作動流体は、ヒーターから一定量の熱 Q 1 を受け取り、係数 |Q2| に等しいこの熱量の一部を冷凍機に与えます。 したがって、行われる作業はこれ以上大きくなりません A = Q 1- |Q2|。この仕事とヒーターから膨張するガスが受け取る熱量の比をといいます。 効率 熱機関:

閉サイクルで動作する熱機関の効率は常に 1 未満です。 火力工学の仕事は、効率をできるだけ高くすること、つまり、ヒーターから受け取った熱をできるだけ多く仕事の生産に使用することです。 どうすればこれを達成できるでしょうか?
等温線と断熱線からなる最も完全な周期過程が、1824 年にフランスの物理学者で技術者の S. カルノーによって初めて提案されました。

カルノーサイクル。

ガスがシリンダー内にあり、シリンダーの壁とピストンは断熱材でできており、底部は熱伝導率の高い材質でできているとします。 気体が占める体積は次のようになります。 V1.

図2

シリンダーをヒーターに接触させて（図 2）、ガスが等温で膨張して仕事をする機会を与えましょう。 . ガスはヒーターから一定量の熱を受け取ります Q1.このプロセスは等温線 (曲線) によってグラフで表されます。 AB).

図3

気体の体積が一定値になったとき V1'< V 2 , シリンダーの底部はヒーターから隔離されています , この後、気体は体積まで断熱膨張します。 V2、シリンダー内のピストンの可能な最大ストロークに相当します（断熱） 太陽）。 この場合、ガスはある温度まで冷却されます。 T2< T 1 .
冷却されたガスは、ある温度で等温圧縮できるようになります。 T2。これを行うには、同じ温度の物体と接触させる必要があります T2、つまり冷蔵庫付き , 外力により気体を圧縮します。 ただし、このプロセスでは、ガスは元の状態に戻りません。その温度は常に温度より低くなります。 T1.
したがって、等温圧縮は特定の中間体積にもたらされます。 V2'>V1(等温線 CD）。 この場合、ガスは冷蔵庫に熱を放出します。 Q2、それに対して実行される圧縮の仕事に等しい。 この後、ガスは断熱的に圧縮されて一定の体積になります。 V1、同時に温度が上昇します T1(断熱 DA）。 ここで、気体は元の状態に戻り、その体積は V 1、温度 - に等しくなります。 T1、プレッシャー - p1、このサイクルを再度繰り返すことができます。

そこで、サイト上では、 ABCガスは効く (A > 0)、そしてサイト上で CDAガスで行われた仕事 (A< 0). 現場で 太陽そして 広告仕事はガスの内部エネルギーを変化させることによってのみ行われます。 内部エネルギーが変化してから UBC = – 宇田の場合、断熱プロセス中の仕事は等しいです。 ABC = –ADA。したがって、サイクルごとに行われる合計仕事量は、等温プロセス (セクション) 中に行われる仕事の差によって決まります。 ABそして CD）。 数値的には、この仕事はサイクル曲線で囲まれた図形の面積に等しくなります。 あいうえお.
実際に有用な仕事に変換されるのは熱量の一部だけです QTさんヒーターから受信した値と等しい QT 1 – |QT 2 |。したがって、カルノーサイクルでは、有用な作業が A = QT 1– |QT 2 |。
S. Carnot が示した理想的なサイクルの最大効率は、ヒーター温度で表すことができます。 (T1)そして冷蔵庫 (T2):

実際のエンジンでは、理想的な等温プロセスと断熱プロセスからなるサイクルを実装することはできません。 したがって、実際のエンジンで実行されるサイクルの効率は、常にカルノー サイクルの効率よりも低くなります (ヒーターと冷蔵庫の温度が同じ場合)。

この式は、ヒーターの温度が高く、冷凍機の温度が低いほど、エンジン効率が向上することを示しています。

Carnot Nicolas Leonard Sadi (1796-1832) - 才能あるフランスの技術者および物理学者、熱力学の創始者の一人。 彼の著作「火の推進力とこの力を開発できる機械についての考察」（1824 年）の中で、彼は初めて、熱機関が熱い物体から冷たい物体に熱を伝達する過程でのみ仕事を実行できることを示しました。 カルノーは理想的な熱機関を考案し、理想的な機械の効率を計算し、この係数が実際の熱機関で可能な最大値であることを証明しました。
研究の補助として、カルノーは 1824 年に作動流体として理想気体を使用した理想的な熱機関を (紙の上で) 発明しました。 カルノーエンジンの重要な役割は、実用化の可能性だけではなく、熱エンジン一般の動作原理を説明できるという事実にもあります。 カルノーが彼のエンジンの助けを借りて、熱力学第二法則の実証と理解に多大な貢献を果たしたことも同様に重要です。 カルノー マシンのすべてのプロセスは平衡 (可逆的) であると見なされます。 可逆プロセスとは、非常にゆっくりと進行するプロセスであり、ある平衡状態から別の平衡状態などへの連続的な移行と考えることができ、このプロセス全体は、行われる仕事と量を変えることなく、逆方向に実行できます。熱が伝わります。 (実際のプロセスはすべて不可逆であることに注意してください) 循環プロセスまたはサイクルがマシン内で実行され、システムは一連の変換後に元の状態に戻ります。 カルノー サイクルは 2 つの等温線と 2 つの断熱線で構成されます。 曲線 A - B および C - D は等温線、B - C および D - A は断熱線です。 まず、ガスは温度 T 1 で等温膨張します。 同時にヒーターから熱量Ｑ１を受け取ります。 その後、断熱膨張し、周囲の物体と熱交換しません。 これに続いて、温度 T 2 でガスが等温圧縮されます。 この過程で、ガスは熱量 Q 2 を冷凍機に伝達します。 最終的に、ガスは断熱的に圧縮され、元の状態に戻ります。 等温膨張中、気体は熱量 Q 1 に等しい仕事 A" 1 >0 を行います。断熱膨張 B - C では、正の仕事 A" 3 は、気体が温度から冷却されるときの内部エネルギーの減少に等しくなります。 T 1 から温度 T 2 まで: A" 3 =- dU 1.2 =U(T 1) -U(T 2)。温度 T 2 での等温圧縮には、気体に対して仕事 A 2 を実行する必要があります。気体は、それに応じて負の仕事をします。 A" 2 = -A 2 = Q 2。 最後に、断熱圧縮には、気体 A 4 = dU 2.1 に対して行われる仕事が必要です。 ガス自体の仕事 A" 4 = -A 4 = -dU 2.1 = U(T 2) -U(T 1)。したがって、2 つの断熱プロセス中のガスの仕事の合計はゼロです。サイクル中、気体は A" = A" 1 + A" 2 =Q 1 +Q 2 =|Q 1 |-|Q 2 | として機能します。 この仕事は、サイクル曲線によって制限された図の面積に数値的に等しくなります。効率を計算するには、等温プロセス A - B および C - D の仕事を計算する必要があります。計算により、次の結果が得られます。 (2) カルノー熱機関の効率は、ヒーターと冷凍機の絶対温度の差とヒーターの絶対温度の比に等しくなります。 理想的な機械の効率に関するカルノーの式 (2) の主な重要性は、それがあらゆる熱機関の可能な最大効率を決定することです。 カルノーは次の定理を証明しました。温度 T 1 のヒーターと温度 T 2 の冷蔵庫で動作する実際の熱機関は、理想的な熱機関の効率を超える効率を持つことはできません。 実際の熱機関の効率 式 (2) は、熱機関の効率の最大値の理論的限界を示します。 これは、ヒーターの温度が高く、冷蔵庫の温度が低いほど、熱機関の効率が高いことを示しています。 冷蔵庫の温度が絶対零度に等しい場合にのみ、効率が 1 に等しくなります。実際の熱機関では、プロセスが非常に迅速に進行するため、作動物質の体積が変化したときの内部エネルギーの増減を補償する時間がありません。ヒーターからのエネルギーの流入と冷蔵庫へのエネルギーの放出。 したがって、等温プロセスは実現できません。 自然界には理想的な断熱材は存在しないため、厳密な断熱プロセスにも同じことが当てはまります。 実際の熱機関で実行されるサイクルは、2 つの等重線と 2 つの断熱線 (オットー サイクルの場合)、2 つの断熱線、等圧線と等重線 (ディーゼル サイクルの場合)、2 つの断熱線と 2 つの等圧線 (ガス タービンの場合) などで構成されます。この場合、これらのサイクルはカルノー サイクルのように理想的なものになる可能性があることに留意する必要があります。 しかし、そのためには、ヒーターと冷蔵庫の温度がカルノーサイクルのように一定ではなく、等積加熱と冷却のプロセスで作動物質の温度が変化するのと同じように変化する必要があります。 言い換えれば、作動物質は無限に多数のヒーターや冷蔵庫と接触している必要があります。この場合にのみ等重体で平衡熱伝達が行われます。 もちろん、実際の熱機関のサイクルではプロセスは非平衡であり、その結果、同じ温度範囲での実際の熱機関の効率はカルノー サイクルの効率よりも大幅に低くなります。 同時に、式 (2) は熱力学において大きな役割を果たし、実際の熱機関の効率を高める方法を示す一種の「標識」です。
	オットーサイクルでは、最初に作動混合物 1-2 がシリンダー内に吸い込まれ、次に断熱圧縮 2-3 が起こり、等積燃焼 3-4 の後に燃焼生成物の温度と圧力の上昇を伴い、断熱膨張が起こります。 4-5 が発生し、次に等容圧降下 5-2 とピストン 2-1 による排気ガスの等圧排出。 等重積では仕事は行われず、作動混合物の吸引と排気ガスの排出中の仕事は等しく、符号が反対であるため、1 サイクルの有効仕事は膨張と圧縮の断熱における仕事の差に等しく、サイクルの領域ごとにグラフィックで表示されます。
実際の熱機関の効率とカルノー サイクルの効率を比較すると、式 (2) では例外的な場合に温度 T 2 が冷蔵庫の場合の周囲温度と一致する可能性があることに注意する必要があります。一般的な場合、周囲温度を超えます。 したがって、たとえば内燃機関では、T2 は排気ガスの温度として理解されるべきであり、排気ガスが生成される環境の温度として理解されるべきではありません。
	図は等圧燃焼による 4 サイクル内燃機関のサイクル (ディーゼル サイクル) を示しています。 前サイクルとは異なり、1-2節で吸収される。 大気はセクション 2-3 で 3 10 6 ～ 3 10 5 Pa まで断熱圧縮されます。 噴射された液体燃料は、高度に圧縮された、したがって加熱された空気の環境内で点火し、等圧燃焼 3 ～ 4 し、その後、燃焼生成物の断熱膨張 4 ～ 5 が発生します。 残りのプロセス 5-2 と 2-1 は、前のサイクルと同様に進行します。 内燃機関では、各サイクルの前にシリンダーが一定量の作動物質で満たされ、サイクルの終わりにシリンダーから排出されるため、サイクルは条件付きで閉じられることに注意してください。
しかし、冷蔵庫の温度は実際には周囲温度よりも大幅に低くすることはできません。 ヒーターの温度を上げることができます。 しかし、どんな材料（固体）であっても耐熱性、つまり耐熱性には限界があります。 加熱すると徐々に弾性を失い、十分に高い温度になると溶けます。 現在、エンジニアの主な取り組みは、部品の摩擦や不完全燃焼による燃料損失などを低減することによってエンジンの効率を高めることを目的としています。ここでの効率向上の本当のチャンスはまだ大きく残っています。 したがって、蒸気タービンの場合、蒸気の初期温度と最終温度はおよそ次のとおりです: T 1 = 800 K および T 2 = 300 K。これらの温度での効率係数の最大値は次のとおりです。 さまざまな種類のエネルギー損失による実際の効率値は約 40% です。 最大効率 - 約 44% - は内燃エンジンによって達成されます。 熱機関の効率は可能な最大値を超えることはできません ここで、T 1 はヒーターの絶対温度、T 2 は冷蔵庫の絶対温度です。 熱機関の効率を高め、それを可能な限り最大値に近づけることは、最も重要な技術的課題です。

クラウジウスの不等式

供給熱量 準静的にシステムによって受信されるメッセージは、遷移パス (システムの初期状態と最終状態によってのみ決定される) に依存しません。 準静的 プロセスクラウジウスの不等式は次のようになります。 平等 .

エントロピー、状態関数 S熱力学系、その変化 dsシステムの状態における可逆的な微小な変化は、このプロセスでシステムが受け取った（またはシステムから奪われた）熱量と絶対温度の比に等しいため、 た:

マグニチュード dsは合計微分です。つまり、 任意に選択されたパスに沿った統合により、値間の差異が生じます。 エントロピ初期状態 (A) と最終状態 (B) では次のようになります。

熱は状態の関数ではないため、δQ の積分は状態 A と状態 B の間で選択された遷移パスに依存します。 エントロピ J/(mol deg)で測定されます。

コンセプト エントロピシステムの状態の関数として仮定されます 熱力学の第二法則を通して表現されます。 エントロピとの差 不可逆的プロセスと可逆的プロセス。 最初の dS>δQ/T の場合、2 番目の dS=δQ/T です。

関数としてのエントロピー 内部エネルギー Uシステム、体積 V およびモル数 に、私番目の成分は特性関数です (「. 熱力学的ポテンシャル）。 これは熱力学の第一法則と第二法則の結果であり、次の方程式で表されます。

どこ R - プレッシャー、μ i - 化学ポテンシャル 私番目のコンポーネント。 デリバティブ エントロピ自然変数による U、Vそして 私はは同じ：

シンプルな数式がつながる エントロピ定圧での熱容量 Ｓｐそして一定の音量 履歴書:

を使用することで エントロピ条件は、一定の内部エネルギー、体積、モル数で系の熱力学的平衡を達成するために定式化されます。 私番目の成分 (孤立系) とそのような平衡の安定条件:

だということだ エントロピ孤立系の熱力学は、熱力学的平衡状態で最大に達します。 システム内の自発的なプロセスは増加する方向にのみ発生します。 エントロピ.

エントロピーは、マッシエ プランク関数と呼ばれる熱力学関数のグループに属します。 このグループに属する他の関数は、マッシエ関数です。 F 1 = S-(1/T)Uおよびプランク関数 Ф 2 = S - (1/T)U - (p/T)V、エントロピーにルジャンドル変換を適用することで取得できます。

熱力学の第 3 法則によると (参照。 熱定理）、 変化 エントロピ凝縮状態にある物質間の可逆的な化学反応では、次の温度でゼロになる傾向があります。 T→0:

プランクの公準 (熱定理の別の定式化) では次のように述べられています。 エントロピ絶対零度で凝縮状態にある化合物の値は条件付きでゼロとなり、絶対値を決定する際の開始点として使用できます。 エントロピあらゆる温度の物質。 式 (1) と (2) は次のように定義します。 エントロピ定数項まで。

化学では 熱力学次の概念が広く使用されています。 標準 エントロピ S 0、つまり エントロピプレッシャーで R=1.01・10 5 Pa (1気圧); 標準 エントロピ化学反応、つまり 標準差 エントロピー製品および試薬。 部分大臼歯 エントロピ多成分系の成分。

化学平衡を計算するには、次の式を使用します。

どこ に - 平衡定数、および - それぞれ標準 ギブスエネルギー、反応のエンタルピーとエントロピー。 R- ガス定数。

概念の定義 エントロピ非平衡系の場合、局所熱力学的平衡の考えに基づいています。 局所平衡は、全体として非平衡である系の小さな体積に対する方程式 (3) の充足を意味します (参照)。 不可逆過程の熱力学）。 システム内の不可逆的なプロセス中に、生成（発生）が発生する可能性があります エントロピ。 フルディファレンシャル エントロピこの場合、 はカルノー-クラウジウスの不等式によって決まります。

どこ dS i > 0 - 差分 エントロピ、熱流とは関係ありませんが、生産によるものです エントロピシステム内の不可逆的なプロセスが原因で ( 拡散. 熱伝導率、化学反応など）。 現地生産 エントロピ (t- 時間) は、一般化された熱力学的な力 X の積の合計として表されます。 私一般化された熱力学的流れへ じい:

生産 エントロピコンポーネントの拡散などによる 私物質の力と流れにより J; 生産 エントロピ化学反応による - 力による X=A/T、 どこ あ- 化学的親和性と流れ J、反応速度に等しい。 統計熱力学では エントロピ孤立システムは次の関係によって決定されます。 k - ボルツマン定数。 - 状態の熱力学的重み。エネルギー、体積、粒子数の指定された値を持つシステムの可能な量子状態の数に等しい。 系の平衡状態は、単一 (縮退していない) 量子状態の集団の平等に対応します。 増加中 エントロピ不可逆プロセスでは、システムの特定のエネルギーが個々のサブシステム間でより確率的に分配されることが確立されます。 一般化された統計的定義 エントロピ非絶縁システムにも適用されます。 エントロピさまざまなミクロ状態の確率は次のようになります。

どこ 私は- 確率 私-番目の状態。

絶対 エントロピ化合物は、主に比色法によって実験的に決定されます。

2 番目の原理を使用すると、次のことを決定できます。 エントロピ実験データに基づく化学反応（起電力法、蒸気圧法など）。 計算可能 エントロピ分子定数、分子量、分子幾何学、および標準振動周波数に基づく統計熱力学手法を使用して化合物を分析します。 このアプローチは理想気体に対してうまく実行されます。 凝縮相の場合、統計計算の精度は大幅に低く、限られたケースでのみ実行されます。 近年、この分野では大きな進歩が見られました。

関連情報。

効率係数 (効率) は、おそらくあらゆるシステムやデバイスに適用できる用語です。 人間にも効率係数がありますが、おそらくそれを見つけるための客観的な公式はまだありません。 この記事では、効率とは何か、さまざまなシステムでの効率の計算方法について詳しく説明します。

効率の定義

効率は、エネルギー出力または変換の観点からシステムの有効性を特徴付ける指標です。 効率は計り知れない量であり、0 ～ 1 の範囲の数値またはパーセンテージで表されます。

一般式

効率は記号 Š で示されます。

効率を求めるための一般的な数式は次のように記述されます。

Š=A/Q、ここで、A はシステムによって実行される有用なエネルギー/仕事、Q は有用な出力を得るプロセスを組織するためにこのシステムによって消費されるエネルギーです。

残念ながら、エネルギー保存則によれば、消費したエネルギー以上の仕事を得ることができないため、効率係数は常に 1 以下になります。 さらに、実際には、有用な仕事には常に損失が伴うため、効率が 1 に等しくなることは非常にまれです (たとえば、機構の加熱など)。

熱機関の効率

熱エンジンは、熱エネルギーを機械エネルギーに変換する装置です。 熱機関では、仕事はヒーターから受け取った熱量とクーラーに与えられた熱量の差によって決まるため、効率は次の式で決まります。

• Ϡ=Qн-Qх/Qн、ここでQнはヒーターから受け取る熱量、Qхはクーラーに与える熱量です。

カルノーサイクルで動作するエンジンによって最高の効率が得られると考えられています。 この場合、効率は次の式で求められます。

• Ϡ=T1-T2/T1、T1は温泉の温度、T2は冷泉の温度です。

電動機の効率

電気モーターは電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置であるため、この場合の効率は電気エネルギーを機械エネルギーに変換する装置の効率の比率です。 電気モーターの効率を求める公式は次のようになります。

• Ϡ=P2/P1、ここで、P1 は供給される電力、P2 はエンジンによって生成される有効な機械的動力です。

電力はシステム電流と電圧の積 (P=UI) として求められ、機械的電力は単位時間あたりの仕事の比率 (P=A/t) として求められます。

変圧器の効率

変圧器は、周波数を維持しながら、ある電圧の交流を別の電圧の交流に変換する装置です。 さらに、変圧器は交流を直流に変換することもできます。

変圧器の効率は次の式で求められます。

• Š=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n)、P0 は無負荷損失、PL は負荷損失、P2 は負荷に供給される有効電力、n は相対次数負荷の。

効率か非効率か？

効率に加えて、エネルギープロセスの効率を特徴付ける指標が多数あることは注目に値します。時々、130%程度の効率などの説明に遭遇することがありますが、この場合は次のことを理解する必要があります。この用語は完全に正しく使用されているわけではありません。おそらく、作成者または製造者は、この略語がわずかに異なる特性を意味すると理解しています。

たとえば、ヒートポンプは、消費する熱よりも多くの熱を放出できるという事実によって区別されます。 したがって、冷凍機は、冷却対象物から、除去を組織するのに費やしたエネルギーと同等の熱よりも多くの熱を除去することができます。 冷凍機の効率指標は冷凍係数と呼ばれ、Ɛという文字で表され、次の式で求められます。Ɛ=Qx/A、ここでQxは低温側から除去される熱、Aは除去プロセスに費やされる仕事量です。 。 ただし、冷凍係数を冷凍機の効率と呼ぶこともあります。

有機燃料で稼働するボイラーの効率は通常、より低い発熱量に基づいて計算され、それが 1 より大きくなる場合があることも興味深いです。 しかし、それは依然として伝統的に効率と呼ばれています。 より高い発熱量によってボイラーの効率を決定することは可能であり、その場合、常に 1 未満になりますが、この場合、ボイラーの性能を他の設備のデータと比較するのは不便になります。

現代の現実では、熱機関の広範な使用が必要です。 それらを電気モーターに置き換えようとする多くの試みはこれまでのところ失敗しています。 自律システムにおける電力の蓄積に関連する問題は解決することが困難です。

長期間の使用を考慮した電力用電池の製造技術の問題は依然として存在する。 電気自動車の速度特性は、内燃機関を搭載した自動車の速度特性とは大きく異なります。

ハイブリッド エンジンを作成するための最初のステップは、大都市における有害な排出物を大幅に削減し、環境問題を解決することができます。

ちょっとした歴史

蒸気エネルギーを運動エネルギーに変換する可能性は古代に知られていました。 紀元前 130 年: アレクサンドリアの哲学者ヘロンは、蒸気のおもちゃ - アエオリパイル - を聴衆にプレゼントしました。 蒸気で満たされた球体は、そこから発せられるジェットの影響を受けて回転し始めました。 この現代の蒸気タービンの原型は当時は使用されていませんでした。

何年も何世紀にもわたって、哲学者の発展は単なる楽しいおもちゃとみなされていました。 1629 年にイタリアの D. Branchi がアクティブなタービンを作成しました。 蒸気はブレードを備えた円盤を駆動しました。

その瞬間から、蒸気エンジンの急速な開発が始まりました。

熱機関

燃料を機械部品や機構の運動エネルギーに変換することは、熱機関で使用されます。

機械の主要部分：ヒーター（外部からエネルギーを得るシステム）、作動流体（有用な作用を実行する）、冷凍機。

ヒーターは、有効な仕事を実行するために作動流体が十分な内部エネルギーを蓄積できるように設計されています。 冷蔵庫は余分なエネルギーを取り除きます。

効率の主な特性は、熱機関の効率と呼ばれます。 この値は、暖房に費やされるエネルギーのうち、有益な仕事を行うためにどれだけのエネルギーが費やされるかを示します。 効率が高いほど、機械の運用の収益性は高くなりますが、この値は 100% を超えることはできません。

効率計算

ヒーターが外部から Q 1 に等しいエネルギーを取得するとします。 作動流体は仕事 A を行い、冷凍機に与えられたエネルギーは Q 2 になります。

定義に基づいて、効率値を計算します。

η＝Ａ／Ｑ １． A = Q 1 - Q 2 であることを考慮してみましょう。

したがって、熱機関の効率 (式は η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1) により、次の結論を導き出すことができます。

• 効率は 1 (または 100%) を超えることはできません。
• この値を最大化するには、ヒーターから受け取るエネルギーを増やすか、冷蔵庫に与えるエネルギーを減らす必要があります。
• ヒーターのエネルギーを増やすには、燃料の品質を変更します。
• エンジンの設計上の特徴により、冷蔵庫に与えられるエネルギーを削減できます。

理想的な熱機関

効率が最大 (理想的には 100%) になるエンジンを作成することは可能ですか? フランスの理論物理学者であり才能あるエンジニアのサディ・カルノーは、この質問に対する答えを見つけようとしました。 1824 年に、気体中で起こるプロセスに関する彼の理論計算が公開されました。

理想機械に固有の主なアイデアは、理想気体を使用して可逆プロセスを実行すると考えることができます。 まず、温度 T 1 でガスを等温膨張させます。 このために必要な熱量は Q 1 であり、その後、ガスは熱交換なしで膨張し、温度 T 2 に達すると等温圧縮され、エネルギー Q 2 が冷凍機に伝達されます。 気体は断熱的に元の状態に戻ります。

理想的なカルノー熱機関の効率は、正確に計算すると、加熱装置と冷却装置の間の温度差とヒーターの温度の比に等しくなります。 次のようになります: η=(T 1 - T 2)/ T 1。

熱機関の可能な効率 (式: η = 1 - T 2 / T 1) はヒーターとクーラーの温度にのみ依存し、100% を超えることはできません。

さらに、この関係により、冷蔵庫が所定の温度に達した場合にのみ、熱機関の効率が 1 に等しくなることが証明できます。 知られているように、この値は達成不可能です。

カルノーの理論計算により、あらゆる設計の熱機関の最大効率を決定することができます。

カルノーによって証明された定理は次のとおりです。 いかなる状況においても、任意の熱機関の効率が理想的な熱機関の同じ効率値を超えることはあり得ません。

問題解決の例

例1. ヒーターの温度が 800 ℃、冷蔵庫の温度が 500 ℃ 低い場合、理想的な熱機関の効率はどれくらいですか?

T 1 = 800 o C = 1073 K、ΔT = 500 o C = 500 K、η - ?

定義により: η=(T 1 - T 2)/ T 1。

冷蔵庫の温度は与えられていませんが、ΔT= (T 1 - T 2) であるため、次のようになります。

η= ΔT / T1 = 500 K/1073 K = 0.46。

答え: 効率 = 46%。

例2。 取得した 1 キロジュールのヒーター エネルギーにより 650 J の有用な仕事が実行される場合の理想的な熱機関の効率を求めます。クーラーの温度が 400 K の場合、熱機関のヒーターの温度はいくらですか?

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

この問題では熱設備について話しています。その効率は次の式を使用して計算できます。

ヒーターの温度を決定するには、理想的な熱エンジンの効率を求める公式を使用します。

η = (T 1 - T 2)/T 1 = 1 - T 2 / T 1。

数学的変換を実行すると、次の結果が得られます。

T 1 = T 2 /(1-η)。

T 1 = T 2 /(1- A / Q 1)。

計算してみましょう:

η= 650 J/1000 J = 0.65。

T1 = 400 K / (1-650 J / 1000 J) = 1142.8 K。

答え: η= 65%、T 1 = 1142.8 K。

実際の状況

理想的な熱エンジンは、理想的なプロセスを念頭に置いて設計されています。 仕事は等温プロセスでのみ実行され、その値はカルノー サイクルのグラフによって制限される領域として決定されます。

実際には、温度変化を伴わずに気体の状態変化のプロセスが起こる条件を作り出すことは不可能です。 周囲の物体との熱交換を排除する材料はありません。 断熱プロセスが実行できなくなります。 熱交換の場合、ガス温度は必然的に変化する必要があります。

実際の条件で作成された熱エンジンの効率は、理想的なエンジンの効率とは大きく異なります。 実際のエンジンのプロセスは非常に急速に発生するため、作動物質の体積変化の過程における内部熱エネルギーの変化は、ヒーターからの熱の流入と冷凍機への伝達では補償できないことに注意してください。

その他の熱機関

実際のエンジンはさまざまなサイクルで動作します。

• オットーサイクル: 一定量のプロセスが断熱的に変化し、閉じたサイクルを形成します。
• ディーゼル サイクル: 等圧線、断熱、等平均線、断熱。
• 一定の圧力で発生するプロセスは断熱プロセスに置き換えられ、サイクルが終了します。

現代のテクノロジーの下では、実際のエンジンに平衡プロセスを作成する（理想的なエンジンに近づける）ことは不可能です。 熱機関の効率は、理想的な熱設備と同じ温度条件を考慮しても大幅に低くなります。

しかし、効率計算式の役割を減らすべきではありません。それはまさに、実際のエンジンの効率を高める取り組みのプロセスにおける出発点となるからです。

効率を変える方法

理想的な熱機関と実際の熱機関を比較するとき、後者の冷蔵庫の温度はどのようなものであってもいけないことに注意する価値があります。 通常、大気は冷蔵庫とみなされます。 大気の温度は近似計算でのみ受け入れられます。 経験上、内燃機関 (ICE と略称) の場合と同様、冷却剤の温度はエンジン内の排気ガスの温度と等しいことがわかっています。

ICE は、私たちの世界で最も一般的な熱機関です。 この場合の熱機関の効率は、燃料の燃焼によって生成される温度に依存します。 内燃エンジンと蒸気エンジンの大きな違いは、ヒーターの機能と混合気内の装置の作動流体が統合されていることです。 混合気が燃焼すると、エンジンの可動部分に圧力が発生します。

作動ガスの温度が上昇し、燃料の特性が大幅に変化します。 残念ながら、これを無期限に行うことはできません。 エンジンの燃焼室を構成する材料にはそれぞれ独自の融点があります。 このような材料の耐熱性はエンジンの主な特性であり、効率に大きな影響を与える能力です。

モーター効率の値

入口での作動蒸気の温度が800 K、排気ガスの温度が300 Kであることを考慮すると、この機械の効率は62％です。 実際には、この値は 40% を超えません。 この減少は、タービンケーシングを加熱する際の熱損失により発生します。

内燃機関の最高値は 44% を超えません。 この値を増やすことは近い将来の問題です。 材料と燃料の特性を変えることは、人類の最高の頭脳が取り組んでいる問題です。

検討中の分子を除くすべての分子が静止していると仮定します。 分子は直径 d の球であると考えます。 衝突は、静止している分子の中心が、問題の分子の中心が移動する直線から d 以下の距離にあるときに発生します。 衝突中、分子は移動方向を変え、次の衝突まで直線的に移動します。 したがって、移動する分子の中心は衝突により破線に沿って移動します（図1）。

分子は、直径 2d の壊れた円柱内に中心があるすべての静止分子と衝突します。 分子は 1 秒間に に等しい距離を移動します。 したがって、この間に発生する衝突の数は、全長と半径 d の壊れた円筒の中に中心がある分子の数に等しくなります。 その体積を、対応する真っすぐに伸ばした円柱の体積と等しいとします。つまり、気体の単位体積中に分子が n 個ある場合、1 秒間に問題の分子が衝突する回数は次のようになります。

(3.1.2)

実際には、すべての分子は動きます。 したがって、周囲の分子の運動により、当該分子自体は静止していても一定回数の衝突を経験するため、1 秒間の衝突回数は得られた値よりも若干大きくなります。式 (3.1.2) で、平均速度の代わりに、考慮中の分子の相対運動の平均速度を表す場合、問題の分子が衝突するすべての分子のうちの は削除されます。 実際、式 (3.1.2) が得られたときに想定されたように、入射分子が平均相対速度 で移動する場合、衝突する分子は静止していることがわかります。 したがって、式 (3.1.2) は次の形式で記述する必要があります。

分子が遭遇する角度と速度は明らかに独立した確率変数であるため、平均

最後の等式を考慮すると、式 (3.1.4) は次のように書き換えることができます。

分子の平均自由行程は、粒子が衝突から次の衝突までの自由行程中に移動する平均距離 (λ で示される) です。

各分子の平均自由行程は異なるため、動力学理論では平均自由行程の概念が導入されます(<λ>）。 マグニチュード<λ>は、特定の圧力と温度の値におけるガス分子のセット全体の特性です。

ここで、σ は分子の有効断面積、n は分子の濃度です。

例。 エンジンの平均推力は 882 N です。100 km の走行で 7 kg のガソリンを消費します。 エンジンの効率を測定します。 まずはやりがいのある仕事を見つけてください。 これは、力 F とその影響下で物体がカバーする距離 S の積 Аn=F∙S に等しくなります。 7 kg のガソリンを燃焼させるときに放出される熱量を決定します。これは費やされる仕事になります Az = Q = q∙m、ここで q は燃料の燃焼比熱で、ガソリンの場合は 42∙ に等しくなります。 10^6 J/kg、m はこの燃料の質量です。 エンジン効率は、効率=(F・S)/(q・m)・100%= (882・100000)/(42・10^6・7)・100%=30%と等しくなります。

一般に、ガスによって仕事が行われる熱機関 (内燃機関、蒸気機関、タービンなど) の効率を求めるには、ヒーター Q1 が放出する熱と冷凍機が受け取る熱の差に等しい効率があります。問2、ヒーターと冷蔵庫の発熱量の差を求め、ヒーター効率＝(Q1-Q2)/Q1の発熱量で割ります。 ここで、効率は 0 から 1 までの約数単位で測定され、結果をパーセンテージに変換するには、100 を掛けます。

理想的な熱機関 (カルノー機械) の効率を求めるには、ヒーター T1 と冷凍機 T2 の温度差とヒーター温度効率 = (T1-T2)/T1 の比を求めます。 これは、ヒーターと冷蔵庫の所定の温度における特定のタイプの熱機関の可能な最大効率です。

電気モーターの場合、電力の積として費やされる仕事と、それが完了するまでにかかる時間を求めます。 たとえば、電力 3.2 kW のクレーン電気モーターが 800 kg の荷物を 10 秒で 3.6 m の高さまで持ち上げる場合、その効率は有効仕事の比 Аp=m・g・h に等しくなります。 m は負荷の質量、g≈10 m /s² の自由落下加速度、h – 負荷が持ち上げられた高さ、および費やされた仕事 Az=P∙t、ここで P – エンジン出力、t – 動作時間。 効率を求める公式を取得します=Ap/Az∙100%=(m∙g∙h)/(P∙t)∙100%=%=(800∙10∙3.6)/(3200∙10)∙100% = 90%。

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出典:

• 効率を判断する方法

効率 (効率係数) は、動作効率を特徴付ける無次元の量です。 仕事は、一定期間にわたってプロセスに影響を与える力です。 力の作用にはエネルギーが必要です。 エネルギーは強さに投資され、強さは仕事に投資され、仕事は有効性によって特徴付けられます。

説明書

結果を達成するために費やされるエネルギーを直接決定することによる効率の計算。 それは、エネルギー、強さ、パワーの結果を達成するために必要な単位で表すことができます。
間違いを避けるために、次の図を念頭に置いておくと役立ちます。 最も単純なものには、「ワーカー」、エネルギー源、コントロール、エネルギーの伝導と変換のためのパスと要素などの要素が含まれます。 成果を出すために費やされるエネルギーは、「仕事の道具」だけに費やされるエネルギーです。

次に、結果を達成する過程でシステム全体が実際に消費したエネルギーを決定します。 つまり、「作業ツール」だけでなく、制御装置、エネルギー変換器、さらにはエネルギー伝導経路で消費されるエネルギーもコストに含める必要があります。

次に、次の式を使用して効率を計算します。
効率 = (A / B)*100%、ここで
A – 結果を達成するために必要なエネルギー
B は、結果を達成するためにシステムが実際に費やしたエネルギーです。たとえば、電動工具の作業に 100 kW が費やされ、その間に作業場の電力システム全体が 120 kW を消費しました。 この場合のシステム (作業場電力システム) の効率は、100 kW / 120 kW = 0.83*100% = 83% となります。

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注記

効率の概念は、計画されたエネルギー消費量と実際に消費されたエネルギー消費量の比率を評価するためによく使用されます。 たとえば、計画された作業量 (または作業を完了するのに必要な時間) と、実際に実行された作業および費やした時間の比率です。 ここでは細心の注意を払う必要があります。 たとえば、作業に 200 kW を費やす予定でしたが、100 kW を費やしてしまいました。 あるいは、1 時間で作業を完了する予定だったのに、0.5 時間費やしてしまいました。 どちらの場合も効率は 200% ですが、これは不可能です。 実際、そのような場合には、経済学者が「スタハノフ症候群」と呼ぶ現象、つまり、実際に必要なコストに比べて計画が意図的に過小評価されることが発生します。

役立つアドバイス

1. エネルギーコストは同じ単位で評価する必要があります。

2. システム全体で消費されるエネルギーは、結果を達成するために直接費やされるエネルギーよりも小さくてはなりません。つまり、効率が 100% を超えることはできません。

出典:

• エネルギーの計算方法

ヒント 3: ゲーム World of Tanks での戦車の効率を計算する方法

戦車の効率評価またはその効率は、ゲーム スキルの総合的な指標の 1 つです。 トップクラン、eスポーツチーム、企業への参加を許可する際に考慮されます。 計算式は非常に複雑なので、プレイヤーはさまざまなオンライン計算機を使用します。

計算式

式自体は図に示されています。 この式には次の変数が含まれます。
- R – プレイヤーの戦闘能力。
- K – 破壊された戦車の平均数 (破片の合計数を戦闘の合計数で割ったもの):
- L – 平均タンクレベル。
- S – 検出されたタンクの平均数。
- Ddmg – 戦闘ごとに与えられる平均ダメージ量。
- Ddef – 基本防御ポイントの平均数。
- C – 基地占領ポイントの平均数。

受け取った数字の意味:
- 600 未満 – 悪いプレイヤー。 全プレイヤーの約 6% がそのような効率を持っています。
- 600 ～ 900 – 平均以下のプレイヤー。 全プレイヤーの 25% がそのような効率を持っています。
- 900 ～ 1200 – 平均的なプレーヤー。 プレイヤーの 43% はそのような効率を持っています。
- 1200 以上 – 強力なプレイヤー。 そのようなプレイヤーは約 25% います。
- 1800 人以上 – ユニークなプレイヤー; そのうちの 1% も存在しません。

アメリカのプレーヤーは、次のような WN6 フォーミュラを使用します。
wn6=(1240 – 1040 / (MIN (TIER,6)) ^ 0.164) x フラグ + ダメージ x 530 / (184 x e ^ (0.24 x TIER) + 130) + スポット x 125 + MIN(DEF,2.2) x 100 + ((185 / (0.17+ e^((勝率 - 35) x 0.134))) - 500) x 0.45 + (6-MIN(TIER,6)) x 60

この式では次のようになります。
MIN (TIER,6) – プレイヤーの戦車の平均レベル。6 より大きい場合、値 6 が使用されます。
FRAGS – 破壊された戦車の平均数
TIER – プレイヤーの戦車の平均レベル
DAMAGE – 戦闘中の平均ダメージ
MIN (DEF,2,2) – 撃墜された基地占領ポイントの平均数。値が 2.2 より大きい場合は、2.2 を使用します。
勝率 – 全体的な勝率

ご覧のとおり、この計算式は基本占領ポイント、低レベル車両の破片の数、勝利の割合、およびレーティングに対する初期露出の影響を考慮していません。

Wargeiming はアップデートで、プレイヤーの個人パフォーマンス評価の指標を導入しました。これは、考えられるすべての統計指標を考慮したより複雑な式を使用して計算されます。

効率を上げる方法

式 Kx(350-20xL) から、戦車のレベルが高くなるほど、戦車を破壊するために得られる効率ポイントは少なくなりますが、ダメージを与えるために得られる効率ポイントは多くなることが明らかです。 したがって、低レベルの車両をプレイする場合は、より多くの破片を取得するようにしてください。 高レベルでは、より多くのダメージ（ダメージ）を与えます。 基地を占領するために受け取った、またはノックダウンされたポイントの数は評価にあまり影響せず、占領された基地占領ポイントよりもノックダウンされた占領ポイントの方がより多くの効率ポイントを獲得します。

したがって、ほとんどのプレイヤーは、いわゆるサンドボックスで低いレベルでプレイすることで統計を向上させます。 まず、低レベルのプレイヤーのほとんどはスキルを持たず、スキルや能力を備えた強化された乗組員を使用せず、追加の装備を使用せず、特定の戦車の長所と短所を知りません。

どの車両でプレイするかに関係なく、できるだけ多くの基地占領ポイントを破壊するようにしてください。 小隊戦闘では、小隊内のプレイヤーが連携して行動し、より頻繁に勝利を収めることができるため、有効性評価が大幅に向上します。

「効率」という用語は、「効率係数」というフレーズから派生した略語です。 最も一般的な形式では、消費されたリソースの比率と、それらを使用して実行された作業の結果を表します。

効率

一般に、効率の式は次のように記述できます: n = A*100%/Q。 この式では、記号 n は効率を表し、記号 A は行われた仕事の量を表し、Q は消費されたエネルギーの量を表します。 効率の測定単位はパーセンテージであることを強調しておく価値があります。 理論的には、この係数の最大値は 100% ですが、各機構の動作中に特定のエネルギー損失が発生するため、実際にはそのような指標を達成することはほとんど不可能です。

エンジン効率

現代の自動車のメカニズムの重要なコンポーネントの 1 つである内燃機関 (ICE) も、ガソリンまたはディーゼル燃料という資源の使用に基づくシステムの一種です。 したがって、効率値を計算できます。

自動車業界のあらゆる技術的成果にも関わらず、内燃エンジンの標準効率は依然として非常に低いままです。エンジンの設計に使用されている技術に応じて、効率は 25% から 60% の範囲にあります。 これは、そのようなエンジンの動作には重大なエネルギー損失が伴うという事実によるものです。

したがって、内燃エンジンの効率の最大の損失は冷却システムの動作時に発生し、冷却システムはエンジンによって生成されるエネルギーの最大 40% を占めます。 エネルギーのかなりの部分（最大 25%）は、排気ガス除去のプロセスで失われ、単に大気中に運ばれます。 最後に、エンジンによって生成されるエネルギーの約 10% は、内燃エンジンのさまざまな部品間の摩擦を克服するために費やされます。

したがって、自動車産業に携わる技術者やエンジニアは、列挙されたすべての項目の損失を削減してエンジンの効率を向上させるために多大な努力を払っています。 したがって、冷却システムの動作に関連する損失を削減することを目的とした設計開発の主な方向は、熱伝達が起こる表面のサイズを縮小する試みと関連しています。 ガス交換プロセスにおける損失の削減は、主にターボ過給システムを使用して行われ、摩擦に関連する損失の削減は、エンジンの設計時に、より技術的に進んだ最新の材料を使用することによって行われます。 専門家によると、これらの技術やその他の技術を使用すると、内燃エンジンの効率を 80% 以上に高めることができます。

トピックに関するビデオ

出典:

• 専門家の目から見た内燃機関とその埋蔵量、開発の展望について