Termal mühərrik. Termodinamikanın ikinci qanunu

İstilik mühərrikinin nəzəri modelində üç cisim nəzərə alınır: qızdırıcı, işləyən maye Və soyuducu.

Qızdırıcı, temperaturu sabit olan istilik anbarıdır (böyük gövdə).

Mühərrikin işinin hər bir dövründə işçi maye qızdırıcıdan müəyyən miqdarda istilik alır, genişlənir və mexaniki işləri yerinə yetirir. Qızdırıcıdan alınan enerjinin bir hissəsinin soyuducuya köçürülməsi işçi mayenin orijinal vəziyyətinə qayıtması üçün lazımdır.

Model istilik mühərrikinin işləməsi zamanı qızdırıcının və soyuducunun temperaturunun dəyişmədiyini qəbul etdiyindən, dövr başa çatdıqda: işçi mayenin qızdırılması-genişlənməsi-soyutma-sıxılması, maşının orijinal vəziyyətinə qayıtması hesab olunur. dövlət.

Hər bir dövr üçün termodinamikanın birinci qanununa əsaslanaraq istilik miqdarını yaza bilərik Q qızdırıcıdan alınan istilik, istilik miqdarı | Q soyuq|. soyuducuya verilir və işçi orqanının gördüyü işlər Aəlaqəsi ilə bir-biri ilə bağlıdır:

A = Q istilik – | Q soyuq|.

İstilik mühərrikləri adlanan real texniki cihazlarda yanacağın yanması zamanı ayrılan istiliklə işləyən maye qızdırılır. Beləliklə, bir elektrik stansiyasının buxar turbinində qızdırıcı isti kömür ilə bir sobadır. Daxili yanma mühərrikində (ICE) yanma məhsulları qızdırıcı, artıq hava isə işləyən maye hesab edilə bilər. Onlar soyuducu kimi atmosfer havasından və ya təbii mənbələrdən gələn sudan istifadə edirlər.

İstilik mühərrikinin (maşın) səmərəliliyi

İstilik mühərrikinin səmərəliliyi (səmərəlilik) mühərrikin gördüyü işin qızdırıcıdan alınan istilik miqdarına nisbətidir:

Hər hansı bir istilik mühərrikinin səmərəliliyi vəhdətdən azdır və faizlə ifadə edilir. Qızdırıcıdan alınan bütün istilik miqdarını mexaniki işə çevirməyin qeyri-mümkünlüyü, tsiklik bir prosesin təşkili ehtiyacının ödənilməsi üçün qiymətdir və termodinamikanın ikinci qanunundan irəli gəlir.

Həqiqi istilik maşınlarında səmərəlilik eksperimental mexaniki güclə müəyyən edilir N mühərrik və vaxt vahidində yandırılan yanacağın miqdarı. Beləliklə, əgər vaxtında t yanacaq kütləsi m və xüsusi yanma istiliyi q, Bu

Nəqliyyat vasitələri üçün istinad xarakteristikası çox vaxt həcmdir V yolda yanacaq yandırıb s mexaniki mühərrik gücündə N və sürətlə. Bu halda, yanacağın r sıxlığını nəzərə alaraq, səmərəliliyin hesablanması üçün düstur yaza bilərik:

Termodinamikanın ikinci qanunu

Bir neçə formula var termodinamikanın ikinci qanunu. Onlardan biri deyir ki, yalnız istilik mənbəyi hesabına işləyəcək istilik mühərrikinin olması mümkün deyil, yəni. soyuducu yoxdur. Dünya okeanları onun üçün praktiki olaraq tükənməz daxili enerji mənbəyi kimi xidmət edə bilərdi (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Termodinamikanın ikinci qanununun digər formulaları buna bərabərdir.

Clausius formulası(1850): istiliyin kortəbii olaraq daha az qızdırılan cisimlərdən daha çox qızdırılan cisimlərə keçməsi qeyri-mümkündür.

Tomsonun formulası(1851): dairəvi proses qeyri-mümkündür, bunun yeganə nəticəsi istilik anbarının daxili enerjisini azaltmaqla işin istehsalı olacaq.

Clausius formulası(1865): qapalı qeyri-tarazlıq sistemində bütün kortəbii proseslər sistemin entropiyasının artdığı istiqamətdə baş verir; istilik tarazlığı vəziyyətində maksimum və sabitdir.

Boltzmann formulası(1877): çoxlu hissəciklərdən ibarət qapalı sistem kortəbii olaraq daha nizamlı vəziyyətdən daha az nizamlı vəziyyətə keçir. Sistem kortəbii olaraq tarazlıq mövqeyini tərk edə bilməz. Boltzmann bir çox bədəndən ibarət bir sistemdə pozğunluğun kəmiyyət ölçüsünü təqdim etdi - entropiya.

İşçi maye kimi ideal qazı olan istilik mühərrikinin səmərəliliyi

Əgər istilik maşınında işləyən mayenin modeli verilirsə (məsələn, ideal qaz), onda genişlənmə və sıxılma zamanı işçi mayenin termodinamik parametrlərinin dəyişməsini hesablamaq olar. Bu, termodinamika qanunları əsasında istilik mühərrikinin səmərəliliyini hesablamağa imkan verir.

Şəkil, işləyən mayenin ideal qaz olduğu və parametrlər bir termodinamik prosesin digərinə keçid nöqtələrində göstərildiyi təqdirdə səmərəliliyin hesablana biləcəyi dövrləri göstərir.

Carnot dövrü. İdeal istilik mühərrikinin səmərəliliyi

Verilmiş qızdırıcı temperaturlarında ən yüksək səmərəlilik T qızdırıcı və soyuducu T zalda istilik mühərriki var, burada işləyən maye genişlənir və buna görə daralır Carnot dövrü(Şəkil 2), qrafiki iki izotermdən (2–3 və 4–1) və iki adiabatdan (3–4 və 1–2) ibarətdir.

Karno teoremi sübut edir ki, belə bir mühərrikin səmərəliliyi istifadə olunan işçi mayedən asılı deyil, ona görə də onu ideal qaz üçün termodinamik əlaqələrdən istifadə etməklə hesablamaq olar:

İstilik mühərriklərinin ətraf mühitə təsiri

İstilik mühərriklərinin nəqliyyatda və energetikada (istilik və atom elektrik stansiyaları) intensiv istifadəsi Yerin biosferinə əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərir. İnsan fəaliyyətinin Yerin iqliminə təsir mexanizmləri ilə bağlı elmi mübahisələr olsa da, bir çox elm adamları belə bir təsirin baş verə biləcəyi amilləri qeyd edirlər:

1. İstixana effekti atmosferdə karbon qazının (istilik mühərriklərinin qızdırıcılarında yanma məhsulu) konsentrasiyasının artmasıdır. Karbon qazı Günəşdən görünən və ultrabənövşəyi radiasiyanın keçməsinə imkan verir, lakin Yerdən gələn infraqırmızı radiasiyanı kosmosa udur. Bu, atmosferin aşağı təbəqələrinin temperaturunun artmasına, qasırğalı küləklərin artmasına və buzların qlobal əriməsinə gətirib çıxarır.
2. Zəhərli işlənmiş qazların canlı təbiətə birbaşa təsiri (kanserogenlər, duman, yanma məhsullarından yaranan turşu yağışı).
3. Təyyarə uçuşları və raket buraxılışı zamanı ozon təbəqəsinin məhv edilməsi. Üst atmosferdəki ozon Yerdəki bütün həyatı Günəşdən gələn həddindən artıq ultrabənövşəyi radiasiyadan qoruyur.

Yaranan ekoloji böhrandan çıxış yolu istilik mühərriklərinin səmərəliliyinin artırılmasıdır (müasir istilik mühərriklərinin səmərəliliyi nadir hallarda 30% -dən çox olur); istismara yararlı mühərriklərdən və zərərli işlənmiş qaz neytrallaşdırıcılarından istifadə etməklə; alternativ enerji mənbələrindən (günəş batareyaları və qızdırıcılar) və alternativ nəqliyyat vasitələrindən (velosipedlər və s.) istifadə.

Vahid Dövlət İmtahanının kodifikatorunun mövzuları: istilik maşınlarının iş prinsipləri, istilik maşınlarının səmərəliliyi, istilik mühərrikləri və ətraf mühitin mühafizəsi.

bir sözlə, istilik mühərrikləri istiliyi işə çevirmək və ya əksinə işi istiliyə çevirmək.
İstilik mühərrikləri onlarda baş verən proseslərin istiqamətindən asılı olaraq iki növdə olur.

1. İstilik mühərrikləri xarici mənbədən gələn istiliyi mexaniki işə çevirmək.

2. Soyuducu maşınlar xarici mənbənin mexaniki işinə görə istiliyi daha az qızdırılan bədəndən daha çox qızdırılan bədənə köçürmək.

Bu tip istilik mühərriklərini daha ətraflı nəzərdən keçirək.

İstilik mühərrikləri

Biz bilirik ki, cismin üzərində iş görmək onun daxili enerjisini dəyişməyin yollarından biridir: görülən iş sanki bədəndə əriyir, onun hissəciklərinin təsadüfi hərəkət və qarşılıqlı təsir enerjisinə çevrilir.

düyü. 1. İstilik mühərriki

İstilik mühərriki, əksinə, bədənin "xaotik" daxili enerjisindən faydalı iş çıxaran bir cihazdır. İstilik maşınının ixtirası bəşər sivilizasiyasının simasını kökündən dəyişdirdi.

İstilik mühərrikinin sxematik diaqramını aşağıdakı kimi təsvir etmək olar (şək. 1). Bu diaqramın elementlərinin nə demək olduğunu anlayaq.

İşləyən maye mator qazdır. Genişlənir, pistonu hərəkət etdirir və bununla da faydalı mexaniki işlər görür.

Ancaq qazı xarici qüvvələrin öhdəsindən gələrək genişlənməyə məcbur etmək üçün onu ətraf mühitin temperaturundan əhəmiyyətli dərəcədə yüksək olan bir temperatura qədər qızdırmaq lazımdır. Bunun üçün qazla təmasda olur qızdırıcı- yanan yanacaq.

Yanacağın yanması zamanı əhəmiyyətli enerji ayrılır, onun bir hissəsi qazı qızdırmaq üçün istifadə olunur. Qaz qızdırıcıdan müəyyən miqdarda istilik alır. Məhz bu istilik sayəsində mühərrik faydalı iş görür.

Bütün bunlar aydındır. Soyuducu nədir və nə üçün lazımdır?

Tək bir qaz genişlənməsi ilə daxil olan istiliyi mümkün qədər səmərəli istifadə edə və onu tamamilə işə çevirə bilərik. Bunun üçün qazı izotermik olaraq genişləndirməliyik: termodinamikanın birinci qanunu, bildiyimiz kimi, bu halda bizə verir.

Ancaq heç kimə birdəfəlik genişlənmə lazım deyil. Mühərrik işləməlidir dövri olaraq, piston hərəkətlərinin dövri təkrarlanmasını təmin etmək. Buna görə də, genişlənmə başa çatdıqdan sonra qaz sıxılmalı, onu orijinal vəziyyətinə qaytarmalıdır.

Genişlənmə prosesində qaz bəzi müsbət işlər görür. Sıxılma prosesində qazda müsbət iş aparılır (və qazın özü mənfi iş görür). Nəticədə qazın hər dövr üçün faydalı işi: .

Təbii ki, class="tex" alt="A>0) olmalıdır"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).!}

Qazı sıxarkən, genişlənmə zamanı qazın etdiyindən daha az iş görməliyik.

Buna necə nail olmaq olar? Cavab: qazı genişlənmə zamanı olduğundan daha az təzyiq altında sıxışdırın. Başqa sözlə, -diaqramda sıxılma prosesi davam etməlidir aşağıda genişlənmə prosesi, yəni dövr keçməlidir saat yönünde(Şəkil 2).

düyü. 2. İstilik mühərrikinin dövrü

Məsələn, şəkildəki dövrədə qazın genişlənmə zamanı gördüyü iş əyri trapezoidin sahəsinə bərabərdir. Eynilə, sıxılma zamanı qazın gördüyü iş mənfi işarəsi olan əyri trapezoidin sahəsinə bərabərdir. Nəticədə, hər dövrədə qazın gördüyü iş müsbət və dövrün sahəsinə bərabər olur.

Yaxşı, amma qazı daha aşağı əyri boyunca, yəni təzyiqi aşağı olan vəziyyətlər vasitəsilə ilkin vəziyyətinə qayıtmağa necə məcbur etmək olar? Xatırlayaq ki, müəyyən bir həcm üçün temperatur nə qədər aşağı olarsa, qaz təzyiqi də o qədər aşağı olar. Buna görə də, sıxıldıqda, qaz daha aşağı temperaturlu dövlətlərdən keçməlidir.

Soyuducu məhz bunun üçündür: üçün sərin sıxılma prosesində qaz.

Soyuducu atmosfer (daxili yanma mühərrikləri üçün) və ya soyuducu axan su (buxar turbinləri üçün) ola bilər. Soyuduqda qaz soyuducuya bir qədər istilik verir.

Dövrdə qazın aldığı ümumi istilik miqdarı bərabər olur. Termodinamikanın birinci qanununa görə:

dövr ərzində qazın daxili enerjisinin dəyişməsi haradadır. Sıfıra bərabərdir: qaz ilkin vəziyyətinə qayıtdığından (və daxili enerji, xatırladığımız kimi, dövlət funksiyası). Nəticədə, dövr başına qaz işi bərabərdir:

(1)

Göründüyü kimi, qızdırıcıdan gələn istiliyi tamamilə işə çevirmək mümkün deyil. Prosesin dövri xarakterini təmin etmək üçün istiliyin bir hissəsi soyuducuya verilməlidir.

Yanan yanacağın enerjisinin mexaniki işə çevrilməsinin səmərəliliyinin göstəricisi istilik mühərrikinin səmərəliliyidir.

İstilik mühərrikinin səmərəliliyi mexaniki işin qızdırıcıdan alınan istilik miqdarına nisbətidir:

(1) əlaqəsini nəzərə alaraq bizdə də var

(2)

İstilik mühərrikinin səmərəliliyi, gördüyümüz kimi, həmişə birlikdən azdır. Məsələn, buxar turbinlərinin səmərəliliyi təqribən , daxili yanma mühərriklərinin səmərəliliyi isə təqribəndir.

Soyuducu maşınlar

Gündəlik təcrübə və fiziki təcrübələr bizə deyir ki, istilik mübadiləsi prosesində istilik daha çox qızdırılan cisimdən daha az qızdırılan bədənə ötürülür, lakin əksinə deyil. İstilik mübadiləsinə görə enerjinin olduğu proseslər kortəbii soyuq bədəndən istiyə keçir, bunun nəticəsində soyuq bədən daha da soyuyurdu, isti bədən isə daha çox qızardı.

düyü. 3. Soyuducu

Burada əsas söz “kortəbii”dir. Xarici enerji mənbəyindən istifadə edirsinizsə, istiliyin soyuq bir bədəndən istiyə ötürülməsi prosesini həyata keçirmək olduqca mümkündür. Soyuducular belə edir
avtomobillər.

İstilik mühərriki ilə müqayisədə soyuducu maşında proseslər əks istiqamətdə gedir (şək. 3).

İşləyən maye soyuducu maşın da deyilir soyuducu. Sadəlik üçün onu genişlənmə zamanı istiliyi udan və sıxılma zamanı buraxan qaz hesab edəcəyik (real soyuducu qurğularda soyuducu aşağı qaynama nöqtəsi olan uçucu məhluldur, buxarlanma zamanı istiliyi udur və kondensasiya zamanı buraxır).

Soyuducu soyuducu maşında istilik çıxarılan bədəndir. Soyuducu iş mayesinə (qaz) bir miqdarda istilik ötürür, bunun nəticəsində qaz genişlənir.

Sıxılma zamanı qaz istiliyi daha isti bir bədənə ötürür - qızdırıcı. Belə istilik köçürməsinin baş verməsi üçün qaz genişlənmə zamanı olduğundan daha yüksək temperaturda sıxılmalıdır. Bu, yalnız xarici mənbənin (məsələn, elektrik mühərriki) yerinə yetirdiyi iş sayəsində mümkündür (həqiqi soyuducu qurğularda elektrik mühərriki buxarlandırıcıda aşağı təzyiq yaradır, bunun nəticəsində soyuducu qaynayır və istiliyi götürür; əksinə, kondensatorda elektrik mühərriki yüksək təzyiq yaradır, bunun altında soyuducu kondensasiya olunur və isti buraxır)). Beləliklə, qızdırıcıya ötürülən istilik miqdarı, soyuducudan alınan istilik miqdarından tam olaraq daha çox olur:

Beləliklə, -diaqramda soyuducu maşının iş dövrü gedir saat yönünün əksinə. Dövr sahəsi xarici mənbə tərəfindən görülən işdir (şək. 4).

düyü. 4. Soyuducu dövrü

Soyuducu maşının əsas məqsədi müəyyən bir su anbarını (məsələn, dondurucu) soyutmaqdır. Bu halda, bu su anbarı soyuducu rolunu oynayır və ətraf mühit qızdırıcı rolunu oynayır - anbardan çıxarılan istilik ona yayılır.

Soyuducu maşının səmərəliliyinin göstəricisidir performans əmsalı, soyuducudan çıxarılan istiliyin xarici mənbənin işinə nisbətinə bərabərdir:

Soyuducu əmsalı birdən çox ola bilər. Həqiqi soyuducularda təxminən 1-dən 3-ə qədər dəyər alır.

Başqa bir maraqlı proqram var: soyuducu maşın kimi işləyə bilər istilik nasosu. Sonra onun məqsədi ətraf mühitdən çıxarılan istilik hesabına müəyyən bir su anbarını (məsələn, bir otağı qızdırmaq) qızdırmaqdır. Bu halda, bu tank qızdırıcı, ətraf mühit isə soyuducu olacaq.

İstilik nasosunun səmərəliliyinin göstəricisidir istilik əmsalı, qızdırılan su anbarına ötürülən istilik miqdarının xarici mənbənin işinə nisbətinə bərabərdir:

Həqiqi istilik nasoslarının istilik əmsalı dəyərləri adətən 3 ilə 5 arasında dəyişir.

Carnot istilik mühərriki

İstilik mühərrikinin mühüm xüsusiyyətləri dövr ərzində işləyən mayenin ən yüksək və ən aşağı temperaturlarıdır. Bu dəyərlər müvafiq olaraq adlanır qızdırıcının temperaturu Və soyuducu temperaturu.

İstilik mühərrikinin səmərəliliyinin birlikdən ciddi şəkildə az olduğunu gördük. Təbii sual yaranır: qızdırıcının temperaturu və soyuducu temperaturunun sabit dəyərləri olan istilik mühərrikinin mümkün olan ən yüksək səmərəliliyi nədir?

Məsələn, mühərrikin işləyən mayesinin maksimum temperaturu , minimum isə - olsun. Belə bir mühərrikin səmərəliliyinin nəzəri həddi nədir?

Bu sualın cavabını 1824-cü ildə fransız fiziki və mühəndisi Sadi Karno verib.

O, işləyən maye kimi ideal qaza malik əlamətdar istilik mühərriki icad etdi və tədqiq etdi. Bu maşın uyğun olaraq işləyir Carnot dövrü, iki izoterm və iki adiabatdan ibarətdir.

Gəlin nəzərdən keçirək birbaşa dövrü Carnot maşını, saat yönünde gedir (şək. 5). Bu vəziyyətdə maşın istilik mühərriki kimi fəaliyyət göstərir.

düyü. 5. Karno dövrü

İzoterm. Bu zaman qaz bir temperatur qızdırıcısı ilə termal təmasda olur və izotermik olaraq genişlənir. Qızdırıcıdan müəyyən miqdarda istilik gəlir və tamamilə bu sahədə işə çevrilir: .

Adiabata. Sonrakı sıxılma üçün qazı daha aşağı temperatur zonasına köçürmək lazımdır. Bunun üçün qazın istilik izolyasiyası aparılır və sonra ərazidə adiabatik olaraq genişlənir.

Genişlənən zaman qaz müsbət iş görür və bununla əlaqədar onun daxili enerjisi azalır: .

İzoterm. İstilik izolyasiyası çıxarılır, qaz bir temperatur soyuducusu ilə istilik təmasına gətirilir. İzotermik sıxılma baş verir. Qaz istiliyi soyuducuya ötürür və mənfi iş görür.

Adiabata. Bu bölmə qazı ilkin vəziyyətinə qaytarmaq üçün lazımdır. Adiabatik sıxılma zamanı qaz mənfi iş görür və daxili enerjinin dəyişməsi müsbətdir: . Qaz ilkin temperatura qədər qızdırılır.

Carnot bu dövrün səmərəliliyini tapdı (hesablamalar, təəssüf ki, məktəb kurikulumunun əhatə dairəsindən kənara çıxır):

(3)

Üstəlik, bunu sübut etdi Carnot dövrünün səmərəliliyi qızdırıcının temperaturu və soyuducu temperaturu olan bütün istilik mühərrikləri üçün mümkün olan maksimumdur .

Beləliklə, yuxarıdakı nümunədə biz:

Bəzi digər proseslərdən deyil, izotermlərdən və adiabatlardan istifadə etməyin mənası nədir?

Belə çıxır ki, izotermik və adiabatik proseslər Karno maşını yaradır geri çevrilə bilən. tərəfindən işə salına bilər əks dövr(saat əqrəbinin əksinə) digər cihazları cəlb etmədən eyni qızdırıcı və soyuducu arasında. Bu halda Carnot maşını soyuducu maşın kimi fəaliyyət göstərəcək.

Carnot maşınını hər iki istiqamətdə idarə etmək qabiliyyəti termodinamikada çox mühüm rol oynayır. Məsələn, bu fakt Carnot dövrünün maksimum səmərəliliyinin sübutunda bir əlaqə rolunu oynayır. Termodinamikanın ikinci qanunu ilə bağlı növbəti məqalədə buna qayıdacağıq.

İstilik mühərrikləri və ətraf mühitin mühafizəsi

İstilik mühərrikləri ətraf mühitə ciddi ziyan vurur. Onların geniş istifadəsi bir sıra mənfi təsirlərə səbəb olur.

Böyük miqdarda istilik enerjisinin atmosferə yayılması planetdə temperaturun artmasına səbəb olur. İqlimin istiləşməsi buzlaqların əriməsi və fəlakətli fəlakətlərlə nəticələnəcək.
İqlimin istiləşməsi həm də atmosferdə karbon qazının toplanması ilə əlaqədardır ki, bu da Yerin istilik radiasiyasının kosmosa qaçmasını ləngidir (istixana effekti).
Yanacağın yanma məhsullarının yüksək konsentrasiyası səbəbindən ekoloji vəziyyət pisləşir.

Bunlar bütün sivilizasiya miqyasında problemlərdir. İstilik maşınlarının zərərli təsiri ilə mübarizə aparmaq üçün onların səmərəliliyini artırmaq, zəhərli tullantıları azaltmaq, yeni yanacaq növlərini hazırlamaq və enerjidən qənaətlə istifadə etmək lazımdır.

Səmərəlilik əmsalı (səmərəlilik) istifadə olunan faydalı enerjinin sistemin qəbul etdiyi ümumi enerjiyə nisbəti ilə müəyyən edilən enerjinin çevrilməsi və ya ötürülməsi ilə bağlı sistemin fəaliyyətinin xarakteristikasıdır.

Səmərəlilik- ölçüsüz kəmiyyət, adətən faizlə ifadə edilir:

İstilik maşınının işləmə əmsalı (səmərəliliyi) düsturla müəyyən edilir: , burada A = Q1Q2. İstilik mühərrikinin səmərəliliyi həmişə 1-dən azdır.

Carnot dövrü işçi maye ilə yerinə yetirilən ardıcıl iki izotermik və iki adiabatik prosesdən ibarət olan geri dönən dairəvi qaz prosesidir.

İki izoterm və iki adiabatan ibarət dairəvi dövr maksimum səmərəliliyə uyğundur.

Fransız mühəndisi Sadi Karno 1824-cü ildə ideal istilik mühərrikinin maksimum səmərəliliyi üçün düstur çıxardı, burada işləyən maye ideal qazdır, dövrü iki izotermdən və iki adiabatdan, yəni Karno dövründən ibarətdir. Karno dövrü, izotermik prosesdə işləyən mayeyə verilən istilik hesabına işi yerinə yetirən istilik mühərrikinin həqiqi iş dövrüdür.

Carnot dövrünün səmərəliliyi, yəni istilik mühərrikinin maksimum səmərəliliyi düsturu belədir: , burada T1 qızdırıcının mütləq temperaturu, T2 soyuducunun mütləq temperaturudur.

İstilik mühərrikləri- bunlar istilik enerjisinin mexaniki enerjiyə çevrildiyi strukturlardır.

İstilik mühərrikləri həm dizayn, həm də təyinat baxımından müxtəlifdir. Bunlara buxar mühərrikləri, buxar turbinləri, daxili yanma mühərrikləri və reaktiv mühərriklər daxildir.

Bununla belə, müxtəlifliyə baxmayaraq, prinsipcə müxtəlif istilik mühərriklərinin işləməsi ümumi xüsusiyyətlərə malikdir. Hər bir istilik mühərrikinin əsas komponentləri bunlardır:

• qızdırıcı;
• işləyən maye;
• soyuducu.

Qızdırıcı, mühərrikin iş kamerasında yerləşən işçi mayeni qızdırarkən istilik enerjisini buraxır. İşçi maye buxar və ya qaz ola bilər.

İstilik miqdarını qəbul edərək, qaz genişlənir, çünki onun təzyiqi xarici təzyiqdən böyükdür və pistonu hərəkət etdirərək müsbət iş yaradır. Eyni zamanda onun təzyiqi aşağı düşür və həcmi artır.

Əgər qazı eyni vəziyyətdən keçərək, lakin əks istiqamətdə sıxışdırsaq, o zaman eyni mütləq dəyər, lakin mənfi iş görəcəyik. Nəticədə, dövr başına bütün iş sıfır olacaq.

İstilik maşınının işinin sıfırdan fərqli olması üçün qazın sıxılma işi genişlənmə işindən az olmalıdır.

Sıxılma işinin genişlənmə işindən daha az olması üçün sıxılma prosesinin daha aşağı temperaturda baş verməsi lazımdır, bunun üçün işçi maye soyudulmalıdır, buna görə soyuducu dizayna daxil edilmişdir; istilik mühərrikinin. İşçi maye onunla təmasda olduqda istiliyi soyuducuya ötürür.

« Fizika - 10-cu sinif"

Termodinamik sistem nədir və onun vəziyyətini hansı parametrlər xarakterizə edir.
Termodinamikanın birinci və ikinci qanunlarını qeyd edin.

Məhz istilik mühərrikləri nəzəriyyəsinin yaradılması termodinamikanın ikinci qanununun formalaşmasına səbəb oldu.

Yer qabığının və okeanların daxili enerji ehtiyatlarını praktiki olaraq qeyri-məhdud hesab etmək olar. Ancaq praktiki problemləri həll etmək üçün enerji ehtiyatlarının olması kifayət deyil. Həmçinin fabrik və fabriklərdə dəzgahları, nəqliyyat vasitələrini, traktorları və digər maşınları hərəkətə gətirmək, elektrik cərəyanı generatorlarının rotorlarını döndərmək və s. üçün enerjidən istifadə etmək lazımdır. Bəşəriyyətə mühərriklərə - iş görə bilən cihazlara ehtiyac var. Yerdəki mühərriklərin çoxu var istilik mühərrikləri.

İstilik mühərrikləri- bunlar yanacağın daxili enerjisini mexaniki işə çevirən qurğulardır.

İstilik maşınlarının iş prinsipi.

Mühərrikin işləməsi üçün mühərrik pistonunun və ya turbin qanadlarının hər iki tərəfində təzyiq fərqi olmalıdır. Bütün istilik maşınlarında bu təzyiq fərqi temperaturun artırılması ilə əldə edilir işləyən maye(qaz) ətraf mühitin temperaturu ilə müqayisədə yüzlərlə və ya minlərlə dərəcə. Bu temperatur artımı yanacağın yanması zamanı baş verir.

Mühərrikin əsas hissələrindən biri hərəkətli pistonlu qazla doldurulmuş qabdır. Bütün istilik mühərriklərinin işçi mayesi qazdır və genişlənmə zamanı işləyir. İşçi mayenin (qazın) ilkin temperaturunu T 1 ilə işarə edək. Buxar turbinlərində və ya maşınlarda bu temperatur buxar qazanındakı buxarla əldə edilir. Daxili yanma mühərriklərində və qaz turbinlərində temperaturun yüksəlməsi mühərrikin içərisində yanacağın yanması nəticəsində baş verir. Temperatur T 1 deyilir qızdırıcının temperaturu.

Soyuducunun rolu.

İş görüldükdə qaz enerji itirir və istər-istəməz müəyyən bir temperatur T2-ə qədər soyuyur, bu adətən ətraf mühitin temperaturundan bir qədər yüksəkdir. Onu çağırırlar soyuducu temperaturu. Soyuducu tullantı buxarının soyudulması və kondensasiyası üçün atmosfer və ya xüsusi qurğulardır. kondansatörler. Sonuncu halda, soyuducunun temperaturu ətraf mühitin temperaturundan bir qədər aşağı ola bilər.

Beləliklə, mühərrikdə genişlənmə zamanı işləyən maye iş görmək üçün bütün daxili enerjisindən imtina edə bilməz. İstiliyin bir hissəsi daxili yanma mühərriklərindən və qaz turbinlərindən çıxan tullantı buxar və ya işlənmiş qazlarla birlikdə istər-istəməz soyuducuya (atmosferə) ötürülür.

Yanacağın daxili enerjisinin bu hissəsi itir. İstilik mühərriki işləyən mayenin daxili enerjisi hesabına işi yerinə yetirir. Üstəlik, bu prosesdə istilik daha isti cisimlərdən (qızdırıcı) daha soyuq olanlara (soyuducu) ötürülür. İstilik mühərrikinin sxematik diaqramı Şəkil 13.13-də göstərilmişdir.

Mühərrikin işçi mayesi yanacağın yanması zamanı qızdırıcıdan istilik miqdarı Q 1 alır, A" işləyir və istilik miqdarını soyuducuya ötürür. Q 2< Q 1 .

Mühərrikin davamlı işləməsi üçün işçi mayenin temperaturu T 1-ə bərabər olan ilkin vəziyyətinə qaytarmaq lazımdır. Buradan belə nəticə çıxır ki, mühərrik vaxtaşırı təkrarlanan qapalı proseslərə və ya necə deyərlər, dövrəyə uyğun işləyir.

Velosiped sistemin ilkin vəziyyətinə qayıtması nəticəsində bir sıra proseslərdir.

İstilik mühərrikinin işləmə əmsalı (səmərəliliyi).

Qazın daxili enerjisini tamamilə istilik maşınlarının işinə çevirməyin qeyri-mümkün olması təbiətdəki proseslərin dönməzliyi ilə əlaqədardır. Əgər istilik özbaşına soyuducudan qızdırıcıya qayıda bilsəydi, onda daxili enerji istənilən istilik mühərriki tərəfindən tamamilə faydalı işə çevrilə bilərdi. Termodinamikanın ikinci qanunu aşağıdakı kimi ifadə edilə bilər:

Termodinamikanın ikinci qanunu:
İstiliyi tamamilə mexaniki işə çevirəcək ikinci növ əbədi hərəkət maşını yaratmaq mümkün deyil.

Enerjinin saxlanması qanununa görə, mühərrikin gördüyü iş aşağıdakılara bərabərdir:

A" = Q 1 - |Q 2 |, (13.15)

burada Q 1 qızdırıcıdan alınan istilik miqdarı, Q2 isə soyuducuya verilən istilik miqdarıdır.

İstilik mühərrikinin işləmə əmsalı (səmərəlilik) mühərrikin yerinə yetirdiyi işin A "qızdırıcıdan alınan istilik miqdarına nisbətidir:

Bütün mühərriklər soyuducuya müəyyən miqdarda istilik ötürdüyü üçün η< 1.

İstilik mühərriklərinin maksimum səmərəlilik dəyəri.

Termodinamikanın qanunları T1 temperaturda qızdırıcı və T2 temperaturda soyuducu ilə işləyən istilik mühərrikinin mümkün olan maksimum səmərəliliyini hesablamağa, həmçinin onun artırılması yollarını müəyyən etməyə imkan verir.

İlk dəfə istilik mühərrikinin mümkün olan maksimum səmərəliliyini fransız mühəndisi və alimi Sadi Karno (1796-1832) "Odun hərəkətverici qüvvəsi və bu qüvvəni inkişaf etdirə bilən maşınlar haqqında düşüncələr" (1824) əsərində hesablamışdır. ).

Carnot işləyən maye kimi ideal qazı olan ideal istilik mühərriki ilə gəldi. İdeal Karno istilik maşını iki izoterm və iki adiabatdan ibarət dövrədə işləyir və bu proseslər geri dönən hesab olunur (şək. 13.14). Birincisi, qaz olan bir qab qızdırıcı ilə təmasda olur, qaz T 1 temperaturunda müsbət iş görərək izotermik olaraq genişlənir və Q 1 istilik miqdarını alır.

Sonra gəmi istilik izolyasiyasına məruz qalır, qaz adiabatik olaraq genişlənməyə davam edir, temperaturu isə soyuducunun T 2 temperaturuna enir. Bundan sonra, izotermik sıxılma zamanı qaz soyuducu ilə təmasda olur, soyuducuya Q 2 istilik miqdarını verir, V 4 həcminə qədər sıxılır;< 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:

(13.17) düsturundan göründüyü kimi, Carnot maşınının səmərəliliyi qızdırıcının və soyuducunun mütləq temperaturlarının fərqi ilə düz mütənasibdir.

Bu formulun əsas əhəmiyyəti ondan ibarətdir ki, o, səmərəliliyin artırılması yolunu göstərir, bunun üçün qızdırıcının temperaturunu artırmaq və ya soyuducunun temperaturunu aşağı salmaq lazımdır.

T1 temperaturda qızdırıcı və T2 temperaturda soyuducu ilə işləyən hər hansı bir real istilik mühərriki ideal istilik mühərrikindən yüksək səmərəliliyə malik ola bilməz: Həqiqi istilik mühərrikinin dövrəsini təşkil edən proseslər geri dönməzdir.

Formula (13.17) istilik mühərriklərinin maksimum səmərəlilik dəyəri üçün nəzəri həddi verir. Bu istilik mühərrikinin daha səmərəli olduğunu göstərir, qızdırıcı və soyuducu arasındakı temperatur fərqi nə qədər çox olar.

Yalnız mütləq sıfıra bərabər olan soyuducu temperaturunda η = 1 olur. Bundan əlavə, sübut edilmişdir ki, (13.17) düsturu ilə hesablanmış səmərəlilik işləyən maddədən asılı deyildir.

Lakin rolunu adətən atmosfer oynayan soyuducunun temperaturu praktiki olaraq ətraf havanın temperaturundan aşağı ola bilməz. Qızdırıcının temperaturunu artıra bilərsiniz. Bununla belə, hər hansı bir material (bərk bədən) məhdud istilik müqavimətinə və ya istilik müqavimətinə malikdir. Qızdırıldıqda, tədricən elastik xüsusiyyətlərini itirir və kifayət qədər yüksək temperaturda əriyir.

İndi mühəndislərin əsas səyləri mühərriklərin hissələrinin sürtünməsini, natamam yanma nəticəsində yanacaq itkilərini və s. azaltmaqla onların səmərəliliyinin artırılmasına yönəldilmişdir.

Buxar turbinləri üçün ilkin və son buxar temperaturları təxminən aşağıdakı kimidir: T 1 - 800 K və T 2 - 300 K. Bu temperaturlarda maksimum səmərəlilik dəyəri 62% təşkil edir (qeyd edək ki, səmərəlilik adətən faizlə ölçülür) . Müxtəlif növ enerji itkilərinə görə faktiki səmərəlilik dəyəri təxminən 40% təşkil edir. Maksimum səmərəlilik - təxminən 44% - dizel mühərrikləri tərəfindən əldə edilir.

Ətraf mühitin mühafizəsi.

Müasir dünyanı istilik mühərrikləri olmadan təsəvvür etmək çətindir. Bizi rahat həyatla təmin edən də onlardır. İstilik mühərrikləri nəqliyyat vasitələrini idarə edir. Atom elektrik stansiyalarının olmasına baxmayaraq, elektrik enerjisinin təxminən 80%-i istilik mühərriklərindən istifadə etməklə istehsal olunur.

Bununla belə, istilik mühərrikləri işləyərkən qaçılmaz ətraf mühitin çirklənməsi baş verir. Bu, ziddiyyətdir: bir tərəfdən bəşəriyyətin hər il daha çox enerjiyə ehtiyacı olur, onun əsas hissəsi yanacağın yanması hesabına əldə edilir, digər tərəfdən yanma prosesləri istər-istəməz ətraf mühitin çirklənməsi ilə müşayiət olunur.

Yanacaq yandıqda atmosferdəki oksigen miqdarı azalır. Bundan əlavə, yanma məhsulları özləri canlı orqanizmlər üçün zərərli olan kimyəvi birləşmələr əmələ gətirir. Çirklənmə təkcə yerdə deyil, həm də havada baş verir, çünki hər hansı bir təyyarə uçuşu atmosferə zərərli çirklərin emissiyası ilə müşayiət olunur.

Mühərriklərin işinin nəticələrindən biri də atmosfer temperaturunun artmasına səbəb olan Yer səthindən infraqırmızı şüaları udaraq karbon qazının əmələ gəlməsidir. Bu sözdə istixana effektidir. Ölçmələr göstərir ki, atmosfer temperaturu ildə 0,05 °C yüksəlir. Temperaturun belə davamlı artması buzun əriməsinə səbəb ola bilər ki, bu da öz növbəsində okeanlarda suyun səviyyəsinin dəyişməsinə, yəni qitələrin su basmasına səbəb olacaq.

İstilik maşınlarından istifadə edərkən daha bir mənfi məqamı qeyd edək. Belə ki, bəzən çayların və göllərin suyundan mühərrikləri soyutmaq üçün istifadə olunur. Sonra qızdırılan su geri qaytarılır. Su obyektlərində temperaturun artması təbii tarazlığı pozur, bu fenomen termal çirklənmə adlanır;

Ətraf mühiti qorumaq üçün zərərli maddələrin atmosferə atılmasının qarşısını almaq üçün müxtəlif təmizləyici filtrlərdən geniş istifadə olunur, mühərriklərin konstruksiyaları təkmilləşdirilir. Yanma zamanı daha az zərərli maddələr istehsal edən yanacağın, eləcə də onun yanma texnologiyasının davamlı təkmilləşdirilməsi var. Külək, günəş radiasiyası və nüvə enerjisindən istifadə edən alternativ enerji mənbələri fəal şəkildə inkişaf etdirilir. Artıq elektrik avtomobilləri və günəş enerjisi ilə işləyən avtomobillər istehsal olunur.

Qızdırıcıdan müəyyən miqdarda istilik Q1 qəbul edən işçi maye modulu |Q2|-ə bərabər olan bu istilik miqdarının bir hissəsini soyuducuya verir. Ona görə də görülən iş bundan böyük ola bilməz A = Q1 - |Q2|. Bu işin qızdırıcıdan genişlənən qazın aldığı istilik miqdarına nisbəti deyilir səmərəlilik istilik mühərriki:

Qapalı dövrədə işləyən istilik mühərrikinin səmərəliliyi həmişə birdən azdır. İstilik energetikasının vəzifəsi səmərəliliyi mümkün qədər yüksək etmək, yəni qızdırıcıdan alınan istilikdən iş istehsal etmək üçün mümkün qədər çox istifadə etməkdir. İlk dəfə olaraq izotermlərdən və adiabatlardan ibarət ən mükəmməl tsiklik proses 1824-cü ildə fransız fiziki və mühəndisi S.Karno tərəfindən təklif edilmişdir.

3) İdeal dedikdə maksimum səmərəliliyə malik olan istilik mühərriki nəzərdə tutulur. qızdırıcının T1 və soyuducu T2-nin verilmiş dəyərlərində.
Termodinamikanın ikinci qanunundan belə nəticə çıxır ki, hətta itkisiz işləyən ideal istilik mühərriki belə səmərəliliyə malikdir. Əsasən 100%-dən aşağıdır və düsturla hesablanır:

İdeal istilik mühərrikindəki işçi maye ideal qazdır və o, Karno dövrünə uyğun işləyir:

4) Konsepsiya entropiya Termodinamikada ilk dəfə Klausius tərəfindən geri dönməz enerji israfının ölçüsünü təyin etmək üçün təqdim edilmişdir, real prosesin idealdan sapma ölçüləri. Azaldılmış istiliklərin cəmi kimi müəyyən edilən o, vəziyyətin funksiyasıdır və qapalı geri dönən proseslərdə sabit qalır, dönməz proseslərdə isə onun dəyişməsi həmişə müsbət olur.

Riyazi olaraq, entropiya sistemin termodinamik temperaturu ilə əlaqəli tarazlıq prosesində sistemə verilən və ya sistemdən çıxarılan istilik miqdarına bərabər olan sistemin vəziyyətinin funksiyası kimi müəyyən edilir:

entropiya artımı haradadır; - sistemə verilən minimum istilik; - prosesin mütləq temperaturu.

Entropiya makro və mikro dövlətlər arasında əlaqə yaradır. Bu xarakteristikanın özəlliyi ondan ibarətdir ki, o, fizikada proseslərin istiqamətini göstərən yeganə funksiyadır. Entropiya dövlət funksiyası olduğundan sistemin bir vəziyyətindən digərinə keçidinin necə həyata keçirildiyindən asılı deyil, yalnız sistemin ilkin və son halları ilə müəyyən edilir.

Məsələn, 0 °C temperaturda su maye vəziyyətdə ola bilər və az xarici təsirlə, müəyyən miqdarda istilik buraxaraq sürətlə buza çevrilməyə başlayır. Bu halda maddənin temperaturu 0 °C olaraq qalır. Quruluşun dəyişməsi səbəbindən bir maddənin vəziyyəti dəyişir, istilik buraxılması ilə müşayiət olunur.

Rudolf Clausius kəmiyyətə yunanca τρoπή, "dəyişiklik" (dəyişiklik, çevrilmə, çevrilmə) sözündən gələn "entropiya" adını verdi. Bu bərabərlik entropiyanın özünü tam müəyyən etmədən entropiyanın dəyişməsinə aiddir.