La fórmula por la cual se calcula el valor máximo de eficiencia. Principios de funcionamiento de los motores térmicos. Consecuencias ambientales de los motores térmicos

Las realidades modernas implican el funcionamiento generalizado de los motores térmicos. Numerosos intentos de reemplazarlos con motores eléctricos han fracasado hasta ahora. Problemas asociados con la acumulación de electricidad en sistemas autónomos se resuelven con gran dificultad.

Aún son relevantes los problemas de tecnología para la fabricación de acumuladores de energía eléctrica, teniendo en cuenta su uso a largo plazo. Características de velocidad los vehículos eléctricos distan mucho de los de los coches a motor Combustión interna.

Los primeros pasos hacia la creación de motores híbridos pueden reducir significativamente las emisiones nocivas en las megaciudades, resolviendo problemas ambientales.

Un poco de historia

La posibilidad de convertir la energía del vapor en energía del movimiento era conocida en la antigüedad. 130 a. C.: el filósofo Heron de Alejandría presentó a la audiencia un juguete de vapor: aeolipil. Una esfera llena de vapor comenzó a girar bajo la acción de los chorros que emanaban de ella. Este prototipo de turbinas de vapor modernas no encontró aplicación en aquellos días.

Durante muchos años y siglos, el desarrollo del filósofo se consideró solo un juguete divertido. En 1629, el italiano D. Branchi creó una turbina activa. Steam puso en movimiento un disco equipado con cuchillas.

A partir de ese momento comenzó el rápido desarrollo de las máquinas de vapor.

motor térmico

La conversión de combustible en energía para el movimiento de partes de máquinas y mecanismos se utiliza en motores térmicos.

Las partes principales de las máquinas: un calentador (un sistema para obtener energía del exterior), un fluido de trabajo (realiza una acción útil), un refrigerador.

El calentador está diseñado para garantizar que el fluido de trabajo haya acumulado un suministro suficiente de energía interna para realizar un trabajo útil. El frigorífico elimina el exceso de energía.

La característica principal de la eficiencia se denomina eficiencia de los motores térmicos. Este valor muestra qué parte de la energía gastada en calefacción se gasta en hacer un trabajo útil. Cuanto mayor sea la eficiencia, más rentable será la operación de la máquina, pero este valor no puede exceder el 100%.

Cálculo de eficiencia

Deje que el calentador adquiera del exterior la energía igual a Q 1 . El fluido de trabajo realizó trabajo A, mientras que la energía entregada al refrigerador fue Q 2 .

Basándonos en la definición, calculamos la eficiencia:

η= UN / Q 1 . Tomamos en cuenta que A \u003d Q 1 - Q 2.

De aquí, la eficiencia de la máquina térmica, cuya fórmula tiene la forma η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, nos permite sacar las siguientes conclusiones:

• La eficiencia no puede exceder 1 (o 100%);
• para maximizar este valor, es necesario aumentar la energía recibida del calentador o disminuir la energía entregada al refrigerador;
• se logra un aumento en la energía del calentador cambiando la calidad del combustible;
• reduciendo la energía que se le da al refrigerador, le permite lograr caracteristicas de diseño motores

motor térmico ideal

¿Es posible crear un motor de este tipo, cuya eficiencia sería máxima (idealmente, igual al 100%)? El físico teórico francés y talentoso ingeniero Sadi Carnot trató de encontrar la respuesta a esta pregunta. En 1824 se hicieron públicos sus cálculos teóricos sobre los procesos que ocurren en los gases.

La idea principal detrás de una máquina ideal es llevar a cabo procesos reversibles con un gas ideal. Empezamos con la expansión isotérmica del gas a una temperatura T 1 . La cantidad de calor requerida para esto es Q 1. Después de que el gas se expande sin intercambio de calor, habiendo alcanzado la temperatura T 2, el gas se comprime isotérmicamente, transfiriendo la energía Q 2 al refrigerador. El retorno del gas a su estado original es adiabático.

Eficiencia ideal motor térmico Carnot, cuando se calcula con precisión, es igual a la relación de la diferencia de temperatura entre los dispositivos de calefacción y refrigeración a la temperatura que tiene el calentador. Se ve así: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

La posible eficiencia de una máquina térmica, cuya fórmula es: η= 1 - T 2 / T 1 , depende únicamente de la temperatura del calentador y del enfriador y no puede ser superior al 100%.

Además, esta relación nos permite probar que la eficiencia de los motores térmicos puede ser igual a la unidad solo cuando el refrigerador alcanza temperaturas. Como saben, este valor es inalcanzable.

Los cálculos teóricos de Carnot permiten determinar la eficiencia máxima de un motor térmico de cualquier diseño.

El teorema demostrado por Carnot es el siguiente. Una máquina térmica arbitraria bajo ninguna circunstancia es capaz de tener un coeficiente de eficiencia superior al valor similar de la eficiencia de una máquina térmica ideal.

Ejemplo de resolución de problemas

Ejemplo 1 ¿Cuál es la eficiencia de una máquina térmica ideal si la temperatura del calentador es de 800 °C y la temperatura del refrigerador es 500 °C más baja?

T 1 \u003d 800 o C \u003d 1073 K, ∆T \u003d 500 o C \u003d 500 K, η -?

Por definición: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

No se nos da la temperatura del refrigerador, sino ∆T = (T 1 - T 2), de aquí:

η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.

Respuesta: eficiencia = 46%.

Ejemplo 2 Determine la eficiencia de un motor térmico ideal si se realizan 650 J de trabajo útil debido al kilojulio adquirido de energía del calentador ¿Cuál es la temperatura del calentador del motor térmico si la temperatura del refrigerante es de 400 K?

Q 1 \u003d 1 kJ \u003d 1000 J, A \u003d 650 J, T 2 \u003d 400 K, η -?, T 1 \u003d?

En este problema, estamos hablando de una instalación térmica, cuya eficiencia se puede calcular mediante la fórmula:

Para determinar la temperatura del calentador, usamos la fórmula para la eficiencia de un motor térmico ideal:

η \u003d (T 1 - T 2) / T 1 \u003d 1 - T 2 / T 1.

Después de realizar transformaciones matemáticas, obtenemos:

T 1 \u003d T 2 / (1- η).

T 1 \u003d T 2 / (1- A / Q 1).

Calculemos:

η= 650 J / 1000 J = 0,65.

T 1 \u003d 400 K / (1- 650 J / 1000 J) \u003d 1142,8 K.

Respuesta: η \u003d 65%, T 1 \u003d 1142.8 K.

Condiciones reales

La máquina térmica ideal está diseñada con procesos ideales en mente. El trabajo se realiza solo en procesos isotérmicos, su valor se define como el área delimitada por el gráfico del ciclo de Carnot.

De hecho, es imposible crear condiciones para el proceso de cambio de estado de un gas sin cambios de temperatura que lo acompañen. No hay materiales que excluyan el intercambio de calor con los objetos circundantes. El proceso adiabático ya no es posible. En el caso de la transferencia de calor, la temperatura del gas necesariamente debe cambiar.

La eficiencia de los motores térmicos creados en condiciones reales difiere significativamente de la eficiencia motores ideales. Tenga en cuenta que los procesos en los motores reales son tan rápidos que la variación en la energía térmica interna de la sustancia de trabajo en el proceso de cambio de volumen no puede ser compensada por la entrada de calor del calentador y el retorno al enfriador.

Otros motores térmicos

Los motores reales funcionan en diferentes ciclos:

• Ciclo Otto: el proceso a volumen constante cambia adiabáticamente, creando un ciclo cerrado;
• Ciclo diesel: isobar, adiabat, isochor, adiabat;
• el proceso que ocurre a presión constante es reemplazado por uno adiabático, cerrando el ciclo.

Crear procesos de equilibrio en motores reales (para acercarlos a los ideales) en condiciones tecnología moderna no parece posible. La eficiencia de los motores térmicos es mucho menor, incluso teniendo en cuenta los mismos regímenes de temperatura que en una instalación térmica ideal.

Pero no debe reducir el papel de la fórmula de cálculo de la eficiencia, ya que es el punto de partida en el proceso de trabajo para aumentar la eficiencia. motores reales.

Maneras de cambiar la eficiencia

Al comparar motores térmicos ideales y reales, vale la pena señalar que la temperatura del refrigerador de este último no puede ser cualquiera. Por lo general, se considera que la atmósfera es un refrigerador. La temperatura de la atmósfera solo se puede tomar en cálculos aproximados. La experiencia demuestra que la temperatura del refrigerante es igual a la temperatura de los gases de escape en los motores, como es el caso de los motores de combustión interna (motores de combustión interna abreviados).

ICE es el motor térmico más común en nuestro mundo. La eficiencia de un motor térmico en este caso depende de la temperatura creada por el combustible quemado. Una diferencia esencial entre un motor de combustión interna y un motor de vapor es la fusión de las funciones del calentador y el fluido de trabajo del dispositivo en la mezcla de aire y combustible. Al quemarse, la mezcla crea presión sobre las partes móviles del motor.

Se logra un aumento en la temperatura de los gases de trabajo al cambiar significativamente las propiedades del combustible. Desafortunadamente, no es posible hacer esto indefinidamente. Cualquier material del que está hecha la cámara de combustión de un motor tiene su propio punto de fusión. La resistencia al calor de tales materiales es la característica principal del motor, así como la capacidad de afectar significativamente la eficiencia.

Valores de eficiencia del motor

Si consideramos la temperatura del vapor de trabajo en cuya entrada es de 800 K, y el gas de escape es de 300 K, entonces la eficiencia de esta máquina es del 62%. En realidad, este valor no supera el 40%. Tal disminución se produce debido a las pérdidas de calor durante el calentamiento de la carcasa de la turbina.

El valor más alto de combustión interna no supera el 44%. Aumentar este valor es una cuestión de futuro próximo. Cambiar las propiedades de los materiales, los combustibles es un problema en el que están trabajando las mejores mentes de la humanidad.

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Qué es un sistema termodinámico y qué parámetros caracterizan su estado.
Enuncie la primera y segunda leyes de la termodinámica.

Fue la creación de la teoría de los motores térmicos lo que condujo a la formulación de la segunda ley de la termodinámica.

Las reservas de energía interna en la corteza terrestre y los océanos pueden considerarse prácticamente ilimitadas. Pero para resolver problemas prácticos, tener reservas de energía todavía no es suficiente. También es necesario poder utilizar la energía para poner en marcha máquinas herramienta en fábricas y plantas, medios de transporte, tractores y otras máquinas, hacer girar los rotores de generadores de corriente eléctrica, etc. La humanidad necesita motores, dispositivos capaces de realizar un trabajo. La mayoría de los motores en la Tierra son motores de calor.

Motores térmicos Son dispositivos que convierten la energía interna del combustible en Trabajo mecánico.

El principio de funcionamiento de los motores térmicos.

Para que el motor funcione, se necesita una diferencia de presión en ambos lados del pistón del motor o de las palas de la turbina. En todos los motores térmicos, esta diferencia de presión se logra aumentando la temperatura cuerpo de trabajo(gas) cientos o miles de grados por encima de la temperatura ambiente. Este aumento de temperatura se produce durante la combustión del combustible.

Una de las partes principales del motor es un recipiente lleno de gas con un pistón móvil. El fluido de trabajo en todos los motores térmicos es un gas que realiza trabajo durante la expansión. Denotemos la temperatura inicial del fluido de trabajo (gas) a través de T 1 . Esta temperatura en turbinas o máquinas de vapor es adquirida por el vapor en una caldera de vapor. En motores de combustión interna y turbinas de gas, el aumento de temperatura se produce cuando el combustible se quema dentro del propio motor. La temperatura T 1 se llama temperatura del calentador.

El papel del refrigerador.

A medida que se realiza el trabajo, el gas pierde energía e inevitablemente se enfría a cierta temperatura T 2 , que suele ser un poco más alta que la temperatura ambiente. ellos la llaman temperatura del refrigerador. El frigorífico es la atmósfera o dispositivos especiales para enfriar y condensar el vapor de escape - condensadores. En este último caso, la temperatura del frigorífico puede ser ligeramente inferior a la temperatura ambiente.

Así, en el motor, el fluido de trabajo durante la expansión no puede dar toda su energía interna para realizar trabajo. Parte del calor se transfiere inevitablemente al enfriador (atmósfera) junto con el vapor de escape o los gases de escape de los motores de combustión interna y las turbinas de gas.

Esta parte de la energía interna del combustible se pierde. Una máquina térmica realiza un trabajo debido a la energía interna del fluido de trabajo. Además, en este proceso, el calor se transfiere de los cuerpos más calientes (calentador) a los más fríos (refrigerador). En la figura 13.13 se muestra un diagrama esquemático de una máquina térmica.

El fluido de trabajo del motor recibe del calentador durante la combustión del combustible la cantidad de calor Q 1, realiza el trabajo A "y transfiere la cantidad de calor al refrigerador Q2< Q 1 .

Para que el motor funcione continuamente, es necesario devolver el fluido de trabajo a su estado inicial, en el que la temperatura del fluido de trabajo es igual a T 1 . De esto se deduce que el funcionamiento del motor se produce de acuerdo con procesos cerrados que se repiten periódicamente o, como se suele decir, de acuerdo con un ciclo.

Ciclo es una serie de procesos, como resultado de los cuales el sistema vuelve a su estado inicial.

Coeficiente de rendimiento (COP) de un motor térmico.

La imposibilidad de conversión completa de la energía interna del gas en trabajo de máquinas térmicas se debe a la irreversibilidad de los procesos en la naturaleza. Si el calor pudiera regresar espontáneamente del refrigerador al calentador, entonces la energía interna podría convertirse completamente en trabajo útil utilizando cualquier motor térmico. La segunda ley de la termodinámica se puede formular de la siguiente manera:

Segunda ley de la termodinámica:
imposible de crear máquina de movimiento perpetuo del segundo tipo, que convertiría completamente el calor en trabajo mecánico.

De acuerdo con la ley de conservación de la energía, el trabajo realizado por el motor es:

A" \u003d Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

donde Q 1 - la cantidad de calor recibida del calentador y Q2 - la cantidad de calor que se le da al refrigerador.

El coeficiente de rendimiento (COP) de un motor térmico es la relación entre el trabajo A "realizado por el motor y la cantidad de calor recibido del calentador:

Dado que en todos los motores se transfiere cierta cantidad de calor al refrigerador, entonces η< 1.

El valor máximo de la eficiencia de los motores térmicos.

Las leyes de la termodinámica permiten calcular la máxima eficiencia posible de un motor térmico que funciona con un calentador que tiene una temperatura de T 1 y un refrigerador con una temperatura de T 2, y también determinar formas de aumentarlo.

Por primera vez, el ingeniero y científico francés Sadi Carnot (1796-1832) calculó la máxima eficiencia posible de una máquina térmica en su obra “Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas capaces de desarrollar esta fuerza” (1824). ).

Carnot ideó una máquina térmica ideal con un gas ideal como fluido de trabajo. Una máquina térmica de Carnot ideal opera en un ciclo que consta de dos isotermas y dos adiabáticas, y estos procesos se consideran reversibles (figura 13.14). En primer lugar, se pone en contacto un recipiente con gas con un calentador, el gas se expande isotérmicamente, realizando un trabajo positivo, a una temperatura T 1 , mientras recibe una cantidad de calor Q 1 .

Luego, el recipiente se aísla térmicamente, el gas continúa expandiéndose ya adiabáticamente, mientras que su temperatura disminuye a la temperatura del refrigerador T 2 . Después de eso, el gas se pone en contacto con el refrigerador, bajo compresión isotérmica, cede la cantidad de calor Q 2 al refrigerador, comprimiéndose a un volumen V 4< 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:

Como se desprende de la fórmula (13.17), la eficiencia de la máquina de Carnot es directamente proporcional a la diferencia en las temperaturas absolutas del calentador y el refrigerador.

El significado principal de esta fórmula es que indica la forma de aumentar la eficiencia, para ello es necesario aumentar la temperatura del calentador o bajar la temperatura del refrigerador.

Cualquier máquina térmica real que funcione con un calentador a temperatura T 1 y un refrigerador a temperatura T 2 no puede tener una eficiencia superior a la eficiencia de una máquina térmica ideal: Los procesos que componen el ciclo de una máquina térmica real no son reversibles.

La fórmula (13.17) da un límite teórico para el valor máximo de la eficiencia de los motores térmicos. Se muestra que una máquina térmica es más eficiente cuanto mayor es la diferencia de temperatura entre el calentador y el refrigerador.

Solo a la temperatura del refrigerador, igual al cero absoluto, η = 1. Además, se ha demostrado que la eficiencia calculada por la fórmula (13.17) no depende de la sustancia de trabajo.

Pero la temperatura del refrigerador, cuyo papel suele desempeñar la atmósfera, prácticamente no puede ser inferior a la temperatura ambiente. Puede aumentar la temperatura del calentador. Sin embargo, cualquier material (cuerpo sólido) tiene resistencia al calor limitada o resistencia al calor. Cuando se calienta, pierde gradualmente sus propiedades elásticas, y cuando se alta temperatura se derrite

Ahora los principales esfuerzos de los ingenieros están dirigidos a aumentar la eficiencia de los motores al reducir la fricción de sus partes, las pérdidas de combustible por combustión incompleta, etc.

Para una turbina de vapor, las temperaturas de vapor inicial y final son aproximadamente las siguientes: T 1 - 800 K y T 2 - 300 K. A estas temperaturas, la eficiencia máxima es del 62 % (tenga en cuenta que la eficiencia generalmente se mide como un porcentaje). El valor real de la eficiencia debido a varios tipos de pérdidas de energía es de aproximadamente 40%. Los motores diesel tienen la máxima eficiencia: alrededor del 44%.

Protección del medio ambiente.

es dificil de imaginar mundo moderno sin motores térmicos. Nos proporcionan una vida cómoda. Los motores térmicos impulsan los vehículos. Alrededor del 80% de la electricidad, a pesar de la presencia de centrales nucleares, se genera mediante motores térmicos.

Sin embargo, durante el funcionamiento de los motores térmicos se produce una contaminación ambiental inevitable. Esto es una contradicción: por un lado, cada año la humanidad necesita más y más energía, la mayor parte de la cual se obtiene quemando combustible, por otro lado, los procesos de combustión van inevitablemente acompañados de contaminación ambiental.

Cuando se quema combustible, el contenido de oxígeno en la atmósfera disminuye. Además, los propios productos de la combustión forman compuestos químicos perjudicial para los organismos vivos. La contaminación se produce no solo en tierra, sino también en el aire, ya que cualquier vuelo de aeronave va acompañado de emisiones de impurezas nocivas a la atmósfera.

Una de las consecuencias del funcionamiento de los motores es la formación de dióxido de carbono, que absorbe la radiación infrarroja de la superficie terrestre, lo que provoca un aumento de la temperatura de la atmósfera. Este es el llamado efecto invernadero. Las mediciones muestran que la temperatura de la atmósfera aumenta 0,05 °C por año. Un aumento tan continuo de la temperatura puede hacer que el hielo se derrita, lo que a su vez provocará un cambio en el nivel del agua en los océanos, es decir, la inundación de los continentes.

Notamos un punto negativo más cuando se usan motores térmicos. Entonces, a veces se usa agua de ríos y lagos para enfriar los motores. A continuación, el agua calentada se devuelve. El aumento de la temperatura en los cuerpos de agua altera el equilibrio natural, este fenómeno se denomina contaminación térmica.

Para proteger el medio ambiente, se utilizan ampliamente varios filtros de purificación para evitar las emisiones a la atmósfera. sustancias nocivas se están mejorando los diseños de los motores. Hay una mejora continua del combustible, que da menos sustancias nocivas durante la combustión, así como la tecnología de su combustión. Se están desarrollando activamente fuentes de energía alternativas que utilizan el viento, la radiación solar y la energía central. Ya se están produciendo vehículos eléctricos y vehículos propulsados ​​por energía solar.

Un motor térmico (máquina) es un dispositivo que convierte la energía interna del combustible en trabajo mecánico, intercambiando calor con los cuerpos circundantes. La mayoría de los motores modernos de automóviles, aviones, barcos y cohetes están diseñados sobre los principios de un motor térmico. El trabajo se realiza cambiando el volumen de la sustancia de trabajo, y para caracterizar la eficiencia de cualquier tipo de motor se utiliza un valor que se denomina factor de eficiencia (COP).

Cómo funciona un motor térmico

Desde el punto de vista de la termodinámica (una rama de la física que estudia los patrones de transformaciones mutuas de las energías interna y mecánica y la transferencia de energía de un cuerpo a otro), cualquier máquina térmica consta de un calentador, un refrigerador y un fluido de trabajo. .

Arroz. 1. Esquema estructural del motor térmico:.

La primera mención de un motor térmico prototipo se refiere a una turbina de vapor, que se inventó en roma antigua(siglo II a.C.). Es cierto que la invención no encontró entonces una amplia aplicación debido a la falta de muchos detalles auxiliares en ese momento. Por ejemplo, en ese momento aún no se había inventado un elemento tan clave para el funcionamiento de cualquier mecanismo como un rodamiento.

El esquema general de operación de cualquier motor térmico se ve así:

• El calentador tiene una temperatura T 1 lo suficientemente alta como para transferir una gran cantidad de calor Q 1 . En la mayoría de los motores térmicos, el calentamiento se obtiene quemando una mezcla de combustible (combustible-oxígeno);
• El fluido de trabajo (vapor o gas) del motor realiza un trabajo útil A, por ejemplo, mover un pistón o hacer girar una turbina;
• El frigorífico absorbe parte de la energía del fluido de trabajo. Refrigerador temperatura T 2< Т 1 . То есть, на совершение trabajo en progreso sólo una parte del calor Q 1 .

La máquina térmica (motor) debe trabajar continuamente, por lo que el fluido de trabajo debe volver a su estado original para que su temperatura sea igual a T 1 . Para la continuidad del proceso, la operación de la máquina debe ocurrir cíclicamente, repitiéndose periódicamente. Para crear un mecanismo cíclico, para devolver el fluido de trabajo (gas) a su estado original, se necesita un refrigerador para enfriar el gas durante el proceso de compresión. El refrigerador puede ser la atmósfera (para motores de combustión interna) o agua fría(para turbinas de vapor).

¿Cuál es la eficiencia de un motor térmico?

Para determinar la eficiencia de los motores térmicos, el ingeniero mecánico francés Sadi Carnot en 1824. introdujo el concepto de eficiencia de un motor térmico. La letra griega η se usa para denotar eficiencia. El valor de η se calcula utilizando la fórmula de eficiencia del motor térmico:

$$η=(A\sobre Q1)$$

Como $ A = Q1 - Q2 $, entonces

$η =(1 - Q2\sobre Q1)$

Dado que en todos los motores parte del calor se cede al frigorífico, entonces siempre η< 1 (меньше 100 процентов).

La máxima eficiencia posible de un motor térmico ideal

Como motor térmico ideal, Sadi Carnot propuso una máquina con un gas ideal como fluido de trabajo. El modelo ideal de Carnot funciona en un ciclo (ciclo de Carnot) que consta de dos isotermas y dos adiabáticas.

Arroz. 2. Ciclo de Carnot:.

Recordar:

• proceso adiabático Es un proceso termodinámico que ocurre sin intercambio de calor con ambiente (Q=0);
• Proceso isotérmico Es un proceso termodinámico que ocurre a una temperatura constante. Dado que la energía interna de un gas ideal depende únicamente de la temperatura, la cantidad de calor transferido al gas q va enteramente al trabajo A (Q = A) .

Sadi Carnot demostró que la máxima eficiencia posible que puede lograr una máquina térmica ideal viene dada por la siguiente fórmula:

$$ηmáx=1-(T2\sobre T1)$$

La fórmula de Carnot le permite calcular la máxima eficiencia posible de un motor térmico. Cuanto mayor sea la diferencia entre las temperaturas del calentador y el refrigerador, mayor será la eficiencia.

¿Cuál es la eficiencia real de los diferentes tipos de motores?

De los ejemplos anteriores se puede ver que los valores de eficiencia más altos (40-50%) son motores de combustión interna (en la versión diesel) y motores a reacción de combustible líquido.

Arroz. 3. Eficacia de los motores térmicos reales:.

¿Qué hemos aprendido?

Entonces, aprendimos qué es la eficiencia del motor. La eficiencia de cualquier motor térmico es siempre inferior al 100 por ciento. Cuanto mayor sea la diferencia de temperatura entre el calentador T 1 y el refrigerador T 2 , mayor será la eficiencia.

Cuestionario de tema

Informe de Evaluación

Puntuación media: 4.2. Calificaciones totales recibidas: 293.

Y fórmulas útiles.

Problemas de física sobre la eficiencia de una máquina térmica

La tarea de calcular la eficiencia de un motor térmico No. 1

Condición

Se calienta agua que pesa 175 g en una lámpara de alcohol. Mientras el agua se calienta de t1=15 a t2=75 grados centígrados, el peso de la lámpara de alcohol ha disminuido de 163 a 157 g Calcular la eficiencia de la instalación.

Solución

El factor de eficiencia se puede calcular como la relación entre el trabajo útil y la cantidad total de calor liberado por la lámpara de alcohol:

El trabajo útil en este caso es el equivalente a la cantidad de calor que se dedicó exclusivamente a calentar. Se puede calcular mediante la conocida fórmula:

Calculamos la cantidad total de calor, conociendo la masa del alcohol quemado y su calor específico de combustión.

Sustituye los valores y calcula:

Respuesta: 27%

La tarea de calcular la eficiencia de un motor térmico No. 2

Condición

El viejo motor hacía 220,8 MJ de trabajo y consumía 16 kilogramos de gasolina. Calcular la eficiencia del motor.

Solución

Encuentre la cantidad total de calor producido por el motor:

O, multiplicando por 100, obtenemos el valor de eficiencia en porcentaje:

Respuesta: 30%.

La tarea de calcular la eficiencia de un motor térmico No. 3

Condición

El motor térmico opera según el ciclo de Carnot, con el 80% del calor recibido del calentador transferido al refrigerador. En un ciclo, el fluido de trabajo recibe 6,3 J de calor del calentador. Encuentre la eficiencia del trabajo y del ciclo.

Solución

Eficiencia de una máquina térmica ideal:

Por condición:

Calculamos primero el trabajo, y luego la eficiencia:

Respuesta: 20%; 1,26 J

La tarea de calcular la eficiencia de un motor térmico No. 4

Condición

El diagrama muestra un ciclo. motor diesel, que consta de adiabáticas 1–2 y 3–4, isobaras 2–3 e isocoras 4–1. Las temperaturas del gas en los puntos 1, 2, 3, 4 son iguales a T1, T2, T3, T4 respectivamente. Encuentre la eficiencia del ciclo.

Solución

Analicemos el ciclo, y la eficiencia se calculará a través de la cantidad de calor suministrado y eliminado. En adiabáticas, ni se suministra ni se extrae calor. En la isobara 2 - 3, se suministra calor, aumenta el volumen y, en consecuencia, aumenta la temperatura. En la isocora 4 - 1, se elimina el calor y disminuyen la presión y la temperatura.

Similarmente:

Obtenemos el resultado:

Respuesta: Véase más arriba.

La tarea de calcular la eficiencia de un motor térmico No. 5

Condición

Una máquina térmica que opera según el ciclo de Carnot realiza un trabajo A = 2,94 kJ en un ciclo y transfiere la cantidad de calor Q2 = 13,4 kJ al enfriador en un ciclo. Encuentre la eficiencia del ciclo.

Solución

Escribamos la fórmula de la eficiencia:

Respuesta: 18%

Preguntas sobre motores térmicos

Pregunta 1.¿Qué es un motor térmico?

Respuesta. Una máquina térmica es una máquina que realiza un trabajo debido a la energía que se le suministra en el proceso de transferencia de calor. Las partes principales de un motor térmico: calentador, enfriador y fluido de trabajo.

Pregunta 2. Dé ejemplos de máquinas térmicas.

Respuesta. Las primeras máquinas térmicas que se usaron ampliamente fueron máquinas de vapor. Ejemplos de un motor térmico moderno son:

• motor de cohete;
• motor de avión;
• turbina de gas.

Pregunta 3.¿Puede la eficiencia del motor ser igual a la unidad?

Respuesta. No. La eficiencia es siempre inferior a uno (o inferior al 100%). La existencia de un motor con una eficiencia igual a uno contradice la primera ley de la termodinámica.

La eficiencia de los motores reales rara vez supera el 30%.

Pregunta 4.¿Qué es la eficiencia?

Respuesta. Eficiencia (coeficiente de rendimiento): la relación entre el trabajo que realiza el motor y la cantidad de calor recibido del calentador.

Pregunta 5.¿Cuál es el calor específico de combustión del combustible?

Respuesta. Calor específico de combustión q- una cantidad física que muestra cuánto calor se libera durante la combustión de un combustible que pesa 1 kg. Al resolver problemas, la eficiencia se puede determinar por la potencia del motor N y la cantidad de combustible quemado por unidad de tiempo.

Problemas y preguntas sobre el ciclo de Carnot

Tocando el tema de los motores térmicos, es imposible dejar de lado el ciclo de Carnot, quizás el ciclo más famoso del motor térmico en la física. Aquí hay algunos problemas y preguntas adicionales sobre el ciclo de Carnot con una solución.

Un ciclo (o proceso) de Carnot es un ciclo circular ideal que consta de dos adiabáticas y dos isotermas. Lleva el nombre del ingeniero francés Sadi Carnot, quien describió este ciclo en su obra científica “Sobre la fuerza motriz del fuego y sobre las máquinas capaces de desarrollar esta fuerza” (1894).

Problema #1 del ciclo de Carnot

Condición

Una máquina térmica ideal que opera según el ciclo de Carnot realiza un trabajo A \u003d 73.5 kJ en un ciclo. Temperatura del calentador t1 = 100 °C, temperatura del refrigerador t2 = 0 °C. Encuentre la eficiencia del ciclo, la cantidad de calor que recibe la máquina en un ciclo del calentador y la cantidad de calor que se le da en un ciclo al refrigerador.

Solución

Calcular la eficiencia del ciclo:

Por otro lado, para encontrar la cantidad de calor que recibe la máquina, usamos la relación:

La cantidad de calor entregada al refrigerador será igual a la diferencia entre la cantidad total de calor y el trabajo útil:

Respuesta: 0,36; 204,1 kJ; 130,6 kJ.

Problema para el ciclo de Carnot №2

Condición

Una máquina térmica ideal que opera según el ciclo de Carnot realiza un trabajo A = 2,94 kJ en un ciclo y entrega la cantidad de calor Q2 = 13,4 kJ al refrigerador en un ciclo. Encuentre la eficiencia del ciclo.

Solución

La fórmula para la eficiencia del ciclo de Carnot:

Aquí A es el trabajo realizado y Q1 es la cantidad de calor necesaria para hacerlo. La cantidad de calor que coche perfecto da al refrigerador, es igual a la diferencia de estos dos valores. Sabiendo esto, encontramos:

Respuesta: 17%.

Problema para el ciclo de Carnot №3

Condición

Dibujar un ciclo de Carnot en un diagrama y describirlo

Solución

El ciclo de Carnot en un diagrama PV se ve así:

• 1-2. Expansión isotérmica, el fluido de trabajo recibe del calentador la cantidad de calor q1;
• 2-3. Expansión adiabática, sin aporte de calor;
• 3-4. Compresión isotérmica, durante la cual se transfiere calor al refrigerador;
• 4-1. compresión adiabática.

Respuesta: véase más arriba.

Pregunta sobre el ciclo de Carnot número 1

Formule el primer teorema de Carnot

Respuesta. El primer teorema de Carnot establece: La eficiencia de una máquina térmica que opera según el ciclo de Carnot depende únicamente de las temperaturas del calentador y del refrigerador, pero no depende del diseño de la máquina, o del tipo o propiedades de su fluido de trabajo. .

Pregunta sobre el ciclo de Carnot №2

¿Puede la eficiencia en el ciclo de Carnot ser del 100%?

Respuesta. No. La eficiencia del ciclo de Carnot será igual al 100% solo si la temperatura del refrigerador es igual al cero absoluto, y esto es imposible.

Si tiene alguna pregunta sobre los motores térmicos y el ciclo de Carnot, no dude en hacerla en los comentarios. Y si necesita ayuda para resolver problemas u otros ejemplos y tareas, comuníquese con

En el modelo teórico de una máquina térmica se consideran tres cuerpos: calentador, cuerpo de trabajo Y refrigerador.

Calentador: un depósito térmico (cuerpo grande), cuya temperatura es constante.

En cada ciclo de funcionamiento del motor, el fluido de trabajo recibe una cierta cantidad de calor del calentador, se expande y realiza un trabajo mecánico. La transferencia de parte de la energía recibida del calentador al refrigerador es necesaria para devolver el fluido de trabajo a su estado original.

Dado que el modelo asume que la temperatura del calentador y del refrigerador no cambia durante el funcionamiento del motor térmico, entonces al final del ciclo: calentamiento-expansión-enfriamiento-compresión del fluido de trabajo, se considera que la máquina regresa a su estado original.

Para cada ciclo, con base en la primera ley de la termodinámica, podemos escribir que la cantidad de calor q carga recibida del calentador, cantidad de calor | q fresco |, dado al refrigerador, y el trabajo realizado por el cuerpo de trabajo A están relacionados entre sí por:

A = q carga – | q frio|.

En realidad dispositivos tecnicos, que se denominan motores térmicos, el fluido de trabajo se calienta por el calor liberado durante la combustión del combustible. Entonces, en una turbina de vapor de una central eléctrica, el calentador es un horno con carbón caliente. En un motor de combustión interna (ICE), los productos de combustión pueden considerarse un calentador y el exceso de aire puede considerarse un fluido de trabajo. Como refrigerador, utilizan el aire de la atmósfera o agua de fuentes naturales.

Eficiencia de un motor térmico (máquina)

Eficiencia del motor térmico (eficiencia) es la relación entre el trabajo realizado por el motor y la cantidad de calor recibido del calentador:

La eficiencia de cualquier motor térmico es menor que uno y se expresa como un porcentaje. La imposibilidad de convertir la cantidad total de calor recibido del calentador en trabajo mecánico es el precio a pagar por la necesidad de organizar un proceso cíclico y se deriva de la segunda ley de la termodinámica.

En los motores térmicos reales, la eficiencia está determinada por la potencia mecánica experimental norte motor y la cantidad de combustible quemado por unidad de tiempo. Entonces, si con el tiempo t combustible masivo quemado metro y calor especifico de combustion q, Eso

Para Vehículo la característica de referencia es a menudo el volumen V combustible quemado en el camino s a la potencia mecánica del motor norte y a la velocidad. En este caso, teniendo en cuenta la densidad r del combustible, podemos escribir una fórmula para calcular la eficiencia:

Segunda ley de la termodinámica

Hay varias formulaciones segunda ley de la termodinámica. Uno de ellos dice que es imposible un motor térmico, que haría trabajo solo debido a una fuente de calor, es decir. sin nevera. El océano mundial podría servirle como fuente de energía interna prácticamente inagotable (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901).

Otras formulaciones de la segunda ley de la termodinámica son equivalentes a esta.

formulación de Clausius(1850): es imposible un proceso en el que el calor se transfiera espontáneamente de cuerpos menos calientes a cuerpos más calientes.

formulación de Thomson(1851): es imposible un proceso circular, cuyo único resultado sería la producción de trabajo al reducir la energía interna del depósito térmico.

formulación de Clausius(1865): todos los procesos espontáneos en un sistema cerrado de no equilibrio ocurren en una dirección en la que aumenta la entropía del sistema; en un estado de equilibrio térmico, es máxima y constante.

formulación de Boltzmann(1877): un sistema cerrado de muchas partículas pasa espontáneamente de un estado más ordenado a uno menos ordenado. La salida espontánea del sistema de la posición de equilibrio es imposible. Boltzmann introdujo una medida cuantitativa del desorden en un sistema formado por muchos cuerpos: entropía.

Eficiencia de una máquina térmica con un gas ideal como fluido de trabajo

Si se da el modelo del fluido de trabajo en un motor térmico (por ejemplo, un gas ideal), entonces es posible calcular el cambio en los parámetros termodinámicos del fluido de trabajo durante la expansión y contracción. Esto le permite calcular la eficiencia de un motor térmico en función de las leyes de la termodinámica.

La figura muestra los ciclos para los que se puede calcular la eficiencia si el fluido de trabajo es un gas ideal y los parámetros se establecen en los puntos de transición de un proceso termodinámico a otro.

Ciclo de Carnot. Eficiencia de una máquina térmica ideal

La mayor eficiencia a las temperaturas del calentador dadas T calefacción y nevera T frío tiene un motor térmico donde el fluido de trabajo se expande y se contrae a lo largo ciclo de carnot(Fig. 2), cuya gráfica consta de dos isotermas (2–3 y 4–1) y dos adiabáticas (3–4 y 1–2).

teorema de carnot demuestra que la eficiencia de un motor de este tipo no depende del fluido de trabajo utilizado, por lo que se puede calcular utilizando las relaciones termodinámicas para un gas ideal:

Consecuencias ambientales de los motores térmicos

El uso intensivo de motores térmicos en el transporte y la energía (centrales térmicas y nucleares) afecta significativamente a la biosfera terrestre. Aunque existen disputas científicas sobre los mecanismos de la influencia de la actividad humana en el clima de la Tierra, muchos científicos señalan los factores por los cuales tal influencia puede ocurrir:

1. El efecto invernadero es un aumento de la concentración de dióxido de carbono (producto de la combustión en los calentadores de las máquinas térmicas) en la atmósfera. El dióxido de carbono transmite la radiación visible y ultravioleta del Sol, pero absorbe la radiación infrarroja de la Tierra. Esto conduce a un aumento de la temperatura de las capas inferiores de la atmósfera, un aumento de los vientos huracanados y el derretimiento global del hielo.
2. Influencia directa de veneno gases de escape sobre la vida silvestre (carcinógenos, smog, lluvia ácida de subproductos de la combustión).
3. Destrucción de la capa de ozono durante vuelos de aviones y lanzamientos de cohetes. El ozono de la atmósfera superior protege toda la vida en la Tierra del exceso de radiación ultravioleta del Sol.

La salida de la crisis ecológica emergente radica en aumentar la eficiencia de los motores térmicos (la eficiencia de los motores térmicos modernos rara vez supera el 30%); uso de motores reparables y neutralizadores de gases de escape nocivos; uso de fuentes de energía alternativas (baterías y calentadores solares) y medios de transporte alternativos (bicicletas, etc.).