Moderna stvarnost podrazumijeva široku upotrebu toplinskih motora. Brojni pokušaji njihove zamjene elektromotorima do sada su propali. Problemi povezani s akumulacijom električne energije u autonomnim sustavima rješavaju se s velikim poteškoćama.
Problemi tehnologije za proizvodnju baterija za električnu energiju i dalje su aktualni, s obzirom na njihovu dugotrajnu uporabu. Brzinske karakteristike električnih vozila daleko su od karakteristika automobila s motorima s unutarnjim izgaranjem.
Prvi koraci prema stvaranju hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u megagradovima, rješavajući probleme okoliša.
Malo povijesti
Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju kretanja bila je poznata još u antici. 130. pr. Kr.: Filozof Heron Aleksandrijski predstavio je publici parnu igračku - eolipil. Kugla ispunjena parom počela se okretati pod djelovanjem mlaza koji su iz nje izlazili. Ovaj prototip modernih parnih turbina nije korišten u to vrijeme.
Dugi niz godina i stoljeća razvoj filozofa smatran je samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Talijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. vodena parapokrenuti disk opremljen oštricama.
Od tog trenutka počeo je brz razvoj parnih strojeva.
toplinski motor
Pretvorba unutarnje energije goriva u energiju kretanja dijelova strojeva i mehanizama koristi se u toplinskim strojevima.
Glavni dijelovi strojeva: grijač (sustav za dobivanje energije izvana), radna tekućina (obavlja korisnu radnju), hladnjak.
Grijač je dizajniran da osigura da radna tekućina akumulira dovoljnu količinu unutarnje energije za obavljanje korisnog rada. Hladnjak odvodi višak energije.
Glavna karakteristika učinkovitosti naziva se učinkovitost toplinskih motora. Ova vrijednost pokazuje koliki se dio energije utrošene na grijanje troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća učinkovitost, to je rad stroja isplativiji, ali ova vrijednost ne može prijeći 100%.
Izračun faktora učinkovitosti
Neka grijač dobije energiju izvana jednaku Q1. Radno tijelo je radilo A, dok je energija data hladnjaku Q2.
Na temelju definicije izračunajte učinkovitost:
η=A / Q1. Uzmite u obzir da je A=Q1 - Q2.
Odatle učinkovitost toplinskog motora, čija je formula η=(Q1 - Q2)/ Q 1=1 - Q2/ Q1, omogućuje nam da izvučemo sljedeće zaključke:
- Učinkovitost ne može prijeći 1 (ili 100%);
- da biste povećali ovu vrijednost, morate i vipovećati energiju primljenu od grijača ili smanjiti energiju koja se daje hladnjaku;
- povećanje energije grijača postiže se promjenom kvalitete goriva;
- smanjenje energije koja se daje hladnjaku, omogućuje postizanje dizajnerskih značajki motora.
Idealni toplinski motor
Je li moguće stvoriti takav motor, čija bi učinkovitost bila maksimalna (idealno - jednaka 100%)? Francuski teorijski fizičar i talentirani inženjer Sadi Carnot pokušao je pronaći odgovor na ovo pitanje. Godine 1824. njegovi su teoretski proračuni o procesima koji se odvijaju u plinovima objavljeni.
Glavna ideja idealnog stroja je izvođenje reverzibilnih procesa s idealnim plinom. Počinjemo s izotermnim širenjem plina na temperaturi T1. Količina topline potrebna za to je Q1. Nakon plin se širi bez izmjene topline (adijabatski proces). Nakon dostizanja temperature T2, plin se komprimira izotermički, prenoseći energiju Q2 u hladnjak. Povratak plina u prvobitno stanje je adijabatski.
Učinkovitost idealnog Carnotovog toplinskog motora, kada se točno izračuna, jednaka je omjeru temperaturne razlike između uređaja za grijanje i hlađenje prema temperaturi koju grijač ima. To izgleda ovako: η=(T1 - T2)/ T1.
Moguća učinkovitost toplinskog motora čija je formula: η=1 - T2/ T 1 , ovisi samo otemperature grijača i hladnjaka i ne mogu prijeći 100%.
Štoviše, ovaj omjer nam omogućuje da dokažemo da učinkovitost toplinskih motora može biti jednaka jedinici samo kada hladnjak dosegne apsolutnu nultu temperaturu. Kao što znate, ova vrijednost je nedostižna.
Carnotovi teoretski izračuni omogućuju određivanje maksimalne učinkovitosti toplinskog motora bilo kojeg dizajna.
Teorem koji je dokazao Carnot je kako slijedi. Samovoljni toplinski stroj ni pod kojim uvjetima ne može imati učinkovitost veću od iste učinkovitosti idealnog toplinskog motora.
Primjer rješavanja problema
Primjer 1. Kolika je učinkovitost idealnog toplinskog motora ako je temperatura grijača 800oS, a temperatura hladnjaka 500oOdozdo?
T1=800oC=1073 K, ∆T=500o C=500 K, η - ?
Rješenje:
Po definiciji: η=(T1 - T2)/ T1.
Nije nam data temperatura hladnjaka, ali ∆T=(T1 - T2), dakle:
η=∆T / T1=500 K/1073 K=0, 46.
Odgovor: Učinkovitost=46%.
Primjer 2. Odredite učinkovitost idealnog toplinskog stroja ako se zbog kupljenog kilodžula energije grijača obavi 650 J korisnog rada Kolika je temperatura grijača toplinske mašine ako je temperatura rashladne tekućine 400 K?
Q1 =1 kJ=1000 J, A=650 J, T2=400 K, η - ?, T 1 =?
Rješenje:
U ovom problemu govorimo o toplinskoj instalaciji, čija se učinkovitost može izračunati po formuli:
η=A / Q1.
Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za učinkovitost idealnog toplinskog motora:
η=(T1 - T2)/ T1 =1 - T2/ T1.
Nakon izvođenja matematičkih transformacija, dobivamo:
T1=T2 /(1- η).
T1=T2 /(1- A / Q1).
Izračunaj:
η=650 J/ 1000 J=0,65.
T1=400 K /(1- 650 J/ 1000 J)=1142,8 K.
Odgovor: η=65%, T1=1142, 8 K.
Stvarni uvjeti
Idealni toplinski motor dizajniran je s idealnim procesima na umu. Rad se obavlja samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost je definirana kao područje ograničeno Carnotovim ciklusnim grafom.
Zapravo, nemoguće je stvoriti uvjete za proces promjene stanja plina bez popratnih promjena temperature. Ne postoje materijali koji bi isključili izmjenu topline s okolnim objektima. Adijabatski proces više nije moguć. U slučaju prijenosa topline, temperatura plina se mora nužno promijeniti.
Učinkovitost toplinskih motora stvorenih u stvarnim uvjetima značajno se razlikuje od učinkovitosti idealnih motora. Imajte na umu da su procesi u stvarnim motorima toliko brzi da varijacijeunutarnja toplinska energija radne tvari u procesu promjene volumena ne može se nadoknaditi dotokom topline iz grijača i povratkom u hladnjak.
Ostali toplinski motori
Pravi motori rade u različitim ciklusima:
- Otto ciklus: proces pri konstantnom volumenu mijenja se adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
- Diesel ciklus: izobara, adijabat, izohora, adijabat;
- plinska turbina: proces konstantnog tlaka mijenja se u adijabatski, zatvarajući ciklus.
Nije moguće stvoriti ravnotežne procese u stvarnim motorima (približiti ih idealnim) u uvjetima moderne tehnologije. Učinkovitost toplinskih motora je mnogo niža, čak i ako se uzmu u obzir isti temperaturni uvjeti kao u idealnoj toplinskoj instalaciji.
Ali ne treba umanjiti ulogu formule za izračunavanje učinkovitosti Carnotovog ciklusa, jer upravo ta formula postaje polazna točka u procesu rada na povećanju učinkovitosti stvarnih motora.
Načini promjene učinkovitosti
Kada se uspoređuju idealni i pravi toplinski motori, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se uzeti samo u približnim izračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tekućine jednaka temperaturi ispušnih plinova u motorima, kao što je slučaj u motorima s unutarnjim izgaranjem (skraćeno ICE).
ICE je najčešći toplinski stroj u našem svijetu. toplinska učinkovitoststroj u ovom slučaju ovisi o temperaturi koju stvara gorivo koje gori. Bitna razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i parnih motora je spajanje funkcija grijača i radnog fluida uređaja u mješavini zraka i goriva. Gori, smjesa stvara pritisak na pokretne dijelove motora.
Povećanje temperature radnih plinova postiže se značajnom promjenom svojstava goriva. Nažalost, to nije moguće činiti u nedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima vlastitu točku taljenja. Otpornost na toplinu takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i sposobnost da značajno utječu na učinkovitost.
Vrijednosti učinkovitosti motora
Ako uzmemo u obzir parnu turbinu čija je temperatura radne pare na ulazu 800 K, a ispušnog plina 300 K, tada je učinkovitost ovog stroja 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Do takvog smanjenja dolazi zbog gubitaka topline kada se zagrije kućište turbine.
Najveća učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti pitanje je bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva je problem na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.
