eficiencia de los motores térmicos. Eficiencia térmica del motor - fórmula. El principio de funcionamiento de los motores térmicos. Coeficiente de rendimiento (COP) de los motores térmicos Qué valores puede tomar la eficiencia de un motor térmico
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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 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 un motor térmico 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 se funde a una temperatura suficientemente alta.
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.
>>Física: El principio de funcionamiento de los motores térmicos. Coeficiente de rendimiento (COP) de los motores térmicos
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, 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. Los motores térmicos son dispositivos que convierten la energía interna del combustible en energía mecánica.
Principios 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 del fluido de trabajo (gas) en cientos o miles de grados en comparación con 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 T1. 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. Temperatura T1 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. T2, que suele ser ligeramente superior a la temperatura ambiente. ellos la llaman temperatura del refrigerador. El refrigerador es la atmósfera o dispositivos especiales para enfriar y condensar el vapor de escape - condensadores. En este último caso, la temperatura del frigorífico puede estar ligeramente por debajo de 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 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 13.11 se muestra un diagrama esquemático de una máquina térmica.
El cuerpo de trabajo del motor recibe del calentador durante la combustión del combustible la cantidad de calor. Q1 hace el trabajo A´ y transfiere la cantidad de calor al refrigerador Q2 .
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.
De acuerdo con la ley de conservación de la energía, el trabajo realizado por el motor es:
Dónde Q1 es la cantidad de calor recibido del calentador, y Q2- la cantidad de calor que se le da al refrigerador.
Coeficiente de rendimiento (COP) de un motor térmico llamada relación de trabajo A realizado por el motor a la cantidad de calor recibido del calentador:
Dado que en todos los motores se transfiere cierta cantidad de calor al refrigerador, entonces η<1.
La eficiencia de un motor térmico es proporcional a la diferencia de temperatura entre el calentador y el enfriador. En T1-T2=0 el motor no puede funcionar.
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 T1, y un refrigerador con una temperatura T2. Esto lo hizo por primera vez el ingeniero y científico francés Sadi Carnot (1796-1832) 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. Primero, un recipiente con gas se pone en contacto con un calentador, el gas se expande isotérmicamente, realizando un trabajo positivo, a una temperatura T1, mientras recibe la cantidad de calor Q1.
Luego, el recipiente está aislado térmicamente, el gas continúa expandiéndose ya adiabáticamente, mientras que su temperatura disminuye a la temperatura del refrigerador. T2. Después de eso, el gas se pone en contacto con el refrigerador, bajo compresión isotérmica, le da al refrigerador la cantidad de calor Q2, reduciendo al volumen V 4
Carnot obtuvo la siguiente expresión para la eficiencia de esta máquina:
Como era de esperar, la eficiencia de la máquina de Carnot es directamente proporcional a la diferencia entre las temperaturas absolutas del calentador y del enfriador.
El significado principal de esta fórmula es que cualquier motor térmico real que funcione con un calentador que tenga una temperatura T1, y heladera con temperatura T2, no puede tener una eficiencia que supere la eficiencia de una máquina térmica ideal.
La fórmula (13.19) da el límite teórico para el valor máximo de la eficiencia de los motores térmicos. Muestra que la máquina térmica es más eficiente cuanto mayor es la temperatura del calentador y menor la temperatura del refrigerador. Sólo cuando la temperatura del frigorífico es igual al cero absoluto, η
=1.
Pero la temperatura del frigorífico prácticamente no puede ser inferior a la temperatura ambiente. Puede aumentar la temperatura del calentador. Sin embargo, cualquier material (sólido) tiene una resistencia al calor limitada o resistencia al calor. Cuando se calienta, pierde gradualmente sus propiedades elásticas y se funde a una temperatura suficientemente alta.
Ahora los principales esfuerzos de los ingenieros están dirigidos a aumentar la eficiencia de los motores mediante la reducción de la fricción de sus partes, las pérdidas de combustible debido a su combustión incompleta, etc. Las oportunidades reales para aumentar la eficiencia aún son grandes aquí. Entonces, para una turbina de vapor, las temperaturas inicial y final del vapor son aproximadamente las siguientes: T1≈800 K y T2≈300 K. A estas temperaturas, el valor máximo de la eficiencia es:
Aumentar la eficiencia de los motores térmicos y acercarla al máximo posible es el reto técnico más importante.
Los motores térmicos funcionan debido a la diferencia de presión del gas en las superficies de los pistones o las palas de la turbina. Esta diferencia de presión es generada por la diferencia de temperatura. La máxima eficiencia posible es proporcional a esta diferencia de temperatura e inversamente proporcional a la temperatura absoluta del calentador.
Una máquina térmica no puede funcionar sin un refrigerador, cuyo papel suele desempeñar la atmósfera.
???
1. ¿Qué dispositivo se llama máquina térmica?
2. ¿Cuál es el papel del calentador, el enfriador y el fluido de trabajo en un motor térmico?
3. ¿Cómo se llama la eficiencia del motor?
4. ¿Cuál es el valor máximo de la eficiencia de una máquina térmica?
G.Ya.Myakishev, B.B.Bukhovtsev, N.N.Sotsky, Física Grado 10
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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 las 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 prototipo de máquina térmica se refiere a una turbina de vapor, que fue inventada en la antigua Roma (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 работы идет только часть теплоты 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 frigorífico 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 el 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.
El significado principal de la fórmula (5.12.2) obtenida por Carnot para la eficiencia de una máquina ideal es que determina la máxima eficiencia posible de cualquier máquina térmica.
Carnot demostró, basándose en la segunda ley de la termodinámica*, el siguiente teorema: cualquier motor térmico real que funcione con un calentador de temperaturaT 1 y la temperatura del refrigeradorT 2 , no puede tener una eficiencia superior a la eficiencia de una máquina térmica ideal.
* Carnot en realidad estableció la segunda ley de la termodinámica antes que Clausius y Kelvin, cuando la primera ley de la termodinámica aún no había sido formulada con rigor.
Considere primero una máquina térmica que opera en un ciclo reversible con un gas real. El ciclo puede ser cualquiera, solo es importante que las temperaturas del calentador y refrigerador sean T 1 Y T 2 .
Supongamos que la eficiencia de otra máquina térmica (que no opera según el ciclo de Carnot) η ’ > η . Las máquinas funcionan con un calentador común y un enfriador común. Deje que la máquina de Carnot trabaje en el ciclo inverso (como una máquina de refrigeración) y la otra máquina en el ciclo directo (Fig. 5.18). La máquina térmica realiza un trabajo igual, según las fórmulas (5.12.3) y (5.12.5):
La máquina de refrigeración siempre se puede diseñar para que tome la cantidad de calor del refrigerador q 2
= |
|
Entonces, de acuerdo con la fórmula (5.12.7), se trabajará sobre él
(5.12.12)
Ya que por condición η" > η , Eso A" > A. Por lo tanto, la máquina térmica puede accionar la máquina de refrigeración y seguirá habiendo un exceso de trabajo. Este exceso de trabajo se realiza a expensas del calor tomado de una fuente. Después de todo, el calor no se transfiere al refrigerador bajo la acción de dos máquinas a la vez. Pero esto contradice la segunda ley de la termodinámica.
Si suponemos que η > η ", entonces puedes hacer que otra máquina funcione en un ciclo inverso, y la máquina de Carnot en línea recta. Nuevamente llegamos a una contradicción con la segunda ley de la termodinámica. Por lo tanto, dos máquinas que funcionan en ciclos reversibles tienen la misma eficiencia: η " = η .
Es un asunto diferente si la segunda máquina opera en un ciclo irreversible. Si permitimos η "
>
η ,
entonces nuevamente llegamos a una contradicción con la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, la suposición m|"< г| не противоречит второму закону
термодинамики, так как необратимая
тепловая машина не может работать как
холодильная машина. Следовательно, КПД
любой тепловой машины η"
≤ η, o 
Este es el resultado principal:
(5.12.13)
Eficiencia de los motores térmicos reales
La fórmula (5.12.13) da el límite teórico para la máxima eficiencia de los motores térmicos. Muestra que la máquina térmica es más eficiente cuanto mayor es la temperatura del calentador y menor la temperatura del refrigerador. Solo cuando la temperatura del refrigerador es igual al cero absoluto, η = 1.
Pero la temperatura del frigorífico prácticamente no puede ser mucho más baja que la temperatura ambiente. Puede aumentar la temperatura del calentador. Sin embargo, cualquier material (sólido) tiene una resistencia al calor limitada o resistencia al calor. Cuando se calienta, pierde gradualmente sus propiedades elásticas y se funde a una temperatura suficientemente alta.
Ahora los principales esfuerzos de los ingenieros están dirigidos a aumentar la eficiencia de los motores mediante la reducción de la fricción de sus partes, las pérdidas de combustible debido a su combustión incompleta, etc. Las oportunidades reales para aumentar la eficiencia aún son grandes aquí. Entonces, para una turbina de vapor, las temperaturas inicial y final del vapor son aproximadamente las siguientes: T 1 = 800K y T 2 = 300 K. A estas temperaturas, el valor máximo de la eficiencia es:
El valor real de la eficiencia debido a varios tipos de pérdidas de energía es de aproximadamente 40%. La máxima eficiencia - alrededor del 44% - tienen motores de combustión interna.
La eficiencia de cualquier motor térmico no puede exceder el valor máximo posible 
,
donde T 1
-
temperatura absoluta del calentador, y T 2
-
temperatura absoluta del refrigerador.
Aumentar la eficiencia de los motores térmicos y acercarla al máximo posible- el reto técnico más importante.
Históricamente, el surgimiento de la termodinámica como ciencia estuvo asociado con la tarea práctica de crear un motor térmico eficiente (heat engine).
motor térmico
Un motor térmico es un dispositivo que realiza un trabajo debido al calor suministrado al motor. Esta maquina es periódico.
El motor térmico incluye los siguientes elementos obligatorios:
- fluido de trabajo (generalmente gas o vapor);
- calentador;
- refrigerador.
Figura 1. El ciclo de funcionamiento de una máquina térmica. Author24 - intercambio en línea de trabajos de estudiantes
En la Fig. 1, representamos el ciclo según el cual puede funcionar una máquina térmica. En este ciclo:
- el gas se expande del volumen $V_1$ al volumen $V_2$;
- el gas se comprime del volumen $V_2$ al volumen $V_1$.
Para que un gas realice un trabajo superior a cero, la presión (y, por lo tanto, la temperatura) debe ser mayor durante la expansión que durante la compresión. Para este propósito, el gas recibe calor en el proceso de expansión y, durante la compresión, se le quita calor al fluido de trabajo. De ello, concluirá que, además del fluido de trabajo, en la máquina térmica deben estar presentes dos cuerpos externos más:
- un calentador que emite calor al fluido de trabajo;
- refrigerador, un cuerpo que toma calor del fluido de trabajo durante la compresión.
Una vez que se completa el ciclo, el cuerpo de trabajo y todos los mecanismos de la máquina vuelven a su estado anterior. Esto significa que el cambio en la energía interna del fluido de trabajo es cero.
La figura 1 indica que durante el proceso de expansión, el fluido de trabajo recibe una cantidad de calor igual a $Q_1$. En el proceso de compresión, el fluido de trabajo le da al enfriador una cantidad de calor igual a $Q_2$. Por tanto, en un ciclo, la cantidad de calor recibida por el fluido de trabajo es:
$\Delta Q=Q_1-Q_2 (1).$
De la primera ley de la termodinámica, dado que en un ciclo cerrado $\Delta U=0$, el trabajo realizado por el cuerpo de trabajo es:
$A=Q_1-Q_2 (2).$
Para organizar ciclos repetidos de una máquina térmica, es necesario que ceda parte de su calor al frigorífico. Este requisito está de acuerdo con la segunda ley de la termodinámica:
Es imposible crear una máquina de movimiento perpetuo que periódicamente transforme por completo el calor recibido de una determinada fuente en trabajo.
Entonces, incluso para una máquina térmica ideal, la cantidad de calor transferido al refrigerador no puede ser igual a cero, hay un límite inferior de $Q_2$.
eficiencia del motor térmico
Está claro que se debe evaluar la eficiencia con la que funciona un motor térmico, teniendo en cuenta la conversión completa del calor recibido del calentador en el trabajo del fluido de trabajo.
El parámetro que muestra la eficiencia de un motor térmico es el coeficiente de rendimiento (COP).
Definición 1
La eficiencia de una máquina térmica es la relación entre el trabajo realizado por el fluido de trabajo ($A$) y la cantidad de calor que este cuerpo recibe del calentador ($Q_1$):
$\eta=\frac(A)(Q_1)(3).$
Teniendo en cuenta la expresión (2) la eficiencia de la máquina térmica, encontramos como:
$\eta=\frac(Q_1-Q_2)(Q_1)(4).$
La relación (4) muestra que la eficiencia no puede ser mayor que uno.
Eficiencia del enfriador
Invirtamos el ciclo que se muestra en la Fig. 1.
Observación 1
Invertir un bucle significa cambiar la dirección del bucle.
Como resultado de la inversión de ciclo, obtenemos el ciclo de la máquina frigorífica. Esta máquina recibe calor $Q_2$ de un cuerpo con baja temperatura y lo transfiere a un calentador que tiene más alta temperatura la cantidad de calor $Q_1$ y $Q_1>Q_2$. El trabajo realizado sobre el cuerpo de trabajo es $A'$ por ciclo.
La eficiencia de nuestro refrigerador está determinada por un coeficiente, que se calcula como:
$\tau =\frac(Q_2)(A")=\frac(Q_2)(Q_1-Q_2)\left (5\right).$
Eficiencia de motores térmicos reversibles e irreversibles
La eficiencia de una máquina térmica irreversible siempre es menor que la eficiencia de una máquina reversible cuando las máquinas funcionan con el mismo calentador y enfriador.
Considere una máquina térmica que consta de:
- un recipiente cilíndrico que está cerrado por un pistón;
- gas debajo del pistón;
- calentador;
- refrigerador.
- El gas recibe algo de calor $Q_1$ del calentador.
- El gas se expande y empuja el pistón, realizando el trabajo $A_+0$.
- El gas se comprime, el calor $Q_2$ se transfiere al refrigerador.
- Se realiza trabajo sobre el cuerpo de trabajo $A_-
El trabajo realizado por el cuerpo de trabajo por ciclo es igual a:
Para cumplir la condición de reversibilidad de los procesos, estos deben realizarse muy lentamente. Además, es necesario que no exista fricción del pistón contra las paredes del recipiente.
Denotemos el trabajo realizado en un ciclo por una máquina térmica reversible como $A_(+0)$.
Ejecutemos el mismo ciclo con alta velocidad y en presencia de fricción. Si la expansión del gas se realiza rápidamente, su presión cerca del pistón será menor que si el gas se expande lentamente, ya que la rarefacción que se produce debajo del pistón se extiende a todo el volumen a una velocidad finita. En este sentido, el trabajo del gas en un aumento de volumen irreversible es menor que en uno reversible:
Si comprime el gas rápidamente, la presión cerca del pistón es mayor que cuando lo comprime lentamente. Esto significa que el valor del trabajo negativo del fluido de trabajo en compresión irreversible es mayor que en reversible:
Obtenemos que el trabajo de los gases en el ciclo $A$ de una máquina irreversible, calculado por la fórmula (5), realizado por el calor recibido del calentador, será menor que el trabajo realizado en el ciclo por una máquina térmica reversible:
El rozamiento presente en un motor térmico irreversible provoca la transferencia de parte del trabajo realizado por el gas en calor, lo que reduce la eficiencia del motor.
Entonces, podemos concluir que la eficiencia de un motor térmico de una máquina reversible es mayor que la de una irreversible.
Observación 2
El cuerpo con el que el fluido de trabajo intercambia calor se denominará depósito de calor.
Una máquina térmica reversible completa un ciclo en el que hay secciones donde el fluido de trabajo intercambia calor con un calentador y un refrigerador. El proceso de intercambio de calor es reversible solo si, al recibir calor y devolverlo durante la carrera de retorno, el fluido de trabajo tiene la misma temperatura, igual a la temperatura del depósito térmico. Más precisamente, la temperatura del cuerpo que recibe calor debe ser una cantidad muy pequeña menor que la temperatura del depósito.
Tal proceso puede ser un proceso isotérmico que ocurre a la temperatura del yacimiento.
Para que un motor térmico funcione, debe tener dos depósitos de calor (un calentador y un enfriador).
El ciclo reversible, que se realiza en la máquina térmica por el fluido de trabajo, debe estar compuesto por dos isotermas (a las temperaturas de los depósitos térmicos) y dos adiabáticas.
Los procesos adiabáticos ocurren sin intercambio de calor. En los procesos adiabáticos, el gas (fluido de trabajo) se expande y se contrae.
Reparar¡Sí Sí! ¡Puedes reír, sonreír, hacer diferentes bromas! Realmente tuve el placer de ir a un pueblo con un nombre tan poco romántico: Tazovsky. Entonces, ¿qué? Bueno, fui y fui. Probablemente también vayas a algún
Presentamos a su atención una biografía real de una bruja de Estonia, ya conocida por muchos de la batalla de los psíquicos, Marilyn Kerro. A pesar de que Internet está repleto de varios tipos de información similar, donde el objetivo principal es el beneficio,
La vara de oro (lat. solidago) es una flor de la infancia. Un buen día, aparece en tu jardín como un huésped no invitado y modestamente comienza su vida en algún rincón abandonado. Pasa muy poco tiempo, y sus soleadas panículas amarillas florecen
