המציאות המודרנית מניחה רחבההפעלת מנועי חום. ניסיונות רבים להחליפם במנועים חשמליים נכשלו עד כה. הבעיות הקשורות להצטברות חשמל במערכות אוטונומיות נפתרות בקושי רב.
בעיות טכנולוגיות עדיין רלוונטיותייצור סוללות חשמל, תוך התחשבות בשימוש לטווח הארוך מאפייני המהירות של כלי רכב חשמליים רחוקים מאלו של מכוניות המונעות על ידי מנועי בעירה פנימית.
הצעדים הראשונים לקראת יצירת מנועים היברידיים יכולים להפחית משמעותית את הפליטות המזיקות בערי מגה, ולפתור בעיות סביבתיות.
היכולת להמיר אנרגיית קיטור לאנרגיההתנועה הייתה ידועה בעת העתיקה. 130 לפנה"ס: הפילוסוף הרון מאלכסנדריה הציג בפני הקהל צעצוע קיטור - אוליפיל. הכדור, מלא אדים, נכנס לסיבוב תחת פעולת הסילונים הבוקעים ממנו. לא נעשה שימוש באותה תקופה באב טיפוס זה של טורבינות קיטור מודרניות.
במשך שנים רבות ומאות, התפתחות הפילוסוף נחשבה לצעצוע מצחיק בלבד. בשנת 1629 יצר ד 'ברנצ'י האיטלקי טורבינה פעילה. הקיטור הפעיל דיסק מצויד בלהבים.
מאותו הרגע החלה ההתפתחות המהירה של מנועי הקיטור.
הפיכת האנרגיה הפנימית של הדלק לאנרגיית התנועה של חלקי מכונות ומנגנונים משמשת במנועי חום.
החלקים העיקריים של המכונות: תנור חימום (מערכת להשגת אנרגיה מבחוץ), נוזל עבודה (מבצע פעולה שימושית), מקרר.
תנור החימום מתוכנן כך שנוזל העבודה צובר אספקה מספקת של אנרגיה פנימית לעבודה מועילה. המקרר מסיר עודפי אנרגיה.
המאפיין העיקרי של יעילות נקראיעילות מנועי חום. ערך זה מראה כמה מהאנרגיה המושקעת בחימום מושקעת לעבודה מועילה. ככל שהיעילות גבוהה יותר, כך פעולת המכונה משתלמת יותר, אך ערך זה אינו יכול לעלות על 100%.
תן לתנור לרכוש אנרגיה מבחוץ השווה ל- Q1. הגוף העובד אכן עבד A, בעוד שהאנרגיה שניתנה למקרר הייתה Q2.
על סמך ההגדרה, אנו מחשבים את ערך היעילות:
η = A / Q1... אנו לוקחים בחשבון ש А = Q1 ש2.
מכאן היעילות של מנוע החום, שנוסחתו בצורת η = (Q1 ש2) / ש1 = 1 - ש2/ ש1, מאפשר לנו להסיק את המסקנות הבאות:
האם אפשר ליצור מנוע כזה,איזו יעילות תהיה המקסימלית (אידיאלי שווה ל-100%)? הפיזיקאי התיאורטי והמהנדס המוכשר הצרפתי סאדי קרנו ניסה למצוא תשובה לשאלה זו. בשנת 1824 פורסמו חישוביו התיאורטיים על התהליכים המתרחשים בגזים.
הרעיון המרכזי מאחורי מכונה אידיאלית הוא לבצע תהליכים הפיכים עם גז אידיאלי. אנו מתחילים בהרחבת הגז איזותרמית בטמפרטורה T1... כמות החום הנדרשת לשם כך היא Q1. אחרי הגז מתרחב ללא חילופי חום (תהליך אדיאבטי). הגעה לטמפרטורה T2, הגז נדחס בצורה איזותרמית, ומעביר אנרגיה Q2... החזרת הגז למצבו המקורי מתבצעת באופן אדיאבטי.
היעילות של מנוע חום קרנו אידיאלי בחישוב מדויק שווה ליחס בין הפרש הטמפרטורה בין מכשירי החימום והקירור לטמפרטורה שיש למחמם. זה נראה כך: η = (T1 - ט2) / ט1.
יעילות אפשרית של מנוע חום, שהנוסחה שלו היא: η = 1 - ט2/ ט1, תלוי רק בערכי הטמפרטורה של המחמם והמצנן ולא יכול להיות יותר מ-100%.
יתרה מכך, יחס זה מאפשר להוכיח כי היעילות של מנועי חום יכולה להיות שווה לאחדות רק כאשר המקרר מגיע לטמפרטורות אפס מוחלטות. כידוע, ערך זה אינו בר השגה.
החישובים התיאורטיים של קרנות מאפשרים לקבוע את היעילות המקסימלית של מנוע חום מכל תכנון.
המשפט שהוכח על ידי קרנו נשמע כדלקמן.מנוע חום שרירותי אינו מסוגל בשום פנים ואופן להיות בעל יעילות גבוהה מזו של מנוע חום אידיאלי.
דוגמה 1. מהי היעילות של מנוע חום אידיאלי אם טמפרטורת המחמם היא 800oC, והטמפרטורה של המקרר היא 500oג למטה?
ט1= 800oС = 1073 K, ∆T = 500oC = 500 K, η -?
פתרון:
בהגדרה: η = (T1 - ט2) / ט1.
לא נותנים לנו את הטמפרטורה של המקרר, אבל ∆T = (T1 - ט2), ומכאן:
η = ∆T / T1 = 500 K / 1073 K = 0.46.
תשובה: יעילות = 46%.
דוגמה 2. קבע את היעילות של מנוע חום אידיאלי, אם כןעל חשבון קילו ג'ול אחד שנרכש מהמחמם, העבודה השימושית היא 650 J. מהי הטמפרטורה של המחמם של מנוע החום אם הטמפרטורה של הצידנית היא 400 K?
כדי1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η -?, T1 =?
פתרון:
בבעיה זו אנו מדברים על התקנה תרמית, שניתן לחשב את יעילותה על ידי הנוסחה:
η = A / Q1.
כדי לקבוע את טמפרטורת המחמם, אנו משתמשים בנוסחה ליעילות של מנוע חום אידיאלי:
η = (T1 - ט2) / ט1 = 1 - ט2/ ט1.
לאחר ביצוע טרנספורמציות מתמטיות, אנו מקבלים:
T1 = T2 / (1- η).
T1 = T2 / (1- A / Q1).
בוא נעשה חישוב:
η = 650 J / 1000 J = 0.65.
T1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142.8 K.
תשובה: η = 65%, T1 = 1142.8 K.
מנוע החום האידיאלי מתוכנן תוך מחשבה על תהליכים אידיאליים. העבודה מתבצעת רק בתהליכים איזותרמיים, ערכה מוגדר כשטח המוגבל על ידי הגרף של מחזור קרנו.
למעשה, ליצור תנאים לזרימהתהליך שינוי מצב הגז ללא שינויי טמפרטורה נלווים הוא בלתי אפשרי. אין חומרים שישללו חילופי חום עם עצמים מסביב. זה הופך להיות בלתי אפשרי לבצע את התהליך האדיאבטי. במקרה של חילופי חום, טמפרטורת הגז חייבת להשתנות בהכרח.
היעילות של מנועי חום שנוצרו במציאותהתנאים שונים באופן משמעותי מהיעילות של מנועים אידיאליים. שימו לב כי מהלך התהליכים במנועים אמיתיים מתרחש כל כך מהר, עד שלא ניתן לפצות את השונות של האנרגיה התרמית הפנימית של החומר העובד בתהליך של שינוי נפחו על ידי הזרמת כמות החום מהמחמם והחזרה לגוף. מְקָרֵר.
מנועים אמיתיים פועלים במחזורים שונים:
ליצור תהליכי שיווי משקל במציאותמנועים (כדי לקרב אותם לאידיאלי) בתנאים של טכנולוגיה מודרנית אינו אפשרי. היעילות של מכונות חום נמוכה בהרבה, אפילו אם לוקחים בחשבון את אותם תנאי טמפרטורה כמו בהתקנה תרמית אידיאלית.
אך אין להמעיט בתפקידה של נוסחת החישוב ליעילות מחזור קרנו, שכן נוסחה זו היא שהופכת לנקודת המוצא בתהליך העבודה על הגברת היעילות של מנועים אמיתיים.
השוואה בין חום אידיאלי ואמיתימנועים, ראוי לציין כי הטמפרטורה של המקרר של האחרון לא יכולה להיות כל. בדרך כלל, האווירה נחשבת למקרר. אפשר לקבל את הטמפרטורה של האטמוספירה רק בחישובים משוערים. הניסיון מלמד שטמפרטורת נוזל הקירור שווה לטמפרטורת גזי הפליטה במנועים, כפי שקורה במנועי בעירה פנימית (בקיצור ICE).
ICE הוא הנפוץ ביותר בעולם שלנומנוע חום. היעילות של מנוע החום במקרה זה תלויה בטמפרטורה שנוצרת על ידי דלק הבעירה. הבדל משמעותי בין מנוע הבעירה הפנימית למנועי הקיטור הוא היתוך של הפונקציות של המחמם ואמצעי העבודה של המכשיר בתערובת דלק אוויר. בוערת, התערובת יוצרת לחץ על החלקים הנעים של המנוע.
עליית הטמפרטורה של גזי העבודה מגיעה,שינוי משמעותי בתכונות הדלק. למרבה הצער, אי אפשר לעשות זאת ללא הגבלת זמן. לכל חומר שממנו עשוי תא הבעירה של המנוע יש נקודת התכה משלו. עמידות החום של חומרים כאלה היא המאפיין העיקרי של המנוע, כמו גם היכולת להשפיע באופן משמעותי על היעילות.
אם ניקח בחשבון טורבינת קיטור, הטמפרטורהקיטור עבודה בכניסה שלו שווה ל-800 K, וגז הפליטה - 300 K, אז היעילות של מכונה זו שווה ל-62%. אולם במציאות, ערך זה אינו עולה על 40%. ירידה כזו מתרחשת עקב הפסדי חום כאשר בית הטורבינה מחומם.
הערך הגבוה ביותר של היעילות של מנועים פנימייםהבעירה אינה עולה על 44%. הגדלת ערך זה היא עניין של עתיד קרוב. שינוי התכונות של חומרים, דלקים היא בעיה שמיטב המוחות של האנושות עובדים עליה.