MaschinenThermik sind Geräte, die Wärmeenergie in mechanische Arbeit. Jede thermische Maschine braucht eine Quelle von Hitze und aus einem Arbeitsstoff, der sein Volumen verändern kann und folglich einen Mechanismus wie Ventile oder Kolben bewegen kann.
Sie Verbrennungsmotoren, wie die, die heutige Autos fahren, sind Beispiele für thermische Maschinen. Sie absorbieren die Wärme, die bei der Verbrennung eines Kraftstoff-Luft-Gemischs entsteht, das periodisch in ihre Zylinder eingespritzt wird.
Auf diese Weise wird ein Teil der Energie, die bei der Explosion freigesetzt wird, in Arbeit umgewandelt Kolbenbewegung - eines der beweglichen Teile des Motors, das verwendet wird, um Wärmeenergie in Energie umzuwandeln Kinetik.
Wie funktionieren thermische Maschinen?
Alle thermischen Maschinen arbeiten nach a Zyklusthermodynamisch, dh Folgen thermodynamischer Zustände, die sich wiederholen. Diese Zyklen haben verschiedene Zustände von Volumen, Druck und Temperatur, die normalerweise durch Druck-Volumen-Diagramme dargestellt werden. Thermodynamische Kreisläufe werden auf der Suche nach einer höheren Energieeffizienz entworfen, dh es wird immer die Herstellung von Motoren angestrebt, die eine große Menge Arbeit aufnehmen können.
In jedem thermodynamischen Zyklus ist es möglich Arbeit grafisch berechnen. Daher ist es notwendig, die Fläche des Inneren des Graphen zu berechnen, was kompliziert sein kann, wenn der betreffende Zyklus eine unregelmäßige Form hat. Außerdem zeigt die Richtung der Pfeile im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn an, ob es sich um den Zyklus einer Thermomaschine oder eines Kühlschranks handelt. Auschecken:
Zyklus im Uhrzeigersinn: Wenn der Kreislauf im Uhrzeigersinn verläuft, ist der Kreislauf der einer Wärmekraftmaschine, die Wärme aufnimmt und Arbeit erzeugt.
Zyklus gegen den Uhrzeigersinn: Wenn die Richtung eines Zyklus gegen den Uhrzeigersinn verläuft, muss er mechanische Arbeit aufnehmen und Wärme abgeben, wie im Fall von Kühlschrankmotoren.
Hör jetzt nicht auf... Nach der Werbung kommt noch mehr ;)
Jede thermische Maschine hat eine ähnliche Konfiguration: Sie hat a QuelleimHitze (heiße Quelle), aus der es die für seinen Betrieb notwendige Energie entnimmt, und a sinken (Kältequelle), wo ein Teil der aufgenommenen Wärme abgeführt wird. Beachten Sie das folgende Diagramm:
Laut der erster Hauptsatz der Thermodynamik, müssen thermische Maschinen eine bestimmte Wärmemenge aufnehmen, um zu arbeiten. Allerdings kann nur ein kleiner Bruchteil dieser Wärmemenge, die eine Form von Energie ist, in nützliche Arbeit umgewandelt.
Die Gründe für diese Einschränkung sind im Wesentlichen zwei: Der erste betrifft die technische Fähigkeit, eine Maschine zu produzieren, die sich nicht verflüchtigt Energie – was unmöglich ist – und die zweite ist eine Beschränkung der Natur selbst: Nach dem 2. Hauptsatz der Thermodynamik kann keine thermische Maschine präsentieren Ausbeute 100%. Sehen Sie sich an, was der 2. Hauptsatz der Thermodynamik sagt, bekannt als Entropiegesetz, laut Kelvins Aussage:
„Es ist keinem System möglich, bei einer bestimmten Temperatur Wärme aus einer Quelle aufzunehmen und umzuwandeln vollständig in mechanischer Arbeit, ohne Änderungen an diesem System oder seinen Nachbarschaften.“
Kelvins Aussage betrifft die UmwandlungIntegral- der Wärme bei mechanischer Arbeit, die besagt, dass dies unmöglich ohne dass „Änderungen“ im System auftreten. Diese Änderung bezieht sich auf den Entropieeffekt: Wenn Wärme von einer heißen Quelle entfernt wird, wird ein Teil dieser Energie in weniger nützliche Energieformen abgebaut. Es gibt viele Energieabbauprozesse: Vibration mechanischer Teile, Reibung zwischen Teilen und Lagern, Wärmeabgabe an die äußere Umgebung, Erzeugung hörbarer Geräusche usw.
Auch sehen: Erfahren Sie mehr über die Geschichte der thermischen Maschinen
Mindmap: Thermische Maschinen
*Um die Mindmap als PDF herunterzuladen, Klicke hier!
Leistung von thermischen Maschinen
Der Wirkungsgrad einer thermischen Maschine kann als Verhältnis der von ihr erzeugten mechanischen Arbeit zur Wärmemenge berechnet werden, die sie von einer heißen Quelle aufnimmt:
η - Leistung
τ – Mechanische Arbeit (J – Joule oder Limette – Kalorien)
QQ – Wärme von der heißen Quelle (J - Joule oder Limette - Kalorien)
Die mechanische Arbeit wiederum wird durch die Differenz der Wärmemengen bestimmt „heiß“ und „kalt“, also können wir die Leistung thermischer Maschinen darüber schreiben Mengen:
QF – Wärmeabgabe an die Kältequelle
Der französische Physiker sadicarnot einen Zyklus entwickelt, der zumindest theoretisch die größerEffizienzmöglich für eine thermische Maschine, die bei den gleichen Temperaturen arbeitet.
Dieser Zyklus, bekannt als der Carnot-Zyklus, im Volksmund genannt Karottenmaschine, ist keine echte Maschine, da bis heute technische und praktische Unmöglichkeiten den Bau einer solchen Maschine verhinderten.
Auch sehen:Was ist latente Wärme?
Carnots Theorem
Ö Satzimcarnot, im Jahr 1824 verkündet, stellt fest, dass selbst die ideale Wärmemaschine, die keine Energiemenge aufgrund von Reibung zwischen seine beweglichen Teile, hat eine maximale Fließgrenze, die vom Verhältnis zwischen den Temperaturen seiner heißen und kalten Quelle abhängt, angegeben in Kelvin:
TQ – Heißquellentemperatur (K)
TF – Kaltquellentemperatur (K)
Wenn man die obige Formel analysiert, kann man sehen, dass die Leistung der idealen thermischen Maschine ausschließlich von den Temperaturen ihrer heißen und kalten Quellen bestimmt wird. Für eine Ausbeute von 100 % wäre es außerdem erforderlich, dass TF Null war, also 0 K, die Temperatur des absoluten Nullpunkts. Allerdings nach den 3. Hauptsatz der Thermodynamik, eine solche Temperatur ist unerreichbar.
Die oben gezeigte Effizienzformel gilt nur für thermische Maschinen, die nach dem Carnot-Zyklus arbeiten. Außerdem zeigt der Satz auch, dass das Verhältnis der Temperaturen TF und TQ gleich dem Verhältnis der Wärmemengen QF und QQ:
Auch sehen:Erfahren Sie mehr über die Leistung von thermischen Maschinen
Carnot-Zyklus
Ö Carnot-Zyklus es findet in vier Stufen (oder vier Schlägen) statt. Dieser Kreislauf besteht aus zwei adiabatische Transformationen Es ist zwei isotherme Transformationen. Adiabatische Umwandlungen sind solche, bei denen kein Wärmeaustausch stattfindet, während isotherme Umwandlungen solche sind, bei denen kein Wärmeaustausch stattfindet Temperaturschwankung und damit die innere Energie des Arbeitsstoffes, die für die Bewegung der Wärmekraftmaschine verantwortlich ist, bleibt Konstante.
Die folgende Abbildung stellt den Carnot-Zyklus und seine vier Phasen dar. Auschecken:
I - Isotherme Expansion: In diesem Schritt dehnt sich der Arbeitsstoff aus, behält seine konstante Temperatur bei, verrichtet Arbeit und erhält Wärme von der heißen Quelle.
II - Adiabatische Expansion: In diesem Stadium dehnt sich der Arbeitsstoff ein wenig aus und verrichtet seine Arbeit ohne Wärmeaufnahme.
III - Isotherme Kontraktion: In diesem Stadium nimmt das Volumen des Gases ab, sein Druck steigt und seine Temperatur bleibt konstant, außerdem verliert das Gas Wärme an die Kältequelle. In dieser Phase wird am Gas gearbeitet.
IV - Adiabatische Kontraktion: Das Gas weist einen schnellen Druckanstieg und eine geringe Volumenabnahme auf, tauscht jedoch während des Prozesses keine Wärme aus.
Otto-Zyklus
Der Otto-Zyklus ist eine Abfolge physikalischer Umwandlungen, die ein Arbeitsstoff wie Benzin oder Ethanol durchläuft. Dieser Zyklus wird häufig in Verbrennungsmotoren verwendet, die die meisten Personenkraftwagen antreiben. Obwohl er in der Praxis nicht existiert, wurde der Otto-Zyklus entworfen, um einem Carnot-Zyklus nahe zu kommen. Die folgende Abbildung zeigt die Stadien des Otto-Zyklus.
ICH - Prozess 0-1: Isobare Zulassung: Bei diesem Vorgang wird dem Motor ein Gemisch aus Luft und Benzin mit konstantem Druck zugeführt;
II - Prozess 1-2: Adiabatische Kompression – Bei diesem Vorgang kommt es zu einem schnellen Druckanstieg, der von den Motorkolben ausgeübt wird, so dass keine Zeit für Wärmeaustausche bleibt;
III - Verfahren 2-3-4: Verbrennung bei konstantem Volumen (2-3) und adiabatischer Expansion (3-4) - Ein kleiner Funke erzeugt eine kontrollierte Explosion des Luft-Benzin-Gemischs und dann der Kolben des Der Motor senkt sich schnell ab, was zu einer Zunahme des Volumens und einer großen Menge an Arbeit;
IV - Prozess 4-1-0: Isobare Erschöpfung – Die Auslassventile öffnen sich und lassen den Rauch des brennenden Kraftstoffs mit konstantem Druck aus dem Motor austreten.
Die oben erläuterten Schritte sind in der folgenden Abbildung dargestellt, die die Bedienschritte von a. darstellt Viertaktmotor, angetrieben durch Benzin oder Alkohol. Die Bewegung des Kolbens in jeder der gezeigten Positionen entspricht den beschriebenen Vorgängen:
Beispiele für thermische Maschinen
Beispiele für thermische Maschinen sind:
Verbrennungsmotoren, wie solche, die mit Alkohol, Benzin und Diesel betrieben werden;
Dampfmaschinen;
Thermoelektrische Kraftwerke.
Thermische Maschinen und die industrielle Revolution
Thermische Maschinen spielten eine wichtige Rolle in der technologischen Entwicklung der Gesellschaft. Nach perfektioniert von JamesWatt, Dampfbetriebene Wärmemaschinen ermöglichten die industrielle Revolution und veränderten die Welt radikal.
Sie möchten mehr zu diesem Thema erfahren? Greifen Sie auf unseren Text über. zu Industrielle Revolution.
Kühlschränke
Kühlschränke oder Kältemaschinen sind invertierte thermische Maschinen. Bei diesen Geräten ist es notwendig, unter dem Gas im Inneren des Motors zu arbeiten, damit es sich durch Aufnahme von Wärme aus der Umgebung ausdehnt. Beispiele für Kühlschränke sind: Kühlschränke, Gefrierschränke und Klimaanlagen.
Wenn Sie mehr über die Funktionsweise dieses Maschinentyps erfahren möchten, besuchen Sie unseren Text über Funktionsweise und Eigenschaften von Kühlschränken.
Übungen an thermischen Maschinen
Übung 1) Eine thermische Maschine erhält in jedem Betriebszyklus 500 J Wärme von einer heißen Quelle. Wenn diese Maschine 350 J Wärme an ihre Kühlsenke abgibt, wie hoch ist dann ihre Energieeffizienz in Prozent?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35 %
e) 25 %
Vorlage: Buchstabe C
Auflösung:
Übung liefert die Wärmemengen, die die Maschine während eines Zyklus benötigt, sodass wir ihre Leistung mithilfe der Formel bestimmen können, die Q. in Beziehung setztQ und QF, Aussehen:
Die obige Berechnung zeigt, dass nur 30% der dem Motor bei jedem Zyklus zur Verfügung stehenden thermischen Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird.
Übung 2) Eine Maschine, die mit dem Carnot-Zyklus arbeitet, hat ihre heißen und kalten Quellentemperaturen von 600 k bzw. 400 k. Diese Maschine gibt bei jedem Zyklus 800 j Wärme an die Quelle mit der niedrigsten Temperatur ab. Berechnen Sie die von der Maschine bei jedem Zyklus aufgenommene Wärmemenge und ihre Effizienz in Prozent und markieren Sie dann die richtige Alternative.
a) 67 % und 320 j
b) 33 % und 1200 j
c) 33% und 1900 j
d) 62 % und 1900 j
e) 80% und 900 j
Vorlage: Buchstabe b
Auflösung:
Lassen Sie uns zunächst den Wirkungsgrad der betreffenden Wärmekraftmaschine berechnen. Dazu verwenden wir die Temperaturen der heißen und kalten Quellen:
Mit den in der Anweisung angegebenen Temperaturwerten müssen wir folgende Rechnung lösen:
Um die Wärmemenge zu berechnen, die die Maschine in jedem Zyklus aufnimmt, ist einfach, verwenden Sie einfach den Satz von Carnot:
Um die Berechnung zu lösen, ersetzen Sie einfach die Übungsdaten in der obigen Formel.
Von mir. Rafael Helerbrock
