Savremena realnost implicira široku upotrebu toplotnih motora. Brojni pokušaji njihove zamjene elektromotorima do sada su propali. Problemi povezani sa akumulacijom električne energije u autonomnim sistemima rješavaju se s velikim poteškoćama.
Problemi tehnologije za proizvodnju elektroenergetskih baterija su i dalje aktuelni, s obzirom na njihovu dugotrajnu upotrebu. Brzinske karakteristike električnih vozila su daleko od karakteristika automobila na motore sa unutrašnjim sagorevanjem.
Prvi koraci ka stvaranju hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u megagradima, rješavajući ekološke probleme.
Malo istorije
Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju kretanja bila je poznata još u antici. 130. pne: Filozof Heron Aleksandrijski predstavio je publici parnu igračku - eolipil. Sfera ispunjena parom počela je da se okreće pod dejstvom mlaza koji su izlazili iz nje. Ovaj prototip modernih parnih turbina nije korišten u to vrijeme.
Dugi niz godina i vijekova, razvoj filozofa se smatrao samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Italijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. steam ledpokrenuti disk opremljen noževima.
Od tog trenutka počeo je nagli razvoj parnih mašina.
Toplotni motor
Pretvaranje unutrašnje energije goriva u energiju kretanja delova mašina i mehanizama koristi se u toplotnim mašinama.
Glavni delovi mašina: grejač (sistem za dobijanje energije spolja), radni fluid (obavlja korisnu radnju), frižider.
Grijač je dizajniran da osigura da radni fluid akumulira dovoljnu količinu unutrašnje energije za obavljanje korisnog rada. Frižider odvodi višak energije.
Glavna karakteristika efikasnosti naziva se efikasnost termičkih motora. Ova vrijednost pokazuje koji dio energije utrošene na grijanje se troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća efikasnost, to je profitabilniji rad mašine, ali ova vrijednost ne može preći 100%.
Izračunavanje faktora efikasnosti
Neka grijač dobije energiju izvana jednaku Q1. Radno tijelo je radilo A, dok je energija data frižideru Q2.
Na osnovu definicije izračunajte efikasnost:
η=A / Q1. Uzmite u obzir da je A=Q1 - Q2.
Otuda efikasnost toplotnog motora, čija je formula η=(Q1 - Q2)/ Q 1=1 - Q2/ Q1, nam omogućava da izvučemo sljedeće zaključke:
- Efikasnost ne može premašiti 1 (ili 100%);
- da biste maksimizirali ovu vrijednost, morate i vipovećati energiju primljenu od grijača ili smanjiti energiju koja se daje hladnjaku;
- povećanje energije grejača postiže se promenom kvaliteta goriva;
- smanjenje energije koja se daje frižideru, omogućava postizanje dizajnerskih karakteristika motora.
Idealni toplotni motor
Da li je moguće stvoriti takav motor, čija bi efikasnost bila maksimalna (idealno - jednaka 100%)? Francuski teorijski fizičar i talentovani inženjer Sadi Carnot pokušao je pronaći odgovor na ovo pitanje. Godine 1824, njegovi teorijski proračuni o procesima koji se dešavaju u gasovima su objavljeni.
Glavna ideja idealne mašine je izvođenje reverzibilnih procesa sa idealnim gasom. Počinjemo sa izotermnim širenjem gasa na temperaturi T1. Količina topline potrebna za ovo je Q1. Nakon gas se širi bez izmjene topline (adijabatski proces). Nakon dostizanja temperature T2, gas se kompresuje izotermno, prenoseći energiju Q2 u frižider. Povratak plina u prvobitno stanje je adijabatski.
Efikasnost idealnog Carnot toplotnog motora, kada se tačno izračuna, jednaka je odnosu temperaturne razlike između uređaja za grejanje i hlađenje prema temperaturi koju ima grejač. To izgleda ovako: η=(T1 - T2)/ T1.
Moguća efikasnost toplotnog motora, čija je formula: η=1 - T2/ T 1 , zavisi samo odtemperature grijača i hladnjaka i ne mogu prelaziti 100%.
Štaviše, ovaj odnos nam omogućava da dokažemo da efikasnost toplotnih motora može biti jednaka jedinici samo kada frižider dostigne apsolutnu nultu temperaturu. Kao što znate, ova vrijednost je nedostižna.
Carnot-ovi teoretski proračuni omogućavaju određivanje maksimalne efikasnosti toplotnog motora bilo kojeg dizajna.
Teorema koju je dokazao Carnot je sljedeća. Proizvoljna toplotna mašina ni pod kojim okolnostima ne može imati efikasnost veću od iste efikasnosti idealnog toplotnog motora.
Primjer rješavanja problema
Primer 1. Kolika je efikasnost idealnog toplotnog motora ako je temperatura grejača 800oS, a temperatura frižidera 500oOdozdo?
T1=800oC=1073 K, ∆T=500o C=500 K, η - ?
Rješenje:
Po definiciji: η=(T1 - T2)/ T1.
Nije nam data temperatura u frižideru, ali ∆T=(T1 - T2), dakle:
η=∆T / T1=500 K/1073 K=0, 46.
Odgovor: Efikasnost=46%.
Primer 2. Odrediti efikasnost idealnog toplotnog motora ako je zbog kupljenog kilodžula energije grejača izvršeno 650 J korisnog rada Kolika je temperatura grejača toplotne mašine ako je temperatura rashladne tečnosti 400 K?
Q1 =1 kJ=1000 J, A=650 J, T2=400 K, η - ?, T 1 =?
Rješenje:
U ovom problemu govorimo o termalnoj instalaciji, čija se efikasnost može izračunati po formuli:
η=A / Q1.
Da bismo odredili temperaturu grijača, koristimo formulu za efikasnost idealnog toplotnog motora:
η=(T1 - T2)/ T1 =1 - T2/ T1.
Nakon izvođenja matematičkih transformacija, dobijamo:
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.
Realni uslovi
Idealni toplotni motor je dizajniran sa idealnim procesima na umu. Rad se obavlja samo u izotermnim procesima, njegova vrijednost je definirana kao površina ograničena Carnotovim ciklusnim grafom.
U stvari, nemoguće je stvoriti uslove za proces promene stanja gasa bez pratećih promena temperature. Ne postoje materijali koji bi isključili razmjenu topline sa okolnim objektima. Adijabatski proces više nije moguć. U slučaju prijenosa topline, temperatura plina se mora nužno promijeniti.
Efikasnost toplotnih motora stvorenih u realnim uslovima značajno se razlikuje od efikasnosti idealnih motora. Imajte na umu da su procesi u stvarnim motorima toliko brzi da su varijacijeunutrašnja toplotna energija radne tvari u procesu promjene njenog volumena ne može se kompenzirati dotokom topline iz grijača i povratkom u hladnjak.
Drugi toplotni motori
Pravi motori rade na različitim ciklusima:
- Otto ciklus: proces pri konstantnom volumenu se mijenja adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
- Dizel ciklus: izobar, adijabat, izohor, adijabat;
- gasna turbina: proces konstantnog pritiska se mijenja u adijabatski, zatvarajući ciklus.
Nije moguće stvoriti ravnotežne procese u stvarnim motorima (približiti ih idealnim) u uslovima savremene tehnologije. Efikasnost termičkih motora je mnogo niža, čak i ako se uzmu u obzir isti temperaturni uslovi kao u idealnoj termalnoj instalaciji.
Ali ulogu proračunske formule za efikasnost Carnot ciklusa ne treba umanjiti, jer upravo ova formula postaje polazna tačka u procesu rada na povećanju efikasnosti pravih motora.
Načini za promjenu efikasnosti
Kada se porede idealni i stvarni toplotni motori, vredi napomenuti da temperatura frižidera potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se uzeti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladne tečnosti jednaka temperaturi izduvnih gasova u motorima, kao što je slučaj kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem (skraćeno ICE).
ICE je najčešći toplotni motor u našem svijetu. termička efikasnostmašina u ovom slučaju zavisi od temperature koju stvara gorivo koje sagoreva. Bitna razlika između motora sa unutrašnjim sagorevanjem i parnih mašina je spajanje funkcija grejača i radnog fluida uređaja u mešavini vazduh-gorivo. Sagorevanjem, smjesa stvara pritisak na pokretne dijelove motora.
Povećanje temperature radnih gasova postiže se značajnom promenom svojstava goriva. Nažalost, to nije moguće činiti u nedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za sagorijevanje motora ima svoju tačku topljenja. Otpornost na toplotu ovakvih materijala je glavna karakteristika motora, kao i sposobnost da značajno utiče na efikasnost.
Vrijednosti efikasnosti motora
Ako uzmemo u obzir parnu turbinu čija je temperatura radne pare na ulazu 800 K, a izduvnog gasa 300 K, onda je efikasnost ove mašine 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Do takvog smanjenja dolazi zbog gubitaka toplote kada se zagreva kućište turbine.
Najveća efikasnost motora sa unutrašnjim sagorevanjem ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti je pitanje bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala, goriva je problem na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.
