ऊष्मा इंजनों का संचालन सिद्धांत। ऊष्मा इंजनों के प्रदर्शन (दक्षता) का गुणांक। दक्षता क्या है? संकल्पना, परिभाषा, अनुप्रयोग

संभवतः हर किसी ने आंतरिक दहन इंजन की दक्षता (दक्षता गुणांक) के बारे में सोचा होगा। आखिरकार, यह संकेतक जितना अधिक होगा, बिजली इकाई उतनी ही अधिक कुशलता से संचालित होगी। इस समय सबसे कुशल प्रकार विद्युत प्रकार माना जाता है, इसकी दक्षता 90 - 95% तक पहुंच सकती है, लेकिन आंतरिक दहन इंजन के लिए, चाहे वह डीजल या गैसोलीन हो, इसे हल्के ढंग से कहें तो यह आदर्श से बहुत दूर है। ..

ईमानदारी से कहें तो, आधुनिक इंजन विकल्प 10 साल पहले जारी किए गए अपने समकक्षों की तुलना में कहीं अधिक कुशल हैं, और इसके कई कारण हैं। पहले स्वयं सोचें, 1.6 लीटर संस्करण केवल 60 - 70 एचपी का उत्पादन करता था। और अब यह मान 130 - 150 hp तक पहुँच सकता है। यह दक्षता बढ़ाने का श्रमसाध्य कार्य है, जिसमें प्रत्येक "कदम" परीक्षण और त्रुटि द्वारा दिया जाता है। हालाँकि, आइए एक परिभाषा से शुरू करें।

- यह दो मात्राओं के अनुपात का मूल्य है, वह शक्ति जो इंजन क्रैंकशाफ्ट को आपूर्ति की जाती है और पिस्टन द्वारा प्राप्त शक्ति, ईंधन को प्रज्वलित करने से बनी गैसों के दबाव के कारण होती है।

सरल शब्दों में, यह थर्मल या थर्मल ऊर्जा का रूपांतरण है जो ईंधन मिश्रण (वायु और गैसोलीन) के दहन के दौरान यांत्रिक ऊर्जा में प्रकट होता है। यह ध्यान दिया जाना चाहिए कि यह पहले ही हो चुका है, उदाहरण के लिए, भाप बिजली संयंत्रों के साथ - तापमान के प्रभाव में ईंधन ने भी इकाइयों के पिस्टन को धक्का दिया। हालाँकि, वहाँ की स्थापनाएँ कई गुना बड़ी थीं, और ईंधन स्वयं ठोस (आमतौर पर कोयला या जलाऊ लकड़ी) था, जिससे परिवहन और संचालन करना मुश्किल हो जाता था और इसे फावड़ियों के साथ भट्ठी में "फ़ीड" करना लगातार आवश्यक होता था; आंतरिक दहन इंजन "भाप" इंजनों की तुलना में बहुत अधिक कॉम्पैक्ट और हल्के होते हैं, और ईंधन को संग्रहीत करना और परिवहन करना बहुत आसान होता है।

घाटे के बारे में अधिक जानकारी

आगे देखते हुए, हम विश्वास के साथ कह सकते हैं कि गैसोलीन इंजन की दक्षता 20 से 25% तक होती है। और इसके कई कारण हैं. यदि हम आने वाले ईंधन को लेते हैं और इसे प्रतिशत में परिवर्तित करते हैं, तो हमें "100% ऊर्जा" मिलती है जो इंजन में स्थानांतरित हो जाती है, और फिर नुकसान होता है:

1)ईंधन दक्षता . पूरा ईंधन नहीं जलाया जाता है, इसका एक छोटा हिस्सा निकास गैसों के साथ चला जाता है, इस स्तर पर हम पहले से ही 25% तक दक्षता खो देते हैं। बेशक, अब ईंधन प्रणालियों में सुधार हो रहा है, एक इंजेक्टर सामने आया है, लेकिन यह आदर्श से बहुत दूर है।

2) दूसरा है तापीय हानिऔर . इंजन खुद को और कई अन्य तत्वों को गर्म करता है, जैसे रेडिएटर, उसका शरीर और उसमें घूमने वाला तरल। साथ ही, कुछ ऊष्मा निकास गैसों के साथ निकल जाती है। इस सबके परिणामस्वरूप कार्यक्षमता में 35% तक की हानि होती है।

3) तीसरा है यांत्रिक हानि . सभी प्रकार के पिस्टन, कनेक्टिंग रॉड्स, रिंग्स पर - सभी स्थानों पर जहां घर्षण होता है। इसमें जनरेटर के भार से होने वाले नुकसान भी शामिल हो सकते हैं, उदाहरण के लिए, जनरेटर जितनी अधिक बिजली उत्पन्न करता है, उतना ही यह क्रैंकशाफ्ट के घूर्णन को धीमा कर देता है। बेशक, स्नेहक ने भी प्रगति की है, लेकिन फिर भी, कोई भी अभी तक घर्षण को पूरी तरह से दूर करने में सक्षम नहीं हुआ है - नुकसान अभी भी 20% है।

इस प्रकार, लब्बोलुआब यह है कि दक्षता लगभग 20% है! बेशक, गैसोलीन विकल्पों के बीच, ऐसे असाधारण विकल्प हैं जिनमें यह आंकड़ा 25% तक बढ़ जाता है, लेकिन उनमें से बहुत सारे नहीं हैं।

यानी, अगर आपकी कार प्रति 100 किलोमीटर पर 10 लीटर ईंधन की खपत करती है, तो उनमें से केवल 2 लीटर ही सीधे काम में आएंगे, और बाकी नुकसान होगा!

बेशक, आप शक्ति बढ़ा सकते हैं, उदाहरण के लिए, सिर को बोर करके, एक छोटा वीडियो देखें।

यदि आपको सूत्र याद है, तो यह पता चलता है:

किस इंजन की दक्षता सबसे अधिक है?

अब मैं गैसोलीन और डीजल विकल्पों के बारे में बात करना चाहता हूं और यह पता लगाना चाहता हूं कि उनमें से कौन सा सबसे कुशल है।

इसे सरल भाषा में कहें और तकनीकी शब्दों के चक्कर में पड़े बिना, यदि आप दो दक्षता कारकों की तुलना करते हैं, तो उनमें से अधिक कुशल, निश्चित रूप से, डीजल है और यहां बताया गया है:

1) एक गैसोलीन इंजन केवल 25% ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करता है, लेकिन एक डीजल इंजन लगभग 40% ऊर्जा को परिवर्तित करता है।

2) यदि आप डीजल प्रकार को टर्बोचार्जिंग से लैस करते हैं, तो आप 50-53% की दक्षता प्राप्त कर सकते हैं, और यह बहुत महत्वपूर्ण है।

तो यह इतना प्रभावी क्यों है? यह सरल है - समान प्रकार के कार्य (दोनों आंतरिक दहन इकाइयाँ हैं) के बावजूद, डीजल अपना कार्य अधिक कुशलता से करता है। इसमें अधिक संपीड़न होता है, और ईंधन एक अलग सिद्धांत का उपयोग करके प्रज्वलित होता है। यह कम गर्म होता है, जिसका अर्थ है कि ठंडा करने पर बचत होती है, इसमें कम वाल्व होते हैं (घर्षण पर बचत होती है), और इसमें सामान्य इग्निशन कॉइल और स्पार्क प्लग भी नहीं होते हैं, जिसका अर्थ है कि इसे जनरेटर से अतिरिक्त ऊर्जा लागत की आवश्यकता नहीं होती है . यह कम गति पर काम करता है, क्रैंकशाफ्ट को तेजी से घुमाने की कोई आवश्यकता नहीं है - यह सब डीजल संस्करण को दक्षता के मामले में चैंपियन बनाता है।

डीजल ईंधन दक्षता के बारे में

उच्च दक्षता मान से, ईंधन दक्षता का अनुसरण होता है। इसलिए, उदाहरण के लिए, 1.6-लीटर इंजन शहर में केवल 3-5 लीटर की खपत कर सकता है, गैसोलीन प्रकार के विपरीत, जहां खपत 7-12 लीटर है। डीजल बहुत अधिक कुशल है; इंजन स्वयं अक्सर अधिक कॉम्पैक्ट और हल्का होता है, और हाल ही में, अधिक पर्यावरण के अनुकूल भी होता है। ये सभी सकारात्मक पहलू बड़े मूल्य के कारण प्राप्त होते हैं, दक्षता और संपीड़न के बीच सीधा संबंध है, छोटी प्लेट देखें।

हालांकि, तमाम फायदों के बावजूद इसके कई नुकसान भी हैं।

जैसा कि यह स्पष्ट हो जाता है, आंतरिक दहन इंजन की दक्षता आदर्श से बहुत दूर है, इसलिए भविष्य स्पष्ट रूप से विद्युत विकल्पों का है - जो कुछ बचा है वह कुशल बैटरी ढूंढना है जो ठंढ से डरते नहीं हैं और लंबे समय तक चार्ज रखते हैं।

एक बंद सर्किट के अंदर आवेशों को स्थानांतरित करने की प्रक्रिया में, वर्तमान स्रोत द्वारा एक निश्चित मात्रा में कार्य किया जाता है। यह उपयोगी और संपूर्ण हो सकता है. पहले मामले में, वर्तमान स्रोत काम करते समय बाहरी सर्किट में चार्ज को स्थानांतरित करता है, और दूसरे मामले में, चार्ज पूरे सर्किट में चलता है। इस प्रक्रिया में, सर्किट के बाहरी और कुल प्रतिरोध के अनुपात के रूप में परिभाषित वर्तमान स्रोत की दक्षता का बहुत महत्व है। यदि स्रोत का आंतरिक प्रतिरोध और भार का बाहरी प्रतिरोध बराबर है, तो कुल शक्ति का आधा हिस्सा स्रोत में ही नष्ट हो जाएगा, और अन्य आधा लोड पर जारी किया जाएगा। इस मामले में, दक्षता 0.5 या 50% होगी।

विद्युत सर्किट दक्षता

विचाराधीन दक्षता कारक मुख्य रूप से बिजली के रूपांतरण या संचरण की गति को दर्शाने वाली भौतिक मात्राओं से जुड़ा है। इनमें वाट में मापी गई शक्ति सबसे पहले आती है। इसे निर्धारित करने के लिए कई सूत्र हैं: P = U x I = U2/R = I2 x R.

विद्युत परिपथ में क्रमशः अलग-अलग वोल्टेज मान और चार्ज मात्रा हो सकती है, और प्रत्येक मामले में किया जाने वाला कार्य भी अलग-अलग होता है। अक्सर उस गति का मूल्यांकन करने की आवश्यकता होती है जिस पर बिजली संचारित या परिवर्तित होती है। यह गति समय की एक निश्चित इकाई में किए गए कार्य के अनुरूप विद्युत शक्ति का प्रतिनिधित्व करती है। सूत्र के रूप में, यह पैरामीटर इस तरह दिखेगा: P=A/∆t. इसलिए, कार्य को शक्ति और समय के उत्पाद के रूप में प्रदर्शित किया जाता है: A=P∙∆t। प्रयुक्त कार्य की इकाई है।

यह निर्धारित करने के लिए कि कोई उपकरण, मशीन, विद्युत सर्किट या अन्य समान प्रणाली शक्ति और संचालन के संबंध में कितनी कुशल है, दक्षता का उपयोग किया जाता है। इस मान को सिस्टम में प्रवेश करने वाली ऊर्जा की कुल मात्रा के लिए उपयोगी रूप से खर्च की गई ऊर्जा के अनुपात के रूप में परिभाषित किया गया है। दक्षता को प्रतीक η द्वारा दर्शाया जाता है, और गणितीय रूप से सूत्र के रूप में परिभाषित किया जाता है: η = ए/क्यू x 100% = [जे]/[जे] x 100% = [%], जिसमें ए उपभोक्ता द्वारा किया गया कार्य है , Q स्रोत द्वारा दी गई ऊर्जा है। ऊर्जा संरक्षण के नियम के अनुसार दक्षता मान हमेशा इकाई के बराबर या उससे कम होता है। इसका मतलब यह है कि उपयोगी कार्य उसे करने में खर्च की गई ऊर्जा की मात्रा से अधिक नहीं हो सकता।

इस तरह, किसी भी सिस्टम या डिवाइस में बिजली की हानि निर्धारित की जाती है, साथ ही उनकी उपयोगिता की डिग्री भी निर्धारित की जाती है। उदाहरण के लिए, कंडक्टरों में, बिजली की हानि तब होती है जब विद्युत धारा आंशिक रूप से तापीय ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। इन हानियों की मात्रा कंडक्टर के प्रतिरोध पर निर्भर करती है; वे उपयोगी कार्य का हिस्सा नहीं हैं।

सूत्र ∆Q=A-Q द्वारा व्यक्त अंतर है, जो स्पष्ट रूप से बिजली हानि को दर्शाता है। यहां बिजली हानि में वृद्धि और कंडक्टर के प्रतिरोध के बीच संबंध बहुत स्पष्ट रूप से दिखाई देता है। सबसे आकर्षक उदाहरण एक गरमागरम लैंप है, जिसकी दक्षता 15% से अधिक नहीं है। शेष 85% बिजली थर्मल यानी इन्फ्रारेड विकिरण में परिवर्तित हो जाती है।

वर्तमान स्रोत की दक्षता क्या है?

संपूर्ण विद्युत परिपथ की सुविचारित दक्षता हमें वर्तमान स्रोत की दक्षता के भौतिक सार को बेहतर ढंग से समझने की अनुमति देती है, जिसके सूत्र में विभिन्न मात्राएँ भी शामिल हैं।

एक बंद विद्युत परिपथ के साथ विद्युत आवेशों को स्थानांतरित करने की प्रक्रिया में, वर्तमान स्रोत द्वारा एक निश्चित मात्रा में कार्य किया जाता है, जिसे उपयोगी और पूर्ण के रूप में प्रतिष्ठित किया जाता है। उपयोगी कार्य करते समय, वर्तमान स्रोत बाहरी सर्किट में आवेशों को स्थानांतरित करता है। पूरी तरह से चालू होने पर, वर्तमान स्रोत के प्रभाव में चार्ज, पूरे सर्किट में घूमते हैं।

उन्हें इस प्रकार सूत्रों के रूप में प्रदर्शित किया गया है:

• उपयोगी कार्य - अपोलेज़ = qU = IUt = I2Rt.
• कुल कार्य - कुल = qε = Iεt = I2(R +r)t।

इसके आधार पर, हम वर्तमान स्रोत की उपयोगी और कुल शक्ति के लिए सूत्र प्राप्त कर सकते हैं:

• उपयोगी शक्ति - प्यूस = एपोल्स /t = IU = I2R.
• कुल शक्ति - पूर्ण = पूर्ण/t = Iε = I2(R + r)।

परिणामस्वरूप, वर्तमान स्रोत की दक्षता का सूत्र निम्नलिखित रूप लेता है:

• η = एपोल्स/एटोल = प्यूस/पीटोट = यू/ε = आर/(आर + आर)।

वर्तमान स्रोत और लोड की विशेषताओं के आधार पर, बाहरी सर्किट प्रतिरोध के एक निश्चित मूल्य पर अधिकतम उपयोगी शक्ति प्राप्त की जाती है। हालाँकि, अधिकतम शुद्ध शक्ति और अधिकतम दक्षता की असंगति पर ध्यान दिया जाना चाहिए।

वर्तमान स्रोत की शक्ति एवं दक्षता का अध्ययन

वर्तमान स्रोत की दक्षता कई कारकों पर निर्भर करती है जिन पर एक निश्चित क्रम में विचार किया जाना चाहिए।

निर्धारित करने के लिए, ओम के नियम के अनुसार, निम्नलिखित समीकरण है: i = E/(R + r), जिसमें E वर्तमान स्रोत का इलेक्ट्रोमोटिव बल है, और r इसका आंतरिक प्रतिरोध है। ये स्थिर मान हैं जो परिवर्तनीय प्रतिरोध आर पर निर्भर नहीं हैं। इनका उपयोग करके, आप विद्युत सर्किट द्वारा खपत की जाने वाली उपयोगी शक्ति निर्धारित कर सकते हैं:

• W1 = i x U = i2 x R. यहां R बिजली उपभोक्ता का प्रतिरोध है, i सर्किट में करंट है, जो पिछले समीकरण द्वारा निर्धारित किया गया है।

इसलिए, अंतिम चर का उपयोग करके पावर मान इस प्रकार दिखाया जाएगा: W1 = (E2 x R)/(R + r)।

चूँकि यह एक मध्यवर्ती चर है, इस मामले में फ़ंक्शन W1(R) का विश्लेषण इसके चरम के लिए किया जा सकता है। इस प्रयोजन के लिए, R का मान निर्धारित करना आवश्यक है जिस पर परिवर्तनीय प्रतिरोध (R) से जुड़ी उपयोगी शक्ति के पहले व्युत्पन्न का मान शून्य के बराबर होगा: dW1/dR = E2 x [(R + r) )2 - 2 x R x (R + r) ] = E2 x (Ri + r) x (R + r - 2 x R) = E2(r - R) = 0 (R + r)4 (R + r) )4 (आर + आर)3

इस सूत्र से हम यह निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि व्युत्पन्न का मान केवल एक शर्त के तहत शून्य हो सकता है: वर्तमान स्रोत से बिजली रिसीवर (आर) का प्रतिरोध स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध के मूल्य तक पहुंचना चाहिए (आर => आर) ). इन शर्तों के तहत, दक्षता कारक η का मान वर्तमान स्रोत की उपयोगी और कुल शक्ति - W1/W2 के अनुपात के रूप में निर्धारित किया जाएगा। चूंकि उपयोगी शक्ति के अधिकतम बिंदु पर वर्तमान स्रोत के ऊर्जा उपभोक्ता का प्रतिरोध वर्तमान स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध के समान होगा, इस मामले में दक्षता 0.5 या 50% होगी।

वर्तमान शक्ति और दक्षता समस्याएँ

भौतिकी एक विज्ञान है जो प्रकृति में होने वाली प्रक्रियाओं का अध्ययन करता है। यह विज्ञान बहुत ही रोचक और जिज्ञासु है, क्योंकि हममें से प्रत्येक व्यक्ति हमारी दुनिया में कैसे और क्या काम करता है, इसका ज्ञान और समझ प्राप्त करके खुद को मानसिक रूप से संतुष्ट करना चाहता है। भौतिकी, जिसके नियम सदियों से और दर्जनों वैज्ञानिकों द्वारा प्रतिपादित किए गए हैं, हमें इस कार्य में मदद करती है, और हमें केवल आनंद लेना चाहिए और प्रदान किए गए ज्ञान को आत्मसात करना चाहिए।

लेकिन साथ ही, भौतिकी सरल विज्ञान से बहुत दूर है, जैसे, वास्तव में, प्रकृति ही, लेकिन इसे समझना बहुत दिलचस्प होगा। आज हम बात करेंगे कार्यकुशलता की. हम सीखेंगे कि दक्षता क्या है और इसकी आवश्यकता क्यों है। आइए हर चीज़ को स्पष्ट और दिलचस्प ढंग से देखें।

संक्षिप्ताक्षर की व्याख्या - क्षमता. हालाँकि, यह व्याख्या भी पहली बार विशेष रूप से स्पष्ट नहीं हो सकती है। यह गुणांक एक प्रणाली या किसी व्यक्तिगत निकाय, और अधिक बार, एक तंत्र की दक्षता को दर्शाता है। दक्षता की विशेषता ऊर्जा का उत्पादन या रूपांतरण है।

यह गुणांक लगभग हर चीज पर लागू होता है जो हमें घेरती है, और यहां तक ​​कि खुद पर भी, और काफी हद तक। आख़िरकार, हम हर समय उपयोगी कार्य करते हैं, लेकिन यह कितनी बार और कितना महत्वपूर्ण है यह एक और प्रश्न है, और इसके साथ "दक्षता" शब्द का प्रयोग किया जाता है।

उस पर विचार करना जरूरी है यह गुणांक एक असीमित मान है, यह आमतौर पर या तो गणितीय मानों का प्रतिनिधित्व करता है, उदाहरण के लिए, 0 और 1, या, जैसा कि अक्सर होता है, प्रतिशत के रूप में।

भौतिकी में, इस गुणांक को अक्षर Š, या, जैसा कि इसे आमतौर पर कहा जाता है, एटा द्वारा दर्शाया जाता है।

उपयोगी कार्य

किसी भी तंत्र या उपकरण का उपयोग करते समय, हम आवश्यक रूप से कार्य करते हैं। एक नियम के रूप में, यह हमेशा कार्य को पूरा करने के लिए हमारी आवश्यकता से अधिक होता है। इन तथ्यों के आधार पर, दो प्रकार के कार्यों को प्रतिष्ठित किया जाता है: व्यय, जिसे बड़े अक्षर से दर्शाया जाता है, A को छोटे z (Az) से, और उपयोगी - A को अक्षर p (An) से दर्शाया जाता है। उदाहरण के लिए, आइए इस मामले को लें: हमारे पास एक निश्चित द्रव्यमान वाले कोबलस्टोन को एक निश्चित ऊंचाई तक उठाने का कार्य है। इस मामले में, कार्य केवल गुरुत्वाकर्षण बल पर काबू पाने की विशेषता है, जो बदले में, भार पर कार्य करता है।

ऐसे मामले में जब कोबलस्टोन के गुरुत्वाकर्षण के अलावा किसी अन्य उपकरण का उपयोग उठाने के लिए किया जाता है, तो इसे ध्यान में रखना भी महत्वपूर्ण है इस उपकरण के हिस्सों का गुरुत्वाकर्षण. और इन सबके अलावा, यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि भले ही हम ताकत से जीतते हैं, लेकिन रास्ते में हम हमेशा हारेंगे। इन सभी तथ्यों से एक निष्कर्ष निकलता है कि किसी भी स्थिति में खर्च किया गया कार्य अधिक उपयोगी होगा, एज़ > एन, सवाल यह है कि यह कितना अधिक है, क्योंकि आप इस अंतर को जितना संभव हो उतना कम कर सकते हैं और इस प्रकार दक्षता बढ़ा सकते हैं, हमारी या हमारा उपकरण.

उपयोगी कार्य व्यय किए गए कार्य का वह भाग है जो हम एक तंत्र का उपयोग करके करते हैं। और दक्षता वास्तव में वह भौतिक मात्रा है जो दर्शाती है कि खर्च किए गए कुल कार्य में से उपयोगी कार्य का कितना हिस्सा है।

परिणाम:

• व्यय किया गया कार्य Az हमेशा उपयोगी कार्य Ap से अधिक होता है।
• उपयोगी और व्यय का अनुपात जितना अधिक होगा, गुणांक उतना ही अधिक होगा, और इसके विपरीत।
• एपी को द्रव्यमान को गुरुत्वाकर्षण के त्वरण और चढ़ाई की ऊंचाई से गुणा करके पाया जाता है।

दक्षता ज्ञात करने का एक निश्चित सूत्र है। यह इस प्रकार है: भौतिकी में दक्षता खोजने के लिए, आपको ऊर्जा की मात्रा को सिस्टम द्वारा किए गए कार्य से विभाजित करना होगा। अर्थात्, दक्षता प्रदर्शन किए गए कार्य पर खर्च की गई ऊर्जा का अनुपात है। इससे हम एक सरल निष्कर्ष निकाल सकते हैं कि सिस्टम या निकाय जितना बेहतर और कुशल होगा, कार्य करने में उतनी ही कम ऊर्जा खर्च होगी।

सूत्र स्वयं छोटा और बहुत सरल दिखता है: यह A/Q के बराबर होगा। अर्थात्, Š = ए/क्यू। यह संक्षिप्त सूत्र उन तत्वों को शामिल करता है जिनकी हमें गणना के लिए आवश्यकता होती है। अर्थात्, इस मामले में A उपयोग की गई ऊर्जा है जो ऑपरेशन के दौरान सिस्टम द्वारा खपत की जाती है, और बड़े अक्षर Q, बदले में, खर्च की गई A, या फिर से खर्च की गई ऊर्जा होगी।

आदर्श रूप से, दक्षता एकता के बराबर है. लेकिन, जैसा कि आमतौर पर होता है, वह उससे छोटा है। ऐसा भौतिकी के कारण और निस्संदेह, ऊर्जा संरक्षण के नियम के कारण होता है।

बात यह है कि ऊर्जा संरक्षण का नियम बताता है कि प्राप्त ऊर्जा से अधिक A प्राप्त नहीं किया जा सकता है। और यहां तक ​​कि यह गुणांक अत्यंत दुर्लभ रूप से एक के बराबर होगा, क्योंकि ऊर्जा हमेशा बर्बाद होती है। और काम के साथ नुकसान भी होता है: उदाहरण के लिए, एक इंजन में नुकसान उसके अत्यधिक गर्म होने में होता है।

तो, दक्षता सूत्र:

Š=ए/क्यू, कहाँ

• ए वह उपयोगी कार्य है जो सिस्टम करता है।
• Q सिस्टम द्वारा खपत की गई ऊर्जा है।

भौतिकी के विभिन्न क्षेत्रों में अनुप्रयोग

उल्लेखनीय है कि दक्षता एक तटस्थ अवधारणा के रूप में अस्तित्व में नहीं है, प्रत्येक प्रक्रिया की अपनी दक्षता होती है, यह कोई घर्षण बल नहीं है, यह अपने आप अस्तित्व में नहीं रह सकती है।

आइए दक्षता वाली प्रक्रियाओं के कुछ उदाहरण देखें।

जैसे, चलो एक इलेक्ट्रिक मोटर लेते हैं. विद्युत मोटर का कार्य विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करना है। इस मामले में, गुणांक विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित करने के संदर्भ में इंजन की दक्षता होगी। इस मामले के लिए एक सूत्र भी है, और यह इस तरह दिखता है: Ƞ=P2/P1। यहां P1 सामान्य संस्करण में शक्ति है, और P2 वह उपयोगी शक्ति है जो इंजन स्वयं पैदा करता है।

यह अनुमान लगाना कठिन नहीं है कि गुणांक सूत्र की संरचना हमेशा संरक्षित रहती है, केवल वह डेटा बदलता है जिसे इसमें प्रतिस्थापित करने की आवश्यकता होती है। वे विशिष्ट मामले पर निर्भर करते हैं, यदि यह एक इंजन है, जैसा कि उपरोक्त मामले में है, तो खर्च की गई शक्ति के साथ काम करना आवश्यक है, यदि यह एक नौकरी है, तो प्रारंभिक सूत्र अलग होगा।

अब हम दक्षता की परिभाषा जानते हैंऔर हमारे पास इस भौतिक अवधारणा के साथ-साथ इसके व्यक्तिगत तत्वों और बारीकियों के बारे में भी एक विचार है। भौतिकी सबसे बड़े विज्ञानों में से एक है, लेकिन इसे समझने के लिए इसे छोटे-छोटे टुकड़ों में तोड़ा जा सकता है। आज हमने इनमें से एक टुकड़े की जांच की।

वीडियो

यह वीडियो आपको यह समझने में मदद करेगा कि दक्षता क्या है।

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थर्मोडायनामिक प्रणाली क्या है और कौन से पैरामीटर इसकी स्थिति की विशेषता बताते हैं।
ऊष्मागतिकी के प्रथम एवं द्वितीय नियम बताइये।

यह ऊष्मा इंजनों के सिद्धांत का निर्माण था जिसने ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम के निर्माण का नेतृत्व किया।

पृथ्वी की पपड़ी और महासागरों में आंतरिक ऊर्जा का भंडार व्यावहारिक रूप से असीमित माना जा सकता है। लेकिन व्यावहारिक समस्याओं को हल करने के लिए ऊर्जा भंडार होना ही पर्याप्त नहीं है। कारखानों और कारखानों, वाहनों, ट्रैक्टरों और अन्य मशीनों में मशीन टूल्स को चालू करने, विद्युत प्रवाह जनरेटर के रोटरों को घुमाने आदि के लिए ऊर्जा का उपयोग करने में सक्षम होना भी आवश्यक है। मानवता को काम करने में सक्षम इंजन - उपकरणों की आवश्यकता है। पृथ्वी पर अधिकांश इंजन हैं ताप इंजन.

ताप इंजन- ये ऐसे उपकरण हैं जो ईंधन की आंतरिक ऊर्जा को यांत्रिक कार्य में परिवर्तित करते हैं।

ऊष्मा इंजनों का संचालन सिद्धांत।

किसी इंजन को काम करने के लिए, इंजन पिस्टन या टरबाइन ब्लेड के दोनों तरफ दबाव में अंतर होना चाहिए। सभी ऊष्मा इंजनों में, यह दबाव अंतर तापमान बढ़ाकर प्राप्त किया जाता है कार्यात्मक द्रव(गैस) परिवेश के तापमान की तुलना में सैकड़ों या हजारों डिग्री तक। तापमान में यह वृद्धि तब होती है जब ईंधन जलता है।

इंजन के मुख्य भागों में से एक एक गतिशील पिस्टन वाला गैस से भरा बर्तन है। सभी ऊष्मा इंजनों का कार्यशील द्रव गैस है, जो विस्तार के दौरान कार्य करता है। आइए हम कार्यशील द्रव (गैस) के प्रारंभिक तापमान को T 1 से निरूपित करें। भाप टरबाइनों या मशीनों में यह तापमान भाप बॉयलर में भाप द्वारा प्राप्त किया जाता है। आंतरिक दहन इंजन और गैस टरबाइन में, तापमान में वृद्धि होती है क्योंकि इंजन के अंदर ही ईंधन जल जाता है। तापमान T 1 कहलाता है हीटर का तापमान.

रेफ्रिजरेटर की भूमिका.

जैसे ही काम किया जाता है, गैस ऊर्जा खो देती है और अनिवार्य रूप से एक निश्चित तापमान T2 तक ठंडी हो जाती है, जो आमतौर पर परिवेश के तापमान से थोड़ा अधिक होता है। वे उसे बुलाते हैं रेफ्रिजरेटर का तापमान. रेफ्रिजरेटर वातावरण या अपशिष्ट भाप को ठंडा करने और संघनित करने के लिए विशेष उपकरण है - संधारित्र. बाद के मामले में, रेफ्रिजरेटर का तापमान परिवेश के तापमान से थोड़ा कम हो सकता है।

इस प्रकार, एक इंजन में, विस्तार के दौरान कार्यशील द्रव कार्य करने के लिए अपनी सारी आंतरिक ऊर्जा नहीं छोड़ सकता है। गर्मी का कुछ हिस्सा आंतरिक दहन इंजन और गैस टरबाइन से अपशिष्ट भाप या निकास गैसों के साथ अनिवार्य रूप से रेफ्रिजरेटर (वातावरण) में स्थानांतरित हो जाता है।

ईंधन की आंतरिक ऊर्जा का यह भाग नष्ट हो जाता है। एक ऊष्मा इंजन कार्यशील द्रव की आंतरिक ऊर्जा के कारण कार्य करता है। इसके अलावा, इस प्रक्रिया में, गर्मी को गर्म वस्तुओं (हीटर) से ठंडी वस्तुओं (रेफ्रिजरेटर) में स्थानांतरित किया जाता है। ऊष्मा इंजन का योजनाबद्ध आरेख चित्र 13.13 में दिखाया गया है।

ईंधन के दहन के दौरान इंजन का कार्यशील द्रव हीटर से ऊष्मा की मात्रा Q 1 प्राप्त करता है, कार्य A करता है" और ऊष्मा की मात्रा को रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित करता है प्रश्न 2< Q 1 .

इंजन को लगातार संचालित करने के लिए, कार्यशील द्रव को उसकी प्रारंभिक अवस्था में लौटाना आवश्यक है, जिस पर कार्यशील द्रव का तापमान T 1 के बराबर होता है। इससे यह पता चलता है कि इंजन समय-समय पर दोहराई जाने वाली बंद प्रक्रियाओं के अनुसार या, जैसा कि वे कहते हैं, एक चक्र में संचालित होता है।

चक्रप्रक्रियाओं की एक श्रृंखला है जिसके परिणामस्वरूप सिस्टम अपनी प्रारंभिक स्थिति में लौट आता है।

ऊष्मा इंजन के प्रदर्शन का गुणांक (दक्षता)।

गैस की आंतरिक ऊर्जा को ऊष्मा इंजनों के कार्य में पूरी तरह से परिवर्तित करने की असंभवता प्रकृति में प्रक्रियाओं की अपरिवर्तनीयता के कारण है। यदि ऊष्मा अनायास रेफ्रिजरेटर से हीटर में लौट सकती है, तो आंतरिक ऊर्जा को किसी भी ऊष्मा इंजन द्वारा पूरी तरह से उपयोगी कार्य में परिवर्तित किया जा सकता है। ऊष्मागतिकी के दूसरे नियम को इस प्रकार कहा जा सकता है:

ऊष्मागतिकी का दूसरा नियम:
दूसरी तरह की सतत गति मशीन बनाना असंभव है, जो गर्मी को पूरी तरह से यांत्रिक कार्य में परिवर्तित कर देगी।

ऊर्जा संरक्षण के नियम के अनुसार इंजन द्वारा किया गया कार्य बराबर होता है:

ए" = क्यू 1 - |क्यू 2 |, (13.15)

जहां Q 1 हीटर से प्राप्त गर्मी की मात्रा है, और Q2 रेफ्रिजरेटर को दी गई गर्मी की मात्रा है।

ऊष्मा इंजन के प्रदर्शन (दक्षता) का गुणांक इंजन द्वारा किए गए कार्य "ए" और हीटर से प्राप्त ऊष्मा की मात्रा का अनुपात है:

चूँकि सभी इंजन कुछ मात्रा में ऊष्मा को रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित करते हैं, तो η< 1.

ऊष्मा इंजनों का अधिकतम दक्षता मूल्य।

थर्मोडायनामिक्स के नियम तापमान T1 पर हीटर और तापमान T2 पर रेफ्रिजरेटर के साथ चलने वाले ताप इंजन की अधिकतम संभव दक्षता की गणना करना और साथ ही इसे बढ़ाने के तरीकों को निर्धारित करना संभव बनाते हैं।

पहली बार, ताप इंजन की अधिकतम संभव दक्षता की गणना फ्रांसीसी इंजीनियर और वैज्ञानिक सादी कार्नोट (1796-1832) ने अपने काम "आग की प्रेरक शक्ति और इस बल को विकसित करने में सक्षम मशीनों पर प्रतिबिंब" (1824) में की थी। ).

कार्नोट ने कार्यशील तरल पदार्थ के रूप में एक आदर्श गैस के साथ एक आदर्श ऊष्मा इंजन का आविष्कार किया। एक आदर्श कार्नोट ताप इंजन दो इज़ोटेर्म और दो एडियाबेट्स से युक्त एक चक्र पर चलता है, और इन प्रक्रियाओं को प्रतिवर्ती माना जाता है (चित्र 13.14)। सबसे पहले, गैस से भरे एक बर्तन को हीटर के संपर्क में लाया जाता है, गैस समतापीय रूप से फैलती है, तापमान T 1 पर सकारात्मक कार्य करती है, और इसे ऊष्मा Q 1 की मात्रा प्राप्त होती है।

फिर बर्तन को थर्मल रूप से इन्सुलेट किया जाता है, गैस रुद्धोष्म रूप से फैलती रहती है, जबकि इसका तापमान रेफ्रिजरेटर टी 2 के तापमान तक गिर जाता है। इसके बाद, गैस को इज़ोटेर्मल संपीड़न के दौरान रेफ्रिजरेटर के संपर्क में लाया जाता है, यह वॉल्यूम V 4 में संपीड़ित होकर रेफ्रिजरेटर को गर्मी Q 2 की मात्रा देता है< V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

सूत्र (13.17) के अनुसार, कार्नोट मशीन की दक्षता हीटर और रेफ्रिजरेटर के पूर्ण तापमान में अंतर के सीधे आनुपातिक है।

इस सूत्र का मुख्य महत्व यह है कि यह दक्षता बढ़ाने का तरीका बताता है, इसके लिए हीटर का तापमान बढ़ाना या रेफ्रिजरेटर का तापमान कम करना आवश्यक है।

तापमान T1 पर हीटर और T2 तापमान पर रेफ्रिजरेटर के साथ चलने वाले किसी भी वास्तविक ताप इंजन की दक्षता एक आदर्श ताप इंजन से अधिक नहीं हो सकती है: वास्तविक ऊष्मा इंजन के चक्र को बनाने वाली प्रक्रियाएँ प्रतिवर्ती नहीं होती हैं।

सूत्र (13.17) ऊष्मा इंजनों की अधिकतम दक्षता मान के लिए एक सैद्धांतिक सीमा देता है। इससे पता चलता है कि ताप इंजन जितना अधिक कुशल होता है, हीटर और रेफ्रिजरेटर के बीच तापमान का अंतर उतना ही अधिक होता है।

केवल पूर्ण शून्य के बराबर रेफ्रिजरेटर तापमान पर η = 1 होता है। इसके अलावा, यह साबित हो गया है कि सूत्र (13.17) का उपयोग करके गणना की गई दक्षता कार्यशील पदार्थ पर निर्भर नहीं करती है।

लेकिन रेफ्रिजरेटर का तापमान, जिसकी भूमिका आमतौर पर वातावरण द्वारा निभाई जाती है, व्यावहारिक रूप से परिवेशी वायु के तापमान से कम नहीं हो सकता है। आप हीटर का तापमान बढ़ा सकते हैं। हालाँकि, किसी भी सामग्री (ठोस) में सीमित ताप प्रतिरोध या ऊष्मा प्रतिरोध होता है। गर्म करने पर, यह धीरे-धीरे अपने लोचदार गुणों को खो देता है, और पर्याप्त उच्च तापमान पर यह पिघल जाता है।

अब इंजीनियरों के मुख्य प्रयासों का उद्देश्य इंजनों के हिस्सों के घर्षण, अपूर्ण दहन के कारण ईंधन की हानि आदि को कम करके इंजन की दक्षता बढ़ाना है।

भाप टरबाइन के लिए, प्रारंभिक और अंतिम भाप तापमान लगभग इस प्रकार हैं: T 1 - 800 K और T 2 - 300 K. इन तापमानों पर, अधिकतम दक्षता मान 62% है (ध्यान दें कि दक्षता आमतौर पर प्रतिशत के रूप में मापी जाती है) . विभिन्न प्रकार की ऊर्जा हानियों के कारण वास्तविक दक्षता मूल्य लगभग 40% है। अधिकतम दक्षता - लगभग 44% - डीजल इंजन द्वारा प्राप्त की जाती है।

पर्यावरण संरक्षण।

ऊष्मा इंजनों के बिना आधुनिक विश्व की कल्पना करना कठिन है। वे ही हैं जो हमें आरामदायक जीवन प्रदान करते हैं। ऊष्मा इंजन वाहन चलाते हैं। परमाणु ऊर्जा संयंत्रों की उपस्थिति के बावजूद, लगभग 80% बिजली थर्मल इंजनों का उपयोग करके उत्पन्न की जाती है।

हालाँकि, ऊष्मा इंजनों के संचालन के दौरान अपरिहार्य पर्यावरण प्रदूषण होता है। यह एक विरोधाभास है: एक ओर, मानवता को हर साल अधिक से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होती है, जिसका मुख्य हिस्सा ईंधन के दहन के माध्यम से प्राप्त होता है, दूसरी ओर, दहन प्रक्रियाएं अनिवार्य रूप से पर्यावरण प्रदूषण के साथ होती हैं।

जब ईंधन जलता है तो वातावरण में ऑक्सीजन की मात्रा कम हो जाती है। इसके अलावा, दहन उत्पाद स्वयं रासायनिक यौगिक बनाते हैं जो जीवित जीवों के लिए हानिकारक होते हैं। प्रदूषण न केवल जमीन पर, बल्कि हवा में भी होता है, क्योंकि किसी भी हवाई जहाज की उड़ान के साथ वातावरण में हानिकारक अशुद्धियों का उत्सर्जन होता है।

इंजनों के परिणामों में से एक कार्बन डाइऑक्साइड का निर्माण है, जो पृथ्वी की सतह से अवरक्त विकिरण को अवशोषित करता है, जिससे वायुमंडलीय तापमान में वृद्धि होती है। यह तथाकथित ग्रीनहाउस प्रभाव है। मापन से पता चलता है कि वायुमंडलीय तापमान प्रति वर्ष 0.05 डिग्री सेल्सियस बढ़ जाता है। तापमान में इस तरह की लगातार वृद्धि से बर्फ पिघल सकती है, जिसके परिणामस्वरूप महासागरों में जल स्तर में बदलाव आएगा, यानी महाद्वीपों में बाढ़ आएगी।

आइए ऊष्मा इंजनों का उपयोग करते समय एक और नकारात्मक बिंदु पर ध्यान दें। इसलिए, कभी-कभी इंजनों को ठंडा करने के लिए नदियों और झीलों के पानी का उपयोग किया जाता है। गर्म पानी को फिर वापस लौटा दिया जाता है। जल निकायों में तापमान में वृद्धि से प्राकृतिक संतुलन बाधित होता है, इस घटना को तापीय प्रदूषण कहा जाता है।

पर्यावरण की रक्षा के लिए, वायुमंडल में हानिकारक पदार्थों की रिहाई को रोकने के लिए विभिन्न सफाई फिल्टर का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है, और इंजन डिजाइन में सुधार किया जा रहा है। ईंधन में निरंतर सुधार हो रहा है जो दहन के दौरान कम हानिकारक पदार्थ पैदा करता है, साथ ही इसके दहन की तकनीक में भी। पवन, सौर विकिरण और परमाणु ऊर्जा का उपयोग करने वाले वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों को सक्रिय रूप से विकसित किया जा रहा है। इलेक्ट्रिक कारों और सौर ऊर्जा से चलने वाली कारों का उत्पादन पहले से ही किया जा रहा है।

दक्षता कारक (दक्षता)ऊर्जा के रूपांतरण या स्थानांतरण के संबंध में सिस्टम के प्रदर्शन की एक विशेषता है, जो सिस्टम द्वारा प्राप्त कुल ऊर्जा के लिए उपयोग की गई उपयोगी ऊर्जा के अनुपात से निर्धारित होती है।

क्षमता- एक आयामहीन मात्रा, जिसे आमतौर पर प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है:

ऊष्मा इंजन के प्रदर्शन (दक्षता) का गुणांक सूत्र द्वारा निर्धारित किया जाता है:, जहां A = Q1Q2। ऊष्मा इंजन की दक्षता सदैव 1 से कम होती है।

कार्नोट चक्रएक प्रतिवर्ती गोलाकार गैस प्रक्रिया है, जिसमें काम कर रहे तरल पदार्थ के साथ क्रमिक रूप से दो इज़ोटेर्मल और दो एडियाबेटिक प्रक्रियाएं होती हैं।

एक वृत्ताकार चक्र, जिसमें दो इज़ोटेर्म और दो एडियाबेट शामिल हैं, अधिकतम दक्षता से मेल खाता है।

1824 में फ्रांसीसी इंजीनियर सादी कार्नोट ने एक आदर्श ताप इंजन की अधिकतम दक्षता के लिए सूत्र निकाला, जहां काम करने वाला तरल पदार्थ एक आदर्श गैस है, जिसके चक्र में दो इज़ोटेर्म और दो एडियाबेट्स शामिल हैं, यानी कार्नोट चक्र। कार्नोट चक्र एक ताप इंजन का वास्तविक कार्य चक्र है जो एक आइसोथर्मल प्रक्रिया में कार्यशील तरल पदार्थ को आपूर्ति की गई गर्मी के कारण कार्य करता है।

कार्नोट चक्र की दक्षता, यानी ऊष्मा इंजन की अधिकतम दक्षता का सूत्र इस प्रकार है: , जहां T1 हीटर का पूर्ण तापमान है, T2 रेफ्रिजरेटर का पूर्ण तापमान है।

ताप इंजन- ये ऐसी संरचनाएं हैं जिनमें तापीय ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में परिवर्तित किया जाता है।

हीट इंजन डिज़ाइन और उद्देश्य दोनों में विविध हैं। इनमें भाप इंजन, भाप टरबाइन, आंतरिक दहन इंजन और जेट इंजन शामिल हैं।

हालाँकि, विविधता के बावजूद, सिद्धांत रूप में विभिन्न ताप इंजनों के संचालन में सामान्य विशेषताएं हैं। प्रत्येक ताप इंजन के मुख्य घटक हैं:

• हीटर;
• कार्यात्मक द्रव;
• फ़्रिज।

हीटर कार्यशील तरल पदार्थ को गर्म करते हुए तापीय ऊर्जा छोड़ता है, जो इंजन के कार्यशील कक्ष में स्थित होता है। कार्यशील द्रव भाप या गैस हो सकता है।

ऊष्मा की मात्रा ग्रहण करने पर गैस फैलती है, क्योंकि इसका दबाव बाहरी दबाव से अधिक होता है, और पिस्टन को गति देता है, जिससे सकारात्मक कार्य होता है। साथ ही इसका दबाव कम हो जाता है और इसका आयतन बढ़ जाता है।

यदि हम किसी गैस को समान अवस्थाओं से गुजरते हुए, लेकिन विपरीत दिशा में संपीड़ित करते हैं, तो हम वही निरपेक्ष मान, लेकिन नकारात्मक कार्य करेंगे। परिणामस्वरूप, प्रति चक्र सभी कार्य शून्य होंगे।

ऊष्मा इंजन का कार्य शून्य से भिन्न होने के लिए गैस संपीड़न का कार्य विस्तार के कार्य से कम होना चाहिए।

संपीड़न का कार्य विस्तार के कार्य से कम हो, इसके लिए यह आवश्यक है कि संपीड़न प्रक्रिया कम तापमान पर हो, इसके लिए कार्यशील द्रव को ठंडा किया जाना चाहिए, यही कारण है कि डिज़ाइन में एक रेफ्रिजरेटर शामिल किया गया है ऊष्मा इंजन का. कार्यशील तरल पदार्थ रेफ्रिजरेटर के संपर्क में आने पर गर्मी को रेफ्रिजरेटर में स्थानांतरित करता है।