Ang mga thermal machine at ang kanilang kahusayan. Mga thermal machine. Mga paksa ng USE codifier: mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga heat engine, kahusayan ng isang heat engine, mga heat engine at proteksyon sa kapaligiran
Ang gumaganang likido, na tumatanggap ng tiyak na halaga ng init Q 1 mula sa pampainit, ay nagbibigay ng bahagi ng halagang ito ng init, modulo na katumbas ng |Q2|, sa refrigerator. Samakatuwid, ang gawaing ginawa ay hindi maaaring higit pa A = Q1- |Q 2 |. Ang ratio ng gawaing ito sa dami ng init na natanggap ng lumalawak na gas mula sa pampainit ay tinatawag kahusayan thermal machine:
Ang kahusayan ng isang heat engine na tumatakbo sa isang closed cycle ay palaging mas mababa sa isa. Ang gawain ng thermal power engineering ay gawing mas mataas ang kahusayan hangga't maaari, iyon ay, gamitin ang mas maraming init na natanggap mula sa heater hangga't maaari upang makakuha ng trabaho. Paano ito makakamit?
Sa unang pagkakataon, ang pinakaperpektong proseso ng paikot, na binubuo ng mga isotherm at adiabat, ay iminungkahi ng Pranses na pisiko at inhinyero na si S. Carnot noong 1824.
Ikot ng Carnot.
Ipagpalagay natin na ang gas ay nasa isang silindro, ang mga dingding at piston na kung saan ay gawa sa isang heat-insulating material, at ang ilalim ay gawa sa isang materyal na may mataas na thermal conductivity. Ang dami na inookupahan ng gas ay V1.
Figure 2
Ilagay natin ang silindro sa heater (Larawan 2) at hayaang lumawak nang isothermally ang gas at gumana. . Kasabay nito, ang gas ay tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init mula sa pampainit Q1. Ang prosesong ito ay graphic na kinakatawan ng isang isotherm (curve AB).
Larawan 3
Kapag ang dami ng gas ay naging katumbas ng isang tiyak na halaga V1'< V 2 ,
ang ilalim ng silindro ay nakahiwalay sa pampainit ,
Pagkatapos nito, ang gas ay lumalawak nang adiabatically sa isang volume V2, naaayon sa maximum na posibleng stroke ng piston sa cylinder (adiabatic araw). Ang gas ay pagkatapos ay pinalamig sa isang temperatura T2< T 1 .
Ang cooled gas ay maaari na ngayong i-compress isothermally sa isang temperatura T2. Upang gawin ito, dapat itong makipag-ugnay sa isang katawan na may parehong temperatura. T 2 , ibig sabihin, may refrigerator ,
at i-compress ang gas na may panlabas na puwersa. Gayunpaman, sa prosesong ito, ang gas ay hindi babalik sa orihinal nitong estado - ang temperatura nito ay palaging mas mababa kaysa T 1 .
Samakatuwid, ang isothermal compression ay dinadala sa ilang intermediate volume V2 '>V1(isotherm CD). Sa kasong ito, ang gas ay nagbibigay sa refrigerator ng isang tiyak na halaga ng init. Q2, katumbas ng gawain ng compression na ginawa dito. Ang gas ay pagkatapos ay compressed adiabatically sa isang volume V1, habang tumataas ang temperatura nito sa T 1(adiabatic DA). Ngayon ang gas ay bumalik sa orihinal nitong estado, kung saan ang dami nito ay katumbas ng V 1, ang temperatura ay T1, presyon - p1 at ang cycle ay maaaring ulitin muli.
Kaya, sa lugar ABC gumagana ang gas (A > 0), at sa site CDA gawaing ginawa sa gas (PERO< 0).
Sa mga plot araw at AD Ang trabaho ay ginagawa lamang sa pamamagitan ng pagbabago ng panloob na enerhiya ng gas. Dahil ang pagbabago sa panloob na enerhiya UBC=- UDA, kung gayon ang gawain para sa mga proseso ng adiabatic ay katumbas ng: ABC = -ADA. Samakatuwid, ang kabuuang gawaing ginawa sa bawat cycle ay tinutukoy ng pagkakaiba sa gawaing ginawa sa panahon ng mga prosesong isothermal (mga seksyon AB at CD). Sa bilang, ang gawaing ito ay katumbas ng lugar ng figure na nalilimitahan ng cycle curve A B C D.
Bahagi lamang ng dami ng init ang aktwal na na-convert sa kapaki-pakinabang na gawain. qt, natanggap mula sa pampainit, katumbas ng QT 1 - |QT 2 |. Kaya, sa Carnot cycle, ang kapaki-pakinabang na gawain A=QT1– |QT 2 |.
Ang pinakamataas na kahusayan ng isang perpektong cycle, tulad ng ipinakita ng S. Carnot, ay maaaring ipahayag sa mga tuntunin ng temperatura ng pampainit. (T 1) at refrigerator (T 2):
Sa mga tunay na makina, hindi posible na ipatupad ang isang cycle na binubuo ng perpektong isothermal at adiabatic na mga proseso. Samakatuwid, ang kahusayan ng cycle na isinasagawa sa mga tunay na makina ay palaging mas mababa kaysa sa kahusayan ng Carnot cycle (sa parehong mga temperatura ng mga heater at cooler):
Makikita sa formula na kahusayan ng makina mas mataas ang temperatura ng heater at mas mababa ang temperatura ng refrigerator.
Carnot Nicola Leonard Sadi (1796-1832) - isang mahuhusay na French engineer at physicist, isa sa mga tagapagtatag ng thermodynamics. Sa kanyang akda na "Reflections on the driving force of fire and on machines capable to develop this force" (1824), una niyang ipinakita na ang mga heat engine ay maaaring gumana lamang sa proseso ng paglilipat ng init mula sa isang mainit na katawan patungo sa isang malamig. Nakagawa si Carnot ng isang perpektong makina ng init, kinakalkula ang kahusayan ng isang perpektong makina at pinatunayan na ang koepisyent na ito ay ang pinakamataas na posible para sa anumang tunay na makina ng init. | |||
Bilang tulong sa kanyang pananaliksik, naimbento ni Carnot (sa papel) noong 1824 ang isang perpektong makina ng init na may perpektong gas bilang gumaganang likido. Ang mahalagang papel ng Carnot engine ay hindi lamang sa posible nito praktikal na aplikasyon, ngunit din sa katotohanan na pinapayagan ka nitong ipaliwanag ang mga prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga heat engine sa pangkalahatan; hindi gaanong mahalaga ang katotohanan na si Carnot, sa tulong ng kanyang makina, ay nakagawa ng isang makabuluhang kontribusyon sa pagbibigay-katwiran at pag-unawa sa pangalawang batas ng thermodynamics. Ang lahat ng mga proseso sa Carnot machine ay itinuturing na equilibrium (reversible). Ang isang nababaligtad na proseso ay isang proseso na nagpapatuloy nang napakabagal na maaari itong ituring bilang isang sunud-sunod na paglipat mula sa isang estado ng balanse patungo sa isa pa, atbp., at ang buong proseso ay maaaring isagawa sa kabaligtaran na direksyon nang hindi binabago ang gawaing ginawa at ang dami ng inilipat ang init. (Tandaan na ang lahat ng tunay na proseso ay hindi na mababawi) Ang isang pabilog na proseso o cycle ay isinasagawa sa makina, kung saan ang sistema, pagkatapos ng isang serye ng mga pagbabago, ay bumalik sa orihinal nitong estado. Ang Carnot cycle ay binubuo ng dalawang isotherms at dalawang adiabats. Ang mga kurba A - B at C - D ay mga isotherm, at ang mga kurba B - C at D - A ay mga adiabat. Una, ang gas ay lumalawak nang isothermally sa isang temperatura T 1 . Kasabay nito, tumatanggap ito ng dami ng init Q 1 mula sa pampainit. Pagkatapos ay lumalawak ito nang adiabatically at hindi nakikipagpalitan ng init sa mga nakapalibot na katawan. Sinusundan ito ng isothermal compression ng gas sa temperaturang T 2 . Ang gas ay nagbibigay sa prosesong ito sa refrigerator ng dami ng init Q 2 . Sa wakas, ang gas ay na-compress adiabatically at bumalik sa orihinal nitong estado. Sa panahon ng isothermal expansion, ang gas ay gumagana A "1\u003e 0, katumbas ng dami ng init Q 1. Sa adiabatic expansion B - C, ang positibong gawain A" 3 ay katumbas ng pagbaba ng panloob na enerhiya kapag ang gas ay pinalamig mula sa temperatura T 1 hanggang sa temperatura T 2: A "3 \u003d - dU 1.2 \u003d U (T 1) -U (T 2). Isothermal compression sa isang temperatura T 2 ay nangangailangan ng trabaho na gawin sa gas A 2. Ang ang gas ay gumaganap ng isang katumbas na negatibong gawain A "2 \u003d -A 2 \u003d Q 2. Sa wakas, ang adiabatic compression ay nangangailangan ng trabaho na gawin sa gas А 4 = dU 2.1 . Ang gawain ng gas mismo A "4 \u003d -A 4 \u003d -dU 2.1 \u003d U (T 2) -U (T 1). Samakatuwid, ang kabuuang gawain ng gas sa dalawang proseso ng adiabatic ay zero. Para sa isang cycle, gumagana ang gas A" \u003d A "1 + A "2 \u003d Q 1 + Q 2 \u003d | Q 1 | - | Q 2 |. Ang gawaing ito ay katumbas ng numero sa lugar ng figure na limitado ng cycle curve. Upang kalkulahin ang kahusayan, kinakailangan upang kalkulahin ang trabaho para sa isothermal na proseso A - B at C - D. Ang mga kalkulasyon ay humantong sa sumusunod na resulta: (2) Ang kahusayan ng isang Carnot heat engine ay katumbas ng ratio ng pagkakaiba sa pagitan ng absolute temperature ng heater at cooler sa absolute temperature ng heater. Ang pangunahing kahalagahan ng formula (2) na nakuha ng Carnot para sa kahusayan ng isang perpektong makina ay na tinutukoy nito ang pinakamataas na posibleng kahusayan ng anumang heat engine. Pinatunayan ni Carnot ang sumusunod na teorama: anumang tunay na makina ng init na tumatakbo na may pampainit na may temperaturang T 1 at isang refrigerator na may temperaturang T 2 ay hindi maaaring magkaroon ng kahusayan na lampas sa kahusayan ng isang perpektong makina ng init. Ang kahusayan ng mga tunay na makina ng init Ang Formula (2) ay nagbibigay ng teoretikal na limitasyon para sa pinakamataas na kahusayan ng mga makina ng init. Ipinapakita nito na ang isang heat engine ay mas mahusay kung mas mataas ang temperatura ng heater at mas mababa ang temperatura ng refrigerator. Sa temperatura lamang ng refrigerator, katumbas ng absolute zero, ang kahusayan ay katumbas ng 1. Sa mga tunay na makina ng init, ang mga proseso ay nagpapatuloy nang napakabilis na ang pagbaba at pagtaas sa panloob na enerhiya ng gumaganang sangkap na may pagbabago sa dami nito ay nangyayari. walang oras upang mabayaran ng pag-agos ng enerhiya mula sa pampainit at pagbabalik ng enerhiya sa refrigerator. Samakatuwid, ang mga proseso ng isothermal ay hindi maisasakatuparan. Ang parehong naaangkop sa mahigpit na mga proseso ng adiabatic, dahil walang perpektong insulator ng init sa kalikasan. Ang mga cycle na isinasagawa sa mga tunay na heat engine ay binubuo ng dalawang isochores at dalawang adiabats (sa Otto cycle), dalawang adiabats, isang isobar at isang isochore (sa Diesel cycle), dalawang adiabats at dalawang isobars (sa isang gas turbine), atbp . Sa kasong ito, dapat isaisip na ang mga cycle na ito ay maaari ding maging perpekto, tulad ng Carnot cycle. Ngunit para dito kinakailangan na ang mga temperatura ng heater at cooler ay hindi pare-pareho, tulad ng sa Carnot cycle, ngunit nagbabago sa parehong paraan tulad ng temperatura ng gumaganang sangkap ay nagbabago sa mga proseso ng isochoric heating at cooling. Sa madaling salita, ang gumaganang sangkap ay dapat na nakikipag-ugnay sa isang walang katapusang malaking bilang ng mga heater at refrigerator - sa kasong ito ay magkakaroon ng paglipat ng init ng balanse sa mga isochores. Siyempre, sa mga siklo ng mga tunay na makina ng init, ang mga proseso ay hindi balanse, bilang isang resulta kung saan ang kahusayan ng mga tunay na makina ng init sa parehong hanay ng temperatura ay mas mababa kaysa sa kahusayan ng cycle ng Carnot. Kasabay nito, ang expression (2) ay gumaganap ng isang malaking papel sa thermodynamics at ito ay isang uri ng "beacon" na nagpapahiwatig ng mga paraan upang mapataas ang kahusayan ng mga tunay na makina ng init. | |||
Sa siklo ng Otto, una ang pinaghalong gumagana ay sinipsip sa silindro 1-2, pagkatapos ay ang adiabatic compression 2-3 at pagkatapos ng isochoric combustion nito 3-4, na sinamahan ng pagtaas sa temperatura at presyon ng mga produkto ng pagkasunog, ang kanilang adiabatic Ang expansion 4-5 ay nangyayari, pagkatapos ay ang isochoric pressure ay bumaba 5 -2 at isobaric expulsion ng piston ng exhaust gases 2-1. Dahil walang gawaing ginagawa sa isochores, at ang trabaho sa panahon ng pagsipsip ng gumaganang pinaghalong at pagpapatalsik ng mga maubos na gas ay pantay at kabaligtaran sa tanda, ang kapaki-pakinabang na gawain sa isang cycle ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng trabaho sa mga adiabat ng pagpapalawak at compression at ay graphic na inilalarawan ng lugar ng cycle. | |||
Ang paghahambing ng kahusayan ng isang tunay na makina ng init sa kahusayan ng cycle ng Carnot, dapat tandaan na sa pagpapahayag (2) ang temperatura T 2 sa mga pambihirang kaso ay maaaring tumugma sa temperatura kapaligiran, na kinukuha namin para sa isang refrigerator, ngunit sa pangkalahatang kaso ito ay lumampas sa temperatura ng kapaligiran. Kaya, halimbawa, sa mga panloob na makina ng pagkasunog, ang T 2 ay dapat na maunawaan bilang ang temperatura ng mga gas na tambutso, at hindi ang temperatura ng kapaligiran kung saan ginawa ang tambutso. | |||
Ipinapakita ng figure ang cycle ng isang four-stroke internal combustion engine na may isobaric combustion (Diesel cycle). Hindi tulad ng nakaraang cycle, ito ay hinihigop sa seksyon 1-2. hangin sa atmospera, na sumasailalim sa adiabatic compression hanggang 3 10 6 -3 10 5 Pa sa seksyon 2-3. Ang iniksyon na likidong gasolina ay nag-aapoy sa isang kapaligiran na may mataas na compress, at samakatuwid ay pinainit na hangin at nasusunog sa isobarically 3-4, at pagkatapos ay mayroong isang adiabatic na pagpapalawak ng mga produkto ng pagkasunog 4-5. Ang natitirang mga proseso 5-2 at 2-1 ay nagpapatuloy sa parehong paraan tulad ng sa nakaraang cycle. Dapat alalahanin na sa mga panloob na makina ng pagkasunog ang mga pag-ikot ay may kondisyon na sarado, dahil bago ang bawat pag-ikot ang silindro ay puno ng isang tiyak na masa ng gumaganang sangkap, na pinalabas mula sa silindro sa dulo ng pag-ikot. | |||
Ngunit ang temperatura ng refrigerator ay halos hindi maaaring mas mababa kaysa sa temperatura ng kapaligiran. Maaari mong dagdagan ang temperatura ng pampainit. Gayunpaman, ang anumang materyal (solid) ay may limitadong paglaban sa init, o paglaban sa init. Kapag pinainit, unti-unting nawawala ang mga nababanat na katangian nito, at kapag sapat na mataas na temperatura natutunaw. Ngayon ang mga pangunahing pagsisikap ng mga inhinyero ay naglalayong pataasin ang kahusayan ng mga makina sa pamamagitan ng pagbabawas ng alitan ng kanilang mga bahagi, pagkalugi ng gasolina dahil sa hindi kumpletong pagkasunog nito, atbp. Ang mga tunay na pagkakataon para sa pagtaas ng kahusayan dito ay malaki pa rin. Kaya, para sa isang steam turbine, ang paunang at panghuling temperatura ng singaw ay humigit-kumulang sa mga sumusunod: T 1 \u003d 800 K at T 2 \u003d 300 K. Sa mga temperaturang ito pinakamataas na halaga ang kahusayan ay katumbas ng: Ang aktwal na halaga ng kahusayan dahil sa iba't ibang uri ng pagkalugi ng enerhiya ay humigit-kumulang 40%. Ang pinakamataas na kahusayan - tungkol sa 44% - ay may panloob na mga makina ng pagkasunog. Ang kahusayan ng anumang heat engine ay hindi maaaring lumampas sa pinakamataas na posibleng halaga kung saan ang T 1 ay ang ganap na temperatura ng pampainit, at ang T 2 ay ang ganap na temperatura ng refrigerator. Ang pagpapataas ng kahusayan ng mga heat engine at pagpapalapit nito sa pinakamataas na posible ay ang pinakamahalagang teknikal na hamon. |
Clausius hindi pagkakapantay-pantay
(1854): Ang dami ng init na natanggap ng system sa anumang pabilog na proseso, na hinati sa ganap na temperatura kung saan ito natanggap ( nabawasan dami ng init), ay hindi positibo.Ang dami ng init na ibinibigay parang statically na natanggap ng system ay hindi nakasalalay sa landas ng paglipat (ito ay tinutukoy lamang ng mga paunang at panghuling estado ng system) - para sa parang static mga proseso nagiging Clausius inequality pagkakapantay-pantay .
Entropy, function ng estado S thermodynamic system, ang pagbabago nito dS para sa isang walang katapusang maliit na nababaligtad na pagbabago sa estado ng system ay katumbas ng ratio ng dami ng init na natanggap ng system sa prosesong ito (o kinuha mula sa system) hanggang sa ganap na temperatura T:
Halaga dS ay isang kabuuang pagkakaiba, i.e. ang pagsasama nito sa anumang arbitraryong napiling landas ay nagbibigay ng pagkakaiba sa pagitan ng mga halaga entropy sa inisyal (A) at panghuling (B) ay nagsasaad:
Ang init ay hindi isang function ng estado, kaya ang integral ng δQ ay nakasalalay sa napiling daanan ng paglipat sa pagitan ng mga estado A at B. Entropy sinusukat sa J/(mol deg).
konsepto entropy kung paano nai-postulate ang function ng estado ng system pangalawang batas ng thermodynamics, na ipinapahayag sa pamamagitan ng entropy pagkakaiba sa pagitan ng hindi maibabalik at mababalik na mga proseso. Para sa unang dS>δQ/T para sa pangalawang dS=δQ/T.
Entropy bilang isang function panloob na enerhiya U system, volume V at bilang ng mga moles n i i Ang bahagi ay ang katangiang pag-andar (tingnan Mga potensyal na thermodynamic). Ito ay bunga ng una at pangalawang batas ng thermodynamics at isinulat ng equation:
saan R - presyon, μ i - potensyal na kemikal i-ika bahagi. Derivatives entropy sa mga likas na variable U, V at n i ay pantay:
Link ng mga simpleng formula entropy na may mga kapasidad ng init sa pare-pareho ang presyon C p at pare-pareho ang volume Cv:
Sa pamamagitan ng paggamit entropy ang mga kondisyon para sa pagkamit ng thermodynamic equilibrium ng system ay nabuo na may pare-pareho ng panloob na enerhiya, dami at bilang ng mga moles nito i ika bahagi (nakahiwalay na sistema) at ang kundisyon para sa katatagan ng naturang ekwilibriyo:
Ibig sabihin nito ay entropy ang nakahiwalay na sistema ay umabot sa maximum sa isang estado ng thermodynamic equilibrium. Ang mga kusang proseso sa system ay maaari lamang magpatuloy sa direksyon ng pagtaas entropy.
Ang entropy ay kabilang sa isang pangkat ng mga thermodynamic function na tinatawag na Massier-Planck function. Ang iba pang mga function na kabilang sa pangkat na ito ay ang Massier function F 1 = S - (1/T)U at ang Planck function na Ф 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, ay maaaring makuha sa pamamagitan ng paglalapat ng Legendre transform sa entropy.
Ayon sa ikatlong batas ng thermodynamics (cf. Thermal theorem), pagbabago entropy sa isang reversible chemical reaction sa pagitan ng mga substance sa isang condensed state ay may posibilidad na zero at T→0:
Ang postulate ni Planck (isang alternatibong pagbabalangkas ng heat theorem) ay nagsasaad na entropy anumang compound ng kemikal sa isang condensed state sa absolute zero temperature ay conditionally zero at maaaring kunin bilang reference kapag tinutukoy ang absolute value entropy mga sangkap sa anumang temperatura. Tinutukoy ng mga equation (1) at (2). entropy hanggang sa isang pare-parehong termino.
Sa kemikal thermodynamics ang mga sumusunod na konsepto ay malawakang ginagamit: pamantayan entropy S 0 , ibig sabihin. entropy sa pressure R\u003d 1.01 10 5 Pa (1 atm); pamantayan entropy kemikal na reaksyon i.e. pamantayan ng pagkakaiba entropy mga produkto at reagents; bahagyang molar entropy bahagi ng isang multicomponent system.
Ang sumusunod na formula ay ginagamit upang kalkulahin ang chemical equilibria:
saan Upang - pare-pareho ang balanse, at ang mga pamantayan Gibbs enerhiya, enthalpy at entropy ng reaksyon; R ay ang gas constant.
Depinisyon ng konsepto entropy para sa isang nonequilibrium system ay batay sa konsepto ng lokal na thermodynamic equilibrium. Ang lokal na equilibrium ay nagpapahiwatig ng katuparan ng equation (3) para sa maliliit na volume ng isang non-equilibrium system sa kabuuan (tingnan. Thermodynamics ng mga hindi maibabalik na proseso). Sa mga hindi maibabalik na proseso sa system, ang produksyon (pangyayari) entropy. Buong kaugalian entropy ay tinutukoy sa kasong ito ng hindi pagkakapantay-pantay ng Carnot-Clausius:
saan dS i > 0 - kaugalian entropy, hindi nauugnay sa daloy ng init ngunit dahil sa produksyon entropy dahil sa hindi maibabalik na mga proseso sa system ( pagsasabog. thermal conductivity, mga reaksiyong kemikal, atbp.). Lokal na produksyon entropy (t- oras) ay kinakatawan bilang ang kabuuan ng mga produkto ng pangkalahatang thermodynamic forces X i sa pangkalahatang mga daloy ng thermodynamic J i:
Produksyon entropy dahil, halimbawa, sa pagsasabog ng bahagi i dahil sa puwersa at daloy ng bagay J; produksyon entropy dahil sa chemical reaction X=A/T, saan PERO-chemical affinity, at flux J katumbas ng rate ng reaksyon. Sa statistical thermodynamics entropy isolated system ay tinutukoy ng kaugnayan: kung saan k - Ang pare-pareho ni Boltzmann. - thermodynamic na bigat ng estado, katumbas ng bilang ng posibleng mga estado ng kabuuan ng system na may ibinigay na mga halaga ng enerhiya, dami, bilang ng mga particle. Ang equilibrium state ng system ay tumutugma sa pagkakapantay-pantay ng mga populasyon ng single (non-degenerate) quantum states. Paakyat entropy sa mga hindi maibabalik na proseso, ito ay nauugnay sa pagtatatag ng isang mas malamang na pamamahagi ng ibinigay na enerhiya ng system sa mga indibidwal na subsystem. Pangkalahatang kahulugan ng istatistika entropy, na nalalapat din sa mga hindi nakahiwalay na sistema, ay nag-uugnay entropy na may mga probabilidad ng iba't ibang microstates tulad ng sumusunod:
saan w i- posibilidad i ika estado.
Ganap entropy chemical compound ay natutukoy sa eksperimento, pangunahin sa pamamagitan ng calorimetric method, batay sa ratio:
Ang paggamit ng pangalawang batas ay nagpapahintulot sa amin na matukoy entropy mga reaksiyong kemikal ayon sa pang-eksperimentong data (paraan ng puwersa ng electromotive, paraan ng presyon ng singaw, atbp.). Posible ang pagkalkula entropy mga compound ng kemikal sa pamamagitan ng mga pamamaraan ng statistical thermodynamics, batay sa mga molecular constants, molekular na timbang, geometry ng molekula, dalas ng normal na vibrations. Ang pamamaraang ito ay matagumpay na isinasagawa para sa mga ideal na gas. Para sa mga condensed phase, ang pagkalkula ng istatistika ay nagbibigay ng mas mababang katumpakan at isinasagawa sa isang limitadong bilang ng mga kaso; sa mga nakaraang taon makabuluhang pag-unlad ang nagawa sa larangang ito.
Katulad na impormasyon.
Ang gumaganang fluid, na tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init Q1 mula sa heater, ay nagbibigay ng bahagi ng halagang ito ng init, modulo na katumbas ng |Q2|, sa refrigerator. Samakatuwid, ang gawaing ginawa ay hindi maaaring higit pa A = Q1 - |Q2|. Ang ratio ng gawaing ito sa dami ng init na natanggap ng lumalawak na gas mula sa pampainit ay tinatawag kahusayan thermal machine:
Ang kahusayan ng isang heat engine na tumatakbo sa isang closed cycle ay palaging mas mababa sa isa. Ang gawain ng thermal power engineering ay gawing mas mataas ang kahusayan hangga't maaari, iyon ay, gamitin ang mas maraming init na natanggap mula sa heater hangga't maaari upang makakuha ng trabaho. Sa unang pagkakataon, ang pinakaperpektong proseso ng paikot, na binubuo ng mga isotherm at adiabat, ay iminungkahi ng Pranses na pisiko at inhinyero na si S. Carnot noong 1824.
3) Ang perpektong makina ng init ay nauunawaan na may pinakamataas na kahusayan. sa ibinigay na mga halaga ng heater T 1 at cooler T 2 .
Ito ay sumusunod mula sa ikalawang batas ng thermodynamics na kahit na para sa isang perpektong heat engine na tumatakbo nang walang pagkalugi, ang kahusayan sa panimula ay mas mababa sa 100% at kinakalkula ng formula:
Ang gumaganang likido sa isang perpektong makina ng init ay isang perpektong gas, at ito ay gumagana ayon sa Carnot cycle:
4) konsepto entropy ay unang ipinakilala ni Clausius sa thermodynamics upang matukoy ang sukat ng hindi maibabalik na pagwawaldas ng enerhiya, mga sukat ng paglihis ng isang tunay na proseso mula sa isang ideal. Tinukoy bilang kabuuan ng mga pinababang init, ito ay isang function ng estado at nananatiling pare-pareho sa mga closed reversible na proseso, habang sa mga hindi maibabalik ay palaging positibo ang pagbabago nito.
Sa matematika, ang entropy ay tinukoy bilang isang function ng estado ng system, katumbas sa isang proseso ng equilibrium sa dami ng init na ipinadala sa system o inalis mula sa system, na nauugnay sa thermodynamic na temperatura ng system:
nasaan ang pagtaas ng entropy; - pinakamababang init na ibinibigay sa system; ay ang ganap na temperatura ng proseso.
Ang Entropy ay nagtatatag ng koneksyon sa pagitan ng macro- at micro-states. Ang kakaiba ng katangiang ito ay nakasalalay sa katotohanan na ito ang tanging pag-andar sa pisika na nagpapakita ng direksyon ng mga proseso. Dahil ang entropy ay isang function ng estado, hindi ito nakadepende sa kung paano ginawa ang paglipat mula sa isang estado ng system patungo sa isa pa, ngunit natutukoy lamang ng mga inisyal at huling estado ng system.
Halimbawa, sa temperatura na 0 ° C, ang tubig ay maaaring nasa likidong estado at may bahagyang panlabas na impluwensya nagsisimula nang mabilis na maging yelo, habang naglalabas ng isang tiyak na halaga ng init. Sa kasong ito, ang temperatura ng sangkap ay nananatiling 0 °C. Ang estado ng sangkap ay nagbabago, na sinamahan ng paglabas ng init, dahil sa pagbabago sa istraktura.
Ibinigay ni Rudolf Clausius ang dami ng pangalang "entropy", na nagmula sa salitang Griyego na τρoπή, "pagbabago" (pagbabago, pagbabago, pagbabago). Ang pagkakapantay-pantay na ito ay tumutukoy sa pagbabago sa entropy, nang hindi ganap na tinukoy ang entropy mismo.
Sa teoretikal na modelo ng isang heat engine, tatlong katawan ang isinasaalang-alang: pampainit, nagtatrabaho katawan at refrigerator.
Heater - isang thermal reservoir (malaking katawan), ang temperatura kung saan ay pare-pareho.
Sa bawat pag-ikot ng pagpapatakbo ng makina, ang gumaganang likido ay tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init mula sa pampainit, lumalawak at nagsasagawa ng mekanikal na gawain. Ang paglipat ng bahagi ng enerhiya na natanggap mula sa pampainit sa refrigerator ay kinakailangan upang ibalik ang gumaganang likido sa orihinal na estado nito.
Dahil ipinapalagay ng modelo na ang temperatura ng heater at refrigerator ay hindi nagbabago sa panahon ng pagpapatakbo ng heat engine, pagkatapos ay sa dulo ng cycle: heating-expansion-cooling-compression ng working fluid, ito ay itinuturing na ang makina ay bumalik. sa orihinal nitong estado.
Para sa bawat cycle, batay sa unang batas ng thermodynamics, maaari naming isulat na ang halaga ng init Q load na natanggap mula sa heater, dami ng init | Q cool |, ibinigay sa refrigerator, at ang gawaing ginawa ng nagtatrabaho na katawan PERO ay nauugnay sa isa't isa sa pamamagitan ng:
A = Q load – | Q malamig|.
Sa totoong mga teknikal na aparato, na tinatawag na mga heat engine, ang gumaganang likido ay pinainit ng init na inilabas sa panahon ng pagkasunog ng gasolina. Kaya, sa isang steam turbine ng isang planta ng kuryente, ang pampainit ay isang pugon na may mainit na karbon. Sa isang panloob na combustion engine (ICE), ang mga produkto ng pagkasunog ay maaaring ituring na isang pampainit, at ang labis na hangin ay maaaring ituring na isang gumaganang likido. Bilang refrigerator, ginagamit nila ang hangin ng atmospera o tubig mula sa mga likas na pinagkukunan.
Kahusayan ng isang heat engine (machine)
Episyente ng init ng makina (kahusayan) ay ang ratio ng gawaing ginawa ng makina sa dami ng init na natanggap mula sa pampainit:
Ang kahusayan ng anumang heat engine ay mas mababa sa isa at ipinahayag bilang isang porsyento. Ang imposibilidad ng pag-convert ng buong halaga ng init na natanggap mula sa heater sa mekanikal na trabaho ay ang presyo na babayaran para sa pangangailangan upang ayusin ang isang paikot na proseso at sumusunod mula sa pangalawang batas ng thermodynamics.
Sa mga tunay na makina ng init, ang kahusayan ay tinutukoy ng pang-eksperimentong mekanikal na kapangyarihan N engine at ang dami ng gasolina na sinunog sa bawat yunit ng oras. Kaya, kung nasa oras t mass fuel sinunog m at tiyak na init ng pagkasunog q, pagkatapos
Para sa Sasakyan ang katangian ng sanggunian ay kadalasan ang dami V nasusunog ang gasolina sa daan s sa mekanikal na lakas ng makina N at sa bilis. Sa kasong ito, isinasaalang-alang ang density r ng gasolina, maaari tayong magsulat ng isang formula para sa pagkalkula ng kahusayan:
Pangalawang batas ng thermodynamics
Mayroong ilang mga formulations pangalawang batas ng thermodynamics. Sinasabi ng isa sa kanila na imposible ang isang heat engine, na gagana lamang dahil sa isang mapagkukunan ng init, i.e. walang refrigerator. Ang karagatan ng daigdig ay maaaring magsilbi para dito bilang isang halos hindi mauubos na pinagmumulan ng panloob na enerhiya (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).
Ang iba pang mga pormulasyon ng ikalawang batas ng thermodynamics ay katumbas ng isang ito.
Ang pagbabalangkas ni Clausius(1850): imposible ang isang proseso kung saan ang init ay kusang lumilipat mula sa hindi gaanong init na mga katawan patungo sa mas mainit na mga katawan.
Ang pagbabalangkas ni Thomson(1851): imposible ang isang pabilog na proseso, ang tanging resulta nito ay ang paggawa ng trabaho sa pamamagitan ng pagbabawas ng panloob na enerhiya ng thermal reservoir.
Ang pagbabalangkas ni Clausius(1865): lahat ng mga kusang proseso sa isang saradong sistemang hindi balanse ay nangyayari sa direksyon kung saan tumataas ang entropy ng sistema; sa isang estado ng thermal equilibrium, ito ay maximum at pare-pareho.
Ang pagbabalangkas ni Boltzmann(1877): ang isang saradong sistema ng maraming mga particle ay kusang pumasa mula sa isang mas maayos na estado patungo sa isang hindi gaanong order. Ang kusang paglabas ng sistema mula sa posisyon ng balanse ay imposible. Ipinakilala ni Boltzmann ang isang quantitative measure ng disorder sa isang sistema na binubuo ng maraming katawan - entropy.
Kahusayan ng isang heat engine na may perpektong gas bilang isang gumaganang likido
Kung ang modelo ng gumaganang likido sa isang heat engine ay ibinigay (halimbawa, isang perpektong gas), kung gayon posible na kalkulahin ang pagbabago sa mga thermodynamic na parameter ng gumaganang likido sa panahon ng pagpapalawak at pag-urong. Pinapayagan ka nitong kalkulahin ang kahusayan ng isang heat engine batay sa mga batas ng thermodynamics.
Ang figure ay nagpapakita ng mga cycle kung saan ang kahusayan ay maaaring kalkulahin kung ang gumaganang likido ay isang perpektong gas at ang mga parameter ay nakatakda sa mga punto ng paglipat ng isang thermodynamic na proseso sa isa pa.
Isobaric-isochoric |
|
Isochoric-adiabatic |
|
Isobaric-adiabatic |
|
Isobaric-isochoric-isothermal |
|
Isobaric-isochoric-linear |
Ikot ng Carnot. Kahusayan ng isang perpektong heat engine
Ang pinakamataas na kahusayan sa ibinigay na temperatura ng pampainit T pampainit at refrigerator T ang malamig ay may heat engine kung saan lumalawak at kumukunot ang gumaganang fluid Ikot ng Carnot(Larawan 2), ang graph na binubuo ng dalawang isotherms (2–3 at 4–1) at dalawang adiabats (3–4 at 1–2).
Ang teorama ni Carnot nagpapatunay na ang kahusayan ng naturang makina ay hindi nakasalalay sa gumaganang likido na ginamit, kaya maaari itong kalkulahin gamit ang mga thermodynamic na relasyon para sa isang perpektong gas:
Mga kahihinatnan sa kapaligiran ng mga heat engine
Ang masinsinang paggamit ng mga heat engine sa transportasyon at enerhiya (thermal at nuclear power plants) ay makabuluhang nakakaapekto sa biosphere ng Earth. Bagaman mayroong mga hindi pagkakaunawaan sa agham tungkol sa mga mekanismo ng impluwensya ng aktibidad ng tao sa klima ng Earth, itinuro ng maraming mga siyentipiko ang mga kadahilanan kung saan maaaring mangyari ang gayong impluwensya:
- Ang epekto ng greenhouse ay isang pagtaas sa konsentrasyon ng carbon dioxide (isang produkto ng pagkasunog sa mga heaters ng mga thermal machine) sa atmospera. Ang carbon dioxide ay nagpapadala ng nakikita at ultraviolet radiation mula sa Araw, ngunit sumisipsip ng infrared radiation mula sa Earth. Nagiging sanhi ito ng pagtaas ng temperatura mas mababang mga layer kapaligiran, tumaas na hanging lakas ng bagyo at pagtunaw ng yelo sa buong mundo.
- Direktang epekto ng nakakalason na mga gas na tambutso sa wildlife(carcinogens, smog, acid rain mula sa mga produkto ng pagkasunog).
- Pagkasira ng ozone layer sa panahon ng paglipad ng sasakyang panghimpapawid at paglulunsad ng rocket. Ozone itaas na mga layer pinoprotektahan ng kapaligiran ang lahat ng buhay sa Earth mula sa labis na ultraviolet radiation mula sa Araw.
Lumabas mula sa umuusbong krisis sa ekolohiya ay nakasalalay sa pagtaas ng kahusayan ng mga makina ng init (ang kahusayan ng mga modernong makina ng init ay bihirang lumampas sa 30%); paggamit ng mga makina na magagamit at neutralizer ng mga nakakapinsalang gas na tambutso; paggamit ng mga alternatibong mapagkukunan ng enerhiya (mga solar na baterya at mga heater) at alternatibong paraan ng transportasyon (mga bisikleta, atbp.).
Ang kahusayan ng isang heat engine ay nauugnay sa dami ng init na natatanggap bawat cycle mula sa heater at ang dami ng init na ibinibigay sa refrigerator ayon sa ratio:
Kahusayan - formula
η= Q kapaki-pakinabang /Q kabuuan *100%
kahusayan ay katumbas ng ratio ng kapaki-pakinabang na halaga ng init sa kabuuang halaga nito.
η=A/Q kabuuan *100%
A- Trabaho.
Kapaki-pakinabang na init (enerhiya) - enerhiya na ginugol lamang upang makamit ang layunin (sa pangkalahatang mga termino).
Kabuuang enerhiya - ang kabuuang halaga ng enerhiya na ginugol (iyon ay, isinasaalang-alang ang mga pagkalugi para sa anumang mga kadahilanan).
Kabuuang enerhiya (para sa heat engine)- ang kabuuan ng kapaki-pakinabang na enerhiya at enerhiya, at enerhiya na ibinigay sa refrigerator: Q puno =Q kapaki-pakinabang. +Q malamig
Nangangahulugan ito na ang kapaki-pakinabang na enerhiya ay katumbas ng pagkakaiba sa pagitan ng kabuuang enerhiya at ang enerhiya na ibinigay sa refrigerator: Q kapaki-pakinabang =Q puno na. -Q malamig
Ang isang heat engine na may kahusayan na higit sa 100% ay hindi maaaring umiral.
Kung ang porsyento ng kahusayan ay kilala, kung gayon ang halaga ng init ay maaaring kalkulahin gamit ang mga proporsyon. alam lamang ang isa sa mga bahagi ng init at kahusayan, maaari mong kalkulahin ang natitirang mga bahagi. Ang mga porsyento ng kahusayan ay direktang proporsyonal sa kapaki-pakinabang na gawain. Halimbawa, kung ang kahusayan ng isang heat engine ay 10% at ang makina na ito ay nakagawa ng trabaho, halimbawa, sa 20 J bawat cycle, kung gayon ang lahat ng init (100%) ay 200 J, kung saan 180 (90%) ang ibinibigay. sa refrigerator.
Kahusayan laban sa Temperatura
Gayundin, ang kahusayan ay nakasalalay sa temperatura ng elemento ng pag-init at refrigerator:
η=(T n -T X )/T n - Ang kahusayan ay katumbas ng ratio ng pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng pampainit at refrigerator sa temperatura ng pampainit.
Dapat itong isipin na ang temperatura ng refrigerator ay hindi maaaring mas mataas kaysa sa temperatura ng pampainit, kung hindi man ang init ng makina ay walang kahulugan ng pagkakaroon.
Sa isang pare-parehong temperatura ng refrigerator, mas mataas ang temperatura ng heater, mas mataas ang kahusayan, ang hyperbole dependence.
Ang panloob na enerhiya ng isang gas ay isang function ng estado ng gas, iyon ay, ito ay nakasalalay lamang sa estado ng gas. Kung ang gas bilang isang resulta ng isang cyclic na proseso ay bumalik sa orihinal nitong estado, ang pagbabago sa panloob na enerhiya nito ay magiging katumbas ng zero.
Kung ang diagram p-V na lugar ang figure na nakatali sa mga linya ng cyclic na proseso ay naiiba sa zero, pagkatapos ay ang gas ay nakagawa ng trabaho.
Sa isang paikot na proseso p-v diagram, kung ang gas ay gumawa ng trabaho, kung gayon ang kabuuang halaga ng natanggap at naibigay na init ay katumbas ng zero, dahil ang lahat ng natanggap na halaga ng init ay ganap na ginugol sa pagbabago ng panloob na enerhiya at sa paggawa ng gas. Ang gas, kapag bumalik sa orihinal na estado nito, ay may parehong panloob na enerhiya, dahil ito ay isang function ng estado, na nangangahulugan na ang lahat ng enerhiya na natanggap ay ginugol sa trabaho.
Ang kahusayan ng isang heat engine ay maaaring tumaas sa pamamagitan ng pagpapababa ng temperatura ng refrigerator o sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura ng heater.
Sa diagram p-v trabaho gas na nagreresulta mula sa isang cyclic na proseso ay tumutugma sa lugar sa loob ng cycle.
Pagkatapos ng anumang paikot na proseso, ang gas ay babalik sa orihinal nitong estado. Ang panloob na enerhiya ay isang function ng estado, na nangangahulugan na bilang isang resulta ng isang paikot na proseso, ang pagbabago nito ay zero.
Ang kahusayan ng isang makina ng init ay bumababa nang linear habang tumataas ang temperatura ng refrigerator.
Sa diagram p-T gas ay hindi gumagana kung ang direktang graph ng pagbabago sa estado nito ay dumaan sa pinagmulan, dahil sa kasong ito ang volume ay hindi nagbabago.
Ang isang positibong dami ng init ay hindi maaaring kusang pumasa mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit.
Imposibleng lumikha ng isang cyclic heat engine, sa tulong kung saan posible na ganap na i-convert ang enerhiya na natanggap mula sa pampainit sa mekanikal na gawain.
Pangalawang batas ng thermodynamics ipinagbabawal ang tinatawag na perpetual motion machine ng pangalawang uri, na nagpapakita na ang kahusayan ay hindi maaaring maging 100%.
Ikalawang Batas ng Thermodynamics: Ang kahusayan ng isang heat engine ay hindi maaaring higit sa o katumbas ng 100%.
Postulate ni Clausius: "Imposible ang isang proseso, ang tanging resulta nito ay ang paglipat ng init mula sa isang mas malamig na katawan patungo sa isang mas mainit. Ang init ay maaaring kusang ilipat lamang mula sa isang mas mainit na katawan patungo sa isang mas malamig.".
Ang postulate ni Thompson (Kelvin):"Imposible ang isang pabilog na proseso, ang tanging resulta nito ay ang paggawa ng trabaho sa pamamagitan ng paglamig ng thermal reservoir."
Posibleng ilipat ang enerhiya mula sa isang katawan na may mas mababang temperatura patungo sa isang katawan na may mas mataas na temperatura sa pamamagitan ng paggawa.
Habang lumalawak ang gas, ito ay gumagawa ng positibong trabaho, at kapag ito ay nagkontrata, ito ay gumagawa ng negatibong gawain.
Ang panloob na enerhiya ng isang nakapirming halaga ng isang monatomic ideal na gas ay nakasalalay lamang sa temperatura: ΔU=(3/2) v RΔT.
Sa isang proseso ng adiabatic, walang pagpapalitan ng init.
Ang Carnot cycle ay binubuo ng dalawang adiabats, isothermal contraction at expansion. Ang panloob na enerhiya ng gas ay nagbabago sa adiabats, iyon ay, sa dalawang seksyon ng cycle na ito.
« Physics - Grade 10"
Ano ang isang thermodynamic system at kung anong mga parameter ang nagpapakilala sa estado nito.
Sabihin ang una at ikalawang batas ng thermodynamics.
Ito ay ang paglikha ng teorya ng mga heat engine na humantong sa pagbabalangkas ng pangalawang batas ng thermodynamics.
Mga stock ng panloob na enerhiya sa crust ng lupa at ang mga karagatan ay maaaring ituring na halos walang limitasyon. Ngunit upang malutas ang mga praktikal na problema, ang pagkakaroon ng mga reserbang enerhiya ay hindi pa rin sapat. Kinakailangan din na magamit ang enerhiya upang i-set in motion machine sa mga pabrika at halaman, sasakyan, traktora at iba pang makina, upang paikutin ang mga rotor ng mga generator. agos ng kuryente atbp. Ang sangkatauhan ay nangangailangan ng mga makina - mga aparatong may kakayahang gumawa ng trabaho. Karamihan ng mga makina sa lupa mga makinang pampainit.
Mga makinang pampainit- Ito ang mga device na nagko-convert ng panloob na enerhiya ng gasolina sa gawaing mekanikal.
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga heat engine.
Upang gumana ang makina, kailangan ang pagkakaiba ng presyon sa magkabilang panig ng piston ng makina o mga blades ng turbine. Sa lahat ng mga makina ng init, ang pagkakaiba sa presyon na ito ay nakakamit sa pamamagitan ng pagtaas ng temperatura nagtatrabaho katawan(gas) daan-daang o libu-libong digri sa itaas ng temperatura ng kapaligiran. Ang pagtaas ng temperatura na ito ay nangyayari sa panahon ng pagkasunog ng gasolina.
Ang isa sa mga pangunahing bahagi ng makina ay isang sisidlan na puno ng gas na may isang movable piston. Ang gumaganang likido sa lahat ng mga makina ng init ay isang gas na gumagana sa panahon ng pagpapalawak. Tukuyin natin ang paunang temperatura ng working fluid (gas) hanggang T 1 . Ang temperaturang ito sa mga steam turbine o makina ay nakukuha sa pamamagitan ng singaw sa isang steam boiler. Sa mga internal combustion engine at gas turbine, ang pagtaas ng temperatura ay nangyayari kapag ang gasolina ay sinunog sa loob mismo ng makina. Ang temperatura T 1 ay tinatawag temperatura ng pampainit.
Ang papel ng refrigerator
Habang ang trabaho ay tapos na, ang gas ay nawawalan ng enerhiya at hindi maiiwasang lumamig sa isang tiyak na temperatura T 2 , na kadalasan ay medyo mas mataas kaysa sa ambient na temperatura. tawag nila sa kanya temperatura ng refrigerator. Ang refrigerator ay ang atmospera o mga espesyal na kagamitan para sa paglamig at pagpapalapot ng singaw ng tambutso - mga kapasitor. Sa huling kaso, ang temperatura ng refrigerator ay maaaring bahagyang mas mababa kaysa sa nakapaligid na temperatura.
Kaya, sa makina, ang gumaganang likido sa panahon ng pagpapalawak ay hindi maaaring magbigay ng lahat ng panloob na enerhiya nito upang gumana. Ang bahagi ng init ay hindi maiiwasang mailipat sa mas malamig (atmosphere) kasama ng tambutso na singaw o mga maubos na gas mula sa panloob na mga makina ng pagkasunog at mga gas turbine.
Ang bahaging ito ng panloob na enerhiya ng gasolina ay nawala. Ang isang heat engine ay gumaganap ng trabaho dahil sa panloob na enerhiya ng gumaganang likido. Bukod dito, sa prosesong ito, ang init ay inililipat mula sa mas maiinit na katawan (heater) patungo sa mas malamig (refrigerator). circuit diagram ang heat engine ay ipinapakita sa Figure 13.13.
Ang gumaganang likido ng makina ay tumatanggap mula sa pampainit sa panahon ng pagkasunog ng gasolina ang dami ng init Q 1, gumagana A "at inililipat ang dami ng init sa refrigerator Q2< Q 1 .
Upang ang makina ay patuloy na gumana, kinakailangan na ibalik ang gumaganang likido sa paunang estado nito, kung saan ang temperatura ng gumaganang likido ay katumbas ng T 1 . Ito ay sumusunod mula dito na ang pagpapatakbo ng makina ay nangyayari ayon sa pana-panahong paulit-ulit na mga saradong proseso, o, gaya ng sinasabi nila, ayon sa isang cycle.
Ikot ay isang serye ng mga proseso, bilang isang resulta kung saan ang system ay bumalik sa orihinal na estado nito.
Coefficient of performance (COP) ng isang heat engine.
imposibilidad kumpletong pagbabago panloob na enerhiya ng gas sa gawain ng mga makina ng init dahil sa hindi maibabalik na mga proseso sa kalikasan. Kung ang init ay maaaring kusang bumalik mula sa refrigerator patungo sa pampainit, kung gayon ang panloob na enerhiya ay maaaring ganap na ma-convert sa kapaki-pakinabang na gawain gamit ang anumang heat engine. Ang pangalawang batas ng thermodynamics ay maaaring mabalangkas tulad ng sumusunod:
Pangalawang batas ng thermodynamics:
imposibleng lumikha ng isang panghabang-buhay na makina ng paggalaw ng pangalawang uri, na ganap na magko-convert ng init sa gawaing mekanikal.
Ayon sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, ang gawaing ginagawa ng makina ay:
A" \u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)
kung saan Q 1 - ang dami ng init na natanggap mula sa pampainit, at Q2 - ang halaga ng init na ibinigay sa refrigerator.
Ang coefficient of performance (COP) ng isang heat engine ay ang ratio ng trabaho A "na isinagawa ng engine sa dami ng init na natanggap mula sa heater:
Dahil sa lahat ng mga makina ang ilang halaga ng init ay inililipat sa refrigerator, pagkatapos ay η< 1.
Ang maximum na halaga ng kahusayan ng mga heat engine.
Ginagawang posible ng mga batas ng thermodynamics na kalkulahin ang pinakamataas na posibleng kahusayan ng isang heat engine na nagpapatakbo sa isang pampainit na may temperatura na T 1 at isang refrigerator na may temperatura na T 2, at upang matukoy din ang mga paraan upang mapataas ito.
Sa kauna-unahang pagkakataon, ang pinakamataas na posibleng kahusayan ng isang makina ng init ay kinakalkula ng inhinyero at siyentipikong Pranses na si Sadi Carnot (1796-1832) sa kanyang akda na "Reflections on the driving force of fire and on machines capable to develop this force" (1824). ).
Nakagawa si Carnot ng perpektong makina ng init na may perpektong gas bilang gumaganang likido. Ang isang perpektong Carnot heat engine ay gumagana sa isang cycle na binubuo ng dalawang isotherms at dalawang adiabats, at ang mga prosesong ito ay itinuturing na nababaligtad (Fig. 13.14). Una, ang isang sisidlan na may gas ay dinadala sa pakikipag-ugnay sa isang pampainit, ang gas ay lumalawak nang isothermally, gumagawa ng positibong trabaho, sa isang temperatura T 1 , habang tumatanggap ito ng halaga ng init Q 1 .
Pagkatapos ang sisidlan ay thermally insulated, ang gas ay patuloy na lumalawak na adiabatically, habang ang temperatura nito ay bumababa sa temperatura ng refrigerator T 2 . Pagkatapos nito, ang gas ay dinadala sa pakikipag-ugnay sa refrigerator, sa ilalim ng isothermal compression, nagbibigay ito ng halaga ng init Q 2 sa refrigerator, na pinipiga sa isang volume 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:
Tulad ng sumusunod mula sa formula (13.17), ang kahusayan ng Carnot machine ay direktang proporsyonal sa pagkakaiba sa ganap na temperatura ng heater at refrigerator.
Ang pangunahing kahulugan ng formula na ito ay nagpapahiwatig ito ng paraan upang madagdagan ang kahusayan, para dito kinakailangan upang madagdagan ang temperatura ng pampainit o babaan ang temperatura ng refrigerator.
Anumang tunay na makina ng init na gumagana na may pampainit na may temperaturang T 1 at isang refrigerator na may temperaturang T 2 ay hindi maaaring magkaroon ng kahusayan na lampas sa kahusayan ng isang perpektong makina ng init: Ang mga proseso na bumubuo sa ikot ng isang tunay na makina ng init ay hindi nababaligtad.
Ang Formula (13.17) ay nagbibigay ng teoretikal na limitasyon para sa pinakamataas na halaga ng kahusayan ng mga heat engine. Ipinapakita nito na ang isang heat engine ay mas mahusay, mas malaki ang pagkakaiba ng temperatura sa pagitan ng heater at refrigerator.
Sa temperatura lamang ng refrigerator, katumbas ng absolute zero, η = 1. Bilang karagdagan, napatunayan na ang kahusayan na kinakalkula ng formula (13.17) ay hindi nakasalalay sa gumaganang sangkap.
Ngunit ang temperatura ng refrigerator, na kadalasang ginagampanan ng kapaligiran, ay halos hindi maaaring mas mababa kaysa sa temperatura ng kapaligiran. Maaari mong dagdagan ang temperatura ng pampainit. Gayunpaman, anumang materyal solid) ay may limitadong paglaban sa init o paglaban sa init. Kapag pinainit, unti-unting nawawala ang mga nababanat na katangian nito, at natutunaw sa isang sapat na mataas na temperatura.
Ngayon ang mga pangunahing pagsisikap ng mga inhinyero ay naglalayong dagdagan ang kahusayan ng mga makina sa pamamagitan ng pagbawas ng alitan ng kanilang mga bahagi, pagkalugi ng gasolina dahil sa hindi kumpletong pagkasunog, atbp.
Para sa isang steam turbine, ang mga inisyal at panghuling temperatura ng singaw ay humigit-kumulang sa mga sumusunod: T 1 - 800 K at T 2 - 300 K. Sa mga temperaturang ito, ang pinakamataas na kahusayan ay 62% (tandaan na ang kahusayan ay karaniwang sinusukat bilang porsyento). Ang aktwal na halaga ng kahusayan dahil sa iba't ibang uri ng pagkalugi ng enerhiya ay humigit-kumulang 40%. Ang mga makina ng diesel ay may pinakamataas na kahusayan - mga 44%.
Proteksiyon ng kapaligiran.
Mahirap isipin modernong mundo walang mga heat engine. Binibigyan nila tayo ng komportableng buhay. Ang mga heat engine ay nagmamaneho ng mga sasakyan. Humigit-kumulang 80% ng kuryente, sa kabila ng pagkakaroon ng mga nuclear power plant, ay nabuo gamit ang mga heat engine.
Gayunpaman, sa panahon ng pagpapatakbo ng mga makina ng init, ang hindi maiiwasang polusyon sa kapaligiran ay nangyayari. Ito ay isang kontradiksyon: sa isang banda, bawat taon ang sangkatauhan ay nangangailangan ng higit at higit na enerhiya, ang pangunahing bahagi nito ay nakuha sa pamamagitan ng pagsunog ng gasolina, sa kabilang banda, ang mga proseso ng pagkasunog ay hindi maiiwasang sinamahan ng polusyon sa kapaligiran.
Kapag nasunog ang gasolina, bumababa ang nilalaman ng oxygen sa atmospera. Bilang karagdagan, ang mga produkto ng pagkasunog mismo ay bumubuo ng mga kemikal na compound na nakakapinsala sa mga buhay na organismo. Ang polusyon ay nangyayari hindi lamang sa lupa, kundi pati na rin sa hangin, dahil ang anumang paglipad ng sasakyang panghimpapawid ay sinamahan ng mga paglabas ng mga nakakapinsalang dumi sa kapaligiran.
Ang isa sa mga kahihinatnan ng pagpapatakbo ng mga makina ay ang pagbuo ng carbon dioxide, na sumisipsip ng infrared radiation mula sa ibabaw ng Earth, na humahantong sa pagtaas ng temperatura ng kapaligiran. Ito ang tinatawag na greenhouse effect. Ipinapakita ng mga sukat na ang temperatura ng atmospera ay tumataas ng 0.05 °C bawat taon. Ang ganitong patuloy na pagtaas ng temperatura ay maaaring maging sanhi ng pagkatunaw ng yelo, na magdudulot naman ng pagbabago sa lebel ng tubig sa mga karagatan, ibig sabihin, sa pagbaha ng mga kontinente.
Pansinin natin ang isa pa negatibong sandali kapag gumagamit ng mga heat engine. Kaya, kung minsan ang tubig mula sa mga ilog at lawa ay ginagamit upang palamig ang mga makina. Ang pinainit na tubig ay ibinalik muli. Ang pagtaas ng temperatura sa mga katawan ng tubig ay nakakagambala sa natural na balanse, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay tinatawag na thermal pollution.
Upang protektahan ang kapaligiran, ang iba't ibang mga filter ng paglilinis ay malawakang ginagamit upang maiwasan ang paglabas ng mga nakakapinsalang sangkap sa atmospera, at ang mga disenyo ng makina ay pinapabuti. Mayroong patuloy na pagpapabuti ng gasolina, na nagbibigay ng mas kaunting mga mapanganib na sangkap sa panahon ng pagkasunog, pati na rin ang teknolohiya ng pagkasunog nito. Ang mga alternatibong mapagkukunan ng enerhiya na gumagamit ng hangin, solar radiation, at pangunahing enerhiya ay aktibong binuo. Ginagawa na ang mga de-kuryenteng sasakyan at sasakyang pinapagana ng solar energy.