เครื่องยนต์ความร้อนคือเครื่องยนต์ที่ทำงานโดยใช้แหล่งพลังงานความร้อน

พลังงานความร้อน ( เครื่องทำความร้อน Q) จะถูกถ่ายโอนจากแหล่งกำเนิดไปยังเครื่องยนต์ และเครื่องยนต์จะใช้พลังงานส่วนหนึ่งที่ได้รับไปทำงาน ว, พลังงานที่ไม่ได้ใช้ ( ตู้เย็น Q) ถูกส่งไปยังตู้เย็น ซึ่งสามารถเล่นบทบาทได้ เช่น อากาศโดยรอบ เครื่องยนต์ความร้อนสามารถทำงานได้เฉพาะเมื่ออุณหภูมิของตู้เย็นน้อยกว่าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนเท่านั้น

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (COP) ของเครื่องยนต์ความร้อนสามารถคำนวณได้โดยใช้สูตร: ประสิทธิภาพ = W/Q ng.

ประสิทธิภาพ = 1 (100%) หากพลังงานความร้อนทั้งหมดถูกแปลงเป็นงาน ประสิทธิภาพ = 0 (0%) หากไม่มีการแปลงพลังงานความร้อนเป็นงาน

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจริงอยู่ในช่วง 0 ถึง 1 ยิ่งประสิทธิภาพสูง เครื่องยนต์ก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้น

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

เมื่อพิจารณากฎข้อที่สามของอุณหพลศาสตร์ ซึ่งระบุว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะไปถึงอุณหภูมิศูนย์สัมบูรณ์ (T=0K) เราสามารถพูดได้ว่าเป็นไปไม่ได้ที่จะพัฒนาเครื่องยนต์ความร้อนที่มีประสิทธิภาพ=1 เนื่องจาก Tx มีค่า >0 เสมอ

ยิ่งอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนสูงขึ้นและอุณหภูมิของตู้เย็นยิ่งต่ำลง ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

งานที่เครื่องยนต์ทำคือ:

กระบวนการนี้ได้รับการพิจารณาครั้งแรกโดยวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส N. L. S. Carnot ในปี 1824 ในหนังสือ "ภาพสะท้อนแรงผลักดันของไฟและบนเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาพลังนี้ได้"

เป้าหมายของการวิจัยของ Carnot คือการค้นหาสาเหตุของความไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ความร้อนในเวลานั้น (มีประสิทธิภาพ ≤ 5%) และค้นหาวิธีปรับปรุง

วัฏจักรคาร์โนต์มีประสิทธิภาพมากที่สุด ประสิทธิภาพสูงสุด

รูปนี้แสดงกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ของวัฏจักร ในระหว่างการขยายตัวของอุณหภูมิคงที่ (1-2) ที่อุณหภูมิ ต 1 งานเสร็จสิ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของเครื่องทำความร้อนเช่น เนื่องจากการจ่ายความร้อนให้กับแก๊ส ถาม:

ก 12 = ถาม 1 ,

การระบายความร้อนด้วยแก๊สก่อนการบีบอัด (3-4) เกิดขึ้นระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (2-3) การเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน ∆U 23 ในระหว่างกระบวนการอะเดียแบติก ( ถาม = 0) ถูกแปลงเป็นงานเครื่องกลโดยสมบูรณ์:

ก 23 = -∆U 23 ,

อุณหภูมิของก๊าซอันเป็นผลมาจากการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (2-3) ลดลงจนถึงอุณหภูมิของตู้เย็น ต 2 < ต 1 . ในกระบวนการ (3-4) ก๊าซจะถูกบีบอัดด้วยความร้อนเพื่อถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น คำถามที่ 2:

ก 34 = ค 2,

วงจรจบลงด้วยกระบวนการอัดอะเดียแบติก (4-1) ซึ่งก๊าซจะถูกให้ความร้อนจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ที 1.

ค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนจากแก๊สในอุดมคติตามวัฏจักรการ์โนต์:

.

สาระสำคัญของสูตรแสดงออกมาในการพิสูจน์แล้ว กับ. ทฤษฎีบทของการ์โนต์ที่ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใดๆ จะต้องไม่เกินประสิทธิภาพของวงจรการ์โนต์ที่ทำงานที่อุณหภูมิเดียวกันของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น

หัวข้อ: “หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน เครื่องยนต์ระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพสูงสุด"

รูปร่าง:บทเรียนรวมการใช้เทคโนโลยีคอมพิวเตอร์

เป้าหมาย:

• แสดงความสำคัญของการใช้เครื่องจักรความร้อนในชีวิตมนุษย์
• ศึกษาหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจริงและเครื่องยนต์ในอุดมคติที่ทำงานตามวัฏจักรการ์โนต์
• พิจารณาวิธีที่เป็นไปได้ในการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริง
• เพื่อพัฒนาความอยากรู้อยากเห็นของนักเรียน ความสนใจในความคิดสร้างสรรค์ทางเทคนิค การเคารพในความสำเร็จทางวิทยาศาสตร์ของนักวิทยาศาสตร์และวิศวกร

แผนการเรียน.

เลขที่	คำถาม	เวลา (นาที)
1	แสดงความจำเป็นในการใช้เครื่องยนต์ความร้อนในสภาวะสมัยใหม่
2	การทำซ้ำแนวคิดเรื่อง "เครื่องยนต์ความร้อน" ประเภทของเครื่องยนต์ให้ความร้อน: เครื่องยนต์สันดาปภายใน (คาร์บูเรเตอร์ ดีเซล) กังหันไอน้ำและก๊าซ เครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทและจรวด
3	คำอธิบายของเนื้อหาทางทฤษฎีใหม่ แผนผังและโครงสร้างของเครื่องยนต์ความร้อน หลักการทำงาน ประสิทธิภาพ วงจรการ์โนต์ เครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ ประสิทธิภาพของมัน การเปรียบเทียบประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจริงและในอุดมคติ
4	วิธีแก้ปัญหาหมายเลข 703 (Stepanova), หมายเลข 525 (Bendrikov)
5	การทำงานกับเครื่องยนต์ความร้อนรุ่น
6	สรุป. การบ้าน§ 33 ปัญหาหมายเลข 700 และหมายเลข 697 (Stepanova)

วัสดุทางทฤษฎี

ตั้งแต่สมัยโบราณ มนุษย์ต้องการเป็นอิสระจากความพยายามทางกายภาพหรือเพื่อบรรเทาความลำบากในการเคลื่อนย้ายบางสิ่ง เพื่อให้มีความแข็งแกร่งและความเร็วมากขึ้น
ตำนานถูกสร้างขึ้นเกี่ยวกับพรมเครื่องบิน รองเท้าบู๊ตเจ็ดลีก และพ่อมดที่อุ้มบุคคลไปยังดินแดนอันห่างไกลด้วยคลื่นแห่งไม้กายสิทธิ์ เมื่อบรรทุกของหนัก ผู้คนคิดค้นรถเข็นขึ้นมาเพราะว่าม้วนได้ง่ายกว่า จากนั้นพวกเขาก็ดัดแปลงสัตว์ต่างๆ เช่น วัว กวาง สุนัข และม้าเกือบทั้งหมด นี่คือลักษณะของเกวียนและรถม้า ในรถม้า ผู้คนแสวงหาความสะดวกสบายและพัฒนาพวกเขามากขึ้นเรื่อยๆ
ความปรารถนาของผู้คนในการเพิ่มความเร็วยังเร่งให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเหตุการณ์ในประวัติศาสตร์การพัฒนาระบบขนส่งอีกด้วย จากภาษากรีก "รถยนต์" - "ตัวเอง" และภาษาละติน "mobilis" - "มือถือ" คำคุณศัพท์ "ตัวขับเคลื่อน" หรือ "รถยนต์เคลื่อนที่" อย่างแท้จริงถูกสร้างขึ้นในภาษายุโรป

มันนำไปใช้กับนาฬิกาตุ๊กตาอัตโนมัติกับกลไกทุกประเภทโดยทั่วไปกับทุกสิ่งที่ทำหน้าที่เป็นส่วนเสริมของ "ความต่อเนื่อง" "การปรับปรุง" ของบุคคล ในศตวรรษที่ 18 พวกเขาพยายามแทนที่กำลังคนด้วยพลังไอน้ำ และใช้คำว่า "รถยนต์" กับเกวียนไร้ร่องรอย

เหตุใดอายุของรถยนต์จึงเริ่มต้นจาก “รถยนต์เบนซิน” รุ่นแรกที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งคิดค้นและผลิตขึ้นในปี พ.ศ. 2428-2429 ราวกับลืมทีมงานไอน้ำและแบตเตอรี่ (ไฟฟ้า) ความจริงก็คือเครื่องยนต์สันดาปภายในทำให้เกิดการปฏิวัติเทคโนโลยีการขนส่งอย่างแท้จริง เป็นเวลานานที่มันกลายเป็นสิ่งที่สอดคล้องกับแนวคิดเรื่องรถยนต์มากที่สุดและยังคงรักษาตำแหน่งที่โดดเด่นมาเป็นเวลานาน ปัจจุบันส่วนแบ่งของยานพาหนะที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 99.9% ของการขนส่งทางถนนทั่วโลก<ภาคผนวก 1 >

ชิ้นส่วนหลักของเครื่องยนต์ความร้อน

ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ พลังงานกลได้มาจากพลังงานภายในของเชื้อเพลิงเป็นหลัก อุปกรณ์ที่พลังงานภายในถูกแปลงเป็นพลังงานกลเรียกว่าเครื่องยนต์ความร้อน<ภาคผนวก 2 >

ในการทำงานโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงในอุปกรณ์ที่เรียกว่าฮีตเตอร์ คุณสามารถใช้กระบอกสูบที่ให้ความร้อนและขยายแก๊สแล้วเคลื่อนลูกสูบได้<ภาคผนวก 3 > ก๊าซที่การขยายตัวทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่เรียกว่าสารทำงาน ก๊าซขยายตัวเนื่องจากความดันสูงกว่าความดันภายนอก แต่เมื่อก๊าซขยายตัว ความดันจะลดลง และไม่ช้าก็เร็วแก๊สก็จะเท่ากับแรงดันภายนอก จากนั้นการขยายตัวของแก๊สก็จะสิ้นสุดลงและจะหยุดทำงาน

ควรทำอย่างไรเพื่อให้การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนไม่หยุด? เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานอย่างต่อเนื่อง หลังจากขยายแก๊สแล้ว ลูกสูบจะกลับสู่ตำแหน่งเดิมทุกครั้ง โดยลูกสูบจะบีบอัดแก๊สให้กลับสู่สภาพเดิม การบีบอัดก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกเท่านั้น ซึ่งในกรณีนี้จะทำงานได้ (แรงดันแก๊สในกรณีนี้จะทำงานเชิงลบ) หลังจากนี้ กระบวนการขยายและอัดก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้อีกครั้ง ซึ่งหมายความว่าการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจะต้องประกอบด้วยกระบวนการ (รอบ) ของการขยายและการบีบอัดซ้ำเป็นระยะๆ

รูปที่ 1 แสดงกระบวนการขยายตัวของก๊าซ (เส้น เอบี) และการบีบอัดเป็นโวลุ่มต้นฉบับ (line ซีดี).งานที่ทำโดยแก๊สระหว่างการขยายตัวเป็นบวก ( เอเอฟ > 0 เอบีเอฟ. งานที่ทำโดยแก๊สระหว่างการบีบอัดจะเป็นลบ (เนื่องจาก เอเอฟ< 0 ) และเป็นตัวเลขเท่ากับพื้นที่ของรูป ซีดีอีเอฟ.งานที่เป็นประโยชน์สำหรับวัฏจักรนี้จะเท่ากับตัวเลขผลต่างในพื้นที่ใต้เส้นโค้ง เอบีและ ซีดี(แรเงาในภาพ)
การมีเครื่องทำความร้อน สารทำงาน และตู้เย็นเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นขั้นพื้นฐานสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนแบบวนรอบอย่างต่อเนื่อง

ประสิทธิภาพความร้อนของเครื่องยนต์

สารทำงานซึ่งได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q 1 จากเครื่องทำความร้อน จะส่งความร้อนส่วนหนึ่งของปริมาณนี้ซึ่งมีหน่วยเป็นโมดูลัส |Q2| ให้กับตู้เย็น ดังนั้นงานที่ทำก็ไม่สามารถยิ่งใหญ่ไปกว่านี้ได้ ก = ค 1 - | ค 2 |อัตราส่วนของงานนี้ต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากก๊าซขยายตัวจากเครื่องทำความร้อนเรียกว่า ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ความร้อน:

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานในวงจรปิดจะน้อยกว่าหนึ่งเสมอ หน้าที่ของวิศวกรรมพลังงานความร้อนคือการทำให้ประสิทธิภาพสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ กล่าวคือ ใช้ความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการผลิตงาน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร?
เป็นครั้งแรกที่ S. Carnot นักฟิสิกส์และวิศวกรชาวฝรั่งเศสเสนอกระบวนการไซคลิกที่สมบูรณ์แบบที่สุด ซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มและอะเดียบัตในปี 1824

วงจรการ์โนต์

สมมติว่าก๊าซอยู่ในกระบอกสูบ ผนังและลูกสูบทำจากวัสดุฉนวนความร้อน และด้านล่างทำจากวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง ปริมาตรที่ก๊าซครอบครองมีค่าเท่ากับ วี 1.

ให้นำกระบอกสูบมาสัมผัสกับเครื่องทำความร้อน (รูปที่ 2) และให้โอกาสก๊าซขยายตัวแบบไอโซเทอร์มอลและทำงาน . ก๊าซได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งจากเครื่องทำความร้อน คำถามที่ 1.กระบวนการนี้แสดงเป็นภาพกราฟิกด้วยไอโซเทอร์ม (เส้นโค้ง เอบี).

เมื่อปริมาตรของก๊าซเท่ากับค่าที่กำหนด วี 1'< V 2 , ด้านล่างของกระบอกสูบแยกออกจากฮีตเตอร์ , หลังจากนั้นก๊าซจะขยายตัวแบบอะเดียแบติกจนถึงปริมาตร วี 2สอดคล้องกับระยะชักสูงสุดที่เป็นไปได้ของลูกสูบในกระบอกสูบ (อะเดียแบติก ดวงอาทิตย์). ในกรณีนี้ ก๊าซจะถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิหนึ่ง ที 2< T 1 .
ก๊าซที่เย็นลงสามารถถูกอัดด้วยอุณหภูมิคงที่ที่อุณหภูมิหนึ่งได้ ที2.โดยจะต้องนำมันไปสัมผัสกับร่างกายที่มีอุณหภูมิเท่ากัน ที 2,เช่นมีตู้เย็น , และอัดแก๊สด้วยแรงภายนอก อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการนี้ ก๊าซจะไม่กลับสู่สถานะเดิม อุณหภูมิของก๊าซจะต่ำกว่าเสมอ ที 1.
ดังนั้นการบีบอัดอุณหภูมิคงที่จึงถูกทำให้มีปริมาตรระดับกลางที่แน่นอน วี 2 '>วี ​​1(ไอโซเทอม ซีดี). ในกรณีนี้แก๊สจะปล่อยความร้อนบางส่วนให้กับตู้เย็น ไตรมาสที่ 2เท่ากับงานบีบอัดที่ทำอยู่ หลังจากนั้น ก๊าซจะถูกอัดแบบอะเดียแบติกให้มีปริมาตร วี 1ในขณะเดียวกันอุณหภูมิก็สูงขึ้นถึง ที 1(อะเดียแบติก ดี.เอ.). ตอนนี้ก๊าซกลับสู่สถานะเดิมโดยปริมาตรเท่ากับ V 1 อุณหภูมิ - T1,ความดัน - หน้า 1และสามารถทำซ้ำได้อีกครั้ง

ดังนั้นบนเว็บไซต์ เอบีซีแก๊สไม่ทำงาน (ก > 0)และบนเว็บไซต์ ซีดีเองานที่ทำเกี่ยวกับแก๊ส (ก< 0). ที่ไซต์ต่างๆ ดวงอาทิตย์และ ค.ศงานทำได้โดยการเปลี่ยนพลังงานภายในของก๊าซเท่านั้น เนื่องจากมีการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายใน ยูบีซี = –ยูดีเอดังนั้นงานระหว่างกระบวนการอะเดียแบติกจะเท่ากัน: เอบีซี = –ADAดังนั้น งานทั้งหมดที่ทำต่อรอบจะถูกกำหนดโดยความแตกต่างในงานที่ทำในระหว่างกระบวนการรักษาอุณหภูมิคงที่ (ส่วน เอบีและ ซีดี). โดยตัวเลขงานนี้เท่ากับพื้นที่ของรูปที่ล้อมรอบด้วยเส้นโค้งวงรอบ เอบีซีดี.
ปริมาณความร้อนเพียงบางส่วนเท่านั้นที่ถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์จริงๆ คิวทีที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนเท่ากับ ควอเตอร์ 1 – |ควอเตอร์ 2 |.ดังนั้นในวัฏจักรการ์โนต์งานที่มีประโยชน์ A = QT 1 – | QT 2 |.
ประสิทธิภาพสูงสุดของวงจรในอุดมคติ ดังที่แสดงโดย S. Carnot สามารถแสดงได้ในรูปของอุณหภูมิเครื่องทำความร้อน (ท1)และตู้เย็น (ท2):

ในเครื่องยนต์จริง เป็นไปไม่ได้ที่จะใช้วงจรที่ประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลและอะเดียแบติกในอุดมคติ ดังนั้นประสิทธิภาพของวงจรที่ดำเนินการในเครื่องยนต์จริงจึงน้อยกว่าประสิทธิภาพของวงจร Carnot เสมอ (ที่อุณหภูมิเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นเท่ากัน):

สูตรแสดงให้เห็นว่ายิ่งอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนสูงขึ้นและอุณหภูมิตู้เย็นต่ำลง ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ปัญหาหมายเลข 703

เครื่องยนต์ทำงานตามวงจรการ์โนต์ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะเปลี่ยนไปอย่างไรหากอุณหภูมิตู้เย็นคงที่ที่ 17 o C อุณหภูมิเครื่องทำความร้อนเพิ่มขึ้นจาก 127 เป็น 447 o C

ปัญหาหมายเลข 525

กำหนดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์รถแทรกเตอร์ ซึ่งต้องใช้เชื้อเพลิง 1.5 กิโลกรัม โดยมีความร้อนจำเพาะในการเผาไหม้ 4.2 · 107 J/kg เพื่อทำงาน 1.9 × 107 J

การทดสอบคอมพิวเตอร์ในหัวข้อ<ภาคผนวก 4 > การทำงานกับเครื่องยนต์ความร้อนรุ่น

« ฟิสิกส์ - ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10"

ในการแก้ปัญหา คุณต้องใช้นิพจน์ที่รู้จักในการพิจารณาประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน และโปรดจำไว้ว่านิพจน์ (13.17) ใช้ได้กับเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติเท่านั้น

ภารกิจที่ 1

ในหม้อต้มของเครื่องจักรไอน้ำ อุณหภูมิคือ 160 °C และอุณหภูมิตู้เย็นคือ 10 °C
งานสูงสุดที่เครื่องจักรสามารถทำได้ในทางทฤษฎีคือเท่าใด หากเผาถ่านหินน้ำหนัก 200 กิโลกรัม ด้วยความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ 2.9 10 7 จูล/กก. ในเตาเผาที่มีประสิทธิภาพ 60%

สารละลาย.

งานสูงสุดสามารถทำได้โดยเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติที่ทำงานตามวงจรการ์โนต์ ซึ่งประสิทธิภาพคือ η = (T 1 - T 2)/T 1 โดยที่ T 1 และ T 2 คืออุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อนและ ตู้เย็น. สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนใดๆ ประสิทธิภาพถูกกำหนดโดยสูตร η = A/Q 1 โดยที่ A คืองานที่ทำโดยเครื่องยนต์ความร้อน Q 1 คือปริมาณความร้อนที่เครื่องจักรได้รับจากเครื่องทำความร้อน
จากเงื่อนไขของปัญหาเป็นที่ชัดเจนว่า Q 1 เป็นส่วนหนึ่งของปริมาณความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง: Q 1 = η 1 mq

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

ภารกิจที่ 2

เครื่องจักรไอน้ำที่มีกำลัง N = 14.7 kW จะใช้เชื้อเพลิงโดยมีน้ำหนัก m = 8.1 กก. ต่อการทำงาน 1 ชั่วโมง โดยมีความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ q = 3.3 10 7 J/kg
อุณหภูมิหม้อต้ม 200°C, ตู้เย็น 58°C.
กำหนดประสิทธิภาพของเครื่องนี้และเปรียบเทียบกับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ

สารละลาย.

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนเท่ากับอัตราส่วนของงานเชิงกลที่เสร็จสมบูรณ์ A ต่อปริมาณความร้อนที่ใช้ไป Qlt ที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง
ปริมาณความร้อน Q 1 = mq

งานที่ทำในช่วงเวลาเดียวกัน A = Nt

ดังนั้น η = A/Q 1 = Nt/qm = 0.198 หรือ η µ 20%

สำหรับเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ η < η ид.

ภารกิจที่ 3

เครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติที่มีประสิทธิภาพ η ทำงานในวงจรย้อนกลับ (รูปที่ 13.15)

ปริมาณความร้อนสูงสุดที่สามารถนำออกจากตู้เย็นโดยการทำงานทางกล A คือเท่าใด

เนื่องจากเครื่องทำความเย็นทำงานในวงจรย้อนกลับ เพื่อให้ความร้อนถ่ายโอนจากตัวที่มีความร้อนน้อยกว่าไปยังตัวที่มีความร้อนมากขึ้น แรงภายนอกจึงจำเป็นต้องทำงานเชิงบวก
แผนผังของเครื่องทำความเย็น: ปริมาณความร้อน Q 2 ถูกนำมาจากตู้เย็น งานทำได้โดยแรงภายนอก และปริมาณความร้อน Q 1 จะถูกถ่ายโอนไปยังเครื่องทำความร้อน
เพราะฉะนั้น, คำถาม 2 = คำถาม 1 (1 - η), คำถาม 1 = A/η

สุดท้าย Q 2 = (A/η)(1 - η)

ที่มา: “ฟิสิกส์ - เกรด 10”, 2014, หนังสือเรียน Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky

พื้นฐานของอุณหพลศาสตร์ ปรากฏการณ์ทางความร้อน - ฟิสิกส์ หนังสือเรียนสำหรับชั้นประถมศึกษาปีที่ 10 - ฟิสิกส์ในห้องเรียน

« ฟิสิกส์ - ชั้นประถมศึกษาปีที่ 10"

ระบบอุณหพลศาสตร์คืออะไรและพารามิเตอร์ใดที่แสดงถึงสถานะของระบบ
ระบุกฎข้อที่หนึ่งและสองของอุณหพลศาสตร์

เป็นการสร้างทฤษฎีเครื่องยนต์ความร้อนที่นำไปสู่การกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

พลังงานสำรองภายในเปลือกโลกและมหาสมุทรถือได้ว่าไม่มีขีดจำกัดในทางปฏิบัติ แต่การแก้ปัญหาในทางปฏิบัติ การมีพลังงานสำรองยังไม่เพียงพอ นอกจากนี้ยังจำเป็นที่จะต้องใช้พลังงานในการติดตั้งเครื่องมือกลเคลื่อนที่ในโรงงานและโรงงาน ยานพาหนะ รถแทรกเตอร์ และเครื่องจักรอื่นๆ เพื่อหมุนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ฯลฯ มนุษยชาติต้องการเครื่องยนต์ - อุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้ เครื่องยนต์ส่วนใหญ่บนโลกมี เครื่องยนต์ความร้อน.

เครื่องยนต์ร้อน- เป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานภายในของเชื้อเพลิงเป็นงานเครื่องกล

หลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ จำเป็นต้องมีแรงดันที่แตกต่างกันทั้งสองด้านของลูกสูบเครื่องยนต์หรือใบพัดกังหัน ในเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนทั้งหมด ความแตกต่างของแรงดันนี้เกิดขึ้นได้จากการเพิ่มอุณหภูมิ ของไหลทำงาน(ก๊าซ) หลายร้อยหรือหลายพันองศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิโดยรอบ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้

หนึ่งในส่วนหลักของเครื่องยนต์คือถังบรรจุก๊าซพร้อมลูกสูบที่เคลื่อนที่ได้ สารทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดคือแก๊ส ซึ่งจะทำงานในระหว่างการขยายตัว ให้เราแสดงอุณหภูมิเริ่มต้นของของไหลทำงาน (แก๊ส) ด้วย T 1 . อุณหภูมินี้ในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรทำได้โดยไอน้ำในหม้อต้มไอน้ำ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ เรียกว่าอุณหภูมิ T 1 อุณหภูมิเครื่องทำความร้อน.

บทบาทของตู้เย็น

ขณะที่ทำงาน ก๊าซจะสูญเสียพลังงานและทำให้เย็นลงอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้จนถึงอุณหภูมิ T2 ซึ่งโดยปกติจะสูงกว่าอุณหภูมิโดยรอบเล็กน้อย พวกเขาโทรหาเธอ อุณหภูมิตู้เย็น. ตู้เย็น คือบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับทำความเย็นและควบแน่นไอน้ำเสีย - ตัวเก็บประจุ. ในกรณีหลัง อุณหภูมิของตู้เย็นอาจต่ำกว่าอุณหภูมิโดยรอบเล็กน้อย

ดังนั้นในเครื่องยนต์ สารทำงานในระหว่างการขยายตัวไม่สามารถละทิ้งพลังงานภายในทั้งหมดในการทำงานได้ ความร้อนบางส่วนถูกส่งไปยังตู้เย็น (บรรยากาศ) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้พร้อมกับไอน้ำเสียหรือก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ

พลังงานภายในของเชื้อเพลิงส่วนนี้จะหายไป เครื่องยนต์ความร้อนทำงานเนื่องจากพลังงานภายในของของไหลทำงาน ยิ่งไปกว่านั้น ในกระบวนการนี้ ความร้อนจะถูกถ่ายโอนจากตัวที่ร้อนกว่า (เครื่องทำความร้อน) ไปยังตัวที่เย็นกว่า (ตู้เย็น) แผนผังของเครื่องยนต์ความร้อนแสดงในรูปที่ 13.13

สารทำงานของเครื่องยนต์จะได้รับปริมาณความร้อน Q 1 จากเครื่องทำความร้อนระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง ทำงาน A" และถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น คำถามที่ 2< Q 1 .

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานอย่างต่อเนื่องจำเป็นต้องคืนสารทำงานให้กลับสู่สถานะเริ่มต้นที่อุณหภูมิของสารทำงานเท่ากับ T 1 เป็นไปตามที่เครื่องยนต์ทำงานตามกระบวนการปิดซ้ำเป็นระยะหรือตามที่พวกเขาพูดเป็นรอบ

วงจรเป็นชุดของกระบวนการซึ่งเป็นผลมาจากการที่ระบบกลับสู่สถานะเริ่มต้น

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (ประสิทธิภาพ) ของเครื่องยนต์ความร้อน

ความเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงพลังงานภายในของก๊าซไปเป็นการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนอย่างสมบูรณ์นั้นเกิดจากการที่กระบวนการในธรรมชาติกลับไม่ได้ หากความร้อนสามารถกลับคืนมาจากตู้เย็นไปยังเครื่องทำความร้อนได้เอง พลังงานภายในก็สามารถเปลี่ยนเป็นงานที่มีประโยชน์ได้อย่างสมบูรณ์โดยเครื่องยนต์ความร้อน กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์สามารถระบุได้ดังนี้:

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์:
เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเครื่องจักรการเคลื่อนที่ตลอดประเภทที่สอง ซึ่งจะแปลงความร้อนให้เป็นงานเชิงกลได้อย่างสมบูรณ์

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน งานของเครื่องยนต์มีค่าเท่ากับ:

ก" = ค 1 - | ค 2 |, (13.15)

โดยที่ Q 1 คือปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน และ Q2 คือปริมาณความร้อนที่มอบให้กับตู้เย็น

ค่าสัมประสิทธิ์สมรรถนะ (ประสิทธิภาพ) ของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงาน "A" ที่เครื่องยนต์ทำต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน:

เนื่องจากเครื่องยนต์ทั้งหมดถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น ดังนั้น η< 1.

ค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน

กฎของอุณหพลศาสตร์ทำให้สามารถคำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานด้วยเครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ T1 และตู้เย็นที่อุณหภูมิ T2 รวมถึงกำหนดวิธีในการเพิ่มขึ้น

เป็นครั้งแรกที่วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot (พ.ศ. 2339-2375) คำนวณประสิทธิภาพสูงสุดที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนในงานของเขา "ภาพสะท้อนของแรงผลักดันของไฟและบนเครื่องจักรที่สามารถพัฒนาพลังนี้ได้" (1824 ).

การ์โนต์เกิดเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติซึ่งมีก๊าซในอุดมคติเป็นของเหลวทำงาน เครื่องยนต์ความร้อนคาร์โนต์ในอุดมคติทำงานบนวงจรที่ประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัวและอะเดียแบทสองตัว และกระบวนการเหล่านี้ถือว่าสามารถย้อนกลับได้ (รูปที่ 13.14) ขั้นแรก ให้นำภาชนะที่มีก๊าซไปสัมผัสกับเครื่องทำความร้อน ก๊าซจะขยายตัวตามอุณหภูมิความร้อน ทำงานเชิงบวก ที่อุณหภูมิ T 1 และได้รับความร้อนจำนวน Q 1

จากนั้นภาชนะจะถูกหุ้มฉนวนความร้อนก๊าซยังคงขยายตัวแบบอะเดียแบติกในขณะที่อุณหภูมิลดลงถึงอุณหภูมิของตู้เย็น T 2 หลังจากนั้นก๊าซจะถูกสัมผัสกับตู้เย็นในระหว่างการบีบอัดด้วยความร้อนจะให้ปริมาณความร้อน Q 2 แก่ตู้เย็นโดยบีบอัดให้มีปริมาตร 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:

จากสูตร (13.17) ต่อไปนี้ ประสิทธิภาพของเครื่องจักร Carnot จะเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิสัมบูรณ์ของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็น

ความสำคัญหลักของสูตรนี้คือระบุวิธีการเพิ่มประสิทธิภาพด้วยเหตุนี้จึงจำเป็นต้องเพิ่มอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนหรือลดอุณหภูมิของตู้เย็นลง

เครื่องยนต์ความร้อนจริงใดๆ ที่ทำงานโดยใช้เครื่องทำความร้อนที่อุณหภูมิ T1 และตู้เย็นที่อุณหภูมิ T2 ไม่สามารถมีประสิทธิภาพเกินกว่าเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ: กระบวนการที่ประกอบเป็นวัฏจักรของเครื่องยนต์ความร้อนจริงไม่สามารถย้อนกลับได้

สูตร (13.17) ให้ขีดจำกัดทางทฤษฎีสำหรับค่าประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อน มันแสดงให้เห็นว่าเครื่องยนต์ความร้อนมีประสิทธิภาพมากขึ้น อุณหภูมิที่แตกต่างกันระหว่างเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

เฉพาะที่อุณหภูมิตู้เย็นเท่ากับศูนย์สัมบูรณ์เท่านั้นที่จะทำ η = 1 นอกจากนี้ยังได้รับการพิสูจน์แล้วว่าประสิทธิภาพที่คำนวณโดยใช้สูตร (13.17) ไม่ได้ขึ้นอยู่กับสารทำงาน

แต่อุณหภูมิของตู้เย็นซึ่งมักจะมีบทบาทโดยบรรยากาศนั้นไม่สามารถต่ำกว่าอุณหภูมิอากาศโดยรอบได้ คุณสามารถเพิ่มอุณหภูมิเครื่องทำความร้อนได้ อย่างไรก็ตาม วัสดุใดๆ (ของแข็ง) มีความต้านทานความร้อนหรือความต้านทานความร้อนจำกัด เมื่อถูกความร้อนจะค่อยๆสูญเสียคุณสมบัติความยืดหยุ่นและละลายที่อุณหภูมิสูงพอสมควร

ขณะนี้ความพยายามหลักของวิศวกรมุ่งเป้าไปที่การเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์โดยการลดแรงเสียดทานของชิ้นส่วน การสูญเสียเชื้อเพลิงเนื่องจากการเผาไหม้ที่ไม่สมบูรณ์ เป็นต้น

สำหรับกังหันไอน้ำ อุณหภูมิไอน้ำเริ่มต้นและสุดท้ายจะอยู่ที่ประมาณต่อไปนี้: T 1 - 800 K และ T 2 - 300 K ที่อุณหภูมิเหล่านี้ ค่าประสิทธิภาพสูงสุดคือ 62% (โปรดทราบว่าประสิทธิภาพมักจะวัดเป็นเปอร์เซ็นต์) . ค่าประสิทธิภาพที่แท้จริงเนื่องจากการสูญเสียพลังงานประเภทต่างๆ อยู่ที่ประมาณ 40% ประสิทธิภาพสูงสุด - ประมาณ 44% - ทำได้โดยเครื่องยนต์ดีเซล

การคุ้มครองสิ่งแวดล้อม.

เป็นการยากที่จะจินตนาการถึงโลกสมัยใหม่ที่ไม่มีเครื่องยนต์ความร้อน พวกเขาคือคนที่ทำให้เรามีชีวิตที่สะดวกสบาย เครื่องยนต์ความร้อนขับเคลื่อนยานพาหนะ ไฟฟ้าประมาณ 80% แม้ว่าจะมีโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ แต่ก็ผลิตโดยใช้เครื่องยนต์พลังความร้อน

อย่างไรก็ตามในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจะเกิดมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ นี่เป็นข้อขัดแย้ง: ในด้านหนึ่งมนุษยชาติต้องการพลังงานมากขึ้นทุกปีซึ่งส่วนหลักได้มาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงในทางกลับกันกระบวนการเผาไหม้จะมาพร้อมกับมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

เมื่อเชื้อเพลิงเผาไหม้ ปริมาณออกซิเจนในบรรยากาศจะลดลง นอกจากนี้ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ยังก่อให้เกิดสารประกอบทางเคมีที่เป็นอันตรายต่อสิ่งมีชีวิตอีกด้วย มลพิษไม่เพียงเกิดขึ้นบนพื้นดินเท่านั้น แต่ยังเกิดขึ้นในอากาศด้วย เนื่องจากการบินด้วยเครื่องบินทุกครั้งจะมาพร้อมกับการปล่อยสิ่งเจือปนที่เป็นอันตรายออกสู่ชั้นบรรยากาศ

ผลที่ตามมาอย่างหนึ่งของเครื่องยนต์คือการก่อตัวของก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งดูดซับรังสีอินฟราเรดจากพื้นผิวโลกซึ่งทำให้อุณหภูมิบรรยากาศเพิ่มขึ้น นี่คือสิ่งที่เรียกว่าภาวะเรือนกระจก การวัดพบว่าอุณหภูมิบรรยากาศเพิ่มขึ้น 0.05 °C ต่อปี อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องดังกล่าวอาจทำให้น้ำแข็งละลาย ซึ่งจะนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำในมหาสมุทร เช่น น้ำท่วมในทวีปต่างๆ

ให้เราสังเกตจุดลบอีกจุดหนึ่งเมื่อใช้เครื่องมือความร้อน ดังนั้นบางครั้งน้ำจากแม่น้ำและทะเลสาบก็ถูกนำมาใช้เพื่อทำให้เครื่องยนต์เย็นลง จากนั้นน้ำอุ่นจะถูกส่งกลับ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิในแหล่งน้ำรบกวนความสมดุลทางธรรมชาติ ปรากฏการณ์นี้เรียกว่ามลภาวะทางความร้อน

เพื่อปกป้องสิ่งแวดล้อม ตัวกรองการทำความสะอาดต่างๆ ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายเพื่อป้องกันการปล่อยสารที่เป็นอันตรายสู่ชั้นบรรยากาศ และปรับปรุงการออกแบบเครื่องยนต์ด้วย มีการปรับปรุงเชื้อเพลิงอย่างต่อเนื่องซึ่งผลิตสารที่เป็นอันตรายน้อยลงระหว่างการเผาไหม้ตลอดจนเทคโนโลยีการเผาไหม้ แหล่งพลังงานทางเลือกที่ใช้ลม รังสีแสงอาทิตย์ และพลังงานนิวเคลียร์กำลังได้รับการพัฒนาอย่างแข็งขัน มีการผลิตรถยนต์ไฟฟ้าและพลังงานแสงอาทิตย์แล้ว