Ang pagpapatakbo ng maraming uri ng makina ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang mahalagang tagapagpahiwatig gaya ng kahusayan ng isang heat engine. Taun-taon, nagsusumikap ang mga inhinyero na lumikha ng mas advanced na kagamitan na, sa mas mababang halaga ng gasolina, ay magbibigay ng pinakamataas na resulta mula sa paggamit nito.
Heat engine device
Bago maunawaan kung ano ang kahusayan, kailangang maunawaan kung paano gumagana ang mekanismong ito. Nang hindi nalalaman ang mga prinsipyo ng pagkilos nito, imposibleng malaman ang kakanyahan ng tagapagpahiwatig na ito. Ang heat engine ay isang aparato na gumagana sa pamamagitan ng paggamit ng panloob na enerhiya. Ang anumang heat engine na nagpapalit ng thermal energy sa mechanical energy ay gumagamit ng thermal expansion ng mga substance na may pagtaas ng temperatura. Sa mga solid-state na makina, posible hindi lamang baguhin ang dami ng bagay, kundi pati na rin ang hugis ng katawan. Ang pagpapatakbo ng naturang makina ay napapailalim sa mga batas ng thermodynamics.
Prinsipyo sa pagpapatakbo
Upang maunawaan kung paano gumagana ang isang heat engine, kinakailangang isaalang-alang ang mga pangunahing kaalamankanyang mga disenyo. Para sa pagpapatakbo ng aparato, dalawang katawan ang kailangan: mainit (painit) at malamig (refrigerator, mas malamig). Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng mga heat engine (ang kahusayan ng mga heat engine) ay depende sa kanilang uri. Kadalasan, ang steam condenser ay nagsisilbing refrigerator, at anumang uri ng gasolina na nasusunog sa furnace ay nagsisilbing pampainit. Ang kahusayan ng isang perpektong heat engine ay matatagpuan sa pamamagitan ng sumusunod na formula:
Efficiency=(Theating - Cooling)/ Theating. x 100%.
Kasabay nito, ang kahusayan ng isang tunay na makina ay hindi kailanman maaaring lumampas sa halagang nakuha ayon sa formula na ito. Gayundin, ang tagapagpahiwatig na ito ay hindi kailanman lalampas sa halaga sa itaas. Upang mapataas ang kahusayan, kadalasang taasan ang temperatura ng pampainit at bawasan ang temperatura ng refrigerator. Ang parehong mga prosesong ito ay malilimitahan ng aktwal na mga kondisyon ng pagpapatakbo ng kagamitan.
Heat engine efficiency (formula)
Sa panahon ng pagpapatakbo ng isang heat engine, ginagawa ang trabaho, habang ang gas ay nagsisimulang mawalan ng enerhiya at lumalamig sa isang tiyak na temperatura. Ang huli ay karaniwang ilang degree sa itaas ng nakapalibot na kapaligiran. Ito ang temperatura ng refrigerator. Ang nasabing isang espesyal na aparato ay idinisenyo para sa paglamig na may kasunod na paghalay ng singaw ng tambutso. Kung saan naroroon ang mga condenser, ang temperatura ng refrigerator ay minsan ay mas mababa kaysa sa ambient temperature.
Sa isang heat engine, ang katawan, kapag pinainit at pinalawak, ay hindi kayang ibigay ang lahat ng panloob na enerhiya nito upang gawin ang trabaho. Ang ilan sa init ay ililipat sa refrigerator kasama ng mga maubos na gas o singaw. Itong parteAng thermal panloob na enerhiya ay hindi maaaring hindi mawala. Sa panahon ng pagsunog ng gasolina, ang gumaganang katawan ay tumatanggap ng tiyak na dami ng init Q1 mula sa heater. Kasabay nito, gumagana pa rin ito ng A, kung saan inililipat nito ang bahagi ng thermal energy sa refrigerator: Q2<Q1.
Ang EFFICIENCY ay nagpapakilala sa kahusayan ng makina sa larangan ng conversion at transmission ng enerhiya. Ang tagapagpahiwatig na ito ay kadalasang sinusukat bilang isang porsyento. Formula ng Kahusayan:
ηA/Qx100%, kung saan ang Q ay ang ginugol na enerhiya, ang A ay ang kapaki-pakinabang na gawain.
Batay sa batas ng konserbasyon ng enerhiya, maaari nating tapusin na ang kahusayan ay palaging mas mababa sa isa. Sa madaling salita, hindi kailanman magkakaroon ng mas kapaki-pakinabang na gawain kaysa sa enerhiya na ginugol dito.
Ang kahusayan ng makina ay ang ratio ng kapaki-pakinabang na trabaho sa enerhiya na ibinibigay ng heater. Maaari itong katawanin bilang sumusunod na formula:
η=(Q1-Q2)/ Q1, kung saan ang Q 1 - init na natanggap mula sa heater, at Q2 - ibinibigay sa refrigerator.
Heat engine operation
Ang gawaing ginawa ng isang heat engine ay kinakalkula gamit ang sumusunod na formula:
A=|QH| - |QX|, kung saan gumagana ang A, ang QH ay ang dami ng init na natanggap mula sa heater, QX - ang dami ng init na ibinibigay sa cooler.
Heat engine efficiency (formula):
|QH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Ito ay katumbas ng ratio ng gawaing ginawa ng makina sa dami nginit. Nawawala ang bahagi ng thermal energy sa panahon ng paglilipat na ito.
Carnot engine
Ang pinakamataas na kahusayan ng isang heat engine ay makikita sa Carnot device. Ito ay dahil sa ang katunayan na sa sistemang ito ito ay nakasalalay lamang sa ganap na temperatura ng pampainit (Тн) at mas malamig (Тх). Ang kahusayan ng isang heat engine na gumagana ayon sa Carnot cycle ay tinutukoy ng sumusunod na formula:
(Тн - Тх)/ Тн=- Тх - Тн.
Ang mga batas ng thermodynamics ay nagpapahintulot sa amin na kalkulahin ang maximum na kahusayan na posible. Sa unang pagkakataon ang tagapagpahiwatig na ito ay kinakalkula ng Pranses na siyentipiko at inhinyero na si Sadi Carnot. Nag-imbento siya ng isang heat engine na tumatakbo sa perpektong gas. Gumagana ito sa isang cycle ng 2 isotherms at 2 adiabats. Ang prinsipyo ng operasyon nito ay medyo simple: ang isang contact sa pampainit ay dinadala sa sisidlan na may gas, bilang isang resulta kung saan ang gumaganang likido ay lumalawak nang isothermally. Kasabay nito, ito ay gumagana at tumatanggap ng isang tiyak na halaga ng init. Matapos ang sisidlan ay thermally insulated. Sa kabila nito, ang gas ay patuloy na lumalawak, ngunit mayroon nang adiabatically (nang walang pagpapalitan ng init sa kapaligiran). Sa oras na ito, bumababa ang temperatura nito sa refrigerator. Sa sandaling ito, ang gas ay nakikipag-ugnay sa refrigerator, bilang isang resulta kung saan binibigyan ito ng isang tiyak na halaga ng init sa panahon ng isometric compression. Pagkatapos ang sisidlan ay thermally insulated muli. Sa kasong ito, ang gas ay na-compress nang adiabatically sa orihinal nitong volume at estado.
Varieties
Sa ating panahon, maraming uri ng mga heat engine na gumagana sa iba't ibang prinsipyo at sa iba't ibang gasolina. Lahat sila ay may sariling kahusayan. Kabilang dito angang sumusunod:
• Internal combustion engine (piston), na isang mekanismo kung saan ang bahagi ng kemikal na enerhiya ng nasusunog na gasolina ay na-convert sa mekanikal na enerhiya. Ang ganitong mga aparato ay maaaring gas at likido. Mayroong 2-stroke at 4-stroke na makina. Maaaring may tuluy-tuloy silang duty cycle. Ayon sa paraan ng paghahanda ng pinaghalong gasolina, ang mga naturang makina ay carburetor (na may panlabas na pagbuo ng timpla) at diesel (na may panloob). Ayon sa mga uri ng converter ng enerhiya, nahahati sila sa piston, jet, turbine, pinagsama. Ang kahusayan ng naturang mga makina ay hindi lalampas sa 0.5.
• Stirling engine - isang device kung saan ang gumaganang fluid ay nasa saradong espasyo. Ito ay isang uri ng external combustion engine. Ang prinsipyo ng operasyon nito ay batay sa panaka-nakang paglamig/pag-init ng katawan na may produksyon ng enerhiya dahil sa pagbabago sa dami nito. Ito ay isa sa pinakamahuhusay na makina.
• Turbine (rotary) engine na may panlabas na pagkasunog ng gasolina. Ang ganitong mga pag-install ay kadalasang matatagpuan sa mga thermal power plant.
• Ang turbine (rotary) na ICE ay ginagamit sa mga thermal power plant sa peak mode. Hindi kasingkaraniwan ng iba.
• Isang turboprop engine ang bumubuo ng ilan sa thrust dahil sa propeller. Ang natitira ay mula sa mga maubos na gas. Ang disenyo nito ay isang rotary engine (gas turbine), sa shaft kung saan naka-mount ang propeller.
Iba pang uri ng mga heat engine
• Mga rocket, turbojet at jet engine na natulak mula sa pag-urongmga maubos na gas.
• Ang mga solid-state na makina ay gumagamit ng mga solido bilang gasolina. Kapag nagtatrabaho, hindi ang dami nito ang nagbabago, ngunit ang hugis nito. Ang pagpapatakbo ng kagamitan ay gumagamit ng napakababang pagkakaiba sa temperatura.
Paano pagbutihin ang kahusayan
Posible bang pataasin ang kahusayan ng isang heat engine? Dapat hanapin ang sagot sa thermodynamics. Pinag-aaralan nito ang magkaparehong pagbabago ng iba't ibang uri ng enerhiya. Ito ay itinatag na imposibleng i-convert ang lahat ng magagamit na thermal energy sa electrical, mechanical, atbp. Kasabay nito, ang kanilang conversion sa thermal energy ay nangyayari nang walang anumang mga paghihigpit. Posible ito dahil sa katotohanan na ang likas na katangian ng thermal energy ay nakabatay sa hindi maayos (magulong) paggalaw ng mga particle.
Kung mas umiinit ang katawan, mas mabilis ang paggalaw ng mga molecule na bumubuo dito. Ang paggalaw ng butil ay magiging mas mali-mali. Kasabay nito, alam ng lahat na ang order ay madaling gawing kaguluhan, na napakahirap i-order.
