موتور حرارتی موتوری است که کار را با استفاده از منبع انرژی حرارتی انجام می دهد.

انرژی حرارتی ( بخاری Q) از منبع به موتور منتقل می شود و موتور بخشی از انرژی دریافتی را صرف انجام کار می کند دبلیو، انرژی مصرف نشده ( یخچال Q) به یخچال فرستاده می شود که نقش آن را می توان مثلاً هوای اطراف بازی کرد. موتور حرارتی تنها زمانی می تواند کار کند که دمای یخچال کمتر از دمای بخاری باشد.

ضریب عملکرد (COP) یک موتور حرارتی را می توان با استفاده از فرمول محاسبه کرد: کارایی = W/Q ng.

بازده = 1 (100%) اگر تمام انرژی حرارتی به کار تبدیل شود. بازده = 0 (0%) اگر انرژی حرارتی به کار تبدیل نشود.

راندمان یک موتور حرارتی واقعی از 0 تا 1 متغیر است؛ هر چه راندمان بالاتر باشد، موتور کارآمدتر است.

Q x /Q ng = T x / T ng راندمان = 1-(Q x /Q ng) بازده = 1-(T x /T ng)

با توجه به قانون سوم ترمودینامیک که بیان می کند رسیدن به دمای صفر مطلق (T=0K) غیرممکن است، می توان گفت که ساخت موتور حرارتی با بازده=1 غیرممکن است، زیرا Tx همیشه >0 است.

هر چه دمای بخاری بالاتر و دمای یخچال کمتر باشد، بازده موتور حرارتی بیشتر است.

کار انجام شده توسط موتور:

این فرآیند برای اولین بار توسط مهندس و دانشمند فرانسوی N. L. S. Carnot در سال 1824 در کتاب "تأملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" مورد توجه قرار گرفت.

هدف از تحقیق کارنو کشف دلایل ناقص بودن موتورهای حرارتی آن زمان (با راندمان ≤ 5%) و یافتن راه هایی برای بهبود آنها بود.

چرخه کارنو از همه کارآمدتر است. کارایی آن حداکثر است.

شکل، فرآیندهای ترمودینامیکی چرخه را نشان می دهد. در طول انبساط همدما (1-2) در دما تی 1 کار به دلیل تغییر انرژی داخلی بخاری یعنی به دلیل تامین گرما به گاز انجام می شود. س:

آ 12 = س 1 ,

خنک شدن گاز قبل از فشرده سازی (3-4) در طول انبساط آدیاباتیک (2-3) رخ می دهد. تغییر در انرژی درونی ΔU 23 در طی یک فرآیند آدیاباتیک ( Q = 0) کاملاً به کار مکانیکی تبدیل می شود:

آ 23 = -ΔU 23 ,

دمای گاز در نتیجه انبساط آدیاباتیک (2-3) به دمای یخچال کاهش می یابد. تی 2 < تی 1 . در فرآیند (3-4)، گاز به صورت همدما فشرده می شود و مقدار گرما را به یخچال منتقل می کند. س 2:

A 34 = Q 2,

چرخه با فرآیند فشرده سازی آدیاباتیک (4-1) به پایان می رسد، که در آن گاز تا یک دما گرم می شود. T 1.

حداکثر مقدار بازده موتورهای حرارتی گازی ایده آل با توجه به چرخه کارنو:

.

ماهیت فرمول در اثبات شده بیان شده است با. قضیه کارنو مبنی بر اینکه راندمان هر موتور حرارتی نمی تواند از بازده چرخه کارنو که در همان دمای بخاری و یخچال انجام می شود بیشتر باشد.

موضوع: "اصل عملکرد یک موتور حرارتی. موتور حرارتی با بالاترین راندمان."

فرم:درس ترکیبی با استفاده از فناوری کامپیوتر.

اهداف:

• نشان دادن اهمیت استفاده از موتور حرارتی در زندگی انسان.
• اصل عملکرد موتورهای حرارتی واقعی و یک موتور ایده آل که بر اساس چرخه کارنو کار می کند را مطالعه کنید.
• راه های ممکن برای افزایش کارایی یک موتور واقعی را در نظر بگیرید.
• برای ایجاد کنجکاوی در دانش آموزان، علاقه به خلاقیت فنی، احترام به دستاوردهای علمی دانشمندان و مهندسان.

طرح درس.

خیر	سوالات	زمان (دقایق)
1	نشان دادن نیاز به استفاده از موتورهای حرارتی در شرایط مدرن.
2	تکرار مفهوم "موتور حرارتی". انواع موتورهای حرارتی: موتورهای احتراق داخلی (کاربوراتوری، دیزلی)، توربین های بخار و گاز، موتورهای توربوجت و موشک.
3	توضیح مطالب نظری جدید. نمودار و ساختار یک موتور حرارتی، اصل عملکرد، راندمان. چرخه کارنو، موتور حرارتی ایده آل، کارایی آن. مقایسه راندمان یک موتور حرارتی واقعی و ایده آل
4	حل مسئله شماره 703 (استپانووا)، شماره 525 (بندریکوف).
5	کار با مدل موتور حرارتی
6	خلاصه کردن. تکلیف § 33، مسائل شماره 700 و شماره 697 (Stepanova)

مطالب نظری

از قدیم الایام، انسان می‌خواسته در هنگام جابجایی چیزی از تلاش بدنی رها شده و یا آن را آسان کند تا قدرت و سرعت بیشتری داشته باشد.
افسانه هایی در مورد فرش های هواپیما، چکمه های هفت لیگ و جادوگرانی که با موج یک عصا یک نفر را به سرزمین های دور می برند ساخته شده است. هنگام حمل بارهای سنگین، مردم گاری را اختراع کردند زیرا چرخیدن آن آسان تر است. سپس آنها حیوانات را سازگار کردند - گاو، آهو، سگ و بیشتر از همه اسب. اینگونه گاری ها و کالسکه ها ظاهر شدند. در کالسکه ها، مردم به دنبال آسایش بودند و آنها را بیشتر و بیشتر بهبود می بخشیدند.
تمایل مردم به افزایش سرعت نیز تغییر وقایع در تاریخ توسعه حمل و نقل را تسریع کرد. از یونانی "autos" - "خود" و لاتین "mobilis" - "موبایل"، صفت "خودرونده"، به معنای واقعی کلمه "خودرو" در زبان های اروپایی شکل گرفت.

این برای ساعت ها، عروسک های خودکار، به انواع مکانیسم ها، به طور کلی، به همه چیزهایی که به عنوان نوعی افزوده به "ادامه"، "بهبود" یک فرد عمل می کند، اعمال می شود. در قرن هجدهم، آنها سعی کردند نیروی بخار را جایگزین نیروی انسانی کنند و اصطلاح «ماشین» را برای گاری‌های بدون مسیر به کار بردند.

چرا عصر خودرو از اولین "ماشین های بنزینی" با موتور احتراق داخلی که در سال های 1885-1886 اختراع و ساخته شدند آغاز شد؟ گویی خدمه بخار و باتری (برقی) را فراموش کرده اند. واقعیت این است که موتور احتراق داخلی یک انقلاب واقعی در فناوری حمل و نقل ایجاد کرد. برای مدت طولانی، معلوم شد که با ایده یک ماشین سازگارترین است و بنابراین موقعیت غالب خود را برای مدت طولانی حفظ کرده است. سهم وسایل نقلیه با موتورهای احتراق داخلی امروزه بیش از 99.9 درصد از حمل و نقل جاده ای جهانی را تشکیل می دهد.<پیوست 1 >

قطعات اصلی یک موتور حرارتی

در تکنولوژی مدرن، انرژی مکانیکی عمدتا از انرژی داخلی سوخت به دست می آید. وسایلی که در آنها انرژی داخلی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود، موتورهای حرارتی نامیده می شوند.<پیوست 2 >

برای انجام کار با سوزاندن سوخت در وسیله ای به نام بخاری می توان از سیلندری استفاده کرد که در آن گاز گرم شده و منبسط شده و پیستون را به حرکت در می آورد.<پیوست 3 > گازی که انبساط آن باعث حرکت پیستون می شود سیال کار نامیده می شود. گاز منبسط می شود زیرا فشار آن بیشتر از فشار خارجی است. اما با انبساط گاز فشار آن کاهش می یابد و دیر یا زود با فشار خارجی برابر می شود. سپس انبساط گاز به پایان می رسد و کار را متوقف می کند.

برای اینکه کارکرد موتور حرارتی متوقف نشود چه باید کرد؟ برای اینکه موتور به طور مداوم کار کند، لازم است که پیستون پس از انبساط گاز، هر بار به حالت اولیه خود برگردد و گاز را به حالت اولیه فشرده کند. فشرده سازی یک گاز فقط می تواند تحت تأثیر یک نیروی خارجی اتفاق بیفتد، که در این مورد کار می کند (نیروی فشار گاز در این مورد کار منفی انجام می دهد). پس از این، فرآیندهای انبساط و فشرده سازی گاز می تواند دوباره رخ دهد. این بدان معنی است که عملکرد یک موتور حرارتی باید شامل تکرار دوره ای فرآیندها (چرخه) انبساط و فشرده سازی باشد.

شکل 1 به صورت گرافیکی فرآیندهای انبساط گاز (خط AB) و فشرده سازی به حجم اصلی (خط سی دی).کار انجام شده توسط گاز در طول انبساط مثبت است ( AF > 0 ABEF. کار انجام شده توسط گاز در طول فشرده سازی منفی است (از آنجا که A.F.< 0 ) و از نظر عددی برابر با مساحت شکل است CDEF.کار مفید برای این چرخه از نظر عددی برابر با تفاوت در مناطق زیر منحنی است ABو سی دی(در تصویر سایه زده شده است).
وجود بخاری، سیال کار و یخچال یک شرط اساسی برای عملکرد چرخه ای مداوم هر موتور حرارتی است.

راندمان موتور حرارتی

سیال کار با دریافت مقدار مشخصی از گرمای Q 1 از هیتر، بخشی از این مقدار گرما را برابر مدول |Q2| به یخچال می دهد. بنابراین، کار انجام شده نمی تواند بزرگتر باشد A = Q 1 - |Q 2 |.نسبت این کار به مقدار گرمای دریافتی توسط گاز در حال انبساط از بخاری نامیده می شود بهره وریموتور گرمایی:

راندمان یک موتور حرارتی که در یک سیکل بسته کار می کند همیشه کمتر از یک است. وظیفه مهندسی برق حرارتی این است که راندمان را تا حد امکان بالا ببرد، یعنی تا حد امکان از گرمای دریافتی از بخاری برای تولید کار استفاده کند. چگونه می توان به این امر دست یافت؟
برای اولین بار، کامل ترین فرآیند چرخه ای، متشکل از ایزوترم ها و آدیابات ها، توسط فیزیکدان و مهندس فرانسوی اس. کارنو در سال 1824 ارائه شد.

چرخه کارنو

فرض کنید گاز در یک سیلندر است که دیواره ها و پیستون آن از ماده عایق حرارتی و قسمت پایینی آن از ماده ای با رسانایی حرارتی بالا ساخته شده است. حجم اشغال شده توسط گاز برابر است با V 1.

بیایید سیلندر را با بخاری در تماس قرار دهیم (شکل 2) و به گاز فرصت انبساط همدما و انجام کار بدهیم. . گاز مقدار معینی گرما را از بخاری دریافت می کند س 1.این فرآیند به صورت گرافیکی با یک ایزوترم (منحنی AB).

وقتی حجم گاز برابر با مقدار معینی شود V 1'< V 2 , پایین سیلندر از بخاری جدا شده است , پس از این، گاز به صورت آدیاباتیک به حجم منبسط می شود V 2,مربوط به حداکثر حرکت ممکن پیستون در سیلندر (آدیاباتیک آفتاب). در این حالت گاز تا دمایی خنک می شود T 2< T 1 .
اکنون گاز خنک شده را می توان به صورت همدما در یک دما فشرده کرد T2.برای انجام این کار، باید با جسمی که دمای یکسانی دارد در تماس باشد T 2،یعنی با یخچال , و گاز را توسط یک نیروی خارجی فشرده می کند. با این حال، در این فرآیند، گاز به حالت اولیه خود باز نخواهد گشت - دمای آن همیشه کمتر از آن خواهد بود T 1.
بنابراین، فشرده سازی همدما به یک حجم متوسط ​​معین می رسد V 2 '> V 1(ایزوترم سی دی). در این حالت گاز مقداری گرما به یخچال می دهد Q2،برابر با کار فشرده سازی انجام شده بر روی آن است. پس از این، گاز به صورت آدیاباتیک به یک حجم فشرده می شود V 1,در همان زمان دمای آن افزایش می یابد T 1(آدیاباتیک D.A.). اکنون گاز به حالت اولیه خود بازگشته است که در آن حجم آن برابر با V 1 است، دما - T1،فشار - ص 1و چرخه را می توان دوباره تکرار کرد.

بنابراین، در سایت ABCگاز کار می کند (A > 0)و در سایت CDAکار انجام شده روی گاز (آ< 0). در سایت ها آفتابو آگهیکار فقط با تغییر انرژی داخلی گاز انجام می شود. از زمان تغییر انرژی درونی UBC = –UDA، سپس کار در طول فرآیندهای آدیاباتیک برابر است: ABC = –ADA.در نتیجه، کل کار انجام شده در هر چرخه با تفاوت در کار انجام شده در طی فرآیندهای همدما تعیین می شود (بخش ها ABو سی دی). از نظر عددی، این کار برابر است با مساحت شکل محدود شده توسط منحنی چرخه آ ب پ ت.
تنها بخشی از مقدار گرما در واقع به کار مفید تبدیل می شود QT،دریافت شده از بخاری، برابر با QT 1 – |QT 2 |.بنابراین، در چرخه کارنو، کار مفید است A = QT 1 – |QT 2 |.
حداکثر راندمان یک سیکل ایده آل، همانطور که توسط S. Carnot نشان داده شده است، می تواند بر حسب دمای بخاری بیان شود. (T 1)و یخچال (T 2):

در موتورهای واقعی نمی توان چرخه ای متشکل از فرآیندهای همدما و آدیاباتیک ایده آل را پیاده سازی کرد. بنابراین، راندمان چرخه انجام شده در موتورهای واقعی همیشه کمتر از راندمان چرخه کارنو (در دمای یکسان بخاری و یخچال) است.

فرمول نشان می دهد که هر چه دمای بخاری بالاتر و دمای یخچال کمتر باشد، راندمان موتور بیشتر می شود.

مشکل شماره 703

موتور بر اساس چرخه کارنو کار می کند. اگر در دمای ثابت یخچال 17 درجه سانتیگراد، دمای بخاری از 127 به 447 درجه سانتیگراد افزایش یابد، بازده موتور حرارتی چگونه تغییر می کند؟

مسئله شماره 525

راندمان موتور تراکتور را تعیین کنید که برای انجام کار 1.9 × 107 ژول به 1.5 کیلوگرم سوخت با گرمای ویژه احتراق 4.2 · 107 J/kg نیاز دارد.

شرکت در آزمون کامپیوتر در مورد موضوع.<پیوست 4 > کار با یک مدل موتور حرارتی.

« فیزیک - پایه دهم"

برای حل مشکلات، باید از عبارات شناخته شده برای تعیین بازده موتورهای حرارتی استفاده کنید و در نظر داشته باشید که عبارت (13.17) فقط برای یک موتور حرارتی ایده آل معتبر است.

وظیفه 1.

در دیگ موتور بخار دما 160 درجه سانتیگراد و دمای یخچال 10 درجه سانتیگراد است.
اگر زغال سنگ با وزن 200 کیلوگرم با گرمای ویژه احتراق 2.9 10 7 ژول بر کیلوگرم در کوره ای با راندمان 60 درصد سوزانده شود، حداکثر کاری که یک ماشین می تواند از نظر تئوری انجام دهد چقدر است؟

راه حل.

حداکثر کار را می توان توسط یک موتور حرارتی ایده آل انجام داد که مطابق با چرخه کارنو کار می کند، بازده آن η = (T 1 - T 2) / T 1 است، که در آن T 1 و T 2 دمای مطلق بخاری و یخچال برای هر موتور حرارتی، راندمان با فرمول η = A/Q 1 تعیین می شود، که در آن A کار انجام شده توسط موتور حرارتی، Q 1 مقدار گرمای دریافتی دستگاه از بخاری است.
از شرایط مسئله مشخص است که Q 1 بخشی از مقدار گرمای آزاد شده در طی احتراق سوخت است: Q 1 = η 1 mq.

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

وظیفه 2.

یک موتور بخار با توان N = 14.7 کیلووات سوختی با وزن m = 8.1 کیلوگرم در هر ساعت کارکرد، با گرمای ویژه احتراق q = 3.3 10 7 J/kg مصرف می کند.
دمای دیگ 200 درجه سانتی گراد، یخچال 58 درجه سانتی گراد.
راندمان این دستگاه را تعیین کنید و آن را با راندمان یک موتور حرارتی ایده آل مقایسه کنید.

راه حل.

راندمان یک موتور حرارتی برابر است با نسبت کار مکانیکی تکمیل شده A به مقدار مصرف شده گرمای Qlt آزاد شده در طی احتراق سوخت.
مقدار گرما Q 1 = mq.

کار انجام شده در همان زمان A = Nt.

بنابراین، η = A/Q 1 = Nt/qm = 0.198، یا η ≈ 20%.

برای یک موتور حرارتی ایده آل η < η ид.

وظیفه 3.

یک موتور حرارتی ایده آل با بازده η در چرخه معکوس کار می کند (شکل 13.15).

حداکثر حرارتی که می توان با انجام کار مکانیکی الف از یخچال گرفت چقدر است؟

از آنجایی که دستگاه تبرید در یک چرخه معکوس کار می کند، برای اینکه گرما از جسمی که حرارت کمتری دارد به جسمی با گرمای بیشتر منتقل شود، لازم است نیروهای خارجی کار مثبت انجام دهند.
نمودار شماتیک دستگاه تبرید: مقداری گرما Q 2 از یخچال گرفته می شود، کار توسط نیروهای خارجی انجام می شود و مقداری گرما Q 1 به هیتر منتقل می شود.
از این رو، Q 2 = Q 1 (1 - η)، Q 1 = A/η.

در نهایت، Q 2 = (A/η) (1 - η).

منبع: "فیزیک - کلاس دهم"، 2014، کتاب درسی Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky

مبانی ترمودینامیک. پدیده های حرارتی - فیزیک کتاب درسی پایه دهم - فیزیک کلاس درس

« فیزیک - پایه دهم"

یک سیستم ترمودینامیکی چیست و چه پارامترهایی وضعیت آن را مشخص می کند.
قانون اول و دوم ترمودینامیک را بیان کنید.

ایجاد نظریه موتورهای حرارتی بود که منجر به تدوین قانون دوم ترمودینامیک شد.

ذخایر انرژی داخلی در پوسته زمین و اقیانوس ها را می توان عملا نامحدود در نظر گرفت. اما برای حل مشکلات عملی داشتن ذخایر انرژی کافی نیست. همچنین لازم است بتوان از انرژی برای به حرکت درآوردن ماشین ابزار در کارخانجات و کارخانجات، وسایل نقلیه، تراکتورها و سایر ماشین ها، چرخاندن روتورهای مولدهای جریان الکتریکی و غیره استفاده کرد. بشریت به موتورها - وسایلی با قابلیت انجام کار نیاز دارد. بیشتر موتورهای روی زمین هستند موتورهای حرارتی.

موتورهای حرارتی- اینها وسایلی هستند که انرژی داخلی سوخت را به کار مکانیکی تبدیل می کنند.

اصل کارکرد موتورهای حرارتی

برای اینکه یک موتور کار کند، باید اختلاف فشار در دو طرف پیستون موتور یا پره های توربین وجود داشته باشد. در تمامی موتورهای حرارتی این اختلاف فشار با افزایش دما حاصل می شود سیال کار(گاز) صدها یا هزاران درجه نسبت به دمای محیط. این افزایش دما هنگام سوختن سوخت اتفاق می افتد.

یکی از قطعات اصلی موتور یک مخزن پر از گاز با پیستون متحرک است. سیال کار همه موتورهای حرارتی گاز است که در حین انبساط کار می کند. اجازه دهید دمای اولیه سیال کار (گاز) را با T 1 نشان دهیم. این دما در توربین ها یا ماشین های بخار توسط بخار موجود در دیگ بخار حاصل می شود. در موتورهای احتراق داخلی و توربین‌های گاز، افزایش دما با سوختن سوخت در داخل خود موتور اتفاق می‌افتد. دمای T 1 نامیده می شود دمای بخاری.

نقش یخچال.

با انجام کار، گاز انرژی خود را از دست می دهد و به ناچار تا دمای مشخصی T2 خنک می شود که معمولاً کمی بالاتر از دمای محیط است. به او زنگ می زنند دمای یخچال. یخچال اتمسفر یا وسایل خاصی برای خنک کردن و متراکم کردن بخار زباله است. خازن ها. در حالت دوم، دمای یخچال ممکن است کمی کمتر از دمای محیط باشد.

بنابراین، در یک موتور، سیال عامل در هنگام انبساط نمی تواند تمام انرژی داخلی خود را برای انجام کار صرف کند. مقداری از گرما به ناچار به همراه بخار زباله یا گازهای خروجی از موتورهای احتراق داخلی و توربین های گاز به یخچال (اتمسفر) منتقل می شود.

این بخش از انرژی داخلی سوخت از بین می رود. یک موتور حرارتی به دلیل انرژی داخلی سیال کار انجام می دهد. علاوه بر این، در این فرآیند، گرما از اجسام گرمتر (هیتر) به بدنهای سردتر (یخچال) منتقل می شود. نمودار شماتیک یک موتور حرارتی در شکل 13.13 نشان داده شده است.

سیال کار موتور در هنگام احتراق سوخت مقدار حرارت Q 1 را از بخاری دریافت می کند، کار A را انجام می دهد و مقدار گرما را به یخچال منتقل می کند. س 2< Q 1 .

برای اینکه موتور به طور مداوم کار کند باید سیال کار را به حالت اولیه برگرداند که در آن دمای سیال کار برابر T 1 است. نتیجه این است که موتور مطابق با تکرار دوره ای فرآیندهای بسته یا همانطور که می گویند در یک چرخه کار می کند.

چرخهمجموعه ای از فرآیندها است که در نتیجه سیستم به حالت اولیه خود باز می گردد.

ضریب عملکرد (بازده) یک موتور حرارتی.

عدم امکان تبدیل کامل انرژی داخلی گاز به کار موتورهای حرارتی به دلیل برگشت ناپذیری فرآیندها در طبیعت است. اگر گرما بتواند به طور خود به خود از یخچال به بخاری برگردد، آنگاه انرژی داخلی می تواند به طور کامل توسط هر موتور حرارتی به کار مفید تبدیل شود. قانون دوم ترمودینامیک را می توان به صورت زیر بیان کرد:

قانون دوم ترمودینامیک:
ایجاد یک ماشین حرکت دائمی از نوع دوم غیرممکن است که گرما را کاملاً به کار مکانیکی تبدیل کند.

بر اساس قانون پایستگی انرژی، کار انجام شده توسط موتور برابر است با:

A" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)

که در آن Q 1 مقدار گرمای دریافتی از بخاری و Q2 مقدار گرمای داده شده به یخچال است.

ضریب عملکرد (بازده) یک موتور حرارتی نسبت کار "A" انجام شده توسط موتور به مقدار گرمای دریافتی از بخاری است:

از آنجایی که همه موتورها مقداری گرما را به یخچال منتقل می کنند، پس η< 1.

حداکثر بازده موتورهای حرارتی

قوانین ترمودینامیک محاسبه حداکثر بازده ممکن موتور حرارتی که با بخاری در دمای T1 و یخچال در دمای T2 کار می کند و همچنین تعیین راه هایی برای افزایش آن ممکن می سازد.

برای اولین بار، حداکثر بازده ممکن یک موتور حرارتی توسط مهندس و دانشمند فرانسوی سادی کارنو (1796-1832) در اثر خود "تأملاتی در مورد نیروی محرکه آتش و ماشین هایی که قادر به توسعه این نیرو هستند" (1824) محاسبه شد. ).

کارنو یک موتور حرارتی ایده‌آل با گاز ایده‌آل به‌عنوان سیال کار ارائه کرد. یک موتور حرارتی ایده آل کارنو بر روی چرخه ای متشکل از دو ایزوترم و دو آدیابات کار می کند و این فرآیندها برگشت پذیر در نظر گرفته می شوند (شکل 13.14). ابتدا ظرفی با گاز در تماس با بخاری قرار می گیرد، گاز به صورت همدما منبسط می شود و در دمای T1 کار مثبتی انجام می دهد و مقداری گرما Q1 دریافت می کند.

سپس ظرف از نظر حرارتی عایق می شود، گاز همچنان به انبساط آدیاباتیک ادامه می دهد، در حالی که دمای آن به دمای یخچال T 2 کاهش می یابد. پس از این، گاز با یخچال تماس پیدا می کند، در هنگام فشرده سازی همدما، مقدار گرمای Q 2 را به یخچال می دهد و به حجم V 4 فشرده می شود.< 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:

همانطور که از فرمول (13.17) بر می آید، راندمان ماشین کارنو با اختلاف دمای مطلق بخاری و یخچال نسبت مستقیم دارد.

اهمیت اصلی این فرمول این است که راه افزایش راندمان را نشان می دهد، برای این کار باید دمای بخاری را افزایش داد یا دمای یخچال را کاهش داد.

هر موتور حرارتی واقعی که با بخاری در دمای T1 و یخچال در دمای T2 کار می کند، نمی تواند بازدهی بیش از یک موتور حرارتی ایده آل داشته باشد: فرآیندهایی که چرخه یک موتور حرارتی واقعی را تشکیل می دهند، برگشت پذیر نیستند.

فرمول (13.17) یک حد نظری برای حداکثر مقدار بازده موتورهای حرارتی می دهد. این نشان می دهد که یک موتور حرارتی کارآمدتر است، هر چه اختلاف دما بین بخاری و یخچال بیشتر باشد.

فقط در دمای یخچال برابر با صفر مطلق، η = 1 است. علاوه بر این، ثابت شده است که راندمان محاسبه شده با استفاده از فرمول (13.17) به ماده کار بستگی ندارد.

اما دمای یخچال که معمولاً نقش آن را جو بازی می کند عملاً نمی تواند کمتر از دمای هوای محیط باشد. می توانید دمای بخاری را افزایش دهید. با این حال، هر ماده (جامد) مقاومت حرارتی یا مقاومت حرارتی محدودی دارد. هنگامی که گرم می شود، به تدریج خاصیت ارتجاعی خود را از دست می دهد و در دمای به اندازه کافی بالا ذوب می شود.

در حال حاضر تلاش اصلی مهندسان بر افزایش راندمان موتورها از طریق کاهش اصطکاک قطعات آنها، تلفات سوخت ناشی از احتراق ناقص و ... است.

برای یک توربین بخار، دمای اولیه و نهایی بخار تقریباً به شرح زیر است: T 1 - 800 K و T 2 - 300 K. در این دماها، حداکثر مقدار بازده 62٪ است (توجه داشته باشید که راندمان معمولاً به صورت درصد اندازه گیری می شود). . مقدار بازده واقعی ناشی از انواع تلفات انرژی تقریباً 40٪ است. حداکثر راندمان - حدود 44٪ - توسط موتورهای دیزل به دست می آید.

حفاظت از محیط زیست.

تصور دنیای مدرن بدون موتورهای حرارتی دشوار است. آنها کسانی هستند که زندگی راحت را برای ما فراهم می کنند. موتورهای حرارتی وسایل نقلیه را هدایت می کنند. حدود 80 درصد برق علیرغم وجود نیروگاه های هسته ای با استفاده از موتورهای حرارتی تولید می شود.

با این حال، در حین کار موتورهای حرارتی، آلودگی محیطی اجتناب ناپذیر رخ می دهد. این یک تناقض است: از یک سو، بشریت هر ساله به انرژی بیشتری نیاز دارد که بخش اصلی آن از طریق احتراق سوخت به دست می‌آید، از سوی دیگر، فرآیندهای احتراق ناگزیر با آلودگی محیطی همراه است.

هنگامی که سوخت می سوزد، محتوای اکسیژن در جو کاهش می یابد. علاوه بر این، محصولات احتراق خود ترکیبات شیمیایی را تشکیل می دهند که برای موجودات زنده مضر هستند. آلودگی نه تنها در زمین، بلکه در هوا نیز رخ می دهد، زیرا هر پرواز هواپیما با انتشار ناخالصی های مضر در جو همراه است.

یکی از عواقب موتورها تشکیل دی اکسید کربن است که تابش مادون قرمز را از سطح زمین جذب می کند که منجر به افزایش دمای اتمسفر می شود. این به اصطلاح اثر گلخانه ای است. اندازه گیری ها نشان می دهد که دمای اتمسفر سالانه 0.05 درجه سانتی گراد افزایش می یابد. چنین افزایش مداوم دما می تواند باعث ذوب شدن یخ شود که به نوبه خود منجر به تغییر سطح آب در اقیانوس ها و به عبارتی طغیان قاره ها می شود.

در استفاده از موتورهای حرارتی به یک نکته منفی دیگر نیز توجه کنیم. بنابراین، گاهی اوقات از آب رودخانه ها و دریاچه ها برای خنک کردن موتورها استفاده می شود. سپس آب گرم شده بر می گردد. افزایش دما در بدنه های آبی تعادل طبیعی را به هم می زند؛ این پدیده آلودگی حرارتی نامیده می شود.

برای محافظت از محیط زیست، فیلترهای تمیزکننده مختلف به طور گسترده ای برای جلوگیری از انتشار مواد مضر در جو استفاده می شود و طراحی موتور در حال بهبود است. بهبود مستمر سوخت وجود دارد که در طی احتراق مواد مضر کمتری تولید می کند و همچنین فناوری احتراق آن. منابع انرژی جایگزین با استفاده از باد، تابش خورشیدی و انرژی هسته ای به طور فعال در حال توسعه هستند. خودروهای برقی و خورشیدی در حال حاضر تولید می شوند.