Pengoperasian banyak jenis mesin ditandai dengan indikator penting seperti efisiensi mesin kalor. Setiap tahun, para insinyur berusaha untuk menciptakan peralatan yang lebih canggih yang, dengan biaya bahan bakar yang lebih rendah, akan memberikan hasil yang maksimal dari penggunaannya.
Perangkat mesin panas
Sebelum memahami apa itu efisiensi, perlu dipahami bagaimana mekanisme ini bekerja. Tanpa mengetahui prinsip-prinsip tindakannya, tidak mungkin untuk mengetahui esensi dari indikator ini. Mesin kalor adalah alat yang bekerja dengan menggunakan energi dalam. Setiap mesin kalor yang mengubah energi panas menjadi energi mekanik menggunakan ekspansi termal zat dengan meningkatnya suhu. Dalam mesin solid-state, dimungkinkan tidak hanya untuk mengubah volume materi, tetapi juga bentuk tubuh. Pengoperasian mesin seperti itu tunduk pada hukum termodinamika.
Prinsip operasi
Untuk memahami cara kerja mesin kalor, penting untuk mempertimbangkan dasar-dasarnyadesainnya. Untuk pengoperasian perangkat, diperlukan dua badan: panas (pemanas) dan dingin (kulkas, pendingin). Prinsip pengoperasian mesin panas (efisiensi mesin panas) tergantung pada jenisnya. Seringkali, kondensor uap bertindak sebagai lemari es, dan semua jenis bahan bakar yang terbakar di tungku bertindak sebagai pemanas. Efisiensi mesin kalor ideal didapat dari rumus berikut:
Efisiensi=(Teater - Pendinginan)/ Teater. x 100%.
Pada saat yang sama, efisiensi mesin nyata tidak akan pernah melebihi nilai yang diperoleh menurut rumus ini. Juga, indikator ini tidak akan pernah melebihi nilai di atas. Untuk meningkatkan efisiensi, paling sering menaikkan suhu pemanas dan menurunkan suhu lemari es. Kedua proses ini akan dibatasi oleh kondisi pengoperasian peralatan yang sebenarnya.
Efisiensi panas mesin (rumus)
Selama pengoperasian mesin kalor, kerja dilakukan, karena gas mulai kehilangan energi dan mendingin ke suhu tertentu. Yang terakhir biasanya beberapa derajat di atas atmosfer sekitarnya. Ini adalah suhu lemari es. Perangkat khusus semacam itu dirancang untuk pendinginan dengan kondensasi uap buang selanjutnya. Di mana terdapat kondensor, suhu lemari es terkadang lebih rendah dari suhu sekitar.
Dalam mesin kalor, benda, ketika dipanaskan dan diekspansi, tidak mampu memberikan semua energi internalnya untuk melakukan kerja. Sebagian panas akan dipindahkan ke lemari es bersama dengan gas buang atau uap. Bagian inienergi internal termal pasti hilang. Selama pembakaran bahan bakar, benda kerja menerima sejumlah panas Q1 dari pemanas. Pada saat yang sama, itu masih melakukan pekerjaan A, di mana ia mentransfer sebagian energi panas ke lemari es: Q2<Q1.
EFISIENSI mencirikan efisiensi mesin di bidang konversi energi dan transmisi. Indikator ini sering diukur sebagai persentase. Rumus Efisiensi:
ηA/Qx100%, di mana Q adalah energi yang dikeluarkan, A adalah kerja yang berguna.
Berdasarkan hukum kekekalan energi, kita dapat menyimpulkan bahwa efisiensi akan selalu kurang dari satu. Dengan kata lain, tidak akan pernah ada pekerjaan yang lebih bermanfaat daripada energi yang dihabiskan untuk itu.
Efisiensi mesin adalah rasio kerja yang berguna dengan energi yang disuplai oleh pemanas. Ini dapat direpresentasikan sebagai rumus berikut:
η=(Q1-Q2)/ Q1, di mana Q 1 - panas yang diterima dari pemanas, dan Q2 - diberikan ke lemari es.
Pengoperasian mesin panas
Kerja yang dilakukan oleh mesin kalor dihitung dengan menggunakan rumus berikut:
A=|QH| - |QX|, di mana A adalah kerja, QH adalah jumlah kalor yang diterima dari pemanas, QX- jumlah panas yang diberikan ke pendingin.
Efisiensi panas mesin (rumus):
|TH| - |QX|)/|QH|=1 - |QX|/|QH|
Ini sama dengan rasio kerja yang dilakukan oleh mesin dengan jumlahkehangatan. Sebagian energi panas hilang selama transfer ini.
Mesin Carnot
Efisiensi maksimum mesin kalor dicatat pada alat Carnot. Hal ini disebabkan fakta bahwa dalam sistem ini hanya bergantung pada suhu absolut pemanas (Тн) dan pendingin (Тх). Efisiensi mesin kalor yang beroperasi menurut siklus Carnot ditentukan oleh rumus berikut:
(Тн -)/=- -.
Hukum termodinamika memungkinkan kita menghitung efisiensi maksimum yang mungkin. Untuk pertama kalinya indikator ini dihitung oleh ilmuwan dan insinyur Prancis Sadi Carnot. Dia menemukan mesin panas yang menggunakan gas ideal. Ia bekerja pada siklus 2 isoterm dan 2 adiabat. Prinsip operasinya cukup sederhana: kontak pemanas dibawa ke bejana dengan gas, akibatnya fluida kerja mengembang secara isotermal. Pada saat yang sama, ia berfungsi dan menerima sejumlah panas. Setelah bejana diisolasi secara termal. Meskipun demikian, gas terus mengembang, tetapi sudah secara adiabatik (tanpa pertukaran panas dengan lingkungan). Pada saat ini, suhunya turun ke lemari es. Pada saat ini, gas bersentuhan dengan lemari es, akibatnya ia memberikan sejumlah panas selama kompresi isometrik. Kemudian bejana diisolasi secara termal lagi. Dalam hal ini, gas dikompresi secara adiabatik ke volume dan keadaan aslinya.
Varietas
Di zaman kita, ada banyak jenis mesin kalor yang beroperasi dengan prinsip dan bahan bakar yang berbeda. Semuanya memiliki efisiensi masing-masing. Ini termasukberikut ini:
• Mesin pembakaran dalam (piston), yaitu suatu mekanisme dimana sebagian energi kimia dari bahan bakar yang terbakar diubah menjadi energi mekanik. Perangkat semacam itu bisa berupa gas dan cairan. Ada mesin 2 tak dan 4 tak. Mereka mungkin memiliki siklus tugas yang berkelanjutan. Menurut metode menyiapkan campuran bahan bakar, mesin tersebut adalah karburator (dengan pembentukan campuran eksternal) dan diesel (dengan internal). Menurut jenis konverter energi, mereka dibagi menjadi piston, jet, turbin, gabungan. Efisiensi mesin tersebut tidak melebihi 0,5.
• Stirling engine - perangkat di mana fluida kerja berada di ruang tertutup. Ini adalah sejenis mesin pembakaran eksternal. Prinsip operasinya didasarkan pada pendinginan/pemanasan tubuh secara berkala dengan produksi energi karena perubahan volumenya. Ini adalah salah satu mesin yang paling efisien.
• Mesin turbin (putar) dengan pembakaran bahan bakar eksternal. Instalasi seperti itu paling sering ditemukan di pembangkit listrik termal.
• Turbin (rotary) ICE digunakan di pembangkit listrik termal dalam mode puncak. Tidak biasa seperti yang lain.
• Mesin turboprop menghasilkan beberapa gaya dorong karena baling-baling. Sisanya berasal dari gas buang. Desainnya adalah mesin putar (turbin gas), pada poros yang dipasang baling-baling.
Jenis mesin kalor lainnya
• Mesin roket, turbojet, dan jet yang mendapat dorongan dari rekoilgas buang.
• Mesin solid-state menggunakan padatan sebagai bahan bakar. Saat bekerja, bukan volumenya yang berubah, tetapi bentuknya. Pengoperasian peralatan menggunakan perbedaan suhu yang sangat rendah.
Cara meningkatkan efisiensi
Apakah mungkin untuk meningkatkan efisiensi mesin kalor? Jawabannya harus dicari dalam termodinamika. Ini mempelajari transformasi timbal balik dari berbagai jenis energi. Telah ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengubah semua energi panas yang tersedia menjadi listrik, mekanik, dll. Pada saat yang sama, konversi mereka menjadi energi panas terjadi tanpa batasan apa pun. Hal ini dimungkinkan karena fakta bahwa sifat energi panas didasarkan pada pergerakan partikel yang tidak teratur (chaotic).
Semakin panas tubuh, semakin cepat molekul penyusunnya bergerak. Gerakan partikel akan menjadi lebih tidak menentu. Bersamaan dengan ini, semua orang tahu bahwa ketertiban dapat dengan mudah diubah menjadi kekacauan, yang sangat sulit untuk diatur.
