Radni fluid, primajući određenu količinu toplote Q 1 od grejača, daje deo te količine toplote, jednak modulu |Q2|, frižideru. Dakle, obavljeni posao ne može biti veći A = Q 1- |Q 2 |. Omjer ovog rada i količine topline koju primi ekspandirajući plin iz grijača naziva se efikasnost toplotni motor:

Efikasnost toplotnog motora koji radi u zatvorenom ciklusu uvijek je manja od jedan. Zadatak termoenergetike je da efikasnost bude što veća, odnosno da se što više toplote dobijene od grijača iskoristi za proizvodnju rada. Kako se to može postići?
Po prvi put, najsavršeniji ciklični proces, koji se sastoji od izoterme i adijabata, predložio je francuski fizičar i inženjer S. Carnot 1824. godine.

Carnot ciklus.

Pretpostavimo da se plin nalazi u cilindru, čiji su zidovi i klip napravljeni od toplinski izolacijskog materijala, a dno je od materijala visoke toplinske provodljivosti. Zapremina koju zauzima gas je jednaka V 1.

Slika 2

Dovedemo cilindar u kontakt sa grijačem (slika 2) i damo plinu priliku da se izotermno širi i radi . Plin prima određenu količinu topline od grijača P 1. Ovaj proces je grafički predstavljen izotermom (krivulja AB).

Slika 3

Kada zapremina gasa postane jednaka određenoj vrednosti V 1'< V 2 , dno cilindra je izolirano od grijača , Nakon toga, plin se adijabatski širi do zapremine V 2, koji odgovara maksimalnom mogućem hodu klipa u cilindru (adijabatski Ned). U tom slučaju, plin se hladi na temperaturu T 2< T 1 .
Ohlađeni plin se sada može izotermno komprimirati na temperaturi T2. Da bi se to postiglo, mora se dovesti u kontakt sa tijelom koje ima istu temperaturu T 2, odnosno sa frižiderom , i komprimirati gas vanjskom silom. Međutim, u ovom procesu plin se neće vratiti u prvobitno stanje - njegova temperatura će uvijek biti niža od T 1.
Stoga se izotermna kompresija dovodi do određenog srednjeg volumena V 2 '>V 1(izoterma CD). U tom slučaju, plin daje malo topline hladnjaku Q2, jednak radu kompresije koji se na njemu vrši. Nakon toga, plin se adijabatski komprimira do volumena V 1, u isto vrijeme njegova temperatura raste do T 1(adijabatski D.A.). Sada se plin vratio u prvobitno stanje, u kojem je njegova zapremina jednaka V 1, temperatura - T1, pritisak - p 1, i ciklus se može ponoviti.

Dakle, na sajtu ABC gas radi (A > 0), i na sajtu CDA rad na gasu (A< 0). Na sajtovima Ned I AD rad se obavlja samo promjenom unutrašnje energije plina. Od promene unutrašnje energije UBC = – UDA, tada je rad tokom adijabatskih procesa jednak: ABC = –ADA. Prema tome, ukupan rad po ciklusu određen je razlikom u radu obavljenom tokom izotermnih procesa (sekcije AB I CD). Numerički, ovaj rad je jednak površini figure ograničene krivuljom ciklusa A B C D.
Samo dio količine topline zapravo se pretvara u koristan rad QT, primljeno od grijača, jednako QT 1 – |QT 2 |. Dakle, u Carnotovom ciklusu, koristan posao A = QT 1– |QT 2 |.
Maksimalna efikasnost idealnog ciklusa, kao što je pokazao S. Carnot, može se izraziti u terminima temperature grijača (T 1) i frižider (T 2):

U stvarnim motorima nije moguće implementirati ciklus koji se sastoji od idealnih izotermnih i adijabatskih procesa. Stoga je efikasnost ciklusa koji se izvodi u stvarnim motorima uvijek manja od efikasnosti Carnot ciklusa (pri istim temperaturama grijača i hladnjaka):

Formula pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, to je veća efikasnost motora.

Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - talentovani francuski inženjer i fizičar, jedan od osnivača termodinamike. U svom djelu “Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i strojevima sposobnim da tu silu razviju” (1824.) prvi je pokazao da toplinski strojevi mogu obavljati rad samo u procesu prenosa topline s vrućeg tijela na hladno. Carnot je smislio idealnu toplotnu mašinu, izračunao efikasnost idealne mašine i dokazao da je ovaj koeficijent najveći mogući za svaki pravi toplotni motor.
Kao pomoć u svom istraživanju, Karno je 1824. izumeo (na papiru) idealan toplotni motor sa idealnim gasom kao radnim fluidom. Važna uloga Carnot motora nije samo u njegovoj mogućoj praktičnoj primjeni, već iu činjenici da nam omogućava da objasnimo principe rada toplotnih motora uopšte; Jednako je važno da je Carnot, uz pomoć svog motora, uspio dati značajan doprinos u utemeljenju i razumijevanju drugog zakona termodinamike. Svi procesi u Carnot mašini smatraju se ravnotežnim (reverzibilnim). Reverzibilni proces je proces koji se odvija toliko sporo da se može smatrati uzastopnim prijelazom iz jednog ravnotežnog stanja u drugo itd., a cijeli ovaj proces može se odvijati u suprotnom smjeru bez promjene obavljenog rada i količine prenesena toplota. (Imajte na umu da su svi stvarni procesi nepovratni) U mašini se odvija kružni proces ili ciklus u kojem se sistem, nakon niza transformacija, vraća u prvobitno stanje. Carnotov ciklus se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate. Krivulje A - B i C - D su izoterme, a B - C i D - A su adijabate. Prvo, plin se izotermno širi na temperaturi T 1 . Istovremeno, on prima količinu toplote Q 1 od grijača. Zatim se adijabatski širi i ne razmjenjuje toplinu sa okolnim tijelima. Nakon toga slijedi izotermna kompresija plina na temperaturi T 2 . U ovom procesu, gas prenosi količinu toplote Q2 u frižider. Konačno, plin se adijabatski komprimira i vraća u prvobitno stanje. Tokom izotermnog širenja, gas vrši rad A" 1 >0, jednak količini toplote Q 1. Sa adijabatskim širenjem B - C, pozitivan rad A" 3 jednak je smanjenju unutrašnje energije kada se gas ohladi od temperature T 1 do temperature T 2: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1) -U(T 2). Izotermna kompresija na temperaturi T 2 zahtijeva da se rad A 2 izvrši na plinu. Gas vrši odgovarajući negativan rad A" 2 = -A 2 = Q 2. Konačno, adijabatska kompresija zahtijeva rad obavljen na plinu A 4 = dU 2.1. Rad samog gasa A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1). Dakle, ukupan rad gasa tokom dva adijabatska procesa je nula. Tokom ciklusa, gas radi A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 |. Ovaj rad je numerički jednak površini figure ograničene krivuljom ciklusa. Za izračunavanje efikasnosti potrebno je izračunati rad za izotermne procese A - B i C - D. Proračuni dovode do sljedećeg rezultata: (2) Efikasnost Carnotovog toplotnog motora jednaka je omjeru razlike apsolutnih temperatura grijača i hladnjaka i apsolutne temperature grijača. Glavni značaj Carnotove formule (2) za efikasnost idealne mašine je da ona određuje maksimalnu moguću efikasnost bilo koje toplotne mašine. Carnot je dokazao sljedeću teoremu: bilo koja stvarna toplinska mašina koja radi s grijačem na temperaturi T 1 i hladnjakom na temperaturi T 2 ne može imati efikasnost koja premašuje efikasnost idealne toplinske mašine. Efikasnost stvarnih toplotnih motora Formula (2) daje teoretsku granicu za maksimalnu vrednost efikasnosti toplotnih motora. To pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, toplinski motor je efikasniji. Samo pri temperaturi frižidera jednakoj apsolutnoj nuli, efikasnost je jednaka 1. U stvarnim toplotnim mašinama, procesi se odvijaju tako brzo da smanjenje i povećanje unutrašnje energije radne supstance pri promeni njene zapremine nema vremena da se kompenzuje dotok energije iz grijača i oslobađanje energije u hladnjak. Stoga se izotermni procesi ne mogu realizovati. Isto vrijedi i za striktno adijabatske procese, budući da u prirodi ne postoje idealni toplinski izolatori. Ciklusi koji se izvode u pravim toplotnim mašinama sastoje se od dve izohore i dve adijabate (u Otto ciklusu), od dve adijabate, izobare i izohore (u ciklusu Dizel), od dve adijabate i dve izobare (u gasnoj turbini) itd. U ovom slučaju treba imati na umu da i ovi ciklusi mogu biti idealni, poput Carnotovog ciklusa. Ali za to je potrebno da temperature grijača i hladnjaka ne budu konstantne, kao u Carnotovom ciklusu, već se mijenjaju na isti način kao što se mijenja temperatura radne tvari u procesima izohornog zagrijavanja i hlađenja. Drugim riječima, radna tvar mora biti u kontaktu sa beskonačno velikim brojem grijača i hladnjaka - samo u tom slučaju će doći do ravnotežnog prijenosa topline na izohorama. Naravno, u ciklusima pravih toplotnih mašina procesi su neravnotežni, usled čega je efikasnost stvarnih toplotnih mašina pri istom temperaturnom opsegu znatno manja od efikasnosti Carnotovog ciklusa. Istovremeno, izraz (2) igra ogromnu ulogu u termodinamici i predstavlja svojevrsni „svetionik“ koji ukazuje na načine povećanja efikasnosti pravih toplotnih motora.
	U Otto ciklusu radna smjesa se prvo usisava u cilindar 1-2, zatim adijabatska kompresija 2-3 i nakon njenog izohornog sagorijevanja 3-4, praćeno povećanjem temperature i tlaka produkata izgaranja, njihovim adijabatskim širenjem 4-5 dolazi do izohornog pada pritiska 5 -2 i izobarnog izbacivanja izduvnih gasova klipom 2-1. Kako se na izohorama ne radi, a rad pri usisu radne smjese i izbacivanju izduvnih plinova jednak je i suprotnog predznaka, korisni rad za jedan ciklus jednak je razlici rada na adijabatima ekspanzije i kompresije i grafički je prikazano područjem ciklusa.
Upoređujući efikasnost pravog toplotnog motora sa efikasnošću Carnotovog ciklusa, treba napomenuti da se u izrazu (2) temperatura T 2 u izuzetnim slučajevima može poklapati sa temperaturom okoline koju uzimamo za frižider, ali u u opštem slučaju prelazi temperaturu okoline. Tako, na primjer, kod motora s unutrašnjim sagorijevanjem, T2 treba shvatiti kao temperaturu izduvnih plinova, a ne temperaturu okoline u koju se proizvodi izduvni gasovi.
	Na slici je prikazan ciklus četvorotaktnog motora sa unutrašnjim sagorevanjem sa izobaričnim sagorevanjem (Diesel ciklus). Za razliku od prethodnog ciklusa, u dijelu 1-2 se apsorbira. atmosferski zrak, koji je podvrgnut adijabatskoj kompresiji u dijelu 2-3 do 3 10 6 -3 10 5 Pa. Ubrizgano tečno gorivo se pali u okruženju jako komprimovanog, a samim tim i zagrejanog vazduha i izobarično gori 3-4, a zatim dolazi do adijabatskog širenja produkata sagorevanja 4-5. Preostali procesi 5-2 i 2-1 odvijaju se na isti način kao u prethodnom ciklusu. Treba imati na umu da su kod motora s unutrašnjim sagorijevanjem ciklusi uvjetno zatvoreni, jer se prije svakog ciklusa cilindar puni određenom masom radne tvari, koja se na kraju ciklusa izbacuje iz cilindra.
Ali temperatura frižidera praktički ne može biti mnogo niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, svaki materijal (čvrsto tijelo) ima ograničenu otpornost na toplinu ili otpornost na toplinu. Kada se zagrije, postepeno gubi svoja elastična svojstva, a na dovoljno visokoj temperaturi se topi. Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje efikasnosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog nepotpunog sagorijevanja itd. Stvarne mogućnosti za povećanje efikasnosti ovdje su i dalje velike. Dakle, za parnu turbinu, početna i krajnja temperatura pare su približno sljedeće: T 1 = 800 K i T 2 = 300 K. Na ovim temperaturama, maksimalna vrijednost faktora efikasnosti je: Stvarna vrijednost efikasnosti zbog različitih vrsta gubitaka energije je približno 40%. Maksimalnu efikasnost - oko 44% - postižu motori sa unutrašnjim sagorevanjem. Efikasnost bilo kojeg toplotnog motora ne može premašiti maksimalnu moguću vrijednost gdje je T 1 apsolutna temperatura grijača, a T 2 apsolutna temperatura hladnjaka. Povećanje efikasnosti toplotnih motora i njeno približavanje maksimalnom mogućem je najvažniji tehnički zadatak.

Clausiusova nejednakost

Količina isporučene topline kvazi-statički koje sistem prima ne zavisi od putanje tranzicije (određeno samo početnim i konačnim stanjem sistema) - za kvazistatički procesi Clausiusova nejednakost se pretvara u jednakost .

Entropija, funkcija stanja S termodinamički sistem, čija promena dS jer je infinitezimalna reverzibilna promjena stanja sistema jednaka omjeru količine topline koju sistem primi u ovom procesu (ili odnese sistemu) i apsolutnoj temperaturi T:

Magnituda dS je totalni diferencijal, tj. njegova integracija duž bilo kojeg proizvoljno odabranog puta daje razliku između vrijednosti entropija u početnom (A) i konačnom (B) stanju:

Toplina nije funkcija stanja, tako da integral δQ zavisi od odabranog prelaznog puta između stanja A i B. Entropija mjereno u J/(mol deg).

Koncept entropija kao funkcija stanja sistema se postulira drugi zakon termodinamike, što se izražava kroz entropija razlika između nepovratnih i reverzibilnih procesa. Za prvi dS>δQ/T za drugi dS=δQ/T.

Entropija kao funkcija unutrašnja energija U sistem, volumen V i broj molova n i i komponenta je karakteristična funkcija (vidi. Termodinamički potencijali). Ovo je posljedica prvog i drugog zakona termodinamike i zapisano je jednadžbom:

Gdje R - pritisak, μ i - hemijski potencijal i th komponenta. Derivati entropija prirodnim varijablama U, V I n i su jednaki:

Jednostavne formule povezuju entropija sa toplotnim kapacitetima pri konstantnom pritisku S p i konstantan volumen Životopis:

Korišćenjem entropija formulisani su uslovi za postizanje termodinamičke ravnoteže sistema pri konstantnoj unutrašnjoj energiji, zapremini i broju molova i komponenta (izolovani sistem) i uslov stabilnosti za takvu ravnotežu:

To znači da entropija izolovanog sistema dostiže maksimum u stanju termodinamičke ravnoteže. Spontani procesi u sistemu mogu se odvijati samo u pravcu povećanja entropija.

Entropija pripada grupi termodinamičkih funkcija koje se nazivaju Massier-Planckove funkcije. Ostale funkcije koje pripadaju ovoj grupi su Massierova funkcija F 1 = S - (1/T)U i Plankova funkcija F 2 = S - (1/T)U - (p/T)V, može se dobiti primjenom Legendreove transformacije na entropiju.

Prema trećem zakonu termodinamike (vidi. Termička teorema), promjena entropija u reverzibilnoj hemijskoj reakciji između supstanci u kondenzovanom stanju teži nuli pri T→0:

Plankov postulat (alternativna formulacija termičke teoreme) to kaže entropija bilo kojeg kemijskog spoja u kondenziranom stanju na temperaturi apsolutne nule uvjetno je nula i može se uzeti kao početna točka pri određivanju apsolutne vrijednosti entropija tvari na bilo kojoj temperaturi. Jednačine (1) i (2) definiraju entropija do konstantnog roka.

U hemijskom termodinamika Sljedeći koncepti se široko koriste: standard entropija S 0, tj. entropija pod pritiskom R=1,01·10 5 Pa (1 atm); standard entropija hemijska reakcija tj. standardna razlika entropije proizvodi i reagensi; parcijalni molar entropija komponenta višekomponentnog sistema.

Da biste izračunali hemijsku ravnotežu, koristite formulu:

Gdje TO - konstanta ravnoteže, i - standardno Gibbsova energija, entalpija i entropija reakcije; R- gasna konstanta.

Definicija pojma entropija jer se neravnotežni sistem zasniva na ideji lokalne termodinamičke ravnoteže. Lokalna ravnoteža podrazumeva ispunjenje jednačine (3) za male zapremine sistema koji je neravnotežan kao celina (vidi. Termodinamika ireverzibilnih procesa). Tokom ireverzibilnih procesa u sistemu može doći do proizvodnje (pojave). entropija. Puni diferencijal entropija je u ovom slučaju određena Carnot-Clausiusovom nejednakošću:

Gdje dS i > 0 - diferencijal entropija, nije vezano za protok topline, već zbog proizvodnje entropija zbog ireverzibilnih procesa u sistemu ( difuzija. toplotna provodljivost, hemijske reakcije itd.). Lokalna proizvodnja entropija (t- vrijeme) je predstavljen kao zbir proizvoda generaliziranih termodinamičkih sila X i na generalizovane termodinamičke tokove J i:

Proizvodnja entropija zbog, na primjer, difuzije komponente i zbog sile i protoka materije J; proizvodnja entropija zbog hemijske reakcije - silom X=A/T, Gdje A-hemijski afinitet i protok J, jednako brzini reakcije. U statističkoj termodinamici entropija izolovani sistem je određen relacijom: gdje k - Boltzmannova konstanta. - termodinamička težina stanja, jednaka broju mogućih kvantnih stanja sistema sa datim vrednostima energije, zapremine, broja čestica. Stanje ravnoteže sistema odgovara jednakosti populacija pojedinačnih (nedegenerisanih) kvantnih stanja. Povećanje entropija u ireverzibilnim procesima povezuje se sa uspostavljanjem vjerovatnije raspodjele date energije sistema među pojedinim podsistemima. Generalizirana statistička definicija entropija, što se odnosi i na neizolovane sisteme, povezuje entropija sa vjerovatnoćama različitih mikrostanja kako slijedi:

Gdje w i- vjerovatnoća i-th state.

Apsolutno entropija hemijski spoj se određuje eksperimentalno, uglavnom kalorimetrijskom metodom, na osnovu omjera:

Upotreba drugog principa nam omogućava da odredimo entropija hemijske reakcije na osnovu eksperimentalnih podataka (metoda elektromotornih sila, metoda parnog pritiska itd.). Moguća kalkulacija entropija hemijska jedinjenja koja koriste metode statističke termodinamike, zasnovane na molekularnim konstantama, molekularnoj težini, molekularnoj geometriji i normalnim frekvencijama vibracija. Ovaj pristup se uspješno provodi za idealne plinove. Za kondenzovane faze, statistički proračuni daju znatno manju tačnost i izvode se u ograničenom broju slučajeva; Poslednjih godina u ovoj oblasti je napravljen značajan napredak.

Povezane informacije.

Faktor efikasnosti (efikasnost) je pojam koji se može primijeniti na, možda, svaki sistem i uređaj. Čak i osoba ima faktor efikasnosti, iako vjerovatno još ne postoji objektivna formula za njegovo pronalaženje. U ovom članku ćemo detaljno objasniti šta je efikasnost i kako se može izračunati za različite sisteme.

Definicija efikasnosti

Efikasnost je indikator koji karakteriše efektivnost sistema u smislu proizvodnje ili konverzije energije. Efikasnost je nemjerljiva veličina i predstavlja se ili kao brojčana vrijednost u rasponu od 0 do 1, ili kao postotak.

Opća formula

Efikasnost je označena simbolom Ƞ.

Opća matematička formula za pronalaženje efikasnosti je napisana na sljedeći način:

Ƞ=A/Q, gde je A korisna energija/rad koji sistem obavlja, a Q je energija koju ovaj sistem troši da organizuje proces dobijanja korisnog izlaza.

Faktor efikasnosti je, nažalost, uvijek manji ili jednak jedinici, jer prema zakonu održanja energije ne možemo dobiti više rada od utrošene energije. Osim toga, efikasnost je, zapravo, izuzetno rijetko jednaka jedinici, jer je koristan rad uvijek praćen gubicima, na primjer, za zagrijavanje mehanizma.

Efikasnost toplotnog motora

Toplotni motor je uređaj koji pretvara toplotnu energiju u mehaničku energiju. U toplotnom stroju, rad je određen razlikom između količine topline primljene od grijača i količine topline koja se daje hladnjaku, pa se stoga efikasnost određuje formulom:

• Ƞ=Qn-Qh/Qn, gdje je Qn količina topline primljena od grijača, a Qh je količina topline predane hladnjaku.

Vjeruje se da najveću efikasnost pružaju motori koji rade na Carnot ciklusu. U ovom slučaju, efikasnost se određuje formulom:

• Ƞ=T1-T2/T1, gdje je T1 temperatura vrelog izvora, T2 je temperatura hladnog izvora.

Efikasnost elektromotora

Elektromotor je uređaj koji pretvara električnu energiju u mehaničku energiju, pa je efikasnost u ovom slučaju odnos efikasnosti uređaja u pretvaranju električne energije u mehaničku energiju. Formula za pronalaženje efikasnosti elektromotora izgleda ovako:

• Ƞ=P2/P1, gdje je P1 isporučena električna snaga, P2 je korisna mehanička snaga koju proizvodi motor.

Električna snaga se nalazi kao proizvod struje i napona sistema (P=UI), a mehanička snaga kao omjer rada u jedinici vremena (P=A/t)

Efikasnost transformatora

Transformator je uređaj koji pretvara naizmjeničnu struju jednog napona u naizmjeničnu struju drugog napona uz održavanje frekvencije. Osim toga, transformatori također mogu pretvoriti naizmjeničnu struju u jednosmjernu.

Efikasnost transformatora se nalazi po formuli:

• Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), gdje je P0 gubitak u praznom hodu, PL je gubitak opterećenja, P2 je aktivna snaga dovedena do opterećenja, n je relativni stepen opterećenja.

Efikasnost ili ne efikasnost?

Vrijedi napomenuti da pored efikasnosti postoji niz pokazatelja koji karakteriziraju efikasnost energetskih procesa, a ponekad možemo naići i na opise poput - efikasnost reda veličine 130%, međutim u ovom slučaju moramo razumjeti da izraz nije u potpunosti upotrijebljen i, najvjerovatnije, autor ili proizvođač ovu kraticu shvaćaju kao nešto drugačiju karakteristiku.

Na primjer, toplinske pumpe se razlikuju po tome što mogu osloboditi više topline nego što ih troše. Dakle, rashladna mašina može ukloniti više topline iz predmeta koji se hladi nego što je utrošena u ekvivalentu energije za organiziranje uklanjanja. Pokazatelj efikasnosti rashladne mašine naziva se koeficijent hlađenja, označen slovom Ɛ i određen formulom: Ɛ=Qx/A, gdje je Qx toplina odvedena sa hladnog kraja, A je rad utrošen na proces uklanjanja . Međutim, ponekad se koeficijent hlađenja naziva i efikasnošću rashladne mašine.

Zanimljivo je i to da se efikasnost kotlova koji rade na organsko gorivo obično računa na osnovu niže kalorijske vrijednosti, a može biti veća od jedinice. Međutim, to se još uvijek tradicionalno naziva efikasnost. Efikasnost kotla je moguće odrediti po višoj kalorijskoj vrijednosti i tada će ona uvijek biti manja od jedan, ali u tom slučaju neće biti zgodno upoređivati ​​performanse kotlova sa podacima iz drugih instalacija.

Moderne stvarnosti zahtijevaju široku upotrebu toplinskih motora. Brojni pokušaji njihove zamjene elektromotorima do sada su propali. Problemi povezani sa akumulacijom električne energije u autonomnim sistemima teško se rješavaju.

Problemi tehnologije proizvodnje elektroenergetskih baterija, s obzirom na njihovu dugotrajnu upotrebu, i dalje su aktuelni. Brzinske karakteristike električnih vozila su daleko od karakteristika automobila sa motorima sa unutrašnjim sagorevanjem.

Prvi koraci za stvaranje hibridnih motora mogu značajno smanjiti štetne emisije u megagradima, rješavajući ekološke probleme.

Malo istorije

Mogućnost pretvaranja energije pare u energiju kretanja bila je poznata još u antičko doba. 130. pne: Filozof Heron iz Aleksandrije predstavio je publici parnu igračku - aeolipile. Sfera ispunjena parom počela je da se okreće pod uticajem mlaza koji su izlazili iz nje. Ovaj prototip modernih parnih turbina u to vrijeme nije korišten.

Dugi niz godina i vijekova razvoj filozofa se smatrao samo zabavnom igračkom. Godine 1629. Italijan D. Branchi stvorio je aktivnu turbinu. Para je pokretala disk opremljen lopaticama.

Od tog trenutka počinje nagli razvoj parnih mašina.

Toplotni motor

Pretvaranje goriva u energiju kretanja mašinskih delova i mehanizama koristi se u toplotnim mašinama.

Glavni delovi mašina: grejač (sistem za dobijanje energije izvana), radni fluid (obavlja korisnu radnju), frižider.

Grijač je dizajniran da osigura da radni fluid akumulira dovoljnu količinu unutrašnje energije za obavljanje korisnog rada. Frižider uklanja višak energije.

Glavna karakteristika efikasnosti naziva se efikasnost toplotnih motora. Ova vrijednost pokazuje koliko se energije utrošene na grijanje troši na obavljanje korisnog rada. Što je veća efikasnost, to je profitabilniji rad mašine, ali ova vrednost ne može preći 100%.

Proračun efikasnosti

Neka grijač dobije od vanjske energije jednaku Q 1 . Radni fluid je izvršio rad A, dok je energija data frižideru iznosila Q2.

Na osnovu definicije izračunavamo vrijednost efikasnosti:

η= A / Q 1 . Uzmimo u obzir da je A = Q 1 - Q 2.

Dakle, efikasnost toplotnog motora, čija je formula η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, omogućava nam da izvučemo sljedeće zaključke:

• Efikasnost ne može biti veća od 1 (ili 100%);
• da bi se ova vrijednost maksimizirala, potrebno je ili povećati energiju primljenu od grijača ili smanjiti energiju koja se daje hladnjaku;
• povećanje energije grijača postiže se promjenom kvaliteta goriva;
• Dizajnerske karakteristike motora mogu smanjiti energiju koja se daje hladnjaku.

Idealan toplotni motor

Da li je moguće stvoriti motor čija bi efikasnost bila maksimalna (idealno jednaka 100%)? Francuski teorijski fizičar i talentovani inženjer Sadi Carnot pokušao je pronaći odgovor na ovo pitanje. Godine 1824, njegovi teorijski proračuni o procesima koji se dešavaju u gasovima su objavljeni.

Glavna ideja koja je svojstvena idealnoj mašini može se smatrati izvođenjem reverzibilnih procesa sa idealnim gasom. Počinjemo izotermnim širenjem plina na temperaturi T 1 . Količina toplote koja je potrebna za to je Q 1. Nakon toga se gas širi bez razmene toplote.Postigavši ​​temperaturu T 2, gas se izotermno komprimira prenoseći energiju Q 2 u frižider. Gas se adijabatski vraća u prvobitno stanje.

Efikasnost idealnog Carnotovog toplotnog motora, kada se tačno izračuna, jednaka je omjeru temperaturne razlike između uređaja za grijanje i hlađenje prema temperaturi grijača. To izgleda ovako: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Moguća efikasnost toplotnog motora, čija je formula: η = 1 - T 2 / T 1, zavisi samo od temperature grejača i hladnjaka i ne može biti veća od 100%.

Štaviše, ovaj odnos nam omogućava da dokažemo da efikasnost toplotnih motora može biti jednaka jedinici samo kada frižider dostigne temperaturu. Kao što je poznato, ova vrijednost je nedostižna.

Carnotovi teorijski proračuni omogućavaju određivanje maksimalne efikasnosti toplotnog motora bilo kojeg dizajna.

Teorema koju je Carnot dokazao je sljedeća. Ni pod kojim okolnostima proizvoljna toplotna mašina ne može imati efikasnost veću od iste vrednosti efikasnosti idealne toplotne mašine.

Primjer rješavanja problema

Primjer 1. Kolika je efikasnost idealne toplotne mašine ako je temperatura grejača 800 o C, a temperatura frižidera 500 o C niža?

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

Po definiciji: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

Nije nam data temperatura frižidera, već ∆T= (T 1 - T 2), dakle:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Odgovor: Efikasnost = 46%.

Primjer 2. Odrediti efikasnost idealne toplotne mašine ako se zbog dobijenog jednog kilodžula energije grejača izvrši korisni rad od 650 J. Kolika je temperatura grejača toplotne mašine ako je temperatura hladnjaka 400 K?

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

U ovom problemu govorimo o termalnoj instalaciji, čija se efikasnost može izračunati pomoću formule:

Za određivanje temperature grijača koristimo formulu za efikasnost idealnog toplotnog motora:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Nakon izvođenja matematičkih transformacija, dobijamo:

T 1 = T 2 /(1- η).

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).

Izračunajmo:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

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

Odgovor: η= 65%, T 1 = 1142,8 K.

Realni uslovi

Idealan toplotni motor je dizajniran sa idealnim procesima na umu. Rad se izvodi samo u izotermnim procesima, a njegova vrijednost je određena kao površina ograničena grafikom Carnotovog ciklusa.

U stvarnosti, nemoguće je stvoriti uslove da se proces promjene stanja gasa odvija bez pratećih temperaturnih promjena. Ne postoje materijali koji bi isključili razmjenu topline sa okolnim objektima. Adijabatski proces postaje nemoguće izvesti. U slučaju razmjene topline, temperatura plina se nužno mora promijeniti.

Efikasnost toplotnih motora stvorenih u realnim uslovima značajno se razlikuje od efikasnosti idealnih motora. Imajte na umu da se procesi u stvarnim motorima odvijaju tako brzo da se varijacija unutarnje toplinske energije radne tvari u procesu promjene njenog volumena ne može nadoknaditi prilivom topline iz grijača i prijenosom u hladnjak.

Ostali toplotni motori

Pravi motori rade u različitim ciklusima:

• Otto ciklus: proces sa konstantnom zapreminom menja se adijabatski, stvarajući zatvoreni ciklus;
• Dizelski ciklus: izobarski, adijabatski, izohorni, adijabatski;
• proces koji se odvija pri konstantnom pritisku zamjenjuje se adijabatskim, zatvarajući ciklus.

Nije moguće stvoriti ravnotežne procese u stvarnim motorima (približiti ih idealnim) uz savremenu tehnologiju. Efikasnost toplotnih motora je znatno niža, čak i uzimajući u obzir iste temperaturne uslove kao u idealnoj toplotnoj instalaciji.

Ali ulogu formule za proračun efikasnosti ne treba smanjiti, jer upravo ona postaje polazna tačka u procesu rada na povećanju efikasnosti pravih motora.

Načini promjene efikasnosti

Kada se uspoređuju idealni i stvarni toplinski motori, vrijedi napomenuti da temperatura hladnjaka potonjeg ne može biti nikakva. Obično se atmosfera smatra hladnjakom. Temperatura atmosfere može se prihvatiti samo u približnim proračunima. Iskustvo pokazuje da je temperatura rashladnog sredstva jednaka temperaturi izduvnih gasova u motorima, kao što je slučaj kod motora sa unutrašnjim sagorevanjem (skraćeno ICE).

ICE je najčešći toplotni motor u našem svijetu. Efikasnost toplotnog motora u ovom slučaju zavisi od temperature koju stvara gorivo. Značajna razlika između motora s unutarnjim izgaranjem i parnih motora je spajanje funkcija grijača i radnog fluida uređaja u mješavini zraka i goriva. Kako mješavina sagorijeva, ona stvara pritisak na pokretne dijelove motora.

Postiže se povećanje temperature radnih plinova, značajno mijenjajući svojstva goriva. Nažalost, to se ne može raditi u nedogled. Svaki materijal od kojeg je napravljena komora za izgaranje motora ima svoju tačku topljenja. Otpornost na toplinu takvih materijala glavna je karakteristika motora, kao i sposobnost da značajno utječu na efikasnost.

Vrijednosti efikasnosti motora

Ako uzmemo u obzir temperaturu radne pare na čijem je ulazu 800 K, a izduvnog gasa - 300 K, onda je efikasnost ove mašine 62%. U stvarnosti, ova vrijednost ne prelazi 40%. Ovo smanjenje nastaje zbog gubitaka topline pri zagrijavanju kućišta turbine.

Najveća vrijednost unutrašnjeg sagorijevanja ne prelazi 44%. Povećanje ove vrijednosti je pitanje bliske budućnosti. Promjena svojstava materijala i goriva je problem na kojem rade najbolji umovi čovječanstva.

Pretpostavimo da su svi molekuli osim razmatranog nepomični. Molekule ćemo smatrati sferama prečnika d. Do sudara će doći kad god je centar stacionarne molekule na udaljenosti manjoj ili jednakoj d od prave linije duž koje se kreće središte dotičnog molekula. Tokom sudara, molekul mijenja smjer svog kretanja, a zatim se kreće pravolinijski do sljedećeg sudara. Stoga se centar molekula koji se kreće, zbog sudara, kreće duž izlomljene linije (slika 1).

Molekul će se sudariti sa svim stacionarnim molekulima čiji se centri nalaze unutar slomljenog cilindra prečnika 2d. U sekundi, molekul pređe udaljenost jednaku . Stoga je broj sudara koji se dešavaju za to vrijeme jednak broju molekula čiji centri padaju unutar slomljenog cilindra ukupne dužine i radijusa d. Uzmimo da je njegova zapremina jednaka zapremini odgovarajućeg ispravljenog cilindra, odnosno jednaka Ako u jedinici zapremine gasa ima n molekula, tada će broj sudara dotične molekule u jednoj sekundi biti jednak

(3.1.2)

U stvarnosti se svi molekuli kreću. Stoga će broj sudara u jednoj sekundi biti nešto veći od dobijene vrijednosti, jer bi zbog kretanja okolnih molekula dotični molekul doživio određeni broj sudara čak i da je sam ostao nepomičan.Pretpostavka nepokretnosti od svih molekula sa kojima se dotični molekul sudari biće uklonjen ako u formuli (3.1.2) umjesto prosječne brzine predstavimo prosječnu brzinu relativnog kretanja razmatranog molekula. U stvari, ako se upadni molekul kreće prosječnom relativnom brzinom , tada se ispostavi da molekul s kojim se sudari miruje, kao što je pretpostavljeno kada je dobijena formula (3.1.2). Stoga, formulu (3.1.2) treba napisati u obliku:

Budući da su uglovi i brzine na koje nailaze molekuli očigledno nezavisne slučajne varijable, onda je prosjek

Uzimajući u obzir posljednju jednakost, formula (3.1.4) se može prepisati kao:

Srednji slobodni put molekula je prosječna udaljenost (označena sa λ) koju čestica prijeđe tokom svog slobodnog puta od jednog sudara do drugog.

Srednja slobodna putanja svake molekule je drugačija, stoga se u kinetičkoj teoriji uvodi koncept srednjeg slobodnog puta (<λ>). Magnituda<λ>je karakteristika čitavog skupa molekula plina pri datim vrijednostima tlaka i temperature.

Gdje je σ efektivni poprečni presjek molekula, n je koncentracija molekula.

Primjer. Prosječni potisak motora je 882 N. Za 100 km putovanja troši se 7 kg benzina. Odredite efikasnost njegovog motora. Prvo pronađite nagrađivan posao. Jednaka je proizvodu sile F i udaljenosti S koju tijelo pređe pod njegovim utjecajem An=F∙S. Odredite količinu toplote koja će se osloboditi sagorevanjem 7 kg benzina, to će biti utrošeni rad Az = Q = q∙m, gde je q specifična toplota sagorevanja goriva, za benzin je jednaka 42∙ 10^6 J/kg, a m je masa ovog goriva. Efikasnost motora će biti jednaka efikasnosti=(F∙S)/(q∙m)∙100%= (882∙100000)/(42∙10^6∙7)∙100%=30%.

Općenito, pronalaženje efikasnosti bilo kojeg toplotnog motora (motora s unutrašnjim sagorijevanjem, parne mašine, turbine, itd.), gdje rad obavlja plin, ima efikasnost jednaku razlici topline koju odaje grijač Q1 i koju primi hladnjak Q2, pronađite toplotnu razliku grijača i frižidera, i podijelite toplinom efikasnosti grijača = (Q1-Q2)/Q1. Ovdje se efikasnost mjeri u višestrukim jedinicama od 0 do 1; da biste rezultat pretvorili u procente, pomnožite ga sa 100.

Da biste dobili efikasnost idealnog toplotnog motora (Carnot mašina), pronađite omjer temperaturne razlike između grijača T1 i hladnjaka T2 i efikasnosti temperature grijača = (T1-T2)/T1. Ovo je maksimalna moguća efikasnost za određeni tip toplotnog motora sa datim temperaturama grejača i frižidera.

Za električni motor, pronađite utrošeni rad kao proizvod snage i vremena potrebnog za njegovo dovršenje. Na primjer, ako elektromotor dizalice snage 3,2 kW podigne teret težine 800 kg na visinu od 3,6 m za 10 s, tada je njegova efikasnost jednaka omjeru korisnog rada Ap=m∙g∙h, gdje je m je masa tereta, g≈10 m/s² ubrzanje slobodnog pada, h – visina na koju je teret podignut, i utrošeni rad Az=P∙t, gdje je P – snaga motora, t – vrijeme njegovog rada . Dobijte formulu za određivanje efikasnosti=Ap/Az∙100%=(m∙g∙h)/(P∙t) ∙100%=%=(800∙10∙3.6)/(3200∙10) ∙100% = 90%.

Video na temu

Izvori:

• kako odrediti efikasnost

Efikasnost (koeficijent efikasnosti) je bezdimenzionalna veličina koja karakteriše radnu efikasnost. Rad je sila koja utiče na proces tokom određenog vremenskog perioda. Djelovanje sile zahtijeva energiju. Energija se ulaže u snagu, snaga se ulaže u rad, rad se odlikuje efektivnošću.

Instrukcije

Proračun efikasnosti određivanjem energije utrošene direktno za postizanje rezultata. Može se izraziti u jedinicama potrebnim za postizanje rezultata energije, snage, moći.
Da biste izbjegli greške, korisno je imati na umu sljedeći dijagram. Najjednostavniji obuhvata elemente: „radnik“, izvor energije, kontrole, putanje i elemente za provođenje i pretvaranje energije. Energija utrošena na postizanje rezultata je energija koju troši samo „radni alat“.

Zatim određujete energiju koju je zapravo potrošio cijeli sistem u procesu postizanja rezultata. Odnosno, ne samo „radni alat“, već i kontrole, pretvarači energije, a takođe i troškovi treba da uključuju energiju koja se raspršuje na putevima za provodljivost energije.

A onda izračunate efikasnost koristeći formulu:
Efikasnost = (A / B)*100%, gdje je
A – energija potrebna za postizanje rezultata
B je energija koju je sistem stvarno potrošio za postizanje rezultata Na primjer: 100 kW potrošeno je na rad električnog alata, dok je cijeli energetski sistem radionice za to vrijeme potrošio 120 kW. Efikasnost sistema (servisnog elektroenergetskog sistema) u ovom slučaju će biti jednaka 100 kW / 120 kW = 0,83*100% = 83%.

Video na temu

Bilješka

Koncept efikasnosti se često koristi za procjenu omjera planirane potrošnje energije i stvarno utrošene energije. Na primjer, omjer planirane količine posla (ili vremena potrebnog za završetak posla) prema stvarno obavljenom poslu i utrošenom vremenu. Ovdje treba biti izuzetno oprezan. Na primjer, planirali smo potrošiti 200 kW za rad, ali smo potrošili 100 kW. Ili su planirali da završe posao za 1 sat, ali su potrošili 0,5 sati; u oba slučaja efikasnost je 200%, što je nemoguće. Naime, u takvim slučajevima dolazi do onoga što ekonomisti nazivaju „Stakhanovljevim sindromom“, odnosno do namjernog potcjenjivanja plana u odnosu na stvarno potrebne troškove.

Koristan savjet

1. Morate procijeniti troškove energije u istim jedinicama.

2. Energija koju troši cijeli sistem ne može biti manja od one koja se troši direktno na postizanje rezultata, odnosno efikasnost ne može biti veća od 100%.

Izvori:

• kako izračunati energiju

Savjet 3: Kako izračunati efikasnost tenka u igrici World of Tanks

Ocena efikasnosti tenka ili njegove efikasnosti jedan je od sveobuhvatnih pokazatelja veštine igranja. Uzima se u obzir prilikom prijema u vrhunske klanove, e-sportske timove i kompanije. Formula za izračun je prilično složena, tako da igrači koriste različite online kalkulatore.

Formula za izračun

Sama formula je prikazana na slici. Ova formula sadrži sljedeće varijable:
- R – borbena efikasnost igrača;
- K – prosječan broj uništenih tenkova (ukupan broj fragova podijeljen s ukupnim brojem bitaka):
- L – prosječni nivo rezervoara;
- S – prosječan broj otkrivenih rezervoara;
- Ddmg – prosječan iznos nanesene štete po bitci;
- Ddef – prosječan broj bodova odbrane baze;
- C – prosječan broj baznih tačaka hvatanja.

Značenje primljenih brojeva:
- manje od 600 – loš igrač; Oko 6% svih igrača ima takvu efikasnost;
- od 600 do 900 – igrač ispod proseka; 25% svih igrača ima takvu efikasnost;
- od 900 do 1200 – prosečan igrač; 43% igrača ima takvu efikasnost;
- od 1200 i više – jak igrač; takvih igrača je oko 25%;
- preko 1800 – jedinstveni igrač; nema ih više od 1%.

Američki igrači koriste svoju WN6 formulu, koja izgleda ovako:
wn6=(1240 – 1040 / (MIN (TIER,6)) ^ 0,164) x FRAGS + ŠTETE x 530 / (184 x e ^ (0,24 x TIER) + 130) + SPOT x 125 + MIN(DEF,2,2) x 100 + ((185 / (0,17+ e^((WINRATE - 35) x 0,134))) - 500) x 0,45 + (6-MIN(TIER,6)) x 60

U ovoj formuli:
MIN (TIER,6) – prosječan nivo tenka igrača, ako je veći od 6 koristi se vrijednost 6
FRAGS – prosječan broj uništenih tenkova
TIER – prosječan nivo igračevih tenkova
ŠTETA – prosječna šteta u borbi
MIN (DEF,2,2) – prosječan broj oborenih tačaka hvatanja baze, ako je vrijednost veća od 2,2, koristite 2,2
WINRATE – ukupan procenat dobitka

Kao što vidite, ova formula ne uzima u obzir bazne tačke hvatanja, broj fragova na vozilima niskog nivoa, procenat pobjeda i uticaj početne izloženosti na rejting nema jako jak efekat.

Wargeiming je u ažuriranje uveo indikator lične ocjene igrača, koji se izračunava pomoću složenije formule koja uzima u obzir sve moguće statističke pokazatelje.

Kako povećati efikasnost

Iz formule Kx(350-20xL) jasno je da što je viši nivo rezervoara, dobija se manje bodova efikasnosti za uništavanje tenkova, ali više za nanošenje štete. Stoga, kada igrate vozila niskog nivoa, pokušajte uzeti više fragova. Na visokom nivou – nanesite više štete (štete). Broj bodova primljenih ili oborenih za hvatanje baze ne utiče mnogo na ocjenu, a više bodova efikasnosti se dodjeljuje za oborene poene hvatanja nego za osvojene bodove hvatanja baze.

Stoga većina igrača poboljšava svoju statistiku igrajući na nižim nivoima, u takozvanom sandboxu. Prvo, većina igrača na nižim razinama su početnici koji nemaju vještine, ne koriste napumpanu posadu s vještinama i sposobnostima, ne koriste dodatnu opremu i ne poznaju prednosti i nedostatke određenog tenka.

Bez obzira na kojem vozilu igrate, pokušajte da srušite što više tačaka za hvatanje baze. Borbe voda uvelike povećavaju ocjenu efikasnosti, jer igrači u vodu djeluju koordinisano i češće ostvaruju pobjede.

Termin "efikasnost" je skraćenica izvedena iz fraze "koeficijent efikasnosti". U svom najopštijem obliku, on predstavlja omjer utrošenih resursa i rezultata rada obavljenog pomoću njih.

Efikasnost

Generalno, formula efikasnosti se može napisati na sledeći način: n = A*100%/Q. U ovoj formuli, simbol n se koristi za označavanje efikasnosti, simbol A predstavlja količinu obavljenog rada, a Q je količina potrošene energije. Vrijedi naglasiti da je mjerna jedinica efikasnosti procenat. Teoretski, maksimalna vrijednost ovog koeficijenta je 100%, ali u praksi je gotovo nemoguće postići takav pokazatelj, jer u radu svakog mehanizma postoje određeni gubici energije.

Efikasnost motora

Motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE), koji je jedna od ključnih komponenti mehanizma modernog automobila, takođe je varijanta sistema zasnovanog na upotrebi resursa - benzina ili dizel goriva. Stoga se za njega može izračunati vrijednost efikasnosti.

Unatoč svim tehničkim dostignućima automobilske industrije, standardna efikasnost motora s unutarnjim sagorijevanjem ostaje prilično niska: ovisno o tehnologijama korištenim u dizajnu motora, može se kretati od 25% do 60%. To je zbog činjenice da je rad takvog motora povezan sa značajnim gubicima energije.

Dakle, najveći gubitak u efikasnosti motora sa unutrašnjim sagorevanjem nastaje u radu rashladnog sistema, koji uzima do 40% energije koju proizvodi motor. Značajan dio energije - do 25% - gubi se u procesu uklanjanja izduvnih plinova, odnosno jednostavno se prenosi u atmosferu. Konačno, otprilike 10% energije koju proizvodi motor troši se na prevladavanje trenja između različitih dijelova motora s unutrašnjim sagorijevanjem.

Stoga tehnolozi i inženjeri uključeni u automobilsku industriju ulažu značajne napore da povećaju efikasnost motora smanjenjem gubitaka u svim navedenim stavkama. Dakle, glavni pravac razvoja dizajna usmjerenog na smanjenje gubitaka povezanih s radom rashladnog sustava povezan je s pokušajima smanjenja veličine površina kroz koje se odvija prijenos topline. Smanjenje gubitaka u procesu izmjene plina provodi se uglavnom pomoću sistema turbo punjenja, a smanjenje gubitaka povezanih sa trenjem se vrši korištenjem tehnološki naprednijih i modernijih materijala pri projektovanju motora. Prema mišljenju stručnjaka, korištenje ovih i drugih tehnologija može povećati efikasnost motora sa unutrašnjim sagorijevanjem do 80% i više.

Video na temu

Izvori:

• O motoru sa unutrašnjim sagorevanjem, njegovim rezervama i perspektivama razvoja očima stručnjaka