¿Cuál es la eficiencia de un motor térmico? Principio de funcionamiento de los motores térmicos.

El tema de la lección actual será la consideración de los procesos que ocurren en dispositivos muy concretos, y no abstractos, como en lecciones anteriores: los motores térmicos. Definiremos dichas máquinas, describiremos sus componentes principales y su principio de funcionamiento. También durante esta lección consideraremos la cuestión de encontrar la eficiencia: el factor de eficiencia de los motores térmicos, tanto real como máximo posible.

Tema: Fundamentos de termodinámica.
Lección: Cómo funciona un motor térmico

El tema de la última lección fue la primera ley de la termodinámica, que especificaba la relación entre una cierta cantidad de calor que se transfirió a una porción de un gas y el trabajo realizado por este gas durante la expansión. Y ahora ha llegado el momento de decir que esta fórmula es de interés no sólo para algunos cálculos teóricos, sino también en una aplicación bastante práctica, porque el trabajo del gas no es más que el trabajo útil que extraemos cuando utilizamos motores térmicos.

Definición. Motor térmico- un dispositivo en el que la energía interna del combustible se convierte en trabajo mecánico (Fig. 1).

Arroz. 1. Varios ejemplos de motores térmicos (), ()

Como puede ver en la figura, los motores térmicos son cualquier dispositivo que funciona según el principio anterior y su diseño varía desde increíblemente simple hasta muy complejo.

Sin excepción, todos los motores térmicos se dividen funcionalmente en tres componentes (ver Fig. 2):

• Calentador
• Trabajando fluidamente
• Refrigerador

Arroz. 2. Diagrama funcional de un motor térmico ()

Un calentador es el proceso de combustión de combustible, que durante la combustión transfiere una gran cantidad de calor al gas, calentándolo a altas temperaturas. El gas caliente, que es el fluido de trabajo, se expande debido al aumento de temperatura y, en consecuencia, de presión, realizando trabajo. Por supuesto, dado que siempre hay transferencia de calor con la carrocería del motor, el aire circundante, etc., el trabajo no será numéricamente igual al calor transferido: parte de la energía va al refrigerador, que, por regla general, es el medio ambiente. .

La forma más sencilla de imaginar el proceso que se produce es en un cilindro simple debajo de un pistón en movimiento (por ejemplo, el cilindro de un motor de combustión interna). Naturalmente, para que el motor funcione y tenga sentido, el proceso debe ocurrir cíclicamente y no una sola vez. Es decir, después de cada expansión, el gas debe volver a su posición original (Fig. 3).

Arroz. 3. Ejemplo de funcionamiento cíclico de un motor térmico ()

Para que el gas vuelva a su posición inicial, se debe realizar algún trabajo sobre él (el trabajo de fuerzas externas). Y dado que el trabajo del gas es igual al trabajo sobre el gas con el signo opuesto, para que el gas realice un trabajo positivo total durante todo el ciclo (de lo contrario, no tendría sentido en el motor), es necesario que el trabajo de las fuerzas externas sea menor que el trabajo del gas. Es decir, la gráfica del proceso cíclico en coordenadas P-V debe tener la forma: un circuito cerrado con recorrido en el sentido de las agujas del reloj. Bajo esta condición, el trabajo realizado por el gas (en la sección del gráfico donde aumenta el volumen) es mayor que el trabajo realizado sobre el gas (en la sección donde el volumen disminuye) (Fig. 4).

Arroz. 4. Un ejemplo de un gráfico de un proceso que ocurre en un motor térmico.

Dado que estamos hablando de un determinado mecanismo, es imperativo decir cuál es su eficiencia.

Definición. Eficiencia (coeficiente de rendimiento) de un motor térmico- la relación entre el trabajo útil realizado por el fluido de trabajo y la cantidad de calor transferido al cuerpo desde el calentador.

Si tenemos en cuenta la conservación de energía: la energía que sale del calentador no desaparece en ninguna parte; parte de ella se elimina en forma de trabajo, el resto va al refrigerador:

Obtenemos:

Esta es una expresión para la eficiencia en partes, si necesita obtener el valor de la eficiencia en porcentaje, debe multiplicar el número resultante por 100. La eficiencia en el sistema de medición SI es una cantidad adimensional y, como puede verse en la fórmula, no puede ser más de uno (o 100).

También hay que decir que esta expresión se llama eficiencia real o eficiencia de un motor térmico real (motor térmico). Si asumimos que de alguna manera logramos deshacernos por completo de las deficiencias del diseño del motor, entonces obtendremos un motor ideal y su eficiencia se calculará utilizando la fórmula para la eficiencia de un motor térmico ideal. Esta fórmula fue obtenida por el ingeniero francés Sadi Carnot (Fig.5):

Probablemente todo el mundo se haya preguntado sobre la eficiencia (Coeficiente de Eficiencia) de un motor de combustión interna. Después de todo, cuanto más alto sea este indicador, más eficientemente funcionará la unidad de potencia. Actualmente se considera que el tipo más eficiente es el eléctrico, su eficiencia puede alcanzar hasta el 90 - 95%, pero para los motores de combustión interna, ya sea diésel o gasolina, esto, por decirlo suavemente, está lejos de ser ideal. ..

Para ser honesto, las opciones de motores modernos son mucho más eficientes que sus homólogos que se lanzaron hace 10 años, y hay muchas razones para ello. Piénselo usted mismo antes: la versión de 1,6 litros sólo producía entre 60 y 70 CV. Y ahora este valor puede alcanzar los 130 - 150 CV. Se trata de un trabajo minucioso para aumentar la eficiencia, en el que cada “paso” se da mediante prueba y error. Sin embargo, comencemos con una definición.

- este es el valor de la relación entre dos cantidades, la potencia que se suministra al cigüeñal del motor y la potencia recibida por el pistón, debido a la presión de los gases que se formaron al encender el combustible.

En términos simples, se trata de la conversión de energía térmica o térmica que aparece durante la combustión de una mezcla de combustible (aire y gasolina) en energía mecánica. Cabe señalar que esto ya ha sucedido, por ejemplo, con las centrales eléctricas de vapor; además, el combustible, bajo la influencia de la temperatura, empujaba los pistones de las unidades. Sin embargo, las instalaciones eran muchas veces más grandes y el combustible en sí era sólido (generalmente carbón o leña), lo que dificultaba su transporte y operación; era necesario constantemente “alimentarlo” al horno con palas. Los motores de combustión interna son mucho más compactos y ligeros que los de “vapor”, y el combustible es mucho más fácil de almacenar y transportar.

Más sobre pérdidas

De cara al futuro, podemos decir con seguridad que la eficiencia de un motor de gasolina oscila entre el 20 y el 25%. Y hay muchas razones para ello. Si tomamos el combustible entrante y lo convertimos en porcentajes, parece que obtenemos "el 100% de la energía" que se transfiere al motor, y luego hay pérdidas:

1)Eficiencia de combustible . No todo el combustible se quema, una pequeña parte se va con los gases de escape, a este nivel ya perdemos hasta un 25% de eficiencia. Por supuesto, ahora los sistemas de combustible están mejorando, ha aparecido un inyector, pero tampoco es ideal.

2) El segundo son las pérdidas térmicas.Y . El motor se calienta a sí mismo y a muchos otros elementos, como los radiadores, su carrocería y el líquido que circula por él. Además, parte del calor sale con los gases de escape. Todo esto se traduce en hasta un 35% de pérdida de eficiencia.

3) El tercero son las pérdidas mecánicas. . EN todo tipo de pistones, bielas, anillos, todos los lugares donde hay fricción. Esto también puede incluir pérdidas por la carga del generador, por ejemplo, cuanto más electricidad genera el generador, más ralentiza la rotación del cigüeñal. Por supuesto, los lubricantes también han progresado, pero, una vez más, nadie ha podido superar completamente la fricción: las pérdidas siguen siendo del 20%.

Por tanto, la conclusión es que la eficiencia es de aproximadamente el 20%. Eso sí, entre las opciones de gasolina destacan opciones en las que esta cifra se incrementa hasta el 25%, pero no son muchas.

Es decir, si tu coche consume 10 litros de combustible cada 100 km, entonces solo 2 litros de ellos irán directamente a trabajar, ¡y el resto son pérdidas!

Por supuesto, puede aumentar la potencia, por ejemplo, aburriendo la cabeza, mire un video corto.

Si recuerdas la fórmula, resulta:

¿Qué motor tiene la mayor eficiencia?

Ahora quiero hablar de las opciones de gasolina y diésel y descubrir cuál de ellas es la más eficiente.

Para decirlo en un lenguaje sencillo y sin entrar en términos técnicos, si se comparan los dos factores de eficiencia, el más eficiente de ellos es, por supuesto, el diésel y este es el motivo:

1) Un motor de gasolina convierte sólo el 25% de la energía en energía mecánica, pero un motor diésel convierte alrededor del 40%.

2) Si equipa un motor diésel con turbocompresor, puede alcanzar una eficiencia del 50-53%, y esto es muy significativo.

Entonces, ¿por qué es tan eficaz? Es simple: a pesar del tipo de trabajo similar (ambas son unidades de combustión interna), el diésel hace su trabajo de manera mucho más eficiente. Tiene mayor compresión y el combustible se enciende según un principio diferente. Se calienta menos, lo que supone un ahorro en refrigeración, tiene menos válvulas (ahorro en fricción), y además carece de las habituales bobinas de encendido y bujías, por lo que no requiere costes energéticos adicionales del generador. . Funciona a velocidades más bajas, no es necesario hacer girar frenéticamente el cigüeñal; todo esto hace que la versión diésel sea una campeona en términos de eficiencia.

Acerca de la eficiencia del combustible diésel

A partir de un valor de eficiencia más alto, se sigue la eficiencia del combustible. Así, por ejemplo, un motor de 1,6 litros puede consumir sólo de 3 a 5 litros en ciudad, a diferencia del modelo de gasolina, cuyo consumo es de 7 a 12 litros. El diésel es mucho más eficiente; el motor en sí suele ser más compacto y ligero y, últimamente, también más respetuoso con el medio ambiente. Todos estos aspectos positivos se consiguen gracias al mayor valor, existe una relación directa entre eficiencia y compresión, ver la placa pequeña.

Sin embargo, a pesar de todas las ventajas, también tiene muchas desventajas.

Como queda claro, la eficiencia de un motor de combustión interna está lejos de ser ideal, por lo que el futuro claramente pertenece a las opciones eléctricas: solo queda encontrar baterías eficientes que no temen a las heladas y mantengan la carga durante mucho tiempo.

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 frigorífico. 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.

Las realidades modernas exigen el uso generalizado de motores térmicos. Hasta ahora han fracasado numerosos intentos de sustituirlos por motores eléctricos. Los problemas asociados con la acumulación de electricidad en sistemas autónomos son difíciles de resolver.

Los problemas de la tecnología de fabricación de baterías eléctricas, teniendo en cuenta su uso a largo plazo, siguen siendo relevantes. Las características de velocidad de los vehículos eléctricos están lejos de las de los automóviles con motor de combustión interna.

Los primeros pasos para crear motores híbridos pueden reducir significativamente las emisiones nocivas en las megaciudades, resolviendo problemas ambientales.

Una pequeña historia

La posibilidad de convertir la energía del vapor en energía de movimiento era conocida desde la antigüedad. 130 a.C.: El filósofo Herón de Alejandría presentó al público un juguete de vapor, el aeolipile. La esfera llena de vapor comenzó a girar bajo la influencia de los chorros que emanaban de ella. Este prototipo de turbina de vapor moderna no se utilizaba en aquella época.

Durante muchos años y siglos, los desarrollos del filósofo se consideraron simplemente un juguete divertido. En 1629, el italiano D. Branchi creó una turbina activa. El vapor impulsaba un disco equipado con palas.

A partir de ese momento se inició el rápido desarrollo de las máquinas de vapor.

Motor térmico

La conversión de combustible en energía de movimiento de piezas y mecanismos de máquinas se utiliza en los motores térmicos.

Las partes principales de las máquinas: calentador (sistema de obtención de energía del exterior), fluido de trabajo (realiza una acción útil), frigorífico.

El calentador está diseñado para garantizar que el fluido de trabajo acumule un suministro suficiente de energía interna para realizar un trabajo útil. El frigorífico elimina el exceso de energía.

La principal característica de eficiencia se denomina eficiencia de los motores térmicos. Este valor muestra cuánta energía gastada en calefacción se gasta en realizar un trabajo útil. Cuanto mayor sea la eficiencia, más rentable será el funcionamiento de la máquina, pero este valor no puede superar el 100%.

Cálculo de eficiencia

Deje que el calentador adquiera del exterior energía igual a Q 1 . El fluido de trabajo realizó el trabajo A, mientras que la energía entregada al refrigerador ascendió a Q 2.

Con base en la definición, calculamos el valor de eficiencia:

η= A / Q 1 . Tengamos en cuenta que A = Q 1 - Q 2.

Por tanto, la eficiencia del motor térmico, cuya fórmula es η = (Q 1 - Q 2) / Q 1 = 1 - Q 2 / Q 1, nos permite sacar las siguientes conclusiones:

• La eficiencia no puede exceder 1 (o 100%);
• para maximizar este valor, es necesario aumentar la energía recibida del calentador o disminuir la energía entregada al refrigerador;
• el aumento de la energía del calentador se logra cambiando la calidad del combustible;
• Las características de diseño de los motores pueden reducir la energía entregada al refrigerador.

Motor térmico ideal

¿Es posible crear un motor cuya eficiencia sea máxima (idealmente igual al 100%)? El físico teórico y talentoso ingeniero francés Sadi Carnot intentó encontrar la respuesta a esta pregunta. En 1824 se hicieron públicos sus cálculos teóricos sobre los procesos que ocurren en los gases.

Se puede considerar que la idea principal inherente a la máquina ideal es realizar procesos reversibles con un gas ideal. Empezamos expandiendo el gas isotérmicamente a la temperatura T 1 . La cantidad de calor necesaria para ello es Q 1. Después el gas se expande sin intercambio de calor y, al alcanzar la temperatura T 2, el gas se comprime isotérmicamente transfiriendo energía Q 2 al frigorífico. El gas vuelve adiabáticamente a su estado original.

La eficiencia de una máquina térmica de Carnot ideal, cuando se calcula con precisión, es igual a la relación entre la diferencia de temperatura entre los dispositivos de calefacción y refrigeración y la temperatura del calentador. Se ve así: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

La posible eficiencia de un motor térmico, cuya fórmula es: η = 1 - T 2 / T 1, depende únicamente de las temperaturas del calentador y del refrigerador y no puede superar el 100%.

Además, esta relación nos permite demostrar que la eficiencia de los motores térmicos puede ser igual a la unidad sólo cuando el frigorífico alcanza la temperatura. Como se sabe, este valor es inalcanzable.

Los cálculos teóricos de Carnot permiten determinar la eficiencia máxima de una máquina térmica de cualquier diseño.

El teorema demostrado por Carnot es el siguiente. En ningún caso un motor térmico arbitrario puede tener una eficiencia superior al mismo valor de eficiencia de un motor térmico ideal.

Ejemplo de resolución de problemas

Ejemplo 1. ¿Cuál es la eficiencia de un motor térmico ideal si la temperatura del calentador es de 800 o C y la temperatura del refrigerador es 500 o C menor?

T 1 = 800 o C = 1073 K, ∆T = 500 o C = 500 K, η - ?

Por definición: η=(T 1 - T 2)/ T 1.

No nos dan la temperatura del frigorífico, sino ∆T= (T 1 - T 2), por lo tanto:

η= ∆T / T 1 = 500 K/1073 K = 0,46.

Respuesta: Eficiencia = 46%.

Ejemplo 2. Determine la eficiencia de una máquina térmica ideal si, debido al kilojulio adquirido de energía del calentador, se realiza un trabajo útil de 650 J. ¿Cuál es la temperatura del calentador de la máquina térmica si la temperatura del refrigerador es de 400 K?

Q 1 = 1 kJ = 1000 J, A = 650 J, T 2 = 400 K, η - ?, T 1 = ?

En este problema hablamos de una instalación térmica cuyo rendimiento se puede calcular mediante la fórmula:

Para determinar la temperatura del calentador, utilizamos la fórmula de eficiencia de un motor térmico ideal:

η = (T 1 - T 2)/ T 1 = 1 - T 2 / T 1.

Después de realizar transformaciones matemáticas, obtenemos:

T 1 = T 2 /(1- η).

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

Calculemos:

η= 650 J/ 1000 J = 0,65.

T1 = 400 K / (1 - 650 J / 1000 J) = 1142,8 K.

Respuesta: η= 65%, T 1 = 1142,8 K.

Condiciones reales

Un motor térmico ideal se diseña teniendo en cuenta los procesos ideales. El trabajo se realiza sólo en procesos isotérmicos; su valor se determina como el área limitada por la gráfica del ciclo de Carnot.

En realidad, es imposible crear las condiciones para que se produzca el proceso de cambio de estado de un gas sin los cambios de temperatura que lo acompañan. No existen materiales que excluyan el intercambio de calor con los objetos circundantes. El proceso adiabático se vuelve imposible de realizar. En el caso del intercambio de calor, la temperatura del gas necesariamente debe cambiar.

La eficiencia de los motores térmicos creados en condiciones reales difiere significativamente de la eficiencia de los motores ideales. Tenga en cuenta que los procesos en motores reales ocurren tan rápidamente que la variación en la energía térmica interna de la sustancia de trabajo en el proceso de cambiar su volumen no puede compensarse mediante la entrada de calor desde el calentador y su transferencia al refrigerador.

Otros motores térmicos

Los motores reales funcionan en diferentes ciclos:

• Ciclo Otto: un proceso con un volumen constante cambia adiabáticamente, creando un ciclo cerrado;
• Ciclo diésel: isobárico, adiabático, isocoro, adiabático;
• el proceso que ocurre a presión constante se reemplaza por uno adiabático, cerrando el ciclo.

No es posible crear procesos de equilibrio en motores reales (acercarlos a los ideales) con la tecnología moderna. La eficiencia de los motores térmicos es sensiblemente menor, incluso teniendo en cuenta las mismas condiciones de temperatura que en una instalación térmica ideal.

Pero no se debe reducir el papel de la fórmula de cálculo de la eficiencia, ya que es precisamente ella la que se convierte en el punto de partida en el proceso de trabajo para aumentar la eficiencia de los motores reales.

Formas de cambiar la eficiencia

Al comparar motores térmicos ideales y reales, cabe señalar que la temperatura del frigorífico de este último no puede ser cualquiera. Por lo general, la atmósfera se considera un refrigerador. La temperatura de la atmósfera sólo puede aceptarse mediante cálculos aproximados. La experiencia demuestra que la temperatura del refrigerante en los motores es igual a la temperatura de los gases de escape, como ocurre en los motores de combustión interna (abreviado como ICE).

ICE es el motor térmico más común en nuestro mundo. La eficiencia del motor térmico en este caso depende de la temperatura creada por el combustible quemado. Una diferencia significativa entre los motores de combustión interna y las máquinas de vapor es la fusión de las funciones del calentador y el fluido de trabajo del dispositivo en una mezcla de aire y combustible. A medida que la mezcla se quema, crea presión sobre las partes móviles del motor.

Se consigue un aumento de la temperatura de los gases de trabajo, cambiando significativamente las propiedades del combustible. Lamentablemente, esto no se puede hacer indefinidamente. Cualquier material del que esté hecha la cámara de combustión de un motor tiene su propio punto de fusión. La resistencia al calor de dichos materiales es la característica principal del motor, así como la capacidad de afectar significativamente la eficiencia.

Valores de eficiencia del motor

Si consideramos la temperatura del vapor de trabajo en la entrada, que es de 800 K y la de los gases de escape, de 300 K, entonces la eficiencia de esta máquina es del 62%. En realidad, este valor no supera el 40%. Esta disminución se produce debido a las pérdidas de calor al calentar la carcasa de la turbina.

El valor más alto de combustión interna no supera el 44%. Aumentar este valor es una cuestión de futuro próximo. Cambiar las propiedades de los materiales y los combustibles es un problema en el que están trabajando las mejores mentes de la humanidad.