ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพ (COP) เป็นคำที่ใช้ได้กับทุกระบบและอุปกรณ์ แม้แต่บุคคลก็มีประสิทธิภาพแม้ว่าอาจยังไม่มีสูตรสำเร็จในการค้นหา ในบทความนี้เราจะอธิบายโดยละเอียดว่าประสิทธิภาพคืออะไรและสามารถคำนวณได้อย่างไรสำหรับระบบต่างๆ

ประสิทธิภาพ-คำจำกัดความ

ประสิทธิภาพคือการวัดประสิทธิภาพของระบบในแง่ของการส่งออกพลังงานหรือการแปลง ประสิทธิภาพเป็นค่าที่วัดไม่ได้และแสดงเป็นค่าตัวเลขในช่วง 0 ถึง 1 หรือเป็นเปอร์เซ็นต์

สูตรทั่วไป

ประสิทธิภาพถูกระบุด้วยสัญลักษณ์ Ƞ

สูตรทางคณิตศาสตร์ทั่วไปในการหาประสิทธิภาพเขียนได้ดังนี้

Ƞ = A / Q โดยที่ A คือพลังงานที่มีประโยชน์ / งานที่ทำโดยระบบ และ Q คือพลังงานที่ระบบใช้ไปเพื่อจัดระเบียบกระบวนการเพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่เป็นประโยชน์

น่าเสียดายที่สัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพมักจะน้อยกว่าหนึ่งหรือเท่ากับเสมอ เนื่องจากตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน เราไม่สามารถทำงานได้มากไปกว่าพลังงานที่ใช้ไป นอกจากนี้ประสิทธิภาพในความเป็นจริงแทบจะไม่เท่ากับความสามัคคีเนื่องจากงานที่มีประโยชน์มักจะมาพร้อมกับการสูญเสียเช่นเพื่อให้ความร้อนแก่กลไก

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน

เครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงานกล ในเครื่องยนต์ความร้อน การทำงานถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์กับปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับตัวทำความเย็น ดังนั้นประสิทธิภาพจึงถูกกำหนดโดยสูตร:

• Ƞ = Qн-Qх / Qн โดยที่ Qн - ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์ และ Qх - ปริมาณความร้อนที่ให้กับตัวทำความเย็น

เป็นที่เชื่อกันว่ามอเตอร์ที่ทำงานบนวงจร Carnot นั้นให้ประสิทธิภาพสูงสุด ในกรณีนี้ประสิทธิภาพจะถูกกำหนดโดยสูตร:

• Ƞ = T1-T2 / T1 โดยที่ T1 คืออุณหภูมิของแหล่งความร้อน T2 คืออุณหภูมิของแหล่งกำเนิดความเย็น

ประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้า

มอเตอร์ไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่แปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล ดังนั้นประสิทธิภาพในกรณีนี้คือสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ในแง่ของการแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานกล สูตรการหาประสิทธิภาพของมอเตอร์ไฟฟ้ามีลักษณะดังนี้

• Ƞ = P2 / P1 โดยที่ P1 คือพลังงานไฟฟ้าที่จ่ายให้ P2 คือพลังงานกลสุทธิที่สร้างโดยมอเตอร์

พลังงานไฟฟ้าพบว่าเป็นผลคูณของกระแสและแรงดันของระบบ (P = UI) และพลังงานกลพบเป็นอัตราส่วนของงานต่อหน่วยเวลา (P = A / t)

ประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้า

หม้อแปลงไฟฟ้าเป็นอุปกรณ์ที่แปลงกระแสสลับของแรงดันหนึ่งไปเป็นกระแสสลับของแรงดันอื่นในขณะที่รักษาความถี่ นอกจากนี้ หม้อแปลงยังสามารถแปลงกระแสสลับเป็นกระแสตรงได้

ประสิทธิภาพของหม้อแปลงไฟฟ้าสามารถหาได้จากสูตร:

• Ƞ = 1/1 + (P0 + PL * n2) / (P2 * n) โดยที่ P0 คือการสูญเสียที่ไม่มีโหลด PL คือการสูญเสียโหลด P2 คือพลังงานที่ใช้งานที่ส่งไปยังโหลด n คือระดับสัมพัทธ์ ของการโหลด

ประสิทธิภาพหรือไม่มีประสิทธิภาพ?

เป็นที่น่าสังเกตว่านอกจากประสิทธิภาพแล้ว ยังมีตัวบ่งชี้จำนวนหนึ่งที่แสดงถึงประสิทธิภาพของกระบวนการพลังงาน และบางครั้งเราสามารถหาคำอธิบายของประเภทได้ - ประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 130% แต่ในกรณีนี้ คุณต้องเข้าใจ ว่าคำนี้ใช้ไม่ถูกต้องนัก และเป็นไปได้มากว่าผู้เขียนหรือผู้ผลิตจะเข้าใจลักษณะเฉพาะที่แตกต่างกันเล็กน้อยภายใต้คำย่อนี้

ตัวอย่างเช่น ปั๊มความร้อนต่างกันตรงที่สามารถให้ความร้อนได้มากกว่าที่บริโภค ดังนั้นเครื่องทำความเย็นจึงสามารถขจัดความร้อนออกจากวัตถุที่จะระบายความร้อนได้มากกว่าที่ใช้ในพลังงานที่เทียบเท่ากับการจัดระบบกำจัด ดัชนีประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็นเรียกว่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพซึ่งเขียนแทนด้วยตัวอักษร Ɛ และถูกกำหนดโดยสูตร: Ɛ = Qx / A โดยที่ Qx คือความร้อนที่ถูกกำจัดออกจากปลายเย็น A คืองานที่ใช้ไป กระบวนการกำจัด อย่างไรก็ตาม บางครั้งค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพก็เรียกอีกอย่างว่าประสิทธิภาพของเครื่องทำความเย็น

ที่น่าสนใจก็คือ ประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำที่ใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลมักจะคำนวณโดยพิจารณาจากค่าความร้อนที่ต่ำที่สุด ในขณะที่สามารถมีได้มากกว่าหนึ่งค่า อย่างไรก็ตามมันยังคงเรียกว่าประสิทธิภาพ เป็นไปได้ที่จะกำหนดประสิทธิภาพของหม้อไอน้ำด้วยค่าความร้อนสูงสุดและจากนั้นจะน้อยกว่าหนึ่งเสมอ แต่ในกรณีนี้จะไม่สะดวกในการเปรียบเทียบตัวบ่งชี้ของหม้อไอน้ำกับข้อมูลของการติดตั้งอื่น ๆ

ความเป็นจริงสมัยใหม่บ่งบอกถึงการใช้เครื่องยนต์ความร้อนอย่างแพร่หลาย ความพยายามหลายครั้งที่จะแทนที่พวกเขาด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าล้มเหลวจนถึงขณะนี้ ปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการสะสมของไฟฟ้าในระบบอัตโนมัติจะแก้ไขได้ยากมาก

ปัญหาของเทคโนโลยีการผลิตเครื่องสะสมพลังงานไฟฟ้าโดยคำนึงถึงการใช้งานในระยะยาวยังคงเป็นเรื่องเร่งด่วน ลักษณะความเร็วของรถยนต์ไฟฟ้านั้นยังห่างไกลจากคุณลักษณะของรถยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์สันดาปภายใน

ขั้นตอนแรกในการสร้างเครื่องยนต์ไฮบริดสามารถลดการปล่อยมลพิษในเมืองใหญ่ได้อย่างมาก และแก้ไขปัญหาสิ่งแวดล้อมได้

เกร็ดประวัติศาสตร์

ความเป็นไปได้ของการแปลงพลังงานของไอน้ำเป็นพลังงานของการเคลื่อนไหวเป็นที่รู้จักกันในสมัยโบราณ 130 ปีก่อนคริสตกาล: ปราชญ์ Heron of Alexandria นำเสนอของเล่นไอน้ำแก่ผู้ชม - eolipil ทรงกลมซึ่งเต็มไปด้วยไอระเหยเข้ามาหมุนภายใต้การกระทำของไอพ่นที่เล็ดลอดออกมาจากมัน ต้นแบบของกังหันไอน้ำสมัยใหม่นี้ไม่ได้ใช้ในสมัยนั้น

เป็นเวลาหลายปีและหลายศตวรรษการพัฒนาของปราชญ์ถือเป็นเพียงของเล่นที่ตลก ในปี ค.ศ. 1629 ชาวอิตาลี D. Branchi ได้สร้างกังหันที่ใช้งานอยู่ ไอน้ำตั้งการเคลื่อนไหวเป็นแผ่นดิสก์ที่มีใบมีด

นับจากนั้นเป็นต้นมา การพัฒนาอย่างรวดเร็วของเครื่องจักรไอน้ำก็เริ่มต้นขึ้น

เครื่องทำความร้อน

การเปลี่ยนเชื้อเพลิงเป็นพลังงานการเคลื่อนที่ของชิ้นส่วนเครื่องจักรและกลไกที่ใช้ในเครื่องยนต์ความร้อน

ส่วนประกอบหลักของเครื่องจักร: เครื่องทำความร้อน (ระบบรับพลังงานจากภายนอก), สารทำงาน (ทำหน้าที่ที่มีประโยชน์), ตู้เย็น

เครื่องทำความร้อนได้รับการออกแบบเพื่อให้ของเหลวทำงานสะสมพลังงานภายในเพียงพอสำหรับงานที่มีประโยชน์ ตู้เย็นขจัดพลังงานส่วนเกิน

ลักษณะสำคัญของประสิทธิภาพเรียกว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน ค่านี้แสดงปริมาณพลังงานที่ใช้ไปในการทำความร้อนในการทำงานที่มีประโยชน์ ยิ่งประสิทธิภาพสูงเท่าไหร่การทำงานของเครื่องก็ยิ่งทำกำไรได้มากเท่านั้น แต่ค่านี้ต้องไม่เกิน 100%

การคำนวณประสิทธิภาพ

ให้ฮีตเตอร์รับพลังงานจากภายนอกเท่ากับ Q1 ร่างกายที่ทำงานทำงาน A ในขณะที่พลังงานที่จ่ายให้กับตู้เย็นคือ Q 2

ตามคำจำกัดความ เราคำนวณมูลค่าของประสิทธิภาพ:

η = A / Q 1 ให้เราพิจารณาว่า A = Q 1 - Q 2

ดังนั้นประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนสูตรที่มีรูปแบบ η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1 ทำให้เราสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้:

• ประสิทธิภาพต้องไม่เกิน 1 (หรือ 100%)
• เพื่อเพิ่มค่านี้ให้สูงสุดจำเป็นต้องเพิ่มพลังงานที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนหรือลดพลังงานที่จ่ายให้กับตู้เย็น
• การเพิ่มพลังงานของเครื่องทำความร้อนทำได้โดยการเปลี่ยนคุณภาพของเชื้อเพลิง
• การลดพลังงานที่จ่ายให้กับตู้เย็นทำให้คุณประสบความสำเร็จ คุณสมบัติการออกแบบเครื่องยนต์

เครื่องยนต์ทำความร้อนในอุดมคติ

เป็นไปได้ไหมที่จะสร้างเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด (ควรเท่ากับ 100%)? นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวฝรั่งเศสและวิศวกรที่มีพรสวรรค์ Sadi Carnot พยายามหาคำตอบสำหรับคำถามนี้ ในปี พ.ศ. 2367 การคำนวณเชิงทฤษฎีของเขาเกี่ยวกับกระบวนการที่เกิดขึ้นในก๊าซได้รับการเผยแพร่

แนวคิดหลักเบื้องหลังเครื่องจักรในอุดมคติคือการดำเนินการกระบวนการย้อนกลับด้วยก๊าซในอุดมคติ เราเริ่มต้นด้วยการขยายไอโซเทอร์มอลของแก๊สที่อุณหภูมิ T 1 ปริมาณความร้อนที่จำเป็นสำหรับสิ่งนี้คือ Q 1 หลังจากที่ก๊าซขยายตัวโดยไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน เมื่อถึงอุณหภูมิ T 2 แล้ว ก๊าซจะถูกบีบอัดด้วยอุณหภูมิความร้อนและถ่ายโอนพลังงาน Q 2 ไปยังตู้เย็น ก๊าซกลับสู่สถานะเดิมจะดำเนินการแบบอะเดียแบติก

ประสิทธิภาพของเครื่องทำความร้อน Carnot ในอุดมคติ เมื่อคำนวณได้อย่างแม่นยำ จะเท่ากับอัตราส่วนของความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างอุปกรณ์ทำความร้อนและความเย็นกับอุณหภูมิที่เครื่องทำความร้อนมี มีลักษณะดังนี้: η = (T 1 - T 2) / T 1

ประสิทธิภาพที่เป็นไปได้ของเครื่องยนต์ความร้อนสูตรที่มีรูปแบบ: η = 1 - T 2 / T 1 ขึ้นอยู่กับค่าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและความเย็นเท่านั้นและต้องไม่เกิน 100%

ยิ่งกว่านั้นอัตราส่วนนี้ทำให้สามารถพิสูจน์ได้ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนสามารถเท่ากับความสามัคคีได้ก็ต่อเมื่อตู้เย็นถึงอุณหภูมิเท่านั้น อย่างที่คุณทราบ ค่านี้ไม่สามารถบรรลุได้

การคำนวณตามทฤษฎีของ Karnot ทำให้สามารถกำหนดประสิทธิภาพสูงสุดของเครื่องยนต์ความร้อนของการออกแบบใดๆ ได้

ทฤษฎีบทที่ Carnot พิสูจน์แล้วมีเสียงดังนี้ เครื่องยนต์ความร้อนตามอำเภอใจไม่สามารถมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1 อะไรคือประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติถ้าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนอยู่ที่ 800 ° C และอุณหภูมิของตู้เย็นต่ำกว่า 500 ° C?

T 1 = 800 ® С = 1073 K, ∆T = 500 ® С = 500 К, η -?

ตามคำจำกัดความ: η = (T 1 - T 2) / T 1

เราไม่ได้รับอุณหภูมิของตู้เย็น แต่ ∆T = (T 1 - T 2) ดังนั้น:

η = ∆T / T 1 = 500 K / 1073 K = 0.46

คำตอบ: ประสิทธิภาพ = 46%

ตัวอย่างที่ 2 กำหนดประสิทธิภาพของฮีทเอ็นจิ้นในอุดมคติหากทำงานที่มีประโยชน์ 650 J อันเนื่องมาจากพลังงานฮีตเตอร์ที่ซื้อมา 1 กิโลจูล อุณหภูมิของฮีทเครื่องยนต์ฮีทหากอุณหภูมิของตัวทำความเย็นคือ 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1,000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η -?, T 1 =?

ในปัญหานี้ เรากำลังพูดถึงการติดตั้งระบบระบายความร้อน ซึ่งประสิทธิภาพสามารถคำนวณได้จากสูตร:

ในการกำหนดอุณหภูมิฮีตเตอร์ เราใช้สูตรสำหรับประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ:

η = (T 1 - T 2) / T 1 = 1 - T 2 / T 1

หลังจากทำการแปลงทางคณิตศาสตร์แล้ว เราได้รับ:

T 1 = T 2 / (1- η).

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

มาคำนวณกัน:

η = 650 J / 1,000 J = 0.65

T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142.8 K.

คำตอบ: η = 65%, T 1 = 1142.8 K.

เงื่อนไขที่แท้จริง

เครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงกระบวนการในอุดมคติ งานดำเนินการในกระบวนการไอโซเทอร์มอลเท่านั้น ค่าของงานถูกกำหนดเป็นพื้นที่จำกัดโดยกราฟของวัฏจักรคาร์โนต์

ในความเป็นจริง เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างเงื่อนไขสำหรับกระบวนการเปลี่ยนสถานะของก๊าซโดยไม่มีการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ไม่มีวัสดุใดที่จะไม่รวมการแลกเปลี่ยนความร้อนกับวัตถุรอบข้าง เป็นไปไม่ได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการอะเดียแบติก ในกรณีของการแลกเปลี่ยนความร้อน อุณหภูมิของแก๊สจะต้องเปลี่ยน

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่สร้างขึ้นในสภาพจริงนั้นแตกต่างอย่างมากจากประสิทธิภาพของมอเตอร์ในอุดมคติ โปรดทราบว่าขั้นตอนของกระบวนการในเครื่องยนต์จริงเกิดขึ้นอย่างรวดเร็วจนการเปลี่ยนแปลงของพลังงานความร้อนภายในของสารทำงานในกระบวนการเปลี่ยนปริมาตรไม่สามารถชดเชยได้ด้วยการไหลเข้าของปริมาณความร้อนจากฮีตเตอร์และการย้อนกลับไปยัง ตู้เย็น.

เครื่องยนต์ทำความร้อนอื่นๆ

เครื่องยนต์จริงทำงานในรอบต่างๆ:

• วัฏจักรอ็อตโต: กระบวนการที่ปริมาตรคงที่จะเปลี่ยนอะเดียแบติกทำให้เกิดวัฏจักรปิด
• รอบดีเซล: isobar, adiabat, isochore, adiabat;
• กระบวนการซึ่งเกิดขึ้นที่ความดันคงที่จะถูกแทนที่ด้วยอะเดียแบติกและปิดวงจร

สร้างกระบวนการสมดุลในเครื่องยนต์จริง (เพื่อให้เข้าใกล้อุดมคติมากขึ้น) ภายใต้เงื่อนไข เทคโนโลยีที่ทันสมัยดูเหมือนจะเป็นไปไม่ได้ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนต่ำกว่ามากแม้จะคำนึงถึงความเหมือนกัน ระบบอุณหภูมิเช่นเดียวกับการติดตั้งระบบระบายความร้อนในอุดมคติ

แต่คุณไม่ควรลดบทบาทของสูตรการคำนวณเพื่อประสิทธิภาพ เนื่องจากเป็นจุดเริ่มต้นของกระบวนการทำงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์จริง

วิธีเปลี่ยนประสิทธิภาพ

การเปรียบเทียบเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติและของจริงเป็นที่น่าสังเกตว่าอุณหภูมิของตู้เย็นหลังไม่สามารถเป็นได้ โดยปกติบรรยากาศจะถือว่าเป็นตู้เย็น เป็นไปได้ที่จะยอมรับอุณหภูมิของบรรยากาศในการคำนวณโดยประมาณเท่านั้น ประสบการณ์แสดงให้เห็นว่าอุณหภูมิของสารหล่อเย็นเท่ากับอุณหภูมิของก๊าซไอเสียในเครื่องยนต์ เช่นเดียวกับในเครื่องยนต์สันดาปภายใน (เรียกสั้นๆ ว่า ICE)

ICE เป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่แพร่หลายมากที่สุดในโลกของเรา ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในกรณีนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิที่เกิดจากเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างเครื่องยนต์สันดาปภายในและเครื่องยนต์ไอน้ำคือการหลอมรวมของการทำงานของฮีตเตอร์และสื่อในการทำงานของอุปกรณ์ในส่วนผสมของอากาศและเชื้อเพลิง การเผาไหม้ ส่วนผสมจะสร้างแรงกดดันต่อชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวของเครื่องยนต์

อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของก๊าซทำงานทำให้คุณสมบัติของเชื้อเพลิงเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก น่าเสียดายที่มันเป็นไปไม่ได้ที่จะทำอย่างไม่มีกำหนด วัสดุใดๆ ที่สร้างห้องเผาไหม้ของเครื่องยนต์จะมีจุดหลอมเหลวของตัวเอง ความต้านทานความร้อนของวัสดุดังกล่าวเป็นคุณสมบัติหลักของเครื่องยนต์รวมถึงความสามารถในการส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพ

ค่าประสิทธิภาพของมอเตอร์

หากเราพิจารณาอุณหภูมิของไอน้ำทำงานที่ทางเข้าซึ่งเท่ากับ 800 K และอุณหภูมิของก๊าซไอเสีย - 300 K ประสิทธิภาพของเครื่องนี้คือ 62% อย่างไรก็ตาม ในความเป็นจริง ค่านี้ไม่เกิน 40% การลดลงดังกล่าวเกิดขึ้นเนื่องจากการสูญเสียความร้อนในระหว่างการทำความร้อนของตัวเรือนกังหัน

ค่าสูงสุดของการเผาไหม้ภายในไม่เกิน 44% การเพิ่มมูลค่านี้เป็นเรื่องของอนาคตอันใกล้ การเปลี่ยนคุณสมบัติของวัสดุ เชื้อเพลิงเป็นปัญหาที่จิตใจที่ดีที่สุดของมนุษย์กำลังดำเนินการอยู่

ในแบบจำลองทางทฤษฎีของเครื่องยนต์ความร้อน พิจารณาสามร่าง: เครื่องทำความร้อน, ร่างกายทำงานและ ตู้เย็น.

เครื่องทำความร้อนเป็นแหล่งเก็บความร้อน (ตัวเครื่องขนาดใหญ่) ซึ่งอุณหภูมิจะคงที่

ในแต่ละรอบการทำงานของเครื่องยนต์ สารทำงานจะได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งจากฮีตเตอร์ ขยายและทำงานเชิงกล การถ่ายโอนพลังงานส่วนหนึ่งที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนไปยังตู้เย็นนั้นจำเป็นต้องทำให้ของเหลวทำงานกลับสู่สถานะเดิม

เนื่องจากแบบจำลองสันนิษฐานว่าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนและตู้เย็นไม่เปลี่ยนแปลงระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน จากนั้นเมื่อสิ้นสุดรอบการทำงาน: การทำความร้อน-การขยายตัว-ความเย็น-การบีบอัดของของเหลวทำงานจึงถือว่าเครื่องกลับมา สู่สภาพเดิม

ในแต่ละรอบ ตามกฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์ เราสามารถเขียนปริมาณความร้อนได้ NSความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน ปริมาณความร้อน | NSเย็น | เข้าตู้เย็นแล้วทำงานได้สมบูรณ์แบบโดยร่างกายการทำงาน NSสัมพันธ์กันด้วยอัตราส่วน:

NS = NSโหลด - | NSเย็น |.

ในอุปกรณ์ทางเทคนิคจริงซึ่งเรียกว่าเครื่องยนต์ความร้อน สารทำงานจะถูกให้ความร้อนโดยความร้อนที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง ดังนั้นในกังหันไอน้ำของโรงไฟฟ้า เครื่องทำความร้อนจึงเป็นเตาถ่านหินร้อน ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ถือเป็นเครื่องทำความร้อน และอากาศส่วนเกินถือได้ว่าเป็นของเหลวทำงาน พวกเขาใช้อากาศในบรรยากาศหรือน้ำจากแหล่งธรรมชาติเป็นตู้เย็น

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน (เครื่อง)

ค่าสัมประสิทธิ์ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน (ประสิทธิภาพ)คืออัตราส่วนของงานที่ทำโดยเครื่องยนต์ต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์:

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ น้อยกว่าหนึ่งและแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ ความเป็นไปไม่ได้ในการแปลงปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนให้เป็นงานทางกลคือการชำระเงินสำหรับความจำเป็นในการจัดกระบวนการแบบวัฏจักรและปฏิบัติตามกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

ในเครื่องยนต์ที่ให้ความร้อนจริง ประสิทธิภาพถูกกำหนดโดยกำลังทางกลของการทดลอง NSเครื่องยนต์และปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาผลาญต่อหน่วยเวลา ดังนั้นหากทันเวลา NSเชื้อเพลิงจำนวนมากถูกเผา NSและความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ NS, แล้ว

สำหรับรถยนต์ ลักษณะอ้างอิงมักจะเป็นปริมาณ วีเชื้อเพลิงเผาไหม้ระหว่างทาง NSด้วยกำลังทางกลของเครื่องยนต์ NSและด้วยความเร็ว ในกรณีนี้เมื่อพิจารณาถึงความหนาแน่น r ของเชื้อเพลิงแล้ว ก็สามารถเขียนสูตรคำนวณประสิทธิภาพได้ดังนี้

กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์

มีหลายสูตร กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์... หนึ่งในนั้นกล่าวว่าเครื่องยนต์ความร้อนเป็นไปไม่ได้ซึ่งจะทำงานโดยเสียค่าใช้จ่ายจากแหล่งความร้อนเท่านั้นเช่น ไม่มีตู้เย็น มหาสมุทรสามารถให้บริการแก่เขาได้ ในทางปฏิบัติ เป็นแหล่งพลังงานภายในที่ไม่สิ้นสุด (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901)

สูตรอื่นของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์เทียบเท่ากับกฎข้อที่สองนี้

ถ้อยคำของคลอเซียส(1850): กระบวนการที่ความร้อนจะผ่านจากวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่าไปยังวัตถุที่มีความร้อนน้อยกว่านั้นเป็นไปไม่ได้

สูตรของทอมสัน(1851): กระบวนการเป็นวงกลมเป็นไปไม่ได้ ผลลัพธ์เพียงอย่างเดียวคือการผลิตงานโดยการลดพลังงานภายในของแหล่งเก็บความร้อน

ถ้อยคำของคลอเซียส(1865): กระบวนการที่เกิดขึ้นเองทั้งหมดในระบบปิดที่ไม่สมดุลเกิดขึ้นในทิศทางที่เอนโทรปีของระบบเพิ่มขึ้น ในสภาวะสมดุลทางความร้อน มีค่าสูงสุดและคงที่

สูตรของ Boltzmann(1877): ระบบปิดของอนุภาคจำนวนมากส่งผ่านจากสถานะที่มีคำสั่งมากกว่าไปเป็นสถานะที่มีคำสั่งน้อยกว่า เป็นไปไม่ได้ที่จะออกจากระบบโดยธรรมชาติจากตำแหน่งสมดุล Boltzmann แนะนำการวัดความผิดปกติในเชิงปริมาณในระบบที่ประกอบด้วยหลายร่าง - เอนโทรปี.

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่มีก๊าซในอุดมคติเป็นสารทำงาน

หากได้รับแบบจำลองของของไหลทำงานในเครื่องยนต์ให้ความร้อน (เช่น ก๊าซในอุดมคติ) การเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ทางอุณหพลศาสตร์ของของไหลทำงานระหว่างการขยายตัวและการหดตัวสามารถคำนวณได้ สิ่งนี้ช่วยให้คุณคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนตามกฎของอุณหพลศาสตร์

รูปภาพแสดงวัฏจักรที่สามารถคำนวณประสิทธิภาพได้หากของไหลทำงานเป็นก๊าซในอุดมคติ และตั้งค่าพารามิเตอร์ไว้ที่จุดเปลี่ยนจากกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์หนึ่งไปยังอีกกระบวนการหนึ่ง

วงจรการ์โนต์ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ

ประสิทธิภาพสูงสุดที่อุณหภูมิเครื่องทำความร้อนที่กำหนด NSความร้อนและตู้เย็น NSความเย็นมีเครื่องยนต์ความร้อน ซึ่งของไหลทำงานจะขยายตัวและหดตัวตาม วัฏจักรการ์โนต์(รูปที่ 2) กราฟซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มสองตัว (2–3 และ 4–1) และอะเดียแบทสองตัว (3–4 และ 1–2)

ทฤษฎีบทของการ์โนต์พิสูจน์ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ดังกล่าวไม่ได้ขึ้นอยู่กับสารทำงานที่ใช้ ดังนั้นจึงสามารถคำนวณได้โดยใช้ความสัมพันธ์ทางอุณหพลศาสตร์สำหรับก๊าซในอุดมคติ:

ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมของเครื่องยนต์ความร้อน

การใช้เครื่องยนต์ความร้อนอย่างเข้มข้นในการขนส่งและพลังงาน (โรงไฟฟ้าพลังความร้อนและนิวเคลียร์) มีผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อชีวมณฑลของโลก แม้ว่าจะมีข้อโต้แย้งทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับกลไกของอิทธิพลของชีวิตมนุษย์ที่มีต่อสภาพอากาศของโลก แต่นักวิทยาศาสตร์หลายคนก็สังเกตเห็นปัจจัยต่างๆ ที่อิทธิพลดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้:

1. ภาวะเรือนกระจกคือการเพิ่มความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ (ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ในเครื่องทำความร้อนของเครื่องยนต์ความร้อน) ในบรรยากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ส่งรังสีที่มองเห็นและรังสีอัลตราไวโอเลตจากดวงอาทิตย์ แต่ดูดซับรังสีอินฟราเรดที่เข้าสู่อวกาศจากโลก สิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิของบรรยากาศด้านล่าง ลมพายุเฮอริเคนที่เพิ่มขึ้น และน้ำแข็งที่ละลายทั่วโลก
2. ผลกระทบโดยตรงของก๊าซไอเสียที่เป็นพิษต่อสัตว์ป่า (สารก่อมะเร็ง หมอกควัน ฝนกรดจากผลพลอยได้จากการเผาไหม้)
3. การทำลายชั้นโอโซนระหว่างการบินของเครื่องบินและการปล่อยจรวด โอโซนในชั้นบรรยากาศชั้นบนปกป้องทุกชีวิตบนโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตที่มากเกินไปจากดวงอาทิตย์

ทางออกของวิกฤตสิ่งแวดล้อมที่เกิดขึ้นคือการเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน (ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนสมัยใหม่ไม่ค่อยเกิน 30%) การใช้เครื่องยนต์ที่ใช้งานได้และสารทำให้เป็นกลางของก๊าซไอเสียที่เป็นอันตราย การใช้แหล่งพลังงานทดแทน (แผงโซลาร์เซลล์และเครื่องทำความร้อน) และวิธีการขนส่งทางเลือก (จักรยาน ฯลฯ)

งานที่ทำโดยเครื่องยนต์มีค่าเท่ากับ:

เป็นครั้งแรกที่กระบวนการนี้ได้รับการพิจารณาโดยวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส N. LS Carnot ในปี พ.ศ. 2367 ในหนังสือ "การสะท้อนถึงแรงผลักดันของไฟและเครื่องจักรที่สามารถพัฒนากำลังนี้ได้"

เป้าหมายของการวิจัยของ Carnot คือการค้นหาสาเหตุของความไม่สมบูรณ์ของเครื่องยนต์ความร้อนในเวลานั้น (มีประสิทธิภาพ ≤ 5%) และค้นหาวิธีปรับปรุง

วัฏจักรการ์โนต์เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ประสิทธิภาพสูงสุด

รูปแสดงกระบวนการทางอุณหพลศาสตร์ของวัฏจักร ในกระบวนการขยายไอโซเทอร์มอล (1-2) ที่อุณหภูมิ NS 1 , งานเสร็จสิ้นเนื่องจากการเปลี่ยนแปลงพลังงานภายในของเครื่องทำความร้อนเช่น เนื่องจากปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับแก๊ส NS:

NS 12 = NS 1 ,

การระบายความร้อนด้วยแก๊สก่อนการอัด (3-4) เกิดขึ้นระหว่างการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (2-3) การเปลี่ยนแปลงของพลังงานภายใน ΔU 23 ในกระบวนการอะเดียแบติก ( Q = 0) ถูกแปลงเป็นงานเครื่องกลอย่างสมบูรณ์:

NS 23 = -ΔU 23 ,

อุณหภูมิของแก๊สที่เกิดจากการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (2-3) ลดลงตามอุณหภูมิของตู้เย็น NS 2 < NS 1 ... ในกระบวนการ (3-4) ก๊าซจะถูกบีบอัดด้วยอุณหภูมิความร้อนโดยถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น คิว 2:

A 34 = Q 2,

วัฏจักรสิ้นสุดลงด้วยกระบวนการอัดแบบอะเดียแบติก (4-1) ซึ่งก๊าซถูกทำให้ร้อนที่อุณหภูมิ T 1.

ค่าสูงสุดของประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานบนก๊าซในอุดมคติตามวัฏจักรคาร์โนต์:

.

สาระสำคัญของสูตรแสดงอยู่ในการพิสูจน์แล้ว กับ... ทฤษฎีบทของการ์โนต์ว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ จะต้องไม่เกินประสิทธิภาพของวงจรการ์โนต์ที่อุณหภูมิเท่ากันของฮีตเตอร์และตู้เย็น

เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานได้ ต้องมีความแตกต่างของแรงดันทั้งสองด้านของลูกสูบเครื่องยนต์หรือใบพัดกังหัน ในเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมด ความแตกต่างของแรงดันนี้เกิดขึ้นได้จากการเพิ่มอุณหภูมิของของไหลทำงานหลายร้อยองศาเมื่อเทียบกับอุณหภูมิแวดล้อม อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้เกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้

สารทำงานสำหรับเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดคือแก๊ส (ดู§ 3.11) ซึ่งทำงานระหว่างการขยายตัว ให้เราแสดงอุณหภูมิเริ่มต้นของของไหลทำงาน (ก๊าซ) ผ่าน NS 1 ... อุณหภูมินี้ในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักรได้มาจากไอน้ำในหม้อไอน้ำ ในเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์เอง อุณหภูมิ NS 1 เรียกว่าอุณหภูมิของเครื่องทำความร้อน

บทบาทของตู้เย็น

เมื่องานเสร็จสิ้น ก๊าซจะสูญเสียพลังงานและเย็นลงจนถึงอุณหภูมิที่กำหนดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ NS 2 ... อุณหภูมินี้ไม่สามารถต่ำกว่าอุณหภูมิได้ สิ่งแวดล้อมมิฉะนั้นความดันแก๊สจะน้อยกว่าบรรยากาศและเครื่องยนต์จะไม่สามารถทำงานได้ โดยปกติอุณหภูมิ NS 2 หลาย อุณหภูมิมากขึ้นสิ่งแวดล้อม. นี่เรียกว่าอุณหภูมิตู้เย็น ตู้เย็นเป็นบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับระบายความร้อนและควบแน่นไอน้ำเสีย - คอนเดนเซอร์ ในกรณีหลัง อุณหภูมิของตู้เย็นอาจต่ำกว่าอุณหภูมิของบรรยากาศเล็กน้อย

ดังนั้นในเครื่องยนต์ สารทำงาน เมื่อขยายตัว ไม่สามารถอุทิศพลังงานภายในทั้งหมดเพื่อประสิทธิภาพการทำงาน พลังงานบางส่วนจะถูกถ่ายโอนไปยังบรรยากาศอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ (ตู้เย็น) พร้อมกับไอน้ำเสียหรือก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันก๊าซ พลังงานภายในส่วนนี้สูญเสียไปอย่างแก้ไขไม่ได้ นี่คือสิ่งที่กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ในสูตรของเคลวินกล่าว

แผนผังของเครื่องยนต์ความร้อนแสดงในรูปที่ 5.15 ร่างกายการทำงานของเครื่องยนต์ได้รับปริมาณความร้อนระหว่างการเผาไหม้เชื้อเพลิง NS 1 , ทำงาน NS"และถ่ายเทความร้อนเข้าตู้เย็น | NS 2 | <| NS 1 |.

ประสิทธิภาพเครื่องยนต์ความร้อน

ตามกฎการอนุรักษ์พลังงาน งานที่เครื่องยนต์ทำมีค่าเท่ากับ

(5.11.1)

ที่ไหน NS 1 - ปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน a NS 2 - ปริมาณความร้อนที่จ่ายให้กับตู้เย็น

ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนคืออัตราส่วนของงาน NS",ดำเนินการโดยเครื่องยนต์ จนถึงปริมาณความร้อนที่ได้รับจากฮีตเตอร์:

(5.11.2)

ในกังหันไอน้ำ ฮีตเตอร์คือหม้อต้มไอน้ำ และในเครื่องยนต์สันดาปภายใน ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้เอง

เนื่องจากเครื่องยนต์ทั้งหมดมีการถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น ดังนั้น η< 1.

การประยุกต์ใช้เครื่องยนต์ความร้อน

สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการใช้เครื่องยนต์ความร้อน (ส่วนใหญ่เป็นกังหันไอน้ำที่ทรงพลัง) ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนซึ่งขับเคลื่อนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ประมาณ 80% ของไฟฟ้าทั้งหมดในประเทศของเราผลิตขึ้นที่โรงไฟฟ้าพลังความร้อน

เครื่องยนต์ความร้อน (กังหันไอน้ำ) ติดตั้งในโรงไฟฟ้านิวเคลียร์ด้วยเช่นกัน สถานีเหล่านี้ใช้พลังงานของนิวเคลียสของอะตอมเพื่อผลิตไอน้ำที่อุณหภูมิสูง

เครื่องยนต์ความร้อนส่วนใหญ่จะใช้ในการขนส่งสมัยใหม่ทุกประเภทที่สำคัญ สำหรับรถยนต์นั้น เครื่องยนต์สันดาปภายในแบบลูกสูบที่มีรูปแบบภายนอกของส่วนผสมที่ติดไฟได้ (เครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์) และเครื่องยนต์ที่มีการก่อตัวของส่วนผสมที่ติดไฟได้โดยตรงภายในกระบอกสูบ (เครื่องยนต์ดีเซล) ถูกนำมาใช้ เครื่องยนต์เดียวกันนี้ติดตั้งอยู่บนรถแทรกเตอร์

โดยทางรถไฟจนถึงกลางศตวรรษที่ XX เครื่องยนต์หลักคือเครื่องยนต์ไอน้ำ ตอนนี้ใช้หัวรถจักรดีเซลและหัวรถจักรไฟฟ้าเป็นหลัก แต่หัวรถจักรไฟฟ้ายังได้รับพลังงานจากเครื่องยนต์ความร้อนของโรงไฟฟ้าอีกด้วย

ในการขนส่งทางน้ำ ใช้ทั้งเครื่องยนต์สันดาปภายในและเทอร์ไบน์ทรงพลังสำหรับเรือขนาดใหญ่

ในการบิน เครื่องยนต์ลูกสูบถูกติดตั้งบนเครื่องบินขนาดเบา และเครื่องยนต์เทอร์โบและเครื่องบินเจ็ท ซึ่งเรียกอีกอย่างว่าเครื่องยนต์ความร้อน บนสายการบินขนาดใหญ่ เครื่องยนต์ไอพ่นยังใช้กับจรวดอวกาศอีกด้วย

อารยธรรมสมัยใหม่คิดไม่ถึงหากไม่มีเครื่องยนต์ความร้อน เราจะไม่มีไฟฟ้าราคาถูกและจะถูกกีดกันจากการขนส่งความเร็วสูงที่ทันสมัยทุกประเภท