Ջերմային շարժիչը այն շարժիչն է, որն աշխատանք է կատարում՝ օգտագործելով ջերմային էներգիայի աղբյուր:

Ջերմային էներգիա ( Ջեռուցիչ Ք) աղբյուրից տեղափոխվում է շարժիչ, և շարժիչը ծախսում է ստացված էներգիայի մի մասը՝ աշխատանք կատարելու համար Վ, չծախսված էներգիա ( սառնարան Ք) ուղարկվում է սառնարան, որի դերը կարող է խաղալ, օրինակ, շրջապատող օդը։ Ջերմային շարժիչը կարող է աշխատել միայն այն դեպքում, եթե սառնարանի ջերմաստիճանը ցածր է ջեռուցիչի ջերմաստիճանից:

Ջերմային շարժիչի արդյունավետության գործակիցը (COP) կարող է հաշվարկվել բանաձևով. Արդյունավետություն = W/Q նգ.

Արդյունավետությունը = 1 (100%), եթե ամբողջ ջերմային էներգիան վերածվում է աշխատանքի: Արդյունավետությունը = 0 (0%), եթե ջերմային էներգիան չի վերածվում աշխատանքի:

Իրական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը տատանվում է 0-ից 1-ի սահմաններում: Որքան բարձր է արդյունավետությունը, այնքան ավելի արդյունավետ է շարժիչը:

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

Նկատի ունենալով թերմոդինամիկայի երրորդ օրենքը, որն ասում է, որ անհնար է հասնել բացարձակ զրոյի ջերմաստիճանին (T=0K), կարելի է ասել, որ անհնար է ստեղծել ջերմային շարժիչ=1 արդյունավետությամբ, քանի որ Tx-ը միշտ >0 է։

Որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը:

Շարժիչի կողմից կատարված աշխատանքը հետևյալն է.

Այս գործընթացը առաջին անգամ դիտարկվել է ֆրանսիացի ինժեներ և գիտնական Ն. Լ. Ս. Կարնոյի կողմից 1824 թվականին «Մտորումներ կրակի շարժիչ ուժի և այս ուժը զարգացնող մեքենաների մասին» գրքում։

Կարնոյի հետազոտության նպատակն էր պարզել այն ժամանակվա ջերմային շարժիչների անկատարության պատճառները (դրանք ունեին ≤ 5%) արդյունավետություն և գտնել դրանց կատարելագործման ուղիներ։

Կարնո ցիկլը բոլորից ամենաարդյունավետն է: Դրա արդյունավետությունը առավելագույնն է:

Նկարը ցույց է տալիս ցիկլի թերմոդինամիկական գործընթացները: Իզոթերմային ընդարձակման ժամանակ (1-2) ջերմաստիճանում Տ 1 , աշխատանքը կատարվում է ջեռուցիչի ներքին էներգիայի փոփոխության, այսինքն՝ գազի ջերմության մատակարարման պատճառով։ Ք:

Ա 12 = Ք 1 ,

Գազի սառեցումը սեղմումից առաջ (3-4) տեղի է ունենում ադիաբատիկ ընդարձակման ժամանակ (2-3): Ներքին էներգիայի փոփոխություն ΔU 23 ադիաբատիկ գործընթացի ժամանակ ( Q = 0) ամբողջությամբ վերածվում է մեխանիկական աշխատանքի.

Ա 23 = -ΔU 23 ,

Գազի ջերմաստիճանը ադիաբատիկ ընդարձակման արդյունքում (2-3) իջնում ​​է մինչև սառնարանի ջերմաստիճանը. Տ 2 < Տ 1 . Գործընթացում (3-4) գազը իզոթերմորեն սեղմվում է՝ ջերմության քանակությունը փոխանցելով սառնարան։ Q 2:

A 34 = Q 2,

Ցիկլը ավարտվում է ադիաբատիկ սեղմման գործընթացով (4-1), որի ժամանակ գազը տաքացվում է մինչև ջերմաստիճան Տ 1.

Իդեալական գազի ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության արժեքը՝ ըստ Կարնո ցիկլի.

.

Բանաձեւի էությունն արտահայտված է ապացուցված ՀԵՏ. Կարնոյի թեորեմն այն մասին, որ ցանկացած ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը չի կարող գերազանցել տաքացուցիչի և սառնարանի նույն ջերմաստիճանում իրականացվող Կարնո ցիկլի արդյունավետությունը։

Թեմա՝ «Ջերմային շարժիչի շահագործման սկզբունքը. Ջերմային շարժիչ՝ ամենաբարձր արդյունավետությամբ»։

Ձև:Համակցված դաս համակարգչային տեխնիկայի կիրառմամբ.

Նպատակները:

• Ցույց տալ ջերմային շարժիչի օգտագործման կարևորությունը մարդու կյանքում:
• Ուսումնասիրեք իրական ջերմային շարժիչների և իդեալական շարժիչի աշխատանքի սկզբունքը, որն աշխատում է Կարնո ցիկլի համաձայն:
• Մտածեք իրական շարժիչի արդյունավետությունը բարձրացնելու հնարավոր ուղիները:
• Ուսանողների մեջ զարգացնել հետաքրքրասիրությունը, հետաքրքրությունը տեխնիկական ստեղծագործության նկատմամբ, հարգանքը գիտնականների և ճարտարագետների գիտական ​​նվաճումների նկատմամբ:

Դասի պլան.

Ոչ	Հարցեր	Ժամանակը (րոպե)
1	Ցույց տալ ժամանակակից պայմաններում ջերմային շարժիչների օգտագործման անհրաժեշտությունը:
2	«Ջերմային շարժիչ» հասկացության կրկնություն: Ջերմային շարժիչների տեսակները՝ ներքին այրման շարժիչներ (կարբյուրատոր, դիզելային), գոլորշու և գազային տուրբիններ, տուրբոռեակտիվ և հրթիռային շարժիչներ։
3	Նոր տեսական նյութի բացատրություն. Ջերմային շարժիչի դիագրամ և կառուցվածք, աշխատանքի սկզբունք, արդյունավետություն: Կարնո ցիկլ, իդեալական ջերմային շարժիչ, դրա արդյունավետությունը: Իրական և իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետության համեմատություն.
4	Խնդրի լուծում թիվ 703 (Ստեփանովա), թիվ 525 (Բենդրիկով).
5	Աշխատանք ջերմային շարժիչի մոդելի հետ:
6	Ամփոփելով. Տնային առաջադրանք § 33, խնդիրներ թիվ 700 և թիվ 697 (Ստեփանովա)

Տեսական նյութ

Հին ժամանակներից մարդը ցանկացել է զերծ մնալ ֆիզիկական ջանքից կամ ինչ-որ բան տեղափոխելիս թեթևացնել այն, ունենալ ավելի շատ ուժ և արագություն։
Լեգենդներ ստեղծվեցին ինքնաթիռի գորգերի, յոթ լիգան կոշիկների և կախարդների մասին, որոնք մարդուն գավազանի ալիքով տանում էին հեռավոր երկրներ: Ծանր բեռներ կրելիս մարդիկ սայլեր են հորինել, քանի որ ավելի հեշտ է գլորվել: Հետո հարմարեցրին կենդանիներին՝ եզներին, եղնիկներին, շներին, ամենաշատը՝ ձիերին։ Այսպես հայտնվեցին սայլերն ու կառքերը։ Վագոններում մարդիկ հարմարավետություն էին փնտրում՝ ավելի ու ավելի կատարելագործելով դրանք։
Արագությունը բարձրացնելու մարդկանց ցանկությունը նույնպես արագացրեց իրադարձությունների փոփոխությունը տրանսպորտի զարգացման պատմության մեջ։ Հունարեն «autos» - «ինքն իրեն» և լատիներեն «mobilis» - «շարժական» բառերից եվրոպական լեզուներում ձևավորվել է «ինքնագնաց», բառացիորեն «ավտոշարժական» ածականը:

Դա վերաբերում էր ժամացույցներին, ավտոմատ տիկնիկներին, ամենատարբեր մեխանիզմներին, ընդհանրապես, այն ամենին, ինչը ծառայում էր որպես մարդու «շարունակության», «կատարելագործման» մի տեսակ հավելում։ 18-րդ դարում նրանք փորձեցին փոխարինել աշխատուժը գոլորշու ուժով և կիրառեցին «մեքենա» տերմինը անհետք սայլերի համար։

Ինչո՞ւ է մեքենայի դարաշրջանը սկսվել 1885-1886 թվականներին հայտնագործված և կառուցված ներքին այրման շարժիչով առաջին «բենզինային մեքենաներից»: Կարծես մոռանալով գոլորշու և մարտկոցի (էլեկտրական) անձնակազմի մասին։ Բանն այն է, որ ներքին այրման շարժիչը իսկական հեղափոխություն կատարեց տրանսպորտային տեխնոլոգիայի մեջ։ Երկար ժամանակ պարզվեց, որ այն առավելագույնս համապատասխանում էր մեքենայի գաղափարին և, հետևաբար, երկար ժամանակ պահպանեց իր գերիշխող դիրքը: Ներքին այրման շարժիչներով մեքենաների մասնաբաժինը այսօր կազմում է համաշխարհային ավտոմոբիլային տրանսպորտի ավելի քան 99,9%-ը։<Հավելված 1 >

Ջերմային շարժիչի հիմնական մասերը

Ժամանակակից տեխնիկայում մեխանիկական էներգիան ստացվում է հիմնականում վառելիքի ներքին էներգիայից։ Սարքերը, որոնցում ներքին էներգիան վերածվում է մեխանիկական էներգիայի, կոչվում են ջերմային շարժիչներ։<Հավելված 2 >

Ջեռուցիչ կոչվող սարքում վառելիքի այրման միջոցով աշխատանք կատարելու համար կարող եք օգտագործել բալոն, որի մեջ գազը տաքացվում և ընդլայնվում է և շարժվում է մխոց:<Հավելված 3 > Գազը, որի ընդարձակման պատճառով մխոցը շարժվում է, կոչվում է աշխատանքային հեղուկ: Գազը ընդլայնվում է, քանի որ նրա ճնշումը ավելի բարձր է, քան արտաքին ճնշումը: Բայց երբ գազը ընդլայնվում է, նրա ճնշումը նվազում է, և վաղ թե ուշ այն հավասարվելու է արտաքին ճնշմանը։ Այդ ժամանակ գազի ընդլայնումը կավարտվի, և այն կդադարի աշխատել։

Ի՞նչ անել, որպեսզի ջերմային շարժիչի աշխատանքը չդադարի։ Շարժիչը շարունակաբար աշխատելու համար անհրաժեշտ է, որ մխոցը գազը ընդլայնելուց հետո ամեն անգամ վերադառնա իր սկզբնական դիրքին՝ սեղմելով գազը իր սկզբնական վիճակին։ Գազի սեղմումը կարող է տեղի ունենալ միայն արտաքին ուժի ազդեցության տակ, որն այս դեպքում գործում է (գազի ճնշման ուժն այս դեպքում բացասական աշխատանք է կատարում): Դրանից հետո գազի ընդլայնման և սեղմման գործընթացները կարող են կրկին առաջանալ: Սա նշանակում է, որ ջերմային շարժիչի աշխատանքը պետք է բաղկացած լինի ընդարձակման և սեղմման պարբերաբար կրկնվող գործընթացներից (ցիկլերից):

Նկար 1-ը գրաֆիկորեն ցույց է տալիս գազի ընդլայնման գործընթացները (տող ԱԲ) և սեղմում մինչև սկզբնական ծավալը (տող CD):Ընդարձակման ժամանակ գազի կատարած աշխատանքը դրական է ( AF > 0 ABEF. Սեղմման ժամանակ գազի կատարած աշխատանքը բացասական է (քանի Ա.Ֆ.< 0 ) և թվայինորեն հավասար է նկարի մակերեսին CDEF.Այս ցիկլի համար օգտակար աշխատանքը թվայինորեն հավասար է կորերի տակ գտնվող տարածքների տարբերությանը ԱԲԵվ CD(նկարում ստվերված է):
Ջեռուցիչի, աշխատանքային հեղուկի և սառնարանի առկայությունը սկզբունքորեն անհրաժեշտ պայման է ցանկացած ջերմային շարժիչի շարունակական ցիկլային աշխատանքի համար:

Ջերմային շարժիչի արդյունավետություն

Աշխատանքային հեղուկը, տաքացուցիչից ստանալով Q 1 որոշակի քանակությամբ ջերմություն, այս քանակության ջերմության մի մասը՝ մոդուլով հավասար |Q2|, տալիս է սառնարան։ Հետեւաբար, կատարված աշխատանքն ավելի մեծ լինել չի կարող A = Q 1 - |Q 2 |.Այս աշխատանքի հարաբերակցությունը ջեռուցիչից ընդլայնվող գազի ստացած ջերմության քանակին կոչվում է արդյունավետությունըջերմային շարժիչ.

Փակ ցիկլով աշխատող ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը միշտ մեկից պակաս է: Ջերմաէներգատեխնիկայի խնդիրն է արդյունավետությունը հնարավորինս բարձր դարձնել, այսինքն՝ օգտագործել ջեռուցիչից ստացված ջերմությունը որքան հնարավոր է աշխատանք արտադրելու համար։ Ինչպե՞ս կարելի է դրան հասնել:
Առաջին անգամ ամենակատարյալ ցիկլային պրոցեսը, որը բաղկացած է իզոթերմերից և ադիաբատներից, առաջարկել է ֆրանսիացի ֆիզիկոս և ինժեներ Ս.Կառնոն 1824 թվականին։

Կարնո ցիկլը.

Ենթադրենք, որ գազը գտնվում է բալոնի մեջ, որի պատերը և մխոցը պատրաստված են ջերմամեկուսիչ նյութից, իսկ հատակը՝ բարձր ջերմահաղորդականություն ունեցող նյութից։ Գազի զբաղեցրած ծավալը հավասար է V 1.

Եկեք բալոնը շփենք տաքացուցիչի հետ (Նկար 2) և գազին հնարավորություն տանք իզոթերմորեն ընդարձակվելու և աշխատանք կատարելու . Գազը տաքացուցիչից ստանում է որոշակի քանակությամբ ջերմություն Q 1.Այս գործընթացը գրաֆիկորեն ներկայացված է իզոթերմով (կոր ԱԲ).

Երբ գազի ծավալը հավասարվում է որոշակի արժեքի V 1'< V 2 , մխոցի հատակը մեկուսացված է ջեռուցիչից , Դրանից հետո գազը ադիաբատիկորեն ընդլայնվում է մինչև ծավալը V 2,համապատասխանում է մխոցի առավելագույն հնարավոր հարվածին մխոցում (ադիաբատիկ Արև) Այս դեպքում գազը սառչում է մինչև ջերմաստիճան Տ 2< T 1 .
Սառեցված գազն այժմ կարող է իզոթերմորեն սեղմվել ջերմաստիճանում T2.Դա անելու համար այն պետք է շփվի նույն ջերմաստիճան ունեցող մարմնի հետ T 2,այսինքն՝ սառնարանով , և սեղմել գազը արտաքին ուժով: Սակայն այս գործընթացում գազը չի վերադառնա իր սկզբնական վիճակին՝ նրա ջերմաստիճանը միշտ ավելի ցածր կլինի, քան Տ 1.
Հետեւաբար, իզոթերմային սեղմումը հասցվում է որոշակի միջանկյալ ծավալի V 2 '> V 1(իզոթերմ CD) Այս դեպքում գազը որոշակի ջերմություն է հաղորդում սառնարանին Q2,հավասար է դրա վրա կատարված սեղմման աշխատանքին։ Դրանից հետո գազը սեղմվում է ադիաբատիկ կերպով մինչև ծավալը V 1,միևնույն ժամանակ նրա ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև Տ 1(ադիաբատիկ Դ.Ա.) Այժմ գազը վերադարձել է իր սկզբնական վիճակին, որի ծավալը հավասար է V 1-ի, ջերմաստիճանը՝ T1,ճնշում - p 1, և ցիկլը կարող է նորից կրկնվել։

Այսպիսով, կայքում ABCգազն աշխատում է (A > 0),և կայքում CDAգազի վրա կատարված աշխատանք (Ա< 0). Կայքերում ԱրևԵվ ՀԱՅՏԱՐԱՐՈՒԹՅՈՒՆաշխատանքը կատարվում է միայն գազի ներքին էներգիայի փոփոխությամբ։ Քանի որ ներքին էներգիայի փոփոխությունը UBC = –UDA, ապա աշխատանքը ադիաբատիկ գործընթացների ժամանակ հավասար է. ABC = –ADA.Հետևաբար, մեկ ցիկլով կատարված ընդհանուր աշխատանքը որոշվում է իզոթերմային գործընթացների ընթացքում կատարված աշխատանքի տարբերությամբ (հատվածներ ԱԲԵվ CD) Թվային առումով այս աշխատանքը հավասար է ցիկլի կորով սահմանափակված գործչի տարածքին Ա Բ Գ Դ.
Ջերմության քանակի միայն մի մասն է իրականում վերածվում օգտակար աշխատանքի QT,ստացված ջեռուցիչից, հավասար է QT 1 – |QT 2 |.Այսպիսով, Carnot ցիկլում օգտակար աշխատանք A = QT 1 – |QT 2 |.
Իդեալական ցիկլի առավելագույն արդյունավետությունը, ինչպես ցույց է տվել Ս. Կարնոն, կարող է արտահայտվել ջեռուցիչի ջերմաստիճանով. (T 1)և սառնարան (T 2):

Իրական շարժիչներում հնարավոր չէ իրականացնել ցիկլ, որը բաղկացած է իդեալական իզոթերմային և ադիաբատիկ գործընթացներից։ Հետևաբար, իրական շարժիչներում իրականացվող ցիկլի արդյունավետությունը միշտ ավելի քիչ է, քան Carnot ցիկլի արդյունավետությունը (ջեռուցիչների և սառնարանների նույն ջերմաստիճաններում).

Բանաձևը ցույց է տալիս, որ որքան բարձր է տաքացուցիչի ջերմաստիճանը և որքան ցածր է սառնարանի ջերմաստիճանը, այնքան մեծ է շարժիչի արդյունավետությունը:

Խնդիր թիվ 703

Շարժիչը աշխատում է Կարնո ցիկլի համաձայն։ Ինչպե՞ս կփոխվի ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը, եթե սառնարանի 17 o C մշտական ​​ջերմաստիճանում տաքացուցիչի ջերմաստիճանը բարձրացվի 127-ից մինչև 447 o C:

Խնդիր թիվ 525

Որոշեք տրակտորային շարժիչի արդյունավետությունը, որի համար պահանջվում էր 1,5 կգ վառելիք՝ 4,2 · 107 Ջ/կգ այրման հատուկ ջերմությամբ 1,9 × 107 Ջ աշխատանք կատարելու համար։

Թեմայի վերաբերյալ համակարգչային թեստ անցկացնելը.<Հավելված 4 > Աշխատանք ջերմային շարժիչի մոդելի հետ:

« Ֆիզիկա - 10-րդ դասարան»

Խնդիրները լուծելու համար դուք պետք է օգտագործեք հայտնի արտահայտություններ ջերմային շարժիչների արդյունավետությունը որոշելու համար և հիշեք, որ արտահայտությունը (13.17) վավեր է միայն իդեալական ջերմային շարժիչի համար:

Առաջադրանք 1.

Գոլորշի շարժիչի կաթսայում ջերմաստիճանը 160 °C է, իսկ սառնարանը՝ 10 °C։
Ո՞րն է առավելագույն աշխատանքը, որը տեսականորեն կարող է կատարել մեքենան, եթե 200 կգ քաշով ածուխը 2,9 10 7 Ջ/կգ այրման հատուկ ջերմությամբ այրվում է 60% արդյունավետությամբ վառարանում:

Լուծում.

Առավելագույն աշխատանքը կարող է կատարել իդեալական ջերմային շարժիչը, որն աշխատում է Կարնո ցիկլի համաձայն, որի արդյունավետությունը η = (T 1 - T 2)/T 1 է, որտեղ T 1 և T 2-ը ջեռուցիչի բացարձակ ջերմաստիճաններն են և սառնարան. Ցանկացած ջերմային շարժիչի համար արդյունավետությունը որոշվում է η = A/Q 1 բանաձևով, որտեղ A-ն ջերմային շարժիչի կատարած աշխատանքն է, Q 1-ը մեքենայի ստացած ջերմության քանակն է ջեռուցիչից։
Խնդրի պայմաններից պարզ է դառնում, որ Q 1-ը վառելիքի այրման ժամանակ արտանետվող ջերմության քանակի մի մասն է՝ Q 1 = η 1 mq:

Ապա որտեղ է A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1.2 10 9 J.

Առաջադրանք 2.

N = 14,7 կՎտ հզորությամբ շոգեմեքենան 1 ժամվա ընթացքում սպառում է մ = 8,1 կգ կշռող վառելիք, այրման տեսակարար ջերմությամբ q = 3,3 10 7 Ջ/կգ։
Կաթսայի ջերմաստիճանը 200 °C, սառնարանը 58 °C։
Որոշեք այս մեքենայի արդյունավետությունը և համեմատեք այն իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետության հետ:

Լուծում.

Ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը հավասար է ավարտված մեխանիկական աշխատանքի A հարաբերակցությանը վառելիքի այրման ժամանակ թողարկված Qlt ջերմության ծախսված քանակին:
Ջերմության քանակությունը Q 1 = mq:

Միևնույն ժամանակ կատարված աշխատանքը A = Nt.

Այսպիսով, η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, կամ η ≈ 20%:

Իդեալական ջերմային շարժիչի համար η < η ид.

Առաջադրանք 3.

Η արդյունավետությամբ իդեալական ջերմային շարժիչը աշխատում է հակառակ ցիկլով (նկ. 13.15):

Որքա՞ն է առավելագույն ջերմությունը, որը կարելի է վերցնել սառնարանից՝ կատարելով մեխանիկական աշխատանք Ա.

Քանի որ սառնարանային մեքենան աշխատում է հակադարձ ցիկլով, որպեսզի ջերմությունը քիչ ջեռուցվող մարմնից տեղափոխվի ավելի տաքացվող մարմնին, անհրաժեշտ է, որ արտաքին ուժերը դրական աշխատանք կատարեն։
Սառնարանային մեքենայի սխեմատիկ դիագրամ՝ սառնարանից վերցվում է ջերմության քանակություն Q 2, աշխատանքը կատարվում է արտաքին ուժերով և ջերմության քանակություն Q 1 փոխանցվում է ջեռուցիչին։
Հետևաբար, Q 2 = Q 1 (1 - η), Q 1 = A / η:

Վերջապես, Q 2 = (A / η) (1 - η):

Աղբյուր՝ «Ֆիզիկա - 10-րդ դասարան», 2014, դասագիրք Մյակիշև, Բուխովցև, Սոցկի.

Թերմոդինամիկայի հիմունքները. Ջերմային երեւույթներ - Ֆիզիկա, դասագիրք 10-րդ դասարանի համար - Դասարանական ֆիզիկա

« Ֆիզիկա - 10-րդ դասարան»

Ի՞նչ է թերմոդինամիկական համակարգը և ինչ պարամետրերով է բնութագրվում դրա վիճակը:
Նշեք թերմոդինամիկայի առաջին և երկրորդ օրենքները:

Հենց ջերմային շարժիչների տեսության ստեղծումը հանգեցրեց թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքի ձևակերպմանը։

Երկրի ընդերքում և օվկիանոսներում ներքին էներգիայի պաշարները կարելի է գործնականում անսահմանափակ համարել։ Բայց գործնական խնդիրներ լուծելու համար էներգիայի պաշարներ ունենալը բավարար չէ։ Անհրաժեշտ է նաև կարողանալ էներգիա օգտագործել գործարաններում և գործարաններում գործի դնելու հաստոցները, տրանսպորտային միջոցները, տրակտորները և այլ մեքենաները, պտտել էլեկտրական հոսանքի գեներատորների ռոտորները և այլն: Մարդկությանը անհրաժեշտ են շարժիչներ՝ աշխատելու ունակ սարքեր: Երկրի վրա շարժիչների մեծ մասն են ջերմային շարժիչներ.

Ջերմային շարժիչներ- սրանք սարքեր են, որոնք վառելիքի ներքին էներգիան վերածում են մեխանիկական աշխատանքի:

Ջերմային շարժիչների շահագործման սկզբունքը.

Որպեսզի շարժիչն աշխատի, պետք է ճնշման տարբերություն լինի շարժիչի մխոցի կամ տուրբինի շեղբերի երկու կողմերում: Բոլոր ջերմային շարժիչներում ճնշման այս տարբերությունը ձեռք է բերվում ջերմաստիճանի բարձրացման միջոցով աշխատանքային հեղուկ(գազ) հարյուրավոր կամ հազարավոր աստիճաններով՝ համեմատած շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանի հետ։ Ջերմաստիճանի այս բարձրացումը տեղի է ունենում վառելիքի այրման ժամանակ:

Շարժիչի հիմնական մասերից մեկը գազով լցված անոթն է՝ շարժական մխոցով։ Բոլոր ջերմային շարժիչների աշխատանքային հեղուկը գազն է, որն աշխատում է ընդարձակման ժամանակ: Գործող հեղուկի (գազի) սկզբնական ջերմաստիճանը նշանակենք T 1-ով։ Այս ջերմաստիճանը գոլորշու տուրբիններում կամ մեքենաներում ձեռք է բերվում գոլորշու կաթսայի գոլորշու միջոցով: Ներքին այրման շարժիչներում և գազատուրբիններում ջերմաստիճանի բարձրացումը տեղի է ունենում, երբ վառելիքը այրվում է հենց շարժիչի ներսում: Ջերմաստիճանը T 1 կոչվում է ջեռուցիչի ջերմաստիճանը.

Սառնարանի դերը.

Աշխատանքի կատարման ընթացքում գազը կորցնում է էներգիան և անխուսափելիորեն սառչում է մինչև որոշակի ջերմաստիճան T2, որը սովորաբար մի փոքր բարձր է շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից: Նրան կանչում են սառնարանի ջերմաստիճանը. Սառնարանը մթնոլորտ է կամ հատուկ սարքեր՝ թափոնների գոլորշու հովացման և խտացման համար. կոնդենսատորներ. Վերջին դեպքում սառնարանի ջերմաստիճանը կարող է մի փոքր ցածր լինել շրջակա միջավայրի ջերմաստիճանից:

Այսպիսով, շարժիչում աշխատանքային հեղուկը ընդլայնման ժամանակ չի կարող հրաժարվել իր ամբողջ ներքին էներգիան աշխատանք կատարելու համար: Ջերմության մի մասն անխուսափելիորեն փոխանցվում է սառնարան (մթնոլորտ) ներքին այրման շարժիչների և գազատուրբինների թափոնների գոլորշու կամ արտանետվող գազերի հետ միասին:

Վառելիքի ներքին էներգիայի այս մասը կորչում է։ Ջերմային շարժիչը աշխատանք է կատարում աշխատանքային հեղուկի ներքին էներգիայի շնորհիվ: Ավելին, այս գործընթացում ջերմությունը փոխանցվում է ավելի տաք մարմիններից (ջեռուցիչ) ավելի սառը (սառնարան): Ջերմային շարժիչի սխեմատիկ դիագրամը ներկայացված է Նկար 13.13-ում:

Շարժիչի աշխատանքային հեղուկը վառելիքի այրման ժամանակ ջեռուցիչից ստանում է Q 1 ջերմության քանակը, կատարում է աշխատանքը A» և ջերմության քանակությունը փոխանցում սառնարան։ Q 2< Q 1 .

Շարժիչը շարունակաբար աշխատելու համար անհրաժեշտ է աշխատանքային հեղուկը վերադարձնել իր սկզբնական վիճակին, որի դեպքում աշխատանքային հեղուկի ջերմաստիճանը հավասար է T 1-ի։ Դրանից բխում է, որ շարժիչը գործում է ըստ պարբերաբար կրկնվող փակ գործընթացների կամ, ինչպես ասում են, ցիկլով։

Ցիկլգործընթացների շարք է, որի արդյունքում համակարգը վերադառնում է իր սկզբնական վիճակին։

Ջերմային շարժիչի աշխատանքի (արդյունավետության) գործակիցը.

Գազի ներքին էներգիան ջերմային շարժիչների աշխատանքի ամբողջությամբ վերափոխելու անհնարինությունը պայմանավորված է բնության մեջ տեղի ունեցող գործընթացների անշրջելիությամբ։ Եթե ​​ջերմությունը կարող էր ինքնաբերաբար վերադառնալ սառնարանից դեպի ջեռուցիչ, ապա ներքին էներգիան կարող է ամբողջությամբ վերածվել օգտակար աշխատանքի ցանկացած ջերմային շարժիչի կողմից: Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը կարելի է ձևակերպել հետևյալ կերպ.

Թերմոդինամիկայի երկրորդ օրենքը.
Անհնար է ստեղծել երկրորդ տեսակի հավերժ շարժման մեքենա, որն ամբողջությամբ ջերմությունը կվերածի մեխանիկական աշխատանքի:

Ըստ էներգիայի պահպանման օրենքի՝ շարժիչի կատարած աշխատանքը հավասար է.

A» = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)

որտեղ Q 1-ը ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակն է, իսկ Q2-ը սառնարանին տրվող ջերմության քանակն է:

Ջերմային շարժիչի աշխատանքի (արդյունավետության) գործակիցը շարժիչի կատարած «Ա» աշխատանքի հարաբերակցությունն է ջեռուցիչից ստացվող ջերմության քանակին.

Քանի որ բոլոր շարժիչները որոշակի քանակությամբ ջերմություն են փոխանցում սառնարան, ապա η< 1.

Ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության արժեքը.

Թերմոդինամիկայի օրենքները հնարավորություն են տալիս հաշվարկել ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը T1 ջերմաստիճանի ջեռուցիչով և T2 ջերմաստիճանի սառնարանով, ինչպես նաև որոշել այն բարձրացնելու ուղիները:

Առաջին անգամ ջերմային շարժիչի առավելագույն հնարավոր արդյունավետությունը հաշվարկել է ֆրանսիացի ինժեներ և գիտնական Սադի Կարնոն (1796-1832) իր «Մտորումներ կրակի շարժիչ ուժի և այս ուժը զարգացնելու ունակ մեքենաների մասին» աշխատության մեջ (1824 թ. )

Carnot-ն ստեղծեց իդեալական ջերմային շարժիչ՝ որպես աշխատանքային հեղուկ իդեալական գազ: Իդեալական Carnot ջերմային շարժիչը գործում է երկու իզոթերմից և երկու ադիաբատից բաղկացած ցիկլի վրա, և այդ գործընթացները համարվում են շրջելի (նկ. 13.14): Նախ գազով անոթը շփվում է ջեռուցիչի հետ, գազը իզոթերմորեն ընդարձակվում է, դրական աշխատանք կատարելով T 1 ջերմաստիճանում և ստանում է Q 1 ջերմություն։

Այնուհետև անոթը ջերմամեկուսացված է, գազը շարունակում է ադիաբատիկ ընդլայնվել, մինչդեռ դրա ջերմաստիճանը իջնում ​​է մինչև T 2 սառնարանի ջերմաստիճանը: Դրանից հետո գազը շփվում է սառնարանի հետ, իզոթերմային սեղմման ժամանակ սառնարանին տալիս է Q 2 ջերմություն՝ սեղմելով V 4 ծավալի։< 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:

Ինչպես հետևում է բանաձևից (13.17), Carnot մեքենայի արդյունավետությունը ուղիղ համեմատական ​​է ջեռուցիչի և սառնարանի բացարձակ ջերմաստիճանների տարբերությանը:

Այս բանաձևի հիմնական նշանակությունն այն է, որ այն ցույց է տալիս արդյունավետությունը բարձրացնելու ճանապարհը, դրա համար անհրաժեշտ է բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը կամ իջեցնել սառնարանի ջերմաստիճանը։

Ցանկացած իրական ջերմային շարժիչ, որն աշխատում է T1 ջերմաստիճանի ջեռուցիչով և T2 ջերմաստիճանի սառնարանով, չի կարող ունենալ իդեալական ջերմային շարժիչի արդյունավետությունը. Իրական ջերմային շարժիչի ցիկլը կազմող գործընթացները շրջելի չեն:

Բանաձևը (13.17) տալիս է ջերմային շարժիչների առավելագույն արդյունավետության արժեքի տեսական սահմանը: Այն ցույց է տալիս, որ ջերմային շարժիչն ավելի արդյունավետ է, այնքան մեծ է ջեռուցիչի և սառնարանի ջերմաստիճանի տարբերությունը:

Միայն սառնարանի ջերմաստիճանում, որը հավասար է բացարձակ զրոյին, η = 1 է: Բացի այդ, ապացուցված է, որ (13.17) բանաձևով հաշվարկված արդյունավետությունը կախված չէ աշխատանքային նյութից:

Բայց սառնարանի ջերմաստիճանը, որի դերը սովորաբար կատարում է մթնոլորտը, գործնականում չի կարող ցածր լինել շրջակա օդի ջերմաստիճանից։ Դուք կարող եք բարձրացնել ջեռուցիչի ջերմաստիճանը: Այնուամենայնիվ, ցանկացած նյութ (պինդ) ունի սահմանափակ ջերմային դիմադրություն կամ ջերմային դիմադրություն: Երբ տաքացվում է, այն աստիճանաբար կորցնում է իր առաձգական հատկությունները, իսկ բավական բարձր ջերմաստիճանում հալվում է։

Այժմ ինժեներների հիմնական ջանքերն ուղղված են շարժիչների արդյունավետության բարձրացմանը՝ նվազեցնելով դրանց մասերի շփումը, վառելիքի կորուստները թերի այրման հետևանքով և այլն։

Գոլորշի տուրբինի համար գոլորշու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանը մոտավորապես հետևյալն է. T 1 - 800 K և T 2 - 300 K: Այս ջերմաստիճաններում առավելագույն արդյունավետության արժեքը 62% է (նկատի ունեցեք, որ արդյունավետությունը սովորաբար չափվում է որպես տոկոս): . Էներգիայի տարբեր տեսակի կորուստների հետևանքով իրական արդյունավետության արժեքը մոտավորապես 40% է: Առավելագույն արդյունավետությունը՝ մոտ 44%, ձեռք է բերվում դիզելային շարժիչներով:

Շրջակա միջավայրի պաշտպանությունը.

Դժվար է պատկերացնել ժամանակակից աշխարհն առանց ջերմային շարժիչների։ Նրանք են, որ մեզ հարմարավետ կյանք են ապահովում։ Ջերմային շարժիչները վարում են տրանսպորտային միջոցներ: Էլեկտրաէներգիայի մոտ 80%-ը, չնայած ատոմակայանների առկայությանը, արտադրվում է ջերմային շարժիչների միջոցով։

Այնուամենայնիվ, ջերմային շարժիչների շահագործման ընթացքում տեղի է ունենում շրջակա միջավայրի անխուսափելի աղտոտում: Սա հակասություն է՝ մի կողմից մարդկությանը տարեցտարի ավելի ու ավելի շատ էներգիա է պետք, որի հիմնական մասը ստացվում է վառելիքի այրման միջոցով, մյուս կողմից՝ այրման գործընթացներն անխուսափելիորեն ուղեկցվում են շրջակա միջավայրի աղտոտմամբ։

Երբ վառելիքը այրվում է, մթնոլորտում թթվածնի պարունակությունը նվազում է: Բացի այդ, այրման արտադրանքներն իրենք են ստեղծում քիմիական միացություններ, որոնք վնասակար են կենդանի օրգանիզմների համար։ Աղտոտումը տեղի է ունենում ոչ միայն գետնին, այլև օդում, քանի որ ինքնաթիռի ցանկացած թռիչք ուղեկցվում է վնասակար կեղտերի արտանետումներով մթնոլորտ:

Շարժիչների հետեւանքներից է ածխաթթու գազի առաջացումը, որը կլանում է Երկրի մակերեւույթից ինֆրակարմիր ճառագայթումը, ինչը հանգեցնում է մթնոլորտի ջերմաստիճանի բարձրացման։ Սա այսպես կոչված ջերմոցային էֆեկտն է։ Չափումները ցույց են տալիս, որ մթնոլորտի ջերմաստիճանը տարեկան բարձրանում է 0,05 °C-ով։ Ջերմաստիճանի նման շարունակական աճը կարող է հանգեցնել սառույցի հալման, ինչը, իր հերթին, կհանգեցնի օվկիանոսներում ջրի մակարդակի փոփոխության, այսինքն՝ մայրցամաքների հեղեղմանը:

Նկատենք ևս մեկ բացասական կետ ջերմային շարժիչներ օգտագործելիս. Այսպիսով, երբեմն գետերի և լճերի ջուրն օգտագործվում է շարժիչների հովացման համար: Այնուհետև տաքացած ջուրը հետ է վերադարձվում: Ջրային մարմիններում ջերմաստիճանի բարձրացումը խախտում է բնական հավասարակշռությունը, այս երեւույթը կոչվում է ջերմային աղտոտում:

Շրջակա միջավայրը պաշտպանելու համար լայնորեն օգտագործվում են մաքրող տարբեր զտիչներ՝ մթնոլորտ վնասակար նյութերի արտանետումը կանխելու համար, իսկ շարժիչի դիզայնը բարելավվում է: Գոյություն ունի վառելիքի շարունակական բարելավում, որը այրման ժամանակ արտադրում է ավելի քիչ վնասակար նյութեր, ինչպես նաև դրա այրման տեխնոլոգիան։ Ակտիվորեն զարգանում են քամու, արևի ճառագայթման և միջուկային էներգիայի այլընտրանքային էներգիայի աղբյուրները։ Արդեն արտադրվում են էլեկտրական և արևային էներգիայով աշխատող մեքենաներ։