El funcionamiento de muchos tipos de máquinas se caracteriza por un indicador tan importante como la eficiencia de un motor térmico. Cada año, los ingenieros se esfuerzan por crear equipos más avanzados que, a un menor costo de combustible, brinden el máximo resultado de su uso.
Dispositivo de motor térmico
Antes de entender qué es la eficiencia, es necesario entender cómo funciona este mecanismo. Sin conocer los principios de su acción, es imposible descubrir la esencia de este indicador. Una máquina térmica es un dispositivo que realiza un trabajo mediante el uso de energía interna. Cualquier motor térmico que convierte la energía térmica en energía mecánica utiliza la expansión térmica de las sustancias al aumentar la temperatura. En los motores de estado sólido, es posible cambiar no solo el volumen de la materia, sino también la forma del cuerpo. El funcionamiento de dicho motor está sujeto a las leyes de la termodinámica.
Principio de funcionamiento
Para entender cómo funciona un motor térmico, es necesario tener en cuenta los conceptos básicossus diseños. Para el funcionamiento del dispositivo, se necesitan dos cuerpos: caliente (calentador) y frío (refrigerador, enfriador). El principio de funcionamiento de los motores térmicos (la eficiencia de los motores térmicos) depende de su tipo. A menudo, el condensador de vapor actúa como un refrigerador y cualquier tipo de combustible que se quema en el horno actúa como un calentador. La eficiencia de una máquina térmica ideal se encuentra mediante la siguiente fórmula:
Eficiencia=(Teatro - Refrigeración)/Teatro. x 100%.
Al mismo tiempo, la eficiencia de un motor real nunca puede exceder el valor obtenido según esta fórmula. Además, este indicador nunca superará el valor anterior. Para aumentar la eficiencia, la mayoría de las veces aumente la temperatura del calentador y reduzca la temperatura del refrigerador. Ambos procesos estarán limitados por las condiciones operativas reales del equipo.
Eficiencia del motor térmico (fórmula)
Durante el funcionamiento de una máquina térmica, se realiza trabajo, ya que el gas comienza a perder energía y se enfría a una determinada temperatura. Este último suele estar unos pocos grados por encima de la atmósfera circundante. Esta es la temperatura del refrigerador. Tal dispositivo especial está diseñado para enfriar con la posterior condensación del vapor de escape. Donde hay condensadores, la temperatura del refrigerador a veces es más baja que la temperatura ambiente.
En una máquina térmica, el cuerpo, cuando se calienta y se expande, no puede dar toda su energía interna para realizar trabajo. Parte del calor se transferirá al refrigerador junto con los gases de escape o el vapor. Esta partela energía térmica interna se pierde inevitablemente. Durante la combustión del combustible, el cuerpo de trabajo recibe una cierta cantidad de calor Q1 del calentador. Al mismo tiempo, todavía realiza el trabajo A, durante el cual transfiere parte de la energía térmica al refrigerador: Q2<Q1.
EFICIENCIA caracteriza la eficiencia del motor en el campo de la conversión y transmisión de energía. Este indicador a menudo se mide como un porcentaje. Fórmula de eficiencia:
ηA/Qx100%, donde Q es la energía gastada, A es el trabajo útil.
Con base en la ley de conservación de la energía, podemos concluir que la eficiencia siempre será menor que uno. En otras palabras, nunca habrá trabajo más útil que la energía gastada en él.
La eficiencia del motor es la relación entre el trabajo útil y la energía suministrada por el calentador. Se puede representar con la siguiente fórmula:
η=(Q1-Q2)/ Q1, donde Q 1 - calor recibido del calentador, y Q2 - entregado al refrigerador.
Funcionamiento del motor térmico
El trabajo realizado por una máquina térmica se calcula mediante la siguiente fórmula:
A=|PH| - |QX|, donde A es trabajo, QH es la cantidad de calor recibido del calentador, QX - la cantidad de calor que se le da al enfriador.
Eficiencia del motor térmico (fórmula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Es igual a la relación entre el trabajo realizado por el motor y la cantidad decalor. Parte de la energía térmica se pierde durante esta transferencia.
Máquina de Carnot
La eficiencia máxima de un motor térmico se observa en el dispositivo de Carnot. Esto se debe al hecho de que en este sistema depende solo de la temperatura absoluta del calentador (Тн) y del enfriador (Тх). La eficiencia de una máquina térmica que funciona según el ciclo de Carnot se determina mediante la siguiente fórmula:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Las leyes de la termodinámica nos permitieron calcular la máxima eficiencia posible. Por primera vez, este indicador fue calculado por el científico e ingeniero francés Sadi Carnot. Inventó un motor térmico que funcionaba con gas ideal. Funciona en un ciclo de 2 isotermas y 2 adiabáticas. El principio de su funcionamiento es bastante simple: se lleva un contacto del calentador al recipiente con gas, como resultado de lo cual el fluido de trabajo se expande isotérmicamente. Al mismo tiempo, funciona y recibe una cierta cantidad de calor. Después de que el recipiente esté aislado térmicamente. A pesar de esto, el gas continúa expandiéndose, pero ya de forma adiabática (sin intercambio de calor con el medio ambiente). En este momento, su temperatura baja al refrigerador. En este momento, el gas está en contacto con el refrigerador, por lo que le entrega una cierta cantidad de calor durante la compresión isométrica. Luego, el recipiente se aísla térmicamente nuevamente. En este caso, el gas se comprime adiabáticamente a su volumen y estado originales.
Variedades
En nuestro tiempo, hay muchos tipos de motores térmicos que funcionan con diferentes principios y con diferentes combustibles. Todos ellos tienen su propia eficiencia. Éstos incluyenlo siguiente:
• Motor de combustión interna (pistón), que es un mecanismo donde parte de la energía química del combustible que se quema se convierte en energía mecánica. Dichos dispositivos pueden ser gas y líquido. Hay motores de 2 tiempos y de 4 tiempos. Pueden tener un ciclo de trabajo continuo. De acuerdo con el método de preparación de una mezcla de combustible, tales motores son carburador (con formación de mezcla externa) y diesel (con interna). Según los tipos de convertidores de energía, se dividen en pistón, chorro, turbina, combinados. La eficiencia de tales máquinas no excede 0.5.
• Motor Stirling: dispositivo en el que el fluido de trabajo se encuentra en un espacio cerrado. Es una especie de motor de combustión externa. El principio de su funcionamiento se basa en el enfriamiento/calentamiento periódico del cuerpo con la producción de energía debido a un cambio en su volumen. Es uno de los motores más eficientes.
• Motor de turbina (rotativo) con combustión externa de combustible. Estas instalaciones se encuentran con mayor frecuencia en centrales térmicas.
• Turbina (rotativa) ICE se utiliza en centrales térmicas en modo pico. No es tan común como otros.
• Un motor turbohélice genera parte del empuje debido a la hélice. El resto proviene de los gases de escape. Su diseño es un motor rotativo (turbina de gas), en cuyo eje está montada una hélice.
Otros tipos de motores térmicos
• Motores de cohetes, turborreactores y reactores que reciben impulso por retrocesogases de escape.
• Los motores de estado sólido utilizan sólidos como combustible. Al trabajar, no es su volumen lo que cambia, sino su forma. El funcionamiento del equipo utiliza una diferencia de temperatura extremadamente baja.
Cómo mejorar la eficiencia
¿Es posible aumentar la eficiencia de un motor térmico? La respuesta hay que buscarla en la termodinámica. Estudia las transformaciones mutuas de diferentes tipos de energía. Se ha establecido que es imposible convertir toda la energía térmica disponible en eléctrica, mecánica, etc. Al mismo tiempo, su conversión en energía térmica se produce sin restricciones. Esto es posible debido al hecho de que la naturaleza de la energía térmica se basa en el movimiento desordenado (caótico) de las partículas.
Cuanto más se calienta el cuerpo, más rápido se moverán las moléculas que lo componen. El movimiento de las partículas se volverá aún más errático. Junto con esto, todos saben que el orden puede convertirse fácilmente en un caos, lo cual es muy difícil de ordenar.
