Šilumos mašinos efektyvumas. Šilumos variklio efektyvumas. Vieningo valstybinio egzamino kodifikatoriaus temos: šilumos variklių veikimo principai, šilumos variklio efektyvumas, šiluminiai varikliai ir aplinkos apsauga

Daugelio tipų mašinų veikimas pasižymi tokiu svarbiu rodikliu kaip šilumos variklio efektyvumas. Kiekvienais metais inžinieriai stengiasi sukurti pažangesnę technologiją, kurią naudojant mažiau, būtų galima pasiekti maksimalų rezultatą.

Šilumos variklio įtaisas

Prieš suprasdami, kas tai yra, būtina suprasti, kaip veikia šis mechanizmas. Nežinant jo veikimo principų, neįmanoma išsiaiškinti šio rodiklio esmės. Šilumos variklis yra įrenginys, kuris atlieka darbą naudodamas vidinę energiją. Bet koks šilumos variklis, kuris virsta mechaniniu, naudoja medžiagų šiluminį plėtimąsi kylant temperatūrai. Kietojo kūno varikliuose galima keisti ne tik medžiagos tūrį, bet ir kėbulo formą. Tokio variklio veikimui taikomi termodinamikos dėsniai.

Veikimo principas

Norint suprasti, kaip veikia šilumos variklis, būtina atsižvelgti į jo konstrukcijos pagrindus. Prietaiso veikimui reikalingi du korpusai: karštas (šildytuvas) ir šaltas (šaldytuvas, aušintuvas). Šilumos variklių veikimo principas (šilumos variklio efektyvumas) priklauso nuo jų tipo. Dažnai šaldytuvas yra garų kondensatorius, o šildytuvas yra bet koks kuras, degantis krosnyje. Idealaus šiluminio variklio efektyvumas nustatomas pagal šią formulę:

Efektyvumas = (Teatas – kietas) / Teatras. x 100%.

Šiuo atveju tikro variklio efektyvumas niekada negali viršyti pagal šią formulę gautos vertės. Taip pat šis rodiklis niekada neviršys minėtos reikšmės. Siekiant padidinti efektyvumą, dažniausiai padidinama šildytuvo temperatūra, o sumažinama šaldytuvo temperatūra. Abu šiuos procesus ribos faktinės įrangos veikimo sąlygos.

Veikiant šiluminiam varikliui, dirbama, nes dujos pradeda netekti energijos ir atvėsta iki tam tikros temperatūros. Pastaroji paprastai yra keliais laipsniais aukštesnė už aplinkinę atmosferą. Tai yra šaldytuvo temperatūra. Šis specialus prietaisas skirtas aušinimui ir vėlesniam išmetamųjų garų kondensavimui. Ten, kur yra kondensatoriai, šaldytuvo temperatūra kartais būna žemesnė už aplinkos temperatūrą.

Šilumos variklyje, kai kūnas įkaista ir plečiasi, jis nepajėgia atiduoti visos savo vidinės energijos darbui atlikti. Dalis šilumos bus perduota į šaldytuvą kartu su garais. Ši šilumos dalis neišvengiamai prarandama. Kuro degimo metu darbinis skystis iš šildytuvo gauna tam tikrą šilumos kiekį Q 1. Tuo pačiu jis vis dar atlieka darbą A, kurio metu dalį šiluminės energijos perduoda į šaldytuvą: Q 2

Efektyvumas apibūdina variklio efektyvumą energijos konversijos ir perdavimo srityje. Šis rodiklis dažnai matuojamas procentais. Efektyvumo formulė:

η*A/Qx100%, kur Q – sunaudota energija, A – naudingas darbas.

Remdamiesi energijos tvermės dėsniu, galime daryti išvadą, kad efektyvumas visada bus mažesnis už vienetą. Kitaip tariant, niekada nebus naudingesnio darbo už tam išeikvotą energiją.

Variklio efektyvumas – tai naudingo darbo ir šildytuvo tiekiamos energijos santykis. Jis gali būti pavaizduotas šios formulės forma:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, kur Q 1 yra šiluma, gaunama iš šildytuvo, o Q 2 atiduodama į šaldytuvą.

Šilumos variklio veikimas

Šilumos variklio atliktas darbas apskaičiuojamas pagal šią formulę:

A = |Q H | - |Q X |, kur A – darbas, Q H – iš šildytuvo gautas šilumos kiekis, Q X – aušintuvui atiduodamas šilumos kiekis.

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

Jis lygus variklio atlikto darbo ir gaunamos šilumos kiekio santykiui. Šio perdavimo metu prarandama dalis šiluminės energijos.

Carnot variklis

Didžiausias šilumos variklio efektyvumas stebimas Carnot įrenginyje. Taip yra dėl to, kad šioje sistemoje tai priklauso tik nuo absoliučios šildytuvo (Tn) ir aušintuvo (Tx) temperatūros. Šilumos variklio efektyvumas nustatomas pagal šią formulę:

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

Termodinamikos dėsniai leido apskaičiuoti didžiausią galimą efektyvumą. Šį rodiklį pirmasis apskaičiavo prancūzų mokslininkas ir inžinierius Sadi Carnot. Jis išrado šiluminį variklį, kuris veikė idealiomis dujomis. Jis veikia 2 izotermų ir 2 adiabatų cikle. Jo veikimo principas gana paprastas: į indą su dujomis įvedamas šildytuvo kontaktas, dėl kurio darbinis skystis izotermiškai plečiasi. Tuo pačiu metu jis veikia ir gauna tam tikrą šilumos kiekį. Po to indas yra termiškai izoliuojamas. Nepaisant to, dujos ir toliau plečiasi, bet adiabatiškai (be šilumos mainų su aplinka). Šiuo metu jo temperatūra nukrenta iki šaldytuvo. Šiuo metu dujos liečiasi su šaldytuvu, todėl izometrinio suspaudimo metu išskiria tam tikrą šilumos kiekį. Tada indas vėl termiškai izoliuojamas. Šiuo atveju dujos adiabatiškai suspaudžiamos iki pradinio tūrio ir būsenos.

Veislės

Šiais laikais yra daugybė šilumos variklių tipų, kurie veikia skirtingais principais ir naudoja skirtingą kurą. Visi jie turi savo efektyvumą. Tai apima:

Vidaus degimo variklis (stūmoklis), kuris yra mechanizmas, kai dalis degančio kuro cheminės energijos paverčiama mechanine energija. Tokie prietaisai gali būti dujiniai arba skysti. Yra 2 ir 4 taktų varikliai. Jie gali turėti nepertraukiamą darbo ciklą. Pagal kuro mišinio paruošimo būdą tokie varikliai yra karbiuratoriniai (su išoriniu mišinio formavimu) ir dyzeliniai (su vidiniu). Pagal energijos keitiklio tipą jie skirstomi į stūmoklinius, reaktyvinius, turbininius ir kombinuotus. Tokių mašinų efektyvumas neviršija 0,5.

Stirlingo variklis yra įtaisas, kuriame darbinis skystis yra uždaroje erdvėje. Tai išorinio degimo variklio tipas. Jo veikimo principas pagrįstas periodišku kūno aušinimu/šildymu gaminant energiją, pasikeitus jo tūriui. Tai vienas efektyviausių variklių.

Turbininis (rotorinis) variklis su išoriniu degalų degimu. Tokie įrenginiai dažniausiai randami šiluminėse elektrinėse.

Šiluminėse elektrinėse piko režimu naudojami turbininiai (rotaciniai) vidaus degimo varikliai. Ne taip plačiai kaip kiti.

Turbininis variklis dalį savo traukos sukuria pro sraigtą. Likusią dalį jis gauna iš išmetamųjų dujų. Jo konstrukcija yra rotacinis variklis, ant kurio veleno sumontuotas sraigtas.

Kitų tipų šiluminiai varikliai

Raketos, turboreaktyvinės ir tos, kurios gauna trauką dėl išmetamųjų dujų grąžinimo.

Kietojo kūno varikliai naudoja kietąsias medžiagas kaip kurą. Eksploatacijos metu kinta ne jo tūris, o forma. Eksploatuojant įrangą naudojamas itin mažas temperatūrų skirtumas.

Kaip galite padidinti efektyvumą

Ar įmanoma padidinti šilumos variklio efektyvumą? Atsakymo reikia ieškoti termodinamikoje. Ji tiria skirtingų energijos rūšių tarpusavio transformacijas. Nustatyta, kad negalima naudoti visų turimų mechaninių ir kt. Tuo pačiu metu jų pavertimas šiluminiais vyksta be jokių apribojimų. Tai įmanoma dėl to, kad šiluminės energijos prigimtis pagrįsta netvarkingu (chaotišku) dalelių judėjimu.

Kuo labiau kūnas įkaista, tuo greičiau judės jį sudarančios molekulės. Dalelių judėjimas taps dar nepastovesnis. Be to, visi žino, kad tvarka gali lengvai virsti chaosu, kurį labai sunku užsisakyti.

Vieningo valstybinio egzamino kodifikatoriaus temos: šilumos variklių veikimo principai, šilumos variklio efektyvumas, šiluminiai varikliai ir aplinkos apsauga.

Trumpai tariant, šiluminiai varikliaišilumą paversti darbu arba, atvirkščiai, darbą šiluma.
Šilumos varikliai būna dviejų tipų, priklausomai nuo juose vykstančių procesų krypties.

1. Šilumos varikliaišilumą, gaunamą iš išorinio šaltinio, paverčia mechaniniu darbu.

2. Šaldymo mašinos dėl išorinio šaltinio mechaninio darbo perduoda šilumą iš mažiau šildomo kūno į labiau įkaitusį.

Leiskite mums išsamiau apsvarstyti šių tipų šilumos variklius.

Šilumos varikliai

Žinome, kad darbas su kūnu yra vienas iš būdų pakeisti jo vidinę energiją: atliktas darbas tarsi ištirpsta kūne, virsdamas atsitiktinio judėjimo ir jo dalelių sąveikos energija.

Ryžiai. 1. Šilumos variklis

Šilumos variklis yra įrenginys, kuris, priešingai, išgauna naudingą darbą iš „chaotiškos“ vidinės kūno energijos. Šilumos variklio išradimas radikaliai pakeitė žmogaus civilizacijos veidą.

Šiluminio variklio scheminė schema gali būti pavaizduota taip (1 pav.). Išsiaiškinkime, ką reiškia šios diagramos elementai.

Darbinis skystis variklis dujinis. Jis plečiasi, judina stūmoklį ir taip atlieka naudingą mechaninį darbą.

Bet norint priversti dujas plėstis, įveikiant išorines jėgas, reikia jas pašildyti iki žymiai aukštesnės nei aplinkos temperatūra. Norėdami tai padaryti, dujos liečiamos šildytuvas- kuro deginimas.

Deginant kurą išsiskiria nemaža energija, kurios dalis sunaudojama dujoms šildyti. Dujos gauna tam tikrą šilumos kiekį iš šildytuvo. Būtent dėl ​​šios šilumos variklis atlieka naudingą darbą.

Tai viskas aišku. Kas yra šaldytuvas ir kam jis reikalingas?

Vienu dujų išsiplėtimu galime kuo efektyviau panaudoti gaunamą šilumą ir visiškai ją paversti darbu. Norėdami tai padaryti, turime išplėsti dujas izotermiškai: kaip žinome, šiuo atveju mums suteikia pirmasis termodinamikos dėsnis.

Tačiau niekam nereikia vienkartinės plėtros. Variklis turi veikti cikliškai, užtikrinant periodinį stūmoklio judesių pakartojamumą. Todėl pasibaigus plėtimuisi dujos turi būti suspaustos, grąžinant jas į pradinę būseną.

Plėtimosi proceso metu dujos atlieka tam tikrą teigiamą darbą. Suspaudimo proceso metu dujoms daromas teigiamas darbas (o pačios dujos daro neigiamą darbą). Dėl to naudingas dujų darbas cikle yra: .

Žinoma, turėtų būti class="tex" alt="A>0"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}

Suslėgdami dujas turime atlikti mažiau darbo, nei dujos atliko plėtimosi metu.

Kaip tai pasiekti? Atsakymas: suspauskite dujas esant mažesniam slėgiui nei plečiant. Kitaip tariant, diagramoje glaudinimo procesas turėtų tęstis žemiau plėtimosi procesas, t.y. ciklas turi praeiti pagal laikrodžio rodyklę(2 pav.).

Ryžiai. 2. Šildymo variklio ciklas

Pvz., Paveiksle pateiktame cikle dujų plėtimosi metu atliktas darbas yra lygus išlenktos trapecijos plotui. Panašiai suspaudimo metu dujų atliktas darbas yra lygus lenktos trapecijos plotui su minuso ženklu. Dėl to dujų atliktas darbas per ciklą yra teigiamas ir lygus ciklo plotui.

Gerai, bet kaip priversti dujas grįžti į pradinę būseną žemesne kreive, ty per būsenas su mažesniu slėgiu? Prisiminkime, kad esant tam tikram tūriui, kuo žemesnė temperatūra, tuo mažesnis dujų slėgis. Todėl suslėgtos dujos turi pereiti žemesnės temperatūros būsenas.

Šaldytuvas būtent tam ir skirtas: tam kietas dujos suspaudimo procese.

Aušintuvas gali būti atmosfera (vidaus degimo varikliams) arba aušinimo tekantis vanduo (garo turbinoms). Atvėsusios dujos šiek tiek šilumos atiduoda šaldytuvui.

Bendras šilumos kiekis, kurį dujos gauna per ciklą, yra lygus . Pagal pirmąjį termodinamikos dėsnį:

kur yra dujų vidinės energijos pokytis per ciklą. Jis lygus nuliui: kadangi dujos grįžo į pradinę būseną (o vidinė energija, kaip prisimename, yra valstybinė funkcija). Dėl to dujų darbas per ciklą yra lygus:

(1)

Kaip matote, iš šildytuvo gaunamos šilumos visiškai paversti darbu neįmanoma. Dalis šilumos turi būti atiduodama į šaldytuvą, kad būtų užtikrintas proceso cikliškumas.

Degimo kuro energijos pavertimo mechaniniu darbu efektyvumo rodiklis yra šilumos variklio naudingumo koeficientas.

Šilumos variklio efektyvumas yra mechaninio darbo ir iš šildytuvo gaunamos šilumos kiekio santykis:

Atsižvelgdami į santykį (1), taip pat turime

(2)

Šilumos variklio efektyvumas, kaip matome, visada yra mažesnis už vienybę. Pavyzdžiui, garo turbinų naudingumo koeficientas yra maždaug , o vidaus degimo variklių – apytiksliai.

Šaldymo mašinos

Kasdienė patirtis ir fiziniai eksperimentai byloja, kad šilumos mainų procese šiluma iš labiau įkaitusio kūno pereina į mažiau įkaitintą, bet ne atvirkščiai. Procesai, kurių metu dėl šilumos mainų energija spontaniškai pereina iš šalto kūno į karštą, ko pasekoje šaltas kūnas dar labiau atvėstų, o karštas – dar labiau.

Ryžiai. 3. Šaldytuvas

Pagrindinis žodis čia yra „spontaniškai“. Jei naudojate išorinį energijos šaltinį, visiškai įmanoma atlikti šilumos perdavimo iš šalto kūno į karštą procesą. Štai ką daro šaldytuvai
automobiliai.

Lyginant su šiluminiu varikliu, šaldymo mašinoje procesai vyksta priešinga kryptimi (3 pav.).

Darbinis skystisšaldymo mašina taip pat vadinama šaltnešis. Paprastumo dėlei laikysime dujomis, kurios sugeria šilumą plėtimosi metu ir išskiria suspaudimo metu (tikruose šaldymo įrenginiuose šaltnešis yra lakus, žemos virimo temperatūros tirpalas, kuris garuodamas sugeria šilumą ir išskiria kondensacijos metu).

Šaldytuvasšaldymo mašinoje – tai kūnas, iš kurio pašalinama šiluma. Šaldytuvas perduoda tam tikrą šilumos kiekį darbiniam skysčiui (dujoms), todėl dujos plečiasi.

Suspaudimo metu dujos perduoda šilumą karštesniam kūnui - šildytuvas. Kad toks šilumos perdavimas įvyktų, dujos turi būti suslėgtos aukštesnėje temperatūroje nei plėtimosi metu. Tai įmanoma tik dėl išorinio šaltinio (pavyzdžiui, elektros variklio) atliekamo darbo (tikruose šaldymo įrenginiuose elektros variklis sukuria žemą slėgį garintuve, dėl ko šaltnešis užverda ir atima šilumą; priešingai, kondensatoriuje elektros variklis sukuria aukštą slėgį, kuriam veikiant šaltnešis kondensuojasi ir išskiria šiltą)). Todėl šilumos kiekis, perduodamas į šildytuvą, yra didesnis nei šilumos kiekis, paimtas iš šaldytuvo tiksliai tiek:

Taigi, diagramoje eina šaldymo mašinos darbo ciklas prieš laikrodžio rodyklę. Ciklo zona – tai išorinio šaltinio atliktas darbas (4 pav.).

Ryžiai. 4. Šaldytuvo ciklas

Pagrindinė šaldymo mašinos paskirtis – atvėsinti tam tikrą rezervuarą (pavyzdžiui, šaldiklį). Šiuo atveju šis rezervuaras atlieka šaldytuvo vaidmenį, o aplinka atlieka šildytuvo funkciją – iš rezervuaro pašalinta šiluma išsisklaido į jį.

Šaldymo mašinos efektyvumo rodiklis yra našumo koeficientas, lygus iš šaldytuvo pašalintos šilumos ir išorinio šaltinio darbo santykiui:

Šaldymo koeficientas gali būti didesnis nei vienas. Tikruose šaldytuvuose jo reikšmės yra nuo 1 iki 3.

Yra dar viena įdomi programa: šaldymo mašina gali veikti kaip šilumos siurblys. Tuomet jo paskirtis – dėl iš aplinkos pašalinamos šilumos sušildyti tam tikrą rezervuarą (pavyzdžiui, šildyti kambarį). Šiuo atveju šis bakas bus šildytuvas, o aplinka – šaldytuvas.

Šilumos siurblio efektyvumo rodiklis yra šildymo koeficientas, lygus šilumos kiekio, perduodamo į šildomą rezervuarą, ir išorinio šaltinio darbo santykiui:

Tikrų šilumos siurblių šildymo koeficiento vertės paprastai yra nuo 3 iki 5.

Carnot šiluminis variklis

Svarbios šiluminio variklio charakteristikos yra aukščiausia ir žemiausia darbinio skysčio temperatūra ciklo metu. Šios vertės vadinamos atitinkamai šildytuvo temperatūra Ir šaldytuvo temperatūra.

Matėme, kad šilumos variklio efektyvumas yra griežtai mažesnis už vienybę. Kyla natūralus klausimas: koks yra didžiausias įmanomas šilumos variklio efektyvumas su fiksuotomis šildytuvo temperatūros ir šaldytuvo temperatūros vertėmis?

Tegul, pavyzdžiui, maksimali variklio darbinio skysčio temperatūra yra , o minimali - . Kokia teorinė tokio variklio efektyvumo riba?

Atsakymą į šį klausimą davė prancūzų fizikas ir inžinierius Sadi Carnot 1824 m.

Jis išrado ir ištyrė nuostabų šiluminį variklį su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu. Ši mašina veikia pagal Carnot ciklas, susidedantis iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų.

Pasvarstykime tiesioginis ciklas Carnot mašina, judant pagal laikrodžio rodyklę (5 pav.). Šiuo atveju mašina veikia kaip šilumos variklis.

Ryžiai. 5. Carnot ciklas

Izoterma. Šiuo metu dujos termiškai kontaktuojamos su temperatūros šildytuvu ir plečiasi izotermiškai. Tam tikras šilumos kiekis gaunamas iš šildytuvo ir visiškai paverčiamas darbu šioje srityje: .

Adiabata. Vėlesniam suspaudimui dujos turi būti perkeltos į žemesnės temperatūros zoną. Norėdami tai padaryti, dujos yra termiškai izoliuojamos ir tada adiabatiškai plečiasi šioje srityje.

Plečiantis dujos atlieka teigiamą darbą ir dėl to mažėja jų vidinė energija: .

Izoterma. Šilumos izoliacija pašalinama, dujos termiškai kontaktuojamos su temperatūros šaldytuvu. Atsiranda izoterminis suspaudimas. Dujos perduoda šilumą šaldytuvui ir atlieka neigiamą darbą.

Adiabata. Šis skyrius yra būtinas, kad dujos būtų grąžintos į pradinę būseną. Adiabatinio suspaudimo metu dujos atlieka neigiamą darbą, o vidinės energijos pokytis yra teigiamas: . Dujos pašildomos iki pradinės temperatūros.

Carnot nustatė šio ciklo efektyvumą (deja, skaičiavimai peržengia mokyklos mokymo programos ribas):

(3)

Be to, jis tai įrodė Carnot ciklo efektyvumas yra didžiausias įmanomas visiems šiluminiams varikliams, kurių šildytuvo ir aušintuvo temperatūra .

Taigi, aukščiau pateiktame pavyzdyje turime:

Kokia prasmė naudoti izotermas ir adiabatus, o ne kokius nors kitus procesus?

Pasirodo, izoterminiai ir adiabatiniai procesai sukuria Carnot mašiną grįžtamasis. Jį gali paleisti atvirkštinis ciklas(prieš laikrodžio rodyklę) tarp to paties šildytuvo ir šaldytuvo, neįtraukiant kitų įrenginių. Tokiu atveju Carnot aparatas veiks kaip šaldymo aparatas.

Galimybė paleisti Carnot mašiną abiem kryptimis vaidina labai svarbų vaidmenį termodinamikoje. Pavyzdžiui, šis faktas yra nuoroda į didžiausią Carnot ciklo efektyvumą. Prie to grįšime kitame straipsnyje apie antrąjį termodinamikos dėsnį.

Šilumos varikliai ir aplinkos apsauga

Šilumos varikliai daro didelę žalą aplinkai. Jų platus naudojimas sukelia daugybę neigiamų padarinių.

Didžiulio šiluminės energijos kiekio išsklaidymas į atmosferą veda prie temperatūros padidėjimo planetoje. Klimato atšilimas gali baigtis ledynų tirpimu ir katastrofiškomis nelaimėmis.
Klimato atšilimą lemia ir atmosferoje besikaupiantis anglies dioksidas, dėl kurio sulėtėja Žemės šiluminės spinduliuotės patekimas į kosmosą (šiltnamio efektas).
Dėl didelės kuro degimo produktų koncentracijos prastėja aplinkos būklė.

Tai visos civilizacijos masto problemos. Norint kovoti su žalingu šiluminių variklių poveikiu, būtina didinti jų efektyvumą, mažinti toksines emisijas, kurti naujas kuro rūšis ir taupiai naudoti energiją.

Carnot ciklas- grįžtamasis žiedinis procesas, kurio metu šiluma paverčiama darbu (arba darbas šiluma). Jis susideda iš nuosekliai besikeičiančių dviejų izoterminių ir biadiabatinių procesų, kur darbinis skystis yra idealios dujos. Pirmą kartą svarstė N. L. S. Carnot (1824 m.), siedamas su šiluminių mašinų efektyvumo nustatymu. Carnot ciklas yra pats efektyviausias ciklas, jo efektyvumas yra didžiausias.

Carnot ciklo efektyvumas:

Tai rodo, kad Carnot ciklo su idealiomis dujomis efektyvumas priklauso tik nuo šildytuvo (Tn) ir šaldytuvo (Tx) temperatūros.

Iš lygties daromos šios išvados:

1. Norint padidinti šilumos variklio efektyvumą, reikia padidinti šildytuvo temperatūrą ir sumažinti šaldytuvo temperatūrą;

2. Šilumos variklio naudingumo koeficientas visada yra mažesnis nei 1.

Carnot ciklas grįžtamasis, nes visi jo komponentai yra pusiausvyros procesai.

20 klausimas:

Paprasčiausia ir kokybiškai teisingai atspindinti tikrų dujų elgseną yra van der Waals lygtis

Van der Waals dujų būsenos lygtis- lygtis, jungianti pagrindinius termodinaminius dydžius van der Waals dujų modelyje.

Nors idealus dujų modelis gerai apibūdina tikrų dujų elgseną esant žemam slėgiui ir aukštai temperatūrai, kitomis sąlygomis jo sutapimas su eksperimentu yra daug blogesnis. Visų pirma tai pasireiškia tuo, kad tikrosios dujos gali būti paverstos skystomis ir net kietomis, o idealios – ne.

Šiluminė būsenos lygtis (arba, dažnai, tiesiog būsenos lygtis) yra slėgio, tūrio ir temperatūros santykis.

Už vienas kurmis van der Waals dujos turi tokią formą.

Darbinis skystis, gaudamas iš šildytuvo tam tikrą šilumos kiekį Q 1, dalį šio šilumos kiekio, modulio lygaus |Q2|, atiduoda šaldytuvui. Todėl atliktas darbas negali būti didesnis A = Q 1- |Q 2 |.Šio darbo ir šilumos kiekio, kurį gauna iš šildytuvo besiplečiančios dujos, santykis vadinamas efektyvumą šiluminis variklis:

Šilumos variklio, veikiančio uždaru ciklu, efektyvumas visada yra mažesnis už vieną. Šiluminės energetikos uždavinys – padaryti kuo didesnį efektyvumą, tai yra kuo daugiau šilumos, gaunamos iš šildytuvo, panaudoti darbui gaminti. Kaip tai galima pasiekti?
Pirmą kartą tobuliausią ciklinį procesą, susidedantį iš izotermų ir adiabatų, pasiūlė prancūzų fizikas ir inžinierius S. Carnot 1824 m.

Carnot ciklas.

Tarkime, kad dujos yra balione, kurio sienelės ir stūmoklis pagaminti iš šilumą izoliuojančios medžiagos, o dugnas – iš didelio šilumos laidumo medžiagos. Tūris, kurį užima dujos, yra lygus V 1.

2 pav

Sukelkime balioną prie šildytuvo (2 pav.) ir suteikime galimybę dujoms izotermiškai plėstis ir dirbti . Dujos iš šildytuvo gauna tam tikrą šilumos kiekį 1 klausimas.Šis procesas grafiškai pavaizduotas izoterma (kreive AB).

3 pav

Kai dujų tūris tampa lygus tam tikrai vertei V 1'< V 2 , cilindro dugnas yra izoliuotas nuo šildytuvo , Po to dujos adiabatiškai išsiplečia iki tūrio V 2, atitinkantį didžiausią galimą stūmoklio eigą cilindre (adiabatinį Saulė). Šiuo atveju dujos atšaldomos iki temperatūros T 2< T 1 .
Aušinamas dujas dabar galima suspausti izotermiškai esant tokiai temperatūrai T2. Norėdami tai padaryti, jis turi liestis su kūnu, kurio temperatūra yra tokia pati T 2, y. su šaldytuvu , ir suspausti dujas išorine jėga. Tačiau šiame procese dujos negrįš į pradinę būseną – jų temperatūra visada bus žemesnė nei T 1.
Todėl izoterminis suspaudimas pasiekiamas iki tam tikro tarpinio tūrio V 2 '> V 1(izoterma CD). Tokiu atveju dujos šiek tiek šilumos atiduoda šaldytuvui 2 ketvirtis, lygus jame atliekamam suspaudimo darbui. Po to dujos adiabatiškai suspaudžiamos iki tūrio V 1, tuo pačiu metu jo temperatūra pakyla iki T 1(adiabatinis D.A.). Dabar dujos grįžo į pradinę būseną, kurioje jų tūris lygus V 1, temperatūra - T1, spaudimas - 1 p, ir ciklas gali būti kartojamas dar kartą.

Taigi, svetainėje ABC dujos veikia (A > 0), ir svetainėje CDA darbas su dujomis (A< 0). Aikštelėse Saulė Ir AD darbas atliekamas tik keičiant vidinę dujų energiją. Nuo vidinės energijos pasikeitimo UBC = – UDA, tada darbas adiabatinių procesų metu yra lygus: ABC = –ADA. Vadinasi, visas per ciklą atliktas darbas nustatomas pagal izoterminių procesų metu atliktų darbų skirtumą (skyriai AB Ir CD). Skaitmeniškai šis darbas yra lygus ciklo kreivės apribotam figūros plotui ABCD.
Tik dalis šilumos kiekio realiai paverčiama naudingu darbu QT, gautas iš šildytuvo, lygus QT 1 – |QT 2 |. Taigi, Carnot cikle, naudingas darbas A = QT 1– |QT 2 |.
Didžiausias idealaus ciklo efektyvumas, kaip parodė S. Carnot, gali būti išreikštas šildytuvo temperatūra (T 1) ir šaldytuvas (T 2):

Realiuose varikliuose neįmanoma įgyvendinti ciklo, susidedančio iš idealių izoterminių ir adiabatinių procesų. Todėl ciklo, atliekamo tikruose varikliuose, efektyvumas visada yra mažesnis nei Carnot ciklo efektyvumas (esant tokiai pačiai šildytuvų ir šaldytuvų temperatūrai):

Formulė rodo, kad kuo aukštesnė šildytuvo ir kuo žemesnė šaldytuvo temperatūra, tuo didesnis variklio efektyvumas.

Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) – talentingas prancūzų inžinierius ir fizikas, vienas termodinamikos pradininkų. Savo darbe „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą ir mašinas, galinčias išvystyti šią jėgą“ (1824) jis pirmą kartą parodė, kad šiluminiai varikliai gali atlikti darbą tik perkeldami šilumą iš karšto kūno į šaltą. Carnot sugalvojo idealų šilumos variklį, apskaičiavo idealios mašinos efektyvumą ir įrodė, kad šis koeficientas yra didžiausias įmanomas bet kokiam tikram šilumos varikliui.
Siekdamas savo tyrimų, Carnot išrado (popieriuje) 1824 m. idealų šiluminį variklį su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu. Carnot variklio svarbus vaidmuo slypi ne tik galimame praktiniame pritaikyme, bet ir tame, kad jis leidžia apskritai paaiškinti šiluminių variklių veikimo principus; Ne mažiau svarbu ir tai, kad Carnot savo variklio pagalba sugebėjo reikšmingai prisidėti prie antrojo termodinamikos dėsnio pagrindimo ir supratimo. Visi Carnot mašinos procesai laikomi pusiausvyriniais (grįžtamaisiais). Grįžtamasis procesas yra procesas, kuris vyksta taip lėtai, kad gali būti laikomas nuosekliu perėjimu iš vienos pusiausvyros būsenos į kitą ir pan., o visas šis procesas gali būti vykdomas priešinga kryptimi, nekeičiant atliekamo darbo ir kiekio. perduodama šiluma. (Atkreipkite dėmesį, kad visi realūs procesai yra negrįžtami) Mašinoje vykdomas žiedinis procesas arba ciklas, kurio metu sistema po virtinės transformacijų grįžta į pradinę būseną. Carnot ciklas susideda iš dviejų izotermų ir dviejų adiabatų. Kreivės A – B ir C – D yra izotermos, o B – C ir D – A – adiabatai. Pirma, dujos izotermiškai plečiasi esant T 1 temperatūrai. Tuo pačiu metu jis gauna šilumos kiekį Q 1 iš šildytuvo. Tada jis plečiasi adiabatiškai ir nekeičia šilumos su aplinkiniais kūnais. Po to vyksta izoterminis dujų suspaudimas esant T 2 temperatūrai. Šiame procese dujos perduoda šilumos kiekį Q 2 į šaldytuvą. Galiausiai dujos suspaudžiamos adiabatiškai ir grįžta į pradinę būseną. Izoterminio plėtimosi metu dujos veikia A" 1 >0, lygus šilumos kiekiui Q 1. Esant adiabatiniam plėtimuisi B - C teigiamas darbas A" 3 yra lygus vidinės energijos sumažėjimui, kai dujos atšaldomos nuo temperatūros. T 1 iki temperatūros T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2). Izoterminiam suspaudimui esant temperatūrai T 2 reikia atlikti dujas darbą A 2. Dujos atlieka atitinkamai neigiamą darbą A" 2 = -A 2 = Q 2. Galiausiai, adiabatiniam suspaudimui reikia atlikti darbą su dujomis A 4 = dU 2.1. Pačių dujų darbas A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Todėl bendras dujų darbas dviejų adiabatinių procesų metu yra lygus nuliui. Ciklo metu vyr. dujos veikia A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Šis darbas yra lygus ciklo kreivės apribotam figūros plotui. Norint apskaičiuoti efektyvumą, reikia apskaičiuoti izoterminių procesų A - B ir C - D darbą. Skaičiavimai leidžia gauti tokį rezultatą: (2) Carnot šiluminio variklio efektyvumas yra lygus skirtumo tarp šildytuvo ir šaldytuvo absoliučios temperatūros ir absoliučios šildytuvo temperatūros santykiui. Pagrindinė Carnot formulės (2) reikšmė idealios mašinos efektyvumui yra ta, kad ji lemia maksimalų galimą bet kurio šilumos variklio efektyvumą. Carnot įrodė tokią teoremą: bet koks tikras šilumos variklis, veikiantis su šildytuvu esant T 1 temperatūrai ir šaldytuvui esant T 2 temperatūrai, negali turėti efektyvumo, viršijančio idealaus šiluminio variklio efektyvumą.
	Otto cikle pirmiausia į cilindrą įsiurbiamas darbinis mišinys 1-2, po to adiabatinis suspaudimas 2-3, o po jo izochorinis degimas 3-4 kartu su degimo produktų temperatūros ir slėgio padidėjimu, jų adiabatiniu išsiplėtimu. 4-5, tada izochorinis slėgio kritimas 5 -2 ir izobarinis išmetamųjų dujų išmetimas stūmokliu 2-1. Kadangi izochorai nedirbami, o darbas siurbiant darbinį mišinį ir išleidžiant išmetamąsias dujas yra lygus ir priešingo ženklo, vieno ciklo naudingasis darbas yra lygus išsiplėtimo ir suspaudimo adiabatų darbo skirtumui. grafiškai pavaizduotas ciklo plotu.
Lyginant tikro šiluminio variklio efektyvumą su Carnot ciklo efektyvumu, reikia pastebėti, kad (2) išraiškoje temperatūra T 2 išskirtiniais atvejais gali sutapti su aplinkos temperatūra, kurią laikome šaldytuvui, tačiau paprastai viršija aplinkos temperatūrą. Taigi, pavyzdžiui, vidaus degimo varikliuose T2 turėtų būti suprantama kaip išmetamųjų dujų temperatūra, o ne aplinkos, į kurią susidaro išmetamosios dujos, temperatūra.
	Paveikslėlyje parodytas keturtakčio vidaus degimo variklio su izobariniu degimu ciklas (dyzelino ciklas). Skirtingai nuo ankstesnio ciklo, 1-2 skyriuose jis absorbuojamas. atmosferos oras, kuris yra adiabatiškai suspaudžiamas 2-3 skyriuje iki 3 10 6 -3 10 5 Pa. Įpurškiamas skystasis kuras labai suspausto, taigi įkaitinto oro aplinkoje užsiliepsnoja ir dega izobariškai 3-4, o tada 4-5 vyksta adiabatinis degimo produktų išsiplėtimas. Likę procesai 5-2 ir 2-1 vyksta taip pat, kaip ir ankstesniame cikle. Reikėtų prisiminti, kad vidaus degimo varikliuose ciklai yra sąlygiškai uždaromi, nes prieš kiekvieną ciklą cilindras užpildomas tam tikra darbinės medžiagos mase, kuri ciklo pabaigoje išstumiama iš cilindro.
Tačiau šaldytuvo temperatūra praktiškai negali būti daug žemesnė už aplinkos temperatūrą. Galite padidinti šildytuvo temperatūrą. Tačiau bet kuri medžiaga (tvirtas korpusas) turi ribotą atsparumą karščiui arba atsparumą karščiui. Kaitinamas pamažu praranda savo elastines savybes, o esant pakankamai aukštai temperatūrai tirpsta. Dabar pagrindinės inžinierių pastangos nukreiptos į variklių efektyvumo didinimą, mažinant jų dalių trintį, degalų nuostolius dėl nepilno degimo ir kt. Realios galimybės padidinti efektyvumą čia vis dar išlieka didelės. Taigi, garo turbinos pradinė ir galutinė garo temperatūra yra maždaug tokia: T 1 = 800 K ir T 2 = 300 K. Esant tokioms temperatūroms, didžiausia naudingumo koeficiento reikšmė yra: Faktinė naudingumo vertė dėl įvairių rūšių energijos nuostolių yra apie 40%. Maksimalų efektyvumą – apie 44 % – pasiekia vidaus degimo varikliai. Bet kurio šilumos variklio naudingumo koeficientas negali viršyti didžiausios galimos vertės kur T 1 yra absoliuti šildytuvo temperatūra, o T 2 yra absoliuti šaldytuvo temperatūra. Šilumos variklių efektyvumo didinimas ir priartinimas prie didžiausio įmanomo – svarbiausias techninis uždavinys.

Klausijaus nelygybė

(1854): šilumos kiekis, gautas sistemoje bet kuriame žiediniame procese, padalytas iš absoliučios temperatūros, kurioje ji buvo gauta ( duotašilumos kiekis), ne teigiamas.

Tiekiamas šilumos kiekis kvazistatiškai sistemos gautas nepriklausomas nuo perėjimo kelio (nustatomas tik pradinės ir galutinės sistemos būsenos) kvazistatinis procesus Klausijaus nelygybė virsta lygybė .

Entropija, būsenos funkcija S termodinaminė sistema, kurios kaita dS nes be galo mažas grįžtamasis sistemos būklės pokytis yra lygus šilumos kiekio, kurį sistema gauna šiame procese (arba paimama iš sistemos) ir absoliučios temperatūros santykiui T:

Didumas dS yra totalinis skirtumas, t.y. jo integravimas bet kuriuo savavališkai pasirinktu keliu suteikia skirtumą tarp reikšmių entropija pradinėje (A) ir galutinėje (B) būsenose:

Šiluma nėra būsenos funkcija, todėl δQ integralas priklauso nuo pasirinkto pereinamojo kelio tarp būsenų A ir B. Entropija matuojama J/(mol deg).

Koncepcija entropija kaip sistemos būklės funkcija postuluojama antrasis termodinamikos dėsnis, kuris išreiškiamas per entropija skirtumas tarp negrįžtami ir grįžtami procesai. Pirmajam dS>δQ/T antrajam dS=δQ/T.

Entropija kaip funkcija vidinė energija U sistema, tūris V ir apgamų skaičius n i i komponentas yra būdinga funkcija (žr. Termodinaminiai potencialai). Tai yra pirmojo ir antrojo termodinamikos dėsnių pasekmė ir parašyta lygtimi:

Kur r - spaudimas, μ i - cheminis potencialas i th komponentas. Dariniai entropija pagal natūralius kintamuosius U, V Ir n i yra lygūs:

Sujungia paprastos formulės entropija su šiluminiais pajėgumais esant pastoviam slėgiui S p ir pastovus tūris Cv:

Naudojant entropija Suformuluotos sąlygos termodinaminei sistemos pusiausvyrai pasiekti esant pastoviai vidinei energijai, tūriui ir molių skaičiui i komponentas (izoliuota sistema) ir tokios pusiausvyros stabilumo sąlyga:

Tai reiškia, kad entropija izoliuotos sistemos maksimumą pasiekia esant termodinaminės pusiausvyros būsenai. Spontaniški procesai sistemoje gali vykti tik didėjimo kryptimi entropija.

Entropija priklauso termodinaminių funkcijų grupei, vadinamai Massier-Planck funkcijomis. Kitos šiai grupei priklausančios funkcijos yra Massier funkcija F 1 = S – (1/T)U ir Planko funkcija Ф 2 = S – (1/T)U – (p/T)V, galima gauti taikant Legendre transformaciją entropijai.

Pagal trečiąjį termodinamikos dėsnį (žr. Šiluminė teorema), pakeisti entropija grįžtamoje cheminėje reakcijoje tarp kondensuotų medžiagų yra linkęs į nulį at T→0:

Plancko postulatas (alternatyvi šiluminės teoremos formuluotė) teigia, kad entropija bet kurio cheminio junginio kondensuotame būvyje esant absoliučiai nulinei temperatūrai sąlygiškai lygus nuliui ir gali būti laikomas atskaitos tašku nustatant absoliučią vertę entropija medžiagos bet kurioje temperatūroje. (1) ir (2) lygtys apibrėžia entropija iki pastovaus termino.

Chemijoje termodinamika Plačiai vartojamos šios sąvokos: standartinis entropija S 0, t.y. entropija esant slėgiui r=1,01 · 10 5 Pa (1 atm); standartinis entropija cheminė reakcija t.y. standartinis skirtumas entropijos produktai ir reagentai; dalinis krūminis entropija daugiakomponentės sistemos komponentas.

Norėdami apskaičiuoti cheminę pusiausvyrą, naudokite formulę:

Kur KAM - pusiausvyros konstanta, ir - atitinkamai standartinis Gibbso energija, reakcijos entalpija ir entropija; R- dujų konstanta.

Sąvokos apibrėžimas entropija nes pusiausvyros sistema yra pagrįsta vietinės termodinaminės pusiausvyros idėja. Vietinė pusiausvyra reiškia (3) lygties įvykdymą mažiems sistemos tūriams, kurie nėra pusiausvyros kaip visuma (žr. Negrįžtamų procesų termodinamika). Sistemoje vykstant negrįžtamiems procesams, gali atsirasti gamyba (pasireiškimas). entropija. Pilnas diferencialas entropijašiuo atveju lemia Carnot-Clausius nelygybė:

Kur dS i > 0 - diferencialas entropija, nesusiję su šilumos srautu, o dėl gamybos entropija dėl negrįžtamų procesų sistemoje ( difuzija. šilumos laidumas, cheminės reakcijos ir kt.). Vietinė gamyba entropija (t- laikas) pavaizduotas kaip apibendrintų termodinaminių jėgų X sandaugų suma i prie apibendrintų termodinaminių srautų J i:

Gamyba entropija dėl, pavyzdžiui, komponento difuzijos i dėl materijos jėgos ir srauto J; gamyba entropija dėl cheminės reakcijos – jėga X = A/T, Kur A-cheminis giminingumas ir srautas J, lygus reakcijos greičiui. Statistinėje termodinamikoje entropija izoliuota sistema nustatoma pagal ryšį: kur k - Boltzmanno konstanta. - būsenos termodinaminis svoris, lygus galimų sistemos kvantinių būsenų skaičiui su nurodytomis energijos, tūrio, dalelių skaičiaus reikšmėmis. Sistemos pusiausvyros būsena atitinka pavienių (neišsigimusių) kvantinių būsenų populiacijų lygybę. Didėja entropija negrįžtamuose procesuose yra susijęs su labiau tikėtinu tam tikros sistemos energijos pasiskirstymu tarp atskirų posistemių. Apibendrintas statistinis apibrėžimas entropija, kuris taip pat taikomas neizoliuotoms sistemoms, jungiasi entropija su įvairių mikrobūsenų tikimybėmis:

Kur w i- tikimybė i– valstybė.

Absoliutus entropija Cheminis junginys nustatomas eksperimentiniu būdu, daugiausia kalorimetriniu metodu, remiantis santykiu:

Antrojo principo naudojimas leidžia mums nustatyti entropija cheminės reakcijos, pagrįstos eksperimentiniais duomenimis (elektrovaros jėgos metodas, garų slėgio metodas ir kt.). Galimas paskaičiavimas entropija cheminiai junginiai, naudojant statistinės termodinamikos metodus, pagrįstus molekulinėmis konstantomis, molekuline mase, molekuline geometrija ir normaliais virpesių dažniais. Šis metodas sėkmingai taikomas idealioms dujoms. Sutrumpintose fazėse statistiniai skaičiavimai suteikia žymiai mažesnį tikslumą ir atliekami ribotu atvejų skaičiumi; Pastaraisiais metais šioje srityje padaryta didelė pažanga.

Susijusi informacija.

Dėl to, kad dalis šilumos veikiant šiluminiams varikliams neišvengiamai persikelia į šaldytuvą, variklių efektyvumas negali prilygti vienetui. Labai įdomu rasti maksimalų galimą šilumos variklio, veikiančio su šildytuvu esant Tg temperatūrai ir šaldytuvui, esant T2 temperatūrai, efektyvumą. Pirmasis tai padarė prancūzų inžinierius ir mokslininkas Sadi Carnot.
Idealus Carnot šilumos variklis
Carnot sugalvojo idealų šiluminį variklį su idealiomis dujomis kaip darbiniu skysčiu. Visi Carnot mašinos procesai laikomi pusiausvyriniais (grįžtamaisiais).
Mašinoje vykdomas žiedinis procesas arba ciklas, kurio metu sistema po daugybės transformacijų grįžta į pradinę būseną. Carnot ciklas susideda iš dviejų izotermų ir

du, adiabatas (5.16 pav.). Kreivės 1-2 ir 3-4 yra izotermos, o 2-3 ir 4-1 yra adiabatai.
Pirma, dujos izotermiškai plečiasi esant temperatūrai T1. Tuo pačiu metu jis gauna tam tikrą šilumos kiekį iš šildytuvo. Tada jis plečiasi adiabatiškai ir nekeičia šilumos su aplinkiniais kūnais. Kas toliau
izoterminis dujų suspaudimas esant o~ ^
temperatūra T2. Šiuose ryžiuose išsiskiria dujos g jg
procesas šaldytuve, šilumos kiekis Q2 Galiausiai dujos suspaudžiamos adiabatiškai ir grįžta į pradinę būseną.
Izoterminio plėtimosi metu dujos atlieka darbą > 0, lygų šilumos kiekiui Esant adiabatiniam plėtimuisi 2-3, teigiamas darbas A"3 yra lygus vidinės energijos sumažėjimui, kai dujos atšaldomos nuo temperatūros 7\ iki temperatūros. T2: A"3 = -AU12 = ШТХ) - U (T2).
Izoterminiam suspaudimui esant T2 temperatūrai, dujoms reikia atlikti A2 darbą. Dujos atlieka atitinkamai neigiamą darbą A 2
Q2. Galiausiai, adiabatiniam suspaudimui reikia atlikti darbą su dujomis A4 = AU21. Pats darbas
Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - talentingas prancūzų inžinierius ir fizikas, vienas iš termodinamikos pradininkų. Savo darbe „Apmąstymai apie ugnies varomąją jėgą ir mašinas, galinčias išvystyti šią jėgą“ (1824) jis pirmą kartą parodė, kad šiluminiai varikliai gali atlikti darbą tik perkeldami šilumą iš karšto kūno į šaltą. Carnot sugalvojo idealų šilumos variklį, apskaičiavo idealios mašinos efektyvumą ir įrodė, kad šis koeficientas yra didžiausias įmanomas bet kokiam tikram šilumos varikliui. dujos А\ = -Л4 = -At/2i = - ШТх). Todėl bendra ra
dujų srautas dviejų adiabatinių procesų metu lygus nuliui.
Ciklo metu dujos veikia
A"= A[ + A"2=Q1 + Q2 = IQJ – |Q2|. (5.12.1)
Šis darbas skaitine prasme lygus ciklo kreivės apribotam figūros plotui (5.16 pav.).
Norint apskaičiuoti efektyvumą, reikia apskaičiuoti 1-2 ir 3-4 izoterminių procesų darbą. Skaičiavimai leidžia gauti tokį rezultatą:
(5.12.2) Carnot šiluminio variklio efektyvumas lygus skirtumo tarp šildytuvo ir šaldytuvo absoliučios temperatūros ir absoliučios šildytuvo temperatūros santykiui.
Mašinos atliktą darbą per ciklą ir į šaldytuvą perduodamą šilumos kiekį Q2 galime išreikšti per mašinos efektyvumą ir iš šildytuvo gautą šilumos kiekį Pagal efektyvumo apibrėžimą
L" = l Šilumos kiekis
Q2 = A" - = TlQi ​​- Qi = QiOl - D- (5.12.4)
Nuo t) |Q2| = (1-71)QI. (5.12.5)
Ideali šaldymo mašina
Carnot ciklas yra grįžtamasis, todėl jį galima atlikti priešinga kryptimi. Tai jau bus ne šilumos variklis, o ideali šaldymo mašina.
Procesai vyks atvirkštine tvarka. Darbas A atliekamas mašinai vairuoti. Šilumos kiekį Qx darbinis skystis perduoda į aukštesnės temperatūros šildytuvą, o šilumos kiekis Q2 tiekiamas darbiniam skysčiui iš šaldytuvo (5.17 pav.). Šiluma perduodama iš šalto korpuso į karštą, todėl mašina vadinama šaldymo mašina.?
Šilumos kiekis Q
„G

Šilumos kiekis Q2
Darbas A
Šaldytuvo temperatūra T2
Ryžiai. 5.17
Bet tai neprieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui: šiluma perduodama ne savaime, o atliekant darbą.
Šilumos kiekius Q1 ir Q2 išreikškime per darbą A ir mašinos efektyvumą T|. Kadangi pagal (5.12.3) formulę A" = riQj = -A, tai

(5.12.6)
Darbinio skysčio perduodamos šilumos kiekis, kaip visada, yra neigiamas. Akivaizdu, kad |Qj| = ^. Pagal išsireiškimą
(5.12.4) šilumos kiekis Q2 = QiCn ~ 1) arba atsižvelgiant į ryšį (5.12.3) (5.12.7)
q2= V1a>0- Tokį šilumos kiekį darbinis skystis gauna iš šaldytuvo.
Šaldytuvas veikia kaip šilumos siurblys. Į karštą kūną perduodamas šilumos kiekis Qj yra didesnis nei paimamas iš šaldytuvo. Pagal (5.12.7) formulę Q2 = ^ -A = -Qj - A. Vadinasi
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
Šaldymo mašinos efektyvumą lemia
є = -г, nes jo paskirtį galima kiek įmanoma atimti
didesnį šilumos kiekį iš aušintos sistemos, dirbant kuo mažiau. Reikšmė є vadinama našumo koeficientu. Idealiam šaldymo aparatui pagal (5.12.7) ir (5.12.2) formules
Qn T2
tai yra, kuo mažesnis temperatūrų skirtumas, tuo didesnis šaldymo koeficientas, o kuo žemesnė, tuo žemesnė kūno, iš kurio pašalinama šiluma, temperatūra. Akivaizdu, kad našumo koeficientas gali būti didesnis nei vienas. Tikriems šaldytuvams tai yra daugiau nei trys. Šaldymo mašinų tipas yra oro kondicionierius, kuris paima šilumą iš patalpos ir perduoda ją aplinkiniam orui.
Šilumos siurblys
Šildant patalpas elektriniais šildytuvais, energetiškai naudingiau naudoti šilumos siurblį, o ne tik gyvatuką, šildomą srove. Siurblys papildomai perduos šilumos kiekį Q2 iš aplinkos oro į patalpą. Tačiau tai nedaroma dėl didelės šaldymo įrenginio kainos, palyginti su įprasta elektrine virykle ar židiniu.
Naudojant šilumos siurblį, praktiškai įdomus šilumos kiekis Qj, kurį gauna šildomas kūnas, o ne šilumos kiekis Q2, atiduodamas šaltam kūnui. Taigi šilumos siurblio charakteristikos yra šios:
lQi|
vadinamas šildymo koeficientu?nuo= .
Idealiai mašinai, atsižvelgiant į ryšius (5.12.6) ir (5.12.2), turėsime Єot=m^V" (5.12.10)
1 1 ~ 1 2
kur 7"1 yra absoliuti šildomos patalpos temperatūra, o G2 - absoliuti atmosferos oro temperatūra. Taigi šildymo koeficientas visada didesnis už vienetą. Realiems prietaisams esant aplinkos temperatūrai t2 = 0 °C ir kambario temperatūrai t-l = 25 °C єot = 12 Į patalpą perduodamos šilumos kiekis yra beveik 12 kartų didesnis nei suvartojamos elektros energijos kiekis.
Maksimalus šiluminių variklių efektyvumas
(Karno teorema)
Pagrindinė Carnot gautos formulės (5.12.2) reikšmė idealios mašinos efektyvumui yra ta, kad ji lemia maksimalų galimą bet kurio šilumos variklio efektyvumą.
Carnot, remdamasis antruoju termodinamikos dėsniu, įrodė tokią teoremą: bet koks tikras šilumnešis, veikiantis su šildytuvu esant Tt temperatūrai ir šaldytuvui esant T2 temperatūrai, negali turėti efektyvumo, viršijančio idealaus šilumos variklio naudingumo koeficientą.
Pirmiausia panagrinėkime šilumos variklį, veikiantį grįžtamuoju ciklu su tikromis dujomis. Ciklas gali būti bet koks, tik svarbu, kad šildytuvo ir šaldytuvo temperatūros būtų T1-T2.
Darykime prielaidą, kad kito šiluminio variklio (neveikiančio pagal Carnot ciklą) efektyvumas g\" > Г|. Mašinos veikia su bendru šildytuvu ir bendru šaldytuvu. Tegul Carnot aparatas veikia atvirkštiniu ciklu (pavyzdžiui, šaldymo). mašina), o kita mašina pirmyn (5.18 pav.) Šilumos variklis atlieka darbą, lygų, pagal (5.12.3) ir (5.12.5) formules.
A" = r\"Q[ = ^_,\Q"2\. (5.12.11)
Šaldymo mašina visada gali būti suprojektuota taip, kad ji paimtų iš šaldytuvo šilumos kiekį Q2 = \Q2\.

Tada pagal formulę (5.12.7) bus atliktas darbas
A = (5.12.12)
Kadangi pagal sąlygą G|" > m|, tada A" > A. Todėl šiluminis variklis gali maitinti šaldymo mašiną, o darbo vis tiek liks. Šis perteklinis darbas atliekamas šiluma, paimta iš vieno šaltinio. Juk šaldytuvui šiluma neperduodama, kai vienu metu veikia dvi mašinos. Tačiau tai prieštarauja antrajam termodinamikos dėsniui.
Jei manytume, kad T| > T|", tuomet galite priversti kitą mašiną dirbti atvirkštiniu ciklu, o Karno mašiną – pirmyn. Vėlgi prieiname prie prieštaravimo antrajam termodinamikos dėsniui. Vadinasi, dvi mašinos, veikiančios grįžtamuoju ciklu, turi toks pat efektyvumas: r|" = Г|.
Kas kita, jei antroji mašina veikia negrįžtamu ciklu. Jei darysime prielaidą G)" > G), tada vėl prieitume prie prieštaravimo antrajam termodinamikos dėsniui. Tačiau prielaida G)"

Tai yra pagrindinis rezultatas:

(5.12.13)
Tikrų šiluminių variklių efektyvumas
Formulė (5.12.13) pateikia teorinę šilumos variklių didžiausios naudingumo vertės ribą. Tai rodo, kad kuo aukštesnė šildytuvo ir kuo žemesnė šaldytuvo temperatūra, tuo šilumos variklis yra efektyvesnis. Tik esant šaldytuvo temperatūrai, lygiai absoliučiam nuliui, Г| = 1.
Tačiau šaldytuvo temperatūra praktiškai negali būti daug žemesnė už aplinkos temperatūrą. Galite padidinti šildytuvo temperatūrą. Tačiau bet kuri medžiaga (tvirtas korpusas) turi ribotą atsparumą karščiui arba atsparumą karščiui. Kaitinamas pamažu praranda savo elastines savybes, o esant pakankamai aukštai temperatūrai tirpsta.
Dabar pagrindinės inžinierių pastangos nukreiptos į variklių efektyvumo didinimą, mažinant jų dalių trintį, degalų nuostolius dėl nepilno degimo ir kt. Realios galimybės padidinti efektyvumą čia vis dar išlieka didelės. Taigi garo turbinos pradinė ir galutinė garo temperatūra yra maždaug tokia: T1 = 800 K ir T2 = 300 K. Esant tokioms temperatūroms, didžiausia naudingumo koeficiento reikšmė yra
T1 - T2
Lmax = 0,62 = 62 %.
Faktinė naudingumo vertė dėl įvairių rūšių energijos nuostolių yra apie 40%. Maksimalų efektyvumą – apie 44 % – pasiekia vidaus degimo varikliai.
Bet kokios šilumos efektyvumas
variklis negali viršyti maksimumo
T1 ~ T2
galima reikšmė Lshchakh = -^-» - absoliuti
11
yra šildytuvo temperatūra, o T2 yra absoliuti
šaldytuvo temperatūra.
Šiluminių variklių efektyvumo didinimas ir priartinimas prie didžiausio įmanomo yra svarbiausia
techninė problema.