열효율. 열 엔진의 효율 - 공식

현대의 현실은열 엔진의 작동. 지금까지는 전기 모터로 교체하려는 수많은 시도가 실패했습니다. 자율 시스템의 전기 누적과 관련된 문제는 큰 어려움으로 해결되고 있습니다.

기술의 문제는 여전히 관련이 있습니다.장기간 사용을 고려한 전기 에너지 축전지의 제조. 전기 자동차의 속도 특성은 내연 기관의 자동차 특성과는 거리가 있습니다.

하이브리드 엔진을 만드는 첫 번째 단계는 메가 시티의 유해한 배출을 크게 줄여 환경 문제를 해결할 수 있습니다.

약간의 역사

증기 에너지를 에너지로 전환 할 수있는 가능성운동은 고대에 알려져있었습니다. 130 BC : 알렉산드리아의 철학자 헤론 (Heron)은 청중에게 스팀 장난감 (eolipil)을 선물했다. 스팀으로 채워진 구체는 그로부터 방출되는 제트의 작용하에 회전하게되었습니다. 당시 현대 증기 터빈의 프로토 타입은 응용 프로그램을 찾지 못했습니다.

수년과 수세기 동안 철학자의 발전은 즐거운 장난감으로 간주되었습니다. 1629 년에 D. Branci가 능동적 인 터빈을 만들었습니다. 스팀은 블레이드가 장착 된 디스크로 움직입니다.

이 순간부터 증기 엔진의 급속한 발전이 시작되었습니다.

열 기계

열적 기계에서 연료의 내부 에너지가 기계 및 기계 부품의 운동 에너지로 변환됩니다.

기계의 주요 부분은 히터 (외부에서 에너지를 얻는 시스템), 작동 매체 (유용한 효과가 있음), 냉장고입니다.

히터는 작업 물이 유용한 작업을하기에 충분한 내부 에너지를 축적하도록 설계되었습니다. 냉장고는 과도한 에너지를 흡수합니다.

효율성의 주요 특징은열효율. 이 값은 난방에 소비 된 에너지가 유용한 작업을 수행하는 데 소비 된 에너지의 양을 나타냅니다. 효율이 높을수록 기계의 성능은 좋아 지지만이 값은 100 %를 초과 할 수 없습니다.

효율 계산

히터가 Q와 동일한 에너지를 외부에서 얻도록하십시오.₁_.일하는 몸은 일을했지만, 냉장고에 주어진 에너지는 Q₂_.

정의에 따라 효율성 값을 계산하십시오.

η = A / Q₁. 우리는 A = Q₁ - Q_2.

따라서 열 기계의 효율은 η = (Q₁ - Q₂) / Q₁ = 1 - Q₂/ Q_1,우리는 다음과 같은 결론을 이끌어 낼 수있다.

효율성은 1 (또는 100 %)를 초과 할 수 없습니다.
이 값을 최대화하려면 히터로부터받은 에너지의 증가 또는 냉장고에 주어진 에너지의 감소가 필요합니다.
히터의 에너지 증가는 연료의 품질을 변경함으로써 달성됩니다.
냉장고에 제공되는 에너지를 줄이면 엔진의 설계 기능을 구현할 수 있습니다.

이상적인 열 엔진

그런 엔진을 만들 수 있습니까?효율은 최대가 될 것입니다 (이상적으로는 100 %)? 프랑스의 이론 물리학 자이자 재능있는 엔지니어 Sadi Carnot이이 질문에 대한 답을 찾으려고 노력했습니다. 1824 년에 가스에서 일어나는 과정에 대한 그의 이론적 설명이 공개되었습니다.

이상적인 기계에 내장 된 주요 아이디어는 이상 기체로 가역 프로세스를 수행하는 것으로 간주 될 수 있습니다. 우리는 온도 T에서 등온 적으로 가스 팽창을 시작합니다.₁. 이것에 필요한 열의 양은 Q입니다._1.이후열 전달이없는 가스가 팽창합니다 (단열 과정). 온도 T에 도달했다.₂, 가스는 등온 압축되고, 에너지 Q₂. 가스는 단열 상태로 원래의 상태로 되돌아 간다.

이상적인 카르노 엔진의 효율정확한 계산은 히터가 갖는 온도에 대한 가열 장치와 냉각 장치 사이의 온도 차이의 비율과 동일합니다. 그것은 다음과 같이 보입니다 : η = (T₁- T₂) / T_1.

열 기계의 가능한 효율은 다음과 같은 공식을 갖습니다. η = 1- T₂/ T₁히터 및 냉각기의 온도 값에만 의존하며 100 %를 넘을 수 없습니다.

게다가,이 관계는 우리가 열 기계의 효율이 냉장고가 절대 온도가 영원에 이르렀을 때에 만 일치한다는 것을 증명할 수있게합니다. 알다시피,이 값은 얻을 수 없습니다.

카르노 (Carnot)의 이론적 계산을 통해 모든 설계의 열 기계의 최대 효율을 결정할 수 있습니다.

Carnot에 의해 증명 된 정리는 다음과 같습니다. 임의의 조건 하에서 임의의 열 기계는 이상적인 열 엔진의 효율보다 큰 효율을 가질 수 없다.

문제 해결의 예

예제 1. 히터의 온도가 800 인 경우 이상적인 열 기계의 효율은 얼마입니까?^o와, 냉장고의 온도는 500^o아래에서?

T₁= 800^oC = 1073 K, ΔT = 500^oC = 500 K, η -?

해결책 :

정의에 의해 : η = (T₁- T₂) / T_1.

우리는 냉장고의 온도는 알려주지 않았지만, ΔT = (T₁- T₂), 여기에서 :

η = ΔT / T₁ = 500K / 1073K = 0.46.

답 : 효율 = 46 %.

예제 2. 다음과 같은 경우에 이상적인 열 엔진의 효율을 결정하십시오.구입 한 1 킬로 요울의 히터 에너지에 대한 설명은 650 J의 유용한 작업을 만듭니다. 쿨러의 온도가 400 K 일 경우 열 엔진의 히터 온도는 얼마입니까?

Q₁= 1kJ = 1000J, A = 650J, T₂ = 400 K, η-α, T₁=?

해결책 :

이 문제에서 우리는 열 설치 (thermal installation)에 대해 이야기하고 있습니다. 그 효율성은 공식을 사용하여 계산할 수 있습니다.

η = A / Q_1.

이상적인 열 엔진의 효율 수식을 사용하여 히터의 온도를 결정하는 방법 :

η = (T₁- T₂) / T₁= 1- T₂/ T_1.

수학적 변환을 수행하면 다음과 같은 결과를 얻습니다.

T₁ = T₂ / (1 - η)이다.

T₁ = T₂ / (1 - A / Q₁).

우리는 다음을 계산합니다.

η = 650 J / 1000 J = 0.65.

T₁ = 400 K / (1 650 J / 1000 J) = 1142.8 K이다.

답은 η = 65 %, T₁ = 1142.8 K.

실제 조건

이상적인 열 엔진은 이상적인 공정을 고려하여 설계되었습니다. 일은 등온 과정에서만 이루어지며, 그 크기는 Carnot주기의 그래프로 경계 지어지는 영역으로 정의됩니다.

사실, 흐르는 조건을 만드십시오.온도 변화를 수반하지 않고 가스 상태를 변경하는 것은 불가능합니다. 주변 물체와의 열교환을 배제하는 재료는 없습니다. 단열 과정은 불가능해진다. 열 교환의 경우 가스의 온도가 반드시 변해야합니다.

실제에서 생성 된 열 기계의 효율성조건은 이상적인 엔진의 효율과 크게 다르다. 실제 엔진에서의 공정은 너무 빨리 일어나서 용적을 변화시키는 과정에서 작동 물질의 내부 열 에너지의 변화가 히터로부터의 열의 유입과 냉장고로의 복귀에 의해 보상 될 수 없다는 것을 주목합니다.

기타 열 엔진

실제 엔진은 다른 사이클에서 작동합니다.

오토 사이클 : 변경되지 않은 볼륨의 프로세스는 단열에 따라 다르기 때문에 닫힌 사이클이 생성됩니다.
디젤 사이클 : isobar, adiabat, isochor, adiabat;
가스 터빈 : 일정한 압력에서 일어나는 과정은 단열 과정으로 대체되고,주기는 닫힙니다.

실제의 평형 과정 만들기현대 기술의 조건 하에서 엔진을 (이상에 가깝게 가져 오는) 것은 불가능합니다. 열 기계의 효율은 심지어 이상적인 열 설비와 동일한 온도 조건을 고려하더라도 훨씬 낮습니다.

그러나 카르노 사이클의 효율에 대한 계산 된 공식의 역할을 감소시키지 마십시오. 실제 엔진의 효율을 높이기 위해 노력하는 과정에서 기준점이되기 때문입니다.

효율성을 변경하는 방법

이상적인 열과 실제 열을 비교함으로써엔진의 경우 냉장고의 온도가 아무 것도 될 수 없다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 보통 냉장고는 대기로 간주됩니다. 대략적인 계산에서만 대기 온도를 받아 들일 수 있습니다. 경험에 따르면 냉각기의 온도는 내연 기관 (ICE로 약칭 함)의 경우와 같이 엔진의 배기 가스 온도와 같습니다.

얼음 - 우리 세계에서 가장 흔한열 기계. 이 경우 열 엔진의 효율은 연소 연료에 의해 생성 된 온도에 따라 달라집니다. ICE와 증기 엔진의 중요한 차이점은 공기 - 연료 혼합물에서 히터와 장치의 작동 체가 융합 된 것입니다. 굽기, 혼합물은 엔진의 움직이는 부분에 압력을 만듭니다.

작동 가스 온도의 상승,실질적으로 연료의 성질을 변화시킨다. 불행히도, 이것을 무제한으로하는 것은 불가능합니다. 엔진의 연소실이 만들어지는 모든 재료에는 융점이 있습니다. 이러한 재료의 내열성은 엔진의 주된 특성이며 효율성에 큰 영향을 미칠 수 있습니다.