الحقائق الحديثة تنطوي على نطاق واسعتشغيل المحركات الحرارية. لقد فشلت حتى الآن محاولات عديدة لاستبدالها بمحركات كهربائية. يتم حل المشاكل المرتبطة بتراكم الكهرباء في أنظمة الحكم الذاتي بصعوبة كبيرة.
قضايا التكنولوجيا لا تزال ذات صلةتصنيع بطاريات الطاقة الكهربائية ، مع الأخذ في الاعتبار استخدامها على المدى الطويل. خصائص سرعة السيارات الكهربائية بعيدة عن خصائص السيارات ذات محركات الاحتراق الداخلي.
يمكن أن تقلل الخطوات الأولى في إنشاء محركات هجينة بشكل كبير من الانبعاثات الضارة في المدن الكبرى ، مما يحل المشكلات البيئية.
القدرة على تحويل الطاقة البخارية إلى طاقةكانت الحركة معروفة في العصور القديمة. 130 ق.م.: قدم الفيلسوف هيرون من الإسكندرية للجمهور لعبة بخار - eolipil. تم تدوير كرة مملوءة بالبخار تحت تأثير الطائرات المنبعثة منه. هذا النموذج الأولي للتوربينات البخارية الحديثة في تلك الأيام لم يجد التطبيق.
لسنوات وقرون عديدة كان تطوير الفيلسوف مجرد لعبة ممتعة. في عام 1629 ، ابتكر الإيطالي د. برانكا التوربين النشط. يعمل البخار على تحريك قرص مجهز بشفرات.
من هذه اللحظة بدأ التطور السريع للمحركات البخارية.
يتم استخدام تحويل الطاقة الداخلية للوقود إلى طاقة حركة أجزاء من الآلات والآليات في الآلات الحرارية.
الأجزاء الرئيسية من الآلات: سخان (نظام لتوليد الطاقة من الخارج) ، سائل عامل (يؤدي عملًا مفيدًا) ، وثلاجة.
تم تصميم السخان بحيث يكون السائل العامل قد جمع كمية كافية من الطاقة الداخلية لأداء عمل مفيد. الثلاجة يزيل الطاقة الزائدة.
Основной характеристикой эффективности называют كفاءة الآلات الحرارية. توضح هذه القيمة مقدار الطاقة التي يتم إنفاقها على التدفئة التي يتم إنفاقها على العمل المفيد. كلما زادت الكفاءة ، زادت ربحية تشغيل الآلة ، لكن هذه القيمة لا يمكن أن تتجاوز 100٪.
دع السخان يكتسب طاقة مساوية لـ Q من الخارج.1. قام السائل العامل بالعمل A ، في حين أن الطاقة الممنوحة للثلاجة كانت Q2.
بناءً على التعريف ، نحسب قيمة الكفاءة:
η = A / Q1. نحن نأخذ في الاعتبار أن A = س1 - س2.
ومن هنا تأتي كفاءة المحرك الحراري ، الذي تكون صيغة الشكل η = (Q1 - س2) / س1 = 1 - س2/ س1, يسمح لاستخلاص النتائج التالية:
هل من الممكن إنشاء مثل هذا المحرك ،التي سيكون لها أقصى قدر من الكفاءة (مثالي يساوي 100 ٪)؟ حاول الفيزيائي النظري الفرنسي والمهندس الموهوب سعدي كارنو إيجاد الإجابة على هذا السؤال. في عام 1824 ، تم نشر حساباته النظرية حول العمليات التي تحدث في الغازات.
يمكن اعتبار الفكرة الأساسية المضمنة في آلة مثالية إجراء عمليات عكسية بغاز مثالي. نبدأ بتوسيع الغاز متساوي الحرارة عند درجة حرارة T1. كمية الحرارة المطلوبة لهذا هو س1. بعد الغاز دون تبادل الحرارة يتوسع (عملية ثابت الحرارة). الوصول إلى درجة الحرارة T2، الغاز مضغوط متساوي الحرارة ، ونقل الطاقة Q2. عودة الغاز إلى حالته الأولية ثابت.
كفاءة محرك حراري Carnot المثالي فيحساب دقيق يساوي نسبة الفرق في درجة الحرارة بين أجهزة التدفئة والتبريد إلى درجة الحرارة التي لديها سخان. يبدو مثل هذا: η = (T1 - تي2) / T1.
الكفاءة الممكنة لمحرك حراري ، الصيغة الخاصة به هي: η = 1 - تي2/ ت1يعتمد فقط على قيم درجة حرارة السخان والبرودة ولا يمكن أن يكون أكثر من 100٪.
علاوة على ذلك ، تسمح لنا هذه النسبة بإثبات أن كفاءة المحركات الحرارية يمكن أن تكون مساوية للوحدة فقط عندما تصل درجة حرارة الثلاجة إلى الصفر المطلق. كما تعلمون ، هذه القيمة غير قابلة للتحقيق.
تسمح لنا الحسابات النظرية لـ Carnot بتحديد أقصى كفاءة لمحرك حراري لأي تصميم.
نظرية كارنو أثبتت كالتاليلا يمكن للمحرك الحراري التعسفي تحت أي ظرف من الظروف أن يكون له معامل أداء أكبر من نفس القيمة الفعالة للمحرك الحراري المثالي.
مثال 1 ما هي كفاءة المحرك الحراري المثالي إذا كانت درجة حرارة السخان 800حولC ، ودرجة حرارة الثلاجة 500حولC أدناه؟
تي1= 800حولC = 1073 K ، =T = 500حولC = 500 K ، η -؟
الحل:
بحكم التعريف: η = (T1 - تي2) / T1.
لا نعطى درجة حرارة الثلاجة ، لكن ∆T = (T1 - تي2) ، من هنا:
η = ΔT / T1 = 500 ك / 1073 ك = 0.46.
الجواب: الكفاءة = 46٪.
مثال 2. Определите КПД идеальной тепловой машины, если за على حساب كيلو جول واحد من الطاقة المشتراة من السخان يتم عمل مفيد عند 650 ج. ما درجة حرارة سخان المحرك الحراري إذا كانت درجة حرارة المبرد 400 كلفن؟
K1 = 1 كيلو جول = 1000 جول ، أ = 650 جول ، تي2 = 400 كلفن ، η - ؟، ت1 =؟
الحل:
في هذه المشكلة ، نتحدث عن تركيب حراري ، يمكن حساب كفاءته بالصيغة التالية:
η = A / Q1.
لتحديد درجة حرارة السخان ، نستخدم الصيغة الخاصة بكفاءة محرك حراري مثالي:
η = (T.1 - تي2) / T1 = 1 - تي2/ ت1.
بعد إجراء التحولات الرياضية ، نحصل على:
تي1 = T.2 / (1- η).
تي1 = T.2 / (1- أ / س1).
لنحسب:
η = 650 جول / 1000 ج = 0.65.
تي1 = 400 ك / (1- 650 جول / 1000 جول) = 1142.8 كلفن.
الجواب: η = 65٪ ، ت1 = 1142.8 ك.
تم تصميم المحرك الحراري المثالي مع وضع العمليات المثالية في الاعتبار. يتم تنفيذ العمل فقط في عمليات متساوية الحرارة ، ويتم تحديد قيمتها على أنها المنطقة المحددة بواسطة الرسم البياني لدورة كارنو.
في الواقع ، قم بتهيئة الظروف للتدفقعملية تغيير حالة الغاز دون مصاحبة تغيرات درجة الحرارة أمر مستحيل. لا توجد مواد تستبعد التبادل الحراري مع الأشياء المحيطة. يصبح من المستحيل تنفيذ العملية الثابتة. في حالة التبادل الحراري ، يجب أن تتغير درجة حرارة الغاز بالضرورة.
كفاءة الآلات الحرارية التي تم إنشاؤها في الواقعتختلف الظروف اختلافًا كبيرًا عن كفاءة المحركات المثالية. لاحظ أن مسار العمليات في المحركات الحقيقية يحدث بسرعة كبيرة بحيث لا يمكن تعويض تباين الطاقة الحرارية الداخلية لمادة العمل في عملية تغيير حجمها عن طريق تدفق كمية الحرارة من السخان والعودة إلى الثلاجة.
تعمل المحركات الحقيقية على دورات مختلفة:
خلق عمليات التوازن في الواقعالمحركات (لتقريبها من المثالية) في ظروف التكنولوجيا الحديثة غير ممكن. كفاءة المحركات الحرارية أقل بكثير ، حتى مع مراعاة ظروف درجة الحرارة نفسها في التركيب الحراري المثالي.
لكن لا يجب التقليل من دور الصيغة الحسابية لكفاءة دورة كارنو ، لأن هذه الصيغة هي نقطة البداية في عملية العمل على زيادة كفاءة المحركات الحقيقية.
مقارنة الحرارة المثالية والحقيقيةالمحركات ، تجدر الإشارة إلى أن درجة حرارة الثلاجة لا يمكن أن تكون كذلك. عادة ، يعتبر الغلاف الجوي ثلاجة. من الممكن أخذ درجة حرارة الغلاف الجوي بحسابات تقريبية فقط. تظهر التجربة أن درجة حرارة سائل التبريد تساوي درجة حرارة غازات العادم في المحركات ، كما يحدث في محركات الاحتراق الداخلي (اختصارًا ICE).
ICE هو الأكثر شيوعًا في عالمنامحرك حراري. تعتمد كفاءة المحرك الحراري في هذه الحالة على درجة الحرارة الناتجة عن وقود الاحتراق. يتمثل الاختلاف الكبير بين محرك الاحتراق الداخلي والمحركات البخارية في اندماج وظائف السخان ووسط عمل الجهاز في خليط الوقود والهواء. الاحتراق ، يخلق المزيج ضغطًا على الأجزاء المتحركة للمحرك.
يصل ارتفاع درجة حرارة غازات العمل ،يغير بشكل كبير خصائص الوقود. لسوء الحظ ، لا يمكن القيام بذلك بلا حدود. أي مادة تصنع منها غرفة احتراق المحرك لها نقطة انصهار خاصة بها. تعتبر مقاومة الحرارة لهذه المواد هي السمة الرئيسية للمحرك ، فضلاً عن القدرة على التأثير بشكل كبير على الكفاءة.
إذا اعتبرنا التوربينات البخارية ، درجة الحرارةيعمل البخار عند مدخله الذي يساوي 800 كلفن ، وغاز العادم - 300 كلفن ، فتكون كفاءة هذه الآلة 62٪. لكن في الواقع ، هذه القيمة لا تتجاوز 40٪. يحدث هذا الانخفاض بسبب فقد الحرارة عند تسخين غلاف التوربين.
أعلى كفاءة للمحركات الداخليةالاحتراق لا يتجاوز 44٪. زيادة هذه القيمة هي مسألة المستقبل القريب. تغيير خصائص المواد ، الوقود مشكلة تعمل عليها أفضل عقول البشرية.
