كفاءة الآلة الحرارية . كفاءة المحرك الحراري. موضوعات مُقنن امتحان الدولة الموحدة: مبادئ تشغيل المحركات الحرارية وكفاءة المحرك الحراري والمحركات الحرارية وحماية البيئة

يتميز تشغيل العديد من أنواع الآلات بمؤشر مهم مثل كفاءة المحرك الحراري. يسعى المهندسون كل عام إلى إنشاء تكنولوجيا أكثر تقدمًا، والتي من شأنها أن تعطي أقصى نتيجة من استخدامها.

جهاز المحرك الحراري

قبل أن نفهم ما هو عليه، من الضروري أن نفهم كيف تعمل هذه الآلية. دون معرفة مبادئ عملها، من المستحيل معرفة جوهر هذا المؤشر. المحرك الحراري هو جهاز يقوم بأداء العمل باستخدام الطاقة الداخلية. أي محرك حراري يتحول إلى محرك ميكانيكي يستخدم التمدد الحراري للمواد مع زيادة درجة الحرارة. في المحركات ذات الحالة الصلبة، من الممكن ليس فقط تغيير حجم المادة، ولكن أيضًا شكل الجسم. يخضع عمل مثل هذا المحرك لقوانين الديناميكا الحرارية.

مبدأ التشغيل

من أجل فهم كيفية عمل المحرك الحراري، من الضروري النظر في أساسيات تصميمه. لتشغيل الجهاز، هناك حاجة إلى جسمين: ساخن (سخان) وبارد (ثلاجة، مبرد). يعتمد مبدأ تشغيل المحركات الحرارية (كفاءة المحرك الحراري) على نوعها. غالبًا ما تكون الثلاجة عبارة عن مكثف بخار، والسخان هو أي نوع من الوقود الذي يحترق في صندوق الاحتراق. يتم تحديد كفاءة المحرك الحراري المثالي من خلال الصيغة التالية:

الكفاءة = (مسرح - بارد) / ثيت. × 100%.

وفي هذه الحالة، لا يمكن لكفاءة المحرك الحقيقي أن تتجاوز أبدًا القيمة التي تم الحصول عليها وفقًا لهذه الصيغة. كما أن هذا الرقم لن يتجاوز أبدًا القيمة المذكورة أعلاه. لزيادة الكفاءة، غالبًا ما يتم زيادة درجة حرارة السخان وتقليل درجة حرارة الثلاجة. ستكون كلتا العمليتين محدودتين بظروف التشغيل الفعلية للمعدات.

عندما يعمل المحرك الحراري، يتم إنجاز الشغل، حيث يبدأ الغاز بفقد الطاقة ويبرد إلى درجة حرارة معينة. وهذا الأخير عادة ما يكون أعلى بعدة درجات من الغلاف الجوي المحيط. هذه هي درجة حرارة الثلاجة. تم تصميم هذا الجهاز الخاص للتبريد والتكثيف اللاحق لبخار العادم. في حالة وجود المكثفات، تكون درجة حرارة الثلاجة في بعض الأحيان أقل من درجة الحرارة المحيطة.

في المحرك الحراري، عندما يسخن الجسم ويتوسع، فإنه لا يستطيع التخلي عن كل طاقته الداخلية لبذل شغل. سيتم نقل بعض الحرارة إلى الثلاجة مع البخار. هذا الجزء من الحرارة يضيع حتما. أثناء احتراق الوقود، يتلقى سائل العمل كمية معينة من الحرارة س 1 من المدفأة. وفي نفس الوقت ما زال يقوم بالعمل A الذي ينقل خلاله جزء من الطاقة الحرارية إلى الثلاجة : س2

الكفاءة هي ما يميز كفاءة المحرك في مجال تحويل الطاقة ونقلها. غالبًا ما يتم قياس هذا المؤشر كنسبة مئوية. صيغة الكفاءة:

η*A/Qx100%، حيث Q هي الطاقة المستهلكة، A هو العمل المفيد.

واستنادا إلى قانون حفظ الطاقة، يمكننا أن نستنتج أن الكفاءة ستكون دائما أقل من الوحدة. بمعنى آخر، لن يكون هناك عمل أكثر فائدة من الطاقة المنفقة عليه.

كفاءة المحرك هي نسبة العمل المفيد إلى الطاقة التي يوفرها المدفأة. ويمكن تمثيلها في الصيغة التالية:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1، حيث Q 1 هي الحرارة الواردة من المدفأة، و Q 2 التي تعطى للثلاجة.

تشغيل المحرك الحراري

يتم حساب الشغل المبذول بواسطة محرك حراري باستخدام الصيغة التالية:

أ = |س ح | - |Q X |، حيث A هو الشغل، Q H هي كمية الحرارة المستلمة من المدفأة، Q X هي كمية الحرارة المعطاة للمبرد.

|س ح | - |س X |)/|س ح | = 1 - |س X |/|س ح |

وهي تساوي نسبة الشغل الذي يبذله المحرك إلى كمية الحرارة المتلقاة. يتم فقدان جزء من الطاقة الحرارية أثناء هذا النقل.

محرك كارنو

لوحظت أقصى كفاءة للمحرك الحراري في جهاز كارنو. ويرجع ذلك إلى حقيقة أنه في هذا النظام يعتمد فقط على درجة الحرارة المطلقة للسخان (Tn) والمبرد (Tx). يتم تحديد كفاءة المحرك الحراري الذي يعمل عليه من خلال الصيغة التالية:

(تن - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

جعلت قوانين الديناميكا الحرارية من الممكن حساب أقصى قدر ممكن من الكفاءة. تم حساب هذا المؤشر لأول مرة من قبل العالم والمهندس الفرنسي سادي كارنو. اخترع محركًا حراريًا يعمل بالغاز المثالي. إنه يعمل في دورة مكونة من 2 متساوي الحرارة و 2 adiabat. مبدأ تشغيله بسيط للغاية: يتم إحضار ملامسة السخان إلى وعاء به غاز، ونتيجة لذلك يتوسع سائل العمل بشكل متساوي الحرارة. في الوقت نفسه، يعمل ويستقبل كمية معينة من الحرارة. بعد ذلك يتم عزل الوعاء حرارياً. على الرغم من ذلك، يستمر الغاز في التوسع، ولكن بشكل ثابت (دون تبادل الحرارة مع البيئة). في هذا الوقت، تنخفض درجة حرارته إلى درجة حرارة الثلاجة. في هذه اللحظة، يتلامس الغاز مع الثلاجة، ونتيجة لذلك يطلق كمية معينة من الحرارة أثناء الضغط متساوي القياس. ثم يتم عزل الوعاء حرارياً مرة أخرى. في هذه الحالة، يتم ضغط الغاز بشكل ثابت الحرارة إلى حجمه وحالته الأصلية.

أصناف

في الوقت الحاضر، هناك أنواع عديدة من المحركات الحرارية التي تعمل بمبادئ مختلفة وبأنواع مختلفة من الوقود. لديهم جميعا كفاءتهم الخاصة. وتشمل هذه ما يلي:

محرك الاحتراق الداخلي (المكبس)، وهو عبارة عن آلية يتم من خلالها تحويل جزء من الطاقة الكيميائية الناتجة عن احتراق الوقود إلى طاقة ميكانيكية. يمكن أن تكون هذه الأجهزة غازية وسائلة. هناك محركات ثنائية الأشواط ورباعية الأشواط. يمكن أن يكون لديهم دورة عمل مستمرة. وفقًا لطريقة تحضير خليط الوقود، فإن هذه المحركات هي المكربن ​​(مع تكوين خليط خارجي) والديزل (مع داخلي). بناءً على نوع محول الطاقة، يتم تقسيمها إلى مكبس ونفاث وتوربين ومجمع. كفاءة هذه الآلات لا تتجاوز 0.5.

محرك ستيرلنغ هو جهاز يوجد فيه سائل العمل في مكان ضيق. وهو نوع من محركات الاحتراق الخارجي. يعتمد مبدأ تشغيله على التبريد/التدفئة الدورية للجسم مع إنتاج الطاقة نتيجة للتغيرات في حجمه. هذا هو واحد من المحركات الأكثر كفاءة.

محرك توربيني (دوار) مع احتراق خارجي للوقود. غالبًا ما توجد مثل هذه التركيبات في محطات الطاقة الحرارية.

تُستخدم محركات الاحتراق الداخلي التوربينية (الدوارة) في محطات الطاقة الحرارية في وضع الذروة. ليست منتشرة مثل غيرها.

يولد المحرك التوربيني بعضًا من قوة الدفع من خلال مروحته. ويحصل على الباقي من غازات العادم. تصميمه عبارة عن محرك دوار مثبت على عموده مروحة.

أنواع أخرى من المحركات الحرارية

الصواريخ والمحرك النفاث وتلك التي تتلقى الدفع بسبب عودة غازات العادم.

تستخدم محركات الحالة الصلبة المادة الصلبة كوقود. أثناء التشغيل، لا يتغير حجمه، بل شكله. عند تشغيل الجهاز، يتم استخدام فرق درجة حرارة صغير للغاية.

كيف يمكنك زيادة الكفاءة

هل من الممكن زيادة كفاءة المحرك الحراري؟ يجب البحث عن الجواب في الديناميكا الحرارية. تدرس التحولات المتبادلة لأنواع مختلفة من الطاقة. لقد ثبت أنه لا يمكن استخدام جميع الآلات الميكانيكية المتاحة وما إلى ذلك، وفي نفس الوقت يتم تحويلها إلى حرارية دون أي قيود. وهذا ممكن لأن طبيعة الطاقة الحرارية تعتمد على الحركة المضطربة (الفوضوية) للجزيئات.

كلما زادت حرارة الجسم، زادت سرعة حركة الجزيئات المكونة له. ستصبح حركة الجزيئات أكثر انتظامًا. إلى جانب هذا، يعلم الجميع أن النظام يمكن أن يتحول بسهولة إلى فوضى، وهو أمر صعب للغاية.

موضوعات مبرمج امتحان الدولة الموحدة: مبادئ تشغيل المحركات الحرارية وكفاءة المحرك الحراري والمحركات الحرارية وحماية البيئة.

باختصار، المحركات الحراريةتحويل الحرارة إلى عمل أو، على العكس من ذلك، العمل إلى حرارة.
تأتي المحركات الحرارية في نوعين، حسب اتجاه العمليات التي تحدث فيها.

1. المحركات الحراريةتحويل الحرارة القادمة من مصدر خارجي إلى عمل ميكانيكي.

2. آلات التبريدنقل الحرارة من جسم أقل حرارة إلى جسم أكثر حرارة بسبب العمل الميكانيكي لمصدر خارجي.

دعونا نفكر في هذه الأنواع من المحركات الحرارية بمزيد من التفصيل.

المحركات الحرارية

نحن نعلم أن القيام بالشغل على الجسم هو إحدى طرق تغيير طاقته الداخلية: إذ يبدو أن الشغل المبذول يذوب في الجسم، ويتحول إلى طاقة حركة وتفاعل عشوائي بين جزيئاته.

أرز. 1. المحرك الحراري

المحرك الحراري هو جهاز، على العكس من ذلك، يستخرج العمل المفيد من الطاقة الداخلية "الفوضوية" للجسم. لقد أدى اختراع المحرك الحراري إلى تغيير جذري في وجه الحضارة الإنسانية.

يمكن تصوير الرسم التخطيطي للمحرك الحراري على النحو التالي (الشكل 1). دعونا نتعرف على ما تعنيه عناصر هذا المخطط.

سائل العملالمحرك غاز. إنه يوسع ويحرك المكبس وبالتالي يقوم بعمل ميكانيكي مفيد.

ولكن من أجل إجبار الغاز على التوسع، والتغلب على القوى الخارجية، من الضروري تسخينه إلى درجة حرارة أعلى بكثير من درجة الحرارة المحيطة. للقيام بذلك، يتم الاتصال بالغاز سخان- حرق الوقود.

أثناء احتراق الوقود، يتم إطلاق طاقة كبيرة، ويستخدم جزء منها لتسخين الغاز. يتلقى الغاز كمية من الحرارة من المدفأة. وبسبب هذه الحرارة يقوم المحرك بعمل مفيد.

كل هذا واضح. ما هي الثلاجة ولماذا هو مطلوب؟

من خلال تمدد غاز واحد، يمكننا استخدام الحرارة الواردة بأكبر قدر ممكن من الكفاءة وتحويلها بالكامل إلى عمل. للقيام بذلك، نحتاج إلى توسيع الغاز بشكل متساوي الحرارة: القانون الأول للديناميكا الحرارية، كما نعلم، يعطينا في هذه الحالة.

ولكن لا أحد يحتاج إلى التوسع لمرة واحدة. يجب أن يكون المحرك قيد التشغيل دوريامما يضمن التكرار الدوري لحركات المكبس. ولذلك، بعد اكتمال التمدد، يجب ضغط الغاز، وإعادته إلى حالته الأصلية.

أثناء عملية التمدد، يقوم الغاز ببعض الأعمال الإيجابية. أثناء عملية الضغط، يتم بذل شغل إيجابي على الغاز (والغاز نفسه يقوم بعمل سلبي). ونتيجة لذلك فإن الشغل المفيد للغاز في كل دورة هو: .

بالطبع، يجب أن يكون هناك class="tex" alt="A>0"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}

عند ضغط الغاز، يجب علينا بذل شغل أقل مما بذله الغاز أثناء التمدد.

كيفية تحقيق هذا؟ الجواب: ضغط الغاز تحت ضغوط أقل مما كان عليه أثناء التمدد. بمعنى آخر، في المخطط - يجب أن تستمر عملية الضغط أقلعملية التوسع، أي أن الدورة يجب أن تمر في اتجاه عقارب الساعة(الشكل 2).

أرز. 2. دورة تسخين المحرك

على سبيل المثال، في الدورة الموضحة بالشكل، الشغل الذي يبذله الغاز أثناء التمدد يساوي مساحة شبه المنحرف المنحني. وبالمثل، فإن الشغل الذي يبذله الغاز أثناء الانضغاط يساوي مساحة شبه منحرف منحني بعلامة الطرح. ونتيجة لذلك، فإن الشغل الذي يبذله الغاز في كل دورة يكون موجبًا ويساوي مساحة الدورة.

حسنًا، ولكن كيف يمكنك إجبار الغاز على العودة إلى حالته الأصلية على طول منحنى أقل، أي من خلال حالات ذات ضغوط أقل؟ دعونا نتذكر أنه بالنسبة لحجم معين، كلما انخفضت درجة الحرارة، انخفض ضغط الغاز. لذلك، عند ضغط الغاز، يجب أن يمر عبر حالات ذات درجات حرارة منخفضة.

هذا هو بالضبط الغرض من الثلاجة: ل رائعالغاز في عملية الضغط.

يمكن أن يكون المبرد هو الغلاف الجوي (لمحركات الاحتراق الداخلي) أو تبريد المياه الجارية (للتوربينات البخارية). عند تبريده، يطلق الغاز بعض الحرارة إلى الثلاجة.

وتبين أن إجمالي كمية الحرارة التي يتلقاها الغاز في كل دورة يساوي . وفقًا للقانون الأول للديناميكا الحرارية:

أين هو التغير في الطاقة الداخلية للغاز في كل دورة. وهي تساوي صفراً: بما أن الغاز قد عاد إلى حالته الأصلية (والطاقة الداخلية كما نتذكر هي وظيفة الدولة). ونتيجة لذلك فإن شغل الغاز في كل دورة يساوي:

(1)

كما ترون، ليس من الممكن تحويل الحرارة القادمة من المدفأة بالكامل إلى عمل. يجب إعطاء جزء من الحرارة للثلاجة لضمان الطبيعة الدورية للعملية.

مؤشر كفاءة تحويل طاقة حرق الوقود إلى عمل ميكانيكي هو كفاءة المحرك الحراري.

كفاءة المحرك الحراريهي نسبة العمل الميكانيكي إلى كمية الحرارة الواردة من المدفأة:

ومع مراعاة العلاقة (١)، لدينا أيضًا

(2)

إن كفاءة المحرك الحراري، كما نرى، تكون دائمًا أقل من الوحدة. على سبيل المثال، تبلغ كفاءة التوربينات البخارية تقريبًا، وكفاءة محركات الاحتراق الداخلي تقريبًا.

آلات التبريد

تخبرنا التجارب اليومية والتجارب الفيزيائية أنه في عملية التبادل الحراري، تنتقل الحرارة من جسم أكثر سخونة إلى جسم أقل حرارة، ولكن ليس العكس. العمليات التي يتم فيها الحصول على الطاقة بسبب التبادل الحراري بشكل عفويينتقل من جسم بارد إلى جسم ساخن، ونتيجة لذلك يبرد الجسم البارد أكثر، ويسخن الجسم الساخن أكثر.

أرز. 3. الثلاجة

الكلمة الأساسية هنا هي "بشكل عفوي". إذا كنت تستخدم مصدرا خارجيا للطاقة، فمن الممكن تماما إجراء عملية نقل الحرارة من الجسم البارد إلى الساخن. هذا ما تفعله الثلاجات
سيارات.

بالمقارنة مع المحرك الحراري، فإن العمليات في آلة التبريد تكون في الاتجاه المعاكس (الشكل 3).

سائل العملوتسمى آلة التبريد أيضًا المبردات. للتبسيط، سنعتبره غازًا يمتص الحرارة أثناء التمدد وينطلق أثناء الضغط (في وحدات التبريد الحقيقية، يكون المبرد عبارة عن محلول متطاير ذو نقطة غليان منخفضة، يمتص الحرارة أثناء التبخر وينطلق أثناء التكثيف).

ثلاجةوفي آلة التبريد، هو الجسم الذي يتم إزالة الحرارة منه. تنقل الثلاجة كمية من الحرارة إلى سائل العمل (الغاز)، ونتيجة لذلك يتمدد الغاز.

أثناء الضغط، ينقل الغاز الحرارة إلى جسم أكثر سخونة - سخان. ولكي يحدث مثل هذا النقل للحرارة، يجب ضغط الغاز عند درجات حرارة أعلى مما كانت عليه أثناء التمدد. هذا ممكن فقط بسبب العمل الذي يقوم به مصدر خارجي (على سبيل المثال، محرك كهربائي (في وحدات التبريد الحقيقية، يخلق المحرك الكهربائي ضغطا منخفضا في المبخر، ونتيجة لذلك يغلي المبرد ويأخذ الحرارة؛ على على العكس من ذلك، في المكثف، يولد المحرك الكهربائي ضغطًا مرتفعًا، حيث يتكثف سائل التبريد ويطلق دافئًا)). ولذلك يتبين أن كمية الحرارة المنقولة إلى المدفأة أكبر من كمية الحرارة المأخوذة من الثلاجة بمقدار المقدار بالضبط:

وهكذا، في الرسم البياني - دورة عمل آلة التبريد عكس اتجاه عقارب الساعة. منطقة الدورة هي العمل المنجز بواسطة مصدر خارجي (الشكل 4).

أرز. 4. دورة الثلاجة

الغرض الرئيسي من آلة التبريد هو تبريد خزان معين (على سبيل المثال، الفريزر). في هذه الحالة، يلعب هذا الخزان دور الثلاجة، وتعمل البيئة كمدفأة - تتبدد الحرارة التي تمت إزالتها من الخزان فيه.

مؤشر على كفاءة آلة التبريد معامل الأداءتساوي نسبة الحرارة المستخرجة من الثلاجة إلى عمل مصدر خارجي :

يمكن أن يكون معامل التبريد أكبر من واحد. في الثلاجات الحقيقية يأخذ القيم من 1 إلى 3 تقريبًا.

هناك تطبيق آخر مثير للاهتمام: يمكن أن تعمل آلة التبريد أيضًا مضخة حرارية. ثم يكون الغرض منه تسخين خزان معين (على سبيل المثال، تسخين الغرفة) بسبب الحرارة المستخرجة من البيئة. في هذه الحالة، سيكون هذا الخزان هو المدفأة، وستكون البيئة هي الثلاجة.

مؤشر على كفاءة المضخة الحرارية معامل التسخينتساوي نسبة كمية الحرارة المنقولة إلى الخزان الساخن إلى عمل المصدر الخارجي:

تتراوح قيم معامل التسخين للمضخات الحرارية الحقيقية عادةً من 3 إلى 5.

محرك كارنو الحراري

الخصائص المهمة للمحرك الحراري هي أعلى وأدنى درجات حرارة لسائل العمل أثناء الدورة. يتم استدعاء هذه القيم وفقًا لذلك درجة حرارة السخانو درجة حرارة الثلاجة.

لقد رأينا أن كفاءة المحرك الحراري أقل تمامًا من الوحدة. يطرح سؤال طبيعي: ما هي أعلى كفاءة ممكنة لمحرك حراري بقيم ثابتة لدرجة حرارة المدفأة ودرجة حرارة الثلاجة؟

لنفترض، على سبيل المثال، أن تكون درجة الحرارة القصوى لسائل عمل المحرك، والحد الأدنى - . ما هو الحد النظري لكفاءة مثل هذا المحرك؟

الإجابة على هذا السؤال قدمها الفيزيائي والمهندس الفرنسي سادي كارنو عام 1824.

لقد اخترع وأجرى أبحاثًا حول محرك حراري رائع يستخدم غازًا مثاليًا كمائع تشغيل. تعمل هذه الآلة وفق دورة كارنو، يتكون من اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديبات.

دعونا نفكر دورة مباشرةآلة كارنو، تسير في اتجاه عقارب الساعة (الشكل 5). في هذه الحالة، تعمل الآلة كمحرك حراري.

أرز. 5. دورة كارنو

متساوي الحرارة. عند هذه النقطة، يتم وضع الغاز في اتصال حراري مع سخان درجة الحرارة ويتوسع بشكل متساوي الحرارة. تأتي كمية من الحرارة من المدفأة وتتحول بالكامل إلى عمل في هذا المجال: .

أديباتا. للضغط اللاحق، يجب نقل الغاز إلى منطقة ذات درجات حرارة منخفضة. وللقيام بذلك، يتم عزل الغاز حراريًا ثم يتمدد بشكل ثابت الحرارة في المنطقة.

عند تمدد الغاز يقوم بعمل إيجابي ونتيجة لذلك تنخفض طاقته الداخلية: .

متساوي الحرارة. تتم إزالة العزل الحراري، ويتم توصيل الغاز بالحرارة إلى درجة حرارة الثلاجة. يحدث ضغط متساوي الحرارة. ينقل الغاز الحرارة إلى الثلاجة ويقوم بعمل سلبي.

أديباتا. هذا القسم ضروري لإعادة الغاز إلى حالته الأصلية. أثناء الضغط الأديباتي، يؤدي الغاز شغلًا سالبًا، ويكون التغير في الطاقة الداخلية إيجابيًا: . يتم تسخين الغاز إلى درجة حرارته الأصلية.

وجد كارنو كفاءة هذه الدورة (الحسابات، لسوء الحظ، تتجاوز نطاق المناهج المدرسية):

(3)

علاوة على ذلك، فقد أثبت ذلك كفاءة دورة كارنو هي الحد الأقصى الممكن لجميع المحركات الحرارية ذات درجة حرارة المدفأة ودرجة الحرارة الباردة .

لذلك، في المثال أعلاه لدينا:

ما الهدف من استخدام متساوي الحرارة والأديبات وليس بعض العمليات الأخرى؟

لقد اتضح أن العمليات المتساوية الحرارة والحرارية هي التي تصنع آلة كارنو عكسها. يمكن إطلاقه بواسطة دورة عكسية(عكس اتجاه عقارب الساعة) بين نفس السخان والثلاجة، دون استخدام أجهزة أخرى. في هذه الحالة، ستعمل آلة كارنو كآلة تبريد.

تلعب القدرة على تشغيل آلة كارنو في كلا الاتجاهين دورًا مهمًا جدًا في الديناميكا الحرارية. على سبيل المثال، هذه الحقيقة بمثابة رابط لإثبات الكفاءة القصوى لدورة كارنو. وسنعود لذلك في المقال القادم عن القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

المحركات الحرارية وحماية البيئة

تتسبب المحركات الحرارية في أضرار جسيمة للبيئة. استخدامها على نطاق واسع يؤدي إلى عدد من الآثار السلبية.

يؤدي تبديد كمية هائلة من الطاقة الحرارية إلى الغلاف الجوي إلى ارتفاع درجة حرارة الكوكب. ويهدد الاحترار المناخي بذوبان الأنهار الجليدية وحدوث كوارث كارثية.
وينجم ارتفاع درجة حرارة المناخ أيضًا عن تراكم ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى إبطاء هروب الإشعاع الحراري للأرض إلى الفضاء (تأثير الاحتباس الحراري).
بسبب التركيز العالي لمنتجات احتراق الوقود، فإن الوضع البيئي آخذ في التدهور.

هذه مشاكل على مستوى الحضارة بأكملها. ولمكافحة الآثار الضارة للمحركات الحرارية، من الضروري زيادة كفاءتها وتقليل الانبعاثات السامة وتطوير أنواع جديدة من الوقود واستخدام الطاقة باعتدال.

دورة كارنو- عملية دائرية عكسية يتم فيها تحويل الحرارة إلى شغل (أو شغل إلى حرارة). وهو يتألف من عمليتين متساويتين للحرارة وثنائية الحرارة بالتناوب، حيث يكون سائل العمل غازًا مثاليًا. تم بحثه لأول مرة بواسطة N. L. S. Carnot (1824) فيما يتعلق بتحديد كفاءة الآلات الحرارية. دورة كارنو هي الدورة الأكثر كفاءة على الإطلاق، فهي تتمتع بأقصى قدر من الكفاءة.

كفاءة دورة كارنو:

وهذا يدل على أن كفاءة دورة كارنو مع الغاز المثالي تعتمد فقط على درجة حرارة السخان (Tn) والثلاجة (Tx).

الاستنتاجات التالية تتبع من المعادلة:

1. لزيادة كفاءة المحرك الحراري، تحتاج إلى زيادة درجة حرارة المدفأة وخفض درجة حرارة الثلاجة؛

2. كفاءة المحرك الحراري تكون دائما أقل من 1.

دورة كارنوقابلة للعكس، لأن جميع مكوناتها هي عمليات التوازن.

السؤال 20:

إن أبسط وأبسط طريقة تعكس سلوك الغاز الحقيقي هي معادلة فان دير فالس

معادلة فان دير فالس للحالة الغازية- معادلة تربط الكميات الديناميكية الحرارية الرئيسية في نموذج غاز فان دير فالس.

على الرغم من أن نموذج الغاز المثالي يصف جيدًا سلوك الغازات الحقيقية عند الضغوط المنخفضة ودرجات الحرارة المرتفعة، إلا أنه في ظل ظروف أخرى يكون اتفاقه مع التجربة أسوأ بكثير. على وجه الخصوص، يتجلى ذلك في حقيقة أنه يمكن تحويل الغازات الحقيقية إلى حالة سائلة وحتى صلبة، ولكن لا يمكن للغازات المثالية.

المعادلة الحرارية للحالة (أو ببساطة معادلة الحالة) هي العلاقة بين الضغط والحجم ودرجة الحرارة.

ل شامة واحدةغاز فان دير فالس له الشكل.

مائع التشغيل، الذي يتلقى كمية معينة من الحرارة Q 1 من المدفأة، يعطي جزءًا من هذه الكمية من الحرارة، مساوية في المعامل |Q2|، للثلاجة. ولذلك، فإن العمل المنجز لا يمكن أن يكون أكبر أ = س 1- |س2 |.تسمى نسبة هذا العمل إلى كمية الحرارة التي يتلقاها الغاز المتمدد من المدفأة كفاءة المحرك الحراري:

إن كفاءة المحرك الحراري الذي يعمل في دورة مغلقة تكون دائمًا أقل من الواحد. تتمثل مهمة هندسة الطاقة الحرارية في رفع الكفاءة إلى أعلى مستوى ممكن، أي استخدام أكبر قدر ممكن من الحرارة الواردة من المدفأة لإنتاج العمل. كيف يمكن تحقيق ذلك؟
لأول مرة، اقترح الفيزيائي والمهندس الفرنسي س. كارنو في عام 1824 العملية الدورية الأكثر مثالية، والتي تتكون من متساوي الحرارة والأديبات.

دورة كارنو.

لنفترض أن الغاز موجود في أسطوانة، جدرانها ومكبسها مصنوع من مادة عازلة للحرارة، وأسفلها مصنوع من مادة ذات موصلية حرارية عالية. الحجم الذي يشغله الغاز يساوي الخامس 1.

الشكل 2

لنجعل الأسطوانة تتلامس مع المدفأة (الشكل 2) ونمنح الغاز الفرصة للتمدد بشكل متساوي الحرارة والقيام بالشغل . يتلقى الغاز كمية معينة من الحرارة من المدفأة س 1.يتم تمثيل هذه العملية بيانياً بواسطة الأيسوثرم (منحنى أ.ب).

الشكل 3

عندما يصبح حجم الغاز مساوياً لقيمة معينة الخامس 1'< V 2 , الجزء السفلي من الاسطوانة معزول عن السخان , بعد ذلك، يتوسع الغاز بشكل ثابت إلى الحجم الخامس 2،المقابلة لأقصى شوط ممكن للمكبس في الاسطوانة (الثبات الحرارة شمس). في هذه الحالة، يتم تبريد الغاز إلى درجة الحرارة تي 2< T 1 .
يمكن الآن ضغط الغاز المبرد بشكل متساوي الحرارة عند درجة حرارة T2.وللقيام بذلك، يجب ملامسته لجسم له نفس درجة الحرارة تي 2،أي مع ثلاجة , وضغط الغاز بقوة خارجية . ومع ذلك، في هذه العملية لن يعود الغاز إلى حالته الأصلية - ستكون درجة حرارته دائمًا أقل من تي 1.
لذلك، يتم جلب الضغط متساوي الحرارة إلى حجم متوسط ​​معين الخامس 2 '>الخامس 1( متساوي الحرارة قرص مضغوط). في هذه الحالة، يطلق الغاز بعض الحرارة إلى الثلاجة س2،يساوي عمل الضغط المنجز عليه. بعد ذلك، يتم ضغط الغاز بشكل ثابت الحرارة إلى حجم الخامس 1،وفي نفس الوقت ترتفع درجة حرارته إلى تي 1(ثابت الحرارة د.أ.). الآن عاد الغاز إلى حالته الأصلية، حيث يساوي حجمه V 1، درجة الحرارة - T1،ضغط - ص 1، ويمكن تكرار الدورة مرة أخرى.

لذلك، على الموقع اي بي سيالغاز يعمل (أ > 0)،وعلى الموقع CDAالعمل المنجز على الغاز (أ< 0). في المواقع شمسو إعلانيتم العمل فقط عن طريق تغيير الطاقة الداخلية للغاز. منذ التغيير في الطاقة الداخلية جامعة كولومبيا البريطانية = – UDA، فإن العمل أثناء العمليات الأديباتية متساوٍ: ABC = -ADA.وبالتالي، يتم تحديد إجمالي العمل المنجز في كل دورة من خلال الفرق في العمل المنجز خلال العمليات متساوية الحرارة (الأقسام أ.بو قرص مضغوط). عددياً، هذا العمل يساوي مساحة الشكل الذي يحده منحنى الدورة ABCD.
يتم تحويل جزء فقط من كمية الحرارة إلى عمل مفيد كيو تي,الواردة من المدفأة، أي ما يعادل كيو تي 1 – | كيو تي 2 |.لذلك، في دورة كارنو، عمل مفيد أ = كيو تي 1– |كيو تي 2 |.
يمكن التعبير عن الكفاءة القصوى للدورة المثالية، كما أوضحها S. Carnot، بدلالة درجة حرارة المدفأة (ت1)وثلاجة (ت2):

في المحركات الحقيقية، ليس من الممكن تنفيذ دورة تتكون من عمليات مثالية متساوية الحرارة وكظم الحرارة. ولذلك فإن كفاءة الدورة التي تتم في المحركات الحقيقية تكون دائما أقل من كفاءة دورة كارنو (عند نفس درجات حرارة السخانات والثلاجات):

توضح الصيغة أنه كلما ارتفعت درجة حرارة السخان وانخفضت درجة حرارة الثلاجة، زادت كفاءة المحرك.

كارنو نيكولا ليونارد سعدي (1796-1832) - مهندس وفيزيائي فرنسي موهوب، أحد مؤسسي الديناميكا الحرارية. في عمله "تأملات حول القوة الدافعة للنار وعلى الآلات القادرة على تطوير هذه القوة" (1824)، أظهر لأول مرة أن المحركات الحرارية لا يمكنها أداء العمل إلا في عملية نقل الحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد. توصل كارنو إلى المحرك الحراري المثالي، وحسب كفاءة الآلة المثالية وأثبت أن هذا المعامل هو الحد الأقصى الممكن لأي محرك حراري حقيقي.
للمساعدة في بحثه، اخترع كارنو (على الورق) في عام 1824 محركًا حراريًا مثاليًا يستخدم غازًا مثاليًا كمائع تشغيل. لا يكمن الدور المهم لمحرك كارنو في إمكانية تطبيقه العملي فحسب، بل أيضًا في حقيقة أنه يسمح لنا بشرح مبادئ تشغيل المحركات الحرارية بشكل عام؛ ومن المهم بنفس القدر أن يتمكن كارنو، بمساعدة محركه، من تقديم مساهمة كبيرة في تبرير وفهم القانون الثاني للديناميكا الحرارية. تعتبر جميع العمليات في آلة كارنو بمثابة توازن (قابل للعكس). العملية العكسية هي عملية تتم ببطء شديد بحيث يمكن اعتبارها بمثابة انتقال تسلسلي من حالة توازن إلى أخرى، وما إلى ذلك، ويمكن تنفيذ هذه العملية برمتها في الاتجاه المعاكس دون تغيير العمل المنجز ومقدار الحرارة المنقولة. (لاحظ أن جميع العمليات الحقيقية لا رجعة فيها) يتم تنفيذ عملية أو دورة دائرية في الآلة، يعود فيها النظام بعد سلسلة من التحولات إلى حالته الأصلية. تتكون دورة كارنو من اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديبات. المنحنيات A - B وC - D عبارة عن متساوي الحرارة، والمنحنيات B - C وD - A عبارة عن ثابتات ثابتة. أولاً، يتمدد الغاز بشكل متساوي الحرارة عند درجة الحرارة T 1 . وفي نفس الوقت يستقبل كمية الحرارة Q1 من المدفأة. ثم يتوسع بشكل ثابت ولا يتبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة. ويعقب ذلك ضغط متساوي الحرارة للغاز عند درجة الحرارة T 2 . في هذه العملية، ينقل الغاز كمية الحرارة Q2 إلى الثلاجة. وأخيرًا، يتم ضغط الغاز بشكل ثابت الحرارة ويعود إلى حالته الأصلية. أثناء التمدد متساوي الحرارة، يبذل الغاز الشغل A" 1 >0، وهو ما يساوي كمية الحرارة Q 1. وفي حالة التمدد الأدياباتي B - C، فإن الشغل الموجب A" 3 يساوي انخفاض الطاقة الداخلية عندما يتم تبريد الغاز من درجة الحرارة T 1 إلى درجة الحرارة T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2). يتطلب الضغط متساوي الحرارة عند درجة الحرارة T 2 الشغل A 2 الذي يتعين القيام به على الغاز. ويؤدي الغاز عملًا سلبيًا مماثلًا أ" 2 = -أ 2 = س 2. وأخيرًا، يتطلب الضغط الأديابي الشغل المبذول على الغاز A 4 = dU 2.1. شغل الغاز نفسه A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). ولذلك، فإن الشغل الإجمالي للغاز خلال عمليتين ثابتتي الحرارة هو صفر. خلال الدورة، يكون الشغل الغاز يبذل الشغل A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. هذا العمل يساوي عدديًا مساحة الشكل المحدد بمنحنى الدورة، ولحساب الكفاءة، من الضروري حساب العمل للعمليات متساوية الحرارة A - B وC - D. وتؤدي الحسابات إلى النتيجة التالية: (2) كفاءة محرك كارنو الحراري تساوي نسبة الفرق بين درجتي الحرارة المطلقة للسخان والثلاجة إلى درجة الحرارة المطلقة للسخان. الأهمية الرئيسية لصيغة كارنو (2) لكفاءة الآلة المثالية هي أنها تحدد أقصى كفاءة ممكنة لأي محرك حراري. أثبت كارنو النظرية التالية: أي محرك حراري حقيقي يعمل بسخان عند درجة حرارة T 1 وثلاجة عند درجة حرارة T 2 لا يمكن أن يكون له كفاءة تتجاوز كفاءة المحرك الحراري المثالي.
	في دورة أوتو، يتم أولاً امتصاص خليط العمل 1-2 في الأسطوانة، ثم الضغط الأديابي 2-3 وبعد احتراقه المتساوي 3-4، مصحوبًا بزيادة في درجة حرارة وضغط منتجات الاحتراق، وتمددها الأديابي. يحدث 4-5، ثم انخفاض الضغط المتساوي 5-2 وطرد متساوي الضغط لغازات العادم بواسطة المكبس 2-1. نظرًا لعدم بذل أي شغل على الأيزوشورات، وكان الشغل أثناء شفط خليط العمل وطرد غازات العادم متساويًا ومعاكسًا في الإشارة، فإن الشغل المفيد لدورة واحدة يساوي الفرق في الشغل على أديابات التمدد والضغط و يتم تصويره بيانياً بواسطة منطقة الدورة.
وبمقارنة كفاءة المحرك الحراري الحقيقي مع كفاءة دورة كارنو، تجدر الإشارة إلى أنه في التعبير (2) قد تتطابق درجة الحرارة T 2 في حالات استثنائية مع درجة الحرارة المحيطة التي نأخذها للثلاجة، ولكن في الحالة العامة تتجاوز درجة الحرارة المحيطة. لذلك، على سبيل المثال، في محركات الاحتراق الداخلي، ينبغي فهم T2 على أنها درجة حرارة غازات العادم، وليس درجة حرارة البيئة التي يتم إنتاج العادم فيها.
	يوضح الشكل دورة محرك الاحتراق الداخلي رباعي الأشواط مع احتراق متساوي الضغط (دورة الديزل). على عكس الدورة السابقة، في القسم 1-2 يتم امتصاصه. الهواء الجوي الذي يتعرض لضغط ثابت الحرارة في القسم 2-3 إلى 3 10 6 -3 10 5 باسكال. يشتعل الوقود السائل المحقون في بيئة شديدة الضغط وبالتالي التسخين والهواء ويحترق بشكل متساوي الضغط 3-4، ثم يحدث تمدد ثابت الحرارة لمنتجات الاحتراق 4-5. تتم العمليات المتبقية 5-2 و2-1 بنفس الطريقة كما في الدورة السابقة. يجب أن نتذكر أنه في محركات الاحتراق الداخلي تكون الدورات مغلقة بشكل مشروط، لأنه قبل كل دورة تمتلئ الأسطوانة بكتلة معينة من مادة العمل، والتي يتم إخراجها من الأسطوانة في نهاية الدورة.
لكن درجة حرارة الثلاجة لا يمكن أن تكون أقل بكثير من درجة الحرارة المحيطة. يمكنك زيادة درجة حرارة السخان. ومع ذلك، فإن أي مادة (جسم صلب) لديها مقاومة محدودة للحرارة، أو مقاومة للحرارة. عند تسخينه، فإنه يفقد تدريجيا خصائصه المرنة، وعند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية يذوب. الآن تهدف الجهود الرئيسية للمهندسين إلى زيادة كفاءة المحركات عن طريق تقليل احتكاك أجزائها، وفقدان الوقود بسبب الاحتراق غير الكامل، وما إلى ذلك. ولا تزال الفرص الحقيقية لزيادة الكفاءة هنا كبيرة. لذلك، بالنسبة للتوربينات البخارية، تكون درجات الحرارة الأولية والنهائية للبخار تقريبًا كما يلي: T 1 = 800 K و T 2 = 300 K. عند درجات الحرارة هذه، تكون القيمة القصوى لمعامل الكفاءة هي: تبلغ قيمة الكفاءة الفعلية بسبب أنواع مختلفة من فقدان الطاقة حوالي 40٪. يتم تحقيق أقصى قدر من الكفاءة - حوالي 44٪ - بواسطة محركات الاحتراق الداخلي. لا يمكن أن تتجاوز كفاءة أي محرك حراري الحد الأقصى للقيمة الممكنة حيث T 1 هي درجة الحرارة المطلقة للسخان، و T 2 هي درجة الحرارة المطلقة للثلاجة. تعتبر زيادة كفاءة المحركات الحرارية وتقريبها إلى الحد الأقصى الممكن من أهم المهام الفنية.

عدم المساواة كلاوزيوس

(1854): كمية الحرارة التي يحصل عليها النظام في أي عملية دائرية، مقسومة على درجة الحرارة المطلقة التي تم تلقيها فيها ( منحكمية الحرارة)، غير إيجابية.

كمية الحرارة الموردة شبه ساكنةلا يعتمد النظام الذي يستقبله على مسار الانتقال (يتم تحديده فقط من خلال الحالات الأولية والنهائية للنظام) - من أجل شبه ساكنة العملياتتتحول متباينة كلاوسيوس إلى المساواة .

الانتروبيا، وظيفة الدولة سالنظام الديناميكي الحراري، وتغييره سلأن التغيير العكسي المتناهي الصغر في حالة النظام يساوي نسبة كمية الحرارة التي يتلقاها النظام في هذه العملية (أو المأخوذة من النظام) إلى درجة الحرارة المطلقة ت:

ضخامة سهو الفرق الكلي، أي. إن تكامله على طول أي مسار تم اختياره بشكل تعسفي يعطي الفرق بين القيم إنتروبيافي الحالة الأولية (أ) والنهائية (ب):

الحرارة ليست دالة للحالة، لذا فإن تكامل δQ يعتمد على مسار الانتقال المختار بين الحالتين A وB. إنتروبياتقاس بـ J/(mol deg).

مفهوم إنتروبياكدالة لحالة النظام المفترض القانون الثاني للديناميكا الحراريةوالتي يتم التعبير عنها من خلال إنتروبياالفرق بين عمليات لا رجعة فيها وعكسها. بالنسبة إلى dS الأول >δQ/T بالنسبة إلى dS الثاني=δQ/T.

الانتروبيا كوظيفة الطاقة الداخلية شالنظام والحجم V وعدد الشامات ن ط طالمكون هو وظيفة مميزة (انظر. الإمكانات الديناميكية الحرارية). وهذا نتيجة للقانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية ويتم كتابته بالمعادلة:

أين ص - ضغط, μ أنا - الإمكانات الكيميائية أناالمكون. المشتقات إنتروبيابالمتغيرات الطبيعية يو، فو ن طمتساوون:

ربط الصيغ البسيطة إنتروبيامع القدرات الحرارية عند ضغط ثابت س صوحجم ثابت ج ضد:

باستخدام إنتروبيايتم صياغة الظروف لتحقيق التوازن الديناميكي الحراري لنظام ما عند طاقة داخلية ثابتة وحجم وعدد الشامات أناالمكون الرابع (النظام المعزول) وشرط الاستقرار لهذا التوازن:

وهذا يعني ذلك إنتروبيايصل النظام المعزول إلى الحد الأقصى في حالة التوازن الديناميكي الحراري. لا يمكن أن تحدث العمليات التلقائية في النظام إلا في اتجاه الزيادة إنتروبيا.

ينتمي الإنتروبيا إلى مجموعة من الدوال الديناميكية الحرارية تسمى دوال ماسيير-بلانك. الوظائف الأخرى التي تنتمي إلى هذه المجموعة هي وظيفة Massier ف 1 = ق - (1/ت)شودالة بلانك F 2 = S - (1/T)U - (p/T)V، يمكن الحصول عليها من خلال تطبيق تحويل Legendre على الإنتروبيا.

وفقا للقانون الثالث للديناميكا الحرارية (انظر. النظرية الحرارية)، يتغير إنتروبيافي تفاعل كيميائي عكسي بين المواد في حالة مكثفة يميل إلى الصفر عند ت→0:

تنص مسلمة بلانك (صيغة بديلة للنظرية الحرارية) على ذلك إنتروبياأي مركب كيميائي في حالة مكثفة عند درجة حرارة الصفر المطلق هو صفر مشروط ويمكن اعتباره نقطة البداية عند تحديد القيمة المطلقة إنتروبياالمواد في أي درجة حرارة. تحدد المعادلتان (1) و (2). إنتروبياإلى أجل ثابت.

في المواد الكيميائية الديناميكا الحراريةتستخدم المفاهيم التالية على نطاق واسع: المعيار إنتروبياس 0 ، أي. إنتروبياعند الضغط ص=1.01·10 5 باسكال (1 ضغط جوي)؛ معيار إنتروبياتفاعل كيميائي أي الفرق القياسي الانتروبياالمنتجات والكواشف. المولي الجزئي إنتروبيامكون من نظام متعدد المكونات.

لحساب التوازن الكيميائي، استخدم الصيغة:

أين ل - ثابت التوازنو - قياسي على التوالي طاقة جيبسوالمحتوى الحراري والانتروبيا من رد الفعل؛ ر- ثابت الغاز .

تعريف المفهوم إنتروبيالنظام غير متوازن يعتمد على فكرة التوازن الديناميكي الحراري المحلي. يتضمن التوازن المحلي تحقيق المعادلة (3) للأحجام الصغيرة من النظام غير المتوازن ككل (انظر. الديناميكا الحرارية للعمليات التي لا رجعة فيها). خلال العمليات التي لا رجعة فيها في النظام، يمكن أن يحدث الإنتاج (الحدوث). إنتروبيا. التفاضلية الكاملة إنتروبيايتم تحديده في هذه الحالة من خلال عدم مساواة كارنو-كلوزيوس:

أين دي إس أنا> 0 - التفاضلية إنتروبيا، لا يتعلق بتدفق الحرارة بل بسبب الإنتاج إنتروبيابسبب العمليات التي لا رجعة فيها في النظام ( انتشار. الموصلية الحراريةوالتفاعلات الكيميائية وغيرها). الإنتاج المحلي إنتروبيا (ر- الوقت) يتم تمثيله كمجموع منتجات القوى الديناميكية الحرارية المعممة X أناللتدفقات الديناميكية الحرارية المعممة ي ط:

إنتاج إنتروبيابسبب، على سبيل المثال، انتشار أحد المكونات أنابسبب قوة وتدفق المادة ج; إنتاج إنتروبيابسبب تفاعل كيميائي - بالقوة س=أ/ت، أين أ- الألفة الكيميائية والتدفق ج، يساوي معدل التفاعل. في الديناميكا الحرارية الإحصائية إنتروبيايتم تحديد النظام المعزول بالعلاقة: أين ك - ثابت بولتزمان. - الوزن الديناميكي الحراري للحالة، يساوي عدد الحالات الكمومية المحتملة للنظام مع قيم معينة للطاقة والحجم وعدد الجزيئات. تتوافق حالة توازن النظام مع المساواة بين مجموعات الحالات الكمومية الفردية (غير المنحلة). زيادة إنتروبيافي العمليات التي لا رجعة فيها يرتبط بإنشاء توزيع أكثر احتمالا للطاقة المعطاة للنظام بين الأنظمة الفرعية الفردية. التعريف الإحصائي المعمم إنتروبيا، والذي ينطبق أيضًا على الأنظمة غير المعزولة، يتصل إنتروبيامع احتمالات microstates المختلفة على النحو التالي:

أين ث ط- الاحتمال أنا-الحالة.

مطلق إنتروبيايتم تحديد المركب الكيميائي تجريبيًا، وذلك بشكل رئيسي عن طريق طريقة قياس السعرات الحرارية، بناءً على النسبة:

استخدام المبدأ الثاني يسمح لنا بتحديد إنتروبياالتفاعلات الكيميائية المبنية على البيانات التجريبية (طريقة القوة الدافعة الكهربائية، طريقة ضغط البخار، وما إلى ذلك). الحساب ممكن إنتروبياالمركبات الكيميائية باستخدام طرق الديناميكا الحرارية الإحصائية، على أساس الثوابت الجزيئية، والوزن الجزيئي، والهندسة الجزيئية، وترددات الاهتزاز العادية. يتم تنفيذ هذا النهج بنجاح للغازات المثالية. بالنسبة للمراحل المكثفة، توفر الحسابات الإحصائية دقة أقل بكثير ويتم إجراؤها في عدد محدود من الحالات؛ وفي السنوات الأخيرة، تم إحراز تقدم كبير في هذا المجال.

المعلومات ذات الصلة.

نظرًا لحقيقة أن جزءًا من الحرارة أثناء تشغيل المحركات الحرارية يتم نقله حتمًا إلى الثلاجة، فإن كفاءة المحركات لا يمكن أن تكون مساوية للوحدة. من المثير للاهتمام العثور على أقصى كفاءة ممكنة لمحرك حراري يعمل بسخان عند درجة حرارة Tg وثلاجة عند درجة حرارة T2. تم ذلك لأول مرة من قبل المهندس والعالم الفرنسي سادي كارنو.
محرك كارنو الحراري المثالي
توصل كارنو إلى محرك حراري مثالي يستخدم غازًا مثاليًا كمائع تشغيل. تعتبر جميع العمليات في آلة كارنو بمثابة توازن (قابل للعكس).
يتم تنفيذ عملية أو دورة دائرية في الآلة، يعود فيها النظام بعد سلسلة من التحولات إلى حالته الأصلية. تتكون دورة كارنو من اثنين من متساوي الحرارة و

اثنان، adiabat (الشكل 5.16). المنحنيات 1-2 و3-4 عبارة عن خطوط متساوية الحرارة، و2-3 و4-1 عبارة عن أديابات.
أولاً، يتمدد الغاز بشكل متساوي الحرارة عند درجة الحرارة T1. وفي نفس الوقت يستقبل كمية من الحرارة من المدفأة ثم يتمدد بشكل ثابت ولا يتبادل الحرارة مع الأجسام المحيطة. ما يلي
ضغط الغاز متساوي الحرارة عند o~ ^
درجة الحرارة T2. ينطلق الغاز في هذا الأرز g jg
عملية في الثلاجة، كمية الحرارة Q2 وأخيرا، يتم ضغط الغاز بشكل ثابت الحرارة ويعود إلى حالته الأولية.
أثناء التمدد متساوي الحرارة، يبذل الغاز شغلًا > 0، يساوي كمية الحرارة. ومع التمدد الأديباتي 2-3، فإن الشغل الموجب A"3 يساوي انخفاض الطاقة الداخلية عند تبريد الغاز من درجة الحرارة 7\ إلى درجة الحرارة. T2: A"3 = -AU12 = ШТХ) - U (T2).
يتطلب الضغط متساوي الحرارة عند درجة الحرارة T2 تنفيذ الشغل A2 على الغاز. يؤدي الغاز شغلًا سلبيًا مطابقًا A 2
س2. وأخيرًا، يتطلب الضغط الأديابي الشغل المبذول على الغاز A4 = AU21. العمل نفسه
كارنو نيكولا ليونارد سعدي (1796-1832) - مهندس وفيزيائي فرنسي موهوب، أحد مؤسسي الديناميكا الحرارية. في عمله "تأملات حول القوة الدافعة للنار وعلى الآلات القادرة على تطوير هذه القوة" (1824)، أظهر لأول مرة أن المحركات الحرارية لا يمكنها أداء العمل إلا في عملية نقل الحرارة من جسم ساخن إلى جسم بارد. توصل كارنو إلى المحرك الحراري المثالي، وحسب كفاءة الآلة المثالية وأثبت أن هذا المعامل هو الحد الأقصى الممكن لأي محرك حراري حقيقي. الغاز А\ = -Л4 = -At/2i = - ШТх). ولذلك، فإن مجموع را
معدل تدفق الغاز خلال عمليتين ثابتتي الحرارة هو صفر.
أثناء الدورة، يعمل الغاز
A"= A[ + A"2=Q1 + Q2 = IQJ - |Q2|. (5.12.1)
هذا العمل يساوي عدديًا مساحة الشكل المحدد بمنحنى الدورة (المظلل في الشكل 5.16).
لحساب الكفاءة، تحتاج إلى حساب العمل للعمليات متساوية الحرارة 1-2 و3-4. الحسابات تؤدي إلى النتيجة التالية:
(5.12.2) كفاءة محرك كارنو الحراري تساوي نسبة الفرق بين درجتي الحرارة المطلقة للسخان والثلاجة إلى درجة الحرارة المطلقة للسخان.
ويمكننا التعبير عن العمل الذي تقوم به الآلة في كل دورة وكمية الحرارة Q2 المنقولة إلى الثلاجة من خلال كفاءة الآلة وكمية الحرارة الواردة من السخان حسب تعريف الكفاءة
L" = ل كمية الحرارة
Q2 = A" - = TlQi ​​- Qi = QiOl - D- (5.12.4)
منذ ر) |Q2| = (1-71)QI. (5.12.5)
آلة التبريد المثالية
إن دورة كارنو قابلة للعكس، لذا يمكن إجراؤها في الاتجاه المعاكس. ولن يعد محركًا حراريًا، بل آلة تبريد مثالية.
سوف تسير العمليات بترتيب عكسي. تم إنجاز العمل A لقيادة الآلة. يتم نقل كمية الحرارة Qx بواسطة سائل العمل إلى سخان عند درجة حرارة أعلى، ويتم توفير كمية الحرارة Q2 إلى سائل العمل من الثلاجة (الشكل 5.17). تنتقل الحرارة من الجسم البارد إلى الجسم الساخن، ولهذا سميت الآلة بآلة التبريد.
كمية الحرارة س
"ز

كمية الحرارة Q2
العملأ
درجة حرارة الثلاجة T2
أرز. 5.17
ولكن هذا لا يتعارض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية: الحرارة لا تنتقل من تلقاء نفسها، ولكن عن طريق العمل.
دعونا نعبر عن كميات الحرارة Q1 و Q2 من خلال الشغل A وكفاءة الآلة T|. وبما أنه وفقًا للصيغة (5.12.3) A" = riQj = -A، إذن

(5.12.6)
كما هو الحال دائمًا، تكون كمية الحرارة المنقولة بواسطة سائل العمل سالبة. من الواضح |Qj| = ^. بحسب التعبير
(5.12.4) كمية الحرارة Q2 = QiCn ~ 1) أو مع مراعاة العلاقة (5.12.3) (5.12.7)
q2= V1a>0- يتم استقبال هذه الكمية من الحرارة عن طريق سائل العمل من الثلاجة.
تعمل الثلاجة مثل المضخة الحرارية. كمية الحرارة Qj المنقولة إلى الجسم الساخن أكبر من الكمية المأخوذة من الثلاجة. وفقا للصيغة (5.12.7) Q2 = ^ -A = -Qj - A. وبالتالي
| س1\=أ + س2. (5.12.8)
يتم تحديد كفاءة آلة التبريد من خلال
є = -г، حيث يمكن استبعاد غرضه قدر الإمكان
كمية أكبر من الحرارة من النظام المبرد مع القيام بأقل قدر ممكن من العمل. القيمة є تسمى معامل الأداء. لآلة تبريد مثالية حسب الصيغتين (5.12.7) و (5.12.2)
كيو تي 2
أي أنه كلما قل الفرق في درجات الحرارة، كلما زاد معامل التبريد، وكلما انخفض، انخفضت درجة حرارة الجسم الذي يتم إزالة الحرارة منه. ومن الواضح أن معامل الأداء يمكن أن يكون أكبر من واحد. بالنسبة للثلاجات الحقيقية فهي أكثر من ثلاثة. أحد أنواع آلات التبريد هو مكيف الهواء، الذي يأخذ الحرارة من الغرفة وينقلها إلى الهواء المحيط.
مضخة حرارية
عند تسخين الغرف بالسخانات الكهربائية، يكون استخدام المضخة الحرارية أكثر ربحية من مجرد ملف يتم تسخينه بالتيار. ستقوم المضخة بالإضافة إلى ذلك بنقل كمية الحرارة Q2 من الهواء المحيط إلى الغرفة. ومع ذلك، لا يتم ذلك بسبب التكلفة العالية لوحدة التبريد مقارنة بالموقد الكهربائي أو الموقد الكهربائي التقليدي.
عند استخدام مضخة حرارية، فإن كمية الحرارة Qj التي يتلقاها الجسم الساخن، وليس كمية الحرارة Q2 المعطاة للجسم البارد، هي ذات أهمية عملية. لذلك فإن خاصية المضخة الحرارية هي:
لتشي|
يسمى معامل التسخين ؟ من = .
بالنسبة لآلة مثالية، مع الأخذ في الاعتبار العلاقات (5.12.6) و (5.12.2)، سيكون لدينا Єot=m^V" (5.12.10)
1 1 ~ 1 2
حيث 7"1 هي درجة الحرارة المطلقة للغرفة الساخنة، وG2 هي درجة الحرارة المطلقة للهواء الجوي. وبالتالي، فإن معامل التسخين يكون دائمًا أكبر من الوحدة. بالنسبة للأجهزة الحقيقية عند درجة الحرارة المحيطة t2 = 0 درجة مئوية ودرجة حرارة الغرفة t-l = 25 درجة مئوية єot = 12 كمية الحرارة المنقولة إلى الغرفة أكبر بحوالي 12 مرة من كمية الكهرباء المستهلكة.
الكفاءة القصوى للمحركات الحرارية
(نظرية كارنو)
إن الأهمية الأساسية للصيغة (5.12.2) التي حصل عليها كارنو لكفاءة الآلة المثالية هي أنها تحدد أقصى كفاءة ممكنة لأي محرك حراري.
أثبت كارنو، بناءً على القانون الثاني للديناميكا الحرارية، النظرية التالية: أي محرك حراري حقيقي يعمل بسخان عند درجة حرارة Tt وثلاجة عند درجة حرارة T2 لا يمكن أن يكون له كفاءة تتجاوز كفاءة المحرك الحراري المثالي.
دعونا نفكر أولًا في محرك حراري يعمل في دورة عكسية بغاز حقيقي. يمكن أن تكون الدورة أي شيء، من المهم فقط أن تكون درجات حرارة المدفأة والثلاجة من T1 إلى T2.
لنفترض أن كفاءة محرك حراري آخر (لا يعمل على دورة كارنو) g\" > Г|. تعمل الآلات بسخان مشترك وثلاجة مشتركة. دع آلة كارنو تعمل على دورة عكسية (مثل جهاز التبريد) الآلة) والآلة الأخرى في دورة أمامية (الشكل 5.18) يؤدي المحرك الحراري عملاً مساوٍ، وفقًا للصيغتين (5.12.3) و (5.12.5)
A" = r\"Q[ = ^_,\Q"2\. (5.12.11)
يمكن دائمًا تصميم آلة التبريد بحيث تأخذ كمية الحرارة Q2 = \Q2\ من الثلاجة.

ثم حسب الصيغة (5.12.7) سيتم العمل عليها
أ = (5.12.12)
نظرًا للشرط G|" > m|، ثم A" > A. لذلك، يمكن للمحرك الحراري تشغيل آلة التبريد، وسيظل هناك فائض من العمل المتبقي. يتم هذا العمل الزائد عن طريق الحرارة المأخوذة من مصدر واحد. ففي نهاية المطاف، لا تنتقل الحرارة إلى الثلاجة عندما تعمل آلتان في وقت واحد. لكن هذا يتناقض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
إذا افترضنا أن T| > T|"، ثم يمكنك إجبار آلة أخرى على العمل في دورة عكسية، وآلة كارنو - في دورة أمامية. نصل مرة أخرى إلى تناقض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. وبالتالي، هناك آلتان تعملان في دورات عكسية نفس الكفاءة: r|" = ج|.
الأمر مختلف إذا كانت الآلة الثانية تعمل بدورة لا رجعة فيها. إذا افترضنا G)"> G)، فإننا نصل مرة أخرى إلى تناقض مع القانون الثاني للديناميكا الحرارية. ومع ذلك، الافتراض G)"

هذه هي النتيجة الرئيسية:

(5.12.13)
كفاءة المحركات الحرارية الحقيقية
الصيغة (5.12.13) تعطي الحد النظري لقيمة الكفاءة القصوى للمحركات الحرارية. ويظهر أنه كلما ارتفعت درجة حرارة المدفأة وانخفضت درجة حرارة الثلاجة، زادت كفاءة المحرك الحراري. فقط عند درجة حرارة الثلاجة التي تساوي الصفر المطلق، Г| = 1.
لكن درجة حرارة الثلاجة لا يمكن أن تكون أقل بكثير من درجة الحرارة المحيطة. يمكنك زيادة درجة حرارة السخان. ومع ذلك، فإن أي مادة (جسم صلب) لديها مقاومة محدودة للحرارة، أو مقاومة للحرارة. عند تسخينه، فإنه يفقد تدريجيا خصائصه المرنة، وعند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية يذوب.
الآن تهدف الجهود الرئيسية للمهندسين إلى زيادة كفاءة المحركات عن طريق تقليل احتكاك أجزائها، وفقدان الوقود بسبب الاحتراق غير الكامل، وما إلى ذلك. ولا تزال الفرص الحقيقية لزيادة الكفاءة هنا كبيرة. وهكذا، بالنسبة للتوربينات البخارية، تكون درجات الحرارة الأولية والنهائية للبخار تقريبًا كما يلي: T1 = 800 K وT2 = 300 K. عند درجات الحرارة هذه، تكون القيمة القصوى لمعامل الكفاءة هي
ت1 - ت2
الحد الأقصى = =0.62 = 62%.
تبلغ قيمة الكفاءة الفعلية بسبب أنواع مختلفة من فقدان الطاقة حوالي 40٪. يتم تحقيق أقصى قدر من الكفاءة - حوالي 44٪ - بواسطة محركات الاحتراق الداخلي.
الكفاءة الحرارية أي
لا يمكن للمحرك أن يتجاوز الحد الأقصى
T1~T2
القيمة المحتملة لشاخ = -^-» - مطلقة
11
هي درجة حرارة المدفأة، وT2 هي درجة الحرارة المطلقة
درجة حرارة الثلاجة.
إن زيادة كفاءة المحركات الحرارية وتقريبها إلى الحد الأقصى الممكن هو الأهم
مشكلة فنية.