Границите на топлинната ефективност при бензинови и дизелови двигатели - Tecmovia
Както споменахме много пъти преди, термичните машини (като бензинови и дизелови двигатели) са склонни да губят много енергия под формата на топлина. Въпреки това, което може да изглежда, непрекъснато развиващата се технология може да надраска само няколко процентни пункта в това голямо количество загубена енергия, защото топлинните двигатели са абсолютно ограничени от физическите закони, на които се основава нейното действие, които са принципите на термодинамиката.
По прост начин ще видим какви са тези принципи, как те влияят върху работата на двигателите с вътрешно горене и защо нарастващата ефективност на сегашните двигатели вече не може да бъде твърде далеч от неговата термодинамична граница. С други думи, за да се постигне значително по-нисък разход от сегашните, като се повлияе само върху технологията на двигателя, неговото развитие не би било достатъчно, а по-скоро би било необходимо да се оставят топлинните двигатели в полза на други видове горива.
Ефективност или ефективност на топлинен двигател
Изглежда важно да започнем с дефиниране на концепцията за ефективност или производителност, която ще използваме взаимозаменяемо в цялата статия. Така че, ние разбираме производителност на двигател като свършена работа за всяка единица консумирана енергия.
Ако работата, извършена от двигателя (генериране на движение), е равна на химическата енергия на горивото, използвано за производството му, ефективността на този предполагаем двигател ще бъде 100% (перфектна ефективност).
Очевидно, нито един процес не може да бъде повече от 100% ефективен защото това би било колкото да се каже, че се създава нова енергия. Първият принцип на термодинамиката (запазване на енергията) отрича тази възможност.
От друга страна, когато извършената работа е по-малка от консумираната енергия, загубата или разликата между двете стойности се превръща в топлина, което можем да считаме за безполезна енергия и следователно загубена.
Максималната ефективност на топлинен двигател: цикълът на Карно
Съществува абсолютна граница на производителността на всеки топлинен двигател, която е производителността на въображаема, перфектна, обратима машина, чийто работен процес е известен като Цикъл на Карно. Тази „перфектна“ максимална ефективност вече е доста под 100% и е важно да се отбележи, че като физически, абсолютен и универсален максимум, тя не може да бъде надвишена с технологични средства.
Ефективността на топлинния двигател на Carnot зависи само от максималните и минималните температури, между които работи, следователно, като се имат предвид тези две температури, изчисляването му е тривиално. В случай на двигатели с вътрешно горене, които изгарят въглеводороди и въз основа на данните, предложени в този практически пример, можем да разгледаме минимална температура (която би била тази на околната среда) от 17 o C (290 K) и максимална 1570 o C (1,843 К). Тази комбинация от температури ще ни даде максимален теоретичен добив от 84,3%.
Трудно е да се намерят точни данни за максималната температура, достигната в горивната камера, но въглеводородите изгарят около 2000 o C и вече изглежда доста оптимистично да се разглежда около 1600 o C като средна температура на цялата камера в последния момент на изгаряне. По този начин перфектната ефективност от 84% може да се счита за разумно оптимистична оценка.
Същото изчисление, извършено в Уикипедия, вземайки за пример други стойности и този път в бензинов двигател, дава a 73% максимална ефективност, въпреки че при предположение за идеални условия тази стойност може да се разглежда в ниския диапазон на възможните температури. Това би било разумно песимистично изчисление.