Fórmula general de eficiencia. Máxima eficiencia de los motores térmicos (teorema de Carnot)

Eficiencia (Eficiencia) - característica de la eficiencia de un sistema (dispositivo, máquina) en relación con la conversión o transmisión de energía. Está determinado por la relación entre la energía útilmente utilizada y la cantidad total de energía recibida por el sistema; generalmente denotado η (“esto”). η = Wpol/Wcym. La eficiencia es una cantidad adimensional y a menudo se mide como porcentaje. Matemáticamente, la definición de eficiencia se puede escribir como:

X 100%,

Dónde A- trabajo útil, y q- energía gastada.

Debido a la ley de conservación de la energía, la eficiencia es siempre menor o igual a la unidad, es decir, es imposible obtener más trabajo útil que la energía gastada.

Eficiencia del motor térmico- la relación entre el trabajo útil completo del motor y la energía recibida del calentador. La eficiencia de una máquina térmica se puede calcular mediante la siguiente fórmula

donde es la cantidad de calor que se recibe del calentador, es la cantidad de calor que se le da al refrigerador. La mayor eficiencia entre las máquinas cíclicas que funcionan a determinadas temperaturas de fuente caliente. t 1 y frio t 2, tener motores térmicos que funcionen según el ciclo de Carnot; esta eficiencia marginal es igual a

No todos los indicadores que caracterizan la eficiencia de los procesos energéticos corresponden a la descripción anterior. Aunque tradicional o erróneamente se les llame "eficiencia", pueden tener otras propiedades, en particular superiores al 100%.

Eficiencia de la caldera

Articulo principal: Balance de calor de la caldera

La eficiencia de las calderas de combustibles fósiles se calcula tradicionalmente en función del menor poder calorífico; Se supone que la humedad de los productos de combustión sale de la caldera en forma de vapor sobrecalentado. En las calderas de condensación, esta humedad se condensa y el calor de condensación se aprovecha de forma útil. Al calcular la eficiencia en función del poder calorífico inferior, puede acabar siendo superior a uno. En este caso, sería más correcto calcularlo por el poder calorífico superior, que tiene en cuenta el calor de condensación del vapor; sin embargo, el rendimiento de una caldera de este tipo es difícil de comparar con los datos de otras instalaciones.

Bombas de calor y enfriadoras

La ventaja de las bombas de calor como equipo de calefacción es la capacidad de recibir en ocasiones más calor que la energía consumida para su funcionamiento; De manera similar, una máquina de refrigeración puede eliminar más calor del extremo enfriado del que se gasta en organizar el proceso.

La eficiencia de tales motores térmicos se caracteriza por coeficiente de rendimiento(para máquinas de refrigeración) o relación de transformación(para bombas de calor)

¿Dónde se toma el calor del extremo frío (en máquinas de refrigeración) o se transfiere al extremo caliente (en bombas de calor)? - el trabajo (o electricidad) gastado en este proceso. El ciclo de Carnot inverso tiene los mejores indicadores de rendimiento para este tipo de máquinas: tiene un coeficiente de rendimiento

donde , son las temperaturas de los extremos frío y caliente, . Este valor, obviamente, puede ser arbitrariamente grande; Aunque es difícil abordarlo en la práctica, el coeficiente de rendimiento aún puede exceder la unidad. Esto no contradice la primera ley de la termodinámica, ya que, además de la energía que se tiene en cuenta A(por ejemplo, eléctrico), para calentar q También se extrae energía de la fuente fría.

Literatura

• Peryshkin A.V. Física. Octavo grado. - Avutarda, 2005. - 191 p. - 50.000 ejemplares. - ISBN 5-7107-9459-7.

Notas

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es “Factor de eficiencia” en otros diccionarios:

eficiencia- Relación entre potencia suministrada y potencia activa consumida. [OST 45.55 99] factor de eficiencia Eficiencia Valor que caracteriza la perfección de los procesos de transformación, transformación o transferencia de energía, que es la relación de utilidad ... ... Guía del traductor técnico

O coeficiente de retorno (Eficiencia) es una característica de la calidad de funcionamiento de cualquier máquina o aparato en términos de su eficiencia. Por eficiencia se entiende la relación entre la cantidad de trabajo recibido de una máquina o energía del aparato y la cantidad ... ... Diccionario marino

- (eficiencia), un indicador de la eficiencia de un mecanismo, definido como la relación entre el trabajo realizado por el mecanismo y el trabajo invertido en su funcionamiento. Eficiencia Generalmente se expresa como porcentaje. Un mecanismo ideal tendría eficiencia =... ... Diccionario enciclopédico científico y técnico.

enciclopedia moderna

- (eficiencia) característica de la eficiencia de un sistema (dispositivo, máquina) en relación con la conversión de energía; está determinada por la relación entre la energía útilmente utilizada (convertida en trabajo durante un proceso cíclico) y la cantidad total de energía,... ... Gran diccionario enciclopédico

- (eficiencia), característica de la eficiencia de un sistema (dispositivo, máquina) en relación con la conversión o transmisión de energía; está determinada por la relación m) entre la energía útilmente utilizada (Wtotal) y la cantidad total de energía (Wtotal) recibida por el sistema; h=Wpiso… … Enciclopedia física

- relación (eficiencia) de energía útil utilizada W p, por ejemplo. en forma de trabajo, a la cantidad total de energía W recibida por el sistema (máquina o motor), W p/W. Debido a las inevitables pérdidas de energía debido a la fricción y otros procesos de desequilibrio para sistemas reales... ... Enciclopedia física

La relación entre el trabajo útil gastado o la energía recibida y todo el trabajo gastado o, respectivamente, la energía consumida. Por ejemplo, la eficiencia de un motor eléctrico es la relación con la mecánica. la potencia que cede a la electricidad que se le suministra. fuerza; A.… … Diccionario técnico ferroviario

Sustantivo, número de sinónimos: 8 eficiencia (4) retorno (27) fecundidad (10) ... Diccionario de sinónimos

Eficiencia- es una cantidad que caracteriza la perfección de cualquier sistema en relación con cualquier proceso de transformación o transferencia de energía que ocurre en él, definida como la relación entre el trabajo útil y el trabajo gastado en la actuación.... ... Enciclopedia de términos, definiciones y explicaciones de materiales de construcción.

Eficiencia- (eficiencia), una característica numérica de la eficiencia energética de cualquier dispositivo o máquina (incluido un motor térmico). La eficiencia está determinada por la relación entre la energía útilmente utilizada (es decir, convertida en trabajo) y la cantidad total de energía... ... Diccionario enciclopédico ilustrado

Energía suministrada al mecanismo en forma de trabajo por fuerzas motrices. un dv.s. y momentos por ciclo de movimiento constante, se dedica a realizar un trabajo útil Y p.d.. , así como para realizar trabajos un pie asociado con la superación de fuerzas de fricción en pares cinemáticos y fuerzas de resistencia ambiental.

Consideremos un movimiento constante. El incremento de energía cinética es cero, es decir

En este caso, el trabajo realizado por las fuerzas de inercia y gravedad es igual a cero Un Ri = 0, AG = 0. Entonces, para un movimiento estacionario, el trabajo de las fuerzas impulsoras es igual a

y el motor =Un p.d. + Un pie.

En consecuencia, para un ciclo completo de movimiento constante, el trabajo de todas las fuerzas impulsoras es igual a la suma del trabajo de las fuerzas de resistencia productiva y de resistencia no productiva (fuerzas de fricción).

Eficiencia mecánica η (eficiencia)– la relación entre el trabajo de las fuerzas de resistencia de producción y el trabajo de todas las fuerzas impulsoras durante el movimiento estacionario:

η = . (3.61)

Como puede verse en la fórmula (3.61), la eficiencia muestra qué fracción de la energía mecánica suministrada a la máquina se gasta de manera útil en realizar el trabajo para el cual fue creada la máquina.

La relación entre el trabajo de las fuerzas de resistencia no productivas y el trabajo de las fuerzas impulsoras se llama factor de pérdida :

ψ = . (3.62)

El coeficiente de pérdidas mecánicas muestra qué parte de la energía mecánica suministrada a la máquina finalmente se convierte en calor y se pierde inútilmente en el espacio circundante.

Por tanto tenemos una relación entre eficiencia y factor de pérdida.

η =1- ψ.

De esta fórmula se deduce que en ningún mecanismo el trabajo de las fuerzas de resistencia no productivas puede ser igual a cero, por lo tanto la eficiencia es siempre menor que uno ( η <1 ). De la misma fórmula se deduce que la eficiencia puede ser cero si A dv.s = A Ftr. El movimiento en el que A dv.s = A Ftr se llama soltero . La eficiencia no puede ser menor que cero, porque para ello es necesario que un dv.s<А Fтр . Un fenómeno en el que el mecanismo está en reposo y se cumple la condición A dv.s.<А Fтр, называется fenómeno de autofrenado mecanismo. Un mecanismo para el cual η = 1 se llama máquina de movimiento perpetuo .

Por tanto, la eficiencia está dentro de los límites.

0 £ η < 1 .

Consideremos la determinación de la eficiencia de varios métodos de conexión de mecanismos.

3.2.2.1. Determinación de la eficiencia en conexión en serie.

Sean n mecanismos conectados en serie (Figura 3.16).

y el motor 1 A 1 2 A 2 3 A 3 Un n-1 n Un n

Figura 3.16 - Diagrama de mecanismos conectados en serie.

El primer mecanismo está impulsado por fuerzas impulsoras que sí funcionan. un dv.s. Dado que el trabajo útil de cada mecanismo anterior, gastado en la resistencia de producción, es el trabajo de las fuerzas motrices de cada mecanismo posterior, la eficiencia del primer mecanismo será igual a:

η 1 =A 1 /un dv.s ..

Para el segundo mecanismo, la eficiencia es igual a:

η2 =A2 /un 1 .

Y finalmente, para el enésimo mecanismo la eficiencia será:

η norte =Un norte /Un n-1

La eficiencia general es:

η 1 norte =Un norte /y el motor

El valor de la eficiencia general se puede obtener multiplicando la eficiencia de cada mecanismo individual, a saber:

η 1 norte = η 1 η 2 η 3 …η norte= .

Por eso, mecanica general eficiencia en serie de mecanismos conectados es igual trabajar Eficiencia mecánica de los mecanismos individuales que forman un sistema general.:

η 1 norte = η 1 η 2 η 3 …η norte .(3.63)

3.2.2.2 Determinación de la eficiencia para conexión mixta

En la práctica, los mecanismos de conexión resultan más complejos. Más a menudo, una conexión en serie se combina con una en paralelo. Esta conexión se llama mixta. Veamos un ejemplo de una conexión compleja (Figura 3.17).

El flujo de energía del mecanismo 2 se distribuye en dos direcciones. A su vez, desde el mecanismo 3 ¢¢ el flujo de energía también se distribuye en dos direcciones. El trabajo total de las fuerzas de resistencia a la producción es igual a:

Y p.d. = A¢n + A¢¢n + A¢¢¢n.

La eficiencia global de todo el sistema será igual a:

η =A p.s. /A dv.s =(A¢n + A¢¢n + A¢¢¢n)/un dv.s . (3.64)

Para determinar la eficiencia global, es necesario identificar los flujos de energía en los que los mecanismos están conectados en serie y calcular la eficiencia de cada flujo. La Figura 3.17 muestra la línea sólida I-I, la línea discontinua II-II y la línea discontinua III-III, tres flujos de energía de una fuente común.

y el motor A 1 A ¢ 2 A ¢ 3 … A ¢ n-1 A ¢ n

II A ¢¢ 2 II

A ¢¢ 3 4 ¢¢ A ¢¢ 4 A ¢¢ n-1 n ¢¢ A ¢¢ n

III 3¢¢…

A¢dv.s = A¢n / η¢1 norte

A ¢¢ dv.s =A ¢ ¢ n /η ¢¢ 1 norte (3.65)

Un motor ¢¢¢ =A ¢ ¢¢ n /η ¢¢¢ 1 norte

El trabajo total de las fuerzas impulsoras de todo el sistema será igual a la suma

A dv.s = A ¢ dv.s + A ¢¢ dv.s + A ¢¢¢ dv.s.

O un dv.s=(Un¢n / η¢1n)+(Un¢¢n /η¢¢1n)+(Un¢¢¢n /η¢¢¢ 1n).

Sustituyamos esta expresión en la fórmula (3.64), obtenemos ecuación de eficiencia para mezclado conexiones

Para mecanismos conectados en paralelo, el método para determinar la eficiencia es similar al caso anterior.

El factor de eficiencia (eficiencia) es un valor que, como porcentaje, expresa la eficiencia de un mecanismo particular (motor, sistema) para convertir la energía recibida en trabajo útil.

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¿Por qué la eficiencia del diésel es mayor?

El indicador de eficiencia para diferentes motores puede variar mucho y depende de varios factores. Tienen una eficiencia relativamente baja debido a la gran cantidad de pérdidas mecánicas y térmicas que surgen durante el funcionamiento de una unidad de potencia de este tipo.

El segundo factor es la fricción que se produce durante la interacción de las piezas acopladas. La mayor parte del consumo de energía útil es impulsado por el movimiento de los pistones del motor, así como por la rotación de las piezas dentro del motor, que están estructuralmente fijadas a cojinetes. Aproximadamente el 60% de la energía de combustión de la gasolina se gasta únicamente en garantizar el funcionamiento de estos componentes.

Las pérdidas adicionales son causadas por el funcionamiento de otros mecanismos, sistemas y accesorios. También se tiene en cuenta el porcentaje de pérdidas de resistencia en el momento de la admisión de la siguiente carga de combustible y aire, y luego la liberación de los gases de escape del cilindro del motor de combustión interna.

Si comparamos una unidad diésel y un motor de gasolina, un motor diésel tiene una eficiencia notablemente mayor en comparación con una unidad de gasolina. Las unidades de energía de gasolina tienen una eficiencia de aproximadamente el 25-30% de la cantidad total de energía recibida.

En otras palabras, de 10 litros de gasolina gastados en el funcionamiento del motor, solo 3 litros se utilizan para realizar trabajos útiles. El resto de la energía procedente de la combustión del combustible se perdió.

A la misma cilindrada, la potencia de un motor de gasolina atmosférico es mayor, pero se consigue a mayores velocidades. Es necesario "girar" el motor, aumentan las pérdidas, aumenta el consumo de combustible. También es necesario mencionar el torque, que literalmente significa la fuerza que se transmite desde el motor a las ruedas y mueve el auto. Los motores de combustión interna de gasolina alcanzan el par máximo a velocidades más altas.

Un motor diésel de aspiración natural similar alcanza el par máximo a bajas velocidades, mientras utiliza menos combustible diésel para realizar un trabajo útil, lo que significa mayor eficiencia y economía de combustible.

El combustible diésel genera más calor en comparación con la gasolina, la temperatura de combustión del combustible diésel es mayor y el índice de resistencia a la detonación es mayor. Resulta que un motor diésel de combustión interna produce un trabajo más útil con una determinada cantidad de combustible.

Valor energético del combustible diésel y la gasolina.

El combustible diésel se compone de hidrocarburos más pesados ​​que la gasolina. La menor eficiencia de una unidad de gasolina frente a un motor diésel también radica en el componente energético de la gasolina y en las características de su combustión. La combustión completa de cantidades iguales de combustible diésel y gasolina producirá más calor en el primer caso. El calor en un motor diésel de combustión interna se convierte más completamente en energía mecánica útil. Resulta que al quemar la misma cantidad de combustible por unidad de tiempo, el diésel realizará más trabajo.

También vale la pena tener en cuenta las características de la inyección y la creación de las condiciones adecuadas para una combustión completa de la mezcla. En un motor diésel, el combustible se suministra por separado del aire; no se inyecta en el colector de admisión, sino directamente en el cilindro al final de la carrera de compresión. El resultado es una temperatura más alta y la combustión más completa de una parte de la mezcla de aire y combustible de trabajo.

Resultados

Los diseñadores se esfuerzan constantemente por mejorar la eficiencia de los motores diésel y de gasolina. Aumentar significativamente la eficiencia puede aumentar significativamente el número de válvulas de admisión y escape por cilindro, el uso activo, el control electrónico de la inyección de combustible, la válvula de mariposa y otras soluciones. Esto se aplica en mayor medida al motor diésel.

Gracias a estas características, un motor diésel moderno es capaz de quemar completamente una parte del combustible diésel saturado con hidrocarburos en el cilindro y producir un par elevado a bajas velocidades. Bajas revoluciones significan menos pérdida por fricción y menor resistencia. Por esta razón, el motor diésel es hoy uno de los tipos de motores de combustión interna más productivos y económicos, cuya eficiencia suele superar el 50%.

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Por qué es mejor calentar el motor antes de conducir: lubricación, combustible, desgaste de piezas frías. Cómo calentar adecuadamente un motor diésel en invierno.

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 refrigerador. 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.

Se sabe que una máquina de movimiento perpetuo es imposible. Esto se debe al hecho de que para cualquier mecanismo se cumple la siguiente afirmación: el trabajo total realizado con la ayuda de este mecanismo (incluido el calentamiento del mecanismo y el medio ambiente, la superación de la fuerza de fricción) es siempre mayor que el trabajo útil.

Por ejemplo, más de la mitad del trabajo de un motor de combustión interna se desperdicia en calentar los componentes del motor; Los gases de escape eliminan algo de calor.

A menudo es necesario evaluar la eficacia del mecanismo y la viabilidad de su uso. Por tanto, para calcular qué parte del trabajo realizado se desperdicia y qué parte es útil, se introduce una cantidad física especial que muestra la eficiencia del mecanismo.

Este valor se llama eficiencia del mecanismo.

La eficiencia de un mecanismo es igual a la relación entre trabajo útil y trabajo total. Obviamente, la eficiencia es siempre menor que uno. Este valor suele expresarse como porcentaje. Generalmente se denota con la letra griega η (léase “esto”). El factor de eficiencia se abrevia como eficiencia.

η = (A_completo /A_útil) * 100%,

donde η eficiencia, A_trabajo total completo, A_trabajo útil útil.

Entre los motores, el motor eléctrico tiene la mayor eficiencia (hasta un 98%). La eficiencia de los motores de combustión interna es del 20% al 40% y la de una turbina de vapor es aproximadamente del 30%.

Tenga en cuenta que para aumentar la eficiencia del mecanismo A menudo intenta reducir la fuerza de fricción. Esto se puede lograr utilizando diversos lubricantes o rodamientos de bolas en los que la fricción por deslizamiento se reemplaza por fricción por rodadura.

Ejemplos de cálculos de eficiencia.

Veamos un ejemplo. Un ciclista que pesa 55 kg subió una bicicleta que pesa 5 kg por una colina de 10 m de altura, realizando 8 kJ de trabajo. Encuentre la eficiencia de la bicicleta. No tenga en cuenta la fricción de rodadura de las ruedas en la carretera.

Solución. Encontremos la masa total de la bicicleta y del ciclista:

metro = 55 kg + 5 kg = 60 kg

Encontremos su peso total:

P = mg = 60 kg * 10 N/kg = 600 N

Encontremos el trabajo realizado para levantar la bicicleta y al ciclista:

Aútil = PS = 600 N * 10 m = 6 kJ

Encontremos la eficiencia de la bicicleta:

A_lleno / A_útil * 100% = 6 kJ / 8 kJ * 100% = 75%

Respuesta: La eficiencia de la bicicleta es del 75%.

Veamos otro ejemplo. Un cuerpo de masa m está suspendido del extremo del brazo de palanca. Se aplica una fuerza hacia abajo F al otro brazo y su extremo desciende h. Encuentre cuánto subió el cuerpo si la eficiencia de la palanca es η%.

Solución. Encontremos el trabajo realizado por la fuerza F:

η% de este trabajo se realiza para levantar un cuerpo de masa m. En consecuencia, se gastaron Fhη/100 en elevar el cuerpo. Dado que el peso del cuerpo es igual a mg, el cuerpo se elevó a una altura de Fhη/100/mg.