المحرك الحراري هو المحرك الذي يؤدي العمل باستخدام مصدر للطاقة الحرارية.

طاقة حرارية ( سخان س) يتم نقلها من المصدر إلى المحرك، وينفق المحرك جزءًا من الطاقة المستقبلة لأداء العمل دبليوالطاقة غير المنفقة ( ثلاجة س) يتم إرسالها إلى الثلاجة، والتي يمكن أن يلعب دورها، على سبيل المثال، الهواء المحيط. لا يمكن للمحرك الحراري أن يعمل إلا إذا كانت درجة حرارة الثلاجة أقل من درجة حرارة المدفأة.

يمكن حساب معامل الأداء (COP) للمحرك الحراري باستخدام الصيغة: الكفاءة = W/Q نانوغرام.

الكفاءة = 1 (100%) إذا تحولت كل الطاقة الحرارية إلى شغل. الكفاءة = 0 (0%) إذا لم يتم تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل.

تتراوح كفاءة المحرك الحراري الحقيقي من 0 إلى 1، وكلما زادت الكفاءة، زادت كفاءة المحرك.

Q x /Q ng = T x /T ng الكفاءة = 1-(Q x /Q ng) الكفاءة = 1-(T x /T ng)

بالنظر إلى القانون الثالث للديناميكا الحرارية، والذي ينص على أنه من المستحيل الوصول إلى درجة حرارة الصفر المطلق (T=0K)، يمكننا القول أنه من المستحيل تطوير محرك حراري بكفاءة=1، لأن Tx دائمًا >0.

كلما ارتفعت درجة حرارة المدفأة وانخفضت درجة حرارة الثلاجة، زادت كفاءة المحرك الحراري.

الشغل الذي يبذله المحرك هو:

تم تناول هذه العملية لأول مرة من قبل المهندس والعالم الفرنسي ن.ل.س.كارنو في عام 1824 في كتاب “تأملات في القوة الدافعة للنار وعلى الآلات القادرة على تطوير هذه القوة”.

كان الهدف من بحث كارنو هو معرفة أسباب النقص في المحركات الحرارية في ذلك الوقت (كانت كفاءتها ≥ 5٪) وإيجاد طرق لتحسينها.

تعتبر دورة كارنو هي الأكثر كفاءة على الإطلاق. كفاءتها القصوى.

يوضح الشكل العمليات الديناميكية الحرارية للدورة. أثناء التمدد متساوي الحرارة (1-2) عند درجة الحرارة ت 1 يتم العمل بسبب التغير في الطاقة الداخلية للسخان أي بسبب إمداد الغاز بالحرارة س:

أ 12 = س 1 ,

يحدث تبريد الغاز قبل الضغط (3-4) أثناء التمدد الأديابي (2-3). التغير في الطاقة الداخلية ΔU 23 أثناء عملية أدياباتية ( س = 0) يتم تحويله بالكامل إلى عمل ميكانيكي:

أ 23 = -ΔU 23 ,

تنخفض درجة حرارة الغاز نتيجة للتمدد الأديباتي (2-3) إلى درجة حرارة الثلاجة ت 2 < ت 1 . في العملية (3-4)، يتم ضغط الغاز بشكل متساوي الحرارة، مما ينقل كمية الحرارة إلى الثلاجة س 2:

أ34 = س2,

وتنتهي الدورة بعملية الضغط الأديباتي (4-1)، حيث يتم تسخين الغاز إلى درجة حرارة تي 1.

قيمة الكفاءة القصوى للمحركات الحرارية التي تعمل بالغاز المثالي حسب دورة كارنوت:

.

يتم التعبير عن جوهر الصيغة في ما ثبت مع. نظرية كارنو تنص على أن كفاءة أي محرك حراري لا يمكن أن تتجاوز كفاءة دورة كارنو التي تتم عند نفس درجة حرارة المدفأة والثلاجة.

الموضوع: "مبدأ تشغيل المحرك الحراري. محرك حراري بأعلى كفاءة."

استمارة:درس مشترك باستخدام تكنولوجيا الكمبيوتر.

الأهداف:

• بيان أهمية استخدام المحرك الحراري في حياة الإنسان.
• دراسة مبدأ تشغيل المحركات الحرارية الحقيقية والمحرك المثالي الذي يعمل وفق دورة كارنو.
• فكر في الطرق الممكنة لزيادة كفاءة المحرك الحقيقي.
• تنمية فضول الطلاب والاهتمام بالإبداع التقني واحترام الإنجازات العلمية للعلماء والمهندسين.

خطة الدرس.

لا.	أسئلة	وقت (دقائق)
1	إظهار الحاجة إلى استخدام المحركات الحرارية في الظروف الحديثة.
2	تكرار مفهوم "المحرك الحراري". أنواع المحركات الحرارية: محركات الاحتراق الداخلي (المكربن، الديزل)، التوربينات البخارية والغازية، المحركات النفاثة والمحركات الصاروخية.
3	شرح المادة النظرية الجديدة. مخطط وهيكل المحرك الحراري، مبدأ التشغيل، الكفاءة. دورة كارنو، المحرك الحراري المثالي، كفاءته. مقارنة كفاءة المحرك الحراري الحقيقي والمثالي.
4	حل المشكلة رقم 703 (ستيبانوفا)، رقم 525 (بندريكوف).
5	العمل مع نموذج المحرك الحراري.
6	تلخيص. الواجب المنزلي § 33، المسائل رقم 700 ورقم 697 (ستيبانوفا)

المادة النظرية

منذ القدم أراد الإنسان أن يتحرر من المجهود البدني أو أن يخففه عند تحريك شيء ما، ليحصل على المزيد من القوة والسرعة.
تم إنشاء الأساطير حول سجاد الطائرات والأحذية ذات السبعة فرسخ والمعالجات التي تحمل شخصًا إلى الأراضي البعيدة بموجة عصا. عند حمل الأحمال الثقيلة، اخترع الناس العربات لأنها أسهل في التدحرج. ثم قاموا بتكييف الحيوانات - الثيران والغزلان والكلاب والأهم من ذلك كله الخيول. هكذا ظهرت العربات والعربات. في العربات، سعى الناس إلى الراحة، وتحسينها أكثر فأكثر.
كما أدت رغبة الناس في زيادة السرعة إلى تسريع تغيير الأحداث في تاريخ تطور النقل. من كلمة "autos" اليونانية - "self" و "mobilis" اللاتينية - "mobile" ، تم تشكيل صفة "self-project" ، حرفيًا "auto-mobile" ، في اللغات الأوروبية.

تم تطبيقه على الساعات، والدمى الأوتوماتيكية، على جميع أنواع الآليات، بشكل عام، على كل ما كان بمثابة نوع من الإضافة إلى "الاستمرار"، "التحسين" للشخص. وفي القرن الثامن عشر، حاولوا استبدال القوى العاملة بالطاقة البخارية، وطبقوا مصطلح "سيارة" على العربات التي لا تتبع مسارًا.

لماذا بدأ عمر السيارة من أول "سيارات البنزين" بمحرك احتراق داخلي اخترعت وصُنعت عام 1885-1886؟ وكأنهم ينسون أطقم البخار والبطارية (الكهربائية). الحقيقة هي أن محرك الاحتراق الداخلي أحدث ثورة حقيقية في تكنولوجيا النقل. لفترة طويلة، تبين أنها الأكثر اتساقًا مع فكرة السيارة وبالتالي احتفظت بمكانتها المهيمنة لفترة طويلة. وتمثل حصة المركبات ذات محركات الاحتراق الداخلي اليوم أكثر من 99.9% من وسائل النقل البري العالمية.<المرفق 1 >

الأجزاء الرئيسية للمحرك الحراري

في التكنولوجيا الحديثة، يتم الحصول على الطاقة الميكانيكية بشكل رئيسي من الطاقة الداخلية للوقود. تسمى الأجهزة التي يتم فيها تحويل الطاقة الداخلية إلى طاقة ميكانيكية بالمحركات الحرارية.<الملحق 2 >

لأداء عمل عن طريق حرق الوقود في جهاز يسمى السخان، يمكنك استخدام أسطوانة يتم فيها تسخين الغاز وتمديده وتحريك المكبس.<الملحق 3 > يسمى الغاز الذي يتسبب تمدده في تحرك المكبس بسائل العمل. يتمدد الغاز لأن ضغطه أعلى من الضغط الخارجي. ولكن مع تمدد الغاز، ينخفض ​​ضغطه، وعاجلاً أم آجلاً سيصبح مساوياً للضغط الخارجي. عندها سينتهي تمدد الغاز ويتوقف عن القيام بالشغل.

ما الذي يجب فعله حتى لا يتوقف تشغيل المحرك الحراري؟ لكي يعمل المحرك بشكل مستمر، من الضروري أن يعود المكبس، بعد تمدد الغاز، إلى موضعه الأصلي في كل مرة، فيضغط الغاز إلى حالته الأصلية. لا يمكن أن يحدث ضغط الغاز إلا تحت تأثير قوة خارجية، والتي في هذه الحالة تعمل (قوة ضغط الغاز في هذه الحالة تؤدي شغلًا سلبيًا). بعد ذلك، يمكن أن تحدث عمليات تمدد وضغط الغاز مرة أخرى. وهذا يعني أن تشغيل المحرك الحراري يجب أن يتكون من عمليات (دورات) متكررة بشكل دوري للتمدد والضغط.

يوضح الشكل 1 عمليات تمدد الغاز بيانياً (الخط أ.ب) والضغط إلى المجلد الأصلي (line القرص المضغوط).الشغل الذي يبذله الغاز أثناء التمدد يكون موجباً ( التركيز البؤري التلقائي > 0 ABEF. الشغل الذي يبذله الغاز أثناء الانضغاط يكون سالبًا (لأن أ.ف.< 0 ) ويساوي عدديا مساحة الشكل CDEF.العمل المفيد لهذه الدورة يساوي عدديًا الفرق في المساحات الموجودة أسفل المنحنيات أ.بو قرص مضغوط(مظللة في الصورة).
يعد وجود السخان وسائل العمل والثلاجة شرطًا ضروريًا بشكل أساسي للتشغيل الدوري المستمر لأي محرك حراري.

كفاءة المحرك الحراري

مائع التشغيل، الذي يتلقى كمية معينة من الحرارة Q 1 من المدفأة، يعطي جزءًا من هذه الكمية من الحرارة، مساوية في المعامل |Q2|، للثلاجة. ولذلك، فإن العمل المنجز لا يمكن أن يكون أكبر أ = س 1 - |س 2 |.تسمى نسبة هذا العمل إلى كمية الحرارة التي يتلقاها الغاز المتمدد من المدفأة كفاءةمحرك حراري:

إن كفاءة المحرك الحراري الذي يعمل في دورة مغلقة تكون دائمًا أقل من الواحد. تتمثل مهمة هندسة الطاقة الحرارية في رفع الكفاءة إلى أعلى مستوى ممكن، أي استخدام أكبر قدر ممكن من الحرارة الواردة من المدفأة لإنتاج العمل. كيف احقق هذا؟
لأول مرة، اقترح الفيزيائي والمهندس الفرنسي س. كارنو في عام 1824 العملية الدورية الأكثر مثالية، والتي تتكون من متساوي الحرارة والأديبات.

دورة كارنو.

لنفترض أن الغاز موجود في أسطوانة، جدرانها ومكبسها مصنوع من مادة عازلة للحرارة، وأسفلها مصنوع من مادة ذات موصلية حرارية عالية. الحجم الذي يشغله الغاز يساوي الخامس 1.

لنجعل الأسطوانة تتلامس مع المدفأة (الشكل 2) ونمنح الغاز الفرصة للتمدد بشكل متساوي الحرارة والقيام بالشغل . يتلقى الغاز كمية معينة من الحرارة من المدفأة س 1.يتم تمثيل هذه العملية بيانياً بواسطة الأيسوثرم (منحنى أ.ب).

عندما يصبح حجم الغاز مساوياً لقيمة معينة الخامس 1'< V 2 , الجزء السفلي من الاسطوانة معزول عن السخان , بعد ذلك، يتوسع الغاز بشكل ثابت إلى الحجم الخامس 2،المقابلة لأقصى شوط ممكن للمكبس في الاسطوانة (الثبات الحرارة شمس). في هذه الحالة، يتم تبريد الغاز إلى درجة الحرارة تي 2< T 1 .
يمكن الآن ضغط الغاز المبرد بشكل متساوي الحرارة عند درجة حرارة T2.وللقيام بذلك، يجب ملامسته لجسم له نفس درجة الحرارة تي 2،أي مع ثلاجة , وضغط الغاز بقوة خارجية . ومع ذلك، في هذه العملية لن يعود الغاز إلى حالته الأصلية - ستكون درجة حرارته دائمًا أقل من تي 1.
لذلك، يتم جلب الضغط متساوي الحرارة إلى حجم متوسط ​​معين الخامس 2 '>الخامس 1( متساوي الحرارة قرص مضغوط). في هذه الحالة، يطلق الغاز بعض الحرارة إلى الثلاجة س2،يساوي عمل الضغط المنجز عليه. بعد ذلك، يتم ضغط الغاز بشكل ثابت الحرارة إلى حجم الخامس 1،وفي نفس الوقت ترتفع درجة حرارته إلى تي 1(ثابت الحرارة د.أ.). الآن عاد الغاز إلى حالته الأصلية، حيث يساوي حجمه V 1، درجة الحرارة - T1،ضغط - ص 1، ويمكن تكرار الدورة مرة أخرى.

لذلك، على الموقع اي بي سيالغاز يعمل (أ > 0)،وعلى الموقع CDAالعمل المنجز على الغاز (أ< 0). في المواقع شمسو إعلانيتم العمل فقط عن طريق تغيير الطاقة الداخلية للغاز. منذ التغيير في الطاقة الداخلية جامعة كولومبيا البريطانية = –UDA، فإن العمل أثناء العمليات الأديباتية متساوٍ: ABC = -ADA.وبالتالي، يتم تحديد إجمالي العمل المنجز في كل دورة من خلال الفرق في العمل المنجز خلال العمليات متساوية الحرارة (الأقسام أ.بو قرص مضغوط). عددياً، هذا العمل يساوي مساحة الشكل الذي يحده منحنى الدورة ا ب ت ث.
يتم تحويل جزء فقط من كمية الحرارة إلى عمل مفيد كيو تي,الواردة من المدفأة، أي ما يعادل كيو تي 1 – | كيو تي 2 |.لذلك، في دورة كارنو، عمل مفيد أ = كيو تي 1 – | كيو تي 2 |.
يمكن التعبير عن الكفاءة القصوى للدورة المثالية، كما أوضحها S. Carnot، بدلالة درجة حرارة المدفأة (ت1)وثلاجة (ت2):

في المحركات الحقيقية، ليس من الممكن تنفيذ دورة تتكون من عمليات مثالية متساوية الحرارة وكظم الحرارة. ولذلك فإن كفاءة الدورة التي تتم في المحركات الحقيقية تكون دائما أقل من كفاءة دورة كارنو (عند نفس درجات حرارة السخانات والثلاجات):

توضح الصيغة أنه كلما ارتفعت درجة حرارة السخان وانخفضت درجة حرارة الثلاجة، زادت كفاءة المحرك.

المسألة رقم 703

يعمل المحرك وفق دورة كارنو. كيف ستتغير كفاءة المحرك الحراري إذا زادت درجة حرارة السخان من 127 إلى 447 درجة مئوية عند درجة حرارة ثابتة للثلاجة قدرها 17 درجة مئوية؟

المسألة رقم 525

أوجد كفاءة محرك جرار يحتاج إلى 1.5 كجم من الوقود وحرارة احتراق نوعية قدرها 4.2 · 107 جول/كجم لأداء شغل مقداره 1.9 × 107 جول.

إجراء اختبار الكمبيوتر حول هذا الموضوع.<الملحق 4 > العمل مع نموذج المحرك الحراري.

« الفيزياء - الصف العاشر"

لحل المشكلات، عليك استخدام التعبيرات المعروفة لتحديد كفاءة المحركات الحرارية وتذكر أن التعبير (13.17) صالح فقط للمحرك الحراري المثالي.

مهمة 1.

تبلغ درجة الحرارة في غلاية المحرك البخاري 160 درجة مئوية، ودرجة حرارة الثلاجة 10 درجات مئوية.
ما أقصى شغل يمكن أن تؤديه الآلة نظريًا إذا تم حرق فحم وزنه 200 كجم وحرارة احتراق نوعية قدرها 2.9×107 جول/كجم في فرن بكفاءة 60%؟

حل.

يمكن إنجاز أقصى شغل بواسطة محرك حراري مثالي يعمل وفق دورة كارنو، وكفاءته η = (T 1 - T 2)/T 1، حيث T 1 و T 2 هما درجتا الحرارة المطلقة للسخان و ثلاجة. بالنسبة لأي محرك حراري، يتم تحديد الكفاءة من خلال الصيغة η = A/Q 1، حيث A هو الشغل الذي يؤديه المحرك الحراري، Q 1 هو كمية الحرارة التي تستقبلها الآلة من المدفأة.
يتضح من شروط المشكلة أن Q 1 هو جزء من كمية الحرارة المنبعثة أثناء احتراق الوقود: Q 1 = η 1 mq.

ثم أين A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1.2 10 9 J.

المهمة 2.

يستهلك محرك بخاري بقدرة N = 14.7 kW وقودًا بوزن m = 8.1 كجم لكل ساعة تشغيل واحدة، مع حرارة احتراق نوعية q = 3.3107 J/kg.
درجة حرارة الغلاية 200 درجة مئوية، الثلاجة 58 درجة مئوية.
تحديد كفاءة هذه الآلة ومقارنتها بكفاءة المحرك الحراري المثالي.

حل.

إن كفاءة المحرك الحراري تساوي نسبة العمل الميكانيكي المكتمل A إلى الكمية المستهلكة من الحرارة Qlt المنبعثة أثناء احتراق الوقود.
كمية الحرارة س 1 = م ق .

العمل المنجز خلال نفس الوقت A = Nt.

وبالتالي، η = A/Q 1 = Nt/qm = 0.198، أو η ≈ 20%.

لمحرك حراري مثالي η < η ид.

المهمة 3.

يعمل المحرك الحراري المثالي ذو الكفاءة η في دورة عكسية (الشكل 13.15).

ما أقصى كمية حرارة يمكن استخلاصها من الثلاجة عن طريق إجراء عمل ميكانيكي أ؟

بما أن آلة التبريد تعمل في دورة عكسية، لكي تنتقل الحرارة من جسم أقل تسخينًا إلى جسم أكثر تسخينًا، فمن الضروري أن تقوم القوى الخارجية بعمل إيجابي.
رسم تخطيطي لآلة تبريد: يتم أخذ كمية من الحرارة Q2 من الثلاجة ويتم الشغل بواسطة قوى خارجية ويتم نقل كمية من الحرارة Q1 إلى المدفأة.
لذلك، س 2 = س 1 (1 - η)، س 1 = أ/η.

وأخيرًا، س 2 = (أ/η)(1 - η).

المصدر: "الفيزياء - الصف العاشر"، 2014، الكتاب المدرسي مياكيشيف، بوخوفتسيف، سوتسكي

أساسيات الديناميكا الحرارية. الظواهر الحرارية - الفيزياء، الكتاب المدرسي للصف العاشر - الفيزياء الصفية

« الفيزياء - الصف العاشر"

ما هو النظام الديناميكي الحراري وما هي المعلمات التي تميز حالته.
اذكر القانونين الأول والثاني للديناميكا الحرارية.

لقد كان إنشاء نظرية المحركات الحرارية هو الذي أدى إلى صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية.

يمكن اعتبار احتياطيات الطاقة الداخلية في القشرة الأرضية والمحيطات غير محدودة عمليا. ولكن من أجل حل المشاكل العملية، فإن وجود احتياطيات من الطاقة ليس كافيا. من الضروري أيضًا أن تكون قادرًا على استخدام الطاقة لتحريك الأدوات الآلية في المصانع والمصانع والمركبات والجرارات والآلات الأخرى، لتدوير دوارات مولدات التيار الكهربائي، وما إلى ذلك. تحتاج الإنسانية إلى محركات - أجهزة قادرة على القيام بالعمل. معظم المحركات الموجودة على الأرض هي كذلك محركات الحرارة.

محركات الحرارة- هي الأجهزة التي تحول الطاقة الداخلية للوقود إلى عمل ميكانيكي.

مبدأ تشغيل المحركات الحرارية.

لكي يقوم المحرك ببذل شغل، يجب أن يكون هناك اختلاف في الضغط على جانبي مكبس المحرك أو ريش التوربين. في جميع المحركات الحرارية، يتم تحقيق هذا الاختلاف في الضغط عن طريق زيادة درجة الحرارة سائل العمل(الغاز) بمئات أو آلاف الدرجات مقارنة بدرجة الحرارة المحيطة. تحدث هذه الزيادة في درجة الحرارة عند احتراق الوقود.

أحد الأجزاء الرئيسية للمحرك عبارة عن وعاء مملوء بالغاز ومكبس متحرك. إن سائل العمل لجميع المحركات الحرارية هو الغاز، والذي يعمل أثناء التمدد. دعونا نشير إلى درجة الحرارة الأولية لسائل العمل (الغاز) بـ T 1 . يتم تحقيق درجة الحرارة هذه في التوربينات أو الآلات البخارية عن طريق البخار الموجود في المراجل البخارية. وفي محركات الاحتراق الداخلي وتوربينات الغاز، يحدث ارتفاع درجة الحرارة نتيجة لاحتراق الوقود داخل المحرك نفسه. تسمى درجة الحرارة T 1 درجة حرارة السخان.

دور الثلاجة.

أثناء تنفيذ الشغل، يفقد الغاز الطاقة ويبرد حتما إلى درجة حرارة معينة T2، والتي عادة ما تكون أعلى قليلا من درجة الحرارة المحيطة. يسمونها درجة حرارة الثلاجة. الثلاجة عبارة عن جهاز جوي أو أجهزة خاصة لتبريد وتكثيف البخار المتبقي - المكثفات. وفي الحالة الأخيرة، قد تكون درجة حرارة الثلاجة أقل قليلاً من درجة الحرارة المحيطة.

وبالتالي، في المحرك، لا يمكن لسائل العمل أثناء التمدد أن يتخلى عن كل طاقته الداخلية للقيام بالشغل. وينتقل حتما جزء من الحرارة إلى الثلاجة (الغلاف الجوي) مع البخار الضائع أو غازات العادم الصادرة عن محركات الاحتراق الداخلي وتوربينات الغاز.

يتم فقدان هذا الجزء من الطاقة الداخلية للوقود. يقوم المحرك الحراري بأداء العمل بسبب الطاقة الداخلية لسائل العمل. علاوة على ذلك، في هذه العملية، يتم نقل الحرارة من الأجسام الأكثر سخونة (المسخن) إلى الأجسام الأكثر برودة (الثلاجة). يظهر الرسم التخطيطي للمحرك الحراري في الشكل 13.13.

يستقبل سائل العمل للمحرك من المدفأة أثناء احتراق الوقود كمية الحرارة Q 1، ويقوم بالشغل A" وينقل كمية الحرارة إلى الثلاجة س 2< Q 1 .

لكي يعمل المحرك بشكل مستمر، من الضروري إعادة سائل العمل إلى حالته الأولية، حيث تكون درجة حرارة سائل العمل مساوية لـ T 1. ويترتب على ذلك أن المحرك يعمل وفق عمليات مغلقة متكررة بشكل دوري، أو كما يقولون، في دورة.

دورةهي سلسلة من العمليات التي يعود النظام إلى حالته الأولية.

معامل الأداء (الكفاءة) للمحرك الحراري.

ترجع استحالة تحويل الطاقة الداخلية للغاز بشكل كامل إلى عمل المحركات الحرارية إلى عدم رجعة العمليات في الطبيعة. إذا تمكنت الحرارة من العودة تلقائيًا من الثلاجة إلى المدفأة، فيمكن تحويل الطاقة الداخلية بالكامل إلى عمل مفيد بواسطة أي محرك حراري. ويمكن صياغة القانون الثاني للديناميكا الحرارية على النحو التالي:

القانون الثاني للديناميكا الحرارية:
ومن المستحيل إنشاء آلة من النوع الثاني ذات حركة أبدية، يمكنها تحويل الحرارة بالكامل إلى عمل ميكانيكي.

وفقًا لقانون حفظ الطاقة، فإن الشغل الذي يبذله المحرك يساوي:

أ" = س 1 - |س 2 |, (13.15)

حيث Q1 هي كمية الحرارة الواردة من المدفأة، وQ2 هي كمية الحرارة المقدمة للثلاجة.

معامل أداء (الكفاءة) للمحرك الحراري هو نسبة الشغل "أ" الذي يؤديه المحرك إلى كمية الحرارة الواردة من المدفأة:

وبما أن جميع المحركات تنقل كمية معينة من الحرارة إلى الثلاجة، فإن η< 1.

أقصى قيمة للكفاءة للمحركات الحرارية.

تتيح قوانين الديناميكا الحرارية حساب أقصى كفاءة ممكنة لمحرك حراري يعمل بسخان عند درجة حرارة T1 وثلاجة عند درجة حرارة T2، وكذلك تحديد طرق زيادتها.

لأول مرة، تم حساب أقصى كفاءة ممكنة للمحرك الحراري من قبل المهندس والعالم الفرنسي سادي كارنو (1796-1832) في عمله “تأملات في القوة الدافعة للنار وعلى الآلات القادرة على تطوير هذه القوة” (1824). ).

توصل كارنو إلى محرك حراري مثالي يستخدم غازًا مثاليًا كمائع تشغيل. يعمل محرك كارنو الحراري المثالي على دورة تتكون من اثنين من متساوي الحرارة واثنين من الأديابات، وتعتبر هذه العمليات قابلة للعكس (الشكل 13.14). أولاً، يتم ملامسة وعاء به غاز مع المدفأة، ويتمدد الغاز بشكل متساوي الحرارة، مما يؤدي إلى عمل إيجابي، عند درجة الحرارة T 1، ويتلقى كمية من الحرارة Q 1.

ثم يتم عزل الوعاء حراريا، ويستمر الغاز في التوسع بشكل ثابت، بينما تنخفض درجة حرارته إلى درجة حرارة الثلاجة T 2. بعد ذلك، يتم ملامسة الغاز للثلاجة، وأثناء الضغط متساوي الحرارة، فإنه يعطي كمية الحرارة Q 2 للثلاجة، مما يؤدي إلى الضغط إلى حجم 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:

كما يلي من الصيغة (13.17)، تتناسب كفاءة آلة كارنو بشكل مباشر مع الفرق في درجات الحرارة المطلقة للسخان والثلاجة.

تكمن الأهمية الأساسية لهذه الصيغة في أنها تشير إلى طريقة زيادة الكفاءة، ولهذا لا بد من زيادة درجة حرارة المدفأة أو خفض درجة حرارة الثلاجة.

أي محرك حراري حقيقي يعمل بسخان عند درجة حرارة T1 وثلاجة عند درجة حرارة T2 لا يمكن أن يكون له كفاءة تتجاوز كفاءة المحرك الحراري المثالي: العمليات التي تشكل دورة المحرك الحراري الحقيقي لا يمكن عكسها.

الصيغة (13.17) تعطي حدا نظريا لقيمة الكفاءة القصوى للمحركات الحرارية. ويظهر أن المحرك الحراري أكثر كفاءة، كلما زاد الفرق في درجة الحرارة بين المدفأة والثلاجة.

فقط عند درجة حرارة الثلاجة التي تساوي الصفر المطلق تكون η = 1. بالإضافة إلى ذلك، فقد ثبت أن الكفاءة المحسوبة باستخدام الصيغة (13.17) لا تعتمد على المادة العاملة.

لكن درجة حرارة الثلاجة، التي عادة ما يلعبها الغلاف الجوي، لا يمكن أن تكون عمليا أقل من درجة حرارة الهواء المحيط. يمكنك زيادة درجة حرارة السخان. ومع ذلك، فإن أي مادة (صلبة) لديها مقاومة محدودة للحرارة أو مقاومة للحرارة. عند تسخينه، فإنه يفقد تدريجيا خصائصه المرنة، وعند درجة حرارة عالية بما فيه الكفاية يذوب.

الآن تهدف الجهود الرئيسية للمهندسين إلى زيادة كفاءة المحركات عن طريق تقليل احتكاك أجزائها، وفقدان الوقود بسبب الاحتراق غير الكامل، وما إلى ذلك.

بالنسبة للتوربينات البخارية، تكون درجات حرارة البخار الأولية والنهائية تقريبًا كما يلي: T 1 - 800 K وT 2 - 300 K. في درجات الحرارة هذه، تكون قيمة الكفاءة القصوى هي 62% (لاحظ أنه يتم قياس الكفاءة عادة كنسبة مئوية) . تبلغ قيمة الكفاءة الفعلية بسبب أنواع مختلفة من فقدان الطاقة حوالي 40٪. يتم تحقيق أقصى قدر من الكفاءة - حوالي 44٪ - بواسطة محركات الديزل.

حماية البيئة.

من الصعب تخيل العالم الحديث بدون محركات حرارية. إنهم هم الذين يوفرون لنا حياة مريحة. المحركات الحرارية تقود المركبات. حوالي 80% من الكهرباء، على الرغم من وجود محطات الطاقة النووية، يتم توليدها باستخدام المحركات الحرارية.

ومع ذلك، أثناء تشغيل المحركات الحرارية، يحدث التلوث البيئي الحتمي. وهذا تناقض: فمن ناحية، تحتاج البشرية إلى المزيد والمزيد من الطاقة كل عام، ويتم الحصول على الجزء الرئيسي منها من خلال احتراق الوقود، ومن ناحية أخرى، فإن عمليات الاحتراق تصاحبها حتماً التلوث البيئي.

عندما يحترق الوقود، ينخفض ​​محتوى الأكسجين في الغلاف الجوي. بالإضافة إلى ذلك، تشكل منتجات الاحتراق نفسها مركبات كيميائية ضارة بالكائنات الحية. لا يحدث التلوث على الأرض فحسب، بل يحدث أيضًا في الهواء، حيث أن أي رحلة بالطائرة تكون مصحوبة بانبعاثات من الشوائب الضارة في الغلاف الجوي.

ومن النتائج المترتبة على المحركات تكون ثاني أكسيد الكربون الذي يمتص الأشعة تحت الحمراء من سطح الأرض مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الغلاف الجوي. وهذا ما يسمى بظاهرة الاحتباس الحراري. وتظهر القياسات أن درجة حرارة الغلاف الجوي ترتفع بمقدار 0.05 درجة مئوية سنويا. مثل هذه الزيادة المستمرة في درجة الحرارة يمكن أن تسبب ذوبان الجليد، مما سيؤدي بدوره إلى تغيرات في مستويات المياه في المحيطات، أي إلى فيضانات القارات.

دعونا نلاحظ نقطة سلبية أخرى عند استخدام المحركات الحرارية. لذلك، في بعض الأحيان يتم استخدام مياه الأنهار والبحيرات لتبريد المحركات. ثم يتم إرجاع الماء الساخن مرة أخرى. ارتفاع درجة حرارة المسطحات المائية يخل بالتوازن الطبيعي، وتسمى هذه الظاهرة بالتلوث الحراري.

ولحماية البيئة، يتم استخدام مرشحات التنظيف المختلفة على نطاق واسع لمنع إطلاق المواد الضارة في الغلاف الجوي، ويتم تحسين تصميمات المحرك. هناك تحسين مستمر للوقود الذي ينتج مواد أقل ضررا أثناء الاحتراق، فضلا عن تكنولوجيا احتراقه. ويجري تطوير مصادر الطاقة البديلة باستخدام الرياح والإشعاع الشمسي والطاقة النووية بنشاط. ويتم بالفعل إنتاج السيارات التي تعمل بالطاقة الكهربائية والطاقة الشمسية.