L'efficacité des moteurs thermiques. L'efficacité d'un moteur thermique – Formule

réalités modernes exigent des moteurs thermiques large opération. De nombreuses tentatives de les remplacer par des moteurs électriques tout en subissant l'échec. Les problèmes liés à l'accumulation d'énergie dans les systèmes autonomes, sont résolus avec une grande difficulté.

Encore des problèmes pertinents de la technologie de batterie de fabrication en fonction de leur utilisation à long terme. Caractéristiques de la vitesse des véhicules électriques sont loin de ceux des voitures, des moteurs à combustion interne.

Les premières étapes de la création de moteurs hybrides peuvent réduire considérablement les émissions nocives dans les régions métropolitaines, la résolution des problèmes environnementaux.

Un peu d'histoire

La possibilité de transformation de l'énergie de la vapeur en énergie cinétique est connue depuis les temps anciens. 130 BC: Philosophe Geron Aleksandriysky présenté au jouet à vapeur public – eolipil. Sphère remplie de vapeur, est entré en rotation sous l'influence émanant de ses jets. Ce prototype de la turbine à vapeur moderne au moment de l'application ne se trouve pas.

Pendant de nombreuses années et le développement de siècle philosophe, il a été considéré comme juste un jouet amusant. En 1629, l'Italien D. Branca a créé une turbine proactive. Les couples mis en mouvement le disque muni d'ailettes.

A partir de ce moment-là a commencé le développement rapide des machines à vapeur.

moteur thermique

La transformation de l'énergie interne du carburant dans l'énergie du mouvement des pièces de machines et de mécanismes utilisés dans les moteurs thermiques.

Composants principaux de machines: un dispositif de chauffage (système de réception d'énergie de l'extérieur), l'organe de travail (exerce un effet bénéfique), réfrigérateur.

Le chauffage est conçu pour le fluide de travail à accumuler assez de stock de l'énergie pour le travail utile. Réfrigérateur enlève l'excès d'énergie.

La principale caractéristique de l'efficacité est appelée l'efficacité des moteurs thermiques. Cette quantité montre quelle partie de l'énergie dépensée pour chauffer le passé pour effectuer un travail utile. Plus l'efficacité, l'opération avantageuse de la machine, mais cette valeur ne peut pas dépasser 100%.

Calcul de l'efficacité

Soit chauffe énergie externe acquis égale à Q _1. corps Outils commis travail A, tandis que le réfrigérateur donné de l' énergie était Q _2.

Sur la base de la détermination, on calcule la valeur d'efficacité:

η = A / Q _1. Nous supposons que A = Q ₁ – Q _2.

Par conséquent l'efficacité du moteur thermique, dont la formule est donnée par η = (Q ₁ – Q ₂₎ / Q ₁ = 1 – Q ₂ / Q _1, permet les conclusions suivantes:

• L'efficacité peut pas dépasser 1 (ou 100%);
• pour maximiser cette quantité doit augmenter soit l'énergie obtenue à partir d'un dispositif de chauffage, ou une diminution de l'énergie donnée réfrigérateur;
• augmenter la puissance de chauffage obtenir un changement de la qualité du carburant;
• réduire l'énergie, donne le réfrigérateur, permettent d'atteindre les caractéristiques de conception des moteurs.

Un moteur thermique idéal

La création d'un tel moteur possible, dont l'efficacité serait le maximum (dans un idéal – égal à 100%)? Trouver la réponse à cette question essayé de physicien français et un ingénieur talentueux Sadi Carnot. En 1824, ses calculs théoriques sur les processus qui se produisent dans les gaz ont été libérés.

L'idée de base incarnée dans la machine idéale peut être considéré comme la conduite des processus réversibles avec le gaz idéal. En commençant par l' expansion de l'isotherme de gaz à la température T _1. La quantité de chaleur nécessaire à cet effet, – Q _1. Après gaz sans augmenter la chaleur (un procédé adiabatique). Après avoir atteint la température T _2, le gaz est comprimé de manière isotherme par passage de l'énergie réfrigérateur Q _2. retour de gaz dans son état initial est effectuée de manière adiabatique.

L'efficacité d'un moteur thermique Carnot idéal avec le calcul exact est le rapport de la différence de température entre le dispositif de chauffage et de refroidissement à une température, qui possède un dispositif de chauffage. Il ressemble à ceci: η = (T ₁ – T ₂₎ / T _1.

rendement thermique possible de la machine, laquelle formule a la forme: η = 1 – T ₂ / T _1, ne dépend que de la valeur des températures de chauffage et les plus froids et ne peut pas être supérieure à 100%.

En outre, cette relation permet une de prouver que l'efficacité des moteurs thermiques peut être égale à l' unité uniquement lorsque le réfrigérateur zéro absolu de température. Comme on le sait, cette valeur est impossible à atteindre.

Des calculs théoriques Carnot permettent de déterminer l'efficacité maximale d'un moteur thermique de toute conception.

Le théorème de Carnot prouvé est la suivante. moteur thermique arbitraire en aucun cas en mesure d'avoir une plus grande efficacité que les mêmes valeurs d'un rendement du moteur thermique idéal.

Un exemple de résolution de problèmes

Exemple 1. Quelle efficacité d'un moteur thermique idéal, lorsque la température de chauffage est de 800 C et ^la température du réfrigérateur 500 ^C ci-dessous?

T ₁ = 800 ^{° C} = 1073 K, AT = 500 ^{° C} = 500 K, η -?

solution:

Par définition: η = (T ₁ – T ₂₎ / T _1.

Nous n'avons pas donné la température du réfrigérateur, mais AT = (T ₁ – T _2), d' où:

η = AT / T = 500K ₁ / 1.073 K = 0,46.

Réponse: efficacité = 46%.

Exemple 2. Déterminer l'efficacité d'un moteur thermique idéal, si elle est due à l'énergie acquise un chauffe kilojoules effectué un travail utile 650 J. Quelle est la température du chauffage du moteur thermique si la température du liquide de refroidissement -. 400 K?

Q ₁ = 1 kJ = 1000 J A = 650 J, T ₂ = 400 K, η – ?, T ₁ =?

solution:

Dans cette tâche, il est une installation thermique, dont l'efficacité peut être calculée par la formule:

η = A / Q _1.

Pour déterminer la température de l'élément chauffant en utilisant la formule de l'efficacité d'un moteur thermique idéal:

η = (T ₁ – T ₂₎ / T ₁ = 1 – T ₂ / T _1.

Exécution de transformations mathématiques, on obtient:

T ₁ = T ₂ / (1- η).

T ₁ = T ₂ / (1- A / Q _1).

Nous calculons:

η = 650 J / 1000 J = 0,65.

T = 400 K ₁ / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Réponse: η = 65%, T ₁ = 1142,8 K.

conditions réelles

Un moteur thermique idéal conçu avec les processus idéaux. Le travail est effectué uniquement dans les processus isothermes, il est défini comme étant la zone délimitée par le graphique du cycle de Carnot.

En fait, pour créer les conditions pour l'écoulement des changements d'état du gaz dans le processus, sans accompagner les changements de température ne peut pas être. Aucun de ces matériaux, ce qui exclurait l'échange de chaleur avec les objets environnants. processus adiabatique devient impossible à réaliser. Dans le cas de la température du gaz d'échange thermique doit nécessairement changer.

L'efficacité des machines thermiques créées dans des conditions réelles diffèrent de manière significative de l'efficacité idéale des moteurs. On notera que l'écoulement de processus dans les moteurs réels se produit si rapidement que la variation de l'énergie thermique interne du fluide de travail dans le processus de changement de son volume ne peut pas être compensée par apport de quantité de chaleur d'un dispositif de chauffage et un retour plus froide.

D'autres moteurs thermiques

Les moteurs réels fonctionnent sur différents cycles:

• le cycle Otto processus à volume constant avec changement adiabatique, créant une boucle fermée;
• le cycle Diesel isobare, adiabatique, isochore, adiabatique;
• une turbine à gaz: processus se produisant à une pression constante, adiabatique remplacé ferme la boucle.

Créer un processus d'équilibre dans les moteurs réels (pour les rapprocher de l'idéal) dans la technologie moderne est impossible. L'efficacité des moteurs thermiques est nettement plus faible, même avec les mêmes conditions de température que dans le cadre de la chaleur idéale.

Mais il ne faut pas réduire l'efficacité de calcul du rôle de la formule du cycle de Carnot, tel qu'il est, il devient un point de référence dans le processus visant à améliorer l'efficacité des moteurs réels.

Façons de modifier l'efficacité

Grâce à la comparaison des moteurs thermiques idéales et réelles, il convient de noter que la dernière température du réfrigérateur ne peut être arbitraire. Habituellement, réfrigérateur croire l'atmosphère. Pour prendre la température de l'atmosphère ne peut les calculs approximatifs. L'expérience montre que la température du liquide de refroidissement est le gaz d'échappement dans les moteurs, comme cela se produit dans les moteurs à combustion interne (en abrégé DVS).

DIC – le plus répandu dans notre monde du moteur thermique. Efficacité moteur thermique dans ce cas dépend de la température créée par la combustion du carburant. La différence essentielle avec les moteurs à vapeur DIC sont les fonctions de chauffage et de fusion du corps de dispositif fonctionnant dans un mélange air-carburant. La combustion du mélange crée une pression sur les parties mobiles du moteur.

Augmenter la température du gaz de travail est atteint, modifier de manière significative les propriétés du carburant. Malheureusement, il est impossible de le faire sans limite. Tout matériau de construction de la chambre de combustion du moteur a son point de fusion. La résistance thermique de ces matériaux – la caractéristique fondamentale du moteur, ainsi que d'affecter de manière significative l'efficacité.

l'efficacité du moteur Valeurs

Si l' on considère la turbine à vapeur, la température de l'entrée de vapeur de travail est égale à 800 K, et les gaz d'échappement – 300 K, le rendement de la machine est égale à 62%. En réalité, toutefois, cette valeur ne dépasse pas 40%. Cette réduction est due à la perte de chaleur pendant le carter de turbine de chauffage.

La valeur la plus élevée de l'efficacité des moteurs à combustion interne ne dépasse pas 44%. L'augmentation de cette valeur – la question de l'avenir proche. Modification des propriétés des matériaux, du carburant – c'est un problème sur lequel emploie les meilleurs esprits de l'humanité.