Maskinertermisk er enheder, der er i stand til at omdanne termisk energi til mekanisk arbejde. Hver termisk maskine har brug for en kilde til varme og af et arbejdsmateriale, der er i stand til at få sit volumen modificeret og følgelig bevæge en eller anden mekanisme, såsom ventiler eller stempler.
Du forbrændingsmotorer, som dem, der kører dagens biler, er eksempler på termiske maskiner. De absorberer varmen, der produceres ved forbrænding af en blanding af brændstof og luft, som med jævne mellemrum injiceres i deres cylindre.
På denne måde omdannes en del af energien, der frigives under eksplosionen, til arbejde gennem stempelbevægelse - en af motorens bevægelige dele, der bruges til at omdanne termisk energi til energi kinetik.
Hvordan fungerer termiske maskiner?
Alle termiske maskiner fungerer i henhold til en cyklustermodynamisk, det vil sige sekvenser af termodynamiske tilstande, der gentager sig selv. Disse cyklusser har forskellige volumen-, tryk- og temperaturtilstande, som normalt er repræsenteret af grafer over tryk versus volumen. Termodynamiske cyklusser er designet til at søge større energieffektivitet, dvs. produktion af motorer, der er i stand til at udvinde en stor mængde arbejde, søges altid.
I enhver termodynamisk cyklus er det muligt beregne arbejde grafisk. Derfor er det nødvendigt at beregne arealet af det indre af grafen, hvilket kan være kompliceret at udføre, hvis den pågældende cyklus har en uregelmæssig form. Derudover angiver pilens retning, med eller mod uret, om den pågældende cyklus er en termisk maskins eller et køleskabs cyklus. Tjek:
Cyklus med uret: Hvis cyklens retning er med uret, er cyklussen en varmemotor, der absorberer varme og producerer arbejde.
Cyklus mod uret: I tilfælde af at cyklusretningen er mod uret, skal den modtage mekanisk arbejde og frigive varme, som det er tilfældet med køleskabsmotorer.
Hver termisk maskine har en lignende konfiguration: den har en kildeivarme (varm kilde), hvorfra den udvinder den energi, der er nødvendig for dens drift, og a håndvask (kold kilde), hvor en del af den absorberede varme spredes. Bemærk følgende diagram:
Ifølge den første lov om termodynamik, skal termiske maskiner modtage en vis mængde varme for at arbejde. Dog kan kun en lille brøkdel af den mængde varme, som er en form for energi, være konverteret til nyttigt arbejde.
Årsagerne til denne begrænsning er i det væsentlige to: den første vedrører den tekniske kapacitet til at producere en maskine, der ikke spredes energi - hvilket er umuligt - og det andet er en begrænsning af selve naturen: ved 2. lov om termodynamik kan ingen termisk maskine præsentere en Udbytte 100%. Tjek hvad den 2. lov om termodynamik siger, kendt som entropiretifølge Kelvins erklæring:
"Det er ikke muligt for ethvert system ved en bestemt temperatur at absorbere varme fra en kilde og transformere det fuldt ud i mekanisk arbejde uden ændringer til dette system eller dets kvarterer. ”
Kelvins erklæring vedrører konverteringintegreret af varme i mekanisk arbejde, idet det hedder, at dette er umulig uden "ændringer" i systemet. Denne ændring henviser til virkningen af entropi: Når varme fjernes fra en varm kilde, nedbrydes noget af den energi til mindre nyttige energiformer. Der er mange energiforringelsesprocesser: vibration af mekaniske dele, friktion mellem dele og lejer, varme, der ledes til det ydre miljø, produktion af hørbare lyde osv.
Se også: Lær om historien om termiske maskiner
Mind Map: Termiske maskiner
* For at downloade tankekortet i PDF, Klik her!
Ydelse af termiske maskiner
Effektiviteten af enhver termisk maskine kan beregnes som forholdet mellem det mekaniske arbejde, den producerer, og den mængde varme, den absorberer fra en varm kilde:
η - Ydeevne
τ - Mekanisk arbejde (J - joule eller kalk - kalorier)
SpørgsmålSpørgsmål – Varme fra den varme kilde (J - joule eller kalk - kalorier)
Mekanisk arbejde bestemmes igen af forskellen mellem varmemængderne ”Varmt” og ”koldt”, derfor kan vi skrive termiske maskiners ydeevne gennem disse mængder:
SpørgsmålF - varme til den kolde kilde
De franske fysikere søgte at bestemme, hvad egenskaberne ved den “perfekte” termodynamiske cyklus ville være sadicarnot udviklet en cyklus, der i det mindste teoretisk præsenterer størreeffektivitetmuligt til en termisk maskine, der fungerer ved de samme temperaturer.
Denne cyklus, kendt som Carnot cyklus, populært kaldet carnot-maskine, er ikke en rigtig maskine, da tekniske og praktiske umuligheder indtil i dag forhindrede konstruktionen af en sådan maskine.
Se også:Hvad er latent varme?
Carnot's sætning
O sætningicarnot, udstukket i 1824, fastslår, at selv den ideelle termiske maskine, der ikke spreder nogen mængde energi på grund af friktion mellem dens bevægelige dele har en maksimal udbyttegrænse, som afhænger af forholdet mellem temperaturerne i dens varme og kolde kilde, angivet i kelvin:
TSpørgsmål - Varm kildetemperatur (K)
TF - Kold kildetemperatur (K)
Ved at analysere ovenstående formel er det muligt at se, at den ideelle termiske maskine har sin ydeevne bestemt udelukkende af temperaturerne i dens varme og kolde kilder. For at dets udbytte skal være 100%, vil det desuden være nødvendigt for TF var nul, det vil sige 0 K, temperaturen på absolut nul. I henhold til 3. lov om termodynamik, en sådan temperatur er uopnåelig.
Effektivitetsformlen vist ovenfor gælder kun for termiske maskiner, der fungerer i henhold til Carnot-cyklussen. Derudover viser sætningen også, at forholdet mellem temperaturer TF og TSpørgsmål er lig med forholdet mellem varmemængderne QF og QSpørgsmål:
Se også:Lær mere om termisk maskineffektivitet
Carnot cyklus
O Carnot cyklus det finder sted i fire etaper (eller fire slag). Denne cyklus er dannet af to adiabatiske transformationer det er to isotermiske transformationer. Adiabatiske transformationer er dem, hvor der ikke er nogen varmeveksling, mens isotermiske transformationer er dem, hvor der ikke er nogen temperaturvariation og følgelig forbliver den interne energi i det arbejdsmateriale, der er ansvarlig for at flytte varmemotoren konstant.
Den følgende figur repræsenterer Carnot-cyklussen og dens fire faser. Tjek:
I - Isoterm ekspansion: I dette trin udvides arbejdssubstansen, opretholder sin konstante temperatur, udfører arbejde og modtager varme fra den varme kilde.
II - Adiabatisk ekspansion: På dette tidspunkt udvides arbejdssubstansen lidt og fungerer uden at modtage varme.
III - Isotermisk sammentrækning: På dette trin falder gasens volumen, dets tryk stiger, og temperaturen forbliver konstant, desuden mister gassen varmen til den kolde kilde. På dette stadium udføres arbejdet med gassen.
IV - Adiabatisk sammentrækning: Gassen har en hurtig stigning i tryk og et lille fald i volumen, men den udveksler ikke varme under processen.
Otto cykler
Otto-cyklussen er en sekvens af fysiske transformationer, der gennemgår et eller andet arbejdsmateriale såsom benzin eller ethanol. Denne cyklus er meget udbredt i forbrændingsmotorer, der driver de fleste personbiler. Selvom det ikke eksisterer i praksis, blev Otto-cyklussen designet til at tilnærme en Carnot-cyklus. Figuren nedenfor viser stadierne i Otto-cyklussen.
Jeg - Process 0-1: Isobar optagelse: I denne proces tillades en blanding af luft og benzin af motoren ved et konstant tryk;
II - Process 1-2: Adiabatisk kompression - I denne proces er der en hurtig stigning i tryk, der udøves af motorstemplerne, så der ikke er tid til varmeudveksling at forekomme;
III - Fremgangsmåde 2-3-4: Forbrænding ved konstant volumen (2-3) og adiabatisk ekspansion (3-4) - En lille gnist frembringer en kontrolleret eksplosion i blandingen af luft og benzin og derefter stemplet i motoren falder hurtigt ned, hvilket forårsager en stigning i volumen og producerer en stor mængde arbejde;
IV - Process 4-1-0: Isobar udmattelse - Udstødningsventilerne åbner og lader røgen fra det brændende brændstof komme ud af motoren ved et konstant tryk.
De ovenfor forklarede trin er vist i den følgende figur, som repræsenterer betjeningstrinnene for a firetaktsmotor, drevet af benzin eller alkohol. Stempelets bevægelse i hver af de viste positioner svarer til de beskrevne processer:
Eksempler på termiske maskiner
Eksempler på termiske maskiner er:
Forbrændingsmotorer, såsom motorer, der drives af alkohol, benzin og diesel;
Damp motorer;
Termoelektriske kraftværker.
Termiske maskiner og den industrielle revolution
Termiske maskiner spillede en vigtig rolle i samfundets teknologiske udvikling. Efter perfektioneret af JamesWatt, dampdrevne termiske maskiner tillod den industrielle revolution at ske og ændrede verden radikalt.
Vil du vide mere om dette emne? Få adgang til vores tekst om Industrielle revolution.
Køleskabe
Køleskabe eller kølemaskiner er inverterede termiske maskiner. I disse enheder er det nødvendigt at udføre arbejde under gassen inde i motoren, så den udvides ved at absorbere varme fra omgivelserne. Eksempler på køleskabe er: køleskabe, frysere og klimaanlæg.
Hvis du vil vide mere om, hvordan denne type maskine fungerer, kan du besøge vores tekst om køleskabers drift og egenskaber.
Øvelser på termiske maskiner
Øvelse 1) En termisk maskine modtager 500 J varme fra en varm kilde hver driftscyklus. Hvis denne maskine spreder 350 J varme i sin kolde vask, hvad vil dens energieffektivitet være i procent?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Skabelon: Bogstav C
Løsning:
Motion giver de mængder varme, som maskinen har brug for til at køre i løbet af en cyklus, så vi kan bestemme dens ydeevne ved hjælp af formlen, der vedrører QSpørgsmål og QFSe:
Ovenstående beregning indikerer, at kun 30% af den termiske energi, der er tilgængelig for motoren ved hver cyklus, omdannes til mekanisk arbejde.
Øvelse 2) En maskine, der kører på Carnot-cyklus, har sine varme og kolde kildetemperaturer på henholdsvis 600 k og 400 k. Denne maskine spreder 800 j varme til den laveste temperaturkilde hver cyklus. Beregn mængden af varm varme, der absorberes af maskinen ved hver cyklus, og dens effektivitet i procent, og marker derefter det rigtige alternativ.
a) 67% og 320 j
b) 33% og 1200 j
c) 33% og 1900 j
d) 62% og 1900 j
e) 80% og 900 j
Skabelon: Bogstav B
Løsning:
Lad os først beregne effektiviteten af den pågældende varmemotor. Til dette vil vi bruge temperaturerne på de varme og kolde kilder:
Ved hjælp af temperaturværdierne informeret i erklæringen skal vi løse følgende beregning:
For at beregne mængden af varme, som maskinen absorberer i hver cyklus, er enkel, brug bare Carnos sætning:
For at løse beregningen skal du blot erstatte træningsdataene i formlen ovenfor.
Af mig Rafael Helerbrock
Kilde: Brasilien skole - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
