되게 될 것입니다. 그러나 가정 t|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ eta, 또는

주요 결과는 다음과 같습니다.

(5.12.13)

실제 열기관의 효율성

공식(5.12.13)은 열기관의 최대 효율 값에 대한 이론적 한계를 제공합니다. 히터의 온도가 높을수록, 냉장고의 온도가 낮을수록 열기관의 효율이 높아지는 것을 보여줍니다. 절대 영도와 동일한 냉장고 온도에서만 eta = 1입니다.

그러나 냉장고의 온도는 실제로 주변 온도보다 훨씬 낮을 수 없습니다. 히터 온도를 높일 수 있습니다. 그러나 어떤 재료(고체)라도 내열성, 즉 내열성이 제한되어 있습니다. 가열하면 점차 탄성을 잃고 충분히 높은 온도에서는 녹습니다.

이제 엔지니어의 주요 노력은 부품의 마찰, 불완전 연소로 인한 연료 손실 등을 줄여 엔진의 효율성을 높이는 것입니다. 여기에서 효율성을 높일 수 있는 실제 기회는 여전히 큽니다. 따라서 증기 터빈의 경우 초기 및 최종 증기 온도는 대략 다음과 같습니다. 티 1 = 800K 및 티 2 = 300K. 이 온도에서 최대 효율 값은 다음과 같습니다.

다양한 유형의 에너지 손실로 인한 실제 효율 값은 약 40%입니다. 최대 효율(약 44%)은 내연기관을 통해 달성됩니다.

열기관의 효율은 가능한 최대값을 초과할 수 없습니다.
, 여기서 T 1 - 히터의 절대 온도, T 2 - 냉장고의 절대 온도.

열기관의 효율을 높이고 최대치에 가깝게 만듭니다.- 가장 중요한 기술적 과제.

열기관의 이론적 모델에서는 세 가지 몸체가 고려됩니다. 히터, 작동유체그리고 냉장고.

히터 – 온도가 일정한 열 저장소(대형 몸체)입니다.

엔진 작동의 각 사이클에서 작동 유체는 히터로부터 일정량의 열을 받아 팽창하고 기계적 작업을 수행합니다. 작동 유체를 원래 상태로 되돌리려면 히터에서 받은 에너지의 일부를 냉장고로 전달하는 것이 필요합니다.

모델은 열기관 작동 중에 히터와 냉장고의 온도가 변하지 않는다고 가정하므로 작동 유체의 가열-팽창-냉각-압축 사이클이 완료되면 기계가 복귀하는 것으로 간주됩니다. 원래 상태로.

열역학 제1법칙에 따라 각 사이클마다 열의 양은 다음과 같이 쓸 수 있습니다. 큐히터로부터 받은 열량, 열량 | 큐추위|냉장고에 주어지는 작업과 작업체에서 하는 일 ㅏ다음과 같은 관계로 서로 관련되어 있습니다.

ㅏ = 큐열 – | 큐추위|.

열기관이라고 불리는 실제 기술 장치에서는 연료 연소 중에 방출되는 열에 의해 작동 유체가 가열됩니다. 따라서 발전소의 증기 터빈에서 히터는 뜨거운 석탄을 사용하는 용광로입니다. 내연 기관(ICE)에서 연소 생성물은 히터로 간주될 수 있으며, 과잉 공기는 작동 유체로 간주될 수 있습니다. 그들은 대기 공기나 천연 자원의 물을 냉장고로 사용합니다.

열기관(기계)의 효율

열기관 효율 (능률)는 히터로부터 받은 열량에 대한 엔진이 행한 일의 비율입니다.

모든 열기관의 효율은 1보다 작으며 백분율로 표시됩니다. 히터에서 받은 열의 전체 양을 기계적 작업으로 변환할 수 없다는 것은 순환 과정을 구성해야 하는 비용을 지불하는 대가이며 열역학 제2법칙을 따릅니다.

실제 열기관에서 효율은 실험적인 기계적 힘에 의해 결정됩니다. N엔진과 단위 시간당 연소되는 연료의 양. 그러니 시간이 되면 티연소된 연료의 질량 중연소의 비열 큐, 저것

차량의 경우 참조 특성은 종종 볼륨입니다. V가는 길에 연료를 태웠어요 에스기계식 엔진 출력에서 N그리고 속도로. 이 경우 연료의 밀도 r을 고려하여 효율을 계산하는 공식을 작성할 수 있습니다.

열역학 제2법칙

여러 제형이 있는데 열역학 제2법칙. 그 중 하나는 열원에 의해서만 작동하는 열기관을 갖는 것이 불가능하다고 말합니다. 냉장고 없음. 세계의 바다는 그에게 실질적으로 고갈되지 않는 내부 에너지 공급원 역할을 할 수 있습니다(Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

열역학 제2법칙의 다른 공식은 이것과 동일합니다.

클라우지우스 공식(1850): 열이 덜 가열된 물체에서 더 가열된 물체로 자발적으로 전달되는 과정은 불가능합니다.

톰슨의 공식(1851): 순환 과정은 불가능하며, 그 유일한 결과는 열 저장소의 내부 에너지를 줄여 일을 생산하는 것입니다.

클라우지우스 공식(1865): 닫힌 비평형 시스템의 모든 자발적 과정은 시스템의 엔트로피가 증가하는 방향으로 발생합니다. 열 평형 상태에서는 최대이고 일정합니다.

볼츠만 공식(1877): 많은 입자로 구성된 닫힌 계는 더 질서 있는 상태에서 덜 질서 있는 상태로 자발적으로 이동합니다. 시스템은 자동으로 평형 위치를 벗어날 수 없습니다. 볼츠만은 많은 신체로 구성된 시스템에 무질서를 정량적으로 측정하는 방법을 도입했습니다. 엔트로피.

이상기체를 작동유체로 하는 열기관의 효율

열기관의 작동 유체 모델(예: 이상 기체)이 주어지면 팽창 및 압축 중에 작동 유체의 열역학적 매개변수 변화를 계산할 수 있습니다. 이를 통해 열역학 법칙을 기반으로 열기관의 효율을 계산할 수 있습니다.

그림은 작동 유체가 이상 기체이고 매개변수가 한 열역학적 과정에서 다른 열역학적 과정으로의 전환 지점에서 지정되는 경우 효율성을 계산할 수 있는 사이클을 보여줍니다.

카르노 사이클. 이상적인 열기관의 효율

주어진 히터 온도에서 최고의 효율 티히터와 냉장고 티홀에는 열기관이 있어서 작동 유체는 다음과 같이 팽창하고 수축합니다. 카르노 사이클(그림 2) 그래프는 두 개의 등온선(2–3 및 4–1)과 두 개의 단열(3–4 및 1–2)으로 구성됩니다.

카르노의 정리이러한 엔진의 효율은 사용된 작동 유체에 의존하지 않는다는 것을 증명하므로 이상 기체에 대한 열역학적 관계를 사용하여 계산할 수 있습니다.

열 엔진의 환경적 영향

운송 및 에너지(화력 및 원자력 발전소)에서 열 엔진의 집중적 사용은 지구의 생물권에 큰 영향을 미칩니다. 인간 활동이 지구 기후에 미치는 영향 메커니즘에 대해 과학적 논쟁이 있지만, 많은 과학자들은 그러한 영향이 발생할 수 있는 요인에 주목합니다.

1. 온실 효과는 대기 중 이산화탄소(열 엔진 히터의 연소 생성물) 농도가 증가하는 것입니다. 이산화탄소는 태양의 가시광선과 자외선을 통과시키지만 지구에서 우주로 적외선을 흡수합니다. 이로 인해 대기 하층의 온도가 상승하고 허리케인 바람이 증가하며 전 세계적으로 얼음이 녹습니다.
2. 야생 동물에 대한 독성 배기 가스의 직접적인 영향(발암 물질, 스모그, 연소 부산물로 인한 산성비).
3. 비행기 비행 및 로켓 발사 중 오존층 파괴. 상층 대기의 오존은 태양의 과도한 자외선 복사로부터 지구상의 모든 생명체를 보호합니다.

새로운 환경 위기에서 벗어나는 길은 열 엔진의 효율성을 높이는 것입니다(현대 열 엔진의 효율성은 거의 30%를 넘지 않습니다). 서비스 가능한 엔진 및 유해 배기 가스 중화제 사용 대체 에너지원(태양광 패널 및 히터) 및 대체 교통 수단(자전거 등)의 사용.