« Fizica - clasa a X-a"
Pentru a rezolva probleme, este necesar să folosim expresii cunoscute pentru determinarea eficienței motoarelor termice și să rețineți că expresia (13.17) este valabilă numai pentru un motor termic ideal.
Sarcina 1.
În cazanul unui motor cu abur temperatura este de 160 °C, iar temperatura frigiderului este de 10 °C.
Ce lucru maxim poate fi efectuat teoretic de o mașină dacă într-un cuptor cu o eficiență de 60% este ars cărbune care cântărește 200 kg cu o căldură specifică de ardere de 2,9 10 7 J/kg?
Soluţie.
Lucrul maxim poate fi realizat de un motor termic ideal care funcționează conform ciclului Carnot, a cărui eficiență este η \u003d (T 1 - T 2) / T 1, unde T 1 și T 2 sunt temperaturile absolute ale încălzitorului si frigider. Pentru orice motor termic, eficiența este determinată de formula η \u003d A / Q 1, unde A este munca efectuată de motorul termic, Q 1 este cantitatea de căldură primită de mașină de la încălzitor.
Din starea problemei reiese clar că Q 1 este o parte din cantitatea de căldură eliberată în timpul arderii combustibilului: Q 1 = η 1 mq.
Atunci unde A = η 1 mq(1 - T 2 /T 1) = 1,2 10 9 J.
Sarcina 2.
Un motor cu abur cu o putere de N = 14,7 kW consumă combustibil cu masa de m = 8,1 kg pentru 1 oră de funcționare, cu o căldură specifică de ardere q = 3,3 10 7 J/kg.
Temperatura cazanului 200 °C, frigider 58 °C.
Determinați eficiența acestei mașini și comparați-o cu eficiența unui motor termic ideal.
Soluţie.
Eficiența unui motor termic este egală cu raportul dintre munca mecanică finalizată A și cantitatea de căldură consumată Qlt eliberată în timpul arderii combustibilului.
Cantitatea de căldură Q 1 = mq.
Munca efectuată în același timp A = Nt.
Astfel, η = A/Q 1 = Nt/qm = 0,198, sau η ≈ 20%.
Pentru un motor termic ideal 
η < η ид.
Sarcina 3.
Un motor termic ideal cu randament η funcționează într-un ciclu invers (Fig. 13.15).
Care este cantitatea maximă de căldură care poate fi preluată de la frigider prin efectuarea lucrului mecanic A?
Deoarece mașina de refrigerare funcționează într-un ciclu invers, pentru ca căldura să se transfere de la un corp mai puțin încălzit la unul mai încălzit, este necesar ca forțele externe să facă o muncă pozitivă.
Schema schematică a unei mașini frigorifice: se ia o cantitate de căldură Q 2 din frigider, se lucrează prin forțe externe și o cantitate de căldură Q 1 este transferată în încălzitor.
Prin urmare, 
Q2 = Q1 (1 - η), Q1 = A/η.
În cele din urmă, Q 2 = (A/η)(1 - η).
Sursa: „Fizica - clasa a X-a”, 2014, manual Myakishev, Bukhovtsev, Sotsky
Fundamentele termodinamicii. Fenomene termice - Fizica, manual pentru clasa a 10-a - Fizica clasei
Factorul de eficiență (eficiență) este un termen care poate fi aplicat, probabil, fiecărui sistem și dispozitiv. Chiar și o persoană are un factor de eficiență, deși probabil nu există încă o formulă obiectivă pentru a-l găsi. În acest articol vom explica în detaliu ce este eficiența și cum poate fi calculată pentru diverse sisteme.
Definirea eficienței
Eficiența este un indicator care caracterizează eficacitatea unui sistem în ceea ce privește producția de energie sau conversia. Eficiența este o cantitate incomensurabilă și este reprezentată fie ca valoare numerică în intervalul de la 0 la 1, fie ca procent.
Formula generala
Eficiența este indicată prin simbolul Ƞ.
Formula matematică generală pentru găsirea eficienței este scrisă după cum urmează:
Ƞ=A/Q, unde A este energia/munca utilă efectuată de sistem, iar Q este energia consumată de acest sistem pentru a organiza procesul de obținere a producției utile.
Factorul de eficiență, din păcate, este întotdeauna mai mic sau egal cu unitatea, întrucât, conform legii conservării energiei, nu putem obține mai multă muncă decât energia cheltuită. În plus, eficiența, de fapt, este extrem de rar egală cu unitatea, deoarece munca utilă este întotdeauna însoțită de pierderi, de exemplu, pentru încălzirea mecanismului.
Eficiența motorului termic
Un motor termic este un dispozitiv care transformă energia termică în energie mecanică. Într-un motor termic, munca este determinată de diferența dintre cantitatea de căldură primită de la încălzitor și cantitatea de căldură dată răcitorului și, prin urmare, eficiența este determinată de formula:
- Ƞ=Qн-Qх/Qн, unde Qн este cantitatea de căldură primită de la încălzitor și Qх este cantitatea de căldură dată răcitorului.
Se crede că cea mai mare eficiență este asigurată de motoarele care funcționează pe ciclul Carnot. În acest caz, eficiența este determinată de formula:
- Ƞ=T1-T2/T1, unde T1 este temperatura izvorului cald, T2 este temperatura izvorului rece.
Eficiența motorului electric
Un motor electric este un dispozitiv care convertește energia electrică în energie mecanică, deci eficiența în acest caz este raportul de eficiență al dispozitivului în conversia energiei electrice în energie mecanică. Formula pentru găsirea eficienței unui motor electric arată astfel:
- Ƞ=P2/P1, unde P1 este puterea electrică furnizată, P2 este puterea mecanică utilă generată de motor.
Puterea electrică se găsește ca produsul dintre curentul și tensiunea sistemului (P=UI), iar puterea mecanică ca raportul de lucru pe unitatea de timp (P=A/t)
Eficiența transformatorului
Un transformator este un dispozitiv care convertește curentul alternativ al unei tensiuni în curent alternativ al unei alte tensiuni, menținând în același timp frecvența. În plus, transformatoarele pot transforma și curentul alternativ în curent continuu.
Eficiența transformatorului se găsește prin formula:
- Ƞ=1/1+(P0+PL*n2)/(P2*n), unde P0 este pierderea în gol, PL este pierderea de sarcină, P2 este puterea activă furnizată sarcinii, n este gradul relativ de sarcină.
Eficiență sau nu eficiență?
Este de remarcat faptul că, pe lângă eficiență, există o serie de indicatori care caracterizează eficiența proceselor energetice și, uneori, putem întâlni descrieri precum - eficiență de ordinul a 130%, însă în acest caz trebuie să înțelegem că termenul nu este folosit în întregime corect și, cel mai probabil, autorul sau producătorul înțelege că această abreviere înseamnă o caracteristică ușor diferită.
De exemplu, pompele de căldură se remarcă prin faptul că pot elibera mai multă căldură decât consumă. Astfel, o mașină de refrigerare poate elimina mai multă căldură de la obiectul care este răcit decât a fost cheltuită în energie echivalentă pentru a organiza îndepărtarea. Indicatorul de eficiență al unei mașini frigorifice se numește coeficient de refrigerare, notat cu litera Ɛ și determinat prin formula: Ɛ=Qx/A, unde Qx este căldura îndepărtată de la capătul rece, A este munca cheltuită în procesul de îndepărtare. . Cu toate acestea, uneori coeficientul de refrigerare este numit și eficiența mașinii de refrigerare.
De asemenea, este interesant faptul că eficiența cazanelor care funcționează cu combustibil organic este de obicei calculată pe baza puterii calorice mai mici și poate fi mai mare decât unitatea. Cu toate acestea, este încă numită în mod tradițional eficiență. Este posibil să se determine eficiența unui cazan prin puterea calorică mai mare, iar apoi va fi întotdeauna mai mică de unu, dar în acest caz va fi incomod să compari performanța cazanelor cu datele din alte instalații.
Factorul de eficiență (eficiență) este o caracteristică a performanței sistemului în raport cu conversia sau transferul de energie, care este determinată de raportul dintre energia utilă utilizată și energia totală primită de sistem.
Eficienţă- o mărime adimensională, de obicei exprimată ca procent: 
Coeficientul de performanță (eficiență) al unui motor termic este determinat de formula: , unde A = Q1Q2. Eficiența unui motor termic este întotdeauna mai mică de 1.
Ciclul Carnot este un proces de gaz circular reversibil, care constă în stație secvențială a două procese izoterme și două procese adiabatice efectuate cu fluidul de lucru. 
Un ciclu circular, care include două izoterme și două adiabate, corespunde eficienței maxime.
Inginerul francez Sadi Carnot a derivat în 1824 formula pentru eficiența maximă a unui motor termic ideal, în care fluidul de lucru este un gaz ideal, al cărui ciclu a constat din două izoterme și două adiabate, adică ciclul Carnot. Ciclul Carnot este ciclul de lucru real al unui motor termic care efectuează lucru datorită căldurii furnizate fluidului de lucru într-un proces izoterm.
Formula pentru eficiența ciclului Carnot, adică eficiența maximă a unui motor termic, are forma: 
, unde T1 este temperatura absolută a încălzitorului, T2 este temperatura absolută a frigiderului.
Motoare termice- sunt structuri în care energia termică este transformată în energie mecanică.
Motoarele termice sunt diverse atât ca design, cât și ca scop. Acestea includ motoarele cu abur, turbinele cu abur, motoarele cu ardere internă și motoarele cu reacție.
Cu toate acestea, în ciuda diversității, în principiu funcționarea diferitelor motoare termice are caracteristici comune. Principalele componente ale fiecărui motor termic sunt:
- încălzitor;
- corp de lucru;
- frigider.
Încălzitorul eliberează energie termică, în timp ce încălzește fluidul de lucru, care este situat în camera de lucru a motorului. Fluidul de lucru poate fi abur sau gaz.
După ce a acceptat cantitatea de căldură, gazul se dilată, deoarece presiunea sa este mai mare decât presiunea exterioară și mișcă pistonul, producând un lucru pozitiv. În același timp, presiunea acestuia scade și volumul crește.
Dacă comprimăm gazul, trecând prin aceleași stări, dar în sens opus, atunci vom face aceeași valoare absolută, dar muncă negativă. Ca rezultat, toată munca pe ciclu va fi zero.
Pentru ca munca unui motor termic să fie diferită de zero, munca de comprimare a gazului trebuie să fie mai mică decât munca de expansiune.
Pentru ca munca de comprimare să devină mai mică decât cea de expansiune, este necesar ca procesul de comprimare să aibă loc la o temperatură mai scăzută; pentru aceasta, fluidul de lucru trebuie să fie răcit, motiv pentru care un frigider este inclus în proiectare. a motorului termic. Fluidul de lucru transferă căldură la frigider atunci când intră în contact cu acesta.
Realitățile moderne necesită utilizarea pe scară largă a motoarelor termice. Numeroase încercări de a le înlocui cu motoare electrice au eșuat până acum. Problemele asociate cu acumularea de energie electrică în sistemele autonome sunt greu de rezolvat.
Problemele tehnologiei de fabricație a bateriilor de energie electrică, ținând cont de utilizarea lor pe termen lung, sunt încă relevante. Caracteristicile de viteză ale vehiculelor electrice sunt departe de cele ale mașinilor cu motoare cu ardere internă.
Primii pași pentru crearea motoarelor hibride pot reduce semnificativ emisiile nocive în mega-orașe, rezolvând problemele de mediu.
Puțină istorie
Posibilitatea de a converti energia aburului în energie de mișcare era cunoscută în antichitate. 130 î.Hr.: Filosoful Heron al Alexandriei a prezentat publicului o jucărie cu abur - aeolipilă. Sfera plină cu abur a început să se rotească sub influența jeturilor emanate din ea. Acest prototip de turbine moderne cu abur nu a fost folosit în acele vremuri.
Timp de mulți ani și secole, evoluțiile filosofului au fost considerate doar o jucărie distractivă. În 1629, italianul D. Branchi a creat o turbină activă. Aburul conducea un disc echipat cu lame.
Din acel moment a început dezvoltarea rapidă a motoarelor cu abur.
Motor termic
Conversia combustibilului în energia de mișcare a pieselor și mecanismelor mașinii este utilizată în motoarele termice.
Principalele părți ale mașinilor: încălzitor (sistem de obținere a energiei din exterior), fluid de lucru (realizează o acțiune utilă), frigider.
Încălzitorul este proiectat pentru a se asigura că fluidul de lucru acumulează o cantitate suficientă de energie internă pentru a efectua lucrări utile. Frigiderul elimină excesul de energie.
Principala caracteristică a eficienței se numește eficiența motoarelor termice. Această valoare arată cât de mult din energia cheltuită pentru încălzire este cheltuită pentru a efectua lucrări utile. Cu cât randamentul este mai mare, cu atât este mai profitabilă funcționarea mașinii, dar această valoare nu poate depăși 100%.
Calculul randamentului
Fie ca încălzitorul să dobândească din exterior energie egală cu Q 1 . Fluidul de lucru a efectuat munca A, în timp ce energia dată frigiderului a fost Q 2.
Pe baza definiției, calculăm valoarea eficienței:
η= A/Q1. Să luăm în considerare că A = Q 1 - Q 2.
Prin urmare, eficiența motorului termic, a cărui formulă este η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, ne permite să tragem următoarele concluzii:
- Eficiența nu poate depăși 1 (sau 100%);
- pentru a maximiza această valoare, este necesar fie să se mărească energia primită de la încălzitor, fie să se scadă energia dată frigiderului;
- creșterea energiei încălzitorului se realizează prin modificarea calității combustibilului;
- Caracteristicile de design ale motoarelor pot reduce energia dată frigiderului.
Motor termic ideal
Este posibil să se creeze un astfel de motor, a cărui eficiență ar fi maximă (ideal, egală cu 100%)? Fizicianul teoretic și talentatul inginer francez Sadi Carnot a încercat să găsească răspunsul la această întrebare. În 1824, calculele sale teoretice despre procesele care au loc în gaze au fost făcute publice.
Ideea principală din spatele unei mașini ideale este de a efectua procese reversibile cu un gaz ideal. Începem prin a extinde gazul izotermic la temperatura T 1 . Cantitatea de căldură necesară pentru aceasta este Q 1. După ce gazul se extinde fără schimb de căldură. După ce a atins temperatura T 2, gazul este comprimat izotermic, transferând energia Q 2 la frigider. Gazul revine adiabatic la starea inițială.
Eficiența unui motor termic Carnot ideal, atunci când este calculată cu precizie, este egală cu raportul dintre diferența de temperatură dintre dispozitivele de încălzire și răcire și temperatura pe care o are încălzitorul. Arată astfel: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Eficiența posibilă a unui motor termic, a cărui formulă este: η= 1 - T 2 / T 1 , depinde numai de temperatura încălzitorului și a răcitorului și nu poate fi mai mare de 100%.
Mai mult, acest raport ne permite să demonstrăm că eficiența motoarelor termice poate fi egală cu unitatea doar atunci când frigiderul atinge temperaturi. După cum se știe, această valoare este de neatins.
Calculele teoretice ale lui Carnot fac posibilă determinarea eficienței maxime a unui motor termic de orice proiect.
Teorema demonstrată de Carnot este următoarea. Un motor termic arbitrar nu este în niciun caz capabil să aibă un coeficient de eficiență mai mare decât valoarea similară a eficienței unui motor termic ideal.
Exemplu de rezolvare a problemelor
Exemplul 1. Care este eficiența unui motor termic ideal dacă temperatura încălzitorului este de 800°C și temperatura frigiderului este cu 500°C mai mică?
T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 500 K, η - ?
Prin definiție: η=(T 1 - T 2)/ T 1.
Nu ni se dă temperatura frigiderului, ci ∆T= (T 1 - T 2), deci:
η \u003d ∆T / T 1 \u003d 500 K / 1073 K \u003d 0,46.
Raspuns: eficienta = 46%.
Exemplul 2. Determinați eficiența unui motor termic ideal dacă se efectuează 650 J de lucru util datorită energiei de încălzire dobândite de un kilojoule.Care este temperatura încălzitorului motorului termic dacă temperatura lichidului de răcire este de 400 K?
Q1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η - ?, T1 = ?
În această problemă, vorbim despre o instalație termică, a cărei eficiență poate fi calculată prin formula:
Pentru a determina temperatura încălzitorului, folosim formula pentru eficiența unui motor termic ideal:
η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.
După efectuarea transformărilor matematice, obținem:
T1 = T2/(1- η).
T 1 = T 2 /(1- A / Q 1).
Să calculăm:
η= 650 J/ 1000 J = 0,65.
T 1 = 400 K / (1 - 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.
Răspuns: η= 65%, T 1 = 1142,8 K.
Conditii reale
Un motor termic ideal este proiectat având în vedere procesele ideale. Munca se efectuează numai în procese izoterme; valoarea sa este determinată ca suprafață limitată de graficul ciclului Carnot.
În realitate, este imposibil să se creeze condiții pentru ca procesul de schimbare a stării unui gaz să aibă loc fără schimbările de temperatură însoțitoare. Nu există materiale care să excludă schimbul de căldură cu obiectele din jur. Procesul adiabatic devine imposibil de realizat. În cazul schimbului de căldură, temperatura gazului trebuie neapărat să se modifice.
Eficiența motoarelor termice create în condiții reale diferă semnificativ de eficiența motoarelor ideale. Rețineți că procesele din motoarele reale au loc atât de repede încât variația energiei termice interne a substanței de lucru în procesul de modificare a volumului acesteia nu poate fi compensată de afluxul de căldură din încălzitor și transferul la frigider.
Alte motoare termice
Motoarele reale funcționează pe diferite cicluri:
- Ciclul Otto: un proces cu volum constant se modifică adiabatic, creând un ciclu închis;
- Ciclu diesel: izobar, adiabatic, izocor, adiabatic;
- procesul care are loc la presiune constantă este înlocuit cu unul adiabatic, închizând ciclul.
Nu este posibil să se creeze procese de echilibru în motoarele reale (pentru a le apropia de cele ideale) sub tehnologia modernă. Eficiența motoarelor termice este semnificativ mai scăzută, chiar și ținând cont de aceleași condiții de temperatură ca într-o instalație termică ideală.
Dar rolul formulei de calcul al eficienței nu trebuie redus, deoarece tocmai acesta devine punctul de plecare în procesul de lucru pentru creșterea eficienței motoarelor reale.
Modalități de a schimba eficiența
Când comparăm motoarele termice ideale și reale, este de remarcat faptul că temperatura frigiderului celui din urmă nu poate fi nicio. De obicei, atmosfera este considerată un frigider. Temperatura atmosferei poate fi acceptată doar în calcule aproximative. Experiența arată că temperatura lichidului de răcire este egală cu temperatura gazelor de eșapament din motoare, așa cum este cazul la motoarele cu ardere internă (abreviat ca ICE).
ICE este cel mai comun motor termic din lumea noastră. Eficiența motorului termic în acest caz depinde de temperatura creată de combustibilul care arde. O diferență semnificativă între motoarele cu ardere internă și motoarele cu abur este îmbinarea funcțiilor încălzitorului și a fluidului de lucru al dispozitivului în amestecul aer-combustibil. Pe măsură ce amestecul arde, acesta creează presiune asupra părților mobile ale motorului.
Se realizează o creștere a temperaturii gazelor de lucru, modificând semnificativ proprietățile combustibilului. Din păcate, acest lucru nu se poate face la infinit. Orice material din care este realizată camera de ardere a unui motor are propriul punct de topire. Rezistența la căldură a unor astfel de materiale este principala caracteristică a motorului, precum și capacitatea de a afecta semnificativ eficiența.
Valori ale randamentului motorului
Dacă luăm în considerare temperatura aburului de lucru la intrarea căruia este de 800 K, iar gazele de evacuare - 300 K, atunci eficiența acestei mașini este de 62%. În realitate, această valoare nu depășește 40%. Această scădere se produce din cauza pierderilor de căldură la încălzirea carcasei turbinei.
Cea mai mare valoare a arderii interne nu depășește 44%. Creșterea acestei valori este o chestiune de viitor apropiat. Schimbarea proprietăților materialelor și combustibilului este o problemă la care lucrează cele mai bune minți ale umanității.
Lucrul efectuat de motor este:
Acest proces a fost considerat pentru prima dată de inginerul și omul de știință francez N. L. S. Carnot în 1824 în cartea „Reflecții asupra forței motrice a focului și asupra mașinilor capabile să dezvolte această forță”.
Scopul cercetării lui Carnot a fost acela de a afla motivele imperfecțiunii motoarelor termice de atunci (aveau o eficiență ≤ 5%) și de a găsi modalități de îmbunătățire a acestora.
Ciclul Carnot este cel mai eficient dintre toate. Eficiența sa este maximă.
Figura prezintă procesele termodinamice ale ciclului. În timpul expansiunii izoterme (1-2) la temperatură T 1 , munca se realizează datorită unei modificări a energiei interne a încălzitorului, adică datorită furnizării de căldură a gazului Q:
A 12 = Q 1 ,
Răcirea gazului înainte de comprimare (3-4) are loc în timpul expansiunii adiabatice (2-3). Schimbarea energiei interne ΔU 23 într-un proces adiabatic ( Q = 0) este complet transformată în lucru mecanic:
A 23 = -ΔU 23 ,
Temperatura gazului ca urmare a expansiunii adiabatice (2-3) scade la temperatura frigiderului T 2 < T 1 . În procesul (3-4), gazul este comprimat izotermic, transferând cantitatea de căldură la frigider Î 2:
A 34 = Q 2,
Ciclul este finalizat prin procesul de compresie adiabatică (4-1), în care gazul este încălzit la o temperatură T 1.
Valoarea maximă a eficienței motoarelor termice care funcționează pe gaz ideal, conform ciclului Carnot:
.
Esența formulei este exprimată în dovedit CU. Teorema lui Carnot conform căreia randamentul oricărui motor termic nu poate depăși eficiența unui ciclu Carnot efectuat la aceeași temperatură a încălzitorului și a frigiderului.