El funcionament de molts tipus de màquines es caracteritza per un indicador tan important com l'eficiència d'un motor tèrmic. Cada any, els enginyers s'esforcen per crear equips més avançats que, amb uns costos de combustible més baixos, donaran el màxim resultat del seu ús.
Dispositiu de motor tèrmic
Abans d'entendre què és l'eficiència, cal entendre com funciona aquest mecanisme. Sense conèixer els principis de la seva acció, és impossible esbrinar l'essència d'aquest indicador. Un motor tèrmic és un dispositiu que funciona utilitzant energia interna. Qualsevol motor tèrmic que converteix l'energia tèrmica en energia mecànica utilitza l'expansió tèrmica de les substàncies amb l'augment de la temperatura. En els motors d'estat sòlid, és possible no només canviar el volum de la matèria, sinó també la forma del cos. El funcionament d'aquest motor està subjecte a les lleis de la termodinàmica.
Principi de funcionament
Per entendre com funciona un motor tèrmic, cal tenir en compte els conceptes bàsicsels seus dissenys. Per al funcionament del dispositiu es necessiten dos cossos: calent (escalfador) i fred (nevera, refrigerador). El principi de funcionament dels motors tèrmics (l'eficiència dels motors tèrmics) depèn del seu tipus. Sovint, el condensador de vapor actua com a refrigerador i qualsevol tipus de combustible que es cremi al forn actua com a escalfador. L'eficiència d'un motor tèrmic ideal es troba amb la fórmula següent:
Eficiència=(Teating - Refrigeració)/ Theating. x 100%.
Al mateix temps, l'eficiència d'un motor real mai pot superar el valor obtingut segons aquesta fórmula. A més, aquest indicador mai no superarà el valor anterior. Per augmentar l'eficiència, sovint augmenta la temperatura de l'escalfador i redueix la temperatura de la nevera. Tots dos processos estaran limitats per les condicions reals de funcionament de l'equip.
Eficiència del motor tèrmic (fórmula)
Durant el funcionament d'un motor tèrmic es treballa, ja que el gas comença a perdre energia i es refreda fins a una determinada temperatura. Aquest últim acostuma a estar uns graus per sobre de l'atmosfera circumdant. Aquesta és la temperatura de la nevera. Aquest dispositiu especial està dissenyat per refredar-se amb la posterior condensació del vapor d'escapament. Quan hi ha condensadors, la temperatura de la nevera de vegades és inferior a la temperatura ambient.
En una màquina tèrmica, el cos, quan s'escalfa i s'expandeix, no és capaç de donar tota la seva energia interna per treballar. Una part de la calor es transferirà a la nevera juntament amb els gasos d'escapament o el vapor. Aquesta partl'energia tèrmica interna es perd inevitablement. Durant la combustió del combustible, el cos de treball rep una certa quantitat de calor Q1 de l'escalfador. Al mateix temps, encara funciona A, durant el qual transfereix part de l'energia tèrmica a la nevera: Q2<Q1.
EFICIÈNCIA caracteritza l'eficiència del motor en el camp de la conversió i transmissió d'energia. Aquest indicador sovint es mesura com a percentatge. Fórmula d'eficiència:
ηA/Qx100%, on Q és l'energia gastada, A és el treball útil.
A partir de la llei de conservació de l'energia, podem concloure que l'eficiència sempre serà inferior a un. En altres paraules, mai hi haurà feina més útil que l'energia gastada.
L'eficiència del motor és la relació entre el treball útil i l'energia subministrada per l'escalfador. Es pot representar amb la fórmula següent:
η=(Q1-Q2)/ Q1, on Q 1: calor rebuda de l'escalfador, i Q2: donada a la nevera.
Funcionament del motor tèrmic
El treball realitzat per un motor tèrmic es calcula mitjançant la fórmula següent:
A=|QH| - |QX|, on A és treball, QH és la quantitat de calor rebuda de l'escalfador, QX: la quantitat de calor donada a la nevera.
Eficiència del motor tèrmic (fórmula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
És igual a la relació entre el treball realitzat pel motor i la quantitat decalor. Una part de l'energia tèrmica es perd durant aquesta transferència.
motor Carnot
L'eficiència màxima d'un motor tèrmic s'observa al dispositiu Carnot. Això es deu al fet que en aquest sistema només depèn de la temperatura absoluta de l'escalfador (Тн) i del refrigerador (Тх). L'eficiència d'un motor tèrmic que funciona segons el cicle de Carnot està determinada per la fórmula següent:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Les lleis de la termodinàmica ens van permetre calcular la màxima eficiència possible. Per primera vegada aquest indicador va ser calculat pel científic i enginyer francès Sadi Carnot. Va inventar un motor tèrmic que funcionava amb gas ideal. Funciona en un cicle de 2 isotermes i 2 adiabats. El principi del seu funcionament és bastant simple: s'introdueix un contacte de l'escalfador al recipient amb gas, com a resultat del qual el fluid de treball s'expandeix de manera isotèrmica. Al mateix temps, funciona i rep una certa quantitat de calor. Després d'aïllar tèrmicament el vaixell. Malgrat això, el gas continua expandint-se, però ja de manera adiabàtica (sense intercanvi de calor amb el medi ambient). En aquest moment, la seva temperatura baixa a la nevera. En aquest moment, el gas està en contacte amb la nevera, com a conseqüència de la qual cosa li dóna una certa quantitat de calor durant la compressió isomètrica. A continuació, el vaixell es torna a aïllar tèrmicament. En aquest cas, el gas es comprimeix adiabàticament fins al seu volum i estat originals.
Varietats
En el nostre temps, hi ha molts tipus de motors tèrmics que funcionen amb diferents principis i amb diferents combustibles. Tots tenen la seva pròpia eficiència. Això inclouel següent:
• Motor de combustió interna (pistó), que és un mecanisme on part de l'energia química del combustible en combustió es converteix en energia mecànica. Aquests dispositius poden ser de gas i líquids. Hi ha motors de 2 i 4 temps. Poden tenir un cicle de treball continu. Segons el mètode de preparació d'una barreja de combustible, aquests motors són de carburador (amb formació de barreja externa) i dièsel (amb intern). Segons els tipus de convertidor d'energia, es divideixen en pistó, jet, turbina, combinats. L'eficiència d'aquestes màquines no supera el 0,5.
• Motor Stirling: un dispositiu en què el fluid de treball es troba en un espai tancat. És una mena de motor de combustió externa. El principi del seu funcionament es basa en el refredament/escalfament periòdic del cos amb la producció d'energia a causa d'un canvi en el seu volum. És un dels motors més eficients.
• Motor de turbina (rotativa) amb combustió externa de combustible. Aquestes instal·lacions es troben més sovint a les centrals tèrmiques.
• El gel de turbina (rotativa) s'utilitza a les centrals tèrmiques en mode punta. No tan comú com altres.
• Un motor turbohèlix genera part de l'empenta a causa de l'hèlix. La resta prové dels gasos d'escapament. El seu disseny és un motor rotatiu (turbina de gas), a l'eix del qual hi ha muntada una hèlix.
Altres tipus de motors tèrmics
• Coets, turborreactors i motors a reacció que reben empenta pel retrocésgasos d'escapament.
• Els motors d'estat sòlid utilitzen sòlids com a combustible. Quan es treballa, no és el seu volum el que canvia, sinó la seva forma. El funcionament de l'equip utilitza una diferència de temperatura extremadament baixa.
Com millorar l'eficiència
És possible augmentar l'eficiència d'un motor tèrmic? La resposta s'ha de buscar en termodinàmica. Estudia les transformacions mútues de diferents tipus d'energia. S'ha establert que és impossible convertir tota l'energia tèrmica disponible en elèctrica, mecànica, etc. Al mateix temps, la seva conversió en energia tèrmica es produeix sense cap restricció. Això és possible a causa del fet que la naturalesa de l'energia tèrmica es basa en el moviment desordenat (caòtic) de les partícules.
Com més s'escalfi el cos, més ràpid es mouran les molècules que el formen. El moviment de les partícules es tornarà encara més erràtic. Juntament amb això, tothom sap que l'ordre es pot convertir fàcilment en un caos, cosa que és molt difícil d'ordenar.
