Strojetermika jsou zařízení schopná přeměnit tepelnou energii na mechanické práce. Každý tepelný stroj potřebuje zdroj teplo a pracovní látky schopné modifikovat svůj objem a následně pohybovat některým mechanismem, jako jsou ventily nebo písty.
Vy vnitřní spalovací motory, stejně jako ty, které řídí dnešní auta, jsou příklady tepelných strojů. Pohlcují teplo, které vzniká při spalování směsi paliva a vzduchu, které se pravidelně vstřikuje do jejich válců.
Tímto způsobem se část energie, která se uvolní během exploze, přemění na práci prostřednictvím pohyb pístu - jedna z pohyblivých částí motoru, která se používá k přeměně tepelné energie na energii kinetika.
Jak fungují tepelné stroje?
Všechny tepelné stroje pracují podle a cyklustermodynamické, tj. sekvence termodynamických stavů, které se opakují. Tyto cykly mají různé stavy objemu, tlaku a teploty, které obvykle představují grafy tlaku a objemu. Termodynamické cykly jsou navrženy za účelem dosažení vyšší energetické účinnosti, to znamená, že je vždy hledána výroba motorů schopných extrahovat velké množství práce.
V každém termodynamickém cyklu je to možné vypočítat práci graficky. Proto je nutné vypočítat plochu vnitřku grafu, což může být komplikované, pokud má daný cyklus nepravidelný tvar. Směr šipek ve směru hodinových ručiček nebo proti směru hodinových ručiček navíc označuje, zda jde o cyklus tepelného stroje nebo chladničky. Překontrolovat:
Cyklus ve směru hodinových ručiček: Pokud je směr cyklu ve směru hodinových ručiček, jedná se o cyklus tepelného motoru, který absorbuje teplo a produkuje práci.
Cyklus proti směru hodinových ručiček: V případě, že je směr cyklu proti směru hodinových ručiček, musí přijímat mechanickou práci a uvolňovat teplo, jako v případě motorů chladničky.
Každý tepelný stroj má podobnou konfiguraci: má a zdrojvteplo (horký zdroj), ze kterého získává energii potřebnou pro svůj provoz, a a dřez (studený zdroj), kde je část absorbovaného tepla rozptýlena. Všimněte si následujícího diagramu:
Podle první zákon termodynamiky„, aby termální stroje fungovaly, musí přijímat určité množství tepla. Avšak pouze malý zlomek z tohoto množství tepla, což je forma energie, může být převeden na užitečnou práci.
Důvody tohoto omezení jsou v zásadě dva: první se týká technické kapacity pro výrobu stroje, který se nerozptýlí energie - což je nemožné - a druhým je omezení samotné přírody: podle druhého termodynamického zákona nemůže žádný tepelný stroj přítomný a Výtěžek 100%. Podívejte se, co říká druhý zákon termodynamiky, známý jako entropický zákon, podle Kelvinova prohlášení:
„Není možné, aby jakýkoli systém při určité teplotě absorboval teplo ze zdroje a transformoval ho plně v mechanické práci, bez úprav tohoto systému sousedství. “
Kelvinovo prohlášení se týká konverzeintegrální tepla při mechanické práci s tím, že tomu tak je nemožné aniž by v systému došlo k „změnám“. Tato změna se týká účinku entropie: při odstraňování tepla z nějakého horkého zdroje se část této energie degraduje na méně užitečné formy energie. Existuje mnoho procesů degradace energie: vibrace mechanických částí, tření mezi částmi a ložisky, teplo odvedené do vnějšího prostředí, produkce zvukových zvuků atd.
Podívejte se také: Zjistěte více o historii tepelných strojů
Mind Map: Thermal Machines
* Chcete-li stáhnout myšlenkovou mapu v PDF, Klikněte zde!
Výkon tepelných strojů
Účinnost jakéhokoli tepelného stroje lze vypočítat jako poměr mechanické práce, kterou produkuje, k množství tepla, které absorbuje z nějakého horkého zdroje:
η - Výkon
τ - Mechanická práce (J - jouly nebo vápno - kalorie)
QQ – Teplo z horkého zdroje (J - jouly nebo vápno - kalorie)
Mechanická práce je zase určena rozdílem mezi množstvím tepla „Horké“ a „studené“, můžeme tedy prostřednictvím nich zapsat výkon tepelných strojů množství:
QF - teplo dodávané studenému zdroji
Francouzský fyzik se snaží zjistit, jaké by byly vlastnosti „dokonalého“ termodynamického cyklu sadiCarnot vyvinul cyklus, který, alespoň teoreticky, představuje většíúčinnostmožný pro tepelný stroj, který pracuje při stejných teplotách.
Tento cyklus, známý jako Carnotův cyklus, lidově nazývané Carnotův stroj, není skutečný stroj, protože až do současnosti bránily konstrukci takového stroje technické a praktické nemožnosti.
Podívejte se také:Co je to latentní teplo?
Carnotova věta
Ó teorémvCarnot, vyhlášený v roce 1824, stanoví, že i ideální tepelný stroj, který nerozptyluje žádné množství energie v důsledku tření mezi jeho pohyblivé části, má maximální mez výtěžnosti, která závisí na poměru mezi teplotami jeho horkého a studeného zdroje, uvedeného v Kelvin:
TQ - Teplota zdroje tepla (K)
TF - Teplota zdroje chladu (K)
Při analýze výše uvedeného vzorce je možné vidět, že ideální tepelný stroj má svůj výkon určený výhradně teplotami jeho horkých a studených zdrojů. Navíc, aby byl jeho výtěžek 100%, bylo by to nutné pro TF byla nula, tj. 0 K, teplota absolutní nuly. Podle 3. zákon termodynamiky, taková teplota je nedosažitelná.
Výše uvedený vzorec účinnosti platí pouze pro tepelné stroje, které pracují podle Carnotova cyklu. Kromě toho věta také ukazuje, že poměr teplot TF a TQ se rovná poměru mezi množstvím tepla QF a QQ:
Podívejte se také:Zjistěte více o výkonu tepelného stroje
Carnotův cyklus
Ó Carnotův cyklus vyskytuje se ve čtyřech stupních (nebo čtyřech úderech). Tento cyklus je tvořen dvěma adiabatické transformace to jsou dva izotermické transformace. Adiabatické transformace jsou ty, ve kterých nedochází k výměně tepla, zatímco izotermické transformace jsou ty, ve kterých neexistuje kolísání teploty a v důsledku toho zůstává vnitřní energie pracovní látky odpovědné za pohyb tepelného motoru konstantní.
Následující obrázek představuje Carnotův cyklus a jeho čtyři fáze. Překontrolovat:
I - Izotermická expanze: V tomto kroku se pracovní látka rozpíná, udržuje svoji konstantní teplotu, provádí práci a přijímá teplo z horkého zdroje.
II - Adiabatická expanze: V této fázi se pracovní látka trochu rozpíná a pracuje bez příjmu tepla.
III - Izotermická kontrakce: V této fázi objem plynu klesá, zvyšuje se jeho tlak a jeho teplota zůstává konstantní, navíc plyn ztrácí teplo zdroji chladu. V této fázi se pracuje na plynu.
IV - Adiabatická kontrakce: Plyn má rychlý nárůst tlaku a malé zmenšení objemu, ale během procesu nevyměňuje teplo.
Otto cyklus
Otto cyklus je sled fyzických transformací, kterými prošla nějaká pracovní látka, jako je benzín nebo ethanol. Tento cyklus je široce používán ve spalovacích motorech, které pohánějí většinu osobních vozidel. Ačkoli v praxi neexistuje, Ottův cyklus byl navržen tak, aby aproximoval Carnotův cyklus. Obrázek níže ukazuje fáze Ottova cyklu.
Já - Proces 0-1: Izobarické přijetí: V tomto procesu je motorem při stálém tlaku vpouštěna směs vzduchu a benzínu;
II - Proces 1-2: Adiabatická komprese - V tomto procesu dochází k rychlému zvýšení tlaku vyvíjeného písty motoru, takže není čas na výměnu tepla;
III - Proces 2-3-4: Spalování při konstantním objemu (2-3) a adiabatická expanze (3-4) - Malá jiskra vytváří kontrolovanou explozi ve směsi vzduchu a benzínu a poté pístu motor rychle klesá, způsobuje zvětšení objemu a produkci velkého množství práce;
IV - Proces 4-1-0: Izobarické vyčerpání - Výfukové ventily se otevřou a nechají kouř z hořícího paliva vystupovat z motoru za stálého tlaku.
Kroky vysvětlené výše jsou zobrazeny na následujícím obrázku, který představuje provozní kroky a čtyřtaktní motorpoháněné benzínem nebo alkoholem. Pohyb pístu v každé ze znázorněných poloh je ekvivalentní popsaným procesům:
Příklady tepelných strojů
Příklady tepelných strojů jsou:
Motory s vnitřním spalováním, například ty, které pohánějí alkohol, benzín a nafta
Parní stroje;
Termoelektrické elektrárny.
Tepelné stroje a průmyslová revoluce
Tepelné stroje hrály důležitou roli v technologickém rozvoji společnosti. Po zdokonalení JamesWatt, parní tepelné stroje umožnily průmyslovou revoluci a radikálně změnily svět.
Chcete se o tomto tématu dozvědět více? Přístup k našemu textu o Průmyslová revoluce.
Ledničky
Chladničky nebo chladicí stroje jsou obrácené tepelné stroje. U těchto zařízení je nutné provádět práce pod plynem uvnitř motoru tak, aby se rozpínal absorpcí tepla z okolí. Příklady ledniček jsou: ledničky, mrazničky a klimatizace.
Pokud se chcete dozvědět více o tom, jak tento typ stroje funguje, navštivte náš text o provoz a vlastnosti chladniček.
Cvičení na tepelných strojích
Cvičení 1) Tepelný stroj přijímá 500 J tepla z horkého zdroje v každém provozním cyklu. Pokud tento stroj rozptýlí 350 J tepla do své studené jímky, jaká bude jeho energetická účinnost v procentech?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Šablona: Písmeno C.
Řešení:
Cvičení poskytuje množství tepla, které stroj potřebuje k provozu během cyklu, takže můžeme určit jeho výkon pomocí vzorce, který se týká QQ a QF, Dívej se:
Výpočet výše naznačuje, že pouze 30% tepelné energie dostupné motoru v každém cyklu se přemění na mechanickou práci.
Cvičení 2) Stroj pracující na Carnotově cyklu má teploty teplého zdroje 600 k, respektive 400 k. Tento stroj každý cyklus rozptýlí 800 j tepla na zdroj s nejnižší teplotou. Vypočítejte množství horkého tepla absorbovaného strojem v každém cyklu a jeho účinnost v procentech a poté označte správnou alternativu.
a) 67% a 320 j
b) 33% a 1200 j
c) 33% a 1900 j
d) 62% a 1900 j
e) 80% a 900 j
Šablona: Písmeno B.
Řešení:
Nejprve vypočítáme účinnost daného tepelného motoru. K tomu použijeme teploty horkých a studených zdrojů:
Pomocí hodnot teploty uvedených ve výpisu musíme vyřešit následující výpočet:
Chcete-li vypočítat množství tepla, které stroj absorbuje v každém cyklu, je jednoduché, stačí použít Carnotovu větu:
Chcete-li vyřešit výpočet, stačí nahradit data cvičení ve výše uvedeném vzorci.
Podle mě. Rafael Helerbrock
Zdroj: Brazilská škola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
