Машинитермики са устройства, способни да трансформират топлинната енергия в механична работа. Всяка термична машина се нуждае от източник на топлина и на работно вещество, способно да променя обема си и следователно да движи някакъв механизъм, като клапани или бутала.
Вие Двигатели с вътрешно горене, като тези, които карат днешните автомобили, са примери за термични машини. Те абсорбират топлината, която се получава от изгарянето на смес от гориво и въздух, която периодично се инжектира в техните цилиндри.
По този начин част от енергията, която се отделя по време на експлозията, се преобразува в работа, чрез движение на буталото - една от подвижните части на двигателя, използвана за преобразуване на топлинната енергия в енергия кинетика.
Как работят термичните машини?
Всички термични машини работят съгласно a цикълтермодинамика, тоест последователности от термодинамични състояния, които се повтарят. Тези цикли имат различни състояния на обем, налягане и температура, които обикновено се представят чрез графики на налягането спрямо обема. Термодинамичните цикли са проектирани в търсене на по-голяма енергийна ефективност, тоест винаги се търси производството на двигатели, способни да извлекат голямо количество работа.
Във всеки термодинамичен цикъл е възможно изчислете работата графично. За това е необходимо да се изчисли площта на вътрешността на графиката, което може да бъде сложно да се направи, ако въпросният цикъл има някаква неправилна форма. Освен това посоката на стрелките, по посока на часовниковата стрелка или обратно на часовниковата стрелка, показва дали въпросният цикъл е цикъл на термична машина или хладилник. Разгледайте:
Цикъл по часовниковата стрелка: Ако посоката на цикъла е по посока на часовниковата стрелка, цикълът е на топлинен двигател, който абсорбира топлината и произвежда работа.
Цикъл обратно на часовниковата стрелка: В случая, когато посоката на цикъла е обратно на часовниковата стрелка, той трябва да получи механична работа и да отделя топлина, както в случая с мотори на хладилника.
Всяка термична машина има подобна конфигурация: има източниквтоплина (горещ източник), от който извлича енергията, необходима за работата му, и а мивка (студен източник), където част от абсорбираната топлина се разсейва. Обърнете внимание на следната схема:
Според първи закон на термодинамиката, термичните машини трябва да получават определено количество топлина, за да работят. Обаче само малка част от това количество топлина, която е форма на енергия, може да бъде превърнат в полезна работа.
Причините за това ограничение са по същество две: първата се отнася до техническия капацитет за производство на машина, която не се разсейва енергия - което е невъзможно - и второто е ограничение на самата природа: по 2-ри закон на термодинамиката никоя термична машина не може присъства a Добив 100%. Вижте какво казва 2-ри закон на термодинамиката, известен като закон за ентропията, според изявлението на Келвин:
„Не е възможно никоя система при определена температура да абсорбира топлината от източник и да я трансформира напълно в механична работа, без модификации на тази система или нейната квартали. "
Изявлението на Келвин се отнася до преобразуваненеразделна на топлина при механична работа, заявявайки, че това е невъзможен без „промени“ в системата. Тази промяна се отнася до ефекта на ентропията: когато отстранява топлината от някакъв горещ източник, част от тази енергия се разгражда до по-малко полезни форми на енергия. Има много процеси на разграждане на енергията: вибрации на механични части, триене между частите и лагерите, разсейване на топлината към външната среда, производство на звукови шумове и др.
Вижте също: Научете за историята на термичните машини
Карта на ума: Термични машини
* За да изтеглите мисловната карта в PDF, Натисни тук!
Работа на термични машини
Ефективността на всяка термична машина може да се изчисли като съотношението на механичната работа, която произвежда, към количеството топлина, която тя поглъща от някакъв горещ източник:
η - Производителност
τ - Механична работа (J - джаули или вар - калории)
Въпрос:Въпрос: – Топлина от горещия източник (J - джаули или вар - калории)
Механичната работа от своя страна се определя от разликата между количествата топлина „Горещо“ и „студено“, следователно можем да запишем работата на термичните машини чрез тях количества:
Въпрос:F - топлина, отдадена на студения източник
Френският физик се опитва да определи какви са характеристиките на „перфектния“ термодинамичен цикъл садикарно разработи цикъл, който поне теоретично представя по-голямефективноствъзможен за термична машина, която работи при същите температури.
Този цикъл, известен като Цикъл на Карно, популярно наречен машина carnot, не е истинска машина, тъй като до наши дни техническите и практически невъзможности са предотвратявали конструкцията на такава машина.
Вижте също:Какво е латентна топлина?
Теорема на Карно
О теоремавкарно, обявен през 1824 г., установява, че дори идеалната термична машина, която не разсейва никакво количество енергия поради триене между неговите движещи се части, има максимална граница на добив, която зависи от съотношението между температурите на неговия топъл и студен източник, дадено в келвин:
TВъпрос: - Температура на горещия източник (K)
TF - Температура на студения източник (K)
Анализирайки горната формула, е възможно да се види, че идеалната термична машина има своите характеристики, определени изключително от температурите на нейните топли и студени източници. Освен това, за да бъде добивът му 100%, би било необходимо ТF е нула, т.е. 0 К, температурата на абсолютната нула. Въпреки това, според 3-ти закон на термодинамиката, такава температура е непостижима.
Показаната по-горе формула за ефективност е валидна само за термични машини, които работят в съответствие с цикъла на Карно. Освен това теоремата също така показва, че съотношението на температурите TF и ТВъпрос: е равно на съотношението между количествата топлина QF и QВъпрос::
Вижте също:Научете повече за работата на термичната машина
Цикъл на Карно
О Цикъл на Карно то се провежда на четири етапа (или четири удара). Този цикъл се формира от две адиабатни трансформации това е две изотермични трансформации. Адиабатни трансформации са тези, при които няма топлообмен, докато изотермичните трансформации са тези, при които няма варирането на температурата и, следователно, вътрешната енергия на работното вещество, отговорно за движението на топлинния двигател, остава постоянна.
Следващата фигура представя цикъла на Карно и неговите четири етапа. Разгледайте:
I - Изотермично разширение: В тази стъпка работното вещество се разширява, поддържайки постоянната си температура, извършва работа и получава топлина от горещия източник.
II - Адиабатно разширение: На този етап работното вещество се разширява малко и работи, без да получава топлина.
III - Изотермично свиване: На този етап обемът на газа намалява, налягането му се увеличава и температурата му остава постоянна, освен това газът губи топлина от студения източник. На този етап се работи върху газта.
IV - Адиабатна контракция: Газът има бързо нарастване на налягането и малко намаляване на обема, но не обменя топлина по време на процеса.
Цикъл на Ото
Цикълът на Ото е последователност от физически трансформации, претърпени от някои работещи вещества като бензин или етанол. Този цикъл се използва широко в двигателите с вътрешно горене, които задвижват повечето пътнически превозни средства. Въпреки че не съществува на практика, цикълът на Ото е проектиран да приближава цикъла на Карно. Фигурата по-долу показва етапите на цикъла на Ото.
Аз - Процес 0-1: Изобарен прием: При този процес от двигателя се допуска смес от въздух и бензин при постоянно налягане;
II - Процес 1-2: Адиабатна компресия - В този процес има бързо повишаване на налягането, което се упражнява от буталата на двигателя, така че няма време за възникване на топлообмен;
III - Процес 2-3-4: Изгаряне при постоянен обем (2-3) и адиабатно разширение (3-4) - Малка искра произвежда контролирана експлозия в сместа от въздух и бензин и след това буталото на двигателят се спуска бързо, причинявайки увеличаване на обема и произвеждайки голямо количество работа;
IV - Процес 4-1-0: Изобарно изтощение - Изпускателните клапани се отварят и пускат дима от горящото гориво да излиза от двигателя при постоянно налягане.
Обяснените по-горе стъпки са показани на следващата фигура, която представлява оперативните стъпки на a четиритактов двигател, задвижвани от бензин или алкохол. Движението на буталото във всяко от показаните положения е еквивалентно на описаните процеси:
Примери за термични машини
Примери за термични машини са:
Двигатели с вътрешно горене, като тези, задвижвани от алкохол, бензин и дизел;
Парни двигатели;
Термоелектрически централи.
Термични машини и индустриалната революция
Термичните машини изиграха важна роля в технологичното развитие на обществото. След усъвършенстване от ДжеймсВат, топлинни машини, задвижвани с пара, позволиха на Индустриалната революция да се случи, като радикално промени света.
Искате ли да научите повече по този въпрос? Достъп до нашия текст за Индустриална революция.
Хладилници
Хладилниците или хладилните машини са обърнати термични машини. В тези устройства е необходимо да се извърши работа под газ в двигателя, така че той да се разширява, като абсорбира топлината от околната среда. Примери за хладилници са: хладилници, фризери и климатик.
Ако искате да научите повече за това как работи този тип машина, посетете нашия текст за експлоатация и свойства на хладилниците.
Упражнения на термични машини
Упражнение 1) Термична машина получава 500 J топлина от горещ източник всеки цикъл на работа. Ако тази машина разсейва 350 J топлина към хладилната си мивка, каква ще бъде нейната енергийна ефективност в проценти?
а) 42%
б) 50%
в) 30%
г) 35%
д) 25%
Шаблон: Буква В
Резолюция:
Упражнението осигурява количествата топлина, необходими на машината за работа по време на цикъл, така че можем да определим нейната производителност, използвайки формулата, която свързва QВъпрос: и QF, Виж:
Изчислението по-горе показва, че само 30% от топлинната енергия, налична на двигателя за всеки цикъл, се трансформира в механична работа.
Упражнение 2) Машината, работеща по цикъла на Карно, има температурите на горещи и студени източници съответно от 600 k и 400 k. Тази машина отделя 800 j топлина до най-ниския температурен източник всеки цикъл. Изчислете количеството гореща топлина, погълната от машината за всеки цикъл и нейната ефективност като процент, след което маркирайте правилната алтернатива.
а) 67% и 320 j
б) 33% и 1200 j
в) 33% и 1900 j
г) 62% и 1900 j
д) 80% и 900 j
Шаблон: Буква Б
Резолюция:
Първо, нека изчислим ефективността на въпросната топлинна машина. За това ще използваме температурите на горещите и студените източници:
Използвайки температурните стойности, посочени в изявлението, трябва да решим следното изчисление:
За да изчислите количеството топлина, което машината поглъща във всеки цикъл, е просто, просто използвайте теоремата на Карно:
За да решите изчислението, просто заменете данните за упражненията във формулата по-горе.
От мен Рафаел Хелерброк
Източник: Бразилско училище - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
