Il funzionamento di molti tipi di macchine è caratterizzato da un indicatore così importante come l'efficienza di un motore termico. Ogni anno, gli ingegneri si sforzano di creare apparecchiature più avanzate che, a costi di carburante inferiori, diano il massimo risultato dal loro utilizzo.
Dispositivo motore termico
Prima di capire cos'è l'efficienza, è necessario capire come funziona questo meccanismo. Senza conoscere i principi della sua azione, è impossibile scoprire l'essenza di questo indicatore. Un motore termico è un dispositivo che funziona utilizzando l'energia interna. Qualsiasi motore termico che converte l'energia termica in energia meccanica utilizza l'espansione termica di sostanze all'aumentare della temperatura. Nei motori a stato solido è possibile non solo modificare il volume della materia, ma anche la forma del corpo. Il funzionamento di un tale motore è soggetto alle leggi della termodinamica.
Principio di funzionamento
Per capire come funziona un motore termico, è necessario considerare le basii suoi disegni. Per il funzionamento del dispositivo sono necessari due corpi: caldo (riscaldatore) e freddo (frigorifero, refrigeratore). Il principio di funzionamento dei motori termici (l'efficienza dei motori termici) dipende dal loro tipo. Spesso il condensatore di vapore funge da frigorifero e qualsiasi tipo di combustibile che brucia nel forno funge da riscaldatore. L'efficienza di un motore termico ideale si trova con la seguente formula:
Efficienza=(Teatro - Raffreddamento)/Teatro. x 100%.
Allo stesso tempo, l'efficienza di un motore reale non può mai superare il valore ottenuto secondo questa formula. Inoltre, questo indicatore non supererà mai il valore sopra indicato. Per aumentare l'efficienza, molto spesso aumentare la temperatura del riscaldatore e ridurre la temperatura del frigorifero. Entrambi questi processi saranno limitati dalle effettive condizioni operative dell'apparecchiatura.
Efficienza motore termico (formula)
Durante il funzionamento di un motore termico, il lavoro è terminato, poiché il gas inizia a perdere energia e si raffredda fino a una certa temperatura. Quest'ultimo è di solito alcuni gradi sopra l'atmosfera circostante. Questa è la temperatura del frigorifero. Un dispositivo così speciale è progettato per il raffreddamento con successiva condensazione del vapore di scarico. Laddove sono presenti condensatori, la temperatura del frigorifero è talvolta inferiore alla temperatura ambiente.
In una macchina termica, il corpo, una volta riscaldato ed espanso, non è in grado di dare tutta la sua energia interna per fare il lavoro. Parte del calore verrà trasferito al frigorifero insieme ai gas di scarico o al vapore. Questa partel'energia termica interna va inevitabilmente persa. Durante la combustione del combustibile, il corpo di lavoro riceve una certa quantità di calore Q1 dal riscaldatore. Allo stesso tempo, funziona ancora A, durante il quale trasferisce parte dell'energia termica al frigorifero: Q2<Q1.
EFFICIENCY caratterizza l'efficienza del motore nel campo della conversione e trasmissione dell'energia. Questo indicatore è spesso misurato in percentuale. Formula di efficienza:
ηA/Qx100%, dove Q è l'energia spesa, A è il lavoro utile.
Sulla base della legge di conservazione dell'energia, possiamo concludere che l'efficienza sarà sempre inferiore a uno. In altre parole, non ci sarà mai un lavoro più utile dell'energia spesa per esso.
L'efficienza del motore è il rapporto tra lavoro utile e energia fornita dal riscaldatore. Può essere rappresentato come la seguente formula:
η=(Q1-Q2)/ Q1, dove Q 1 - calore ricevuto dal riscaldatore e Q2 - dato al frigorifero.
Funzionamento del motore termico
Il lavoro svolto da una macchina termica viene calcolato utilizzando la seguente formula:
LA=|QH| - |QX|, dove A è lavoro, QH è la quantità di calore ricevuta dal riscaldatore, QX - la quantità di calore data al refrigeratore.
Efficienza motore termico (formula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
È uguale al rapporto tra il lavoro svolto dal motore e la quantità dicalore. Parte dell'energia termica viene persa durante questo trasferimento.
Motore Carnot
L'efficienza massima di un motore termico è annotata sul dispositivo di Carnot. Ciò è dovuto al fatto che in questo sistema dipende solo dalla temperatura assoluta del riscaldatore (Тн) e del refrigeratore (Тх). L'efficienza di un motore termico funzionante secondo il ciclo di Carnot è determinata dalla seguente formula:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Le leggi della termodinamica ci hanno permesso di calcolare la massima efficienza possibile. Per la prima volta questo indicatore è stato calcolato dallo scienziato e ingegnere francese Sadi Carnot. Ha inventato un motore termico che funzionava a gas ideale. Funziona su un ciclo di 2 isoterme e 2 adiabati. Il principio del suo funzionamento è abbastanza semplice: un contatto del riscaldatore viene portato alla nave con gas, a seguito del quale il fluido di lavoro si espande isotermicamente. Allo stesso tempo, funziona e riceve una certa quantità di calore. Dopo che la nave è stata isolata termicamente. Nonostante ciò, il gas continua ad espandersi, ma già adiabaticamente (senza scambio termico con l'ambiente). In questo momento, la sua temperatura scende al frigorifero. In questo momento, il gas è a contatto con il frigorifero, per cui gli conferisce una certa quantità di calore durante la compressione isometrica. Quindi la nave viene nuovamente isolata termicamente. In questo caso, il gas viene compresso adiabaticamente al suo volume e stato originale.
Varietà
Ai nostri tempi, ci sono molti tipi di motori termici che funzionano con principi diversi e con combustibili diversi. Hanno tutti la loro efficienza. Questi includonoquanto segue:
• Motore a combustione interna (pistone), che è un meccanismo in cui parte dell'energia chimica del combustibile che brucia viene convertita in energia meccanica. Tali dispositivi possono essere gas e liquidi. Ci sono motori a 2 tempi e 4 tempi. Possono avere un ciclo di lavoro continuo. Secondo il metodo di preparazione di una miscela di carburante, tali motori sono carburatore (con formazione di miscela esterna) e diesel (con interno). In base ai tipi di convertitore di energia, sono divisi in pistone, getto, turbina, combinati. L'efficienza di tali macchine non supera 0,5.
• Motore Stirling - un dispositivo in cui il fluido di lavoro si trova in uno spazio chiuso. È una specie di motore a combustione esterna. Il principio del suo funzionamento si basa sul raffreddamento/riscaldamento periodico del corpo con produzione di energia dovuta ad una variazione del suo volume. È uno dei motori più efficienti.
• Motore a turbina (rotativo) con combustione esterna di carburante. Tali installazioni si trovano più spesso nelle centrali termoelettriche.
• L'ICE a turbina (rotativa) viene utilizzato nelle centrali termoelettriche in modalità di picco. Non comune come gli altri.
• Un motore turboelica genera parte della spinta dovuta all'elica. Il resto viene dai gas di scarico. Il suo design è un motore rotativo (turbina a gas), sull'albero del quale è montata un'elica.
Altri tipi di motori termici
• Motori a razzo, turbogetto e jet che vengono spinti dal rinculogas di scarico.
• I motori a stato solido utilizzano i solidi come carburante. Quando si lavora, non è il suo volume che cambia, ma la sua forma. Il funzionamento dell'apparecchiatura utilizza una differenza di temperatura estremamente bassa.
Come migliorare l'efficienza
È possibile aumentare l'efficienza di un motore termico? La risposta va cercata nella termodinamica. Studia le trasformazioni reciproche di diversi tipi di energia. È stato stabilito che è impossibile convertire tutta l'energia termica disponibile in elettrica, meccanica, ecc. Allo stesso tempo, la loro conversione in energia termica avviene senza alcun vincolo. Ciò è possibile perché la natura dell'energia termica si basa sul movimento disordinato (caotico) delle particelle.
Più il corpo si riscalda, più velocemente si muoveranno le molecole che lo compongono. Il movimento delle particelle diventerà ancora più irregolare. Insieme a questo, tutti sanno che l'ordine può facilmente trasformarsi in caos, il che è molto difficile da ordinare.
