Дулааны машины үр ашиг. Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг. Улсын нэгдсэн шалгалтын кодлогчийн сэдвүүд: дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчим, дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг, дулааны хөдөлгүүр, байгаль орчныг хамгаалах.

Олон төрлийн машинуудын ажиллагаа нь дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг гэх мэт чухал үзүүлэлтээр тодорхойлогддог. Жил бүр инженерүүд илүү дэвшилтэт технологийг бий болгохыг эрмэлздэг бөгөөд энэ нь бага зардлаар ашиглахад хамгийн их үр дүнд хүрэх болно.

Дулааны хөдөлгүүрийн төхөөрөмж

Энэ нь юу болохыг ойлгохын өмнө энэ механизм хэрхэн ажилладагийг ойлгох хэрэгтэй. Түүний үйл ажиллагааны зарчмыг мэдэхгүй бол энэ үзүүлэлтийн мөн чанарыг олж мэдэх боломжгүй юм. Дулааны машин нь дотоод энерги ашиглан ажил гүйцэтгэдэг төхөөрөмж юм. Механик болж хувирдаг аливаа дулааны хөдөлгүүр нь температур нэмэгдэхийн хэрээр бодисын дулааны тэлэлтийг ашигладаг. Хатуу төлөвт хөдөлгүүрт бодисын эзэлхүүнийг өөрчлөхөөс гадна биеийн хэлбэрийг өөрчлөх боломжтой. Ийм хөдөлгүүрийн үйлдэл нь термодинамикийн хуулиудад захирагддаг.

Үйл ажиллагааны зарчим

Дулааны машин хэрхэн ажилладагийг ойлгохын тулд түүний дизайны үндсийг авч үзэх шаардлагатай. Төхөөрөмжийг ажиллуулахын тулд халуун (халаагч) ба хүйтэн (хөргөгч, хөргөгч) гэсэн хоёр бие шаардлагатай. Дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчим (дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг) нь тэдгээрийн төрлөөс хамаарна. Ихэнхдээ хөргөгч нь уурын конденсатор, халаагч нь галын хайрцагт шатдаг ямар ч төрлийн түлш юм. Тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг дараах томъёогоор олно.

Үр ашиг = (Theat - Cool) / Theat. x 100%.

Энэ тохиолдолд жинхэнэ хөдөлгүүрийн үр ашиг нь энэ томъёоны дагуу олж авсан утгаас хэзээ ч хэтрэхгүй. Мөн энэ үзүүлэлт дээр дурдсан хэмжээнээс хэзээ ч хэтрэхгүй. Үр ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд ихэвчлэн халаагчийн температурыг нэмэгдүүлж, хөргөгчийн температурыг бууруулдаг. Эдгээр хоёр процесс нь тоног төхөөрөмжийн бодит үйл ажиллагааны нөхцлөөр хязгаарлагдах болно.

Дулааны машин ажиллах үед хий нь эрчим хүчээ алдаж, тодорхой температурт хөргөж эхэлдэг тул ажил хийгддэг. Сүүлийнх нь ихэвчлэн хүрээлэн буй уур амьсгалаас хэд хэдэн градусаар өндөр байдаг. Энэ бол хөргөгчийн температур юм. Энэхүү тусгай төхөөрөмж нь яндангийн уурыг хөргөх, дараа нь конденсацлах зориулалттай. Конденсатор байгаа тохиолдолд хөргөгчийн температур заримдаа орчны температураас бага байдаг.

Дулааны машинд бие халааж тэлэх үед бүх дотоод энергийг орхиж ажил хийх боломжгүй байдаг. Дулааны зарим хэсгийг уурын хамт хөргөгчинд шилжүүлнэ. Дулааны энэ хэсэг нь зайлшгүй алдагддаг. Түлшний шаталтын үед ажлын шингэн нь халаагчаас тодорхой хэмжээний дулааныг Q 1 авдаг. Үүний зэрэгцээ тэрээр дулааны энергийн нэг хэсгийг хөргөгчинд шилжүүлдэг А ажлыг гүйцэтгэдэг хэвээр байна: Q 2

Үр ашиг нь эрчим хүчийг хувиргах, дамжуулах чиглэлээр хөдөлгүүрийн үр ашгийг тодорхойлдог. Энэ үзүүлэлтийг ихэвчлэн хувиар хэмждэг. Үр ашгийн томъёо:

η*A/Qx100%, энд Q нь зарцуулсан энерги, А нь ашигтай ажил юм.

Эрчим хүч хэмнэх хуульд үндэслэн үр ашиг нь үргэлж нэгдмэл байдлаас бага байх болно гэж бид дүгнэж болно. Өөрөөр хэлбэл, түүнд зарцуулсан эрчим хүчнээс илүү ашигтай ажил хэзээ ч байхгүй.

Хөдөлгүүрийн үр ашиг нь ашигтай ажлын харьцааг халаагчаас нийлүүлсэн энергийн харьцаа юм. Үүнийг дараах томъёогоор илэрхийлж болно.

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, энд Q 1 нь халаагуураас авсан дулаан, Q 2 нь хөргөгчинд өгөгдөнө.

Дулааны хөдөлгүүрийн ажиллагаа

Дулааны хөдөлгүүрийн ажлыг дараахь томъёогоор тооцоолно.

A = |Q H | - |Q X |, энд A нь ажил, Q H нь халаагуураас авах дулааны хэмжээ, Q X нь хөргөгчинд өгөх дулааны хэмжээ юм.

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

Энэ нь хөдөлгүүрийн гүйцэтгэсэн ажлын харьцааг хүлээн авсан дулааны хэмжээтэй тэнцүү байна. Энэ дамжуулалтын явцад дулааны энергийн нэг хэсэг алдагддаг.

Карно хөдөлгүүр

Дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн их үр ашиг нь Карно төхөөрөмжид ажиглагддаг. Энэ нь энэ системд зөвхөн халаагч (Tn) ба хөргөлтийн (Tx) үнэмлэхүй температураас хамаардагтай холбоотой юм. Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг дараахь томъёогоор тодорхойлно.

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

Термодинамикийн хуулиуд нь хамгийн их үр ашгийг тооцоолох боломжийг олгосон. Энэ үзүүлэлтийг анх Францын эрдэмтэн, инженер Сади Карно тооцоолжээ. Тэрээр хамгийн тохиромжтой хий дээр ажилладаг дулааны машин зохион бүтээжээ. Энэ нь 2 изотерм ба 2 адиабатын мөчлөгт ажилладаг. Түүний үйл ажиллагааны зарчим нь маш энгийн: халаагч нь хийтэй саванд холбогдсон бөгөөд үүний үр дүнд ажлын шингэн нь изотермоор өргөсдөг. Үүний зэрэгцээ энэ нь үйл ажиллагаа явуулж, тодорхой хэмжээний дулааныг хүлээн авдаг. Үүний дараа савыг дулаан тусгаарлалт хийдэг. Гэсэн хэдий ч хий нь тэлсээр байгаа боловч адиабатаар (байгаль орчинтой дулаан солилцоогүй). Энэ үед түүний температур хөргөгчнийх хүртэл буурдаг. Энэ мөчид хий нь хөргөгчтэй харьцдаг бөгөөд үүний үр дүнд изометрийн шахалтын үед тодорхой хэмжээний дулаан ялгаруулдаг. Дараа нь савыг дахин дулаанаар тусгаарлана. Энэ тохиолдолд хий нь анхны эзэлхүүн болон төлөв байдалд адиабатаар шахагдана.

Сортууд

Өнөө үед янз бүрийн зарчим, өөр өөр түлшээр ажилладаг олон төрлийн дулааны хөдөлгүүрүүд байдаг. Тэд бүгд өөрийн гэсэн үр ашигтай байдаг. Үүнд дараахь зүйлс орно.

Шатаах түлшний химийн энергийн нэг хэсгийг механик энерги болгон хувиргах механизм болох дотоод шаталтат хөдөлгүүр (поршений). Ийм төхөөрөмж нь хий, шингэн байж болно. 2 ба 4 шатлалт хөдөлгүүрүүд байдаг. Тэд тасралтгүй ажлын мөчлөгтэй байж болно. Түлшний хольц бэлтгэх аргын дагуу ийм хөдөлгүүрүүд нь карбюратор (гадаад хольц үүсэх) ба дизель (дотоод) юм. Эрчим хүчний хувиргагчийн төрлөөс хамааран тэдгээрийг поршений, тийрэлтэт, турбин, хосолсон гэж хуваадаг. Ийм машинуудын үр ашиг 0.5-аас ихгүй байна.

Stirling хөдөлгүүр нь ажлын шингэн нь хязгаарлагдмал орон зайд байрладаг төхөөрөмж юм. Энэ нь гадаад шаталтат хөдөлгүүрийн нэг төрөл юм. Түүний үйл ажиллагааны зарчим нь эзэлхүүний өөрчлөлтөөс болж эрчим хүч үйлдвэрлэх замаар биеийг үе үе хөргөх / халаахад суурилдаг. Энэ бол хамгийн үр дүнтэй хөдөлгүүрүүдийн нэг юм.

Түлшний гаднах шаталт бүхий турбин (эргэдэг) хөдөлгүүр. Ийм суурилуулалтыг ихэвчлэн дулааны цахилгаан станцуудад олдог.

Дулааны цахилгаан станцуудад турбин (эргэдэг) дотоод шаталтат хөдөлгүүрийг оргил горимд ашигладаг. Бусад шиг өргөн тархаагүй.

Турбин хөдөлгүүр нь сэнсээр дамжуулан түлхэлтийн зарим хэсгийг үүсгэдэг. Үлдсэнийг нь яндангийн хийнээс авдаг. Түүний загвар нь тэнхлэг дээр сэнс суурилуулсан эргэдэг хөдөлгүүр юм.

Бусад төрлийн дулааны хөдөлгүүрүүд

Пуужин, турбореактив болон яндангийн хий буцаж ирсний улмаас түлхэлт авдаг.

Хатуу төлөвт хөдөлгүүр нь хатуу бодисыг түлш болгон ашигладаг. Ашиглалтын явцад түүний хэмжээ өөрчлөгддөггүй, харин хэлбэр нь өөрчлөгддөг. Тоног төхөөрөмжийг ажиллуулахдаа температурын маш бага зөрүүг ашигладаг.

Үр ашгийг хэрхэн нэмэгдүүлэх вэ

Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх боломжтой юу? Хариултыг термодинамикаас хайх ёстой. Тэрээр янз бүрийн төрлийн энергийн харилцан өөрчлөлтийг судалдаг. Боломжтой бүх механик гэх мэтийг ашиглах боломжгүй гэдгийг тогтоосон бөгөөд үүний зэрэгцээ тэдгээрийн дулааны хувирал нь ямар ч хязгаарлалтгүйгээр явагддаг. Энэ нь дулааны энергийн шинж чанар нь бөөмсийн эмх замбараагүй (эмх замбараагүй) хөдөлгөөнд суурилдагтай холбоотой юм.

Бие хэдий чинээ их халах тусам түүнийг бүрдүүлэгч молекулууд төдий чинээ хурдан хөдөлнө. Бөөмийн хөдөлгөөн улам тогтворгүй болно. Үүний зэрэгцээ дэг журам нь эмх замбараагүй байдал руу амархан хувирдаг бөгөөд үүнийг захиалахад маш хэцүү байдаг гэдгийг хүн бүр мэддэг.

Улсын нэгдсэн шалгалтын кодлогчийн сэдвүүд: дулааны хөдөлгүүрийн ажиллах зарчим, дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг, дулааны хөдөлгүүр, байгаль орчныг хамгаалах.

Товчхондоо, дулааны хөдөлгүүрүүддулааныг ажил болгон хувиргах, эсвэл эсрэгээр ажлыг дулаан болгон хувиргах.
Дулааны хөдөлгүүрүүд нь тэдгээрийн дотор явагдаж буй үйл явцын чиглэлээс хамааран хоёр төрөлтэй.

1. Дулааны хөдөлгүүрүүдгадны эх үүсвэрээс ирж буй дулааныг механик ажил болгон хувиргах.

2. Хөргөлтийн машинуудгадны эх үүсвэрийн механик ажлын улмаас бага халсан биеэс илүү халсан бие рүү дулаан дамжуулах.

Эдгээр төрлийн дулааны хөдөлгүүрүүдийг илүү нарийвчлан авч үзье.

Дулааны хөдөлгүүрүүд

Бие дээр ажил хийх нь түүний дотоод энергийг өөрчлөх нэг арга гэдгийг бид мэднэ: хийсэн ажил нь биед уусч, санамсаргүй хөдөлгөөн, түүний бөөмсийн харилцан үйлчлэлийн энерги болж хувирдаг.

Цагаан будаа. 1. Дулааны хөдөлгүүр

Дулааны машин нь эсрэгээрээ биеийн "эмх замбараагүй" дотоод энергиээс ашигтай ажлыг гаргаж авдаг төхөөрөмж юм. Дулааны машиныг зохион бүтээсэн нь хүн төрөлхтний соёл иргэншлийн нүүр царайг эрс өөрчилсөн.

Дулааны хөдөлгүүрийн бүдүүвч диаграммыг дараах байдлаар дүрсэлж болно (Зураг 1). Энэ диаграммын элементүүд ямар утгатай болохыг олж мэдье.

Ажлын шингэнхөдөлгүүр нь хий юм. Энэ нь өргөжиж, бүлүүрийг хөдөлгөж, улмаар ашигтай механик ажлыг гүйцэтгэдэг.

Гэхдээ гадны хүчийг даван туулж, хийг өргөжүүлэхийн тулд түүнийг орчны температураас хамаагүй өндөр температурт халаах шаардлагатай. Үүнийг хийхийн тулд хийтэй холбоо барина халаагч- түлш шатаах.

Түлшний шаталтын явцад ихээхэн хэмжээний энерги ялгардаг бөгөөд үүний нэг хэсэг нь хий халаахад зарцуулагддаг. Хий нь халаагчаас тодорхой хэмжээний дулааныг авдаг. Энэ дулааны улмаас хөдөлгүүр нь ашигтай ажил гүйцэтгэдэг.

Энэ бүхэн ойлгомжтой. Хөргөгч гэж юу вэ, яагаад хэрэгтэй вэ?

Ганцхан хийн өргөтгөл хийснээр бид ирж буй дулааныг аль болох үр ашигтай ашиглаж, бүхэлд нь ажил болгон хувиргах боломжтой. Үүнийг хийхийн тулд бид хийг изотермоор өргөжүүлэх хэрэгтэй: бидний мэдэж байгаагаар термодинамикийн эхний хууль энэ тохиолдолд бидэнд өгдөг.

Гэхдээ нэг удаагийн өргөтгөл хэнд ч хэрэггүй. Хөдөлгүүр ажиллаж байх ёстой мөчлөгөөр, поршений хөдөлгөөний үе үе давтагдах байдлыг хангах. Тиймээс өргөтгөл дууссаны дараа хийг шахаж, анхны байдалд нь оруулах ёстой.

Өргөтгөх явцад хий нь эерэг ажил хийдэг. Шахах процессын явцад хий дээр эерэг ажил хийгддэг (мөн хий өөрөө сөрөг ажил хийдэг). Үүний үр дүнд нэг мөчлөгт хийн ашигтай ажил нь: .

Мэдээж class="tex" alt="A>0) байх ёстой"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}

Хийг шахах үед бид тэлэлтийн үеийн хийнээс бага ажил хийх ёстой.

Үүнд хэрхэн хүрэх вэ? Хариулт: хийг тэлэх үеийнхээс бага даралтын дор шахах. Өөрөөр хэлбэл, -диаграм дээр шахалтын процесс үргэлжлэх ёстой доортэлэлтийн үйл явц, өөрөөр хэлбэл мөчлөг дамжих ёстой цагийн зүүний дагуу(Зураг 2).

Цагаан будаа. 2. Дулааны хөдөлгүүрийн эргэлт

Жишээлбэл, зураг дээрх мөчлөгт хийн тэлэлтийн үед хийсэн ажил нь муруй трапецын талбайтай тэнцүү байна. Үүний нэгэн адил шахалтын үед хийсэн хийн ажил нь хасах тэмдэг бүхий муруй трапецын талбайтай тэнцүү байна. Үүний үр дүнд нэг мөчлөгт хийн хийсэн ажил эерэг болж, мөчлөгийн талбайтай тэнцүү байна.

За, гэхдээ та хийг доод муруйн дагуу, өөрөөр хэлбэл бага даралттай төлөвөөр дамжуулан анхны төлөв рүүгээ буцаахыг хэрхэн албадах вэ? Өгөгдсөн эзэлхүүний хувьд температур бага байх тусам хийн даралт бага байх болно гэдгийг санаарай. Тиймээс шахах үед хий нь бага температуртай мужуудыг туулах ёстой.

Хөргөгч яг ийм зүйлд зориулагдсан юм: to сэрүүншахалтын явцад хий.

Хөргөгч нь агаар мандал (дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн хувьд) эсвэл хөргөлтийн урсгал ус (уурын турбины хувьд) байж болно. Хөргөх үед хий нь хөргөгчинд бага зэрэг дулаан өгдөг.

Нэг мөчлөгт хийн хүлээн авсан дулааны нийт хэмжээ нь тэнцүү байна. Термодинамикийн анхны хуулийн дагуу:

нэг мөчлөгт хийн дотоод энергийн өөрчлөлт хаана байна. Энэ нь тэгтэй тэнцүү: хий анхны төлөвтөө буцаж ирсэн тул (мөн дотоод энерги нь бидний санаж байгаагаар төрийн функц). Үүний үр дүнд нэг мөчлөгт хийн ажил дараахь хэмжээтэй тэнцүү байна.

(1)

Таны харж байгаагаар халаагуураас гарч буй дулааныг бүрэн ажил болгон хувиргах боломжгүй юм. Үйл явцын мөчлөгийн шинж чанарыг хангахын тулд дулааны нэг хэсгийг хөргөгчинд өгөх шаардлагатай.

Шатаж буй түлшний энергийг механик ажилд хувиргах үр ашгийн үзүүлэлт бол дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг юм.

Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашигЭнэ нь механик ажлын халаагуураас хүлээн авсан дулааны харьцаа юм.

(1) хамаарлыг харгалзан бид бас байна

(2)

Бидний харж байгаагаар дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь нэгдмэл байдлаас үргэлж бага байдаг. Жишээлбэл, уурын турбины үр ашиг ойролцоогоор , дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн үр ашиг ойролцоогоор .

Хөргөлтийн машинууд

Өдөр тутмын туршлага, физик туршилтууд нь дулаан солилцооны явцад дулааныг илүү халсан биеэс бага халсан бие рүү шилжүүлдэг боловч эсрэгээр нь биш гэдгийг бидэнд хэлдэг. Дулааны солилцооны улмаас эрчим хүч аяндаахүйтэн биеэс халуунд шилждэг бөгөөд үүний үр дүнд хүйтэн бие улам хөрч, халуун бие улам их халдаг.

Цагаан будаа. 3. Хөргөгч

Энд байгаа гол үг бол "аяндаа" гэсэн үг юм. Хэрэв та эрчим хүчний гадаад эх үүсвэрийг ашигладаг бол хүйтэн биеэс халуун руу дулаан дамжуулах процессыг явуулах боломжтой. Үүнийг хөргөгчид хийдэг
машинууд.

Дулааны машинтай харьцуулахад хөргөлтийн машин дахь процессууд эсрэг чиглэлд явагддаг (Зураг 3).

Ажлын шингэнхөргөгч машин гэж бас нэрлэдэг хөргөгч. Энгийн болгохын тулд бид үүнийг тэлэлтийн үед дулааныг шингээж, шахах үед ялгаруулдаг хий гэж үзэх болно (бодит хөргөлтийн төхөөрөмжид хөргөгч нь бага буцалгах температуртай, ууршилтын үед дулааныг шингээж, конденсацийн үед ялгардаг дэгдэмхий уусмал юм).

Хөргөгчхөргөлтийн машинд энэ нь дулааныг гадагшлуулдаг бие юм. Хөргөгч нь тодорхой хэмжээний дулааныг ажлын шингэнд (хий) шилжүүлдэг бөгөөд үүний үр дүнд хий нь өргөсдөг.

Шахах үед хий нь дулааныг илүү халуун биед шилжүүлдэг - халаагч. Ийм дулаан дамжуулалтыг бий болгохын тулд хий нь тэлэлтийн үеийнхээс илүү өндөр температурт шахагдах ёстой. Энэ нь зөвхөн гадны эх үүсвэрийн гүйцэтгэсэн ажлын ачаар боломжтой юм (жишээлбэл, цахилгаан мотор (жинхэнэ хөргөлтийн төхөөрөмжид цахилгаан мотор нь ууршуулагчид бага даралтыг бий болгодог бөгөөд үүний үр дүнд хөргөгч нь буцалж, дулааныг авдаг); эсрэгээр, конденсатор дээр цахилгаан мотор нь өндөр даралтыг бий болгодог бөгөөд үүний дор хөргөгч нь конденсац болж, дулаан ялгаруулдаг)). Тиймээс халаагуурт шилжүүлсэн дулааны хэмжээ нь хөргөгчнөөс авсан дулааны хэмжээнээс яг тодорхой хэмжээгээр их байна.

Тиймээс -диаграмм дээр хөргөлтийн машины ажлын мөчлөг явагдана цагийн зүүний эсрэг. Циклийн талбай нь гадны эх үүсвэрийн хийсэн ажил юм (Зураг 4).

Цагаан будаа. 4. Хөргөгчний эргэлт

Хөргөлтийн машины гол зорилго нь тодорхой усан санг (жишээлбэл, хөлдөөгч) хөргөх явдал юм. Энэ тохиолдолд энэ усан сан нь хөргөгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг бөгөөд хүрээлэн буй орчин нь халаагчийн үүрэг гүйцэтгэдэг - усан сангаас гаргаж авсан дулааныг түүн рүү шилжүүлдэг.

Хөргөлтийн машины үр ашгийн үзүүлэлт нь гүйцэтгэлийн коэффициент, хөргөгчнөөс гаргаж авсан дулааны гадаад эх үүсвэрийн ажилд харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна.

Хөргөлтийн коэффициент нь нэгээс их байж болно. Жинхэнэ хөргөгчинд ойролцоогоор 1-ээс 3 хүртэлх утгыг авдаг.

Өөр нэг сонирхолтой програм бий: хөргөлтийн машин ажиллах боломжтой дулааны насос. Дараа нь түүний зорилго нь хүрээлэн буй орчны дулааны улмаас тодорхой усан санг халаах (жишээлбэл, өрөөг халаах) юм. Энэ тохиолдолд энэ сав нь халаагч, орчин нь хөргөгч байх болно.

Дулааны насосны үр ашгийн үзүүлэлт нь халаалтын коэффициент, халсан усан сан руу шилжүүлсэн дулааны хэмжээг гадаад эх үүсвэрийн ажилд харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна.

Бодит дулааны насосны халаалтын коэффициентийн утга нь ихэвчлэн 3-5 хооронд хэлбэлздэг.

Карногийн дулааны хөдөлгүүр

Дулааны хөдөлгүүрийн чухал шинж чанарууд нь мөчлөгийн үед ажлын шингэний хамгийн дээд ба хамгийн бага температур юм. Эдгээр утгыг зохих ёсоор нь дууддаг халаагчийн температурТэгээд хөргөгчийн температур.

Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь нэгдмэл байдлаас хамаагүй бага гэдгийг бид харсан. Байгалийн асуулт гарч ирнэ: халаагчийн температур ба хөргөгчийн температурын тогтмол утгууд бүхий дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн өндөр үр ашиг нь юу вэ?

Жишээлбэл, хөдөлгүүрийн ажлын шингэний хамгийн их температур нь , хамгийн бага нь - байна. Ийм хөдөлгүүрийн үр ашгийн онолын хязгаарлалт юу вэ?

Энэ асуултын хариуг 1824 онд Францын физикч, инженер Сади Карно өгсөн.

Тэрээр ажлын шингэн болох хамгийн тохиромжтой хий бүхий гайхалтай дулааны хөдөлгүүр зохион бүтээж, судалжээ. Энэ машин нь дагуу ажилладаг Карногийн мөчлөг, хоёр изотерм ба хоёр адиабатаас бүрдэнэ.

Ингээд авч үзье шууд мөчлөгКарно машин, цагийн зүүний дагуу явдаг (Зураг 5). Энэ тохиолдолд машин нь дулааны хөдөлгүүрийн үүрэг гүйцэтгэдэг.

Цагаан будаа. 5. Карногийн мөчлөг

Изотерм. Энэ үед хий нь температурын халаагууртай дулааны контакт руу орж, изотермоор өргөсдөг. Халаагчаас тодорхой хэмжээний дулаан гарч, энэ хэсэгт бүхэлдээ ажил болж хувирдаг: .

Адиабата. Дараагийн шахалтын хувьд хийг бага температуртай бүс рүү шилжүүлэх шаардлагатай. Үүнийг хийхийн тулд хий нь дулаан тусгаарлалттай бөгөөд дараа нь тухайн талбайд адиабатаар өргөсдөг.

Өргөтгөх үед хий эерэг ажил хийдэг бөгөөд үүнээс болж түүний дотоод энерги буурдаг: .

Изотерм. Дулаан тусгаарлагчийг зайлуулж, хий нь температурын хөргөгчтэй дулаан холбоо барихад хүргэдэг. Изотермийн шахалт үүсдэг. Хий нь дулааныг хөргөгчинд шилжүүлж, сөрөг ажил хийдэг.

Адиабата. Энэ хэсэг нь хийг анхны байдалд нь оруулахад зайлшгүй шаардлагатай. Адиабат шахалтын үед хий нь сөрөг ажил гүйцэтгэх ба дотоод энергийн өөрчлөлт эерэг байна: . Хийг анхны температурт халаана.

Карно энэ мөчлөгийн үр ашгийг олсон (харамсалтай нь тооцоолол нь сургуулийн сургалтын хөтөлбөрийн хүрээнээс давсан):

(3)

Түүнээс гадна тэр үүнийг нотолсон Карногийн циклийн үр ашиг нь халаагчийн температур ба сэрүүн температуртай бүх дулааны хөдөлгүүрт боломжтой хамгийн дээд хэмжээ юм .

Тиймээс, дээрх жишээнд бид:

Бусад процессуудыг бус изотерм ба адиабатыг ашиглах нь ямар учиртай вэ?

Изотерм ба адиабат процессууд нь Карно машиныг бий болгодог буцаах боломжтой. Үүнийг эхлүүлж болно урвуу мөчлөг(цагийн зүүний эсрэг) ижил халаагуур ба хөргөгчийн хооронд, бусад төхөөрөмжийг оролцуулалгүйгээр. Энэ тохиолдолд Карно машин нь хөргөлтийн машины үүргийг гүйцэтгэнэ.

Карно машиныг хоёр чиглэлд ажиллуулах чадвар нь термодинамикийн хувьд маш чухал үүрэг гүйцэтгэдэг. Жишээлбэл, энэ баримт нь Карногийн мөчлөгийн хамгийн их үр ашгийг нотлох холбоос болж өгдөг. Бид термодинамикийн хоёр дахь хуулийн дараагийн өгүүллээр энэ тухай эргэн харах болно.

Дулааны хөдөлгүүр ба байгаль орчныг хамгаалах

Дулааны хөдөлгүүр нь байгаль орчинд ноцтой хохирол учруулдаг. Тэдний өргөн хэрэглээ нь олон тооны сөрөг үр дагаварт хүргэдэг.

Агаар мандалд асар их хэмжээний дулааны энерги ялгарах нь дэлхий дээрх температурын өсөлтөд хүргэдэг. Уур амьсгалын дулаарлаас үүдэн мөсөн голууд хайлж, гамшгийн аюул нүүрлэж байна.
Уур амьсгалын дулаарал нь агаар мандалд нүүрстөрөгчийн давхар исэл хуримтлагдаж, дэлхийн дулааны цацрагийн сансар огторгуйд урсах явцыг удаашруулдаг (хүлэмжийн нөлөө).
Түлшний шаталтын бүтээгдэхүүний өндөр агууламжаас болж байгаль орчны нөхцөл байдал улам дордож байна.

Эдгээр нь бүх соёл иргэншлийн хэмжээнд тулгамдсан асуудал юм. Дулааны хөдөлгүүрийн хор уршигтай тэмцэхийн тулд тэдгээрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх, хорт утаа ялгаруулалтыг бууруулах, шинэ төрлийн түлш гаргах, эрчим хүчийг хэмнэлттэй ашиглах шаардлагатай байна.

Карногийн мөчлөг- дулааныг ажил (эсвэл ажлыг дулаан) болгон хувиргах урвуу дугуй процесс. Энэ нь ээлжлэн солигдох хоёр изотерм ба биадиабат процессуудаас бүрддэг бөгөөд ажлын шингэн нь хамгийн тохиромжтой хий юм. Дулааны машинуудын үр ашгийг тодорхойлохтой холбогдуулан анх N. L. S. Carnot (1824) авч үзсэн. Карногийн мөчлөг бол хамгийн үр ашигтай мөчлөг бөгөөд хамгийн их үр ашигтай байдаг.

Карногийн мөчлөгийн үр ашиг:

Энэ нь хамгийн тохиромжтой хийтэй Карногийн мөчлөгийн үр ашиг нь зөвхөн халаагч (Tn) ба хөргөгчийн (Tx) температураас хамаардаг болохыг харуулж байна.

Тэгшитгэлээс дараах дүгнэлтүүд гарна.

1. Дулааны машины үр ашгийг нэмэгдүүлэхийн тулд халаагчийн температурыг нэмэгдүүлж, хөргөгчийн температурыг багасгах шаардлагатай;

2. Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг үргэлж 1-ээс бага байдаг.

Карногийн мөчлөгбүх бүрэлдэхүүн хэсгүүд нь тэнцвэрт үйл явц учраас буцах боломжтой.

Асуулт 20:

Бодит хийн төлөв байдлыг хамгийн энгийн бөгөөд чанарын хувьд зөв тусгасан нь Ван дер Ваалсын тэгшитгэл юм.

Ван дер Ваалсын хийн төлөв байдлын тэгшитгэл- Ван дер Ваалсын хийн загварт гол термодинамик хэмжигдэхүүнүүдийг холбосон тэгшитгэл.

Хэдийгээр хамгийн тохиромжтой хийн загвар нь бага даралт, өндөр температурт бодит хийн үйл ажиллагааг сайн дүрсэлсэн боловч бусад нөхцөлд туршилттай тохирч байгаа нь хамаагүй муу юм. Ялангуяа энэ нь бодит хий нь шингэн, тэр ч байтугай хатуу төлөвт хувирах боломжтой, харин хамгийн тохиромжтой хий болж чадахгүйд илэрдэг.

Дулааны төлөв байдлын тэгшитгэл (эсвэл зүгээр л төлөвийн тэгшитгэл) нь даралт, эзэлхүүн ба температурын хоорондын хамаарал юм.

Учир нь нэг мэнгэван дер Ваалсын хий хэлбэртэй байна.

Халаагчаас тодорхой хэмжээний дулаан Q 1 хүлээн авч буй ажлын шингэн нь |Q2| модультай тэнцүү хэмжээний дулааны нэг хэсгийг хөргөгчинд өгдөг. Тиймээс хийсэн ажил үүнээс илүү байж болохгүй A = Q 1- |Q 2 |.Энэ ажлын харьцааг халаагчаас өргөсөж буй хийн хүлээн авсан дулааны хэмжээ гэж нэрлэдэг үр ашиг дулааны хөдөлгүүр:

Хаалттай циклд ажилладаг дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь үргэлж нэгээс бага байдаг. Дулааны эрчим хүчний инженерийн даалгавар бол үр ашгийг аль болох өндөр болгох, өөрөөр хэлбэл халаагчаас авсан дулааныг аль болох их хэмжээгээр ажил үйлдвэрлэхэд ашиглах явдал юм. Үүнд хэрхэн хүрэх вэ?
Изотерм ба адиабатаас бүрдэх хамгийн төгс мөчлөгт процессыг анх удаа Францын физикч, инженер С.Карно 1824 онд санал болгожээ.

Карногийн мөчлөг.

Хий нь цилиндрт байгаа бөгөөд түүний хана, поршений хэсэг нь дулаан тусгаарлагч материалаар хийгдсэн, доод хэсэг нь өндөр дулаан дамжуулалттай материалаар хийгдсэн гэж үзье. Хийн эзэлдэг эзэлхүүн нь тэнцүү байна V 1.

Зураг 2

Цилиндрийг халаагчтай холбоод (Зураг 2) хийд изотермоор тэлэх, ажил хийх боломжийг олгоё. . Хий нь халаагчаас тодорхой хэмжээний дулааныг авдаг Q 1.Энэ процессыг графикаар изотермоор (муруй AB).

Зураг 3

Хийн эзэлхүүн тодорхой утгатай тэнцэх үед V 1'< V 2 , цилиндрийн доод хэсэг нь халаагуураас тусгаарлагдсан байна , Үүний дараа хий нь хэмжээ хүртэл адиабатаар өргөсдөг V 2,цилиндр дэх поршений хамгийн их харвалттай тохирч байна (адиабат Нар). Энэ тохиолдолд хий нь температур хүртэл хөргөнө Т 2< T 1 .
Хөргөсөн хийг одоо температурт изотермоор шахаж болно T2.Үүнийг хийхийн тулд ижил температуртай биетэй холбоо барих шаардлагатай T 2,өөрөөр хэлбэл хөргөгчтэй , ба хийг гадны хүчээр шахаж . Гэсэн хэдий ч энэ процесст хий нь анхны төлөвтөө буцаж ирэхгүй - түүний температур үргэлж түүнээс бага байх болно Т 1.
Тиймээс изотермийн шахалтыг тодорхой завсрын эзэлхүүнд хүргэдэг V 2 '>V 1(изотерм CD). Энэ тохиолдолд хий нь хөргөгчинд бага зэрэг дулааныг өгдөг Q2,үүн дээр гүйцэтгэсэн шахалтын ажилтай тэнцүү байна. Үүний дараа хий нь эзэлхүүн хүртэл адиабатаар шахагдана V 1,Үүний зэрэгцээ түүний температур хүртэл нэмэгддэг Т 1(адиабат Д.А.). Одоо хий нь анхны төлөвтөө буцаж ирсэн бөгөөд түүний хэмжээ V 1, температуртай тэнцүү байна - T1,даралт - х 1, мөн мөчлөгийг дахин давтаж болно.

Тиймээс, сайт дээр ABCхий ажилладаг (A > 0),мөн сайт дээр CDAхий дээр хийсэн ажил (А< 0). Сайтууд дээр НарТэгээд МЭажил нь зөвхөн хийн дотоод энергийг өөрчлөх замаар хийгддэг. Дотоод энерги өөрчлөгдсөнөөс хойш UBC = - UDA, тэгвэл адиабат процессын үеийн ажил тэнцүү байна: ABC = -ADA.Иймээс нэг мөчлөгт гүйцэтгэсэн нийт ажлыг изотерм процессын явцад гүйцэтгэсэн ажлын зөрүүгээр тодорхойлно (хэсэг). ABТэгээд CD). Тоон хувьд энэ ажил нь мөчлөгийн муруйгаар хязгаарлагдсан зургийн талбайтай тэнцүү байна ABCD.
Дулааны зөвхөн нэг хэсэг нь ашигтай ажил болж хувирдаг QT,халаагуураас хүлээн авсан, тэнцүү байна QT 1 – |QT 2 |.Тиймээс, Карногийн мөчлөгт ашигтай ажил A = QT 1– |QT 2 |.
С.Карногийн үзүүлсэн хамгийн тохиромжтой мөчлөгийн хамгийн их үр ашгийг халаагчийн температураар илэрхийлж болно. (T 1)болон хөргөгч (T 2):

Бодит хөдөлгүүрт хамгийн тохиромжтой изотерм ба адиабат процессуудаас бүрдэх циклийг хэрэгжүүлэх боломжгүй юм. Тиймээс жинхэнэ хөдөлгүүрт хийгдсэн мөчлөгийн үр ашиг нь Карногийн мөчлөгийн үр ашгаас үргэлж бага байдаг (халаагч, хөргөгчний ижил температурт):

Томъёо нь халаагчийн температур өндөр, хөргөгчийн температур бага байх тусам хөдөлгүүрийн үр ашиг өндөр байгааг харуулж байна.

Карно Николас Леонард Сади (1796-1832) - Францын авъяаслаг инженер, физикч, термодинамикийг үндэслэгчдийн нэг. Тэрээр "Галын хөдөлгөгч хүч ба энэ хүчийг хөгжүүлэх чадвартай машинуудын талаархи эргэцүүлэл" (1824) бүтээлдээ тэрээр анх дулааны хөдөлгүүрүүд зөвхөн халуун биеэс дулааныг хүйтэнд шилжүүлэх явцад л ажил гүйцэтгэж чадна гэдгийг харуулсан. Карно хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийг гаргаж, хамгийн тохиромжтой машины үр ашгийг тооцоолж, энэ коэффициент нь аливаа бодит дулааны хөдөлгүүрт боломжтой хамгийн дээд хэмжээ гэдгийг нотолсон.
Судалгааны ажилд туслах зорилгоор Карно 1824 онд ажлын шингэн болох хамгийн тохиромжтой хий бүхий хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийг (цаасан дээр) зохион бүтээжээ. Карно хөдөлгүүрийн чухал үүрэг нь түүний боломжит практик хэрэглээнд төдийгүй дулааны хөдөлгүүрийн үйл ажиллагааны зарчмуудыг ерөнхийд нь тайлбарлах боломжийг бидэнд олгодог; Карно хөдөлгүүрийнхээ тусламжтайгаар термодинамикийн хоёр дахь хуулийг батлах, ойлгоход чухал хувь нэмэр оруулж чадсан нь адил чухал юм. Карно машин дахь бүх процессыг тэнцвэрт байдал (буцах боломжтой) гэж үздэг. Урвуу үйл явц гэдэг нь маш удаан явагддаг үйл явц бөгөөд үүнийг нэг тэнцвэрийн төлөвөөс нөгөөд шилжих зэрэг дараалсан шилжилт гэж үзэж болох бөгөөд энэ бүх үйл явц нь гүйцэтгэсэн ажил, зарцуулалтын хэмжээг өөрчлөхгүйгээр эсрэг чиглэлд явагдах боломжтой. дулаан дамжуулсан. (Бүх бодит процессууд эргэлт буцалтгүй байдгийг анхаарна уу) Машинд дугуй процесс буюу цикл явагддаг бөгөөд систем нь хэд хэдэн өөрчлөлт хийсний дараа анхны төлөвтөө буцаж ирдэг. Карногийн мөчлөг нь хоёр изотерм ба хоёр адиабатаас бүрдэнэ. A - B ба C - D муруйнууд нь изотермууд, B - C ба D - A нь адиабатууд юм. Нэгдүгээрт, T 1 температурт хий нь изотермоор өргөсдөг. Үүний зэрэгцээ халаагчаас Q 1 дулааны хэмжээг авдаг. Дараа нь энэ нь адиабатаар өргөжиж, хүрээлэн буй биетэй дулаан солилцдоггүй. Үүний дараа T 2 температурт хийн изотермийн шахалт явагдана. Энэ процесст хий нь Q 2 дулааны хэмжээг хөргөгчинд шилжүүлдэг. Эцэст нь хий нь адиабатаар шахагдаж, анхны төлөвтөө буцаж ирдэг. Изотермийн тэлэлтийн үед хий нь Q 1 дулааны хэмжээтэй тэнцүү A" 1 >0 ажилладаг. Адиабат тэлэлтийн B - C үед эерэг ажил A" 3 нь хийг температураас хөргөх үед дотоод энергийн бууралттай тэнцүү байна. T 1-ээс T 2-ийн температурт: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1)-U(T 2). T 2 температурт изотермоор шахах нь хий дээр А 2 ажлыг гүйцэтгэх шаардлагатай. Хий нь харгалзах сөрөг ажил гүйцэтгэдэг. A" 2 = -A 2 = Q 2. Эцэст нь хэлэхэд, адиабат шахалт нь хий дээр хийсэн ажил шаарддаг A 4 = dU 2.1. Хийн өөрийнх нь ажил A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Иймээс адиабатын хоёр процессын үед хийсэн хийн нийт ажил тэг байна. Циклийн үед хий ажилладаг A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Энэ ажил нь мөчлөгийн муруйгаар хязгаарлагдсан зургийн талбайтай тоогоор тэнцүү байна. Үр ашгийг тооцоолохын тулд A - B ба C - D изотерм процессуудын ажлыг тооцоолох шаардлагатай. Тооцоолол нь дараах үр дүнд хүргэнэ. (2) Карно дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь халаагч ба хөргөгчийн үнэмлэхүй температурын зөрүүг халаагчийн үнэмлэхүй температурт харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна. Карногийн томъёо (2)-ын хамгийн тохиромжтой машины үр ашгийн гол ач холбогдол нь ямар ч дулааны хөдөлгүүрийн байж болох хамгийн их үр ашгийг тодорхойлдогт оршино. Карно дараах теоремыг нотолсон: T 1 температурт халаагч, T 2 температурт хөргөгчтэй ажилладаг аливаа бодит дулааны хөдөлгүүр нь хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгаас давсан үр ашигтай байж чадахгүй.
	Отто мөчлөгт ажлын хольцыг эхлээд цилиндрт 1-2, дараа нь адиабат шахалт 2-3, изохорын шаталтын дараа 3-4, шаталтын бүтээгдэхүүний температур, даралтын өсөлт, тэдгээрийн адиабат тэлэлт дагалддаг. 4-5 тохиолдвол изохорын даралтын уналт 5-2, поршений яндангийн хийн изобар ялгаралт 2-1 байна. Изохорууд дээр ямар ч ажил хийгдээгүй, ажлын хольцыг сорох, яндангийн хийг гадагшлуулах үеийн ажил тэнцүү ба эсрэг тэмдэгтэй байдаг тул нэг мөчлөгт ашиг тустай ажил нь тэлэлт, шахалтын адиабатын ажлын зөрүүтэй тэнцүү байна. мөчлөгийн талбайгаар графикаар дүрслэгдсэн байна.
Бодит дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг Карногийн мөчлөгийн үр ашигтай харьцуулахдаа (2) илэрхийлэлд T 2 температур нь онцгой тохиолдолд бидний хөргөгчинд авдаг орчны температуртай давхцаж болно гэдгийг тэмдэглэх нь зүйтэй. ерөнхий тохиолдолд энэ нь орчны температураас хэтэрсэн байна. Тиймээс, жишээлбэл, дотоод шаталтат хөдөлгүүрт T2 нь утаа ялгардаг орчны температур биш харин яндангийн хийн температур гэж ойлгох ёстой.
	Зураг дээр изобар шаталттай дөрвөн шатлалт дотоод шаталтат хөдөлгүүрийн циклийг (Дизель цикл) харуулав. Өмнөх мөчлөгөөс ялгаатай нь 1-2-р хэсэгт энэ нь шингэсэн байна. 2-3-аас 3 10 6 -3 10 5 Па хүртэлх хэсэгт адиабат шахалтанд өртдөг атмосферийн агаар. Тарилгын шингэн түлш нь өндөр шахсан, тиймээс халсан, агаар, изобараар 3-4 шатдаг орчинд гал авалцдаг бөгөөд дараа нь шаталтын бүтээгдэхүүний адиабат тэлэлт 4-5 тохиолддог. Үлдсэн 5-2 ба 2-1 процессууд өмнөх мөчлөгтэй ижил аргаар явагдана. Дотоод шаталтат хөдөлгүүрт циклүүд нь нөхцөлт хаалттай байдаг гэдгийг санах нь зүйтэй, учир нь цикл бүрийн өмнө цилиндр нь тодорхой хэмжээний ажлын бодисоор дүүрдэг бөгөөд энэ нь мөчлөгийн төгсгөлд цилиндрээс гадагшилдаг.
Гэхдээ хөргөгчийн температур нь орчны температураас бараг доогуур байж болохгүй. Та халаагчийн температурыг нэмэгдүүлэх боломжтой. Гэсэн хэдий ч аливаа материал (хатуу бие) нь хязгаарлагдмал халуунд тэсвэртэй, эсвэл халуунд тэсвэртэй байдаг. Халах үед энэ нь уян хатан шинж чанараа аажмаар алдаж, хангалттай өндөр температурт хайлдаг. Одоо инженерүүдийн гол хүчин чармайлт нь хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд чиглэгдэж байгаа бөгөөд тэдгээрийн эд ангиудын үрэлтийг багасгах, дутуу шаталтаас үүдэлтэй түлшний алдагдал гэх мэт. Энд үр ашгийг нэмэгдүүлэх бодит боломжууд хэвээр байна. Тиймээс уурын турбины хувьд уурын анхны болон эцсийн температур нь ойролцоогоор дараах байдалтай байна: T 1 = 800 К ба T 2 = 300 К. Эдгээр температурт үр ашгийн коэффициентийн хамгийн их утга нь: Төрөл бүрийн эрчим хүчний алдагдлын үр ашгийн бодит утга нь ойролцоогоор 40% байна. Хамгийн их үр ашиг - ойролцоогоор 44% -ийг дотоод шаталтат хөдөлгүүрээр хангадаг. Аливаа дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг нь хамгийн дээд хэмжээнээс хэтэрч болохгүй Энд T 1 нь халаагчийн үнэмлэхүй температур, T 2 нь хөргөгчийн үнэмлэхүй температур юм. Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх, хамгийн дээд хэмжээнд ойртуулах нь техникийн хамгийн чухал ажил юм.

Клаузиусын тэгш бус байдал

(1854): Аливаа дугуй процессын явцад системээс олж авсан дулааны хэмжээг хүлээн авсан үнэмлэхүй температурт хуваасан ( өгсөндулааны хэмжээ), эерэг бус.

Нийлүүлсэн дулааны хэмжээ бараг статиксистем хүлээн авсан нь шилжилтийн замаас хамаардаггүй (зөвхөн системийн эхний болон эцсийн төлөвөөр тодорхойлогддог) - хувьд бараг статик үйл явцКлаузиусын тэгш бус байдал болж хувирна тэгш байдал .

Энтропи, төлөв байдлын функц Стермодинамик систем, түүний өөрчлөлт dSСистемийн төлөв байдлын хязгааргүй бага урвуу өөрчлөлт нь энэ процесст систем хүлээн авсан (эсвэл системээс авсан) дулааны хэмжээ нь үнэмлэхүй температуртай тэнцүү байна. Т:

Хэмжээ dSнь нийт дифференциал, өөрөөр хэлбэл. дур мэдэн сонгосон зам дагуу түүнийг нэгтгэх нь утгуудын хоорондын зөрүүг өгдөг энтропиэхний (A) ба эцсийн (B) тохиолдолд:

Дулаан нь төлөв байдлын функц биш тул δQ-ийн интеграл нь А ба В төлөвүүдийн хоорондох шилжилтийн сонгосон замаас хамаарна. Энтропи J/(моль градус)-аар хэмжсэн.

Үзэл баримтлал энтрописистемийн төлөв байдлын функц гэж үздэг термодинамикийн хоёр дахь хууль-ээр дамжуулан илэрхийлэгддэг энтропихоорондын ялгаа эргэлт буцалтгүй ба эргэлт буцалтгүй үйл явц. Эхний dS>δQ/T хувьд хоёр дахь dS=δQ/T.

Энтропи функц болгон дотоод энерги Усистем, хэмжээ V ба моль тоо н би би 3-р бүрэлдэхүүн хэсэг нь онцлог функц юм (харна уу. Термодинамик потенциалууд). Энэ нь термодинамикийн нэг ба хоёрдугаар хуулиудын үр дагавар бөгөөд тэгшитгэлээр бичигдсэн болно.

Хаана r - даралт, μ i - химийн потенциал бир бүрэлдэхүүн хэсэг. Дериватив энтропибайгалийн хувьсагчаар У, ВТэгээд n iтэнцүү байна:

Энгийн томъёонууд холбогддог энтропитогтмол даралттай дулааны багтаамжтай S pба тогтмол хэмжээ C v:

Ашиглах замаар энтропиТогтмол дотоод энерги, эзэлхүүн, моль тоотой үед системийн термодинамик тэнцвэрт байдалд хүрэх нөхцөлийг томъёолсон болно. би-р бүрэлдэхүүн хэсэг (тусгаарлагдсан систем) ба ийм тэнцвэрийн тогтвортой байдлын нөхцөл:

Энэ нь гэсэн үг энтропиТусгаарлагдсан систем нь термодинамикийн тэнцвэрт байдалд хамгийн ихдээ хүрдэг. Систем дэх аяндаа үүсэх үйл явц нь зөвхөн өсөлтийн чиглэлд л тохиолдож болно энтропи.

Энтропи нь Массиер-Планкийн функц гэж нэрлэгддэг термодинамик функцүүдийн бүлэгт хамаардаг. Энэ бүлэгт хамаарах бусад функцууд нь Massier функц юм Ф 1 = S - (1/T)Uба Планкийн функц F 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, энтропид Лежендре хувиргалтыг хэрэглэснээр олж авч болно.

Термодинамикийн гурав дахь хуулийн дагуу (үзнэ үү. Дулааны теорем), өөрчлөх энтропиКонденсацын төлөвт байгаа бодисуудын хоорондох урвуу химийн урвалын үед тэг болох хандлагатай байдаг Т→0:

Планкийн постулат (дулааны теоремын өөр томъёолол) гэж заасан байдаг энтропиАбсолют тэг температурт өтгөрүүлсэн төлөвт байгаа аливаа химийн нэгдлүүдийн утга нь нөхцөлт тэг бөгөөд үнэмлэхүй утгыг тодорхойлохдоо эхлэлийн цэг болгон авч болно. энтропиямар ч температурт бодис. (1) ба (2) тэгшитгэлийг тодорхойлно энтропитогтмол хугацаа хүртэл.

Химийн хувьд термодинамикдараах ойлголтууд өргөн хэрэглэгддэг: стандарт энтропи S 0, өөрөөр хэлбэл. энтропидарамтанд r=1.01·10 5 Па (1 атм); стандарт энтропихимийн урвал, өөрөөр хэлбэл. стандарт ялгаа энтропибүтээгдэхүүн, урвалж; хэсэгчилсэн моляр энтропиолон бүрэлдэхүүн хэсэгтэй системийн бүрэлдэхүүн хэсэг.

Химийн тэнцвэрийг тооцоолохын тулд дараах томъёог ашиглана уу.

Хаана TO - тэнцвэрийн тогтмол, ба - тус тус стандарт Гиббсын энерги, урвалын энтальпи ба энтропи; Р- хийн тогтмол.

Үзэл баримтлалын тодорхойлолт энтропиУчир нь тэнцвэргүй систем нь орон нутгийн термодинамик тэнцвэрийн санаан дээр суурилдаг. Орон нутгийн тэнцвэрт байдал нь бүхэлдээ тэнцвэргүй системийн жижиг эзэлхүүний хувьд тэгшитгэл (3)-ын биелэлтийг хэлнэ (харна уу. Эргэшгүй үйл явцын термодинамик). Систем дэх эргэлт буцалтгүй үйл явцын үед үйлдвэрлэл (үйлдэл) үүсч болно энтропи. Бүрэн дифференциал энтропиЭнэ тохиолдолд Карно-Клаузиусын тэгш бус байдалаар тодорхойлогддог.

Хаана dS i > 0 - дифференциал энтропи, дулааны урсгалтай холбоогүй боловч үйлдвэрлэлийн улмаас энтрописистем дэх эргэлт буцалтгүй үйл явцын улмаас ( тархалт. дулаан дамжилтын илтгэлцүүр, химийн урвал гэх мэт). Дотоодын үйлдвэрлэл энтропи (т- цаг) нь термодинамик X ерөнхий хүчний бүтээгдэхүүний нийлбэрээр илэрхийлэгдэнэ биерөнхий термодинамик урсгалд Ж и:

Үйлдвэрлэл энтропижишээлбэл, бүрэлдэхүүн хэсгийн тархалтаас үүдэлтэй бибодисын хүч ба урсгалын улмаас Ж; үйлдвэрлэл энтропихимийн урвалын улмаас - хүчээр X=A/T, Хаана А-химийн хамаарал, урсгал Ж, урвалын хурдтай тэнцүү байна. Статистикийн термодинамикийн хувьд энтропитусгаарлагдсан системийг дараах хамаарлаар тодорхойлно: хаана к - Больцман тогтмол. - өгөгдсөн энерги, эзэлхүүн, бөөмсийн тоо бүхий системийн боломжит квант төлөвүүдийн тоотой тэнцүү төлөвийн термодинамик жин. Системийн тэнцвэрт байдал нь дан (муудаагүй) квант мужуудын популяцийн тэгш байдалд нийцдэг. Өсөж байна энтропиэргэлт буцалтгүй үйл явц нь бие даасан дэд системүүдийн хооронд системийн өгөгдсөн энергийн илүү магадлалтай хуваарилалтыг бий болгохтой холбоотой юм. Статистикийн ерөнхий тодорхойлолт энтропи, энэ нь мөн тусгаарлагдаагүй системд хамаарна, холбогддог энтропиТөрөл бүрийн микро төлөвийн магадлалыг дараах байдлаар илэрхийлнэ.

Хаана w i- магадлал би-р муж.

Үнэмлэхүй энтропиХимийн нэгдлийг туршилтаар, голчлон калориметрийн аргаар, харьцаагаар тодорхойлно.

Хоёрдахь зарчмыг ашиглах нь бидэнд тодорхойлох боломжийг олгодог энтропитуршилтын өгөгдөлд суурилсан химийн урвал (цахилгаан хөдөлгөх хүчний арга, уурын даралтын арга гэх мэт). Тооцоолох боломжтой энтропимолекулын тогтмол, молекулын жин, молекулын геометр, хэвийн чичиргээний давтамж дээр үндэслэн статистик термодинамикийн аргыг ашиглан химийн нэгдлүүд. Энэ арга нь хамгийн тохиромжтой хийн хувьд амжилттай хэрэгждэг. Хураангуй үе шатуудын хувьд статистик тооцоолол нь мэдэгдэхүйц бага нарийвчлалтай бөгөөд хязгаарлагдмал тооны тохиолдолд хийгддэг; Сүүлийн жилүүдэд энэ чиглэлээр томоохон ахиц дэвшил гарсан.

Холбогдох мэдээлэл.

Дулааны машиныг ажиллуулах явцад дулааны нэг хэсэг нь зайлшгүй хөргөгчинд шилждэг тул хөдөлгүүрийн үр ашиг нь нэгдмэл байдалтай тэнцүү байж чадахгүй. Tg температурт халаагч, T2 температурт хөргөгчтэй ажилладаг дулааны хөдөлгүүрийн боломжит хамгийн их үр ашгийг олох нь ихээхэн сонирхол татаж байна. Үүнийг анх Францын инженер, эрдэмтэн Сади Карно хийжээ.
Ideal Carnot дулааны хөдөлгүүр
Карно ажлын шингэн болох хамгийн тохиромжтой хий бүхий хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийг гаргаж ирэв. Карно машин дахь бүх процессыг тэнцвэрт байдал (буцах боломжтой) гэж үздэг.
Машинд дугуй процесс эсвэл мөчлөг явагддаг бөгөөд систем нь хэд хэдэн өөрчлөлт хийсний дараа анхны төлөвтөө буцаж ирдэг. Карногийн мөчлөг нь хоёр изотерм ба

хоёр, адиабат (Зураг 5.16). 1-2 ба 3-4 муруй нь изотерм, 2-3 ба 4-1 нь адиабат юм.
Нэгдүгээрт, T1 температурт хий нь изотермоор өргөсдөг. Үүний зэрэгцээ энэ нь халаагчаас тодорхой хэмжээний дулааныг хүлээн авдаг бөгөөд дараа нь адиабатаар өргөжиж, хүрээлэн буй биетэй дулаан солилцдоггүй. Дараа нь юу
o~ ^ үед изотерм хийн шахалт
температур T2. Энэ будаанд хий ялгардаг g jg
хөргөгчинд хийх процесс, дулааны хэмжээ Q2 Эцэст нь хий нь адиабатаар шахагдаж, анхны төлөвтөө буцаж ирдэг.
Изотерм тэлэлтийн үед хий нь дулааны хэмжээтэй тэнцэх > 0 ажил гүйцэтгэдэг адиабат тэлэлт 2-3 үед эерэг ажил A"3 нь хийг 7\ температурт хөргөхөд дотоод энергийн бууралттай тэнцүү байна. T2: A"3 = -AU12 = ШТХ) - U (T2).
T2 температурт изотермийн шахалт нь хий дээр A2 ажлыг гүйцэтгэхийг шаарддаг. Хий нь A 2 сөрөг ажлыг гүйцэтгэдэг
Q2. Эцэст нь хэлэхэд, адиабат шахалт нь A4 = AU21 хий дээр хийгдсэн ажлыг шаарддаг. Ажил нь өөрөө
Карно Николас Леонард Сади (1796-1832) - Францын авъяаслаг инженер, физикч, термодинамикийг үндэслэгчдийн нэг. Тэрээр "Галын хөдөлгөгч хүч ба энэ хүчийг хөгжүүлэх чадвартай машинуудын талаархи эргэцүүлэл" (1824) бүтээлдээ тэрээр анх дулааны хөдөлгүүрүүд зөвхөн халуун биеэс дулааныг хүйтэнд шилжүүлэх явцад л ажил гүйцэтгэж чадна гэдгийг харуулсан. Карно хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийг гаргаж, хамгийн тохиромжтой машины үр ашгийг тооцоолж, энэ коэффициент нь аливаа бодит дулааны хөдөлгүүрт боломжтой хамгийн дээд хэмжээ гэдгийг нотолсон. хий А\ = -Л4 = -At/2i = - ШТх). Тиймээс нийт ra
Хоёр адиабат процессын үед хийн урсгалын хурд тэг байна.
Циклийн үед хий нь ажилладаг
A"= A[ + A"2=Q1 + Q2 = IQJ - |Q2|. (5.12.1)
Энэ ажил нь мөчлөгийн муруйгаар хязгаарлагдсан зургийн талбайтай тоон хувьд тэнцүү байна (Зураг 5.16-д сүүдэрлэсэн).
Үр ашгийг тооцоолохын тулд та 1-2 ба 3-4-р изотерм процессын ажлыг тооцоолох хэрэгтэй. Тооцоолол нь дараахь үр дүнд хүргэнэ.
(5.12.2) Карно дулааны машины үр ашиг нь халаагч ба хөргөгчийн үнэмлэхүй температурын зөрүүг халаагчийн үнэмлэхүй температурт харьцуулсан харьцаатай тэнцүү байна.
Машины нэг циклд гүйцэтгэсэн ажил болон хөргөгчинд шилжүүлсэн дулааны Q2-ийг машины үр ашиг, халаагуураас авсан дулааны хэмжээг үр ашгийн тодорхойлолтын дагуу илэрхийлж болно
L" = l Дулааны хэмжээ
Q2 = A" - = TlQi ​​- Qi = QiOl - D- (5.12.4)
t) |Q2|-аас хойш = (1-71)QI. (5.12.5)
Хамгийн тохиромжтой хөргөлтийн машин
Карногийн мөчлөг буцах боломжтой тул эсрэг чиглэлд хийж болно. Энэ нь дулааны машин байхаа больсон, харин хамгийн тохиромжтой хөргөлтийн машин байх болно.
Процессууд урвуу дарааллаар явагдана. А ажил нь машиныг жолоодохын тулд хийгддэг. Qx дулааны хэмжээг ажлын шингэн нь илүү өндөр температурт халаагч руу шилжүүлж, Q2 дулааны хэмжээг хөргөгчөөс ажлын шингэнд нийлүүлдэг (Зураг 5.17). Дулаан нь хүйтэн биеээс халуун руу шилждэг тул машиныг хөргөлтийн машин гэж нэрлэдэг.
Дулааны хэмжээ Q
"Г

Дулааны хэмжээ Q2
Ажил А
ХӨРГӨГЧИЙН температур T2
Цагаан будаа. 5.17
Гэхдээ энэ нь термодинамикийн хоёр дахь хуультай зөрчилддөггүй: дулааныг өөрөө биш, харин ажил хийснээр дамжуулдаг.
Q1 ба Q2 дулааны хэмжээг А ажил болон машины үр ашгийг T|-ээр илэрхийлье. (5.12.3) томъёоны дагуу A" = riQj = -A, тэгвэл

(5.12.6)
Ажлын шингэний дамжуулсан дулааны хэмжээ нь үргэлж сөрөг байдаг. Мэдээжийн хэрэг |Qj| = ^. Илэрхийллийн дагуу
(5.12.4) дулааны хэмжээ Q2 = QiCn ~ 1) эсвэл (5.12.3) (5.12.7) хамаарлыг харгалзан үзнэ.
q2= V1a>0- Ийм хэмжээний дулааныг хөргөгчний ажлын шингэн хүлээн авдаг.
Хөргөгч нь дулааны насос шиг ажилладаг. Халуун биед шилжих Qj дулааны хэмжээ хөргөгчнөөс авсан хэмжээнээс их байна. (5.12.7) томъёоны дагуу Q2 = ^ -A = -Qj - A. Эндээс
| Q1\=A + Q2. (5.12.8)
Хөргөлтийн машины үр ашгийг тодорхойлно
Ө = -г, учир нь түүний зорилгыг аль болох холдуулж болно
аль болох бага ажил хийх үед хөргөлттэй системээс илүү их хэмжээний дулаан. Ө утгыг гүйцэтгэлийн коэффициент гэж нэрлэдэг. (5.12.7) ба (5.12.2) томъёоны дагуу хамгийн тохиромжтой хөргөлтийн машины хувьд
Qn T2
өөрөөр хэлбэл, температурын зөрүү бага байх тусам хөргөлтийн коэффициент их байх ба бага байх тусам дулааныг зайлуулах биеийн температур бага байх болно. Мэдээжийн хэрэг, гүйцэтгэлийн коэффициент нэгээс их байж болно. Жинхэнэ хөргөгчний хувьд энэ нь гурваас дээш байдаг. Хөргөлтийн машин нь өрөөний дулааныг авч, хүрээлэн буй агаарт шилжүүлдэг агааржуулагч юм.
Дулааны насос
Өрөөнүүдийг цахилгаан халаагуураар халаахдаа гүйдлээр халаадаг ороомог биш харин дулааны насос ашиглах нь илүү ашигтай байдаг. Насос нь гаднах агаараас Q2 дулааны хэмжээг өрөөнд шилжүүлнэ. Гэсэн хэдий ч ердийн цахилгаан зуух эсвэл задгай зуухтай харьцуулахад хөргөх төхөөрөмж өндөр өртөгтэй тул үүнийг хийдэггүй.
Дулааны насосыг ашиглах үед хүйтэн биед өгсөн Q2 дулааны хэмжээ биш, харин халсан биед хүлээн авсан дулааны Qj нь практик сонирхол татдаг. Тиймээс дулааны насосны шинж чанар нь:
lQi|
халаалтын коэффициент гэж нэрлэдэг?from= .
Тохиромжтой машины хувьд (5.12.6) ба (5.12.2) харьцааг харгалзан үзвэл Єot=m^V" (5.12.10) байна.
1 1 ~ 1 2
Энд 7"1 нь халсан өрөөний үнэмлэхүй температур, G2 нь агаар мандлын агаарын үнэмлэхүй температур юм. Тиймээс халаалтын коэффициент нь нэгдлээс үргэлж их байдаг. Бодит төхөөрөмжүүдийн хувьд орчны температур t2 = 0 ° C ба өрөөний температур t-l. = 25 ° C єot = 12 Өрөөнд шилжүүлсэн дулааны хэмжээ нь хэрэглэсэн цахилгааны хэмжээнээс бараг 12 дахин их байна.
Дулааны хөдөлгүүрийн хамгийн их үр ашиг
(Карногийн теорем)
Карногийн олж авсан (5.12.2) томьёоны хамгийн тохиромжтой машины үр ашгийн гол ач холбогдол нь аливаа дулааны хөдөлгүүрийн байж болох хамгийн их үр ашгийг тодорхойлдогт оршино.
Карно термодинамикийн 2-р хуульд үндэслэн дараах теоремыг баталжээ: Tt температурт халаагч, T2 температурт хөргөгчтэй ажилладаг аливаа бодит дулааны хөдөлгүүр нь хамгийн тохиромжтой дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгаас давсан үр ашигтай байж чадахгүй.
Эхлээд жинхэнэ хийтэй урвуу эргэлтэнд ажилладаг дулааны хөдөлгүүрийг авч үзье. Цикл нь юу ч байж болно, зөвхөн халаагч ба хөргөгчийн температур T1-T2 байх нь чухал юм.
Өөр дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг (Карногийн циклээр ажилладаггүй) g\" > Г| гэж үзье. Машинууд нь нийтлэг халаагч болон нийтлэг хөргөгчтэй ажилладаг. Карногийн машин урвуу циклээр (хөргөгч гэх мэт) ажиллая. машин), нөгөө машин нь урагшлах мөчлөгтэй (Зураг 5.18) Дулааны хөдөлгүүр нь (5.12.3) ба (5.12.5) томъёоны дагуу ижил төстэй ажлыг гүйцэтгэдэг.
A" = r\"Q[ = ^_,\Q"2\. (5.12.11)
Хөргөгч машиныг хөргөгчнөөс Q2 = \Q2\ дулааны хэмжээг авахаар үргэлж зохион бүтээж болно.

Дараа нь (5.12.7) томъёоны дагуу үүн дээр ажил хийгдэнэ
A = (5.12.12)
G|" > m| нөхцөлөөр бол A" > A. Иймд дулааны хөдөлгүүр нь хөргөлтийн машиныг тэжээж чадах ба илүү их ажил үлдэх болно. Энэ илүүдэл ажил нь нэг эх үүсвэрээс авсан дулааны улмаас хийгддэг. Эцсийн эцэст, хоёр машин нэгэн зэрэг ажиллахад дулааныг хөргөгчинд шилжүүлэхгүй. Гэхдээ энэ нь термодинамикийн хоёрдугаар хуультай зөрчилдөж байна.
Хэрэв бид T| гэж үзвэл > T|", дараа нь та өөр машиныг урвуу циклээр, харин Карногийн машиныг урагшлах циклээр хүчээр ажиллуулж болно. Бид дахин термодинамикийн 2-р хуультай зөрчилдөж байна. Үүний үр дүнд буцах мөчлөгт ажилладаг хоёр машин ижил үр ашиг: r|" = Г|.
Хоёрдахь машин эргэлт буцалтгүй циклээр ажилладаг бол энэ нь өөр асуудал юм. Хэрэв бид G)" > G) гэж үзвэл термодинамикийн хоёрдугаар хуультай дахин зөрчилддөг. Гэсэн хэдий ч G)" таамаглал.

Энэ бол гол үр дүн юм:

(5.12.13)
Бодит дулааны хөдөлгүүрийн үр ашиг
Томъёо (5.12.13) нь дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийн хамгийн их утгын онолын хязгаарыг өгдөг. Энэ нь халаагчийн температур өндөр, хөргөгчийн температур бага байх тусам дулааны хөдөлгүүр илүү үр ашигтай ажилладаг болохыг харуулж байна. Зөвхөн хөргөгчийн температурт үнэмлэхүй тэгтэй тэнцүү, Г| = 1.
Гэхдээ хөргөгчийн температур нь орчны температураас бараг доогуур байж болохгүй. Та халаагчийн температурыг нэмэгдүүлэх боломжтой. Гэсэн хэдий ч аливаа материал (хатуу бие) нь хязгаарлагдмал халуунд тэсвэртэй, эсвэл халуунд тэсвэртэй байдаг. Халах үед энэ нь уян хатан шинж чанараа аажмаар алдаж, хангалттай өндөр температурт хайлдаг.
Одоо инженерүүдийн гол хүчин чармайлт нь хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэхэд чиглэгдэж байгаа бөгөөд тэдгээрийн эд ангиудын үрэлтийг багасгах, дутуу шаталтаас үүдэлтэй түлшний алдагдал гэх мэт. Энд үр ашгийг нэмэгдүүлэх бодит боломжууд хэвээр байна. Тиймээс уурын турбины хувьд уурын анхны болон эцсийн температур нь ойролцоогоор дараах байдалтай байна: T1 = 800 К ба T2 = 300 К. Эдгээр температурт үр ашгийн коэффициентийн хамгийн их утга нь байна.
T1 - T2
Lmax= =0.62 = 62%.
Төрөл бүрийн эрчим хүчний алдагдлын үр ашгийн бодит утга нь ойролцоогоор 40% байна. Хамгийн их үр ашиг - ойролцоогоор 44% -ийг дотоод шаталтат хөдөлгүүрээр хангадаг.
Аливаа дулааны үр ашиг
хөдөлгүүр дээд хэмжээнээс хэтэрч болохгүй
T1~T2
боломжит утга Лщах = -^-» - үнэмлэхүй
11
халаагчийн температур, T2 нь үнэмлэхүй температур юм
хөргөгчийн температур.
Дулааны хөдөлгүүрийн үр ашгийг нэмэгдүүлэх, хамгийн дээд хэмжээнд ойртуулах нь хамгийн чухал юм
техникийн асуудал.