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Um Probleme zu lösen, müssen Sie bekannte Ausdrücke zur Bestimmung des Wirkungsgrads von Wärmekraftmaschinen verwenden und bedenken, dass Ausdruck (13.17) nur für eine ideale Wärmekraftmaschine gültig ist.
Aufgabe 1.
Im Kessel einer Dampfmaschine beträgt die Temperatur 160 °C und im Kühlschrank 10 °C.
Welche maximale Arbeit kann eine Maschine theoretisch leisten, wenn 200 kg schwere Kohle mit einer spezifischen Verbrennungswärme von 2,9 · 10 7 J/kg in einem Ofen mit einem Wirkungsgrad von 60 % verbrannt wird?
Lösung.
Die maximale Arbeit kann von einer idealen Wärmekraftmaschine geleistet werden, die nach dem Carnot-Zyklus arbeitet, dessen Wirkungsgrad η = (T 1 - T 2)/T 1 ist, wobei T 1 und T 2 die absoluten Temperaturen der Heizung sind und Kühlschrank. Für jede Wärmekraftmaschine wird der Wirkungsgrad durch die Formel η = A/Q 1 bestimmt, wobei A die von der Wärmekraftmaschine geleistete Arbeit und Q 1 die Wärmemenge ist, die die Maschine von der Heizung erhält.
Aus den Bedingungen des Problems geht hervor, dass Q 1 Teil der bei der Kraftstoffverbrennung freigesetzten Wärmemenge ist: Q 1 = η 1 mq.
Dann gilt: A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1,2 10 9 J.
Aufgabe 2.
Eine Dampfmaschine mit einer Leistung von N = 14,7 kW verbraucht pro 1 Betriebsstunde Brennstoff mit einem Gewicht von m = 8,1 kg, bei einer spezifischen Verbrennungswärme q = 3,3 · 10 7 J/kg.
Kesseltemperatur 200 °C, Kühlschrank 58 °C.
Bestimmen Sie den Wirkungsgrad dieser Maschine und vergleichen Sie ihn mit dem Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine.
Lösung.
Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine ist gleich dem Verhältnis der geleisteten mechanischen Arbeit A zur verbrauchten Wärmemenge Qlt, die bei der Kraftstoffverbrennung freigesetzt wird.
Wärmemenge Q 1 = mq.
In der gleichen Zeit geleistete Arbeit A = Nt.
Somit ist η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, oder η ≈ 20 %.
Für eine ideale Wärmekraftmaschine 
η < η ид.
Aufgabe 3.
Eine ideale Wärmekraftmaschine mit Wirkungsgrad η arbeitet in einem umgekehrten Kreisprozess (Abb. 13.15).
Wie viel Wärme kann dem Kühlschrank maximal durch mechanische Arbeit A entzogen werden?
Da die Kältemaschine in einem umgekehrten Kreislauf arbeitet, ist es für die Wärmeübertragung von einem weniger erhitzten Körper auf einen stärker erhitzten Körper erforderlich, dass äußere Kräfte positive Arbeit leisten.
Schematische Darstellung einer Kältemaschine: Dem Kühlschrank wird eine Wärmemenge Q 2 entnommen, durch äußere Kräfte wird Arbeit verrichtet und eine Wärmemenge Q 1 an die Heizung übertragen.
Somit, 
Q 2 = Q 1 (1 - η), Q 1 = A/η.
Schließlich ist Q 2 = (A/η)(1 - η).
Quelle: „Physik – 10. Klasse“, 2014, Lehrbuch Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky
Grundlagen der Thermodynamik. Thermische Phänomene - Physik, Lehrbuch für Klasse 10 - Physik im Klassenzimmer
Effizienzfaktor (Effizienz) ist ein Begriff, der möglicherweise auf jedes System und Gerät angewendet werden kann. Sogar ein Mensch hat einen Effizienzfaktor, obwohl es wahrscheinlich noch keine objektive Formel gibt, um ihn zu finden. In diesem Artikel erklären wir ausführlich, was Effizienz ist und wie sie für verschiedene Systeme berechnet werden kann.
Effizienzdefinition
Effizienz ist ein Indikator, der die Effektivität eines Systems hinsichtlich der Energieabgabe oder -umwandlung charakterisiert. Effizienz ist eine unermessliche Größe und wird entweder als Zahlenwert im Bereich von 0 bis 1 oder als Prozentsatz dargestellt.
Allgemeine Formel
Effizienz wird durch das Symbol Ƞ angezeigt.
Die allgemeine mathematische Formel zur Ermittlung der Effizienz lautet wie folgt:
Ƞ=A/Q, wobei A die vom System geleistete Nutzenergie/Arbeit ist und Q die von diesem System verbrauchte Energie ist, um den Prozess zur Erzielung einer Nutzleistung zu organisieren.
Leider ist der Wirkungsgrad immer kleiner oder gleich eins, da wir nach dem Energieerhaltungssatz nicht mehr Arbeit leisten können, als Energie aufgewendet wird. Darüber hinaus ist der Wirkungsgrad tatsächlich äußerst selten gleich eins, da nützliche Arbeit immer mit Verlusten einhergeht, beispielsweise für die Erwärmung des Mechanismus.
Effizienz der Wärmekraftmaschine
Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das thermische Energie in mechanische Energie umwandelt. Bei einer Wärmekraftmaschine wird die Arbeit durch die Differenz zwischen der vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge und der an den Kühler abgegebenen Wärmemenge bestimmt. Daher wird der Wirkungsgrad durch die Formel bestimmt:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, wobei Qн die vom Heizgerät empfangene Wärmemenge und Qх die an den Kühler abgegebene Wärmemenge ist.
Es wird angenommen, dass Motoren, die nach dem Carnot-Zyklus arbeiten, die höchste Effizienz bieten. In diesem Fall wird der Wirkungsgrad durch die Formel bestimmt:
- Ƞ=T1-T2/T1, wobei T1 die Temperatur der heißen Quelle und T2 die Temperatur der kalten Quelle ist.
Wirkungsgrad des Elektromotors
Ein Elektromotor ist ein Gerät, das elektrische Energie in mechanische Energie umwandelt. Der Wirkungsgrad ist in diesem Fall der Wirkungsgrad des Geräts bei der Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie. Die Formel zur Ermittlung des Wirkungsgrades eines Elektromotors sieht folgendermaßen aus:
- Ƞ=P2/P1, wobei P1 die zugeführte elektrische Leistung und P2 die vom Motor erzeugte mechanische Nutzleistung ist.
Elektrische Leistung ergibt sich als Produkt aus Systemstrom und -spannung (P=UI) und mechanische Leistung als Verhältnis von Arbeit pro Zeiteinheit (P=A/t).
Wirkungsgrad des Transformators
Ein Transformator ist ein Gerät, das Wechselstrom einer Spannung in Wechselstrom einer anderen Spannung umwandelt und dabei die Frequenz beibehält. Darüber hinaus können Transformatoren auch Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln.
Der Wirkungsgrad des Transformators ergibt sich aus der Formel:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), wobei P0 der Leerlaufverlust, PL der Lastverlust, P2 die der Last zugeführte Wirkleistung und n der relative Grad ist der Ladung.
Effizienz oder nicht Effizienz?
Es ist erwähnenswert, dass es neben der Effizienz eine Reihe von Indikatoren gibt, die die Effizienz von Energieprozessen charakterisieren, und manchmal stoßen wir auf Beschreibungen wie „Effizienz in der Größenordnung von 130 %, aber in diesem Fall müssen wir das verstehen.“ Der Begriff wird nicht ganz korrekt verwendet und höchstwahrscheinlich versteht der Autor oder Hersteller unter dieser Abkürzung ein etwas anderes Merkmal.
Wärmepumpen zeichnen sich beispielsweise dadurch aus, dass sie mehr Wärme abgeben können, als sie verbrauchen. Somit kann eine Kältemaschine dem zu kühlenden Objekt mehr Wärme entziehen, als für die Organisation der Abfuhr in Energieäquivalenten aufgewendet wurde. Der Effizienzindikator einer Kältemaschine wird als Kältekoeffizient bezeichnet, mit dem Buchstaben Ɛ bezeichnet und durch die Formel Ɛ=Qx/A bestimmt, wobei Qx die vom kalten Ende abgeführte Wärme und A die für den Abtransportprozess aufgewendete Arbeit ist . Manchmal wird der Kältekoeffizient jedoch auch als Wirkungsgrad der Kältemaschine bezeichnet.
Interessant ist auch, dass der Wirkungsgrad von Kesseln, die mit organischem Brennstoff betrieben werden, normalerweise auf der Grundlage des unteren Heizwerts berechnet wird und größer als eins sein kann. Traditionell wird es jedoch immer noch als Effizienz bezeichnet. Es ist möglich, den Wirkungsgrad eines Kessels anhand des höheren Heizwerts zu bestimmen, und dann wird er immer kleiner als eins sein, aber in diesem Fall ist es unpraktisch, die Leistung von Kesseln mit Daten anderer Anlagen zu vergleichen.
Effizienzfaktor (Effizienz) ist ein Merkmal der Leistung des Systems in Bezug auf die Umwandlung oder Übertragung von Energie, das durch das Verhältnis der genutzten Nutzenergie zur gesamten vom System aufgenommenen Energie bestimmt wird.
Effizienz- eine dimensionslose Größe, üblicherweise ausgedrückt als Prozentsatz: 
Der Leistungskoeffizient (Wirkungsgrad) einer Wärmekraftmaschine wird durch die Formel bestimmt: , wobei A = Q1Q2. Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine liegt immer unter 1.
Carnot-Zyklus ist ein reversibler zirkulärer Gasprozess, der aus nacheinander stehenden zwei isothermen und zwei adiabatischen Prozessen besteht, die mit dem Arbeitsmedium durchgeführt werden. 
Ein Kreiskreislauf, der zwei Isothermen und zwei Adiabaten umfasst, entspricht maximaler Effizienz.
Der französische Ingenieur Sadi Carnot leitete 1824 die Formel für den maximalen Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine ab, bei der das Arbeitsmedium ein ideales Gas ist, dessen Kreislauf aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten bestand, also dem Carnot-Zyklus. Der Carnot-Zyklus ist der eigentliche Arbeitszyklus einer Wärmekraftmaschine, die aufgrund der dem Arbeitsmedium zugeführten Wärme in einem isothermen Prozess Arbeit verrichtet.
Die Formel für den Wirkungsgrad des Carnot-Zyklus, also den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, hat die Form: 
, wobei T1 die absolute Temperatur des Heizgeräts und T2 die absolute Temperatur des Kühlschranks ist.
Wärmekraftmaschinen- das sind Strukturen, in denen thermische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird.
Wärmekraftmaschinen sind sowohl im Design als auch im Einsatzzweck unterschiedlich. Dazu gehören Dampfmaschinen, Dampfturbinen, Verbrennungsmotoren und Strahltriebwerke.
Trotz der Vielfalt weist der Betrieb verschiedener Wärmekraftmaschinen jedoch grundsätzlich Gemeinsamkeiten auf. Die Hauptkomponenten jeder Wärmekraftmaschine sind:
- Heizung;
- Arbeitsflüssigkeit;
- Kühlschrank.
Die Heizung gibt Wärmeenergie ab und erwärmt gleichzeitig das Arbeitsmedium, das sich im Arbeitsraum des Motors befindet. Das Arbeitsmedium kann Dampf oder Gas sein.
Nachdem es die Wärmemenge aufgenommen hat, dehnt sich das Gas aus, weil Sein Druck ist größer als der äußere Druck und bewegt den Kolben, wodurch positive Arbeit erzeugt wird. Gleichzeitig sinkt sein Druck und sein Volumen nimmt zu.
Wenn wir das Gas komprimieren und dabei die gleichen Zustände durchlaufen, aber in die entgegengesetzte Richtung, dann leisten wir den gleichen Absolutwert, aber negative Arbeit. Infolgedessen beträgt die gesamte Arbeit pro Zyklus Null.
Damit die Arbeit einer Wärmekraftmaschine von Null verschieden ist, muss die Arbeit der Gaskompression kleiner sein als die Arbeit der Expansion.
Damit die Kompressionsarbeit geringer wird als die Expansionsarbeit, ist es notwendig, dass der Kompressionsprozess bei einer niedrigeren Temperatur stattfindet; dazu muss das Arbeitsmedium gekühlt werden, weshalb ein Kühlschrank in die Konstruktion einbezogen wird der Wärmekraftmaschine. Das Arbeitsmedium überträgt bei Kontakt mit dem Kühlschrank Wärme auf den Kühlschrank.
Moderne Realitäten erfordern den weit verbreiteten Einsatz von Wärmekraftmaschinen. Zahlreiche Versuche, sie durch Elektromotoren zu ersetzen, scheiterten bislang. Probleme im Zusammenhang mit der Stromakkumulation in autonomen Systemen sind schwer zu lösen.
Die Probleme der Herstellungstechnologie für Elektrobatterien sind angesichts ihrer langfristigen Nutzung nach wie vor relevant. Die Geschwindigkeitseigenschaften von Elektrofahrzeugen sind weit von denen von Autos mit Verbrennungsmotor entfernt.
Die ersten Schritte zur Entwicklung von Hybridmotoren können schädliche Emissionen in Megastädten deutlich reduzieren und so Umweltprobleme lösen.
Eine kleine Geschichte
Die Möglichkeit, Dampfenergie in Bewegungsenergie umzuwandeln, war bereits in der Antike bekannt. 130 v. Chr.: Der Philosoph Heron von Alexandria präsentierte dem Publikum ein Dampfspielzeug – Aeolipile. Die mit Dampf gefüllte Kugel begann sich unter dem Einfluss der von ihr ausgehenden Strahlen zu drehen. Dieser Prototyp moderner Dampfturbinen wurde damals noch nicht verwendet.
Viele Jahre und Jahrhunderte lang galten die Entwicklungen des Philosophen nur als lustiges Spielzeug. Im Jahr 1629 schuf der Italiener D. Branchi eine aktive Turbine. Der Dampf trieb eine mit Schaufeln bestückte Scheibe an.
Von diesem Moment an begann die rasante Entwicklung der Dampfmaschinen.
Wärmekraftmaschine
In Wärmekraftmaschinen wird die Umwandlung von Kraftstoff in Bewegungsenergie von Maschinenteilen und Mechanismen genutzt.
Die Hauptteile der Maschinen: Heizung (System zur Energiegewinnung von außen), Arbeitsflüssigkeit (führt eine nützliche Wirkung aus), Kühlschrank.
Die Heizung soll sicherstellen, dass das Arbeitsmedium ausreichend innere Energie aufnimmt, um nützliche Arbeit zu leisten. Der Kühlschrank entfernt überschüssige Energie.
Das Hauptmerkmal der Effizienz wird als Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen bezeichnet. Dieser Wert gibt an, wie viel der zum Heizen aufgewendeten Energie für die Verrichtung nützlicher Arbeit aufgewendet wird. Je höher der Wirkungsgrad, desto rentabler ist der Betrieb der Maschine, dieser Wert darf jedoch 100 % nicht überschreiten.
Effizienzberechnung
Lassen Sie die Heizung von außen Energie in Höhe von Q 1 aufnehmen. Das Arbeitsmedium verrichtete die Arbeit A, während die dem Kühlschrank zugeführte Energie Q 2 betrug.
Basierend auf der Definition berechnen wir den Effizienzwert:
η= A / Q 1 . Berücksichtigen wir, dass A = Q 1 - Q 2.
Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine, dessen Formel η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1 lautet, lässt uns daher folgende Schlussfolgerungen zu:
- Der Wirkungsgrad darf 1 (oder 100 %) nicht überschreiten.
- Um diesen Wert zu maximieren, ist es notwendig, entweder die vom Heizgerät empfangene Energie zu erhöhen oder die dem Kühlschrank zugeführte Energie zu verringern.
- eine Erhöhung der Heizenergie wird durch eine Änderung der Brennstoffqualität erreicht;
- Die Konstruktionsmerkmale der Motoren können die dem Kühlschrank zugeführte Energie reduzieren.
Ideale Wärmekraftmaschine
Ist es möglich, einen Motor zu entwickeln, dessen Wirkungsgrad maximal ist (idealerweise 100 %)? Der französische theoretische Physiker und talentierte Ingenieur Sadi Carnot versuchte, die Antwort auf diese Frage zu finden. 1824 wurden seine theoretischen Berechnungen über in Gasen ablaufende Prozesse veröffentlicht.
Als Grundgedanke einer idealen Maschine kann die Durchführung reversibler Prozesse mit einem idealen Gas angesehen werden. Wir beginnen mit der isothermen Expansion des Gases bei der Temperatur T 1 . Die hierfür benötigte Wärmemenge beträgt Q 1. Anschließend expandiert das Gas ohne Wärmeaustausch. Bei Erreichen der Temperatur T 2 verdichtet sich das Gas isotherm und überträgt dabei Energie Q 2 auf den Kühlschrank. Das Gas kehrt adiabatisch in seinen ursprünglichen Zustand zurück.
Der Wirkungsgrad einer idealen Carnot-Wärmekraftmaschine entspricht bei genauer Berechnung dem Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen den Heiz- und Kühlgeräten zur Temperatur der Heizung. Es sieht so aus: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Der mögliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, dessen Formel lautet: η = 1 - T 2 / T 1, hängt nur von den Temperaturen der Heizung und des Kühlers ab und kann nicht mehr als 100 % betragen.
Darüber hinaus können wir mit dieser Beziehung beweisen, dass der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen nur dann eins sein kann, wenn der Kühlschrank Temperaturen erreicht. Dieser Wert ist bekanntlich unerreichbar.
Carnots theoretische Berechnungen ermöglichen es, den maximalen Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine beliebiger Bauart zu bestimmen.
Der von Carnot bewiesene Satz lautet wie folgt. Unter keinen Umständen kann eine beliebige Wärmekraftmaschine einen Wirkungsgrad haben, der größer ist als der gleiche Effizienzwert wie eine ideale Wärmekraftmaschine.
Beispiel für Problemlösung
Beispiel 1. Wie hoch ist der Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine, wenn die Heiztemperatur 800 °C und die Kühlschranktemperatur 500 °C niedriger ist?
T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 500 K, η - ?
Per Definition: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Wir erhalten nicht die Temperatur des Kühlschranks, sondern ∆T= (T 1 - T 2), daher:
η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.
Antwort: Effizienz = 46 %.
Beispiel 2. Bestimmen Sie den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine, wenn aufgrund der aufgenommenen Heizenergie von einem Kilojoule eine Nutzarbeit von 650 J geleistet wird. Wie hoch ist die Temperatur der Heizung der Wärmekraftmaschine, wenn die Kühlertemperatur 400 K beträgt?
Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η - ?, T 1 = ?
Bei diesem Problem handelt es sich um eine thermische Anlage, deren Wirkungsgrad nach folgender Formel berechnet werden kann:
Um die Heiztemperatur zu bestimmen, verwenden wir die Formel für den Wirkungsgrad einer idealen Wärmekraftmaschine:
η = (T 1 – T 2)/ T 1 = 1 – T 2 / T 1.
Nachdem wir mathematische Transformationen durchgeführt haben, erhalten wir:
T 1 = T 2 /(1- η).
T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).
Berechnen wir:
η= 650 J/ 1000 J = 0,65.
T 1 = 400 K / (1- 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.
Antwort: η= 65 %, T 1 = 1142,8 K.
Echte Bedingungen
Eine ideale Wärmekraftmaschine ist auf ideale Prozesse ausgelegt. Arbeit wird nur in isothermen Prozessen verrichtet; ihr Wert wird als die durch den Graphen des Carnot-Zyklus begrenzte Fläche bestimmt.
In Wirklichkeit ist es unmöglich, Bedingungen zu schaffen, unter denen der Prozess der Zustandsänderung eines Gases ohne damit einhergehende Temperaturänderungen ablaufen kann. Es gibt keine Materialien, die einen Wärmeaustausch mit umgebenden Objekten ausschließen würden. Der adiabatische Prozess wird unmöglich. Beim Wärmeaustausch muss sich zwangsläufig die Gastemperatur ändern.
Der Wirkungsgrad von unter realen Bedingungen erzeugten Wärmekraftmaschinen unterscheidet sich erheblich vom Wirkungsgrad idealer Motoren. Beachten Sie, dass die Prozesse in realen Motoren so schnell ablaufen, dass die Schwankung der inneren Wärmeenergie des Arbeitsstoffs bei der Volumenänderung nicht durch den Wärmezufluss von der Heizung und die Übertragung an den Kühlschrank ausgeglichen werden kann.
Andere Wärmekraftmaschinen
Echte Motoren arbeiten in unterschiedlichen Zyklen:
- Otto-Zyklus: Ein Prozess mit konstantem Volumen ändert sich adiabatisch, wodurch ein geschlossener Kreislauf entsteht;
- Dieselzyklus: isobar, adiabatisch, isochor, adiabatisch;
- Der bei konstantem Druck ablaufende Prozess wird durch einen adiabatischen Prozess ersetzt, wodurch der Kreislauf geschlossen wird.
Mit moderner Technik ist es nicht möglich, in realen Motoren Gleichgewichtsprozesse zu erzeugen (um sie dem Ideal anzunähern). Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist deutlich geringer, selbst wenn die gleichen Temperaturbedingungen wie in einer idealen Wärmeanlage berücksichtigt werden.
Die Rolle der Effizienzberechnungsformel sollte jedoch nicht geschmälert werden, da genau diese zum Ausgangspunkt für die Arbeit zur Effizienzsteigerung realer Motoren wird.
Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung
Beim Vergleich idealer und realer Wärmekraftmaschinen ist zu beachten, dass die Temperatur des Kühlschranks der letzteren nicht beliebig sein kann. Normalerweise wird die Atmosphäre als Kühlschrank betrachtet. Die Temperatur der Atmosphäre kann nur in ungefähren Berechnungen angenommen werden. Erfahrungsgemäß ist die Temperatur des Kühlmittels gleich der Temperatur der Abgase in den Motoren, wie es bei Verbrennungsmotoren (abgekürzt ICE) der Fall ist.
ICE ist die am weitesten verbreitete Wärmekraftmaschine unserer Welt. Der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine hängt in diesem Fall von der Temperatur ab, die durch den brennenden Brennstoff entsteht. Ein wesentlicher Unterschied zwischen Verbrennungsmotoren und Dampfmaschinen besteht in der Zusammenführung der Funktionen des Heizgeräts und des Arbeitsmediums des Gerätes im Luft-Kraftstoff-Gemisch. Beim Verbrennen des Gemisches entsteht Druck auf die beweglichen Teile des Motors.
Es wird eine Erhöhung der Temperatur der Arbeitsgase erreicht, wodurch sich die Eigenschaften des Kraftstoffs deutlich verändern. Leider ist dies nicht auf unbestimmte Zeit möglich. Jedes Material, aus dem die Brennkammer eines Motors besteht, hat seinen eigenen Schmelzpunkt. Die Hitzebeständigkeit solcher Materialien ist das Hauptmerkmal des Motors sowie die Fähigkeit, die Effizienz erheblich zu beeinflussen.
Motoreffizienzwerte
Wenn wir die Temperatur des Arbeitsdampfes am Einlass von 800 K und die Temperatur des Abgases von 300 K berücksichtigen, beträgt der Wirkungsgrad dieser Maschine 62 %. In der Realität liegt dieser Wert nicht über 40 %. Dieser Rückgang ist auf Wärmeverluste beim Aufheizen des Turbinengehäuses zurückzuführen.
Der höchste Wert der internen Verbrennung überschreitet 44 % nicht. Die Steigerung dieses Wertes ist eine Frage der nahen Zukunft. Die Veränderung der Eigenschaften von Materialien und Kraftstoffen ist ein Problem, an dem die besten Köpfe der Menschheit arbeiten.
Die vom Motor geleistete Arbeit ist:
Dieser Prozess wurde erstmals 1824 vom französischen Ingenieur und Wissenschaftler N. L. S. Carnot in dem Buch „Reflexionen über die treibende Kraft des Feuers und über Maschinen, die diese Kraft entwickeln können“ betrachtet.
Ziel von Carnots Forschung war es, die Gründe für die Unvollkommenheit der damaligen Wärmekraftmaschinen (sie hatten einen Wirkungsgrad von ≤ 5 %) herauszufinden und Wege zu finden, diese zu verbessern.
Der Carnot-Zyklus ist der effizienteste von allen. Seine Effizienz ist maximal.
Die Abbildung zeigt die thermodynamischen Prozesse des Kreisprozesses. Während der isothermen Expansion (1-2) bei Temperatur T 1 , Arbeit wird durch eine Änderung der inneren Energie des Heizgeräts verrichtet, d.h. durch die Wärmezufuhr zum Gas Q:
A 12 = Q 1 ,
Die Gaskühlung vor der Kompression (3-4) erfolgt während der adiabatischen Expansion (2-3). Veränderung der inneren Energie ΔU 23 während eines adiabatischen Prozesses ( Q = 0) wird vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt:
A 23 = -ΔU 23 ,
Durch die adiabatische Expansion (2-3) sinkt die Gastemperatur auf die Temperatur des Kühlschranks T 2 < T 1 . Im Prozess (3-4) wird das Gas isotherm komprimiert und dabei die Wärmemenge an den Kühlschrank übertragen F 2:
A 34 = Q 2,
Der Zyklus endet mit dem Prozess der adiabatischen Kompression (4-1), bei dem das Gas auf eine Temperatur erhitzt wird T 1.
Maximaler Wirkungsgrad idealer Gaswärmekraftmaschinen nach dem Carnot-Zyklus:
.
Das Wesentliche der Formel kommt im Bewährten zum Ausdruck MIT. Carnots Theorem besagt, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine den Wirkungsgrad eines Carnot-Zyklus nicht überschreiten kann, der bei der gleichen Temperatur von Heizung und Kühlschrank durchgeführt wird.