თერმული ძრავა არის ძრავა, რომელიც ასრულებს სამუშაოს თერმული ენერგიის წყაროს გამოყენებით.

Თერმული ენერგია ( გამათბობელი Q) წყაროდან ძრავში გადადის და ძრავა მიღებული ენერგიის ნაწილს ხარჯავს სამუშაოს შესასრულებლად ვ, დაუხარჯავი ენერგია ( მაცივარი Q) იგზავნება მაცივარში, რომლის როლი შეიძლება შეასრულოს, მაგალითად, მიმდებარე ჰაერმა. სითბოს ძრავა მუშაობს მხოლოდ იმ შემთხვევაში, თუ მაცივრის ტემპერატურა გამათბობელზე ნაკლებია.

სითბოს ძრავის მუშაობის კოეფიციენტი (COP) შეიძლება გამოითვალოს ფორმულის გამოყენებით: ეფექტურობა = W/Q ng.

ეფექტურობა = 1 (100%), თუ მთელი თერმული ენერგია გარდაიქმნება სამუშაოდ. ეფექტურობა = 0 (0%), თუ თერმული ენერგია არ გარდაიქმნება სამუშაოდ.

რეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობა მერყეობს 0-დან 1-მდე; რაც უფრო მაღალია ეფექტურობა, მით უფრო ეფექტურია ძრავა.

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

თერმოდინამიკის მესამე კანონის გათვალისწინებით, რომელიც ამბობს, რომ შეუძლებელია აბსოლუტური ნულის (T=0K) ტემპერატურის მიღწევა, შეგვიძლია ვთქვათ, რომ შეუძლებელია სითბური ძრავის შექმნა ეფექტურობით=1, ვინაიდან Tx ყოველთვის >0-ია.

რაც უფრო მაღალია გამათბობლის ტემპერატურა და რაც უფრო დაბალია მაცივრის ტემპერატურა, მით მეტია სითბოს ძრავის ეფექტურობა.

ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაო შემდეგია:

ეს პროცესი პირველად განიხილა ფრანგმა ინჟინერმა და მეცნიერმა ნ.

კარნოს კვლევის მიზანი იყო იმდროინდელი სითბური ძრავების არასრულყოფილების მიზეზების გარკვევა (მათ ჰქონდათ ეფექტურობა ≤ 5%) და მათი გაუმჯობესების გზების მოძიება.

კარნოს ციკლი ყველაზე ეფექტურია. მისი ეფექტურობა მაქსიმალურია.

ფიგურაში ნაჩვენებია ციკლის თერმოდინამიკური პროცესები. იზოთერმული გაფართოების დროს (1-2) ტემპერატურაზე თ 1 , სამუშაო კეთდება გამათბობლის შიდა ენერგიის ცვლილების გამო, ანუ გაზზე სითბოს მიწოდების გამო. ქ:

ა 12 = ქ 1 ,

გაზის გაგრილება შეკუმშვამდე (3-4) ხდება ადიაბატური გაფართოების დროს (2-3). შინაგანი ენერგიის ცვლილება ΔU 23 ადიაბატური პროცესის დროს ( Q = 0) მთლიანად გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოდ:

ა 23 = -ΔU 23 ,

გაზის ტემპერატურა ადიაბატური გაფართოების შედეგად (2-3) ეცემა მაცივრის ტემპერატურამდე თ 2 < თ 1 . პროცესში (3-4) გაზი იზოთერმულად შეკუმშულია, სითბოს რაოდენობა მაცივარში გადადის. Q 2:

A 34 = Q 2,

ციკლი მთავრდება ადიაბატური შეკუმშვის პროცესით (4-1), რომლის დროსაც გაზი თბება ტემპერატურამდე. T 1.

იდეალური გაზის სითბოს ძრავების მაქსიმალური ეფექტურობის მნიშვნელობა კარნოს ციკლის მიხედვით:

.

ფორმულის არსი გამოხატულია დადასტურებულში თან. კარნოს თეორემა, რომ ნებისმიერი სითბური ძრავის ეფექტურობა არ შეიძლება აღემატებოდეს კარნოს ციკლის ეფექტურობას, რომელიც ხორციელდება გამათბობლისა და მაცივრის ერთსა და იმავე ტემპერატურაზე.

თემა: ”სითბო ძრავის მუშაობის პრინციპი. თერმოძრავა უმაღლესი ეფექტურობით“.

ფორმა:კომბინირებული გაკვეთილი კომპიუტერული ტექნოლოგიების გამოყენებით.

მიზნები:

• აჩვენეთ სითბოს ძრავის გამოყენების მნიშვნელობა ადამიანის ცხოვრებაში.
• შეისწავლეთ რეალური სითბური ძრავების და იდეალური ძრავის მუშაობის პრინციპი, რომელიც მუშაობს კარნოს ციკლის მიხედვით.
• განვიხილოთ რეალური ძრავის ეფექტურობის გაზრდის შესაძლო გზები.
• მოსწავლეებში განავითაროს ცნობისმოყვარეობა, ტექნიკური შემოქმედებითობისადმი ინტერესი, მეცნიერთა და ინჟინრების სამეცნიერო მიღწევების პატივისცემა.

Გაკვეთილის გეგმა.

არა.	კითხვები	დრო (წუთი)
1	აჩვენეთ სითბოს ძრავების გამოყენების საჭიროება თანამედროვე პირობებში.
2	"სითბო ძრავის" კონცეფციის გამეორება. სითბოს ძრავების სახეები: შიდა წვის ძრავები (კარბურატორი, დიზელი), ორთქლის და გაზის ტურბინები, ტურბორეაქტიული და სარაკეტო ძრავები.
3	ახალი თეორიული მასალის ახსნა. სითბური ძრავის დიაგრამა და სტრუქტურა, მუშაობის პრინციპი, ეფექტურობა. კარნოს ციკლი, იდეალური სითბური ძრავა, მისი ეფექტურობა. რეალური და იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობის შედარება.
4	ამოცანის ამოხსნა No703 (სტეპანოვა), No525 (ბენდრიკოვი).
5	მუშაობა სითბოს ძრავის მოდელთან.
6	შეჯამება. საშინაო დავალება § 33, ამოცანები No700 და No697 (სტეპანოვა)

თეორიული მასალა

უძველესი დროიდან ადამიანს სურდა ფიზიკური ძალისხმევისგან განთავისუფლება ან რაიმეს გადაადგილებისას მისი შემსუბუქება, მეტი ძალა და სიჩქარე.
შეიქმნა ლეგენდები თვითმფრინავის ხალიჩების, შვიდი ლიგის ჩექმებისა და ჯადოქრების შესახებ, რომლებიც კვერთხის ტალღით ატარებენ ადამიანს შორეულ ქვეყნებში. მძიმე ტვირთის ტარებისას ადამიანებმა გამოიგონეს ურმები, რადგან უფრო ადვილია გორვა. შემდეგ მათ მოარგეს ცხოველები - ხარები, ირმები, ძაღლები და ყველაზე მეტად ცხენები. ასე გაჩნდა ურმები და ეტლები. ვაგონებში ხალხი კომფორტს ეძებდა, უფრო და უფრო აუმჯობესებდა მათ.
ხალხის სურვილმა გაზარდოს სიჩქარე ასევე დააჩქარა მოვლენების ცვლილება ტრანსპორტის განვითარების ისტორიაში. ბერძნული "autos" - "საკუთარი თავი" და ლათინური "mobilis" - "მობილური", ზედსართავი სახელი "თვითმავალი", სიტყვასიტყვით "ავტომობილური", ჩამოყალიბდა ევროპულ ენებში.

ეს ეხებოდა საათებს, ავტომატურ თოჯინებს, ყველა სახის მექანიზმს, ზოგადად, ყველაფერს, რაც ერთგვარ დამატებას ემსახურებოდა პიროვნების „გაგრძელებას“, „გაუმჯობესებას“. მე-18 საუკუნეში ისინი ცდილობდნენ შეეცვალათ ცოცხალი ძალა ორთქლის ძალით და გამოიყენეს ტერმინი „მანქანა“ უგზოუკვლოდ ურიკებზე.

რატომ იწყება მანქანის ეპოქა 1885-1886 წლებში გამოგონილი და აშენებული შიდა წვის ძრავის პირველი „ბენზინის მანქანებიდან“? თითქოს ივიწყებს ორთქლისა და ბატარეის (ელექტრო) ეკიპაჟებს. ფაქტია, რომ შიდა წვის ძრავამ ნამდვილი რევოლუცია მოახდინა სატრანსპორტო ტექნოლოგიაში. დიდი ხნის განმავლობაში, აღმოჩნდა, რომ ყველაზე მეტად შეესაბამება მანქანის იდეას და, შესაბამისად, დიდი ხნის განმავლობაში ინარჩუნებდა დომინანტურ პოზიციას. შიდა წვის ძრავებით აღჭურვილი მანქანების წილი დღეს გლობალური საგზაო ტრანსპორტის 99,9%-ზე მეტს შეადგენს.<დანართი 1 >

სითბოს ძრავის ძირითადი ნაწილები

თანამედროვე ტექნოლოგიაში მექანიკური ენერგია მიიღება ძირითადად საწვავის შიდა ენერგიიდან. მოწყობილობებს, რომლებშიც შიდა ენერგია გარდაიქმნება მექანიკურ ენერგიად, ეწოდება სითბოს ძრავები.<დანართი 2 >

სამუშაოს შესასრულებლად საწვავის წვის მოწყობილობაში, რომელსაც ეწოდება გამათბობელი, შეგიძლიათ გამოიყენოთ ცილინდრი, რომელშიც გაზი თბება და გაფართოებულია და მოძრაობს დგუში.<დანართი 3 > გაზს, რომლის გაფართოებაც იწვევს დგუშის მოძრაობას, ეწოდება სამუშაო სითხე. გაზი ფართოვდება, რადგან მისი წნევა უფრო მაღალია, ვიდრე გარე წნევა. მაგრამ როდესაც გაზი ფართოვდება, მისი წნევა ეცემა და ადრე თუ გვიან ის გარეგანი წნევის ტოლი გახდება. შემდეგ გაზის გაფართოება დასრულდება და ის შეწყვეტს მუშაობას.

რა უნდა გაკეთდეს იმისათვის, რომ სითბური ძრავის მუშაობა არ შეჩერდეს? იმისათვის, რომ ძრავმა მუდმივად იმუშაოს, აუცილებელია, რომ დგუში, გაზის გაფართოების შემდეგ, ყოველ ჯერზე დაუბრუნდეს საწყის მდგომარეობას, შეკუმშოს გაზი პირვანდელ მდგომარეობაში. გაზის შეკუმშვა შეიძლება მოხდეს მხოლოდ გარე ძალის გავლენის ქვეშ, რომელიც ამ შემთხვევაში მუშაობს (არის წნევის ძალა ამ შემთხვევაში უარყოფითად მოქმედებს). ამის შემდეგ, გაზის გაფართოება და შეკუმშვის პროცესები შეიძლება კვლავ მოხდეს. ეს ნიშნავს, რომ სითბოს ძრავის მუშაობა უნდა შედგებოდეს გაფართოებისა და შეკუმშვის პერიოდულად განმეორებადი პროცესებისგან (ციკლები).

სურათი 1 გრაფიკულად გვიჩვენებს გაზის გაფართოების პროცესებს (ხაზი AB) და შეკუმშვა თავდაპირველ მოცულობამდე (ხაზი CD).გაფართოების დროს გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო დადებითია ( AF > 0 ABEF. შეკუმშვის დროს გაზის მიერ შესრულებული სამუშაო უარყოფითია (რადგან ა.ფ.< 0 ) და რიცხობრივად უდრის ფიგურის ფართობს CDEF.ამ ციკლისთვის სასარგებლო სამუშაო რიცხობრივად უდრის მრუდების ქვეშ არსებული უბნების სხვაობას ABდა CD(სურათზე დაჩრდილულია).
გამათბობლის, სამუშაო სითხისა და მაცივრის არსებობა ფუნდამენტურად აუცილებელი პირობაა ნებისმიერი სითბური ძრავის უწყვეტი ციკლური მუშაობისთვის.

სითბოს ძრავის ეფექტურობა

სამუშაო სითხე, რომელიც იღებს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას Q 1 გამათბობელიდან, ამ რაოდენობის სითბოს ნაწილს, მოდულის თანაბარი |Q2|, აძლევს მაცივარს. ამიტომ, შესრულებული სამუშაო არ შეიძლება იყოს უფრო დიდი A = Q 1 - |Q 2 |.ამ სამუშაოს თანაფარდობა გამათბობელიდან გაფართოებული გაზის მიერ მიღებული სითბოს რაოდენობასთან ეწოდება ეფექტურობასითბოს ძრავა:

დახურულ ციკლში მომუშავე სითბოს ძრავის ეფექტურობა ყოველთვის ერთზე ნაკლებია. თბოენერგეტიკული ინჟინერიის ამოცანაა ეფექტურობა მაქსიმალურად მაღალი იყოს, ანუ რაც შეიძლება მეტი სითბო გამოიყენოს გამათბობელიდან მიღებული სამუშაოს წარმოებისთვის. როგორ შეიძლება ამის მიღწევა?
პირველად, ყველაზე სრულყოფილი ციკლური პროცესი, რომელიც შედგებოდა იზოთერმებისა და ადიაბატებისგან, შემოგვთავაზა ფრანგმა ფიზიკოსმა და ინჟინერმა ს. კარნომ 1824 წელს.

კარნოს ციკლი.

დავუშვათ, რომ გაზი არის ცილინდრში, რომლის კედლები და დგუში დამზადებულია თბოიზოლაციის მასალისგან, ხოლო ქვედა ნაწილი დამზადებულია მაღალი თბოგამტარობის მასალისგან. გაზის მიერ დაკავებული მოცულობა ტოლია V 1.

მოდი ცილინდრი მივიყვანოთ კონტაქტში გამათბობელთან (სურათი 2) და მივცეთ გაზს იზოთერმულად გაფართოების და სამუშაოს შესრულების შესაძლებლობა. . გაზი იღებს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას გამათბობელიდან Q 1.ეს პროცესი გრაფიკულად წარმოდგენილია იზოთერმით (მრუდი AB).

როდესაც გაზის მოცულობა უდრის გარკვეულ მნიშვნელობას V 1'< V 2 , ცილინდრის ქვედა ნაწილი იზოლირებულია გამათბობელიდან , ამის შემდეგ გაზი ადიაბატურად ფართოვდება მოცულობამდე V 2,ცილინდრში დგუშის მაქსიმალური შესაძლო დარტყმის შესაბამისი (ადიაბატური მზე). ამ შემთხვევაში, გაზი გაცივებულია ტემპერატურამდე T 2< T 1 .
გაცივებული აირის შეკუმშვა შესაძლებელია ტემპერატურაზე იზოთერმულად T2.ამისათვის ის უნდა იყოს კონტაქტში იმავე ტემპერატურის მქონე სხეულთან T 2,ანუ მაცივრით , და შეკუმშოს გაზი გარე ძალით. თუმცა, ამ პროცესში გაზი არ უბრუნდება პირვანდელ მდგომარეობას - მისი ტემპერატურა ყოველთვის დაბალი იქნება ვიდრე T 1.
ამრიგად, იზოთერმული შეკუმშვა მიიღწევა გარკვეულ შუალედურ მოცულობამდე V 2 '> V 1(იზოთერმი CD). ამ შემთხვევაში, გაზი აწვდის მაცივარს გარკვეულ სითბოს Q2,მასზე შესრულებული შეკუმშვის სამუშაოს ტოლია. ამის შემდეგ გაზი ადიაბატურად შეკუმშულია მოცულობამდე V 1,ამავე დროს მისი ტემპერატურა იზრდება T 1(ადიაბატური დ.ა.). ახლა გაზი დაუბრუნდა პირვანდელ მდგომარეობას, რომელშიც მისი მოცულობა უდრის V 1-ს, ტემპერატურა - T1,წნევა - გვ 1და ციკლი შეიძლება კვლავ განმეორდეს.

ასე რომ, საიტზე ABCგაზი მუშაობს (A > 0),და საიტზე CDAგაზზე შესრულებული სამუშაო (ა< 0). საიტებზე მზედა ახ.წმუშაობა კეთდება მხოლოდ გაზის შიდა ენერგიის შეცვლით. შინაგანი ენერგიის ცვლილების შემდეგ UBC = -UDA, მაშინ მუშაობა ადიაბატური პროცესების დროს ტოლია: ABC = –ADA.შესაბამისად, ციკლზე შესრულებული სამუშაოს საერთო რაოდენობა განისაზღვრება იზოთერმული პროცესების დროს შესრულებული სამუშაოს სხვაობით (სექციები ABდა CD). რიცხობრივად, ეს ნამუშევარი უდრის ციკლის მრუდით შემოსაზღვრული ფიგურის ფართობს Ა Ბ Გ Დ.
სითბოს მხოლოდ ნაწილი რეალურად გარდაიქმნება სასარგებლო სამუშაოდ QT,მიღებული გამათბობელიდან, ტოლია QT 1 – |QT 2 |.ასე რომ, კარნოს ციკლში, სასარგებლო სამუშაო A = QT 1 – |QT 2 |.
იდეალური ციკლის მაქსიმალური ეფექტურობა, როგორც ეს აჩვენა ს. კარნომ, შეიძლება გამოიხატოს გამათბობელის ტემპერატურის მიხედვით. (T 1)და მაცივარი (T 2):

რეალურ ძრავებში შეუძლებელია ციკლის განხორციელება, რომელიც შედგება იდეალური იზოთერმული და ადიაბატური პროცესებისგან. ამრიგად, რეალურ ძრავებში განხორციელებული ციკლის ეფექტურობა ყოველთვის ნაკლებია კარნოს ციკლის ეფექტურობაზე (გამათბობლებისა და მაცივრების იგივე ტემპერატურაზე):

ფორმულა აჩვენებს, რომ რაც უფრო მაღალია გამათბობლის ტემპერატურა და რაც უფრო დაბალია მაცივრის ტემპერატურა, მით მეტია ძრავის ეფექტურობა.

პრობლემა No703

ძრავა მუშაობს კარნოს ციკლის მიხედვით. როგორ შეიცვლება სითბური ძრავის ეფექტურობა, თუ მაცივრის მუდმივ ტემპერატურაზე 17 o C, გამაცხელებლის ტემპერატურა გაიზარდა 127-დან 447 o C-მდე?

პრობლემა No525

განსაზღვრეთ ტრაქტორის ძრავის ეფექტურობა, რომელსაც 1,9 × 107 ჯ სამუშაოს შესასრულებლად სჭირდებოდა 1,5 კგ საწვავი წვის სპეციფიკური სითბოთი 4,2 · 107 ჯ/კგ.

კომპიუტერული ტესტის გავლა თემაზე.<დანართი 4 > სითბოს ძრავის მოდელთან მუშაობა.

« ფიზიკა - მე-10 კლასი“

პრობლემების გადასაჭრელად, თქვენ უნდა გამოიყენოთ ცნობილი გამონათქვამები სითბოს ძრავების ეფექტურობის დასადგენად და გახსოვდეთ, რომ გამოთქმა (13.17) მოქმედებს მხოლოდ იდეალური სითბოს ძრავისთვის.

დავალება 1.

ორთქლის ძრავის ქვაბში ტემპერატურაა 160 °C, ხოლო მაცივრის ტემპერატურა 10 °C.
რა არის მაქსიმალური სამუშაო, რომელიც შეიძლება შეასრულოს მანქანამ თეორიულად, თუ ქვანახშირი, რომლის წონაა 200 კგ, წვის სპეციფიკური სითბოთი 2,9 10 7 ჯ/კგ, იწვება 60% ეფექტურობის ღუმელში?

გამოსავალი.

მაქსიმალური სამუშაო შეიძლება შესრულდეს იდეალური სითბური ძრავით, რომელიც მუშაობს კარნოს ციკლის მიხედვით, რომლის ეფექტურობაა η = (T 1 - T 2)/T 1, სადაც T 1 და T 2 არის გამათბობლის აბსოლუტური ტემპერატურა და. მაცივარი. ნებისმიერი სითბური ძრავისთვის ეფექტურობა განისაზღვრება ფორმულით η = A/Q 1, სადაც A არის სითბოს ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაო, Q 1 არის დანადგარის მიერ გამათბობელიდან მიღებული სითბოს რაოდენობა.
პრობლემის პირობებიდან ირკვევა, რომ Q 1 არის საწვავის წვის დროს გამოთავისუფლებული სითბოს ნაწილი: Q 1 = η 1 მკვ.

მაშინ სად არის A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1.2 10 9 J.

დავალება 2.

ორთქლის ძრავა, რომლის სიმძლავრეა N = 14,7 კვტ, მოიხმარს საწვავს, რომლის წონაა m = 8,1 კგ ყოველ 1 საათში, წვის სპეციფიკური სითბო q = 3,3 10 7 ჯ/კგ.
ქვაბის ტემპერატურა 200 °C, მაცივარი 58 °C.
განსაზღვრეთ ამ აპარატის ეფექტურობა და შეადარეთ იგი იდეალური სითბოს ძრავის ეფექტურობას.

გამოსავალი.

სითბური ძრავის ეფექტურობა უდრის დასრულებული მექანიკური სამუშაოს A თანაფარდობას საწვავის წვის დროს გამოთავისუფლებული Qlt სითბოს დახარჯულ რაოდენობასთან.
სითბოს რაოდენობა Q 1 = მკვ.

ამავე დროს შესრულებული სამუშაო A = Nt.

ამრიგად, η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, ან η ≈ 20%.

იდეალური სითბოს ძრავისთვის η < η ид.

დავალება 3.

იდეალური სითბოს ძრავა ეფექტურობით η მუშაობს საპირისპირო ციკლში (ნახ. 13.15).

რამდენია სითბოს მაქსიმალური რაოდენობა, რომლის მიღებაც შეიძლება მაცივრიდან მექანიკური სამუშაოს A შესრულებით?

ვინაიდან სამაცივრო მანქანა მუშაობს საპირისპირო ციკლში, იმისთვის, რომ სითბო ნაკლებად გახურებული სხეულიდან უფრო გაცხელებულზე გადავიდეს, აუცილებელია გარე ძალებმა დადებითი სამუშაოს შესრულება.
სამაცივრო აპარატის სქემატური დიაგრამა: მაცივრიდან აღებულია სითბოს რაოდენობა Q 2, სამუშაო კეთდება გარე ძალებით და სითბოს რაოდენობა Q 1 გადადის გამათბობელზე.
აქედან გამომდინარე, Q 2 = Q 1 (1 - η), Q 1 = A/η.

საბოლოოდ, Q 2 = (A/η) (1 - η).

წყარო: „ფიზიკა - მე-10 კლასი“, 2014წ., სახელმძღვანელო Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky.

თერმოდინამიკის საფუძვლები. თერმული ფენომენები - ფიზიკა, სახელმძღვანელო მე-10 კლასისთვის - საკლასო ფიზიკა

« ფიზიკა - მე-10 კლასი“

რა არის თერმოდინამიკური სისტემა და რა პარამეტრები ახასიათებს მის მდგომარეობას.
ჩამოთვალეთ თერმოდინამიკის პირველი და მეორე კანონები.

სწორედ სითბური ძრავების თეორიის შექმნამ განაპირობა თერმოდინამიკის მეორე კანონის ფორმულირება.

დედამიწის ქერქსა და ოკეანეებში შიდა ენერგიის მარაგი პრაქტიკულად შეუზღუდავად შეიძლება ჩაითვალოს. მაგრამ პრაქტიკული პრობლემების გადასაჭრელად ენერგეტიკული რეზერვების არსებობა საკმარისი არ არის. ასევე აუცილებელია ენერგიის გამოყენება ქარხნებში და ქარხნებში ჩარხების, სატრანსპორტო საშუალებების, ტრაქტორების და სხვა მანქანების ამოქმედებაში, ელექტრო დენის გენერატორების როტორების დასატრიალებლად და ა.შ. კაცობრიობას სჭირდება ძრავები - სამუშაოს შესასრულებელი მოწყობილობები. დედამიწაზე არსებული ძრავების უმეტესობა არის სითბოს ძრავები.

სითბოს ძრავები- ეს არის მოწყობილობები, რომლებიც გარდაქმნის საწვავის შიდა ენერგიას მექანიკურ სამუშაოდ.

სითბოს ძრავების მუშაობის პრინციპი.

იმისათვის, რომ ძრავამ იმუშაოს, უნდა იყოს წნევის სხვაობა ძრავის დგუშის ან ტურბინის პირების ორივე მხარეს. ყველა სითბოს ძრავში, წნევის ეს განსხვავება მიიღწევა ტემპერატურის გაზრდით სამუშაო სითხე(გაზი) ასობით ან ათასობით გრადუსით გარემოს ტემპერატურასთან შედარებით. ტემპერატურის ეს ზრდა ხდება საწვავის წვის დროს.

ძრავის ერთ-ერთი მთავარი ნაწილია გაზით სავსე ჭურჭელი მოძრავი დგუშით. ყველა სითბოს ძრავის სამუშაო სითხე არის გაზი, რომელიც მუშაობს გაფართოების დროს. მუშა სითხის (აირის) საწყისი ტემპერატურა ავღნიშნოთ T 1-ით. ეს ტემპერატურა ორთქლის ტურბინებში ან მანქანებში მიიღწევა ორთქლის ქვაბში არსებული ორთქლით. შიდა წვის ძრავებში და გაზის ტურბინებში ტემპერატურის მატება ხდება ძრავის შიგნით საწვავის წვის შედეგად. ტემპერატურა T 1 ე.წ გამათბობლის ტემპერატურა.

მაცივრის როლი.

სამუშაოს შესრულებისას გაზი კარგავს ენერგიას და გარდაუვლად კლებულობს გარკვეულ ტემპერატურამდე T2, რომელიც ჩვეულებრივ ოდნავ აღემატება გარემოს ტემპერატურას. ისინი მას ეძახიან მაცივრის ტემპერატურა. მაცივარი არის ატმოსფერო ან სპეციალური მოწყობილობა ნარჩენების ორთქლის გაგრილებისა და კონდენსაციისთვის - კონდენსატორები. ამ უკანასკნელ შემთხვევაში, მაცივრის ტემპერატურა შეიძლება ოდნავ დაბალი იყოს გარემოს ტემპერატურაზე.

ამრიგად, ძრავში სამუშაო სითხე გაფართოების დროს ვერ დათმობს მთელ თავის შიდა ენერგიას სამუშაოს შესასრულებლად. სითბოს ნაწილი აუცილებლად გადადის მაცივარში (ატმოსფერო) ნარჩენების ორთქლთან ან გამონაბოლქვი აირებთან ერთად შიდა წვის ძრავებიდან და გაზის ტურბინებიდან.

საწვავის შიდა ენერგიის ეს ნაწილი იკარგება. სითბოს ძრავა ასრულებს სამუშაოს სამუშაო სითხის შიდა ენერგიის გამო. უფრო მეტიც, ამ პროცესში სითბო უფრო ცხელი სხეულებიდან (გამათბობელი) ცივზე (მაცივარზე) გადადის. სითბური ძრავის სქემატური დიაგრამა ნაჩვენებია სურათზე 13.13.

ძრავის მუშა სითხე საწვავის წვის დროს გამათბობელიდან იღებს სითბოს Q 1 რაოდენობას, ასრულებს A სამუშაოს და სითბოს რაოდენობას გადასცემს მაცივარს. Q 2< Q 1 .

იმისათვის, რომ ძრავმა მუდმივად იმუშაოს, საჭიროა სამუშაო სითხის დაბრუნება საწყის მდგომარეობაში, რომლის დროსაც სამუშაო სითხის ტემპერატურა ტოლია T 1-ის. აქედან გამომდინარეობს, რომ ძრავა მუშაობს პერიოდულად განმეორებადი დახურული პროცესების მიხედვით, ან, როგორც ამბობენ, ციკლში.

ციკლიარის პროცესების სერია, რომლის შედეგადაც სისტემა უბრუნდება საწყის მდგომარეობას.

სითბოს ძრავის მუშაობის (ეფექტურობის) კოეფიციენტი.

გაზის შიდა ენერგიის სრულად გადაქცევის შეუძლებლობა სითბოს ძრავების მუშაობაში განპირობებულია ბუნებაში მიმდინარე პროცესების შეუქცევადობით. თუ სითბოს შეუძლია სპონტანურად დაბრუნება მაცივრიდან გამათბობელში, მაშინ შიდა ენერგია შეიძლება მთლიანად გარდაიქმნას სასარგებლო სამუშაოდ ნებისმიერი სითბური ძრავით. თერმოდინამიკის მეორე კანონი შეიძლება გამოითვალოს შემდეგნაირად:

თერმოდინამიკის მეორე კანონი:
შეუძლებელია მეორე სახის მუდმივი მოძრაობის აპარატის შექმნა, რომელიც სითბოს მთლიანად მექანიკურ სამუშაოდ გარდაქმნის.

ენერგიის შენარჩუნების კანონის მიხედვით, ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაო ტოლია:

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

სადაც Q 1 არის გამათბობელიდან მიღებული სითბოს რაოდენობა, ხოლო Q2 არის მაცივრისთვის მიცემული სითბოს რაოდენობა.

სითბოს ძრავის მუშაობის (ეფექტურობის) კოეფიციენტი არის ძრავის მიერ შესრულებული სამუშაოს "A" თანაფარდობა გამათბობელიდან მიღებული სითბოს რაოდენობასთან:

ვინაიდან ყველა ძრავა გადასცემს სითბოს გარკვეულ რაოდენობას მაცივარში, მაშინ η< 1.

სითბოს ძრავების მაქსიმალური ეფექტურობის ღირებულება.

თერმოდინამიკის კანონები შესაძლებელს ხდის გამოვთვალოთ სითბოს ძრავის მაქსიმალური ეფექტურობა, რომელიც მუშაობს გამათბობლით T1 ტემპერატურაზე და მაცივრით T2 ტემპერატურაზე, ასევე განვსაზღვროთ მისი გაზრდის გზები.

პირველად, სითბოს ძრავის მაქსიმალური შესაძლო ეფექტურობა გამოითვალა ფრანგმა ინჟინერმა და მეცნიერმა სადი კარნომ (1796-1832) თავის ნაშრომში "ასახვა ცეცხლის მამოძრავებელ ძალაზე და მანქანებზე, რომლებსაც შეუძლიათ ამ ძალის განვითარება" (1824 წ. ).

კარნომ მოიფიქრა იდეალური სითბური ძრავა, იდეალური გაზით, როგორც სამუშაო სითხე. იდეალური კარნოს სითბოს ძრავა მუშაობს ციკლზე, რომელიც შედგება ორი იზოთერმისა და ორი ადიაბატისგან და ეს პროცესები შექცევადად ითვლება (ნახ. 13.14). პირველ რიგში, გაზთან დაკავშირებული ჭურჭელი შედის კონტაქტში გამათბობელთან, გაზი ფართოვდება იზოთერმულად, ასრულებს დადებით მუშაობას T 1 ტემპერატურაზე და იღებს სითბოს რაოდენობას Q 1.

შემდეგ ჭურჭელი თერმულად იზოლირებულია, გაზი აგრძელებს ადიაბატურად გაფართოებას, ხოლო მისი ტემპერატურა ეცემა მაცივრის T 2 ტემპერატურამდე. ამის შემდეგ გაზი შედის მაცივართან კონტაქტში, იზოთერმული შეკუმშვისას მაცივარს აძლევს Q 2 სითბოს რაოდენობას, იკუმშება V4 მოცულობამდე.< 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:

როგორც ფორმულიდან (13.17) ჩანს, კარნოს აპარატის ეფექტურობა პირდაპირპროპორციულია გამათბობლისა და მაცივრის აბსოლუტური ტემპერატურის სხვაობისა.

ამ ფორმულის მთავარი მნიშვნელობა იმაში მდგომარეობს, რომ იგი მიუთითებს ეფექტურობის გაზრდის გზაზე, ამისთვის აუცილებელია გამაცხელებლის ტემპერატურის გაზრდა ან მაცივრის ტემპერატურის დაწევა.

ნებისმიერი რეალური სითბური ძრავა, რომელიც მუშაობს გამათბობლით T1 ტემპერატურაზე და მაცივრით T2 ტემპერატურაზე, არ შეიძლება ჰქონდეს იდეალური სითბური ძრავის ეფექტურობა: პროცესები, რომლებიც ქმნიან რეალური სითბოს ძრავის ციკლს, შეუქცევადია.

ფორმულა (13.17) იძლევა თეორიულ ზღვარს სითბოს ძრავების მაქსიმალური ეფექტურობის მნიშვნელობისთვის. ეს აჩვენებს, რომ სითბოს ძრავა უფრო ეფექტურია, რაც უფრო დიდია ტემპერატურის სხვაობა გამათბობელსა და მაცივარს შორის.

მხოლოდ მაცივრის ტემპერატურაზე, რომელიც უდრის აბსოლუტურ ნულს, არის η = 1. გარდა ამისა, დადასტურდა, რომ ფორმულით (13.17) გამოთვლილი ეფექტურობა არ არის დამოკიდებული სამუშაო ნივთიერებაზე.

მაგრამ მაცივრის ტემპერატურა, რომლის როლს ჩვეულებრივ ატმოსფერო ასრულებს, პრაქტიკულად არ შეიძლება იყოს უფრო დაბალი ვიდრე ატმოსფერული ჰაერის ტემპერატურა. შეგიძლიათ გაზარდოთ გამათბობლის ტემპერატურა. თუმცა, ნებისმიერ მასალას (მყარს) აქვს შეზღუდული სითბოს წინააღმდეგობა ან სითბოს წინააღმდეგობა. გაცხელებისას ის თანდათან კარგავს თავის ელასტიურ თვისებებს და საკმარისად მაღალ ტემპერატურაზე დნება.

ახლა ინჟინრების ძირითადი ძალისხმევა მიმართულია ძრავების ეფექტურობის გაზრდაზე მათი ნაწილების ხახუნის შემცირებით, არასრული წვის გამო საწვავის დანაკარგებით და ა.შ.

ორთქლის ტურბინისთვის, ორთქლის საწყისი და საბოლოო ტემპერატურა დაახლოებით შემდეგია: T 1 - 800 K და T 2 - 300 K. ამ ტემპერატურაზე მაქსიმალური ეფექტურობის მნიშვნელობა არის 62% (გაითვალისწინეთ, რომ ეფექტურობა ჩვეულებრივ იზომება პროცენტულად) . ფაქტობრივი ეფექტურობის ღირებულება სხვადასხვა სახის ენერგიის დანაკარგების გამო არის დაახლოებით 40%. მაქსიმალური ეფექტურობა - დაახლოებით 44% - მიღწეულია დიზელის ძრავებით.

გარემოს დაცვა.

ძნელი წარმოსადგენია თანამედროვე სამყარო სითბოს ძრავების გარეშე. სწორედ ისინი გვაძლევენ კომფორტულ ცხოვრებას. სითბოს ძრავები მართავენ მანქანებს. ელექტროენერგიის დაახლოებით 80%, მიუხედავად ატომური ელექტროსადგურების არსებობისა, გამოიმუშავებს თერმული ძრავების გამოყენებით.

თუმცა, სითბოს ძრავების მუშაობის დროს ხდება გარემოს გარდაუვალი დაბინძურება. ეს არის წინააღმდეგობა: ერთი მხრივ, კაცობრიობას ყოველწლიურად უფრო და უფრო მეტი ენერგია სჭირდება, რომლის ძირითადი ნაწილი საწვავის წვის გზით მიიღება, მეორე მხრივ, წვის პროცესებს აუცილებლად ახლავს გარემოს დაბინძურება.

როდესაც საწვავი იწვის, ატმოსფეროში ჟანგბადის შემცველობა მცირდება. გარდა ამისა, წვის პროდუქტები თავად ქმნიან ქიმიურ ნაერთებს, რომლებიც საზიანოა ცოცხალი ორგანიზმებისთვის. დაბინძურება ხდება არა მხოლოდ მიწაზე, არამედ ჰაერშიც, რადგან თვითმფრინავის ნებისმიერ ფრენას თან ახლავს მავნე მინარევების ემისიები ატმოსფეროში.

ძრავების ერთ-ერთი შედეგია ნახშირორჟანგის წარმოქმნა, რომელიც შთანთქავს ინფრაწითელ გამოსხივებას დედამიწის ზედაპირიდან, რაც იწვევს ატმოსფერული ტემპერატურის მატებას. ეს არის ეგრეთ წოდებული სათბურის ეფექტი. გაზომვები აჩვენებს, რომ ატმოსფერული ტემპერატურა წელიწადში 0,05 °C-ით იმატებს. ტემპერატურის ასეთმა უწყვეტმა ზრდამ შეიძლება გამოიწვიოს ყინულის დნობა, რაც, თავის მხრივ, გამოიწვევს ოკეანეებში წყლის დონის ცვლილებას, ანუ კონტინენტების დატბორვას.

მოდით აღვნიშნოთ კიდევ ერთი უარყოფითი წერტილი სითბოს ძრავების გამოყენებისას. ასე რომ, ზოგჯერ მდინარეებიდან და ტბებიდან წყალი გამოიყენება ძრავების გასაგრილებლად. შემდეგ გაცხელებული წყალი უკან ბრუნდება. წყლის ობიექტებში ტემპერატურის მატება არღვევს ბუნებრივ ბალანსს; ამ მოვლენას თერმული დაბინძურება ეწოდება.

გარემოს დასაცავად ფართოდ გამოიყენება სხვადასხვა საწმენდი ფილტრები ატმოსფეროში მავნე ნივთიერებების გათავისუფლების თავიდან ასაცილებლად და უმჯობესდება ძრავის დიზაინი. შეიმჩნევა საწვავის უწყვეტი გაუმჯობესება, რომელიც წვის დროს გამოიმუშავებს ნაკლებ მავნე ნივთიერებებს, ასევე მისი წვის ტექნოლოგია. აქტიურად ვითარდება ენერგიის ალტერნატიული წყაროები ქარის, მზის რადიაციის და ბირთვული ენერგიის გამოყენებით. უკვე იწარმოება ელექტრო და მზის ენერგიაზე მომუშავე მანქანები.