Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen. Leistungszahl (COP) von Wärmekraftmaschinen – Knowledge Hypermarket. II. Molekularphysik nützliche Arbeit einer Wärmekraftformel
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Mathematisch kann die Definition von Effizienz wie folgt geschrieben werden:
η = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)Wo A- nützliche Arbeit (Energie) und Q- Energieaufwand.
Wenn der Wirkungsgrad in Prozent ausgedrückt wird, wird er nach der Formel berechnet:
η = A Q × 100 % (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),Wo Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- vom kalten Ende entnommene Wärme (bei Kältemaschinen Kühlleistung); A (\displaystyle A)
Die Bezeichnung für Wärmepumpen lautet Übersetzungsverhältnis
ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),Wo Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- auf das Kühlmittel übertragene Kondensationswärme; A (\displaystyle A)- die für diesen Prozess aufgewendete Arbeit (oder Elektrizität).
Im perfekten Auto Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), von hier zum idealen Auto ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)
Der umgekehrte Carnot-Zyklus weist die besten Leistungsindikatoren für Kältemaschinen auf: Er hat einen Leistungskoeffizienten
ε = T X T Γ − T X (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\Gamma )-T_(\mathrm (X)))), weil zusätzlich zur Energie berücksichtigt wird A(z. B. elektrisch), bei Hitze Q Es gibt auch Energie, die der Kältequelle entnommen wird.Physik, 10. Klasse
Lektion 25. Wärmekraftmaschinen. Thermischer Wirkungsgrad Motoren
Liste der in der Lektion behandelten Fragen:
1) Konzept Wärmekraftmaschine;
2) Aufbau und Funktionsprinzip einer Wärmekraftmaschine;
3) Effizienz der Wärmekraftmaschine;
4) Carnot-Zyklus.
Glossar zum Thema
Wärmekraftmaschine – ein Gerät, in dem die innere Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie umgewandelt wird.
Effizienz ( Effizienz) ist das Verhältnis der von einem bestimmten Motor geleisteten Nutzarbeit zur von der Heizung aufgenommenen Wärmemenge.
Motor interne Verbrennung – ein Motor, bei dem der Kraftstoff direkt im Arbeitsraum (im Inneren) des Motors verbrennt.
Strahltriebwerk– ein Motor, der die für die Bewegung notwendige Zugkraft erzeugt, indem er die innere Energie des Kraftstoffs in die kinetische Energie des Strahlstroms des Arbeitsmediums umwandelt.
Carnot-Zyklus ist ein idealer Kreisprozess, der aus zwei adiabatischen und zwei isothermen Prozessen besteht.
Heizung- ein Gerät, von dem das Arbeitsmedium Energie erhält, von der ein Teil zur Arbeitsleistung verwendet wird.
Kühlschrank– ein Körper, der einen Teil der Energie des Arbeitsmediums (Umgebung oder) aufnimmt spezielle Geräte zur Kühlung und Kondensation von Abdampf, d.h. Kondensatoren).
Arbeitsflüssigkeit- ein Körper, der, wenn er sich ausdehnt, Arbeit verrichtet (es ist Gas oder Dampf)
Grundlegende und weiterführende Literatur zum Unterrichtsthema:
1. Myakishev G.Ya., Bukhovtsev B.B., Sotsky N.N. Physik. 10. Klasse. Lehrbuch für allgemeinbildende Organisationen M.: Prosveshchenie, 2017. – S. 269 – 273.
2. Rymkevich A.P. Sammlung von Problemen der Physik. Klasse 10-11. -M.: Bustard, 2014. – S. 87 – 88.
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Theoretisches Material zum Selbststudium
Märchen und Mythen verschiedener Nationen zeigen, dass die Menschen schon immer davon geträumt haben, schnell von einem Ort zum anderen zu ziehen oder schnell diese oder jene Arbeit zu erledigen. Um dieses Ziel zu erreichen, waren Geräte erforderlich, die Arbeit verrichten oder sich im Raum bewegen konnten. Bei der Beobachtung der Welt um sie herum kamen die Erfinder zu dem Schluss, dass es zur Erleichterung der Arbeit und zur schnellen Fortbewegung notwendig ist, die Energie anderer Körper, beispielsweise Wasser, Wind usw., zu nutzen. Ist es möglich, die innere Energie von Schießpulver oder einem anderen Treibstoff für eigene Zwecke zu nutzen? Nehmen wir ein Reagenzglas, gießen Sie Wasser hinein, verschließen Sie es mit einem Stopfen und erhitzen Sie es. Beim Erhitzen kocht das Wasser und der entstehende Wasserdampf drückt den Stopfen heraus. Steam funktioniert, wenn es sich ausdehnt. In diesem Beispiel sehen wir, dass die innere Energie des Kraftstoffs in die mechanische Energie einer sich bewegenden Kerze umgewandelt wurde. Indem wir den Stopfen durch einen Kolben ersetzen, der sich im Rohr bewegen kann, und das Rohr selbst durch einen Zylinder, erhalten wir die einfachste Wärmekraftmaschine.
Wärmekraftmaschine – Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, bei dem die innere Energie des Kraftstoffs in mechanische Energie umgewandelt wird.
Erinnern wir uns an den Aufbau des einfachsten Verbrennungsmotors. Ein Verbrennungsmotor besteht aus einem Zylinder, in dem sich ein Kolben bewegt. Der Kolben ist mit dem verbunden Kurbelwelle. Oben an jedem Zylinder befinden sich zwei Ventile. Eines der Ventile heißt Einlass, das andere Auslass. Um einen gleichmäßigen Kolbenhub zu gewährleisten Kurbelwelle verstärktes schweres Schwungrad.
Der Arbeitszyklus eines Verbrennungsmotors besteht aus vier Takten: Ansaugen, Verdichten, Arbeitstakt, Ausstoßen.
Beim ersten Hub öffnet sich das Einlassventil und Auslassventil bleibt geschlossen. Der sich nach unten bewegende Kolben wird in den Zylinder gesaugt brennbares Gemisch.
Im zweiten Takt sind beide Ventile geschlossen. Ein sich nach oben bewegender Kolben komprimiert das brennbare Gemisch, das sich beim Komprimieren erwärmt.
Im dritten Takt, wenn sich der Kolben in der oberen Position befindet, wird das Gemisch durch einen elektrischen Funken der Zündkerze gezündet. Das entzündete Gemisch bildet heiße Gase, deren Druck 3–6 MPa beträgt und deren Temperatur 1600–2200 Grad erreicht. Durch die Druckkraft wird der Kolben nach unten gedrückt, dessen Bewegung übertragen wird Kurbelwelle mit Schwungrad. Nach einem starken Stoß dreht sich das Schwungrad aufgrund der Trägheit weiter und sorgt so für die Bewegung des Kolbens bei nachfolgenden Hüben. Während dieses Hubs bleiben beide Ventile geschlossen.
Im vierten Takt öffnet sich das Auslassventil und die Abgase werden durch den beweglichen Kolben durch den Schalldämpfer (in der Abbildung nicht dargestellt) in die Atmosphäre gedrückt.
Jede Wärmekraftmaschine besteht aus drei Hauptelementen: einer Heizung, einem Arbeitsmedium und einem Kühlschrank.
Um den Betriebswirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu bestimmen, wird das Konzept des Wirkungsgrades eingeführt.
Der Wirkungsgradkoeffizient ist das Verhältnis der von einem bestimmten Motor geleisteten Nutzarbeit zur von der Heizung aufgenommenen Wärmemenge.
Q 1 – vom Heizen aufgenommene Wärmemenge
Q 2 – an den Kühlschrank übertragene Wärmemenge
– Arbeit, die der Motor pro Zyklus verrichtet.
Diese Effizienz ist real, d.h. Genau diese Formel wird zur Charakterisierung echter Wärmekraftmaschinen verwendet.
Wenn man die Leistung N und die Betriebszeit t des Motors kennt, kann die pro Zyklus geleistete Arbeit mithilfe der Formel ermittelt werden
Übertragung ungenutzter Energie an den Kühlschrank.
Im 19. Jahrhundert schlug der französische Ingenieur Sadi Carnot als Ergebnis seiner Arbeiten zur Wärmetechnik eine weitere Methode zur Bestimmung des Wirkungsgrads (durch thermodynamische Temperatur) vor.
Die Hauptbedeutung dieser Formel besteht darin, dass eine echte Wärmekraftmaschine, die mit einer Heizung bei der Temperatur T1 und einem Kühlschrank bei der Temperatur T2 arbeitet, keinen Wirkungsgrad haben kann, der über dem einer idealen Wärmekraftmaschine liegt. Sadi Carnot, der herausgefunden hatte, welcher geschlossene Prozess die Wärmekraftmaschine mit der höchsten Effizienz erreichen würde, schlug die Verwendung eines Zyklus vor, der aus zwei adiabatischen und zwei isothermen Prozessen besteht
Der Carnot-Zyklus ist der effizienteste Zyklus mit maximaler Effizienz.
Es gibt keine Wärmekraftmaschine mit einem Wirkungsgrad von 100 % oder 1.
Die Formel gibt die theoretische Grenze für den maximalen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen an. Es zeigt sich, dass eine Wärmekraftmaschine umso effizienter ist, je höher die Temperatur der Heizung und je niedriger die Temperatur des Kühlschranks ist. Nur bei einer Kühlschranktemperatur gleich dem absoluten Nullpunkt ist η = 1.
Die Temperatur des Kühlschranks kann jedoch praktisch nicht niedriger sein als die Umgebungstemperatur. Sie können die Heiztemperatur erhöhen. Allerdings weist jedes Material (fester Körper) eine begrenzte Hitzebeständigkeit bzw. Hitzebeständigkeit auf. Beim Erhitzen verliert es allmählich seine elastischen Eigenschaften und schmilzt bei ausreichend hoher Temperatur.
Jetzt zielen die Hauptbemühungen der Ingenieure darauf ab, die Effizienz von Motoren zu steigern, indem sie die Reibung ihrer Teile, Kraftstoffverluste aufgrund unvollständiger Verbrennung usw. reduzieren. Die realen Chancen zur Effizienzsteigerung sind hier weiterhin groß.
Die wichtigste technische Aufgabe ist es, den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen zu steigern und dem Maximum anzunähern.
Auch Wärmekraftmaschinen – Dampfturbinen – sind in allen Kernkraftwerken zur Erzeugung von Hochtemperaturdampf installiert. In allen wichtigen modernen Transportarten kommen hauptsächlich Wärmekraftmaschinen zum Einsatz: in Automobilen - Kolbenmotoren interne Verbrennung; auf dem Wasser - Verbrennungsmotoren und Dampfturbinen; auf der Eisenbahn - Diesellokomotiven mit Dieselaggregaten; in der Luftfahrt - Kolben-, Turbostrahl- und Strahltriebwerke.
Vergleichen wir Leistungsmerkmale Wärmekraftmaschinen.
Dampfmaschine – 8 %.
Dampfturbine – 40 %.
Gasturbine – 25-30 %.
Verbrennungsmotor – 18-24 %.
Dieselmotor – 40–44 %.
Strahltriebwerk – 25 %.
Der weit verbreitete Einsatz von Wärmekraftmaschinen hinterlässt keine Spuren in der Umwelt: Die Sauerstoffmenge nimmt allmählich ab und die Kohlendioxidmenge in der Atmosphäre zu, die Luft wird mit gesundheitsschädlichen chemischen Verbindungen belastet. Die Bedrohung durch den Klimawandel nimmt zu. Daher ist die Suche nach Möglichkeiten zur Reduzierung der Umweltverschmutzung heute eines der dringendsten wissenschaftlichen und technischen Probleme.
Beispiele und Analyse der Problemlösung
1 . Welche durchschnittliche Leistung entwickelt ein Automotor, wenn bei einer Geschwindigkeit von 180 km/h der Benzinverbrauch 15 Liter pro 100 km beträgt und der Motorwirkungsgrad 25 % beträgt?
Seit der Antike versucht der Mensch, Energie in Energie umzuwandeln mechanische Arbeit. Sie wandelten die kinetische Energie des Windes, die potentielle Energie des Wassers usw. um. Ab dem 18. Jahrhundert tauchten Maschinen auf, die die innere Energie von Brennstoffen in Arbeit umwandelten. Solche Maschinen funktionierten dank Wärmekraftmaschinen.
Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das aufgrund der Ausdehnung (meistens von Gasen) aufgrund hoher Temperaturen Wärmeenergie in mechanische Arbeit umwandelt.
Alle Wärmekraftmaschinen bestehen aus folgenden Komponenten:
- Heizkörper. Ein Körper mit einer im Verhältnis zu seiner Umgebung hohen Temperatur.
- Arbeitsflüssigkeit. Da die Erweiterung die Arbeit bereitstellt, sollte sich dieses Element gut erweitern. Typischerweise wird Gas oder Dampf verwendet.
- Kühler. Körper mit niedriger Temperatur.
Das Arbeitsmedium erhält Wärmeenergie von der Heizung. Infolgedessen beginnt es sich auszudehnen und zu arbeiten. Damit das System wieder Arbeit leisten kann, muss es in seinen ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden. Dadurch wird das Arbeitsmedium abgekühlt, das heißt überschüssige Wärmeenergie wird sozusagen in das Kühlelement abgeleitet. Und das System kehrt in seinen ursprünglichen Zustand zurück, dann wiederholt sich der Vorgang erneut.
Effizienzberechnung
Zur Berechnung der Effizienz führen wir die folgende Notation ein:
Q 1 – Vom Heizelement aufgenommene Wärmemenge
A’– Von der Arbeitsflüssigkeit geleistete Arbeit
Q 2 – Wärmemenge, die das Arbeitsmedium vom Kühler erhält
Beim Abkühlvorgang überträgt der Körper Wärme, also Q 2< 0.
Der Betrieb eines solchen Gerätes ist ein zyklischer Prozess. Dies bedeutet, dass nach dem Festschreiben voller Zyklus, die innere Energie kehrt in ihren ursprünglichen Zustand zurück. Dann ist nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik die vom Arbeitsmedium geleistete Arbeit gleich der Differenz zwischen der vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge und der vom Kühler aufgenommenen Wärmemenge:
Q 2 ist ein negativer Wert und wird daher modulo berechnet
Effizienz wird als Verhältnis der Nutzarbeit zur Gesamtarbeit des Systems ausgedrückt. In diesem Fall entspricht die Gesamtarbeit der Wärmemenge, die zum Erhitzen des Arbeitsmediums aufgewendet wird. Die gesamte aufgewendete Energie wird durch Q 1 ausgedrückt.
Daher ist die Effizienz definiert als:
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Was ist ein thermodynamisches System und welche Parameter charakterisieren seinen Zustand?
Nennen Sie den ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik.Es war die Entwicklung der Theorie der Wärmekraftmaschinen, die zur Formulierung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik führte.
Die inneren Energiereserven der Erdkruste und der Ozeane können als praktisch unbegrenzt angesehen werden. Um praktische Probleme zu lösen, reicht es jedoch nicht aus, über Energiereserven zu verfügen. Es ist auch notwendig, Energie nutzen zu können, um Werkzeugmaschinen in Fabriken und Fabriken, Fahrzeuge, Traktoren und andere Maschinen in Bewegung zu setzen und die Rotoren von Generatoren in Rotation zu versetzen elektrischer Strom usw. Die Menschheit braucht Motoren – Geräte, die arbeiten können. Die meisten Motoren auf der Erde sind es Wärmekraftmaschinen.
Wärmekraftmaschinen- Dies sind Geräte, die die innere Energie des Kraftstoffs in mechanische Arbeit umwandeln.
Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen.
Damit ein Motor arbeiten kann, muss auf beiden Seiten des Motorkolbens oder der Turbinenschaufeln ein Druckunterschied bestehen. Bei allen Wärmekraftmaschinen wird dieser Druckunterschied durch Temperaturerhöhung erreicht Arbeitsflüssigkeit(Gas) um Hunderte oder Tausende Grad im Vergleich zur Umgebungstemperatur. Dieser Temperaturanstieg tritt auf, wenn Kraftstoff verbrennt.
Einer der Hauptbestandteile des Motors ist ein gasgefüllter Behälter mit einem beweglichen Kolben. Das Arbeitsmedium aller Wärmekraftmaschinen ist Gas, das bei der Expansion Arbeit verrichtet. Bezeichnen wir die Anfangstemperatur des Arbeitsmediums (Gases) mit T 1 . Diese Temperatur wird in Dampfturbinen oder Maschinen durch den Dampf im Dampfkessel erreicht. Bei Verbrennungsmotoren und Gasturbinen erfolgt der Temperaturanstieg durch die Verbrennung von Kraftstoff im Motor selbst. Temperatur T 1 heißt Heiztemperatur.
Die Rolle des Kühlschranks.
Bei der Verrichtung von Arbeit verliert das Gas Energie und kühlt zwangsläufig auf eine bestimmte Temperatur T2 ab, die in der Regel etwas höher als die Umgebungstemperatur ist. Sie nennen sie Kühlschranktemperatur. Der Kühlschrank ist die Atmosphäre oder spezielle Geräte zum Kühlen und Kondensieren von Abdampf - Kondensatoren. Im letzteren Fall kann die Temperatur des Kühlschranks etwas niedriger sein als die Umgebungstemperatur.
Daher kann das Arbeitsmedium in einem Motor während der Expansion nicht seine gesamte innere Energie abgeben, um Arbeit zu verrichten. Ein Teil der Wärme wird zwangsläufig zusammen mit Abdampf oder Abgasen von Verbrennungsmotoren und Gasturbinen an die Kältemaschine (Atmosphäre) übertragen.
Dabei geht ein Teil der inneren Energie des Kraftstoffs verloren. Eine Wärmekraftmaschine verrichtet aufgrund der inneren Energie des Arbeitsmediums Arbeit. Darüber hinaus wird bei diesem Prozess Wärme von heißeren Körpern (Heizung) auf kältere Körper (Kühlschrank) übertragen. Schematische Darstellung Die Wärmekraftmaschine ist in Abbildung 13.13 dargestellt.
Das Arbeitsmedium des Motors erhält bei der Kraftstoffverbrennung von der Heizung die Wärmemenge Q 1, verrichtet die Arbeit A“ und gibt die Wärmemenge an den Kühlschrank ab F 2< Q 1 .
Damit der Motor kontinuierlich arbeitet, ist es notwendig, das Arbeitsmedium in seinen Ausgangszustand zurückzubringen, bei dem die Temperatur des Arbeitsmediums gleich T 1 ist. Daraus folgt, dass der Motor nach sich periodisch wiederholenden geschlossenen Prozessen arbeitet, oder wie man sagt, in einem Zyklus.
Zyklus ist eine Reihe von Prozessen, durch die das System in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.
Leistungszahl (Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine.
Die Unmöglichkeit, die innere Energie von Gas vollständig in die Arbeit von Wärmekraftmaschinen umzuwandeln, liegt an der Irreversibilität von Prozessen in der Natur. Wenn Wärme spontan vom Kühlschrank zur Heizung zurückkehren könnte, könnte die innere Energie von jeder Wärmekraftmaschine vollständig in nützliche Arbeit umgewandelt werden. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik lässt sich wie folgt formulieren:
Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik:
Es ist unmöglich, ein Perpetuum mobile der zweiten Art zu schaffen, das Wärme vollständig in mechanische Arbeit umwandeln würde.Nach dem Energieerhaltungssatz ist die vom Motor geleistete Arbeit gleich:
A" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)
Dabei ist Q 1 die von der Heizung aufgenommene Wärmemenge und Q2 die an den Kühlschrank abgegebene Wärmemenge.
Der Leistungskoeffizient (Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der vom Motor geleisteten Arbeit A „zur vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge:
Da alle Motoren eine gewisse Wärmemenge an den Kühlschrank übertragen, gilt η< 1.
Maximaler Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen.
Die Gesetze der Thermodynamik ermöglichen es, den maximal möglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine zu berechnen, die mit einer Heizung bei der Temperatur T1 und einem Kühlschrank bei der Temperatur T2 arbeitet, sowie Möglichkeiten zu seiner Steigerung zu bestimmen.
Der maximal mögliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine wurde erstmals vom französischen Ingenieur und Wissenschaftler Sadi Carnot (1796-1832) in seinem Werk „Reflexionen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können“ (1824) berechnet ).
Carnot entwickelte eine ideale Wärmekraftmaschine mit einem idealen Gas als Arbeitsmedium. Eine ideale Carnot-Wärmekraftmaschine arbeitet in einem Zyklus, der aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten besteht, und diese Prozesse gelten als reversibel (Abb. 13.14). Zunächst wird ein Gefäß mit Gas mit der Heizung in Kontakt gebracht, das Gas dehnt sich isotherm aus und verrichtet positive Arbeit bei der Temperatur T 1 und erhält eine Wärmemenge Q 1.
Dann wird das Gefäß thermisch isoliert, das Gas expandiert adiabatisch weiter, während seine Temperatur auf die Temperatur des Kühlschranks T 2 sinkt. Danach wird das Gas mit dem Kühlschrank in Kontakt gebracht; bei der isothermen Kompression gibt es die Wärmemenge Q 2 an den Kühlschrank ab und verdichtet sich auf ein Volumen V 4< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:
Wie aus Formel (13.17) hervorgeht, ist der Wirkungsgrad einer Carnot-Maschine direkt proportional zur Differenz der absoluten Temperaturen von Heizung und Kühlschrank.
Die Hauptbedeutung dieser Formel besteht darin, dass sie den Weg zur Effizienzsteigerung aufzeigt. Dazu ist es notwendig, die Temperatur der Heizung zu erhöhen oder die Temperatur des Kühlschranks zu senken.
Jede echte Wärmekraftmaschine, die mit einer Heizung bei der Temperatur T1 und einem Kühlschrank bei der Temperatur T2 betrieben wird, kann keinen höheren Wirkungsgrad als eine ideale Wärmekraftmaschine haben:
Die Prozesse, aus denen sich der Kreislauf einer echten Wärmekraftmaschine zusammensetzt, sind nicht umkehrbar.Formel (13.17) gibt eine theoretische Grenze für den maximalen Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen an. Es zeigt sich, dass eine Wärmekraftmaschine umso effizienter ist, je größer der Temperaturunterschied zwischen Heizung und Kühlschrank ist.
Erst bei einer Kühlschranktemperatur gleich dem absoluten Nullpunkt ist η = 1. Darüber hinaus ist nachgewiesen, dass der nach Formel (13.17) berechnete Wirkungsgrad nicht vom Arbeitsstoff abhängt.
Aber die Temperatur des Kühlschranks, deren Rolle normalerweise die Atmosphäre spielt, kann praktisch nicht niedriger sein als die Umgebungslufttemperatur. Sie können die Heiztemperatur erhöhen. Allerdings weist jedes Material (fest) eine begrenzte Hitzebeständigkeit bzw. Hitzebeständigkeit auf. Beim Erhitzen verliert es allmählich seine elastischen Eigenschaften und schmilzt bei ausreichend hoher Temperatur.
Die Hauptbemühungen der Ingenieure zielen nun darauf ab, die Effizienz von Motoren zu steigern, indem sie die Reibung ihrer Teile, Kraftstoffverluste aufgrund unvollständiger Verbrennung usw. verringern.
Bei einer Dampfturbine betragen die Anfangs- und Enddampftemperaturen ungefähr die folgenden: T 1 – 800 K und T 2 – 300 K. Bei diesen Temperaturen beträgt der maximale Wirkungsgrad 62 % (beachten Sie, dass der Wirkungsgrad normalerweise in Prozent gemessen wird). . Der tatsächliche Wirkungsgrad aufgrund verschiedener Arten von Energieverlusten liegt bei ca. 40 %. Den maximalen Wirkungsgrad – etwa 44 % – erreichen Dieselmotoren.
Umweltschutz.
Wärmekraftmaschinen sind aus der modernen Welt nicht mehr wegzudenken. Sie sind es, die uns ein angenehmes Leben ermöglichen. Wärmekraftmaschinen treiben Fahrzeuge an. Ungefähr 80 % des Stroms werden trotz Kernkraftwerken mit Wärmekraftmaschinen erzeugt.
Allerdings kommt es beim Betrieb von Wärmekraftmaschinen zwangsläufig zu Umweltbelastungen. Das ist ein Widerspruch: Einerseits benötigt die Menschheit von Jahr zu Jahr mehr Energie, die zum Großteil durch die Verbrennung von Kraftstoffen gewonnen wird, andererseits gehen Verbrennungsprozesse zwangsläufig mit Umweltverschmutzung einher.
Wenn Kraftstoff verbrennt, sinkt der Sauerstoffgehalt in der Atmosphäre. Darüber hinaus bilden die Verbrennungsprodukte selbst chemische Verbindungen, die für lebende Organismen schädlich sind. Die Verschmutzung erfolgt nicht nur am Boden, sondern auch in der Luft, da jeder Flug mit einem Flugzeug mit dem Ausstoß schädlicher Verunreinigungen in die Atmosphäre einhergeht.
Eine der Folgen der Motoren ist die Bildung von Kohlendioxid, das Infrarotstrahlung von der Erdoberfläche absorbiert, was zu einem Anstieg der Atmosphärentemperatur führt. Dies ist der sogenannte Treibhauseffekt. Messungen zeigen, dass die Lufttemperatur pro Jahr um 0,05 °C ansteigt. Ein solcher kontinuierlicher Temperaturanstieg kann zum Schmelzen von Eis führen, was wiederum zu Veränderungen des Wasserspiegels in den Ozeanen, also zur Überflutung von Kontinenten, führen wird.
Beachten wir noch einen weiteren negativen Punkt beim Einsatz von Wärmekraftmaschinen. Daher wird manchmal Wasser aus Flüssen und Seen zur Kühlung von Motoren verwendet. Das erwärmte Wasser wird dann wieder zurückgeführt. Ein Temperaturanstieg in Gewässern stört das natürliche Gleichgewicht; dieses Phänomen wird als thermische Verschmutzung bezeichnet.
Zum Schutz der Umwelt werden häufig verschiedene Reinigungsfilter eingesetzt, um Emissionen in die Atmosphäre zu verhindern. Schadstoffe, Motorkonstruktionen werden verbessert. Es gibt eine kontinuierliche Verbesserung des Kraftstoffs, der bei der Verbrennung weniger Schadstoffe erzeugt, sowie der Technologie seiner Verbrennung. Alternative Energiequellen mit Wind, Sonnenstrahlung und Kernenergie werden aktiv entwickelt. Es werden bereits Elektro- und Solarfahrzeuge produziert.
Eine Wärmekraftmaschine (Maschine) ist ein Gerät, das die innere Energie von Kraftstoff in mechanische Arbeit umwandelt und dabei Wärme mit umgebenden Körpern austauscht. Die meisten modernen Automobil-, Flugzeug-, Schiffs- und Raketenmotoren basieren auf den Prinzipien des thermischen Motorbetriebs. Arbeit wird durch Änderung des Volumens des Arbeitsstoffs verrichtet und zur Charakterisierung der Betriebseffizienz jedes Motortyps wird ein Wert namens Effizienz verwendet.
Wie funktioniert eine Wärmekraftmaschine?
Aus Sicht der Thermodynamik (ein Zweig der Physik, der die Muster gegenseitiger Umwandlungen innerer und mechanischer Energien und der Energieübertragung von einem Körper auf einen anderen untersucht) besteht jede Wärmekraftmaschine aus einer Heizung, einem Kühlschrank und einem Arbeitsmedium .
Reis. 1. Blockschaltbild des Betriebs einer Wärmekraftmaschine:.
Die erste Erwähnung eines Prototyps einer Wärmekraftmaschine bezieht sich auf die damals erfundene Dampfturbine antikes Rom(2. Jahrhundert v. Chr.). Zwar fand die Erfindung zu dieser Zeit keine breite Anwendung, da es damals an vielen Hilfsteilen mangelte. Beispielsweise war zu diesem Zeitpunkt ein so wichtiges Element für den Betrieb eines Mechanismus wie ein Lager noch nicht erfunden.
Das allgemeine Betriebsdiagramm einer Wärmekraftmaschine sieht folgendermaßen aus:
- Die Temperatur T 1 des Heizgeräts ist hoch genug, um eine große Wärmemenge Q 1 zu übertragen.
- In den meisten Wärmekraftmaschinen wird Wärme durch die Verbrennung eines Kraftstoffgemisches (Brennstoff-Sauerstoff) erzeugt; Das Arbeitsmedium (Dampf oder Gas) des Motors verrichtet nützliche Arbeit A,
- zum Beispiel einen Kolben bewegen oder eine Turbine drehen;< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .
Die Wärmekraftmaschine (Motor) muss kontinuierlich arbeiten, daher muss das Arbeitsmedium in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehren, damit seine Temperatur T 1 entspricht. Für die Kontinuität des Prozesses muss der Betrieb der Maschine zyklisch erfolgen und sich periodisch wiederholen. Um einen zyklischen Mechanismus zu schaffen – um das Arbeitsmedium (Gas) in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen – benötigen Sie einen Kühlschrank, um das Gas während des Kompressionsprozesses zu kühlen. Der Kühler kann die Atmosphäre (bei Verbrennungsmotoren) oder kaltes Wasser (bei Dampfturbinen) sein.
Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine?
Um den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen zu bestimmen, beschloss der französische Maschinenbauingenieur Sadi Carnot im Jahr 1824. führte das Konzept der Wärmekraftmaschineneffizienz ein. Der griechische Buchstabe η wird zur Bezeichnung der Effizienz verwendet. Der Wert von η wird mithilfe der Formel für den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine berechnet:
$$η=(A\über Q1)$$
Da also $ A =Q1 - Q2$ ist
$η =(1 - Q2\über Q1)$
Da alle Motoren einen Teil ihrer Wärme an den Kühlschrank abgeben, ist η immer< 1 (меньше 100 процентов).
Der höchstmögliche Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine
Als ideale Wärmekraftmaschine schlug Sadi Carnot eine Maschine mit einem idealen Gas als Arbeitsmedium vor. Das ideale Carnot-Modell basiert auf einem Zyklus (Carnot-Zyklus), der aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten besteht.
Reis. 2. Carnot-Zyklus:.
Wir möchten Sie daran erinnern:
- Adiabatischer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, der ohne Wärmeaustausch mit abläuft Umfeld (Q=0);
- Isothermer Prozess ist ein thermodynamischer Prozess, der bei einer konstanten Temperatur abläuft. Seit ideales Gas Die innere Energie hängt nur von der Temperatur ab, dann von der auf das Gas übertragenen Wärmemenge Q geht ausschließlich auf die Arbeit A (Q = A) ein .
Sadi Carnot hat bewiesen, dass der maximal mögliche Wirkungsgrad, der mit einer idealen Wärmekraftmaschine erreicht werden kann, durch die folgende Formel gegeben ist:
$$ηmax=1-(T2\über T1)$$
Mit der Formel von Carnot können Sie den maximal möglichen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine berechnen. Je größer der Temperaturunterschied zwischen Heizung und Kühlschrank ist, desto höher ist der Wirkungsgrad.
Was sind die tatsächlichen Wirkungsgrade verschiedener Motortypen?
Aus den obigen Beispielen wird deutlich, dass die höchsten Effizienzwerte (40-50 %) bei Verbrennungsmotoren (Dieselversion) und Strahltriebwerken zu finden sind, die mit flüssigem Kraftstoff betrieben werden.
Reis. 3. Effizienz echter Wärmekraftmaschinen:.
Was haben wir gelernt?
Also haben wir gelernt, was Motoreffizienz ist. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine liegt immer unter 100 Prozent. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Heizung T 1 und dem Kühlschrank T 2 ist, desto größer ist der Wirkungsgrad.
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