Trabajo realizado por la fórmula del motor. Principio de funcionamiento de los motores térmicos.

El funcionamiento de muchos tipos de máquinas se caracteriza por un indicador tan importante como Eficiencia térmica motor. Cada año, los ingenieros se esfuerzan por crear equipos más avanzados que, con un menor consumo de combustible, proporcionen el máximo resultado de su uso.

Dispositivo de motor térmico

Antes de entender qué es la eficiencia, es necesario entender cómo funciona este mecanismo. Sin conocer los principios de su acción, es imposible descubrir la esencia de este indicador. Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo utilizando energía interna. Cualquier motor térmico que convierta energía térmica en energía mecánica utiliza la expansión térmica de sustancias a medida que aumenta la temperatura. En los motores de estado sólido, es posible cambiar no sólo el volumen de una sustancia, sino también la forma de la carrocería. El funcionamiento de un motor de este tipo está sujeto a las leyes de la termodinámica.

Principio de operación

Para entender cómo funciona un motor térmico, es necesario considerar los conceptos básicos de su diseño. Para el funcionamiento del dispositivo se necesitan dos cuerpos: caliente (calentador) y frío (refrigerador, refrigerador). El principio de funcionamiento de los motores térmicos (eficiencia del motor térmico) depende de su tipo. A menudo, el refrigerador es un condensador de vapor y el calentador es cualquier tipo de combustible que se quema en la cámara de combustión. La eficiencia de una máquina térmica ideal se encuentra mediante la siguiente fórmula:

Eficiencia = (Theat - Cool) / Theat. x 100%.

Al mismo tiempo, la eficiencia motor real nunca podrá superar el valor obtenido según esta fórmula. Además, esta cifra nunca superará el valor mencionado anteriormente. Para aumentar la eficiencia, la mayoría de las veces se aumenta la temperatura del calentador y se disminuye la temperatura del refrigerador. Ambos procesos estarán limitados por las condiciones reales de funcionamiento del equipo.

Cuando un motor térmico funciona, se realiza trabajo, ya que el gas comienza a perder energía y se enfría hasta una determinada temperatura. Esta última suele estar varios grados por encima de la atmósfera circundante. Esta es la temperatura del frigorífico. Este dispositivo especial está diseñado para enfriar y posterior condensación del vapor de escape. Cuando hay condensadores, la temperatura del refrigerador a veces es más baja que la temperatura ambiente.

En una máquina térmica, cuando un cuerpo se calienta y se expande, no es capaz de ceder toda su energía interna para realizar trabajo. Parte del calor se transferirá al frigorífico junto con los gases de escape o el vapor. Esta parte de la energía térmica interna se pierde inevitablemente. Durante la combustión del combustible, el fluido de trabajo recibe una cierta cantidad de calor Q 1 del calentador. Al mismo tiempo, todavía realiza el trabajo A, durante el cual transfiere parte de la energía térmica al frigorífico: Q 2

La eficiencia caracteriza la eficiencia del motor en el campo de la conversión y transmisión de energía. Este indicador a menudo se mide como un porcentaje. Fórmula de eficiencia:

η*A/Qx100%, donde Q es la energía gastada, A es el trabajo útil.

Basándonos en la ley de conservación de la energía, podemos concluir que la eficiencia siempre será menor que la unidad. En otras palabras, nunca habrá trabajo más útil que la energía gastada en él.

La eficiencia del motor es la relación entre el trabajo útil y la energía suministrada por el calentador. Se puede representar en forma de la siguiente fórmula:

η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1, donde Q 1 es el calor recibido del calentador y Q 2 se le da al refrigerador.

Funcionamiento del motor térmico

El trabajo realizado por una máquina térmica se calcula mediante la siguiente fórmula:

A = |Q H | - |Q X |, donde A es trabajo, Q H es la cantidad de calor recibida del calentador, Q X es la cantidad de calor entregada al enfriador.

|Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H |

Es igual a la relación entre el trabajo realizado por el motor y la cantidad de calor recibido. Durante esta transferencia se pierde parte de la energía térmica.

motor carnot

La máxima eficiencia de una máquina térmica se observa en el dispositivo de Carnot. Esto se debe a que en este sistema depende únicamente de la temperatura absoluta del calentador (Tn) y del enfriador (Tx). La eficiencia de una máquina térmica que funciona según el ciclo de Carnot está determinada por la siguiente fórmula:

(Tn - Tx)/ Tn = - Tx - Tn.

Las leyes de la termodinámica permitieron calcular la máxima eficiencia posible. Este indicador fue calculado por primera vez por el científico e ingeniero francés Sadi Carnot. Inventó una máquina térmica que funcionaba con un gas ideal. Funciona en un ciclo de 2 isotermas y 2 adiabats. El principio de su funcionamiento es bastante simple: se conecta un calentador a un recipiente con gas, como resultado de lo cual el fluido de trabajo se expande isotérmicamente. Al mismo tiempo, funciona y recibe una determinada cantidad de calor. Posteriormente el recipiente se aísla térmicamente. A pesar de ello, el gas continúa expandiéndose, pero de forma adiabática (sin intercambio de calor con el medio ambiente). En este momento, su temperatura baja a la de un frigorífico. En este momento, el gas entra en contacto con el frigorífico, por lo que desprende una determinada cantidad de calor durante la compresión isométrica. Luego el recipiente se vuelve a aislar térmicamente. En este caso, el gas se comprime adiabáticamente hasta su volumen y estado originales.

Variedades

Hoy en día, existen muchos tipos de motores térmicos que funcionan según diferentes principios y con diferentes combustibles. Todos tienen su propia eficiencia. Estos incluyen lo siguiente:

Un motor de combustión interna (pistón), que es un mecanismo donde parte de la energía química de la quema del combustible se convierte en energía mecánica. Estos dispositivos pueden ser gaseosos y líquidos. Hay motores de 2 y 4 tiempos. Pueden tener un ciclo de trabajo continuo. Según el método de preparación de la mezcla de combustible, dichos motores son de carburador (con formación de mezcla externa) y diésel (con formación interna). Según el tipo de convertidor de energía, se dividen en de pistón, de chorro, de turbina y combinados. La eficiencia de tales máquinas no supera el 0,5.

Un motor Stirling es un dispositivo en el que el fluido de trabajo se encuentra en un espacio confinado. Es un tipo de motor de combustión externa. El principio de su funcionamiento se basa en el enfriamiento/calentamiento periódico del cuerpo con la producción de energía debido a cambios en su volumen. Este es uno de los motores más eficientes.

Motor de turbina (rotativo) con combustión externa de combustible. Estas instalaciones se encuentran con mayor frecuencia en centrales térmicas.

Los motores de combustión interna de turbina (rotativos) se utilizan en centrales térmicas en modo pico. No tan extendido como otros.

Un motor de turbina genera parte de su empuje a través de su hélice. El resto lo obtiene de los gases de escape. Su diseño es un motor rotativo (turbina de gas), en cuyo eje está montada una hélice.

Otros tipos de motores térmicos

Motores de cohetes, turborreactores y a reacción que obtienen empuje de los gases de escape.

Los motores de estado sólido utilizan materia sólida como combustible. Durante el funcionamiento, no cambia su volumen, sino su forma. Al operar el equipo, se utiliza una diferencia de temperatura extremadamente pequeña.

¿Cómo se puede aumentar la eficiencia?

¿Es posible aumentar la eficiencia de un motor térmico? La respuesta debe buscarse en la termodinámica. Estudia las transformaciones mutuas de diferentes tipos de energía. Se ha establecido que es imposible convertir toda la energía térmica disponible en eléctrica, mecánica, etc. Sin embargo, su conversión en energía térmica se produce sin restricciones. Esto es posible debido al hecho de que la naturaleza de la energía térmica se basa en el movimiento desordenado (caótico) de partículas.

Cuanto más se calienta un cuerpo, más rápido se moverán las moléculas que lo constituyen. El movimiento de partículas será aún más errático. Además de esto, todo el mundo sabe que el orden puede convertirse fácilmente en caos, lo cual es muy difícil de ordenar.

Eficiencia del motor térmico. Según la ley de conservación de la energía, el trabajo realizado por el motor es igual a:

donde es el calor recibido del calentador, es el calor entregado al refrigerador.

La eficiencia de un motor térmico es la relación entre el trabajo realizado por el motor y la cantidad de calor recibido del calentador:

Dado que todos los motores transfieren cierta cantidad de calor al refrigerador, en todos los casos

Valor máximo de eficiencia de los motores térmicos. El ingeniero y científico francés Sadi Carnot (1796 1832) en su obra "Reflexiones sobre la fuerza motriz del fuego" (1824) se propuso un objetivo: descubrir en qué condiciones el funcionamiento de un motor térmico será más eficaz, es decir, bajo qué condiciones el motor tendrá la máxima eficiencia.

A Carnot se le ocurrió una máquina térmica ideal con un gas ideal como fluido de trabajo. Calculó la eficiencia de esta máquina trabajando con un calentador de temperatura y un refrigerador de temperatura.

El significado principal de esta fórmula es que, como demostró Carnot, basándose en la segunda ley de la termodinámica, cualquier máquina térmica real que funcione con un calentador de temperatura y un refrigerador de temperatura no puede tener una eficiencia que exceda la eficiencia de una máquina térmica ideal.

La fórmula (4.18) da el límite teórico para el valor máximo de eficiencia de los motores térmicos. Muestra que cuanto mayor es la temperatura del calentador y menor es la temperatura del refrigerador, más eficiente es un motor térmico. Sólo a una temperatura del frigorífico igual al cero absoluto,

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 (cuerpo sólido) tiene una resistencia al calor o resistencia al calor limitada. Cuando se calienta, pierde gradualmente sus propiedades elásticas y, a una temperatura suficientemente alta, se funde.

Ahora los principales esfuerzos de los ingenieros están dirigidos a aumentar la eficiencia de los motores reduciendo la fricción de sus piezas, las pérdidas de combustible debido a una combustión incompleta, etc. Las oportunidades reales para aumentar la eficiencia siguen siendo grandes. Así, para una turbina de vapor, las temperaturas inicial y final del vapor son aproximadamente las siguientes: A estas temperaturas, el valor máximo de eficiencia es:

El valor real de la eficiencia debido a varios tipos de pérdidas de energía es igual a:

Aumentar la eficiencia de los motores térmicos y acercarla al máximo posible es la tarea técnica más importante.

Motores térmicos y conservación de la naturaleza. El uso generalizado de motores térmicos para obtener energía que sea más conveniente para su uso, en comparación con

todos los demás tipos de procesos de producción están asociados con impactos ambientales.

Según la segunda ley de la termodinámica, la producción de energía eléctrica y mecánica no puede, en principio, llevarse a cabo sin liberar cantidades significativas de calor al medio ambiente. Esto no puede dejar de conducir a un aumento gradual de la temperatura media en la Tierra. Ahora el consumo de energía es de unos 1010 kW. Cuando se alcanza esta potencia, la temperatura media aumentará notablemente (aproximadamente un grado). Un aumento adicional de la temperatura podría representar una amenaza de derretimiento de los glaciares y un aumento catastrófico del nivel del mar.

Pero esto no agota las consecuencias negativas del uso de motores térmicos. Los hornos de las centrales térmicas, los motores de combustión interna de los automóviles, etc. emiten continuamente a la atmósfera sustancias nocivas para las plantas, los animales y los seres humanos: compuestos de azufre (durante la combustión del carbón), óxidos de nitrógeno, hidrocarburos, monóxido de carbono (CO), etc. Un peligro especial en este sentido son los automóviles, cuyo número está creciendo de manera alarmante y la purificación de los gases de escape es difícil. Las centrales nucleares se enfrentan al problema de la eliminación de residuos radiactivos peligrosos.

Además, el uso de turbinas de vapor en las centrales eléctricas requiere grandes superficies para estanques para enfriar el vapor de escape. Con el aumento de la capacidad de las centrales eléctricas, la necesidad de agua aumenta considerablemente. En 1980, nuestro país necesitaba alrededor del agua para estos fines, es decir, alrededor del 35% del suministro de agua a todos los sectores de la economía.

Todo esto plantea una serie de problemas graves para la sociedad. Además de la tarea más importante de aumentar la eficiencia de los motores térmicos, es necesario tomar una serie de medidas para proteger el medio ambiente. Es necesario aumentar la eficiencia de las estructuras que evitan la liberación de sustancias nocivas a la atmósfera; lograr una combustión más completa del combustible en los motores de automóviles. Ya no se permite el uso de vehículos con un alto contenido de CO en los gases de escape. Se está discutiendo la posibilidad de crear vehículos eléctricos que puedan competir con los convencionales y la posibilidad de utilizar combustible sin sustancias nocivas en los gases de escape, por ejemplo, en motores que funcionan con una mezcla de hidrógeno y oxígeno.

Para ahorrar espacio y recursos hídricos, es aconsejable construir complejos completos de centrales eléctricas, principalmente nucleares, con un ciclo cerrado de suministro de agua.

Otra dirección de los esfuerzos que se están realizando es aumentar la eficiencia en el uso de la energía y luchar por su ahorro.

Resolver los problemas enumerados anteriormente es vital para la humanidad. Y estos problemas con el máximo éxito pueden

resolverse en una sociedad socialista con un desarrollo económico planificado en todo el país. Pero organizar la protección del medio ambiente requiere esfuerzos a escala global.

1. ¿Qué procesos se llaman irreversibles? 2. Nombra los procesos irreversibles más típicos. 3. Dé ejemplos de procesos irreversibles no mencionados en el texto. 4. Formule la segunda ley de la termodinámica. 5. Si los ríos fluyeran al revés, ¿significaría esto una violación de la ley de conservación de la energía? 6. ¿Qué dispositivo se llama motor térmico? 7. ¿Cuál es la función del calentador, el refrigerador y el fluido de trabajo del motor térmico? 8. ¿Por qué los motores térmicos no pueden utilizar la energía interna del océano como fuente de energía? 9. ¿Cuál es la eficiencia de una máquina térmica?

10. ¿Cuál es el valor máximo posible de eficiencia de una máquina térmica?

Desde la antigüedad, la gente ha intentado convertir la energía en trabajo mecánico. Convirtieron la energía cinética del viento, la energía potencial del agua, etc. A partir del siglo XVIII comenzaron a aparecer máquinas que convertían la energía interna del combustible en trabajo. Estas máquinas funcionaban gracias a motores térmicos.

Un motor térmico es un dispositivo que convierte la energía térmica en trabajo mecánico debido a la expansión (con mayor frecuencia de gases) debido a las altas temperaturas.

Cualquier motor térmico tiene los siguientes componentes:

• un elemento calefactor. Un cuerpo con una temperatura alta en relación con su entorno.
• Trabajando fluidamente. Dado que la expansión proporciona trabajo, este elemento debería expandirse bien. Normalmente se utiliza gas o vapor.
• Enfriador. Cuerpo con baja temperatura.

El fluido de trabajo recibe energía térmica del calentador. Como resultado, comienza a expandirse y a funcionar. Para que el sistema vuelva a funcionar, es necesario devolverlo a su estado original. Por lo tanto, el fluido de trabajo se enfría, es decir, el exceso de energía térmica se vierte, por así decirlo, en el elemento de enfriamiento. Y el sistema vuelve a su estado original, luego el proceso se repite nuevamente.

Cálculo de eficiencia

Para calcular la eficiencia, introducimos la siguiente notación:

P 1: cantidad de calor recibido del elemento calefactor

A’– Trabajo realizado por el fluido de trabajo

P 2: cantidad de calor que recibe el fluido de trabajo del enfriador

Durante el proceso de enfriamiento, el cuerpo transfiere calor, por lo que Q 2< 0.

El funcionamiento de un dispositivo de este tipo es un proceso cíclico. Esto significa que después de completar un ciclo completo, la energía interna volverá a su estado original. Entonces, de acuerdo con la primera ley de la termodinámica, el trabajo realizado por el fluido de trabajo será igual a la diferencia entre la cantidad de calor recibido del calentador y el calor recibido del enfriador:

Q 2 es un valor negativo, por lo que se toma módulo

La eficiencia se expresa como la relación entre el trabajo útil y el trabajo total realizado por el sistema. En este caso, el trabajo total será igual a la cantidad de calor que se gasta en calentar el fluido de trabajo. Toda la energía gastada se expresa mediante Q 1.

« Física - décimo grado"

Para resolver problemas, es necesario utilizar expresiones conocidas para determinar la eficiencia de las máquinas térmicas y tener en cuenta que la expresión (13.17) es válida sólo para una máquina térmica ideal.

Tarea 1.

En la caldera de una máquina de vapor la temperatura es de 160°C y la temperatura del refrigerador es de 10°C.
¿Cuál es el trabajo máximo que teóricamente puede realizar una máquina si se quema carbón que pesa 200 kg con un calor específico de combustión de 2,9 · 10 7 J/kg en un horno con una eficiencia del 60%?

Solución.

El trabajo máximo puede ser realizado por una máquina térmica ideal que funciona según el ciclo de Carnot, cuya eficiencia es η = (T 1 - T 2)/T 1, donde T 1 y T 2 son las temperaturas absolutas del calentador y refrigerador. Para cualquier motor térmico, la eficiencia está determinada por la fórmula η = A/Q 1, donde A es el trabajo realizado por el motor térmico, Q 1 es la cantidad de calor que recibe la máquina del calentador.
De las condiciones del problema se desprende claramente que Q 1 es parte de la cantidad de calor liberado durante la combustión del combustible: Q 1 = η 1 mq.

Entonces, ¿dónde está A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1,2 10 9 J?

Tarea 2.

Una máquina de vapor con una potencia de N = 14,7 kW consume combustible que pesa m = 8,1 kg por hora de funcionamiento, con un calor específico de combustión q = 3,3 · 10 7 J/kg.
Temperatura de la caldera 200 °C, frigorífico 58 °C.
Determine la eficiencia de esta máquina y compárela con la eficiencia de un motor térmico ideal.

Solución.

La eficiencia de un motor térmico es igual a la relación entre el trabajo mecánico completado A y la cantidad de calor gastado Qlt liberado durante la combustión del combustible.
Cantidad de calor Q 1 = mq.

Trabajo realizado durante el mismo tiempo A = Nt.

Así, η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, o η ≈ 20%.

Para un motor térmico ideal η < η ид.

Tarea 3.

Una máquina térmica ideal con eficiencia η opera en un ciclo inverso (figura 13.15).

¿Cuál es la cantidad máxima de calor que se puede extraer del refrigerador realizando el trabajo mecánico A?

Dado que la máquina de refrigeración funciona en un ciclo inverso, para que el calor se transfiera de un cuerpo menos calentado a uno más calentado, es necesario que fuerzas externas realicen un trabajo positivo.
Diagrama esquemático de una máquina de refrigeración: se toma una cantidad de calor Q 2 del refrigerador, fuerzas externas realizan trabajo y una cantidad de calor Q 1 se transfiere al calentador.
Por eso, Q2 = Q1 (1 - η), Q1 = A/η.

Finalmente, Q 2 = (A/η)(1 - η).

Fuente: “Física - décimo grado”, 2014, libro de texto Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky

Fundamentos de la termodinámica. Fenómenos térmicos - Física, libro de texto para 10º grado - Física en el aula

El principal significado 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 temperatura del refrigeradort 2 , no puede tener una eficiencia que supere la eficiencia de un motor térmico ideal.

* De hecho, Carnot estableció la segunda ley de la termodinámica antes que Clausius y Kelvin, cuando la primera ley de la termodinámica aún no se había formulado estrictamente.

Consideremos primero una máquina térmica que funciona en un ciclo reversible con gas real. El ciclo puede ser cualquier cosa, sólo es importante que las temperaturas del calentador y del refrigerador sean t 1 Y t 2 .

Supongamos que la eficiencia de otra máquina térmica (que no funciona según el ciclo de Carnot) η ’ > η . Las máquinas funcionan con un calentador común y un refrigerador común. Deje que la máquina de Carnot funcione en un ciclo inverso (como una máquina de refrigeración) y deje que la otra máquina funcione en un ciclo directo (figura 5.18). La máquina térmica realiza un trabajo igual a, según las fórmulas (5.12.3) y (5.12.5):

Una máquina de refrigeración siempre se puede diseñar de manera que absorba la cantidad de calor del refrigerador. q 2 = ||

Luego, según la fórmula (5.12.7), se trabajará en él.

(5.12.12)

Dado que por condición η" > η , Eso A" > A. Por lo tanto, un motor térmico puede impulsar una máquina de refrigeración y todavía quedará un exceso de trabajo. Este exceso de trabajo se realiza mediante calor tomado de una fuente. Después de todo, el calor no se transfiere al frigorífico cuando dos máquinas funcionan 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 una máquina de Carnot en un ciclo directo. Nuevamente llegaremos a una contradicción con la segunda ley de la termodinámica. En consecuencia, dos máquinas que operan en ciclos reversibles tienen la misma eficiencia: η " = η .

Es diferente si la segunda máquina funciona en un ciclo irreversible. Si asumimos η " > η , entonces volveremos a entrar en contradicción con la segunda ley de la termodinámica. Sin embargo, el supuesto t|"< 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 motores térmicos reales.

La fórmula (5.12.13) da el límite teórico para el valor máximo de eficiencia de los motores térmicos. Muestra que cuanto mayor es la temperatura del calentador y menor es la temperatura del refrigerador, más eficiente es un motor térmico. Sólo a una temperatura del refrigerador 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 (cuerpo sólido) tiene una resistencia al calor o resistencia al calor limitada. Cuando se calienta, pierde gradualmente sus propiedades elásticas y, a una temperatura suficientemente alta, se funde.

Ahora los principales esfuerzos de los ingenieros están dirigidos a aumentar la eficiencia de los motores reduciendo la fricción de sus piezas, las pérdidas de combustible debido a una combustión incompleta, etc. Las oportunidades reales para aumentar la eficiencia siguen siendo grandes. Así, 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 eficiencia es:

El valor real de eficiencia debido a varios tipos de pérdidas de energía es aproximadamente del 40%. La eficiencia máxima, alrededor del 44%, se logra con los 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 frigorífico.

Incrementar la eficiencia de los motores térmicos y acercarla al máximo posible- el desafío técnico más importante.