ความเป็นจริงสมัยใหม่มีความหมายกว้างๆการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน ความพยายามหลายครั้งที่จะแทนที่ด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าล้มเหลว ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการสะสมไฟฟ้าในระบบปกครองตนเองได้รับการแก้ไขด้วยความยากลำบากอย่างยิ่ง
ยังคงมีปัญหาด้านเทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องการผลิตเครื่องสะสมพลังงานไฟฟ้าโดยคำนึงถึงการใช้งานในระยะยาว ลักษณะความเร็วของยานพาหนะไฟฟ้ายังห่างไกลจากลักษณะความเร็วของรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์สันดาปภายใน
ขั้นตอนแรกสู่การสร้างเครื่องยนต์ไฮบริดสามารถลดการปล่อยมลพิษที่เป็นอันตรายในเมืองใหญ่ได้อย่างมาก และช่วยแก้ปัญหาสิ่งแวดล้อมได้
ความเป็นไปได้ในการแปลงพลังงานไอน้ำเป็นพลังงานการเคลื่อนไหวเป็นที่รู้จักในสมัยโบราณ 130 ปีก่อนคริสตกาล: นักปรัชญานกกระสาแห่งอเล็กซานเดรียนำเสนอของเล่นไอน้ำแก่ผู้ชม - aeolipil ทรงกลมที่เต็มไปด้วยไอน้ำเริ่มหมุนภายใต้การกระทำของไอพ่นที่เล็ดลอดออกมาจากมัน กังหันไอน้ำสมัยใหม่ต้นแบบนี้ไม่พบการใช้งานในสมัยนั้น
เป็นเวลาหลายปีและหลายศตวรรษที่พัฒนาการของนักปรัชญาถือเป็นเพียงของเล่นที่สนุกสนานเท่านั้น ในปี ค.ศ. 1629 ชาวอิตาลี D. Branchi ได้สร้างกังหันที่ใช้งานอยู่ ไอน้ำทำให้ดิสก์เคลื่อนที่พร้อมกับใบมีด
ตั้งแต่นั้นเป็นต้นมาการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเครื่องยนต์ไอน้ำก็เริ่มขึ้น
การแปลงพลังงานภายในของเชื้อเพลิงเป็นพลังงานการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนของเครื่องจักรและกลไกที่ใช้ในเครื่องยนต์ความร้อน
ชิ้นส่วนหลักของเครื่องจักร: เครื่องทำความร้อน (ระบบรับพลังงานจากภายนอก), สารทำงาน (ทำหน้าที่ที่เป็นประโยชน์), ตู้เย็น
เครื่องทำความร้อนได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่าของไหลทำงานสะสมพลังงานภายในเพียงพอเพื่อทำงานที่เป็นประโยชน์ ตู้เย็นจะขจัดพลังงานส่วนเกิน
ลักษณะสำคัญของประสิทธิภาพเรียกว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ค่านี้แสดงให้เห็นว่าพลังงานส่วนหนึ่งที่ใช้ในการทำความร้อนนั้นถูกใช้ไปในการทำงานที่มีประโยชน์ ยิ่งประสิทธิภาพสูงขึ้นเท่าใด การทำงานของเครื่องก็จะยิ่งมีกำไรมากขึ้นเท่านั้น แต่ค่านี้จะต้องไม่เกิน 100%
ให้เครื่องทำความร้อนได้รับพลังงานจากภายนอกเท่ากับ Q1. สารทำงานทำงาน A ในขณะที่พลังงานที่จ่ายให้กับตู้เย็นคือ Q2.
ตามคำจำกัดความ เราคำนวณประสิทธิภาพ:
η= ก / คิว1. เราคำนึงว่า A \u003d Q1 -คิว2.
ดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ซึ่งมีสูตรอยู่ในรูป η= (Q1 -คิว2) / ถาม1 = 1 - ถาม2/ถาม1, ช่วยให้เราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:
เป็นไปได้ไหมที่จะสร้างเอ็นจิ้นดังกล่าวประสิทธิภาพสูงสุด (ตามหลักการแล้ว - เท่ากับ 100%)? Sadi Carnot นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวฝรั่งเศสและวิศวกรผู้มีความสามารถพยายามค้นหาคำตอบสำหรับคำถามนี้ ในปีพ.ศ. 2367 การคำนวณทางทฤษฎีของเขาเกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นในก๊าซได้รับการเปิดเผยสู่สาธารณะ
แนวคิดหลักเบื้องหลังเครื่องจักรในอุดมคติคือการดำเนินการกระบวนการแบบพลิกกลับได้โดยใช้ก๊าซในอุดมคติ เราเริ่มต้นด้วยการขยายตัวของก๊าซไอโซเทอร์มอลที่อุณหภูมิ T1. ปริมาณความร้อนที่ต้องการคือ Q1. หลังจาก ก๊าซขยายตัวโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน (กระบวนการอะเดียแบติก) เมื่อถึงอุณหภูมิ T2ก๊าซถูกบีบอัดด้วยความร้อนโดยถ่ายเทพลังงาน Q2. การที่ก๊าซกลับสู่สถานะเดิมจะเป็นอะเดียแบติก
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคาร์โนต์ในอุดมคติที่การคำนวณที่แน่นอนเท่ากับอัตราส่วนของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุปกรณ์ทำความร้อนและความเย็นต่ออุณหภูมิที่เครื่องทำความร้อนมี หน้าตาเป็นแบบนี้: η=(T1 - ต2)/ ต1.
ประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อน ซึ่งมีสูตรดังนี้: η= 1 - ต2/ต1ขึ้นอยู่กับค่าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและเครื่องทำความเย็นเท่านั้นและต้องไม่เกิน 100%
นอกจากนี้อัตราส่วนนี้ช่วยให้เราพิสูจน์ได้ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนสามารถเท่ากับความสามัคคีได้ก็ต่อเมื่อตู้เย็นถึงอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้น อย่างที่คุณทราบ ค่านี้ไม่สามารถบรรลุได้
การคำนวณทางทฤษฎีของ Carnot ช่วยให้สามารถกำหนดประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนในทุกการออกแบบได้
ทฤษฎีบทที่การ์โนต์พิสูจน์ได้มีดังนี้เครื่องยนต์ความร้อนตามอำเภอใจไม่ว่าในสถานการณ์ใดก็ตามจะไม่สามารถมีค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพมากกว่าค่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติที่ใกล้เคียงกัน
ตัวอย่างที่ 1 ข้อใดคือประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ หากอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนเท่ากับ 800เกี่ยวกับC และอุณหภูมิตู้เย็นอยู่ที่ 500เกี่ยวกับจากด้านล่าง?
ที1= 800เกี่ยวกับC= 1,073 K, ∆T= 500เกี่ยวกับС=500 K, η - ?
การตัดสินใจ:
ตามคำนิยาม: η=(T1 - ต2)/ ต1.
เราไม่ได้รับอุณหภูมิตู้เย็น แต่ ∆T= (T1 - ต2), จากที่นี่:
η= ∆T / ต1 \u003d 500 K / 1,073 K \u003d 0.46
คำตอบ: ประสิทธิภาพ = 46%
ตัวอย่างที่ 2 กำหนดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติถ้าเนื่องจากพลังงานของเครื่องทำความร้อนที่ได้รับหนึ่งกิโลจูลจึงทำงานที่มีประโยชน์ 650 J อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนของเครื่องยนต์ความร้อนคือเท่าไรถ้าอุณหภูมิของเครื่องทำความเย็นคือ 400 K?
K1 \u003d 1 kJ \u003d 1,000 J, A \u003d 650 J, T2 = 400 K, η - ?, ต1 = ?
การตัดสินใจ:
ในปัญหานี้เรากำลังพูดถึงการติดตั้งระบบระบายความร้อนซึ่งสามารถคำนวณประสิทธิภาพได้จากสูตร:
η= ก / คิว1.
ในการกำหนดอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน เราใช้สูตรประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ:
η = (ท1 - ต2)/ ต1 = 1 - ต2/ต1.
หลังจากทำการแปลงทางคณิตศาสตร์แล้ว เราจะได้:
T1 = T2 /(1-η).
T1 = T2 /(1- A / Q1)
มาคำนวณกัน:
η= 650 J / 1,000 J = 0.65
T1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1,000 J) \u003d 1142.8 K
คำตอบ: η= 65%, ต1 = 1142.8 ก.
เครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงกระบวนการในอุดมคติ งานเสร็จในกระบวนการไอโซเทอร์มอลเท่านั้น ค่าของงานถูกกำหนดให้เป็นพื้นที่ที่ล้อมรอบด้วยกราฟวัฏจักรการ์โนต์
ที่จริงแล้ว สร้างเงื่อนไขสำหรับโฟลว์กระบวนการเปลี่ยนสถานะของก๊าซโดยไม่เปลี่ยนแปลงอุณหภูมินั้นเป็นไปไม่ได้ ไม่มีวัสดุใดที่จะแยกการแลกเปลี่ยนความร้อนกับวัตถุโดยรอบได้ กระบวนการอะเดียแบติกไม่สามารถทำได้อีกต่อไป ในกรณีที่มีการถ่ายเทความร้อน อุณหภูมิของก๊าซจะต้องเปลี่ยนแปลงไปด้วย
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่สร้างขึ้นจริงเงื่อนไขแตกต่างอย่างมากจากประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ในอุดมคติ โปรดทราบว่ากระบวนการในเครื่องยนต์จริงนั้นเร็วมากจนการแปรผันของพลังงานความร้อนภายในของสารทำงานในกระบวนการเปลี่ยนปริมาตรไม่สามารถชดเชยได้ด้วยการไหลเข้าของความร้อนจากเครื่องทำความร้อนและกลับสู่เครื่องทำความเย็น
เครื่องยนต์จริงทำงานในรอบที่แตกต่างกัน:
สร้างกระบวนการสมดุลอย่างแท้จริงเครื่องยนต์ (เพื่อให้เข้าใกล้อุดมคติมากขึ้น) ในสภาวะของเทคโนโลยีสมัยใหม่นั้นเป็นไปไม่ได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ระบายความร้อนจะต่ำกว่ามาก แม้จะคำนึงถึงอุณหภูมิเดียวกันกับการติดตั้งระบบระบายความร้อนในอุดมคติก็ตาม
แต่บทบาทของสูตรการคำนวณประสิทธิภาพของวงจรคาร์โนต์ก็ไม่ควรลดลงเนื่องจากเป็นสูตรนี้ที่กลายเป็นจุดเริ่มต้นในกระบวนการทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริง
โดยการเปรียบเทียบความร้อนในอุดมคติและความร้อนจริงเครื่องยนต์เป็นที่น่าสังเกตว่าอุณหภูมิของตู้เย็นรุ่นหลังไม่สามารถมีได้ โดยปกติแล้วบรรยากาศจะถือว่าเป็นตู้เย็น อุณหภูมิของบรรยากาศสามารถคำนวณได้โดยประมาณเท่านั้น ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของสารหล่อเย็นเท่ากับอุณหภูมิของก๊าซไอเสียในเครื่องยนต์ เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์สันดาปภายใน (เครื่องยนต์สันดาปภายในตัวย่อ)
ICE เป็นเรื่องธรรมดาที่สุดในโลกของเราเครื่องระบายความร้อน ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิง ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายในและเครื่องยนต์ไอน้ำคือการรวมฟังก์ชั่นของเครื่องทำความร้อนและสารทำงานของอุปกรณ์เข้ากับส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิง การเผาไหม้ส่วนผสมจะสร้างแรงกดดันต่อชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวของเครื่องยนต์
อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของก๊าซใช้งานถึงการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของเชื้อเพลิงอย่างมีนัยสำคัญ ขออภัย ไม่สามารถดำเนินการนี้ได้อย่างไม่มีกำหนด วัสดุใดๆ ที่ใช้สร้างห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์จะมีจุดหลอมเหลวในตัวเอง ความต้านทานความร้อนของวัสดุดังกล่าวเป็นคุณสมบัติหลักของเครื่องยนต์ตลอดจนความสามารถในการส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพ
หากเราพิจารณากังหันไอน้ำอุณหภูมิไอน้ำทำงานที่ทางเข้าคือ 800 K และก๊าซไอเสียคือ 300 K ดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องนี้คือ 62% ในความเป็นจริงค่านี้ไม่เกิน 40% การลดลงดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากการสูญเสียความร้อนระหว่างการทำความร้อนของตัวเรือนกังหัน
คุณค่าสูงสุดของประสิทธิภาพภายในการเผาไหม้ไม่เกิน 44% การเพิ่มมูลค่านี้เป็นเรื่องของอนาคตอันใกล้นี้ การเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติของวัสดุ เชื้อเพลิงเป็นปัญหาที่จิตใจที่ดีที่สุดของมนุษยชาติกำลังดำเนินการอยู่
