Pentru a construi un motor termic care poate funcționa folosind căldura, trebuie să creați anumite condiții. În primul rând, un motor termic trebuie să funcționeze într-un mod ciclic, în care o serie de procese termodinamice succesive creează un ciclu. Ca rezultat al ciclului, gazul închis într-un cilindru cu un piston mobil funcționează. Dar un ciclu nu este suficient pentru o mașină care funcționează periodic; trebuie să efectueze cicluri din nou și din nou pentru un anumit timp. Munca totală efectuată într-un anumit timp în realitate, împărțită la timp, dă un alt concept important - puterea.
La mijlocul secolului al XIX-lea au fost create primele motoare termice. Au funcționat, dar au consumat o cantitate mare de căldură obținută din arderea combustibilului. Atunci fizicienii teoreticieni și-au pus întrebări: „Cum funcționează gazul într-un motor termic? Cum să obțineți performanță maximă cu un consum minim de combustibil?”
Pentru a efectua o analiză a lucrărilor de gaz a fost necesar să se introducă un întreg sistem de definiții și concepte. Totalitatea tuturor definițiilor a creat o întreagă direcție științifică, care a primittitlu: „Termodinamică tehnică”. În termodinamică s-au făcut o serie de ipoteze care nu înlătură în niciun fel concluziile principale. Fluidul de lucru este un gaz efemer (neexistent în natură), care poate fi comprimat la volum zero, ale cărui molecule nu interacționează între ele. În natură, există doar gaze reale care au proprietăți bine definite care sunt diferite de un gaz ideal.
Pentru a lua în considerare modele ale dinamicii fluidului de lucru, au fost propuse legile termodinamicii, care descriu principalele procese termodinamice, cum ar fi:
- procesul izocoric este un proces care se realizează fără modificarea volumului fluidului de lucru. Condiție de proces izocoric, v=const;
- izobaric este un proces care se realizează fără modificarea presiunii din fluidul de lucru. Stare de proces izobar, P=const;
- izoterm (izotermic) este un proces care se realizează menținând temperatura la un anumit nivel. Stare de proces izotermă, T=const;
- adiabatic (adiabatic, așa cum îl numesc inginerii moderni de căldură) este un proces efectuat în spațiu fără schimb de căldură cu mediul. Condiția procesului adiabatic, q=0;
- proces politropic - acesta este cel mai generalizat proces care descrie toate procesele termodinamice de mai sus, precum și toate celel alte posibile de realizat într-un cilindru cu piston mobil.
Procesul
Procesul
Procesul
În timpul creării primelor motoare termice, ei căutau un ciclu în care puteți obține cea mai mare eficiență(eficienţă). Sadi Carnot, explorând totalitatea proceselor termodinamice, a ajuns dintr-un capriciu la dezvoltarea propriului ciclu, care a primit numele - ciclul Carnot. Se efectuează secvenţial un proces de compresie izotermă, apoi adiabatică. Fluidul de lucru după efectuarea acestor procese are o rezervă de energie internă, dar ciclul nu este încă finalizat, astfel că fluidul de lucru se extinde și realizează un proces de expansiune izotermă. Pentru a finaliza ciclul și a reveni la parametrii inițiali ai fluidului de lucru, se efectuează un proces de expansiune adiabatică.
Carnot a dovedit că randamentul în ciclul său atinge un maxim și depinde doar de temperaturile celor două izoterme. Cu cât diferența dintre ele este mai mare, cu atât eficiența termică este mai mare. Încercările de a crea un motor termic conform ciclului Carnot nu au avut succes. Acesta este un ciclu ideal care nu poate fi îndeplinit. Dar a dovedit principiul principal al celei de-a doua legi a termodinamicii despre imposibilitatea de a obține un lucru egal cu costul energiei termice. Au fost formulate o serie de definiții pentru cea de-a doua lege a termodinamicii, pe baza căreia Rudolf Clausius a introdus conceptul de entropie. Principala concluzie a cercetării sale este că entropia este în continuă creștere, ceea ce duce la „moartea” termică.
Cea mai importantă realizare a lui Clausius a fost înțelegerea esenței procesului adiabatic, atunci când este efectuat, entropia fluidului de lucru nu se modifică. Prin urmare, după Clausius, procesul adiabatic este s=const. Aici s este entropia, care dă un alt nume procesului efectuat fără furnizarea sau îndepărtarea de căldură, procesul isentropic. Omul de știință căutaun astfel de ciclu al unui motor termic în care nu ar exista o creștere a entropiei. Dar, din păcate, nu a reușit să facă acest lucru. Prin urmare, el a dedus că un motor termic nu poate fi creat deloc.
Dar nu toți cercetătorii au fost atât de pesimiști. Căutau cicluri reale pentru motoarele termice. Ca urmare a căutării lor, Nikolaus August Otto și-a creat propriul ciclu de motor termic, care este acum implementat în motoarele pe benzină. Aici se efectuează procesul adiabatic de comprimare a fluidului de lucru și alimentarea cu căldură izocoră (arderea combustibilului la un volum constant), apoi apare dilatarea adiabatică (lucrarea este efectuată de fluidul de lucru în procesul de creștere a volumului acestuia) și izocor îndepărtarea căldurii. Primele motoare cu ardere internă ale ciclului Otto foloseau gaze combustibile drept combustibil. Mult mai târziu, au fost inventate carburatoarele, care au început să creeze amestecuri de aer-benzină-aer cu vapori de benzină și să le alimenteze cilindrul motorului.
În ciclul Otto, amestecul combustibil este comprimat, astfel încât compresia sa este relativ mică - amestecul combustibil tinde să detoneze (explodează când sunt atinse presiuni și temperaturi critice). Prin urmare, munca în timpul procesului de compresie adiabatică este relativ mică. Un alt concept este introdus aici: raportul de compresie este raportul dintre volumul total și volumul de compresie.
Căutarea modalităților de a crește eficiența energetică a combustibilului a continuat. O creștere a eficienței a fost observată la o creștere a raportului de compresie. Rudolf Diesel și-a dezvoltat propriul ciclu în care este furnizată căldurala presiune constantă (în proces izobaric). Ciclul său a stat la baza motoarelor care utilizează motorină (se mai numește și motorină). Ciclul Diesel nu comprimă amestecul combustibil, ci aerul. Prin urmare, se spune că munca este realizată într-un proces adiabatic. Temperatura și presiunea la sfârșitul compresiei sunt ridicate, astfel încât combustibilul este injectat prin injectoare. Se amestecă cu aerul fierbinte, formează un amestec combustibil. Se arde, în timp ce energia internă a fluidului de lucru crește. În plus, expansiunea gazului merge de-a lungul adiabaticei, se face o cursă de lucru.
Încercarea de a implementa ciclul Diesel în motoarele termice a eșuat, așa că Gustav Trinkler a creat ciclul Trinkler combinat. Este folosit în motoarele diesel de astăzi. În ciclul Trinkler, căldura este furnizată de-a lungul izocorului și apoi de-a lungul izobarei. Abia după aceea se realizează procesul adiabatic de expansiune a fluidului de lucru.
Prin analogie cu motoarele termice alternative, motoarele cu turbină funcționează și ele. Dar în ele, procesul de îndepărtare a căldurii după finalizarea expansiunii adiabatice utile a gazului se desfășoară de-a lungul izobarei. La aeronavele cu motoare cu turbină cu gaz și turbopropulsoare, procesul adiabatic are loc de două ori: în timpul compresiei și expansiunii.
Pentru a fundamenta toate conceptele fundamentale ale procesului adiabatic s-au propus formule de calcul. Aici apare o cantitate importantă, numită exponent adiabatic. Valoarea lui pentru un gaz biatomic (oxigenul și azotul sunt principalele gaze biatomice prezente în aer) este 1,4.exponentul adiabatic se folosesc încă două caracteristici interesante și anume: capacitățile termice izobară și izocoră ale fluidului de lucru. Raportul lor k=Cp/Cv este exponentul adiabatic.
De ce este folosit procesul adiabatic în ciclurile teoretice ale motoarelor termice? De fapt, se realizează procese politropice, dar datorită faptului că au loc cu o viteză mare, se obișnuiește să presupunem că nu există schimb de căldură cu mediul.
90% din energie electrică este generată de centrale termice. Ei folosesc vapori de apă ca fluid de lucru. Se obține prin fierberea apei. Pentru a crește potențialul de lucru al aburului, acesta este supraîncălzit. Aburul supraîncălzit este apoi alimentat la presiune ridicată la o turbină cu abur. Aici are loc și procesul adiabatic de expansiune a aburului. Turbina primește rotație, este transferată la un generator electric. Aceasta, la rândul său, generează energie electrică pentru consumatori. Turbinele cu abur funcționează pe ciclul Rankine. În mod ideal, creșterea eficienței este asociată și cu o creștere a temperaturii și presiunii vaporilor de apă.
După cum se poate observa din cele de mai sus, procesul adiabatic este foarte frecvent în producția de energie mecanică și electrică.
