Wärmekraftmaschine. Effizienz der Wärmekraftmaschine. Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen. Leistungskoeffizient (COP) von Wärmekraftmaschinen Einheiten zur Messung der thermischen Effizienz einer Wärmekraftmaschine

Effizienzfaktor (Effizienz) ist ein Merkmal der Leistung des Systems in Bezug auf die Umwandlung oder Übertragung von Energie, das durch das Verhältnis der genutzten Nutzenergie zur gesamten vom System aufgenommenen Energie bestimmt wird.

Effizienz- eine dimensionslose Größe, üblicherweise ausgedrückt als Prozentsatz:

Effizienzfaktor (Effizienz) Wärmekraftmaschine wird durch die Formel bestimmt: , wobei A = Q1Q2. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine liegt immer unter 1.

Carnot-Zyklus ist ein reversibler zirkulärer Gasprozess, der aus nacheinander stehenden zwei isothermen und zwei adiabatischen Prozessen besteht, die mit dem Arbeitsmedium durchgeführt werden.

Ein Kreiskreislauf, der zwei Isothermen und zwei Adiabaten umfasst, entspricht maximaler Effizienz.

Der französische Ingenieur Sadi Carnot leitete 1824 die Formel für den maximalen Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine ab, bei der das Arbeitsmedium ein ideales Gas ist, dessen Kreislauf aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten bestand, also dem Carnot-Zyklus. Der Carnot-Zyklus ist der eigentliche Arbeitszyklus einer Wärmekraftmaschine, die aufgrund der dem Arbeitsmedium zugeführten Wärme in einem isothermen Prozess Arbeit verrichtet.

Die Formel für den Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus, also den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, hat die Form: , wobei T1 die absolute Temperatur des Heizgeräts und T2 die absolute Temperatur des Kühlschranks ist.

Wärmekraftmaschinen- das sind Strukturen, in denen thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.

Wärmekraftmaschinen sind sowohl im Design als auch im Einsatzzweck unterschiedlich. Dazu gehören Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Motoren interne Verbrennung, Strahltriebwerke.

Trotz der Vielfalt weist der Betrieb verschiedener Wärmekraftmaschinen jedoch grundsätzlich Gemeinsamkeiten auf. Die Hauptkomponenten jeder Wärmekraftmaschine sind:

• Heizung;
• Arbeitsflüssigkeit;
• Kühlschrank.

Die Heizung gibt Wärmeenergie ab und erwärmt gleichzeitig das Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsraum des Motors befindet. Das Arbeitsmedium kann Dampf oder Gas sein.

Nachdem es die Wärmemenge aufgenommen hat, dehnt sich das Gas aus, weil Sein Druck ist größer als der äußere Druck und bewegt den Kolben, wodurch positive Arbeit erzeugt wird. Gleichzeitig sinkt sein Druck und sein Volumen nimmt zu.

Wenn wir ein Gas komprimieren und dabei dieselben Zustände durchlaufen, aber in der entgegengesetzten Richtung, dann leisten wir denselben Absolutwert, aber negative Arbeit. Infolgedessen beträgt die gesamte Arbeit pro Zyklus Null.

Damit die Arbeit einer Wärmekraftmaschine von Null verschieden ist, muss die Arbeit der Gaskompression kleiner sein als die Arbeit der Expansion.

Damit die Kompressionsarbeit geringer wird als die Expansionsarbeit, ist es notwendig, dass der Kompressionsprozess bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet. Dazu muss das Arbeitsmedium gekühlt werden, weshalb ein Kühlschrank in die Konstruktion einbezogen wird der Wärmekraftmaschine. Das Arbeitsmedium überträgt bei Kontakt mit dem Kühlschrank Wärme auf den Kühlschrank.

Historisch gesehen war die Entstehung der Thermodynamik als Wissenschaft mit der praktischen Aufgabe verbunden, eine effektive Wärmekraftmaschine (Wärmekraftmaschine) zu schaffen.

Wärmekraftmaschine

Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das mit der dem Motor zugeführten Wärme arbeitet. Dieses Auto ist periodisch.

Die Wärmekraftmaschine umfasst die folgenden erforderlichen Elemente:

• Arbeitsflüssigkeit (normalerweise Gas oder Dampf);
• Heizung;
• Kühlschrank.

Abbildung 1. Der Betriebszyklus einer Wärmekraftmaschine. Author24 – Online-Austausch studentischer Arbeiten

In Abb. 1 stellen wir den Zyklus dar, in dem eine Wärmekraftmaschine arbeiten kann. In diesem Zyklus:

• Gas dehnt sich vom Volumen $V_1$ auf das Volumen $V_2$ aus;
• Das Gas wird vom Volumen $V_2$ auf das Volumen $V_1$ komprimiert.

Damit die von einem Gas geleistete Arbeit größer als Null ist, muss der Druck (und damit die Temperatur) während des Expansionsprozesses größer sein als während des Kompressionsprozesses. Zu diesem Zweck nimmt das Gas bei der Expansion Wärme auf und bei der Kompression wird dem Arbeitsmedium Wärme entzogen. Daraus wird er schließen, dass neben dem Arbeitsmedium noch zwei weitere äußere Körper in der Wärmekraftmaschine vorhanden sein müssen:

• eine Heizung, die Wärme an das Arbeitsmedium überträgt;
• Kühlschrank, ein Körper, der dem Arbeitsmedium während der Kompression Wärme entzieht.

Nach Abschluss des Zyklus kehren das Arbeitsmedium und alle Maschinenmechanismen in ihren vorherigen Zustand zurück. Dies bedeutet, dass die Änderung der inneren Energie des Arbeitsmediums Null ist.

Abbildung 1 zeigt, dass das Arbeitsmedium während des Expansionsprozesses eine Wärmemenge von $Q_1$ erhält. Während des Kompressionsprozesses überträgt das Arbeitsmedium eine Wärmemenge von $Q_2$ an den Kühlschrank. Daher ist die vom Arbeitsmedium aufgenommene Wärmemenge in einem Zyklus gleich:

$\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$

Aus dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik unter Berücksichtigung der Tatsache, dass in einem geschlossenen Kreislauf $\Delta U=0$ die vom Arbeitsmedium geleistete Arbeit gleich ist:

$A=Q_1-Q_2 (2).$

Um wiederholte Zyklen einer Wärmekraftmaschine zu organisieren, ist es notwendig, dass sie einen Teil ihrer Wärme an den Kühlschrank überträgt. Diese Anforderung steht im Einklang mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik:

Es ist unmöglich, ein Perpetuum Mobile zu schaffen, das die von einer bestimmten Quelle empfangene Wärme periodisch vollständig in Arbeit umwandelt.

Daher kann selbst bei einer idealen Wärmekraftmaschine die an den Kühlschrank übertragene Wärmemenge nicht gleich Null sein; es gibt eine Untergrenze für den Wert von $Q_2$.

Effizienz der Wärmekraftmaschine

Es ist klar, dass die Effizienz einer Wärmekraftmaschine unter Berücksichtigung der Vollständigkeit der Umwandlung der von der Heizung aufgenommenen Wärme in die Arbeit des Arbeitsmediums beurteilt werden sollte.

Der Parameter, der die Effizienz einer Wärmekraftmaschine anzeigt, ist der Leistungskoeffizient (COP).

Definition 1

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der vom Arbeitsmedium geleisteten Arbeit ($A$) zur Wärmemenge, die dieser Körper von der Heizung erhält ($Q_1$):

$\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$

Unter Berücksichtigung des Ausdrucks (2) ermitteln wir den Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine als:

$\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$

Beziehung (4) zeigt, dass der Wirkungsgrad nicht größer als eins sein kann.

Effizienz des Kühlschranks

Lassen Sie uns den in Abb. gezeigten Zyklus umkehren. 1.

Hinweis 1

Das Umkehren eines Zyklus bedeutet, die Richtung des Verfahrens der Kontur zu ändern.

Durch die Kreisumkehr erhalten wir den Kreis der Kältemaschine. Diese Maschine empfängt Wärme $Q_2$ von einem Körper mit niedriger Temperatur und überträgt sie in der Wärmemenge $Q_1$ und $Q_1>Q_2$ an eine Heizung mit höherer Temperatur. Die am Arbeitsmedium verrichtete Arbeit beträgt $A'$ pro Zyklus.

Die Effizienz unseres Kühlschranks wird durch einen Koeffizienten bestimmt, der wie folgt berechnet wird:

$\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\left (5\right).$

Effizienz der reversiblen und irreversiblen Wärmekraftmaschine

Der Wirkungsgrad einer irreversiblen Wärmekraftmaschine ist immer geringer als der Wirkungsgrad einer reversiblen Maschine, wenn die Maschinen mit derselben Heizung und demselben Kühlschrank betrieben werden.

Stellen Sie sich eine Wärmekraftmaschine vor, bestehend aus:

• ein zylindrisches Gefäß, das durch einen Kolben verschlossen ist;
• Gas unter dem Kolben;
• Heizung;
• Kühlschrank.

1. Das Gas erhält von der Heizung eine bestimmte Wärmemenge Q_1$.
2. Das Gas dehnt sich aus und drückt den Kolben, wobei es $A_+0$ Arbeit verrichtet.
3. Das Gas wird komprimiert und Wärme $Q_2$ wird an den Kühlschrank übertragen.
4. An der Arbeitsflüssigkeit $A_- wird gearbeitet

Die vom Arbeitsmedium pro Zyklus geleistete Arbeit ist gleich:

Um die Bedingung der Reversibilität von Prozessen zu erfüllen, müssen diese sehr langsam ablaufen. Darüber hinaus ist es erforderlich, dass keine Reibung des Kolbens an den Gefäßwänden auftritt.

Bezeichnen wir die in einem Zyklus von einer reversiblen Wärmekraftmaschine geleistete Arbeit als $A_(+0)$.

Lassen Sie uns den gleichen Zyklus mit hoher Geschwindigkeit und Reibung durchführen. Bei einer schnellen Expansion des Gases ist sein Druck in der Nähe des Kolbens geringer als bei einer langsamen Expansion des Gases, da sich das unter dem Kolben entstehende Vakuum mit endlicher Geschwindigkeit auf das gesamte Volumen ausbreitet. Dabei ist die Arbeit des Gases bei einer irreversiblen Volumenvergrößerung geringer als bei einer reversiblen:

Wenn Sie Gas schnell verdichten, ist der Druck um den Kolben größer als bei langsamer Verdichtung. Dies bedeutet, dass die Menge an negativer Arbeit, die das Arbeitsmedium bei irreversibler Kompression verrichtet, größer ist als bei reversibler Kompression:

Wir erhalten, dass die Arbeit des Gases im Kreislauf $A$ einer irreversiblen Maschine, berechnet nach Formel (5), aufgrund der von der Heizung empfangenen Wärme geringer ist als die im Kreislauf von einer reversiblen Wärmekraftmaschine geleistete Arbeit:

Die in einer irreversiblen Wärmekraftmaschine vorhandene Reibung führt dazu, dass ein Teil der vom Gas geleisteten Arbeit in Wärme umgewandelt wird, was den Wirkungsgrad des Motors verringert.

Daraus können wir schließen, dass der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine einer reversiblen Maschine größer ist als der einer irreversiblen Maschine.

Hinweis 2

Der Körper, mit dem das Arbeitsmedium Wärme austauscht, wird als Wärmespeicher bezeichnet.

Eine reversible Wärmekraftmaschine schließt einen Zyklus ab, in dem es Abschnitte gibt, in denen das Arbeitsmedium Wärme mit der Heizung und dem Kühlschrank austauscht. Der Wärmeaustauschprozess ist nur dann reversibel, wenn das Arbeitsmedium beim Aufnehmen und Zurückgeben von Wärme im Rückwärtshub die gleiche Temperatur aufweist, die der Temperatur des Wärmespeichers entspricht. Genauer gesagt sollte die Temperatur des Körpers, der Wärme aufnimmt, geringfügig unter der Temperatur des Reservoirs liegen.

Ein solcher Prozess kann ein isothermer Prozess sein, der bei der Temperatur des Reservoirs abläuft.

Damit eine Wärmekraftmaschine funktioniert, muss sie über zwei Wärmespeicher verfügen (eine Heizung und einen Kühlschrank).

Der reversible Kreisprozess, der in einer Wärmekraftmaschine durch das Arbeitsmedium durchgeführt wird, muss aus zwei Isothermen (bei den Temperaturen der Wärmespeicher) und zwei Adiabaten bestehen.

Adiabatische Prozesse laufen ohne Wärmeaustausch ab. Bei adiabatischen Prozessen kommt es zu einer Expansion und Kompression des Gases (Arbeitsmediums).

Effizienz der Wärmekraftmaschine. Nach dem Energieerhaltungssatz ist die vom Motor geleistete Arbeit gleich:

Wo ist die von der Heizung aufgenommene Wärme und die an den Kühlschrank abgegebene Wärme?

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der vom Motor geleisteten Arbeit zur vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge:

Da alle Motoren in jedem Fall eine gewisse Wärmemenge an den Kühlschrank übertragen

Maximaler Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen. Der französische Ingenieur und Wissenschaftler Sadi Carnot (1796 1832) hat sich in seinem Werk „Reflections on the Driving Force of Fire“ (1824) ein Ziel gesetzt: herauszufinden, unter welchen Bedingungen der Betrieb einer Wärmekraftmaschine am effektivsten ist, also unter welchen Bedingungen Unter bestimmten Bedingungen hat der Motor die maximale Effizienz.

Carnot entwickelte eine ideale Wärmekraftmaschine ideales Gas als Arbeitsflüssigkeit. Er berechnete die Effizienz dieser Maschine, die mit einer Temperaturheizung und einem Temperaturkühlschrank arbeitet

Die Hauptbedeutung dieser Formel besteht darin, dass, wie Carnot auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik bewiesen hat, keine echte Wärmekraftmaschine, die mit einem Temperaturerhitzer und einem Temperaturkühlschrank arbeitet, einen Wirkungsgrad haben kann, der den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine übersteigt.

Formel (4.18) 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

Aber die Temperatur des Kühlschranks kann praktisch nicht viel 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. Für eine Dampfturbine betragen die Anfangs- und Endtemperaturen des Dampfes ungefähr die folgenden Werte: Bei diesen Temperaturen beträgt der maximale Wirkungsgrad:

Der tatsächliche Wert des Wirkungsgrades aufgrund verschiedener Arten von Energieverlusten beträgt:

Die wichtigste technische Aufgabe ist es, den Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen zu steigern und dem Maximum anzunähern.

Wärmekraftmaschinen und Naturschutz. Der weit verbreitete Einsatz von Wärmekraftmaschinen zur Gewinnung möglichst praktisch nutzbarer Energie im Vergleich zu

alle anderen Typen Produktionsprozesse, ist mit Umweltauswirkungen verbunden.

Nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik ist die Erzeugung elektrischer und mechanischer Energie grundsätzlich nicht möglich, ohne nennenswerte Wärmemengen an die Umgebung abzugeben. Dies kann nur zu einem allmählichen Anstieg der Durchschnittstemperatur auf der Erde führen. Jetzt beträgt der Stromverbrauch etwa 1010 kW. Bei Erreichen dieser Leistung steigt die Durchschnittstemperatur spürbar an (um etwa ein Grad). Ein weiterer Temperaturanstieg könnte die Gefahr schmelzender Gletscher und eines katastrophalen Anstiegs des Meeresspiegels mit sich bringen.

Doch damit sind die negativen Folgen des Einsatzes von Wärmekraftmaschinen noch lange nicht erschöpft. Die Öfen von Wärmekraftwerken, Verbrennungsmotoren von Autos usw. geben kontinuierlich für Pflanzen, Tiere und Menschen schädliche Stoffe in die Atmosphäre ab: Schwefelverbindungen (bei der Verbrennung von Kohle), Stickoxide, Kohlenwasserstoffe, Kohlenmonoxid (CO), usw. Besonders gefährlich sind in dieser Hinsicht Autos, deren Zahl besorgniserregend zunimmt und deren Abgasreinigung schwierig ist. Kernkraftwerke stehen vor dem Problem der Entsorgung gefährlicher radioaktiver Abfälle.

Darüber hinaus erfordert der Einsatz von Dampfturbinen in Kraftwerken große Teichflächen zur Kühlung des Abdampfes. Mit zunehmender Kraftwerkskapazität steigt der Wasserbedarf stark an. Im Jahr 1980 benötigte unser Land für diese Zwecke etwa 35 % der Wasserversorgung aller Wirtschaftszweige.

All dies stellt die Gesellschaft vor eine Reihe schwerwiegender Probleme. Neben der wichtigsten Aufgabe, die Effizienz von Wärmekraftmaschinen zu steigern, ist es notwendig, eine Reihe von Schutzmaßnahmen durchzuführen Umfeld. Es ist notwendig, die Effizienz von Strukturen zu steigern, die Emissionen in die Atmosphäre verhindern Schadstoffe; eine vollständigere Verbrennung des Kraftstoffs erreichen Automotoren. Bereits jetzt dürfen Fahrzeuge mit einem hohen CO-Anteil in den Abgasen nicht eingesetzt werden. Diskutiert werden die Möglichkeit, Elektrofahrzeuge zu schaffen, die mit konventionellen Fahrzeugen konkurrieren können, und die Möglichkeit, Kraftstoff ohne Schadstoffe in den Abgasen zu verwenden, beispielsweise in Motoren, die mit einem Gemisch aus Wasserstoff und Sauerstoff betrieben werden.

Um Platz und Wasserressourcen zu sparen, empfiehlt es sich, ganze Kraftwerkskomplexe, vor allem Kernkraftwerke, mit geschlossenem Wasserversorgungskreislauf zu errichten.

Eine weitere Richtung der Bemühungen besteht darin, die Effizienz der Energienutzung zu steigern und für deren Einsparungen zu kämpfen.

Die Lösung der oben aufgeführten Probleme ist für die Menschheit von entscheidender Bedeutung. Und diese Probleme können mit maximalem Erfolg gelöst werden

in einer sozialistischen Gesellschaft mit geplanter wirtschaftlicher Entwicklung im ganzen Land gelöst werden. Aber die Organisation des Umweltschutzes erfordert Anstrengungen auf globaler Ebene.

1. Welche Prozesse werden als irreversibel bezeichnet? 2. Nennen Sie die typischsten irreversiblen Prozesse. 3. Nennen Sie Beispiele für irreversible Prozesse, die im Text nicht erwähnt werden. 4. Formulieren Sie den zweiten Hauptsatz der Thermodynamik. 5. Wenn die Flüsse rückwärts fließen würden, würde dies einen Verstoß gegen das Energieerhaltungsgesetz bedeuten? 6. Welches Gerät wird als Wärmekraftmaschine bezeichnet? 7. Welche Rolle spielen Heizung, Kühlschrank und Arbeitsflüssigkeit der Wärmekraftmaschine? 8. Warum können Wärmekraftmaschinen nicht die innere Energie des Ozeans als Energiequelle nutzen? 9. Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine?

10. Wie hoch ist der maximal mögliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine?

Physik, 10. Klasse

Lektion 25. Wärmekraftmaschinen. Effizienz der Wärmekraftmaschine

Liste der in der Lektion behandelten Fragen:

1) Das Konzept einer 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.

Verbrennungsmotor– 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 eines sich bewegenden Stopfens 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 saugt das brennbare Gemisch in den Zylinder.

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

Übertragen 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?