რა არის ეფექტურობა? თერმოძრავი. სითბოს ძრავის ეფექტურობა სითბოს ძრავის ეფექტურობის განსაზღვრა

სლაიდი 1

მუნიციპალური ავტონომიური საგანმანათლებლო დაწესებულება „საშუალო სკოლა No1“, მალაია ვიშერა, ნოვგოროდის რეგიონი ეფექტურობის დასადგენად პრობლემების გადაჭრის ალგორითმი. თერმული ციკლი მოცულობაზე წნევის დამოკიდებულების გრაფიკის მიხედვით შედგენილი ლუკიანეც ნადეჟდა ნიკოლაევნას მიერ უმაღლესი კვალიფიკაციის კატეგორიის ფიზიკის მასწავლებელი 2011 წ.

სლაიდი 2

ამოცანაა განისაზღვროს ეფექტურობა ზეწოლის გრაფიკიდან მოცულობის მიმართ. გამოთვალეთ სითბური ძრავის ეფექტურობა მონოტომური იდეალური გაზის გამოყენებით სამუშაო სითხის სახით და მუშაობს ნახატზე ნაჩვენები ციკლის მიხედვით. ახალი ნახატებისა და ჩანაწერების გამოჩენა ხდება მხოლოდ მაუსის დაწკაპუნების შემდეგ.

სლაიდი 3

სლაიდი 4

მინიშნება No1 ამიტომ, თითოეულ პროცესში აუცილებელია ტემპერატურის ცვლილებით განისაზღვროს მიღებული ან გამოყოფილი სითბოს რაოდენობა. სითბოს რაოდენობა გამოითვლება თერმოდინამიკის პირველი კანონის საფუძველზე.

სლაიდი 5

მინიშნება No2 ნებისმიერ პროცესში შესრულებული სამუშაო რიცხობრივად უდრის გრაფიკის ქვეშ ჩასმული ფიგურის ფართობს P(V) კოორდინატებში. დაჩრდილული ფიგურის ფართობი უდრის სამუშაოს 2-3 პროცესში, ხოლო დაჩრდილული ფიგურის ფართობი უდრის სამუშაოს 4-1 პროცესში, და სწორედ აირის ეს ნამუშევარია უარყოფითი. , იმიტომ 4-დან 1-მდე მოცულობა მცირდება. სამუშაო ციკლზე უდრის ამ სამუშაოების ჯამს. ამრიგად, გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო ციკლზე რიცხობრივად უდრის ამ ციკლის ფართობს.

სლაიდი 6

ალგორითმი პრობლემის გადასაჭრელად. 1. ჩაწერეთ ეფექტურობის ფორმულა. 2. განსაზღვრეთ გაზის მუშაობა პროცესის ფიგურის ფართობიდან გამომდინარე P, V კოორდინატებში. 3. გააანალიზეთ, რომელ პროცესებში შეიწოვება სითბოს რაოდენობა და არ გამოიყოფა. 4.თერმოდინამიკის 1 კანონის გამოყენებით გამოთვალეთ მიღებული სითბოს რაოდენობა. 5. გამოთვალეთ ეფექტურობა.

სლაიდი 7

1. ჩაწერეთ ეფექტურობის ფორმულა. 2. განსაზღვრეთ გაზის მუშაობა პროცესის ფიგურის ფართობიდან გამომდინარე P, V კოორდინატებში. გამოსავალი

სლაიდი 8

1. პროცესი 1–2. V = const, P T Q შეიწოვება 2. პროცესი 2 – 3. P = const, V , T Q შეიწოვება 3. პროცესი 3 – 4. V = const, P , T Q გამოიყოფა 4. პროცესი 4 – 1. P = const, V , T Q გამოთავისუფლებული 3. გააანალიზეთ, რომელ პროცესებში შეიწოვება სითბოს რაოდენობა და არ გამოიყოფა.

სლაიდი 9

1-2 პროცესისთვის 4. თერმოდინამიკის 1 კანონის გამოყენებით გამოთვალეთ მიღებული სითბოს რაოდენობა. მაშასადამე, იზოქორული პროცესისთვის, გამოაკლეთ ზედა ქვედა განტოლებას

ეფექტურობის ფაქტორი (ეფექტურობა)არის სისტემის მუშაობის მახასიათებელი ენერგიის გარდაქმნასთან ან გადაცემასთან მიმართებაში, რომელიც განისაზღვრება გამოყენებული სასარგებლო ენერგიის თანაფარდობით სისტემის მიერ მიღებულ მთლიან ენერგიასთან.

ეფექტურობა- განზომილებიანი რაოდენობა, ჩვეულებრივ გამოხატული პროცენტულად:

სითბოს ძრავის მუშაობის (ეფექტურობის) კოეფიციენტი განისაზღვრება ფორმულით: , სადაც A = Q1Q2. სითბოს ძრავის ეფექტურობა ყოველთვის 1-ზე ნაკლებია.

კარნოს ციკლიარის შექცევადი წრიული გაზის პროცესი, რომელიც შედგება სამუშაო სითხით შესრულებული ორი იზოთერმული და ორი ადიაბატური პროცესის თანმიმდევრულად დგომისგან.

წრიული ციკლი, რომელიც მოიცავს ორ იზოთერმს და ორ ადიაბატს, შეესაბამება მაქსიმალურ ეფექტურობას.

ფრანგმა ინჟინერმა სადი კარნომ 1824 წელს გამოიტანა ფორმულა იდეალური სითბური ძრავის მაქსიმალური ეფექტურობისთვის, სადაც სამუშაო სითხე არის იდეალური გაზი, რომლის ციკლი შედგებოდა ორი იზოთერმისგან და ორი ადიაბატისგან, ანუ კარნოს ციკლისაგან. კარნოს ციკლი არის სითბოს ძრავის რეალური სამუშაო ციკლი, რომელიც ასრულებს სამუშაოს იზოთერმული პროცესის დროს სამუშაო სითხეში მიწოდებული სითბოს გამო.

კარნოს ციკლის ეფექტურობის ფორმულა, ანუ სითბოს ძრავის მაქსიმალური ეფექტურობა, აქვს ფორმა: , სადაც T1 არის გამათბობლის აბსოლუტური ტემპერატურა, T2 არის მაცივრის აბსოლუტური ტემპერატურა.

სითბოს ძრავები- ეს არის სტრუქტურები, რომლებშიც თერმული ენერგია გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად.

სითბოს ძრავები მრავალფეროვანია როგორც დიზაინით, ასევე დანიშნულებით. მათ შორისაა ორთქლის ძრავები, ორთქლის ტურბინები, შიდა წვის ძრავები და რეაქტიული ძრავები.

თუმცა, მიუხედავად მრავალფეროვნებისა, პრინციპში სხვადასხვა სითბოს ძრავების მუშაობას აქვს საერთო მახასიათებლები. თითოეული სითბოს ძრავის ძირითადი კომპონენტებია:

გამათბობელი;
სამუშაო სითხე;
მაცივარი.

გამათბობელი გამოყოფს თერმულ ენერგიას, აცხელებს სამუშაო სითხეს, რომელიც მდებარეობს ძრავის სამუშაო კამერაში. სამუშაო სითხე შეიძლება იყოს ორთქლი ან გაზი.

სითბოს რაოდენობის მიღების შემდეგ, გაზი ფართოვდება, რადგან მისი წნევა აღემატება გარე წნევას და მოძრაობს დგუში, დადებით სამუშაოს წარმოქმნის. ამავე დროს, მისი წნევა ეცემა და მისი მოცულობა იზრდება.

თუ ჩვენ შევკუმშავთ გაზს, გადის იგივე მდგომარეობებით, მაგრამ საპირისპირო მიმართულებით, მაშინ ჩვენ გავაკეთებთ იგივე აბსოლუტურ მნიშვნელობას, მაგრამ უარყოფით სამუშაოს. შედეგად, ყველა სამუშაო ციკლზე იქნება ნული.

იმისათვის, რომ სითბური ძრავის მუშაობა ნულისაგან განსხვავებული იყოს, გაზის შეკუმშვის მუშაობა უნდა იყოს ნაკლები, ვიდრე გაფართოების სამუშაო.

იმისთვის, რომ შეკუმშვის სამუშაო გაფართოების სამუშაოზე ნაკლები იყოს, აუცილებელია შეკუმშვის პროცესი მოხდეს დაბალ ტემპერატურაზე, ამისთვის სამუშაო სითხე უნდა გაცივდეს, რის გამოც დიზაინში შედის მაცივარი. სითბოს ძრავიდან. სამუშაო სითხე სითბოს გადასცემს მაცივარს მასთან შეხებისას.

ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაო შემდეგია:

ეს პროცესი პირველად განიხილა ფრანგმა ინჟინერმა და მეცნიერმა ნ.

კარნოს კვლევის მიზანი იყო იმდროინდელი სითბური ძრავების არასრულყოფილების მიზეზების გარკვევა (მათ ჰქონდათ ეფექტურობა ≤ 5%) და მათი გაუმჯობესების გზების მოძიება.

კარნოს ციკლი ყველაზე ეფექტურია. მისი ეფექტურობა მაქსიმალურია.

ფიგურაში ნაჩვენებია ციკლის თერმოდინამიკური პროცესები. იზოთერმული გაფართოების დროს (1-2) ტემპერატურაზე თ 1 , სამუშაო კეთდება გამათბობლის შიდა ენერგიის ცვლილების გამო, ანუ გაზზე სითბოს მიწოდების გამო. ქ:

ა 12 = ქ 1 ,

გაზის გაგრილება შეკუმშვამდე (3-4) ხდება ადიაბატური გაფართოების დროს (2-3). შინაგანი ენერგიის ცვლილება ΔU 23 ადიაბატური პროცესის დროს ( Q = 0) მთლიანად გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოდ:

ა 23 = -ΔU 23 ,

გაზის ტემპერატურა ადიაბატური გაფართოების შედეგად (2-3) ეცემა მაცივრის ტემპერატურამდე თ 2 < თ 1 . პროცესში (3-4) გაზი იზოთერმულად შეკუმშულია, სითბოს რაოდენობა მაცივარში გადადის. Q 2:

A 34 = Q 2,

ციკლი მთავრდება ადიაბატური შეკუმშვის პროცესით (4-1), რომლის დროსაც გაზი თბება ტემპერატურამდე. T 1.

იდეალური გაზის სითბოს ძრავების მაქსიმალური ეფექტურობის მნიშვნელობა კარნოს ციკლის მიხედვით:

ფორმულის არსი გამოხატულია დადასტურებულში თან. კარნოს თეორემა, რომ ნებისმიერი სითბური ძრავის ეფექტურობა არ შეიძლება აღემატებოდეს კარნოს ციკლის ეფექტურობას, რომელიც ხორციელდება გამათბობლისა და მაცივრის ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე.

კარნოს მიერ მიღებული ფორმულის (5.12.2) მთავარი მნიშვნელობა იდეალური მანქანის ეფექტურობისთვის არის ის, რომ იგი განსაზღვრავს ნებისმიერი სითბური ძრავის მაქსიმალურ შესაძლო ეფექტურობას.

კარნომ თერმოდინამიკის მეორე კანონის საფუძველზე დაამტკიცა შემდეგი თეორემა: ნებისმიერი რეალური სითბოს ძრავა, რომელიც მუშაობს ტემპერატურის გამათბობლითთ 1 და მაცივრის ტემპერატურათ 2 , არ შეიძლება ჰქონდეს ეფექტურობა, რომელიც აღემატება იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობას.

* კარნომ ფაქტობრივად დაადგინა თერმოდინამიკის მეორე კანონი კლაუსიუსსა და კელვინამდე, როდესაც თერმოდინამიკის პირველი კანონი ჯერ არ იყო მკაცრად ჩამოყალიბებული.

ჯერ განვიხილოთ სითბოს ძრავა, რომელიც მუშაობს შექცევად ციკლში რეალურ გაზთან. ციკლი შეიძლება იყოს ნებისმიერი, მნიშვნელოვანია მხოლოდ გამათბობლის და მაცივრის ტემპერატურა თ 1 და თ 2 .

დავუშვათ, რომ სხვა სითბოს ძრავის ეფექტურობა (არ მუშაობს კარნოს ციკლის მიხედვით) η ’ > η . მანქანები მუშაობს საერთო გამათბობლით და საერთო მაცივრით. ნება მიეცით კარნოს მანქანამ იმუშაოს საპირისპირო ციკლში (როგორც სამაცივრო მანქანა), ხოლო მეორე მანქანას ამოქმედდეს წინა ციკლში (ნახ. 5.18). სითბოს ძრავა ასრულებს სამუშაოს ტოლფასი ფორმულების მიხედვით (5.12.3) და (5.12.5):

სამაცივრო მანქანა ყოველთვის შეიძლება დაპროექტებული იყოს ისე, რომ მან მიიღოს სითბოს რაოდენობა მაცივრიდან ქ 2 = ||

შემდეგ, ფორმულის მიხედვით (5.12.7) მოხდება მასზე მუშაობა

(5.12.12)

ვინაიდან პირობით η" > η , რომ A" > A.მაშასადამე, სითბურ ძრავას შეუძლია მართოს სამაცივრო მანქანა და კვლავ დარჩება ზედმეტი სამუშაო. ეს ჭარბი სამუშაო კეთდება ერთი წყაროდან მიღებული სითბოთი. ყოველივე ამის შემდეგ, სითბო არ გადადის მაცივარში, როდესაც ერთდროულად მუშაობს ორი მანქანა. მაგრამ ეს ეწინააღმდეგება თერმოდინამიკის მეორე კანონს.

თუ ჩავთვლით, რომ η > η ", მაშინ თქვენ შეგიძლიათ სხვა მანქანას ამუშავოთ საპირისპირო ციკლში და კარნოს მანქანა წინა ციკლში. ჩვენ კვლავ მივალთ წინააღმდეგობაში თერმოდინამიკის მეორე კანონთან. შესაბამისად, შექცევად ციკლებზე მომუშავე ორ მანქანას აქვს იგივე ეფექტურობა: η " = η .

სხვა საქმეა, თუ მეორე მანქანა მუშაობს შეუქცევად ციკლზე. თუ დავუშვებთ η " > η , მაშინ კვლავ მივალთ წინააღმდეგობაში თერმოდინამიკის მეორე კანონთან. თუმცა, ვარაუდი თ|"< г| не противоречит второму закону термодинамики, так как необратимая тепловая машина не может работать как холодильная машина. Следовательно, КПД любой тепловой машины η" ≤ η, ან

ეს არის მთავარი შედეგი:

(5.12.13)

რეალური სითბოს ძრავების ეფექტურობა

ფორმულა (5.12.13) იძლევა თეორიულ ზღვარს სითბოს ძრავების მაქსიმალური ეფექტურობის მნიშვნელობისთვის. ეს აჩვენებს, რომ რაც უფრო მაღალია გამათბობლის ტემპერატურა და რაც უფრო დაბალია მაცივარი, მით უფრო ეფექტურია სითბოს ძრავა. მხოლოდ მაცივრის ტემპერატურაზე, რომელიც უდრის აბსოლუტურ ნულს, η = 1.

მაგრამ მაცივრის ტემპერატურა პრაქტიკულად არ შეიძლება იყოს ბევრად დაბალი ვიდრე გარემოს ტემპერატურა. შეგიძლიათ გაზარდოთ გამათბობლის ტემპერატურა. თუმცა, ნებისმიერ მასალას (მყარ სხეულს) აქვს შეზღუდული სითბოს წინააღმდეგობა, ან სითბოს წინააღმდეგობა. გაცხელებისას ის თანდათან კარგავს თავის ელასტიურ თვისებებს და საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე დნება.

ახლა ინჟინრების ძირითადი ძალისხმევა მიმართულია ძრავების ეფექტურობის გაზრდაზე, მათი ნაწილების ხახუნის შემცირებით, საწვავის დანაკარგების არასრული წვის გამო და ა.შ. ეფექტურობის გაზრდის რეალური შესაძლებლობები აქ ჯერ კიდევ დიდი რჩება. ამრიგად, ორთქლის ტურბინისთვის, ორთქლის საწყისი და საბოლოო ტემპერატურა დაახლოებით შემდეგია: თ 1 = 800 K და თ 2 = 300 K. ამ ტემპერატურებზე მაქსიმალური ეფექტურობის მნიშვნელობა არის:

ფაქტობრივი ეფექტურობის ღირებულება სხვადასხვა სახის ენერგიის დანაკარგების გამო არის დაახლოებით 40%. მაქსიმალური ეფექტურობა - დაახლოებით 44% - მიიღწევა შიდა წვის ძრავებით.

ნებისმიერი სითბური ძრავის ეფექტურობა არ შეიძლება აღემატებოდეს მაქსიმალურ შესაძლო მნიშვნელობას
, სადაც თ 1 - გამათბობლის აბსოლუტური ტემპერატურა და T 2 - მაცივრის აბსოლუტური ტემპერატურა.

სითბური ძრავების ეფექტურობის გაზრდა და მაქსიმალურად მიახლოება- ყველაზე მნიშვნელოვანი ტექნიკური გამოწვევა.