Fizika · Molekulyar fizika va termodinamika · 9-sinf

Issiqlik dvigateli: Otto sikli

Benzin issiqligining qancha qismi g‘ildirakni aylantiradi va nega hammasi emas?

Vaziyat

Avtomobil bakiga benzin quydingiz. Benzin yonganda ajralgan issiqlikning faqat bir qismi g‘ildiraklarni aylantiradi — qolgani radiator va chiqindi gazlar bilan havoga ketadi. Dvigatel ichida sekundiga o‘nlab marta to‘rt takt takrorlanadi: kiritish, siqish, ishchi yo‘l va chiqarish. Kesib qo‘yilgan dvigatelni 50 marta sekinlashtirib kuzating: nega siqish darajasi oshsa, FIK oshadi va nega hatto ideal dvigatel ham issiqlikning hammasini ishga aylantira olmaydi?

Mavzu

Termodinamika qonunlari, issiqlik dvigatellari. Avtomobil dvigateli: Otto sikli va FIK

Asosiy tushunchalar

Termodinamikaning I va II qonunlari
p–V diagramma va ish
FIK va Karno chegarasi

Formulalar

Q = Δ U + A

Termodinamikaning I qonuni: gazga berilgan issiqlik ichki energiyani oshiradi va ish bajaradi.

p V^{γ} = const, T V^{γ - 1} = const

Adiabatik siqilish va kengayish (issiqlik almashinuvisiz). $γ = c_{p} / c_{V}$ , havo uchun ≈ 1,4.

η_{O t t o} = 1 - \frac{1}{r^{γ - 1}}, r = \frac{V_{1}}{V_{2}}

Ideal Otto sikli FIK i faqat siqish darajasi $r$ va $γ$ ga bog‘liq.

η_{K} = 1 - \frac{T_{m i n}}{T_{m a x}}

Karno FIK i — shu haroratlar orasida ishlaydigan har qanday dvigatel uchun yuqori chegara.

A = \oint p d V = Q_{1} - Q_{2}, P = A \frac{n}{2}

Bir sikl ishi — p–V diagrammadagi yopiq egri chiziq yuzasi. To‘rt taktli dvigatelda bir sikl tirsakli valning 2 aylanishida bo‘ladi ( $n$ — ayl/s).

Nazariya

To‘rt takt

Kiritish: kiritish klapani ochiq, porshen pastga tushib yonilg‘i-havo aralashmasini so‘radi. Siqish: klapanlar yopiq, aralashma $r$ marta siqiladi va qiziydi. Porshen yuqori chekka nuqtada turganda sham uchqun beradi: aralashma bir zumda yonib, bosim va harorat keskin oshadi. Ishchi yo‘l: issiq gaz kengayib, porshenni itaradi — faqat shu taktda gaz ish bajaradi. Chiqarish: chiqarish klapani ochiladi, ishlatilgan gaz itarib chiqariladi.

p–V diagramma va ish

Siqishda porshen gaz ustida ish bajaradi, kengayishda gaz porshen ustida — kengayish egri chizig‘i balandroq bo‘lgani uchun natijada musbat ish qoladi. U yopiq egri chiziq bilan chegaralangan yuzaga teng. Kiritish va chiqarish chiziqlari (p ≈ 100 kPa) ustma-ust tushadi va bir-birini yo‘qqa chiqaradi. Tirsakli val va maxovik ishchi yo‘lda olgan energiyani qolgan uch taktga yetkazib beradi.

Nega siqish darajasi muhim?

Siqilgan gaz issiqroq, demak issiqlik yuqoriroq haroratda beriladi: $η = 1 - r^{1 - γ}$ oshadi. Lekin $r$ juda katta bo‘lsa, benzin-havo aralashmasi uchqunsiz o‘z-o‘zidan alangalanadi (detonatsiya) — shuning uchun benzin dvigatellarida $r$ cheklangan, dizellarda esa katta.

II qonun va Karno sikli

Har qanday issiqlik dvigatelida uch qism bor: isitgich (bu yerda yonayotgan benzin, $T_{m a x}$ ), ishchi jism (silindrdagi gaz) va sovitgich (atmosfera, $T_{m i n}$ ). Ishchi jism isitgichdan $Q_{1}$ oladi, $A$ ish bajaradi va qolgan $Q_{2} = Q_{1} - A$ ni sovitgichga beradi. II qonun (Tomson, ya’ni lord Kelvin ta’rifi): $Q_{2} = 0$ bo‘lishi mumkin emas — bitta manbadan olingan issiqlikni to‘liq ishga aylantiradigan II tur abadiy dvigatel yo‘q. U energiya saqlanishini buzmasdi, masalan, okean suvining issiqligi hisobiga suzadigan kema — lekin II qonunni buzadi. Karno sikli — ikki izoterma va ikki adiabatadan iborat qaytar sikl. Karno teoremasi: $T_{m a x}$ va $T_{m i n}$ orasida ishlaydigan barcha qaytar dvigatellarning FIK i bir xil, $η_{K} = 1 - T_{m i n} / T_{m a x}$ ; qaytmas dvigatelniki undan kichik. Otto siklida issiqlik $T_{2} \dots T_{3}$ oralig‘ida beriladi va $T_{4} \dots T_{1}$ oralig‘ida olinadi, shuning uchun uning FIK i doim Karnonikidan kichik. Model — ideal havo sikli: $γ$ o‘zgarmas, yonish bir zumda, ishqalanish va devorlarga issiqlik berilishi yo‘q; haqiqiy benzin dvigatellarining FIK i taxminan 25–35 %.

T–S diagramma va entropiya

Qaytar jarayonda termodinamikaning asosiy tenglamasi $T d S = d U + p d V$ , ya’ni $δ Q = T d S$ . Shuning uchun T–S diagrammada egri chiziq ostidagi yuza — issiqlik, yopiq sikl yuzasi esa sikl ishi: $A = \oint T d S$ . Adiabatalar ( $Q = 0$ ) bu yerda vertikal chiziqlar, Karno sikli — to‘g‘ri to‘rtburchak. Otto sikli xuddi shu entropiya o‘zgarishida Karno to‘rtburchagining ichida qoladi — FIK i kichikligi shunda ko‘rinadi. Qaytmas sikl uchun $\oint δ Q / T < 0$ (Klauzius tengsizligi): ishqalanish va issiqlik yo‘qotishlari entropiya hosil qiladi va FIK ni kamaytiradi. $T_{m i n} = 0$ K bo‘lganda $η_{K} = 1$ bo‘lardi, ammo III qonunga ko‘ra absolyut nolga erishib bo‘lmaydi. Entropiyaning statistik ma’nosi — “Entropiya va vaqt yo‘nalishi” tajribasida.

Issiqlik mashinalari va ekologiya

Benzinning quyi yonish issiqligi taxminan 43 MJ/kg. FIK $η$ bo‘lsa, 1 kVt·soat (3,6 MJ) ish uchun $m = 3,6 / (43 η)$ kg benzin yonadi, 1 kg benzin yonganda esa taxminan 3,1 kg CO₂ hosil bo‘ladi (panelda ko‘ring). Real benzin dvigatelida ( $η \approx 0,3$ ) bu taxminan 280 g benzin va 860 g CO₂. CO₂ — issiqxona gazi; chiqindi gazlarda yana is gazi (CO), azot oksidlari va qurum bor — ularni katalitik neytralizator kamaytiradi. Sovitgichga berilgan $Q_{2}$ atrofni isitadi (issiqlik ifloslanishi). Shuning uchun FIK ni oshirish, yoqilg‘ini tejash va jamoat transporti — tabiatni muhofaza qilishning muhim yo‘llari. Siklni teskari yo‘nalishda o‘tkazsak, tashqi ish hisobiga issiqlik sovuq jismdan issiq jismga ko‘chadi — bu sovitish mashinasi va issiqlik nasosi (“Muzlatgich va issiqlik nasosi” tajribasida).

Bilasizmi?

1876-yilda nemis muhandisi Nikolaus Otto birinchi amaliy to‘rt taktli ichki yonuv dvigatelini yaratdi — shuning uchun bu sikl uning nomi bilan ataladi.
Zamonaviy benzin dvigatellarida siqish darajasi taxminan 9–12. Undan yuqori bo‘lsa, aralashma uchqunsiz o‘z-o‘zidan alangalanib, detonatsiya boshlanadi — shuning uchun yuqori siqishli dvigatellarga yuqori oktanli benzin kerak.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.