کارایی دستگاه حرارتی کارایی یک موتور حرارتی موضوعات کد کننده آزمون یکپارچه دولتی: اصول عملکرد موتورهای حرارتی، راندمان موتور حرارتی، موتورهای حرارتی و حفاظت از محیط زیست

عملکرد بسیاری از انواع ماشین ها با شاخص مهمی مانند کارایی موتور حرارتی مشخص می شود. مهندسان هر ساله تلاش می کنند تا فناوری پیشرفته تری ایجاد کنند که با کمترین میزان، حداکثر نتیجه را از استفاده از آن به ارمغان می آورد.

دستگاه موتور حرارتی

قبل از درک چیستی آن، لازم است درک کنیم که این مکانیسم چگونه کار می کند. بدون دانستن اصول عمل آن، پی بردن به ماهیت این شاخص غیرممکن است. موتور حرارتی دستگاهی است که کار را با استفاده از انرژی داخلی انجام می دهد. هر موتور حرارتی که به موتور مکانیکی تبدیل می شود از انبساط حرارتی مواد با افزایش دما استفاده می کند. در موتورهای حالت جامد، نه تنها می توان حجم یک ماده، بلکه شکل بدنه را نیز تغییر داد. عملکرد چنین موتوری تابع قوانین ترمودینامیک است.

اصل عملیات

برای درک نحوه عملکرد یک موتور حرارتی، باید اصول طراحی آن را در نظر گرفت. برای کارکرد دستگاه به دو بدنه گرم (بخاری) و سرد (یخچال، کولر) نیاز است. اصل عملکرد موتورهای حرارتی (بازده موتور حرارتی) به نوع آنها بستگی دارد. اغلب یخچال یک کندانسور بخار است و بخاری هر نوع سوختی است که در جعبه آتش می سوزد. کارایی یک موتور حرارتی ایده آل با فرمول زیر بدست می آید:

کارایی = (Theat - Cool) / Theat. × 100 درصد

در این حالت، بازده یک موتور واقعی هرگز نمی تواند از مقدار بدست آمده طبق این فرمول بیشتر شود. همچنین این رقم هرگز از مقدار فوق فراتر نخواهد رفت. برای افزایش راندمان، اغلب دمای بخاری افزایش و دمای یخچال کاهش می یابد. هر دوی این فرآیندها با شرایط عملیاتی واقعی تجهیزات محدود خواهند شد.

هنگامی که یک موتور حرارتی کار می کند، کار انجام می شود، زیرا گاز شروع به از دست دادن انرژی می کند و تا دمای خاصی خنک می شود. دومی معمولاً چندین درجه بالاتر از جو اطراف است. این دمای یخچال است. این دستگاه ویژه برای خنک کردن و متراکم شدن بعدی بخار خروجی طراحی شده است. در جاهایی که کندانسور وجود دارد، دمای یخچال گاهی کمتر از دمای محیط است.

در یک موتور حرارتی، وقتی بدن گرم می شود و منبسط می شود، نمی تواند تمام انرژی داخلی خود را برای انجام کار صرف کند. مقداری از گرما به همراه یا بخار به یخچال منتقل می شود. این قسمت از گرما به طور اجتناب ناپذیری از بین می رود. در طی احتراق سوخت، سیال کار مقدار مشخصی از گرمای Q 1 را از بخاری دریافت می کند. در همان زمان، همچنان کار A را انجام می دهد، که طی آن بخشی از انرژی حرارتی را به یخچال منتقل می کند: Q 2

راندمان کارایی موتور را در زمینه تبدیل و انتقال انرژی مشخص می کند. این شاخص اغلب به صورت درصد اندازه گیری می شود. فرمول کارایی:

η*A/Qx100% که در آن Q انرژی مصرف شده است، A کار مفید است.

بر اساس قانون پایستگی انرژی می توان نتیجه گرفت که راندمان همیشه کمتر از واحد خواهد بود. به عبارت دیگر، هرگز کار مفیدتر از انرژی صرف شده برای آن وجود نخواهد داشت.

راندمان موتور نسبت کار مفید به انرژی تامین شده توسط بخاری است. می توان آن را به شکل فرمول زیر نشان داد:

η = (Q 1 -Q 2) / Q 1 که در آن Q 1 گرمای دریافتی از بخاری است و Q 2 به یخچال داده می شود.

کارکرد موتور حرارتی

کار انجام شده توسط یک موتور حرارتی با استفاده از فرمول زیر محاسبه می شود:

A = |Q H | - |Q X |، که در آن A کار است، Q H مقدار گرمای دریافتی از بخاری، Q X مقدار گرمای داده شده به کولر است.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

برابر است با نسبت کار انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی. بخشی از انرژی حرارتی در این انتقال از بین می رود.

موتور کارنو

حداکثر راندمان یک موتور حرارتی در دستگاه کارنو مشاهده می شود. این به این دلیل است که در این سیستم فقط به دمای مطلق بخاری (Tn) و کولر (Tx) بستگی دارد. راندمان موتور حرارتی در حال کار با فرمول زیر تعیین می شود:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

قوانین ترمودینامیک محاسبه حداکثر بازده ممکن را ممکن می سازد. این شاخص اولین بار توسط دانشمند و مهندس فرانسوی سادی کارنو محاسبه شد. او یک موتور حرارتی اختراع کرد که با گاز ایده آل کار می کرد. در یک چرخه 2 ایزوترم و 2 آدیابات کار می کند. اصل عملکرد آن بسیار ساده است: یک بخاری به یک ظرف با گاز متصل می شود که در نتیجه سیال کار به صورت همدما منبسط می شود. در عین حال کار می کند و مقدار مشخصی گرما را دریافت می کند. سپس ظرف عایق حرارتی می شود. با وجود این، گاز همچنان به گسترش خود ادامه می دهد، اما به صورت آدیاباتیک (بدون تبادل حرارت با محیط). در این زمان دمای آن تا دمای یخچال کاهش می یابد. در این لحظه گاز با یخچال تماس پیدا می کند و در نتیجه در حین فشردگی ایزومتریک مقدار معینی گرما از خود خارج می کند. سپس ظرف دوباره عایق حرارتی می شود. در این حالت گاز به صورت آدیاباتیک به حجم و حالت اولیه خود فشرده می شود.

انواع

امروزه انواع زیادی از موتورهای حرارتی وجود دارند که بر اساس اصول مختلف و با سوخت های مختلف کار می کنند. همه آنها کارایی خاص خود را دارند. این موارد شامل موارد زیر است:

موتور احتراق داخلی (پیستون) که مکانیزمی است که در آن بخشی از انرژی شیمیایی سوخت سوختن به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. چنین وسایلی می توانند گاز و مایع باشند. موتورهای 2 زمانه و 4 زمانه وجود دارد. آنها می توانند یک چرخه کار مداوم داشته باشند. با توجه به روش تهیه مخلوط سوخت، چنین موتورهایی کاربراتوری (با تشکیل مخلوط خارجی) و دیزلی (با داخلی) هستند. بر اساس نوع مبدل انرژی به پیستونی، جت، توربین و ترکیبی تقسیم می شوند. راندمان چنین ماشین هایی از 0.5 تجاوز نمی کند.

موتور استرلینگ وسیله ای است که در آن سیال کار در فضایی محدود قرار می گیرد. این یک نوع موتور احتراق خارجی است. اصل عملکرد آن بر اساس سرد کردن/گرمایش دوره ای بدن با تولید انرژی به دلیل تغییر حجم آن است. این یکی از کارآمدترین موتورها است.

موتور توربین (دوار) با احتراق خارجی سوخت. چنین تاسیساتی اغلب در نیروگاه های حرارتی یافت می شود.

موتورهای احتراق داخلی توربین (دوار) در نیروگاه های حرارتی در حالت پیک استفاده می شوند. به اندازه دیگران گسترده نیست.

یک موتور توربین بخشی از نیروی رانش خود را از طریق پروانه خود ایجاد می کند. بقیه را از گازهای خروجی به دست می آورد. طراحی آن یک موتور دوار است که روی شفت آن یک پروانه نصب شده است.

انواع دیگر موتورهای حرارتی

راکت، توربوجت و آنهایی که در اثر برگشت گازهای اگزوز نیروی رانش دریافت می کنند.

موتورهای حالت جامد از ماده جامد به عنوان سوخت استفاده می کنند. در حین کار، حجم آن نیست که تغییر می کند، بلکه شکل آن است. هنگام کار با تجهیزات، از اختلاف دمای بسیار کم استفاده می شود.

چگونه می توانید کارایی را افزایش دهید

آیا افزایش راندمان موتور حرارتی امکان پذیر است؟ پاسخ را باید در ترمودینامیک جستجو کرد. او تحولات متقابل انواع مختلف انرژی را مطالعه می کند. مشخص شده است که تمام مکانیکی های موجود و غیره قابل استفاده نیستند در عین حال تبدیل آنها به حرارتی بدون هیچ محدودیتی انجام می شود. این امر به دلیل این واقعیت امکان پذیر است که ماهیت انرژی حرارتی بر اساس حرکت نامنظم (آشوب) ذرات است.

هرچه بدن بیشتر گرم شود، مولکول های تشکیل دهنده آن سریعتر حرکت می کنند. حرکت ذرات حتی نامنظم تر خواهد شد. در کنار این، همه می دانند که نظم به راحتی می تواند به هرج و مرج تبدیل شود که سفارش دادن آن بسیار دشوار است.

سرفصل های کد آزمون دولتی واحد: اصول عملکرد موتورهای حرارتی، راندمان موتورهای حرارتی، موتورهای حرارتی و حفاظت از محیط زیست.

به طور خلاصه، موتورهای حرارتیتبدیل گرما به کار یا برعکس، کار به گرما.
موتورهای حرارتی بسته به جهت فرآیندهایی که در آنها اتفاق می افتد، در دو نوع تولید می شوند.

1. موتورهای حرارتیتبدیل گرمای حاصل از یک منبع خارجی به کار مکانیکی.

2. ماشین آلات تبریدبه دلیل کار مکانیکی یک منبع خارجی، گرما را از یک جسم کمتر به جسم گرمتر منتقل می کند.

اجازه دهید این نوع موتورهای حرارتی را با جزئیات بیشتری در نظر بگیریم.

موتورهای حرارتی

می دانیم که انجام کار روی یک جسم یکی از راه های تغییر انرژی درونی آن است: به نظر می رسد کار انجام شده در بدن حل می شود و به انرژی حرکت تصادفی و برهم کنش ذرات آن تبدیل می شود.

برنج. 1. موتور حرارتی

یک موتور حرارتی وسیله ای است که برعکس، کار مفیدی را از انرژی درونی "آشوب" بدن استخراج می کند. اختراع موتور حرارتی چهره تمدن بشر را به طور اساسی تغییر داد.

نمودار شماتیک یک موتور حرارتی را می توان به صورت زیر نشان داد (شکل 1). بیایید بفهمیم که عناصر این نمودار به چه معناست.

سیال کارموتور گازی است منبسط می شود، پیستون را حرکت می دهد و در نتیجه کار مکانیکی مفیدی را انجام می دهد.

اما برای اینکه گاز را مجبور به انبساط با غلبه بر نیروهای خارجی کنیم، باید آن را تا دمایی گرم کرد که به طور قابل توجهی بالاتر از دمای محیط باشد. برای انجام این کار، گاز با آن در تماس است بخاری- سوزاندن سوخت

در طی احتراق سوخت، انرژی قابل توجهی آزاد می شود که بخشی از آن برای گرم کردن گاز استفاده می شود. گاز مقداری گرما از بخاری دریافت می کند. به دلیل این گرما است که موتور کار مفیدی انجام می دهد.

این همه روشن است. یخچال چیست و چرا به آن نیاز است؟

با یک انبساط گاز، می‌توانیم از گرمای ورودی تا حد امکان بهینه استفاده کنیم و آن را کاملاً به کار تبدیل کنیم. برای انجام این کار، باید گاز را به صورت همدما منبسط کنیم: همانطور که می دانیم اولین قانون ترمودینامیک در این مورد به ما می دهد.

اما هیچ کس نیازی به گسترش یکباره ندارد. موتور باید روشن باشد به صورت چرخه ای، اطمینان از تکرار دوره ای حرکات پیستون. بنابراین، پس از اتمام انبساط، گاز باید فشرده شود و آن را به حالت اولیه بازگرداند.

در طول فرآیند انبساط، گاز کار مثبتی انجام می دهد. در طی فرآیند فشرده سازی، کار مثبت روی گاز انجام می شود (و خود گاز کار منفی انجام می دهد). در نتیجه کار مفید گاز در هر سیکل عبارت است از: .

البته باید class="tex" alt="A>0 باشد"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}

هنگام فشرده سازی یک گاز، باید کار کمتری نسبت به گاز در حین انبساط انجام دهیم.

چگونه می توان به این امر دست یافت؟ پاسخ: گاز را تحت فشار کمتری نسبت به زمان انبساط فشرده کنید. به عبارت دیگر، در نمودار - فرآیند فشرده سازی باید ادامه یابد زیرفرآیند گسترش، یعنی چرخه باید طی شود در جهت عقربه های ساعت(شکل 2).

برنج. 2. چرخه موتور حرارتی

به عنوان مثال، در چرخه شکل، کار انجام شده توسط گاز در هنگام انبساط برابر با مساحت ذوزنقه منحنی است. به طور مشابه، کار انجام شده توسط یک گاز در هنگام فشرده سازی برابر است با مساحت یک ذوزنقه منحنی با علامت منفی. در نتیجه، کار انجام شده توسط گاز در هر چرخه مثبت و برابر با مساحت چرخه است.

خوب، اما چگونه گاز را مجبور می کنید که در امتداد یک منحنی پایین تر، یعنی از طریق حالت هایی با فشار کمتر، به حالت اولیه خود بازگردد؟ به یاد داشته باشید که برای یک حجم معین، هر چه دما کمتر باشد، فشار گاز کمتر می شود. بنابراین، هنگام فشرده شدن، گاز باید از حالت هایی با دمای پایین تر عبور کند.

این دقیقا همان چیزی است که یخچال برای آن است: به باحالگاز در فرآیند فشرده سازی

کولر می تواند جو (برای موتورهای احتراق داخلی) یا خنک کننده آب جاری (برای توربین های بخار) باشد. گاز وقتی خنک شد مقداری گرما به یخچال می دهد.

مقدار کل گرمای دریافتی توسط گاز در هر چرخه برابر است با . طبق قانون اول ترمودینامیک:

تغییر انرژی داخلی گاز در هر چرخه کجاست. برابر با صفر است: از آنجایی که گاز به حالت اولیه خود بازگشته است (و انرژی داخلی، همانطور که به یاد داریم، تابع حالت). در نتیجه، کار گاز در هر چرخه برابر است با:

(1)

همانطور که می بینید، نمی توان گرمای حاصل از بخاری را به طور کامل به کار تبدیل کرد. بخشی از گرما باید به یخچال داده شود تا از ماهیت چرخه ای فرآیند اطمینان حاصل شود.

شاخص کارایی تبدیل انرژی سوختن سوخت به کار مکانیکی، راندمان موتور حرارتی است.

راندمان موتور حرارتینسبت کار مکانیکی به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است:

با در نظر گرفتن رابطه (1) نیز داریم

(2)

راندمان یک موتور حرارتی، همانطور که می بینیم، همیشه کمتر از واحد است. به عنوان مثال، راندمان توربین های بخار تقریباً و راندمان موتورهای احتراق داخلی تقریباً است.

ماشین های تبرید

تجربیات روزمره و آزمایش‌های فیزیکی به ما می‌گویند که در فرآیند تبادل گرما، گرما از جسم گرم‌تر به جسمی که حرارت کمتری دارد منتقل می‌شود، اما برعکس. فرآیندهایی که در آن به دلیل تبادل حرارت، انرژی خود به خوداز یک جسم سرد به یک جسم گرم می رسد، در نتیجه جسم سرد بیشتر سرد می شود و بدن گرم بیشتر گرم می شود.

برنج. 3. یخچال

کلمه کلیدی در اینجا "خود به خودی" است. اگر از یک منبع خارجی انرژی استفاده می کنید، می توانید فرآیند انتقال گرما از یک جسم سرد به یک جسم گرم را انجام دهید. این کاری است که یخچال ها انجام می دهند
ماشین ها

در مقایسه با یک موتور حرارتی، فرآیندها در یک ماشین تبرید در جهت مخالف هستند (شکل 3).

سیال کاردستگاه تبرید نیز نامیده می شود مبرد. برای سادگی، آن را گازی در نظر می گیریم که در حین انبساط گرما را جذب می کند و در حین تراکم آزاد می کند (در واحدهای تبرید واقعی، مبرد محلولی فرار با نقطه جوش کم است که در هنگام تبخیر گرما را جذب می کند و در هنگام تراکم آزاد می کند).

یخچالدر دستگاه تبرید، بدنه ای است که گرما از آن خارج می شود. یخچال مقداری گرما را به سیال کار (گاز) منتقل می کند و باعث انبساط گاز می شود.

در طول فشرده سازی، گاز گرما را به جسم داغتر منتقل می کند - بخاری. برای اینکه چنین انتقال حرارتی رخ دهد، گاز باید در دماهای بالاتری نسبت به زمان انبساط فشرده شود. این تنها به دلیل کار انجام شده توسط یک منبع خارجی (به عنوان مثال، یک موتور الکتریکی) امکان پذیر است (در واحدهای تبرید واقعی، موتور الکتریکی فشار کمی را در اواپراتور ایجاد می کند، در نتیجه مبرد می جوشد و گرما را از بین می برد. برعکس، در کندانسور موتور الکتریکی فشار بالایی ایجاد می کند که تحت آن مبرد متراکم می شود و گرما آزاد می کند)). بنابراین، مقدار حرارتی که به بخاری منتقل می شود، دقیقاً به اندازه مقدار زیر بیشتر از مقدار گرمای گرفته شده از یخچال است:

بنابراین، در نمودار - چرخه کار دستگاه تبرید می رود خلاف جهت عقربه های ساعت. منطقه چرخه کاری است که توسط یک منبع خارجی انجام می شود (شکل 4).

برنج. 4. چرخه یخچال

هدف اصلی یک دستگاه تبرید خنک کردن یک مخزن خاص (مثلاً یک فریزر) است. در این حالت، این مخزن نقش یک یخچال را بازی می کند و محیط به عنوان یک بخاری عمل می کند - گرمای خارج شده از مخزن به داخل آن پراکنده می شود.

شاخص کارایی دستگاه تبرید می باشد ضریب عملکردبرابر با نسبت گرمای خارج شده از یخچال به کار منبع خارجی:

ضریب تبرید می تواند بیشتر از یک باشد. در یخچال های واقعی از 1 تا 3 مقدار می گیرد.

یک برنامه جالب دیگر وجود دارد: یک دستگاه تبرید می تواند به عنوان کار کند پمپ حرارتی. سپس هدف آن گرم کردن یک مخزن خاص (مثلاً گرم کردن یک اتاق) به دلیل گرمای خارج شده از محیط است. در این صورت این مخزن بخاری و محیط یخچال خواهد بود.

شاخص کارایی یک پمپ حرارتی است ضریب گرمایشبرابر با نسبت مقدار گرمای منتقل شده به مخزن گرم شده به کار منبع خارجی:

مقادیر ضریب گرمایش پمپ های حرارتی واقعی معمولاً در محدوده 3 تا 5 است.

موتور حرارتی کارنو

ویژگی های مهم یک موتور حرارتی بالاترین و کمترین دمای سیال کار در طول چرخه است. این مقادیر بر این اساس نامیده می شوند دمای بخاریو دمای یخچال.

ما دیدیم که راندمان یک موتور حرارتی به شدت کمتر از واحد است. یک سوال طبیعی مطرح می شود: بیشترین بازده ممکن یک موتور حرارتی با مقادیر ثابت دمای بخاری و دمای یخچال چقدر است؟

به عنوان مثال حداکثر دمای سیال کار موتور و حداقل - . حد تئوری بازده چنین موتوری چقدر است؟

پاسخ این سوال را سعدی کارنو، فیزیکدان و مهندس فرانسوی در سال 1824 داد.

او یک موتور حرارتی قابل توجه با گاز ایده آل به عنوان سیال کار اختراع و تحقیق کرد. این دستگاه مطابق با چرخه کارنو، متشکل از دو ایزوترم و دو آدیابات.

در نظر بگیریم چرخه مستقیمماشین کارنو در جهت عقربه های ساعت حرکت می کند (شکل 5). در این حالت، دستگاه به عنوان یک موتور حرارتی عمل می کند.

برنج. 5. چرخه کارنو

ایزوترم. در این مرحله، گاز با یک گرم کننده دما در تماس حرارتی قرار می گیرد و به صورت همدما منبسط می شود. مقداری گرما از بخاری می آید و در این قسمت کاملاً به کار تبدیل می شود: .

آدیاباتا. برای فشرده سازی بعدی، انتقال گاز به منطقه ای با دمای پایین تر ضروری است. برای انجام این کار، گاز عایق حرارتی می شود و سپس به صورت آدیاباتیک در ناحیه منبسط می شود.

هنگام انبساط گاز کار مثبت انجام می دهد و به همین دلیل انرژی داخلی آن کاهش می یابد: .

ایزوترم. عایق حرارتی برداشته می شود، گاز با یک یخچال درجه حرارت در تماس حرارتی قرار می گیرد. فشرده سازی ایزوترمال رخ می دهد. گاز گرما را به یخچال منتقل می کند و کار منفی انجام می دهد.

آدیاباتا. این بخش برای بازگشت گاز به حالت اولیه ضروری است. در حین فشرده سازی آدیاباتیک، گاز کار منفی انجام می دهد و تغییر انرژی درونی مثبت است: . گاز تا دمای اولیه خود گرم می شود.

کارنو کارایی این چرخه را پیدا کرد (متاسفانه محاسبات فراتر از محدوده برنامه درسی مدرسه است):

(3)

علاوه بر این، او این را ثابت کرد راندمان چرخه کارنو برای همه موتورهای حرارتی با دمای بخاری و دمای خنک‌تر حداکثر ممکن است .

بنابراین، در مثال بالا داریم:

استفاده از ایزوترم ها و آدیابات ها و نه برخی فرآیندهای دیگر چه فایده ای دارد؟

به نظر می رسد که فرآیندهای همدما و آدیاباتیک یک ماشین کارنو را می سازند برگشت پذیر. می توان آن را راه اندازی کرد چرخه معکوس(در خلاف جهت عقربه های ساعت) بین همان بخاری و یخچال، بدون دخالت دستگاه های دیگر. در این صورت دستگاه کارنو به عنوان یک دستگاه تبرید عمل خواهد کرد.

توانایی اجرای ماشین کارنو در هر دو جهت نقش بسیار مهمی در ترمودینامیک دارد. به عنوان مثال، این واقعیت به عنوان پیوندی در اثبات حداکثر بازده چرخه کارنو عمل می کند. در مقاله بعدی در مورد قانون دوم ترمودینامیک به این موضوع باز خواهیم گشت.

موتورهای حرارتی و حفاظت از محیط زیست

موتورهای حرارتی آسیب جدی به محیط زیست وارد می کنند. استفاده گسترده از آنها منجر به تعدادی از اثرات منفی می شود.

اتلاف مقدار زیادی انرژی حرارتی در جو منجر به افزایش دما در سیاره می شود. گرم شدن آب و هوا منجر به ذوب شدن یخچال های طبیعی و بلایای فاجعه آمیز می شود.
گرم شدن آب و هوا نیز ناشی از تجمع دی اکسید کربن در جو است که سرعت فرار تشعشعات حرارتی زمین به فضا (اثر گلخانه ای) را کاهش می دهد.
به دلیل غلظت بالای محصولات احتراق سوخت، وضعیت زیست محیطی در حال بدتر شدن است.

اینها مشکلاتی در مقیاس کل تمدن است. برای مبارزه با اثرات مضر موتورهای حرارتی، افزایش کارایی آنها، کاهش انتشار سموم، توسعه انواع جدید سوخت و مصرف کم انرژی ضروری است.

چرخه کارنو- یک فرآیند دایره ای برگشت پذیر که در آن گرما به کار (یا کار به گرما) تبدیل می شود. این شامل متوالی متناوب دو فرآیند همدما و بیادیاباتیک است که در آن سیال عامل یک گاز ایده آل است. اولین بار توسط N. L. S. Carnot (1824) در ارتباط با تعیین بازده ماشین های حرارتی مورد توجه قرار گرفت. چرخه کارنو کارآمدترین چرخه است، حداکثر کارایی را دارد.

کارایی چرخه کارنو:

این نشان می دهد که بازده چرخه کارنو با گاز ایده آل فقط به دمای بخاری (Tn) و یخچال (Tx) بستگی دارد.

نتایج زیر از معادله به دست می آید:

1. برای افزایش راندمان موتور حرارتی، باید دمای بخاری را افزایش دهید و دمای یخچال را کاهش دهید.

2. راندمان موتور حرارتی همیشه کمتر از 1 است.

چرخه کارنوقابل برگشت است، زیرا تمام اجزای آن فرآیندهای تعادلی هستند.

سوال 20:

ساده ترین و از نظر کیفی که رفتار یک گاز واقعی را به درستی منعکس می کند، معادله واندروالس است.

معادله حالت گاز واندروالس- معادله ای که مقادیر اصلی ترمودینامیکی را در مدل گازی واندروالس به هم متصل می کند.

اگرچه مدل گاز ایده آل رفتار گازهای واقعی را در فشارهای پایین و دماهای بالا به خوبی توصیف می کند، در شرایط دیگر توافق آن با آزمایش بسیار بدتر است. به ویژه، این در این واقعیت آشکار می شود که گازهای واقعی را می توان به حالت مایع و حتی جامد تبدیل کرد، اما گازهای ایده آل نمی توانند.

معادله حرارتی حالت (یا اغلب به سادگی معادله حالت) رابطه بین فشار، حجم و دما است.

برای یک خالگاز واندروالس به شکلی است.

سیال کار با دریافت مقدار مشخصی از گرمای Q 1 از هیتر، بخشی از این مقدار گرما را برابر مدول |Q2| به یخچال می دهد. بنابراین، کار انجام شده نمی تواند بزرگتر باشد A = Q 1- | س 2 |.نسبت این کار به مقدار گرمای دریافتی توسط گاز در حال انبساط از بخاری نامیده می شود بهره وری موتور حرارتی:

راندمان یک موتور حرارتی که در یک سیکل بسته کار می کند همیشه کمتر از یک است. وظیفه مهندسی برق حرارتی این است که راندمان را تا حد امکان بالا ببرد، یعنی تا حد امکان از گرمای دریافتی از بخاری برای تولید کار استفاده کند. چگونه می توان به این امر دست یافت؟
برای اولین بار، کامل ترین فرآیند چرخه ای، متشکل از ایزوترم ها و آدیابات ها، توسط فیزیکدان و مهندس فرانسوی اس. کارنو در سال 1824 ارائه شد.

چرخه کارنو

فرض کنید گاز در یک سیلندر است که دیواره ها و پیستون آن از ماده عایق حرارتی و قسمت پایینی آن از ماده ای با رسانایی حرارتی بالا ساخته شده است. حجم اشغال شده توسط گاز برابر است با V 1.

شکل 2

بیایید سیلندر را با بخاری در تماس قرار دهیم (شکل 2) و به گاز فرصت انبساط همدما و انجام کار بدهیم. . گاز مقدار معینی گرما را از بخاری دریافت می کند س 1.این فرآیند به صورت گرافیکی با یک ایزوترم (منحنی AB).

شکل 3

وقتی حجم گاز برابر با مقدار معینی شود V 1'< V 2 , پایین سیلندر از بخاری جدا شده است , پس از این، گاز به صورت آدیاباتیک به حجم منبسط می شود V 2,مربوط به حداکثر حرکت ممکن پیستون در سیلندر (آدیاباتیک خورشید). در این حالت گاز تا دمایی خنک می شود T 2< T 1 .
اکنون گاز خنک شده را می توان به صورت همدما در یک دما فشرده کرد T2.برای انجام این کار، باید با جسمی که دمای یکسانی دارد در تماس باشد T 2،یعنی با یخچال , و گاز را توسط یک نیروی خارجی فشرده کنید. با این حال، در این فرآیند، گاز به حالت اولیه خود باز نخواهد گشت - دمای آن همیشه کمتر از آن خواهد بود T 1.
بنابراین، فشرده سازی همدما به یک حجم متوسط ​​معین می رسد V 2 '> V 1(ایزوترم سی دی). در این حالت گاز مقداری گرما به یخچال می دهد Q2،برابر با کار فشرده سازی انجام شده بر روی آن است. پس از این، گاز به صورت آدیاباتیک به یک حجم فشرده می شود V 1,در همان زمان دمای آن افزایش می یابد T 1(آدیاباتیک D.A.). اکنون گاز به حالت اولیه خود بازگشته است که در آن حجم آن برابر است با V 1، دما - T1،فشار - ص 1، و چرخه را می توان دوباره تکرار کرد.

بنابراین، در سایت ABCگاز کار می کند (A > 0)و در سایت CDAکار انجام شده روی گاز (الف< 0). در سایت ها خورشیدو پس از میلادکار فقط با تغییر انرژی داخلی گاز انجام می شود. از زمان تغییر انرژی درونی UBC = – UDA، سپس کار در طول فرآیندهای آدیاباتیک برابر است: ABC = –ADA.در نتیجه، کل کار انجام شده در هر چرخه با تفاوت در کار انجام شده در طی فرآیندهای همدما تعیین می شود (بخش ها ABو سی دی). از نظر عددی، این کار برابر است با مساحت شکل محدود شده توسط منحنی چرخه ABCD.
تنها بخشی از مقدار گرما در واقع به کار مفید تبدیل می شود QT،دریافت شده از بخاری، برابر با QT 1 – |QT 2 |.بنابراین، در چرخه کارنو، کار مفید است A = QT 1– |QT 2 |.
حداکثر راندمان یک سیکل ایده آل، همانطور که توسط S. Carnot نشان داده شده است، می تواند بر حسب دمای بخاری بیان شود. (T 1)و یخچال (T 2):

در موتورهای واقعی نمی توان چرخه ای متشکل از فرآیندهای همدما و آدیاباتیک ایده آل را پیاده سازی کرد. بنابراین، راندمان چرخه انجام شده در موتورهای واقعی همیشه کمتر از راندمان چرخه کارنو (در دمای یکسان بخاری و یخچال) است.

فرمول نشان می دهد که هر چه دمای بخاری بالاتر و دمای یخچال کمتر باشد، راندمان موتور بیشتر می شود.

کارنو نیکلاس لئونارد سادی (1796-1832) - مهندس و فیزیکدان با استعداد فرانسوی، یکی از بنیانگذاران ترمودینامیک. او در کار خود "تاملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" (1824) برای اولین بار نشان داد که موتورهای حرارتی فقط در فرآیند انتقال گرما از یک جسم گرم به یک جسم سرد می توانند کار کنند. کارنو یک موتور حرارتی ایده آل ارائه کرد، بازده ماشین ایده آل را محاسبه کرد و ثابت کرد که این ضریب حداکثر ممکن برای هر موتور حرارتی واقعی است.
به عنوان کمکی به تحقیقات خود، کارنو (روی کاغذ) در سال 1824 یک موتور حرارتی ایده آل با گاز ایده آل به عنوان سیال کار اختراع کرد. نقش مهم موتور کارنو نه تنها در کاربرد عملی احتمالی آن نهفته است، بلکه در این واقعیت است که به ما اجازه می دهد تا اصول عملکرد موتورهای حرارتی را به طور کلی توضیح دهیم. به همان اندازه مهم است که کارنو با کمک موتور خود توانست سهم قابل توجهی در اثبات و درک قانون دوم ترمودینامیک داشته باشد. تمامی فرآیندها در ماشین کارنو به عنوان تعادل (برگشت پذیر) در نظر گرفته می شوند. فرآیند برگشت پذیر فرآیندی است که به قدری آهسته پیش می رود که می توان آن را به عنوان یک انتقال متوالی از یک حالت تعادلی به حالت دیگر و غیره در نظر گرفت و کل این فرآیند را می توان در جهت مخالف بدون تغییر کار انجام شده و مقدار آن انجام داد. حرارت منتقل شده (توجه داشته باشید که تمام فرآیندهای واقعی برگشت ناپذیر هستند) یک فرآیند یا چرخه دایره ای در ماشین انجام می شود که در آن سیستم پس از یک سری تبدیل به حالت اولیه خود باز می گردد. چرخه کارنو از دو ایزوترم و دو آدیابات تشکیل شده است. منحنی های A - B و C - D ایزوترم هستند و B - C و D - A آدیابات هستند. ابتدا گاز در دمای T 1 به صورت همدما منبسط می شود. در عین حال مقدار حرارت Q 1 را از بخاری دریافت می کند. سپس به صورت آدیاباتیک منبسط می شود و حرارت را با اجسام اطراف مبادله نمی کند. به دنبال آن فشرده سازی همدما گاز در دمای T2 انجام می شود. در این فرآیند گاز مقدار حرارت Q 2 را به یخچال منتقل می کند. در نهایت گاز به صورت آدیاباتیک فشرده شده و به حالت اولیه خود باز می گردد. در طول انبساط همدما، گاز کار A" 1 > 0 را انجام می دهد، برابر با مقدار گرما Q 1. با انبساط آدیاباتیک B - C، کار مثبت A" 3 برابر است با کاهش انرژی داخلی هنگامی که گاز از دما سرد می شود. T 1 تا دمای T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2). فشردگی همدما در دمای T 2 نیاز به انجام کار A 2 روی گاز دارد. گاز به همان نسبت کار منفی انجام می دهد. A" 2 = -A 2 = Q 2. در نهایت، فشرده سازی آدیاباتیک نیاز به کار روی گاز A 4 = dU 2.1 دارد. کار خود گاز A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). بنابراین، کل کار گاز طی دو فرآیند آدیاباتیک صفر است. در طول چرخه، گاز کار می کند A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. این کار از نظر عددی برابر است با مساحت شکل محدود شده توسط منحنی چرخه برای محاسبه بازده، محاسبه کار برای فرآیندهای همدما A - B و C - D ضروری است. محاسبات منجر به نتیجه زیر می شود: (2) راندمان موتور حرارتی کارنو برابر است با نسبت اختلاف دمای مطلق بخاری و یخچال به دمای مطلق بخاری. اهمیت اصلی فرمول کارنو (2) برای کارایی یک ماشین ایده آل این است که حداکثر بازده ممکن هر موتور حرارتی را تعیین می کند. کارنو قضیه زیر را اثبات کرد: هر موتور حرارتی واقعی که با بخاری در دمای T 1 و یخچال در دمای T 2 کار می کند، نمی تواند بازدهی بیش از بازده موتور حرارتی ایده آل داشته باشد.
	در چرخه اتو، مخلوط کار ابتدا به داخل سیلندر 1-2 مکیده می شود، سپس فشرده سازی آدیاباتیک 2-3 و پس از احتراق ایزوکوریک آن 3-4، همراه با افزایش دما و فشار محصولات احتراق، انبساط آدیاباتیک آنها می شود. 4-5 رخ می دهد، سپس یک افت فشار ایزوکوریک 5-2 و خروج ایزوباریک گازهای خروجی توسط پیستون 2-1. از آنجایی که هیچ کاری روی ایزوکورها انجام نمی شود و کار در حین مکش مخلوط کاری و خروج گازهای خروجی مساوی و مخالف علامت است، کار مفید برای یک سیکل برابر است با اختلاف کار روی آدیابات های انبساط و فشرده سازی و به صورت گرافیکی با ناحیه چرخه نشان داده می شود.
در مقایسه بازده یک موتور حرارتی واقعی با راندمان چرخه کارنو، باید توجه داشت که در بیان (2) دمای T 2 در موارد استثنایی ممکن است با دمای محیطی که برای یخچال در نظر می گیریم مطابقت داشته باشد، اما در در حالت کلی از دمای محیط فراتر می رود. بنابراین، برای مثال، در موتورهای احتراق داخلی، T2 باید به عنوان دمای گازهای خروجی درک شود، نه دمای محیطی که اگزوز در آن تولید می شود.
	شکل چرخه یک موتور احتراق داخلی چهار زمانه با احتراق ایزوباریک (سیکل دیزل) را نشان می دهد. برخلاف چرخه قبلی، در بخش 1-2 جذب می شود. هوای اتمسفر، که در بخش 2-3 تا 3 10 6 -3 10 5 Pa تحت فشار آدیاباتیک قرار می گیرد. سوخت مایع تزریق شده در محیطی با هوای بسیار فشرده و در نتیجه گرم شده مشتعل می شود و به صورت ایزوبار 3-4 می سوزد و سپس انبساط آدیاباتیک محصولات احتراق 4-5 رخ می دهد. فرآیندهای باقیمانده 5-2 و 2-1 به همان روشی که در چرخه قبلی انجام شد ادامه می یابد. لازم به یادآوری است که در موتورهای احتراق داخلی چرخه ها به صورت مشروط بسته می شوند ، زیرا قبل از هر چرخه سیلندر با جرم خاصی از ماده کاری پر می شود که در پایان چرخه از سیلندر خارج می شود.
اما دمای یخچال عملا نمی تواند خیلی کمتر از دمای محیط باشد. می توانید دمای بخاری را افزایش دهید. با این حال، هر ماده (جسم جامد) مقاومت حرارتی یا مقاومت حرارتی محدودی دارد. هنگامی که گرم می شود، به تدریج خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد و در دمای به اندازه کافی بالا ذوب می شود. در حال حاضر تلاش اصلی مهندسان در جهت افزایش راندمان موتورها از طریق کاهش اصطکاک قطعات آنها، تلفات سوخت ناشی از احتراق ناقص و غیره است. فرصت های واقعی برای افزایش راندمان در اینجا هنوز عالی است. بنابراین، برای یک توربین بخار، دمای اولیه و نهایی بخار تقریباً به شرح زیر است: T 1 = 800 K و T 2 = 300 K. در این دماها، حداکثر مقدار ضریب راندمان است: مقدار بازده واقعی ناشی از انواع تلفات انرژی تقریباً 40٪ است. حداکثر بازده - حدود 44٪ - توسط موتورهای احتراق داخلی به دست می آید. راندمان هر موتور حرارتی نمی تواند از حداکثر مقدار ممکن تجاوز کند که در آن T 1 دمای مطلق بخاری و T 2 دمای مطلق یخچال است. افزایش راندمان موتورهای حرارتی و نزدیک کردن آن به حداکثر ممکن، مهمترین وظیفه فنی است.

نابرابری کلازیوس

(1854): مقدار گرمای بدست آمده توسط یک سیستم در هر فرآیند دایره ای، تقسیم بر دمای مطلقی که در آن دریافت می شود. داده شده استمقدار گرما) غیر مثبت.

مقدار گرمای عرضه شده به صورت شبه استاتیکیدریافت شده توسط سیستم به مسیر انتقال (که فقط با حالت های اولیه و نهایی سیستم تعیین می شود) بستگی ندارد - برای شبه استاتیک فرآیندهانابرابری کلازیوس تبدیل می شود برابری .

آنتروپی، تابع حالت اسسیستم ترمودینامیکی که تغییر آن dSزیرا یک تغییر بی نهایت کوچک برگشت پذیر در وضعیت سیستم برابر است با نسبت مقدار گرمای دریافتی توسط سیستم در این فرآیند (یا برداشته شده از سیستم) به دمای مطلق. T:

بزرگی dSیک دیفرانسیل کامل است، یعنی ادغام آن در امتداد هر مسیری که به طور دلخواه انتخاب شده است، تفاوت بین مقادیر را نشان می دهد آنتروپیدر ابتدایی (A) و پایانی (B) می گوید:

گرما تابعی از حالت نیست، بنابراین انتگرال δQ به مسیر انتقال انتخاب شده بین حالت های A و B بستگی دارد. آنتروپیاندازه گیری شده در J/(mol deg).

مفهوم آنتروپیبه عنوان تابعی از وضعیت سیستم فرض می شود قانون دوم ترمودینامیک، که از طریق بیان می شود آنتروپیتفاوت بین فرآیندهای برگشت ناپذیر و برگشت پذیر. برای اولین dS>δQ/T برای دوم dS=δQ/T.

آنتروپی به عنوان یک تابع انرژی درونی Uسیستم، حجم V و تعداد مول ها n من iمؤلفه یک تابع مشخصه است (نگاه کنید به. پتانسیل های ترمودینامیکی). این نتیجه قانون اول و دوم ترمودینامیک است و توسط معادله نوشته شده است:

کجا r - فشار، μ i - پتانسیل شیمیایی منجزء ام مشتقات آنتروپیتوسط متغیرهای طبیعی U، Vو n منبرابر هستند:

فرمول های ساده به هم متصل می شوند آنتروپیبا ظرفیت گرمایی در فشار ثابت S pو حجم ثابت C v:

با استفاده از آنتروپیشرایط برای دستیابی به تعادل ترمودینامیکی یک سیستم در انرژی داخلی ثابت، حجم و تعداد مول ها فرموله شده است. منجزء ام (سیستم ایزوله) و شرایط پایداری برای چنین تعادلی:

این به این معنی است که آنتروپییک سیستم ایزوله در حالت تعادل ترمودینامیکی به حداکثر می رسد. فرآیندهای خود به خودی در سیستم فقط می توانند در جهت افزایش رخ دهند آنتروپی.

آنتروپی به گروهی از توابع ترمودینامیکی به نام توابع ماسیه پلانک تعلق دارد. توابع دیگر متعلق به این گروه تابع Massier است اف 1 = S - (1/T)Uو تابع پلانک F 2 = S - (1/T)U - (p/T)Vرا می توان با اعمال تبدیل لژاندر به آنتروپی به دست آورد.

طبق قانون سوم ترمودینامیک (نگاه کنید به قضیه حرارتی)، تغییر دهید آنتروپیدر یک واکنش شیمیایی برگشت پذیر بین مواد در حالت متراکم به صفر میل می کند تی→0:

فرض پلانک (یک فرمول جایگزین قضیه حرارتی) بیان می کند که آنتروپیهر ترکیب شیمیایی در حالت متراکم در دمای صفر مطلق مشروط به صفر است و می توان آن را به عنوان نقطه شروع در هنگام تعیین مقدار مطلق در نظر گرفت. آنتروپیمواد در هر دمایی معادلات (1) و (2) تعریف می کنند آنتروپیتا یک مدت ثابت

در مواد شیمیایی ترمودینامیکمفاهیم زیر به طور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند: استاندارد آنتروپی S 0، یعنی آنتروپیدر فشار r=1.01·10 5 Pa (1 atm); استاندارد آنتروپیواکنش شیمیایی یعنی تفاوت استاندارد آنتروپی هامحصولات و معرف ها؛ مولر جزئی آنتروپیجزء یک سیستم چند جزئی

برای محاسبه تعادل شیمیایی از فرمول استفاده کنید:

کجا به - ثابت تعادل، و - به ترتیب استاندارد انرژی گیبسآنتالپی و آنتروپی واکنش. آر- ثابت گاز

تعریف مفهوم آنتروپیبرای یک سیستم غیرتعادلی مبتنی بر ایده تعادل ترمودینامیکی محلی است. تعادل محلی به معنای تحقق معادله (3) برای حجم های کوچک یک سیستم است که به طور کلی غیرتعادلی است (نگاه کنید به. ترمودینامیک فرآیندهای برگشت ناپذیر). در طی فرآیندهای برگشت ناپذیر در سیستم، تولید (وقوع) می تواند رخ دهد آنتروپی. دیفرانسیل کامل آنتروپیدر این مورد توسط نابرابری کارنو-کلوزیوس تعیین می شود:

کجا dS i > 0 - دیفرانسیل آنتروپی، مربوط به جریان گرما نیست بلکه به دلیل تولید است آنتروپیبه دلیل فرآیندهای برگشت ناپذیر در سیستم ( انتشار. هدایت حرارتی، واکنش های شیمیایی و غیره). تولید محلی آنتروپی (تی- زمان) به عنوان مجموع حاصل از نیروهای ترمودینامیکی تعمیم یافته X نشان داده می شود منبه جریان های ترمودینامیکی تعمیم یافته جی آی:

تولید آنتروپیبه عنوان مثال، به دلیل انتشار یک جزء منبه دلیل نیرو و جریان ماده جی; تولید آنتروپیبه دلیل یک واکنش شیمیایی - با زور X=A/T، کجا الفمیل ترکیبی شیمیایی و جریان جیبرابر با سرعت واکنش در ترمودینامیک آماری آنتروپیسیستم ایزوله شده توسط رابطه تعیین می شود: کجا ک - ثابت بولتزمن. - وزن ترمودینامیکی حالت، برابر با تعداد حالات کوانتومی ممکن سیستم با مقادیر داده شده انرژی، حجم، تعداد ذرات. حالت تعادل سیستم با برابری جمعیت های حالت های کوانتومی منفرد (غیر منحط) مطابقت دارد. در حال افزایش است آنتروپیدر فرآیندهای برگشت ناپذیر با ایجاد توزیع احتمالی انرژی داده شده سیستم در بین زیرسیستم های فردی همراه است. تعریف آماری تعمیم یافته آنتروپی، که برای سیستم های غیر ایزوله نیز اعمال می شود، متصل می شود آنتروپیبا احتمالات ریز حالت های مختلف به شرح زیر است:

کجا w i- احتمال من-ایالت.

مطلق آنتروپییک ترکیب شیمیایی به طور تجربی، عمدتاً با روش کالریمتری، بر اساس نسبت تعیین می شود:

استفاده از اصل دوم به ما اجازه می دهد تا تعیین کنیم آنتروپیواکنش های شیمیایی بر اساس داده های تجربی (روش نیروی محرکه الکتریکی، روش فشار بخار و غیره). محاسبه امکان پذیر است آنتروپیترکیبات شیمیایی با استفاده از روش‌های ترمودینامیک آماری، بر اساس ثابت‌های مولکولی، وزن مولکولی، هندسه مولکولی و فرکانس‌های ارتعاش عادی. این رویکرد با موفقیت برای گازهای ایده آل انجام شده است. برای فازهای متراکم، محاسبات آماری دقت کمتری را ارائه می‌کنند و در موارد محدودی انجام می‌شوند. در سال های اخیر پیشرفت های چشمگیری در این زمینه حاصل شده است.

اطلاعات مرتبط

با توجه به اینکه بخشی از گرما در حین کار موتورهای حرارتی به ناچار به یخچال منتقل می شود، راندمان موتورها نمی تواند برابر با واحد باشد. یافتن حداکثر بازده ممکن یک موتور حرارتی که با بخاری در دمای Tg و یخچال در دمای T2 کار می کند بسیار جالب است. این اولین بار توسط مهندس و دانشمند فرانسوی سادی کارنو انجام شد.
موتور حرارتی کارنو ایده آل
کارنو یک موتور حرارتی ایده‌آل با گاز ایده‌آل به‌عنوان سیال کار ارائه کرد. تمامی فرآیندها در ماشین کارنو به عنوان تعادل (برگشت پذیر) در نظر گرفته می شوند.
یک فرآیند یا چرخه دایره ای در ماشین انجام می شود که در آن سیستم پس از یک سری تبدیل به حالت اولیه خود باز می گردد. چرخه کارنو از دو ایزوترم و

دو، ادیابات (شکل 5.16). منحنی های 1-2 و 3-4 همدما و 2-3 و 4-1 آدیابات هستند.
ابتدا گاز در دمای T1 به صورت همدما منبسط می شود. در عین حال مقداری گرما را از بخاری دریافت می کند سپس به صورت آدیاباتیک منبسط می شود و با اجسام اطراف مبادله نمی کند. آنچه در ادامه می آید
فشرده سازی گاز همدما در o~^
دمای T2. گاز در این برنج g jg می دهد
فرآیند در یخچال، مقدار حرارت Q2 در نهایت گاز به صورت آدیاباتیک فشرده شده و به حالت اولیه خود باز می گردد.
در حین انبساط همدما، گاز کار > 0 را انجام می دهد، برابر با مقدار گرما با انبساط آدیاباتیک 2-3، کار مثبت A" برابر است با کاهش انرژی داخلی هنگامی که گاز از دمای 7 به دما سرد می شود. T2: A"3 = -AU12 = ШТХ) - U (T2).
تراکم همدما در دمای T2 نیازمند انجام کار A2 بر روی گاز است. گاز به همین ترتیب کار منفی A 2 را انجام می دهد
Q2. در نهایت، فشرده سازی آدیاباتیک نیاز به کار روی گاز A4 = AU21 دارد. خود کار
کارنو نیکلاس لئونارد سادی (1796-1832) - مهندس و فیزیکدان با استعداد فرانسوی، یکی از بنیانگذاران ترمودینامیک. او در کار خود "تاملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" (1824) برای اولین بار نشان داد که موتورهای حرارتی فقط در فرآیند انتقال گرما از یک جسم گرم به یک جسم سرد می توانند کار کنند. کارنو یک موتور حرارتی ایده آل ارائه کرد، بازده ماشین ایده آل را محاسبه کرد و ثابت کرد که این ضریب حداکثر ممکن برای هر موتور حرارتی واقعی است. گاز А\ = -Л4 = -At/2i = - ШТх). بنابراین مجموع رای
جریان گاز طی دو فرآیند آدیاباتیک برابر با صفر است.
در طول یک چرخه، گاز کار می کند
A"= A[ + A"2=Q1 + Q2 = IQJ - |Q2|. (5.12.1)
این کار از نظر عددی برابر است با مساحت شکل محدود شده توسط منحنی چرخه (در شکل 5.16 سایه زده شده است).
برای محاسبه بازده، باید کار را برای فرآیندهای همدما 1-2 و 3-4 محاسبه کنید. محاسبات منجر به نتیجه زیر می شود:
(5.12.2) راندمان موتور حرارتی کارنو برابر است با نسبت اختلاف دمای مطلق بخاری و یخچال به دمای مطلق بخاری.
ما می توانیم کار انجام شده توسط دستگاه در هر سیکل و مقدار حرارت Q2 منتقل شده به یخچال را از طریق راندمان دستگاه و میزان گرمای دریافتی از بخاری را بیان کنیم
L" = l مقدار گرما
Q2 = A" - = TlQi ​​- Qi = QiOl - D- (5.12.4)
از آنجایی که t) |Q2| = (1-71)QI. (5.12.5)
دستگاه تبرید ایده آل
چرخه کارنو برگشت پذیر است، بنابراین می توان آن را در جهت مخالف انجام داد. این دیگر یک موتور حرارتی نخواهد بود، بلکه یک دستگاه تبرید ایده آل خواهد بود.
فرآیندها به ترتیب معکوس پیش خواهند رفت. کار A برای راندن ماشین انجام می شود. مقدار حرارت Qx توسط سیال عامل به بخاری با دمای بالاتر منتقل می شود و مقدار گرما Q2 از یخچال به سیال کار می رسد (شکل 5.17). گرما از یک جسم سرد به یک بدن گرم منتقل می شود، به همین دلیل است که دستگاه را دستگاه تبرید می نامند.
مقدار گرما Q
"جی

مقدار گرما Q2
WorkA
دمای یخچال T2
برنج. 5.17
اما این با قانون دوم ترمودینامیک مغایرتی ندارد: گرما نه به خودی خود، بلکه با انجام کار منتقل می شود.
اجازه دهید مقادیر گرمای Q1 و Q2 را از طریق کار A و راندمان ماشین T| بیان کنیم. از آنجایی که طبق فرمول (5.12.3) A" = riQj = -A، پس

(5.12.6)
مقدار گرمای منتقل شده توسط سیال عامل مانند همیشه منفی است. بدیهی است |Qj| = ^. با توجه به بیان
(5.12.4) مقدار گرما Q2 = QiCn ~ 1) یا با در نظر گرفتن رابطه (5.12.3) (5.12.7)
q2= V1a>0- این مقدار گرما توسط سیال عامل از یخچال دریافت می شود.
یخچال مانند پمپ حرارتی عمل می کند. مقدار حرارت Qj منتقل شده به بدنه داغ بیشتر از مقدار گرفته شده از یخچال است. طبق فرمول (5.12.7) Q2 = ^ -A = -Qj - A. از این رو
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
راندمان دستگاه تبرید با استفاده از
є = -г، زیرا می توان هدف آن را تا حد امکان از بین برد
مقدار گرمای بیشتر از سیستم خنک شده در حالی که تا حد امکان کار کمتری انجام می شود. مقدار є ضریب عملکرد نامیده می شود. برای یک دستگاه تبرید ایده آل طبق فرمول های (5.12.7) و (5.12.2)
Qn T2
یعنی هر چه اختلاف دما کمتر باشد، ضریب تبرید بیشتر است و هر چه کمتر، دمای جسمی که گرما از آن خارج می شود، کمتر باشد. بدیهی است که ضریب عملکرد می تواند بیشتر از یک باشد. برای یخچال واقعی بیش از سه است. یک نوع دستگاه تبرید تهویه مطبوع است که گرما را از یک اتاق گرفته و به هوای اطراف منتقل می کند.
پمپ حرارتی
هنگام گرم کردن اتاق‌ها با بخاری‌های برقی، استفاده از پمپ حرارتی به جای سیم پیچی که با جریان گرم می‌شود، از نظر انرژی سودآورتر است. پمپ علاوه بر این مقدار گرمای Q2 را از هوای محیط به داخل اتاق منتقل می کند. اما به دلیل هزینه بالای واحد تبرید در مقایسه با اجاق گاز برقی یا شومینه معمولی این کار انجام نمی شود.
هنگام استفاده از پمپ حرارتی، مقدار گرمای Qj دریافت شده توسط بدنه گرم شده، و نه مقدار گرمای Q2 داده شده به بدن سرد، مورد توجه عملی است. بنابراین ویژگی پمپ حرارتی عبارت است از:
lQi|
به نام ضریب گرمایش؟از= .
برای یک ماشین ایده آل، با در نظر گرفتن روابط (5.12.6) و (5.12.2)، ما Єot=m^V" (5.12.10) خواهیم داشت.
1 1 ~ 1 2
که در آن 7"1 دمای مطلق اتاق گرم شده است و G2 دمای مطلق هوای جو است. بنابراین، ضریب گرمایش همیشه بیشتر از واحد است. برای دستگاه های واقعی در دمای محیط t2 = 0 درجه سانتی گراد و دمای اتاق t-l = 25 درجه سانتی گراد єot = 12 مقدار گرمای منتقل شده به اتاق تقریباً 12 برابر بیشتر از مقدار برق مصرفی است.
حداکثر راندمان موتورهای حرارتی
(قضیه کارنو)
اهمیت اصلی فرمول (5.12.2) به دست آمده توسط کارنو برای راندمان یک ماشین ایده آل این است که حداکثر بازده ممکن هر موتور حرارتی را تعیین می کند.
کارنو، بر اساس قانون دوم ترمودینامیک، قضیه زیر را ثابت کرد: هر موتور حرارتی واقعی که با بخاری در دمای Tt و یخچال در دمای T2 کار می‌کند، نمی‌تواند بازدهی بیش از راندمان یک موتور حرارتی ایده‌آل داشته باشد.
اجازه دهید ابتدا یک موتور حرارتی را در نظر بگیریم که در یک چرخه برگشت پذیر با گاز واقعی کار می کند. چرخه می تواند هر چیزی باشد، فقط مهم است که دمای بخاری و یخچال T1-T2 باشد.
فرض کنید راندمان یک موتور حرارتی دیگر (که در چرخه کارنو کار نمی کند) g\" > Г|. ماشین ها با یک بخاری مشترک و یک یخچال مشترک کار می کنند. بگذارید ماشین کارنو در یک چرخه معکوس (مانند تبرید) کار کند. ماشین)، و ماشین دیگر در یک چرخه رو به جلو (شکل 5.18) موتور حرارتی مطابق با فرمول های (5.12.3) و (5.12.5) کار را انجام می دهد.
A" = r\"Q[ = ^_،\Q"2\. (5.12.11)
یک دستگاه تبرید همیشه می تواند به گونه ای طراحی شود که مقدار حرارت Q2 = \Q2\ را از یخچال بگیرد.

سپس طبق فرمول (5.12.7) روی آن کار می شود
A = (5.12.12)
از آنجا که با شرط G|" > m|، سپس A" > A. بنابراین، یک موتور حرارتی می تواند یک ماشین تبرید را تامین کند، و هنوز کار اضافی باقی خواهد ماند. این کار اضافی توسط گرمای گرفته شده از یک منبع انجام می شود. از این گذشته، هنگامی که دو دستگاه به طور همزمان کار می کنند، گرما به یخچال منتقل نمی شود. اما این با قانون دوم ترمودینامیک در تضاد است.
اگر فرض کنیم که T| > T|"، سپس می توانید ماشین دیگری را مجبور کنید در یک چرخه معکوس کار کند و ماشین کارنو را - در یک چرخه رو به جلو. ما دوباره با قانون دوم ترمودینامیک به تناقض می رسیم. در نتیجه، دو ماشین که در چرخه های برگشت پذیر کار می کنند. همان راندمان: r|" = Г|.
اگر ماشین دوم در یک چرخه غیرقابل برگشت کار کند، موضوع متفاوت است. اگر G)" > G) را فرض کنیم، دوباره با قانون دوم ترمودینامیک به تناقض می رسیم. اما، فرض G)"

این نتیجه اصلی است:

(5.12.13)
کارایی موتورهای حرارتی واقعی
فرمول (5.12.13) حد نظری را برای حداکثر مقدار راندمان موتورهای حرارتی می دهد. این نشان می دهد که هر چه دمای بخاری بالاتر و دمای یخچال کمتر باشد، یک موتور حرارتی کارآمدتر است. فقط در دمای یخچال برابر با صفر مطلق Г| = 1.
اما دمای یخچال عملا نمی تواند خیلی کمتر از دمای محیط باشد. می توانید دمای بخاری را افزایش دهید. با این حال، هر ماده (جسم جامد) مقاومت حرارتی یا مقاومت حرارتی محدودی دارد. هنگامی که گرم می شود، به تدریج خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد و در دمای به اندازه کافی بالا ذوب می شود.
در حال حاضر تلاش اصلی مهندسان در جهت افزایش راندمان موتورها از طریق کاهش اصطکاک قطعات آنها، تلفات سوخت ناشی از احتراق ناقص و غیره است. فرصت های واقعی برای افزایش راندمان در اینجا هنوز عالی است. بنابراین، برای یک توربین بخار، دمای اولیه و نهایی بخار تقریباً به شرح زیر است: T1 = 800 K و T2 = 300 K. در این دماها، حداکثر مقدار ضریب راندمان است.
T1 - T2
Lmax= = 0.62 = 62%.
مقدار بازده واقعی ناشی از انواع تلفات انرژی تقریباً 40٪ است. حداکثر بازده - حدود 44٪ - توسط موتورهای احتراق داخلی به دست می آید.
بازده هر حرارتی
موتور نمی تواند از حداکثر بیشتر شود
T1~T2
مقدار ممکن لشچاخ = -^-» - مطلق
11
دمای بخاری است و T2 دمای مطلق است
دمای یخچال
افزایش راندمان موتورهای حرارتی و نزدیک‌تر کردن آن به حداکثر ممکن، از همه مهم‌تر است
مشکل فنی