열기관의 효율은 공식을 사용하여 구합니다. 열기관

엔진이 작동하려면 엔진 피스톤이나 터빈 블레이드 양쪽에 압력 차이가 있어야 합니다. 모든 열기관에서 이러한 압력 차이는 주변 온도에 비해 작동 유체의 온도를 수백도 증가시킴으로써 달성됩니다. 이러한 온도 상승은 연료가 연소될 때 발생합니다.

모든 열기관의 작동 유체는 팽창 중에 작동하는 가스(3.11절 참조)입니다. 작동유체(가스)의 초기온도를 다음과 같이 나타내자. 티 1 . 증기 터빈이나 기계의 이 온도는 증기 보일러의 증기에 의해 달성됩니다. 엔진에서 내부 연소가스터빈 등의 경우, 엔진 자체 내부에서 연료가 연소될 때 온도가 상승합니다. 온도 티 1 히터온도라고 합니다.

냉장고의 역할

작업이 완료되면 가스는 에너지를 잃고 필연적으로 특정 온도까지 냉각됩니다. 티 2 . 이 온도는 주변 온도보다 낮을 수 없습니다. 그렇지 않으면 가스 압력이 대기압보다 낮아지고 엔진이 작동할 수 없게 되기 때문입니다. 보통 온도 티 2 주변 온도보다 약간 높습니다. 냉장고 온도라고 합니다. 냉장고는 폐증기 냉각 및 응축을 위한 대기 또는 특수 장치입니다. 후자의 경우 냉장고 온도는 대기 온도보다 약간 낮을 수 있습니다.

따라서 엔진에서 팽창하는 동안 작동 유체는 작업을 수행하기 위해 내부 에너지를 모두 포기할 수 없습니다. 에너지 중 일부는 내연기관 및 가스터빈의 폐증기나 배기가스와 함께 필연적으로 대기(냉장고)로 전달됩니다. 내부 에너지의 이 부분은 회복 불가능하게 손실됩니다. 이것이 바로 켈빈의 공식에서 열역학 제2법칙이 말하는 내용입니다.

개략도 열기관그림 5.15에 나와 있습니다. 엔진의 작동유체는 연료가 연소되는 동안 많은 양의 열을 받습니다. 큐 1 , 작동합니까 에이"열량을 냉장고로 전달 | 큐 2 | <| 큐 1 |.

열기관 효율

에너지 보존 법칙에 따르면 엔진이 한 일은 다음과 같습니다.

(5.11.1)

어디 큐 1 - 히터로부터 받은 열의 양, 큐 2 - 냉장고로 전달되는 열의 양.

열기관의 효율은 일률이다 에이",히터로부터 받은 열의 양에 따라 엔진에 의해 수행됩니다.

(5.11.2)

증기 터빈의 경우 히터는 증기 보일러이고 내연 기관의 경우 히터는 연료 연소 생성물 자체입니다.

모든 엔진은 일정량의 열을 냉장고로 전달하므로 θ< 1.

열기관의 응용

가장 중요한 것은 화력 발전소에서 전류 발전기의 로터를 구동하는 열 엔진(주로 강력한 증기 터빈)을 사용하는 것입니다. 우리나라 전체 전기의 약 80%가 화력발전소에서 생산됩니다.

원자력발전소에는 열기관(증기터빈)도 설치된다. 이 스테이션에서는 원자핵의 에너지를 사용하여 고온 증기를 생성합니다.

모든 주요 유형의 현대 운송 수단은 주로 열 엔진을 사용합니다. 자동차는 가연성 혼합물이 외부에 형성되는 피스톤 내연 기관(기화기 엔진)과 실린더 내부에 직접 가연성 혼합물이 형성되는 엔진(디젤)을 사용합니다. 이 동일한 엔진이 트랙터에 설치됩니다.

20세기 중반까지 철도 운송에 사용되었습니다. 주요 엔진은 증기 기관이었습니다. 이제 그들은 주로 디젤 기관차와 전기 기관차를 사용합니다. 그러나 전기 기관차는 발전소의 열 엔진에서도 에너지를 공급받습니다.

수상 운송은 대형 선박용 내연기관과 강력한 터빈을 모두 사용합니다.

항공 분야에서는 경비행기에는 피스톤 엔진이 장착되고, 대형 여객기에는 역시 열기관으로 분류되는 터보프롭 엔진과 제트 엔진이 장착된다. 제트 엔진은 우주 로켓에도 사용됩니다.

열기관이 없다면 현대 문명은 상상할 수 없습니다. 우리는 값싼 전기를 갖지 못할 것이며 모든 종류의 현대적인 고속 교통수단도 박탈당할 것입니다.

열기관 효율.에너지 보존 법칙에 따르면 엔진이 한 일은 다음과 같습니다.

히터에서 받은 열은 냉장고에 전달된 열입니다.

열기관의 효율은 엔진이 수행한 일과 히터로부터 받은 열량의 비율입니다.

모든 엔진은 일정량의 열을 냉장고로 전달하므로 모든 경우에

열기관의 최대 효율 값.프랑스의 엔지니어이자 과학자인 Sadi Carnot(1796~1832)은 자신의 저서 "화재의 추진력에 대한 반성"(1824)에서 목표를 설정했습니다. 열 엔진의 작동이 가장 효과적인 조건, 즉 어떤 조건에서 알아내는 것입니다. 조건에서는 엔진의 효율이 최대가 됩니다.

카르노는 이상기체를 작동유체로 하는 이상열기관을 생각해냈다. 그는 온도 히터와 온도 냉장고를 사용하여 작동하는 이 기계의 효율성을 계산했습니다.

이 공식의 주요 의미는 Carnot이 증명했듯이 열역학 제2법칙에 따라 온도 히터 및 온도 냉장고로 작동하는 실제 열 엔진은 이상적인 열 엔진의 효율을 초과하는 효율을 가질 수 없다는 것입니다.

공식(4.18)은 열기관의 최대 효율 값에 대한 이론적 한계를 제공합니다. 히터의 온도가 높을수록, 냉장고의 온도가 낮을수록 열기관의 효율이 높아지는 것을 보여줍니다. 절대 영도와 동일한 냉장고 온도에서만

그러나 냉장고의 온도는 실제로 주변 온도보다 훨씬 낮을 수 없습니다. 히터 온도를 높일 수 있습니다. 그러나 어떤 재료(고체)라도 내열성, 즉 내열성이 제한되어 있습니다. 가열하면 점차 탄성을 잃고 충분히 높은 온도에서는 녹습니다.

이제 엔지니어의 주요 노력은 부품의 마찰, 불완전 연소로 인한 연료 손실 등을 줄여 엔진의 효율성을 높이는 것입니다. 여기서 효율성을 높일 수 있는 실제 기회는 여전히 큽니다. 따라서 증기 터빈의 경우 초기 및 최종 증기 온도는 대략 다음과 같습니다. 이 온도에서 최대 효율 값은 다음과 같습니다.

다양한 유형의 에너지 손실로 인한 실제 효율 값은 다음과 같습니다.

열기관의 효율을 높이고 이를 최대치에 가깝게 만드는 것이 가장 중요한 기술적 과제입니다.

열 엔진과 자연 보호.사용하기 편리한 에너지를 최대한 얻기 위해 열기관이 널리 사용됩니다.

다른 모든 유형의 생산 공정은 환경에 미치는 영향과 관련이 있습니다.

열역학 제2법칙에 따르면, 전기적, 기계적 에너지의 생산은 원칙적으로 상당한 양의 열을 환경에 방출하지 않고서는 수행될 수 없습니다. 이것은 지구의 평균 기온이 점진적으로 증가하는 것으로 이어질 수밖에 없습니다. 이제 전력 소비는 약 1010kW입니다. 이 전력에 도달하면 평균 온도가 눈에 띄게(약 1도 정도) 증가합니다. 기온이 더 상승하면 빙하가 녹아 해수면이 재앙적으로 상승할 위험이 있습니다.

그러나 이것이 열 엔진 사용의 부정적인 결과를 모두 소진하는 것은 아닙니다. 화력발전소의 용광로, 자동차 내연기관 등은 식물, 동물, 인간에게 유해한 물질(석탄 연소 시), 질소산화물, 탄화수소, 일산화탄소(CO), 기타 특별한 위험 이와 관련하여 자동차 수가 놀라 울 정도로 증가하고 배기 가스 정화가 어렵습니다. 원자력 발전소는 유해 방사성 폐기물 처리 문제에 직면해 있습니다.

또한, 발전소에서 증기 터빈을 사용하려면 배기 증기를 냉각하기 위한 넓은 면적의 연못이 필요하며, 발전소 용량이 증가함에 따라 물의 필요성도 급격히 증가합니다. 1980년에 우리나라는 이러한 목적을 위해 물, 즉 경제의 모든 부문에 공급되는 물의 약 35%를 필요로 했습니다.

이 모든 것이 사회에 여러 가지 심각한 문제를 야기합니다. 열기관의 효율을 높이는 가장 중요한 과제와 함께 환경을 보호하기 위한 여러 가지 조치도 취해야 합니다. 유해 물질이 대기로 방출되는 것을 방지하는 구조물의 효율성을 높이는 것이 필요합니다. 자동차 엔진에서 연료의 완전한 연소를 달성합니다. 이미 배기가스 중 CO 함량이 높은 차량은 사용이 허용되지 않습니다. 기존 자동차와 경쟁할 수 있는 전기 자동차를 만드는 가능성과, 예를 들어 수소와 산소의 혼합물로 작동하는 엔진에서 배기가스에 유해 물질이 없는 연료를 사용할 가능성이 논의되고 있습니다.

공간과 수자원을 절약하려면 폐쇄형 물 공급 주기를 사용하여 발전소, 주로 원자력 발전소 전체 단지를 건설하는 것이 좋습니다.

현재 진행되고 있는 노력의 또 다른 방향은 에너지 사용의 효율성을 높이고 에너지 보존을 위해 노력하는 것입니다.

위에 나열된 문제를 해결하는 것은 인류에게 매우 중요합니다. 그리고 이러한 문제는 최대의 성공을 거둘 수 있습니다.

전국적으로 계획적인 경제발전을 이루는 사회주의사회에서 해결되어야 한다. 그러나 환경 보호를 조직하려면 전 세계적인 규모의 노력이 필요합니다.

1. 되돌릴 수 없는 프로세스는 무엇입니까? 2. 가장 일반적인 비가역 과정을 나열하십시오. 3. 본문에 언급되지 않은 되돌릴 수 없는 과정의 예를 들어보세요. 4. 열역학 제2법칙을 공식화합니다. 5. 강이 거꾸로 흐른다면 이는 에너지 보존 법칙을 위반한다는 의미입니까? 6. 열기관이라고 불리는 장치는 무엇입니까? 7. 열기관의 히터, 냉장고, 작동유체의 역할은 무엇입니까? 8. 왜 열기관은 바다의 내부 에너지를 에너지원으로 사용할 수 없나요? 9. 열기관의 효율은 얼마나 됩니까?

10. 열기관 효율의 최대 가능한 값은 얼마입니까?

이번 수업의 주제는 이전 수업에서처럼 열기관 장치와 같이 추상적이지 않고 매우 구체적으로 발생하는 프로세스를 고려하는 것입니다. 우리는 그러한 기계를 정의하고 주요 구성 요소와 작동 원리를 설명합니다. 또한 이 수업에서는 열 엔진의 실제 효율성 요소와 가능한 최대 효율성 요소인 효율성을 찾는 문제를 고려할 것입니다.

주제: 열역학의 기초
교훈: 열기관의 작동 방식

지난 수업의 주제는 열역학 제1법칙이었습니다. 이는 가스의 일부로 전달된 일정량의 열과 팽창하는 동안 이 가스가 한 일 사이의 관계를 명시했습니다. 그리고 이제 이 공식이 일부 이론적 계산뿐만 아니라 실제 적용에도 관심이 있다고 말할 때가 왔습니다. 왜냐하면 가스 작업은 열 엔진을 사용할 때 추출하는 유용한 작업에 지나지 않기 때문입니다.

정의. 열기관- 연료의 내부 에너지가 기계적 일로 변환되는 장치(그림 1).

쌀. 1. 열기관의 다양한 예 (), ()

그림에서 볼 수 있듯이 열 엔진은 위의 원리에 따라 작동하는 모든 장치이며 설계가 매우 단순한 것부터 매우 복잡한 것까지 다양합니다.

예외 없이 모든 열 엔진은 기능적으로 세 가지 구성 요소로 나뉩니다(그림 2 참조).

• 히터
• 작동유체
• 냉장고

쌀. 2. 열기관의 기능도 ()

히터는 연소 중에 많은 양의 열을 가스에 전달하여 고온으로 가열하는 연료 연소 과정입니다. 작동 유체인 뜨거운 가스는 온도 증가로 인해 팽창하고 결과적으로 압력이 증가하여 작업을 수행합니다. 물론 엔진 본체, 주변 공기 등과의 열 전달은 항상 있기 때문에 작업은 전달된 열과 수치적으로 동일하지 않습니다. 에너지의 일부는 일반적으로 환경인 냉장고로 이동합니다. .

움직이는 피스톤 아래의 단순한 실린더(예: 내연 기관의 실린더)에서 발생하는 프로세스를 상상하는 가장 쉬운 방법입니다. 당연히 엔진이 작동하고 의미를 가지려면 프로세스가 일회성이 아닌 주기적으로 발생해야 합니다. 즉, 팽창할 때마다 가스는 원래 위치로 돌아가야 합니다(그림 3).

쌀. 3. 열기관의 순환작동 예 ()

가스가 초기 위치로 돌아가려면 가스에 대한 일부 작업(외력의 작업)이 수행되어야 합니다. 그리고 가스의 작업은 반대 기호가 있는 가스에 대한 작업과 동일하므로 가스가 전체 사이클에 걸쳐 총 긍정적인 작업을 수행하려면(그렇지 않으면 엔진에 아무런 의미가 없습니다) 외부 힘의 일은 가스의 일보다 작습니다. 즉, PV 좌표의 순환 프로세스 그래프는 시계 방향 바이패스가 있는 폐루프 형식이어야 합니다. 이 조건에서 기체가 한 일(그래프에서 부피가 증가하는 부분)은 기체가 한 일(부피가 감소하는 부분)보다 더 큽니다(그림 4).

쌀. 4. 열기관에서 일어나는 과정의 그래프의 예

우리는 특정 메커니즘에 대해 이야기하고 있으므로 그 효율성이 무엇인지 말하는 것이 필수적입니다.

정의. 열기관의 효율(성능계수)- 히터에서 본체로 전달되는 열량에 대한 작동 유체에 의해 수행되는 유용한 작업의 비율입니다.

에너지 보존을 고려하면 히터에서 나가는 에너지는 어디에서나 사라지지 않습니다. 일부는 작업 형태로 제거되고 나머지는 냉장고로 이동합니다.

우리는 다음을 얻습니다:

이는 부분별 효율성에 대한 표현입니다. 효율성 값을 백분율로 얻으려면 결과 값에 100을 곱해야 합니다. SI 측정 시스템의 효율성은 무차원 수량이며 공식에서 볼 수 있듯이 1개(또는 100개) 이상이어야 합니다.

이 표현을 실제 효율 또는 실제 열기관(열기관)의 효율이라고 부르기도 합니다. 어떻게 든 엔진 설계의 단점을 완전히 없앨 수 있다고 가정하면 이상적인 엔진을 얻을 수 있으며 그 효율성은 이상적인 열 엔진의 효율 공식을 사용하여 계산됩니다. 이 공식은 프랑스 엔지니어 Sadi Carnot에 의해 얻어졌습니다(그림 5).

열기관(기계)은 연료의 내부 에너지를 기계적 일로 변환하여 주변 물체와 열을 교환하는 장치입니다. 대부분의 현대 자동차, 항공기, 선박 및 로켓 엔진은 열 엔진 작동 원리에 따라 설계되었습니다. 작업은 작업 물질의 부피를 변경하여 수행되며 모든 유형의 엔진의 작동 효율성을 특성화하기 위해 효율성이라는 값이 사용됩니다.

열기관은 어떻게 작동하나요?

열역학(내부 및 기계 에너지의 상호 변환 패턴과 한 신체에서 다른 신체로의 에너지 전달 패턴을 연구하는 물리학 분야)의 관점에서 모든 열 엔진은 히터, 냉장고 및 작동 유체로 구성됩니다. .

쌀. 1. 열기관 작동의 블록 다이어그램:.

프로토타입 열기관에 대한 첫 번째 언급은 고대 로마(기원전 2세기)에 발명된 증기 터빈을 의미합니다. 사실, 그 당시에는 많은 보조 부품이 부족했기 때문에 본 발명은 널리 사용되지 않았습니다. 예를 들어, 그 당시에는 베어링과 같은 메커니즘의 작동을 위한 핵심 요소가 아직 발명되지 않았습니다.

열기관의 일반적인 작동 다이어그램은 다음과 같습니다.

• 히터는 많은 양의 열 Q 1 을 전달하기에 충분히 높은 온도 T 1 을 갖습니다.
• 대부분의 열 엔진에서는 연료 혼합물(연료-산소)의 연소로 열이 발생합니다. 엔진의 작동유체(증기 또는 가스)는 유용한 작업을 수행합니다.에이,
• 예를 들어, 피스톤을 움직이거나 터빈을 회전시키는 것;< Т 1 . То есть, на совершение работы идет только часть теплоты Q 1 .

열기관(엔진)은 지속적으로 작동해야 하므로 작동유체는 온도가 T1과 같아지도록 원래 상태로 돌아가야 합니다. 프로세스의 연속성을 위해서는 기계 작동이 주기적으로 발생하고 주기적으로 반복되어야 합니다. 순환 메커니즘을 생성하려면(작동 유체(가스)를 원래 상태로 되돌리려면) 압축 과정에서 가스를 냉각할 냉장고가 필요합니다. 냉각기는 대기(내연 기관의 경우) 또는 냉수(증기 터빈의 경우)일 수 있습니다.

열기관의 효율은 얼마인가?

1824년 프랑스의 기계공학자 사디 카르노(Sadi Carnot)는 열기관의 효율을 확인하기 위해 노력했습니다. 열기관 효율 개념을 도입했다. 효율성을 나타내는 데 그리스 문자 eta가 사용됩니다. eta 값은 열 엔진 효율 공식을 사용하여 계산됩니다.

$$eta=(A\over Q1)$$

$ A =Q1 - Q2$이므로,

$eta =(1 - Q2\over Q1)$

모든 엔진은 열의 일부를 냉장고에 제공하므로 θ는 항상< 1 (меньше 100 процентов).

이상적인 열기관의 가능한 최고 효율

이상적인 열기관으로서 Sadi Carnot은 이상 기체를 작동 유체로 사용하는 기계를 제안했습니다. 이상적인 카르노 모델은 두 개의 등온선과 두 개의 단열로 구성된 사이클(카르노 사이클)에서 작동합니다.

쌀. 2. 카르노 사이클:.

다음 사항을 상기시켜 드리겠습니다.

• 단열 과정환경과의 열교환 없이 일어나는 열역학적 과정이다. (Q=0);
• 등온 과정일정한 온도에서 일어나는 열역학적 과정이다. 이상기체의 내부에너지는 온도에만 의존하므로 기체로 전달되는 열의 양은 큐전적으로 작업 A를 수행합니다. (Q = A) .

Sadi Carnot은 이상적인 열기관이 달성할 수 있는 최대 효율이 다음 공식에 의해 주어진다는 것을 증명했습니다.

$$etamax=1-(T2\over T1)$$

카르노의 공식을 사용하면 열기관의 최대 효율을 계산할 수 있습니다. 히터와 냉장고의 온도차가 클수록 효율은 높아집니다.

다양한 유형의 엔진의 실제 효율성은 무엇입니까?

위의 예에서 액체 연료로 작동하는 내연 기관(디젤 버전)과 제트 엔진에서 가장 높은 효율 값(40-50%)이 발견된다는 것이 분명합니다.

쌀. 3. 실제 열기관의 효율:.

우리는 무엇을 배웠나요?

그래서 우리는 엔진 효율이 무엇인지 배웠습니다. 모든 열기관의 효율은 항상 100% 미만입니다. 히터(T1)와 냉장고(T2)의 온도차가 클수록 효율은 높아진다.

주제에 대한 테스트

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  수학적으로 효율성의 정의는 다음과 같이 쓸 수 있습니다.

  eta = A Q , (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q)),)

  어디 에이- 유용한 일(에너지), 그리고 큐- 에너지가 소모되었습니다.

  효율성을 백분율로 표현하면 다음 공식으로 계산됩니다.

  eta = A Q × 100% (\displaystyle \eta =(\frac (A)(Q))\times 100\%) ε X = Q X / A (\displaystyle \varepsilon _(\mathrm (X) )=Q_(\mathrm (X) )/A),

  어디 Q X (\displaystyle Q_(\mathrm (X) ))- 차가운 쪽에서 취한 열(냉동 기계의 경우 냉각 용량) A (\디스플레이스타일 A)

  히트펌프에 사용되는 용어는 다음과 같습니다. 변환 비율

  ε Γ = Q Γ / A (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=Q_(\Gamma )/A),

  어디 Q Γ (\displaystyle Q_(\Gamma ))- 냉각수로 전달되는 응축열; A (\디스플레이스타일 A)- 이 프로세스에 소비된 작업(또는 전기)입니다.

  완벽한 차에서 Q Γ = Q X + A (\displaystyle Q_(\Gamma )=Q_(\mathrm (X) )+A), 여기에서 이상적인 자동차까지 ε Γ = ε X + 1 (\displaystyle \varepsilon _(\Gamma )=\varepsilon _(\mathrm (X) )+1)

  역 카르노 사이클은 냉동 기계에 대한 최고의 성능 지표를 가지고 있습니다. 성능 계수가 있습니다.

  ε = T X T Γ − T X (\displaystyle \varepsilon =(T_(\mathrm (X) ) \over (T_(\Gamma )-T_(\mathrm (X)))), 왜냐하면 고려되는 에너지 외에도 에이(예: 전기), 열 큐차가운 소스에서 가져온 에너지도 있습니다.