Untuk membina enjin haba yang boleh melakukan kerja dengan menggunakan haba, anda perlu mewujudkan keadaan tertentu. Pertama sekali, enjin haba mesti beroperasi dalam mod kitaran, di mana satu siri proses termodinamik berturut-turut mencipta kitaran. Hasil daripada kitaran, gas yang dimasukkan ke dalam silinder dengan omboh boleh alih berfungsi. Tetapi satu kitaran tidak mencukupi untuk mesin yang beroperasi secara berkala; ia mesti melakukan kitaran berulang kali untuk masa tertentu. Jumlah kerja yang dilakukan dalam masa tertentu dalam realiti, dibahagikan dengan masa, memberikan satu lagi konsep penting - kuasa.
Pada pertengahan abad ke-19, enjin haba pertama dicipta. Mereka melakukan kerja, tetapi mengeluarkan sejumlah besar haba yang diperoleh daripada pembakaran bahan api. Pada masa itu ahli fizik teori bertanya kepada diri mereka sendiri: Bagaimanakah gas berfungsi dalam enjin haba? Bagaimana untuk mendapatkan prestasi maksimum dengan penggunaan bahan api minimum?”
Untuk melaksanakan analisis kerja gas, adalah perlu untuk memperkenalkan keseluruhan sistem definisi dan konsep. Keseluruhan semua definisi mencipta arah saintifik keseluruhan, yang diterimatajuk: "Termodinamik teknikal". Dalam termodinamik, beberapa andaian telah dibuat yang sama sekali tidak menjejaskan kesimpulan utama. Cecair kerja adalah gas fana (tidak wujud dalam alam semula jadi), yang boleh dimampatkan kepada isipadu sifar, yang molekulnya tidak berinteraksi antara satu sama lain. Secara semula jadi, terdapat hanya gas sebenar yang mempunyai sifat jelas yang berbeza daripada gas ideal.
Untuk mempertimbangkan model dinamik bendalir kerja, undang-undang termodinamik telah dicadangkan, menerangkan proses termodinamik utama, seperti:
- proses isochorik ialah proses yang dilakukan tanpa mengubah isipadu cecair kerja. Keadaan proses isokorik, v=const;
- proses isobarik ialah proses yang dilakukan tanpa mengubah tekanan dalam bendalir kerja. Keadaan proses isobarik, P=const;
- isoterma (isoterma) ialah proses yang dilakukan sambil mengekalkan suhu pada tahap tertentu. Keadaan proses isoterma, T=const;
- proses adiabatik (adiabatik, sebagai jurutera haba moden memanggilnya) ialah proses yang dilakukan di angkasa tanpa pertukaran haba dengan persekitaran. Keadaan proses adiabatik, q=0;
- proses politropik - ini ialah proses paling umum yang menerangkan semua proses termodinamik di atas, serta semua proses lain yang mungkin dilakukan dalam silinder dengan omboh alih.
Proses
Semasa penciptaan enjin haba pertama, mereka sedang mencari kitaran di mana anda boleh mendapatkan kecekapan tertinggi(kecekapan). Sadi Carnot, meneroka keseluruhan proses termodinamik, dengan sesuka hati datang kepada pembangunan kitaran sendiri, yang menerima namanya - kitaran Carnot. Ia secara berurutan melakukan isoterma, kemudian proses pemampatan adiabatik. Bendalir kerja selepas melakukan proses ini mempunyai rizab tenaga dalaman, tetapi kitaran belum selesai, jadi bendalir kerja mengembang dan melakukan proses pengembangan isoterma. Untuk melengkapkan kitaran dan kembali kepada parameter asal cecair kerja, proses pengembangan adiabatik dilakukan.
Carnot membuktikan bahawa kecekapan dalam kitarannya mencapai maksimum dan hanya bergantung pada suhu dua isoterma. Semakin tinggi perbezaan antara mereka, semakin tinggi kecekapan terma yang sepadan. Percubaan untuk mencipta enjin haba mengikut kitaran Carnot tidak berjaya. Ini adalah kitaran ideal yang tidak dapat dipenuhi. Tetapi dia membuktikan prinsip utama undang-undang kedua termodinamik tentang kemustahilan mendapatkan kerja yang sama dengan kos tenaga haba. Sejumlah definisi telah dirumuskan untuk undang-undang kedua termodinamik, yang berdasarkannya Rudolf Clausius memperkenalkan konsep entropi. Kesimpulan utama penyelidikannya ialah entropi sentiasa meningkat, yang membawa kepada "kematian" terma.
Pencapaian Clausius yang paling penting ialah pemahaman tentang intipati proses adiabatik, apabila ia dilakukan, entropi bendalir kerja tidak berubah. Oleh itu, menurut Clausius, proses adiabatik ialah s=const. Berikut ialah entropi, yang memberikan nama lain kepada proses yang dilakukan tanpa bekalan atau penyingkiran haba, proses isentropik. Saintis itu mencariseperti kitaran enjin haba di mana tidak akan ada peningkatan entropi. Tetapi, malangnya, dia gagal berbuat demikian. Oleh itu, dia membuat kesimpulan bahawa enjin haba tidak boleh dibuat sama sekali.
Tetapi tidak semua penyelidik begitu pesimis. Mereka sedang mencari kitaran sebenar untuk enjin haba. Hasil carian mereka, Nikolaus August Otto mencipta kitaran sendiri enjin haba, yang kini dilaksanakan dalam enjin petrol. Di sini, proses adiabatik pemampatan cecair kerja dan bekalan haba isochorik (pembakaran bahan api pada isipadu tetap) dilakukan, kemudian pengembangan adiabatik muncul (kerja dilakukan oleh bendalir kerja dalam proses meningkatkan isipadunya) dan isochoric. penyingkiran haba. Enjin pembakaran dalaman pertama kitaran Otto menggunakan gas mudah terbakar sebagai bahan api. Tidak lama kemudian, karburetor dicipta, yang mula mencipta campuran udara petrol-udara dengan wap petrol dan membekalkannya ke silinder enjin.
Dalam kitaran Otto, campuran mudah terbakar dimampatkan, jadi mampatannya agak kecil - campuran mudah terbakar cenderung meletup (meletup apabila tekanan dan suhu kritikal dicapai). Oleh itu, kerja semasa proses pemampatan adiabatik adalah agak kecil. Konsep lain diperkenalkan di sini: nisbah mampatan ialah nisbah jumlah isipadu kepada isipadu mampatan.
Pencarian cara untuk meningkatkan kecekapan tenaga bahan api diteruskan. Peningkatan kecekapan dilihat dalam peningkatan nisbah mampatan. Rudolf Diesel membangunkan kitaran sendiri di mana haba dibekalkanpada tekanan malar (dalam proses isobaric). Kitarannya membentuk asas enjin menggunakan bahan api diesel (ia juga dipanggil bahan api diesel). Kitaran Diesel tidak memampatkan campuran mudah terbakar, tetapi udara. Oleh itu, kerja dikatakan dilakukan dalam proses adiabatik. Suhu dan tekanan pada penghujung pemampatan adalah tinggi, jadi bahan api disuntik melalui penyuntik. Ia bercampur dengan udara panas, membentuk campuran mudah terbakar. Ia terbakar, manakala tenaga dalaman cecair kerja meningkat. Selanjutnya, pengembangan gas berjalan sepanjang adiabatik, pukulan kerja dibuat.
Percubaan untuk melaksanakan kitaran Diesel dalam enjin haba gagal, jadi Gustav Trinkler mencipta kitaran Trinkler gabungan. Ia digunakan dalam enjin diesel hari ini. Dalam kitaran Trinkler, haba dibekalkan di sepanjang isokor dan kemudian di sepanjang isobar. Hanya selepas itu, proses pengembangan adiabatik cecair kerja dilakukan.
Dengan analogi dengan enjin haba salingan, enjin turbin juga berfungsi. Tetapi di dalamnya, proses penyingkiran haba selepas selesai pengembangan adiabatik berguna gas dijalankan di sepanjang isobar. Pada pesawat dengan turbin gas dan enjin turboprop, proses adiabatik berlaku dua kali: semasa pemampatan dan pengembangan.
Untuk mengesahkan semua konsep asas proses adiabatik, formula pengiraan telah dicadangkan. Kuantiti penting muncul di sini, dipanggil eksponen adiabatik. Nilainya untuk gas diatomik (oksigen dan nitrogen ialah gas diatomik utama yang terdapat di udara) ialah 1.4. Untuk mengiraeksponen adiabatik, dua lagi ciri menarik digunakan, iaitu: kapasiti haba isobaric dan isochoric cecair kerja. Nisbah k=Cp/Cv ialah eksponen adiabatik.
Mengapakah proses adiabatik digunakan dalam kitaran teori enjin haba? Sebenarnya, proses politropik dilakukan, tetapi disebabkan fakta bahawa ia berlaku pada kelajuan tinggi, adalah kebiasaan untuk mengandaikan bahawa tiada pertukaran haba dengan persekitaran.
90% tenaga elektrik dijana oleh loji kuasa haba. Mereka menggunakan wap air sebagai cecair kerja. Ia diperoleh dengan air mendidih. Untuk meningkatkan potensi kerja stim, ia dipanaskan. Stim panas lampau kemudiannya disalurkan pada tekanan tinggi ke turbin stim. Proses adiabatik pengembangan wap juga berlaku di sini. Turbin menerima putaran, ia dipindahkan ke penjana elektrik. Itu, seterusnya, menjana elektrik untuk pengguna. Turbin wap beroperasi pada kitaran Rankine. Sebaik-baiknya, peningkatan kecekapan juga dikaitkan dengan peningkatan suhu dan tekanan wap air.
Seperti yang dapat dilihat daripada di atas, proses adiabatik adalah sangat biasa dalam penghasilan tenaga mekanikal dan elektrik.
