الآلاتحراري هي أجهزة قادرة على تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل ميكانيكي. كل آلة حرارية تحتاج إلى مصدر الحرارة ومادة عاملة قادرة على تعديل حجمها وبالتالي تحريك بعض الآليات ، مثل الصمامات أو المكابس.
أنت محركات الاحتراق الداخلي، مثل أولئك الذين يقودون سيارات اليوم ، هم أمثلة على الآلات الحرارية. تمتص الحرارة الناتجة عن احتراق خليط من الوقود والهواء ، والذي يتم حقنه بشكل دوري في أسطواناتها.
بهذه الطريقة ، يتم تحويل جزء من الطاقة التي يتم إطلاقها أثناء الانفجار إلى عمل ، من خلال حركة المكبس - أحد الأجزاء المتحركة للمحرك ، يستخدم لتحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة حركية.
كيف تعمل الآلات الحرارية؟
جميع الآلات الحرارية تعمل وفق أ دورةالديناميكا الحرارية ، أي ، تسلسل الحالات الديناميكية الحرارية التي تكرر نفسها. تحتوي هذه الدورات على حالات مختلفة من الحجم والضغط ودرجة الحرارة ، والتي يتم تمثيلها عادةً بواسطة الرسوم البيانية للضغط مقابل الحجم. تم تصميم الدورات الديناميكية الحرارية بحثًا عن كفاءة أكبر في استخدام الطاقة ، أي أن إنتاج محركات قادرة على استخراج قدر كبير من العمل مطلوب دائمًا.
في أي دورة ديناميكية حرارية ، هذا ممكن حساب العمل بيانيا. لذلك ، من الضروري حساب المساحة الداخلية للرسم البياني ، والتي يمكن أن تكون معقدة إذا كانت الدورة المعنية ذات شكل غير منتظم. بالإضافة إلى ذلك ، يشير اتجاه الأسهم ، في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة ، إلى ما إذا كانت الدورة المعنية هي دورة آلة حرارية أو ثلاجة. الدفع:
دورة في اتجاه عقارب الساعة: إذا كان اتجاه الدورة في اتجاه عقارب الساعة ، فإن الدورة هي دورة المحرك الحراري ، الذي يمتص الحرارة وينتج الشغل.
دورة عكس اتجاه عقارب الساعة: في الحالة التي يكون فيها اتجاه الدورة عكس اتجاه عقارب الساعة ، فإنها تحتاج إلى تلقي العمل الميكانيكي وإطلاق الحرارة ، كما هو الحال في محركات الثلاجة.
كل آلة حرارية لها تكوين مماثل: لها مصدرفيالحرارة (مصدر ساخن) يستخرج منه الطاقة اللازمة لتشغيله ، و مكتب المدير (مصدر بارد) ، حيث يتم تبديد جزء من الحرارة الممتصة. لاحظ الرسم التخطيطي التالي:
وفقا ل القانون الأول للديناميكا الحرارية، تحتاج الآلات الحرارية إلى تلقي كمية معينة من الحرارة حتى تعمل. ومع ذلك ، يمكن أن يكون جزء صغير فقط من هذه الكمية من الحرارة ، وهو شكل من أشكال الطاقة تحويلها إلى عمل مفيد.
أسباب هذا القيد هي في الأساس سببان: الأول يتعلق بالقدرة التقنية لإنتاج آلة لا تتبدد الطاقة - وهو أمر مستحيل - والثاني هو تقييد الطبيعة نفسها: بموجب القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، لا يمكن لأي آلة حرارية يقدم أ أثمر 100٪. تحقق مما يقوله القانون الثاني للديناميكا الحرارية ، والمعروف باسم قانون الانتروبياوفقًا لبيان كلفن:
"لا يمكن لأي نظام ، عند درجة حرارة معينة ، امتصاص الحرارة من مصدر وتحويلها بالكامل في العمل الميكانيكي ، دون تعديلات على هذا النظام أو له أحياء."
بيان كلفن بشأن تحويلاتمتكامل من الحرارة في العمل الميكانيكي ، مع ذكر ذلك مستحيل بدون حدوث "تغييرات" في النظام. يشير هذا التغيير إلى تأثير الانتروبيا: عند إزالة الحرارة من بعض المصادر الساخنة ، يتحلل جزء من هذه الطاقة إلى أشكال طاقة أقل فائدة. هناك العديد من عمليات تدهور الطاقة: اهتزاز الأجزاء الميكانيكية ، الاحتكاك بين الأجزاء والمحامل ، تبديد الحرارة إلى البيئة الخارجية ، إنتاج ضوضاء مسموعة ، إلخ.
نرى أيضا: تعرف على تاريخ الآلات الحرارية
خريطة ذهنية: الآلات الحرارية
* لتنزيل الخريطة الذهنية بصيغة PDF ، انقر هنا!
أداء الآلات الحرارية
يمكن حساب كفاءة أي آلة حرارية من حيث نسبة العمل الميكانيكي الذي تنتجه إلى كمية الحرارة التي تمتصها من بعض المصادر الساخنة:
η - أداء
τ - الاعمال الميكانيكية (J - جول او جير - سعرات حراريه)
سس – الحرارة من المصدر الساخن (J - جول أو جير - سعرات حرارية)
يتم تحديد العمل الميكانيكي ، بدوره ، من خلال الفرق بين كميات الحرارة "ساخن" و "بارد" ، لذلك يمكننا كتابة أداء الآلات الحرارية من خلالهما كميات:
سF - الحرارة الممنوحة لمصدر التبريد
يسعى الفيزيائي الفرنسي لتحديد خصائص الدورة الحرارية "المثالية" سعديكارنو طورت دورة تقدم ، من الناحية النظرية على الأقل ، أكبرنجاعةممكن لآلة حرارية تعمل بنفس درجات الحرارة.
هذه الدورة ، والمعروفة باسم دورة كارنو، تسمى شعبيا آلة كارنو، ليست آلة حقيقية ، لأنه حتى يومنا هذا ، حالت المستحيلات التقنية والعملية دون بناء مثل هذه الآلة.
نرى أيضا:ما هي الحرارة الكامنة؟
نظرية كارنو
ا نظريةفيكارنو، أعلن في عام 1824 ، يثبت أنه حتى الآلة الحرارية المثالية ، التي لا تبدد أي كمية من الطاقة بسبب الاحتكاك بين أجزائه المتحركة ، لها حد أقصى للإنتاجية ، والذي يعتمد على النسبة بين درجات حرارة مصدره الساخن والبارد ، المعطى في كلفن:
تيس - درجة حرارة المصدر الساخن (ك)
تيF - درجة حرارة المصدر البارد (K)
عند تحليل الصيغة أعلاه ، من الممكن أن نرى أن الآلة الحرارية المثالية لها أدائها المحدد بشكل حصري من خلال درجات حرارة مصادرها الساخنة والباردة. بالإضافة إلى ذلك ، من أجل أن يكون عائده 100 ٪ ، سيكون ضروريًا لـ T.F كانت صفرًا ، أي 0 ك ، درجة حرارة الصفر المطلق. ومع ذلك ، وفقا ل القانون الثالث للديناميكا الحرارية، درجة الحرارة هذه غير قابلة للتحقيق.
معادلة الكفاءة الموضحة أعلاه صالحة فقط للأجهزة الحرارية التي تعمل وفقًا لدورة كارنو. علاوة على ذلك ، توضح النظرية أيضًا أن نسبة درجات الحرارة TF و تس تساوي النسبة بين كميات الحرارة QF وسس:
نرى أيضا:تعرف على المزيد حول أداء الماكينة الحرارية
دورة كارنو
ا دورة كارنو يحدث في أربع مراحل (أو أربع دقات). تتكون هذه الدورة من اثنين التحولات الثابتة شيئان. أو أنها اثنان التحولات متساوي الحرارة. التحولات الأديباتية هي تلك التي لا يوجد فيها تبادل حراري ، في حين أن التحولات متساوية الحرارة هي تلك التي لا يوجد فيها تغير درجة الحرارة ، وبالتالي ، تظل الطاقة الداخلية لمادة العمل المسؤولة عن تحريك المحرك الحراري ثابت.
يمثل الشكل التالي دورة كارنو ومراحلها الأربع. الدفع:
ط - التمدد متساوي الحرارة: في هذه الخطوة ، تتمدد مادة العمل ، وتحافظ على درجة حرارتها الثابتة ، وتؤدي العمل ، وتتلقى الحرارة من المصدر الساخن.
II - التوسع الأديباتي: في هذه المرحلة ، تتوسع مادة العمل قليلاً وتعمل دون تلقي حرارة.
ثالثا - انكماش متساوي الحرارة: في هذه المرحلة يتناقص حجم الغاز ويزداد ضغطه وتبقى درجة حرارته ثابتة ، بالإضافة إلى أن الغاز يفقد الحرارة إلى مصدر البرودة. في هذه المرحلة ، يتم تنفيذ العمل على الغاز.
رابعا- الانكماش الأديباتي: الغاز لديه زيادة سريعة في الضغط وانخفاض طفيف في الحجم ، لكنه لا يتبادل الحرارة أثناء العملية.
دورة أوتو
دورة أوتو عبارة عن سلسلة من التحولات الفيزيائية التي تخضع لها بعض المواد العاملة مثل البنزين أو الإيثانول. تستخدم هذه الدورة على نطاق واسع في محركات الاحتراق الداخلي التي تشغل معظم سيارات الركاب. على الرغم من عدم وجودها في الممارسة العملية ، فقد تم تصميم دورة أوتو لتقريب دورة كارنو. يوضح الشكل أدناه مراحل دورة أوتو.
أنا - العملية 0-1: القبول متساوي الضغط: في هذه العملية ، يدخل خليط من الهواء والبنزين بواسطة المحرك بضغط ثابت ؛
الثاني - العملية 1-2: ضغط ثابت - في هذه العملية ، هناك زيادة سريعة في الضغط الذي تمارسه مكابس المحرك ، بحيث لا يوجد وقت لحدوث التبادل الحراري ؛
III - العملية 2-3-4: الاحتراق بالحجم الثابت (2-3) والتمدد الحراري (3-4) - تنتج شرارة صغيرة انفجارًا محكومًا في خليط الهواء والبنزين ثم مكبس ينزل المحرك بسرعة ، مما يؤدي إلى زيادة في الحجم وإنتاج كمية كبيرة من الشغل؛
رابعا - العملية 4-1-0: استنفاد متساوي الضغط - تنفتح صمامات العادم وتترك الدخان المتصاعد من الوقود المحترق يخرج من المحرك بضغط ثابت.
الخطوات الموضحة أعلاه موضحة في الشكل التالي ، والذي يمثل خطوات تشغيل ملف محرك رباعي الأشواطيعمل بالبنزين أو الكحول. تعادل حركة المكبس في كل وضع من الأوضاع الموضحة العمليات الموضحة:
أمثلة على الآلات الحرارية
أمثلة على الآلات الحرارية هي:
محركات الاحتراق الداخلي ، مثل تلك التي تعمل بالكحول والبنزين والديزل ؛
المحركات البخارية؛
محطات توليد الطاقة الحرارية.
الآلات الحرارية والثورة الصناعية
لعبت الآلات الحرارية دورًا مهمًا في التطور التكنولوجي للمجتمع. بعد اتقانها جوامعواط سمحت الآلات الحرارية التي تعمل بالبخار للثورة الصناعية بالحدوث ، مما أدى إلى تغيير جذري في العالم.
هل ترغب في معرفة المزيد عن هذا الموضوع؟ الوصول إلى نصنا حول ثورة صناعية.
ثلاجات
الثلاجات ، أو آلات التبريد ، هي آلات حرارية مقلوبة. في هذه الأجهزة ، من الضروري القيام بالعمل تحت الغاز داخل المحرك بحيث يتمدد بامتصاص الحرارة من البيئة المحيطة. من أمثلة الثلاجات: الثلاجات والمجمدات وتكييف الهواء.
إذا كنت تريد معرفة المزيد حول كيفية عمل هذا النوع من الآلات ، فتفضل بزيارة نصنا حول تشغيل وخصائص الثلاجات.
تمارين على الآلات الحرارية
التمرين 1) تستقبل الآلة الحرارية 500 J من الحرارة من مصدر ساخن في كل دورة تشغيل. إذا قامت هذه الآلة بتبديد 350 جول من الحرارة في حوضها البارد ، فما هي النسبة المئوية لكفاءة الطاقة؟
أ) 42٪
ب) 50٪
ج) 30٪
د) 35٪
هـ) 25٪
قالب: الحرف ج
القرار:
يوفر التمرين كميات الحرارة التي تحتاجها الآلة للعمل أثناء دورة ، حتى نتمكن من تحديد أدائها باستخدام الصيغة التي تتعلق بـ Qس وسF، نظرة:
يشير الحساب أعلاه إلى أن 30٪ فقط من الطاقة الحرارية المتاحة للمحرك في كل دورة تتحول إلى عمل ميكانيكي.
تمرين 2) آلة تعمل على دورة كارنو لها درجات حرارة مصدرها الساخن والبارد 600 ك و 400 كلفن على التوالي. تبدد هذه الآلة 800 j من الحرارة إلى أدنى مصدر لدرجة الحرارة في كل دورة. احسب كمية الحرارة الساخنة التي تمتصها الآلة في كل دورة وكفاءتها كنسبة مئوية ، ثم حدد البديل الصحيح.
أ) 67٪ و 320 ج
ب) 33٪ و 1200 ي
ج) 33٪ و 1900 ي
د) 62٪ و 1900 ي
هـ) 80٪ و 900 ي
قالب: حرف الباء
القرار:
أولاً ، دعنا نحسب كفاءة المحرك الحراري المعني. لهذا سوف نستخدم درجات حرارة المصادر الساخنة والباردة:
باستخدام قيم درجة الحرارة المذكورة في البيان ، يتعين علينا حل الحساب التالي:
لحساب كمية الحرارة التي تمتصها الآلة في كل دورة أمر بسيط ، ما عليك سوى استخدام نظرية كارنو:
لحل العملية الحسابية ، ما عليك سوى استبدال بيانات التمرين في الصيغة أعلاه.
بي. رافائيل هيلربروك
مصدر: مدرسة البرازيل - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm