Μηχανέςθερμικά είναι συσκευές ικανές να μετατρέψουν θερμική ενέργεια σε μηχανική εργασία. Κάθε θερμική μηχανή χρειάζεται μια πηγή θερμότητα και μιας δραστικής ουσίας ικανής να τροποποιεί τον όγκο της και, κατά συνέπεια, να κινεί κάποιο μηχανισμό, όπως βαλβίδες ή έμβολα.
Εσείς ΜΗΧΑΝΕΣ ΕΣΩΤΕΡΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ, όπως αυτά που οδηγούν τα σημερινά αυτοκίνητα, είναι παραδείγματα θερμικών μηχανών. Απορροφούν τη θερμότητα που παράγεται από την καύση ενός μείγματος καυσίμου και αέρα, το οποίο εγχέεται περιοδικά στους κυλίνδρους τους.
Με αυτόν τον τρόπο, μέρος της ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της έκρηξης μετατρέπεται σε εργασία, μέσω του κίνηση εμβόλου - ένα από τα κινούμενα μέρη του κινητήρα, που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή της θερμικής ενέργειας σε ενέργεια κινητική.
Πώς λειτουργούν οι θερμικές μηχανές;
Όλες οι θερμικές μηχανές λειτουργούν σύμφωνα με ένα κύκλοςθερμοδυναμικός, δηλαδή, ακολουθίες θερμοδυναμικών καταστάσεων που επαναλαμβάνονται. Αυτοί οι κύκλοι έχουν διαφορετικές καταστάσεις όγκου, πίεσης και θερμοκρασίας, οι οποίες συνήθως αντιπροσωπεύονται από γραφήματα πίεσης έναντι όγκου. Οι θερμοδυναμικοί κύκλοι έχουν σχεδιαστεί για την αναζήτηση μεγαλύτερης ενεργειακής απόδοσης, δηλαδή, επιδιώκεται πάντα η παραγωγή κινητήρων ικανών να εξάγουν μεγάλη ποσότητα εργασίας.
Σε οποιονδήποτε θερμοδυναμικό κύκλο, είναι δυνατόν υπολογισμός εργασίας γραφικά. Για αυτό, είναι απαραίτητο να υπολογιστεί η περιοχή του εσωτερικού του γραφήματος, η οποία μπορεί να είναι περίπλοκη να γίνει, εάν ο εν λόγω κύκλος έχει κάποιο ακανόνιστο σχήμα. Επιπλέον, η κατεύθυνση των βελών, δεξιόστροφα ή αριστερόστροφα, υποδεικνύει εάν ο κύκλος αυτός είναι ο κύκλος μιας θερμικής μηχανής ή ενός ψυγείου. Ολοκλήρωση παραγγελίας:
Δεξιόστροφος κύκλος: Εάν η κατεύθυνση του κύκλου είναι δεξιόστροφα, ο κύκλος είναι ένας κινητήρας θερμότητας, ο οποίος απορροφά θερμότητα και παράγει εργασία.
Κύκλος αριστερόστροφα: Σε περίπτωση που η κατεύθυνση ενός κύκλου είναι αριστερόστροφα, πρέπει να λαμβάνει μηχανική εργασία και να απελευθερώνει θερμότητα, όπως στην περίπτωση των κινητήρων ψυγείου.
Μην σταματάς τώρα... Υπάρχουν περισσότερα μετά τη διαφήμιση.)
Κάθε θερμική μηχανή έχει παρόμοια διαμόρφωση: έχει πηγήσεθερμότητα (θερμή πηγή), από την οποία εξάγει την απαραίτητη ενέργεια για τη λειτουργία της, και νεροχύτης (κρύα πηγή), όπου μέρος της απορροφούμενης θερμότητας διαχέεται. Σημειώστε το ακόλουθο σχήμα:
Σύμφωνα με την πρώτος νόμος θερμοδυναμικής, οι θερμικές μηχανές πρέπει να δέχονται μια συγκεκριμένη ποσότητα θερμότητας για να λειτουργήσουν. Ωστόσο, μόνο ένα μικρό κλάσμα αυτής της ποσότητας θερμότητας, που είναι μια μορφή ενέργειας, μπορεί να είναι μετατράπηκε σε χρήσιμη εργασία.
Οι λόγοι για αυτόν τον περιορισμό είναι ουσιαστικά δύο: ο πρώτος αφορά την τεχνική ικανότητα παραγωγής ενός μηχανήματος που δεν διαλύεται ενέργεια - η οποία είναι αδύνατη - και η δεύτερη είναι ο περιορισμός της ίδιας της φύσης: από τον 2ο νόμο της Θερμοδυναμικής, καμία θερμική μηχανή δεν μπορεί δώστε ένα Απόδοση παραγωγής 100%. Δείτε τι λέει ο 2ος νόμος της Θερμοδυναμικής, γνωστός ως νόμος εντροπίας, σύμφωνα με τη δήλωση του Kelvin:
"Δεν είναι δυνατό για οποιοδήποτε σύστημα, σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, να απορροφήσει θερμότητα από μια πηγή και να το μεταμορφώσει πλήρως σε μηχανική εργασία, χωρίς τροποποιήσεις σε αυτό το σύστημα ή σε αυτό γειτονιές. "
Η δήλωση του Kelvin αφορά το μετατροπήαναπόσπαστο θερμότητας στη μηχανική εργασία, δηλώνοντας ότι αυτό είναι αδύνατο χωρίς "αλλαγές" στο σύστημα. Αυτή η αλλαγή αναφέρεται στο φαινόμενο της εντροπίας: κατά την αφαίρεση θερμότητας από κάποια θερμή πηγή, μέρος αυτής της ενέργειας αποικοδομείται σε λιγότερο χρήσιμες μορφές ενέργειας. Υπάρχουν πολλές διεργασίες υποβάθμισης ενέργειας: δόνηση μηχανικών μερών, τριβή μεταξύ τμημάτων και ρουλεμάν, θερμότητα που διαχέεται στο εξωτερικό περιβάλλον, παραγωγή ακουστικών θορύβων κ.λπ.
Δείτε επίσης: Μάθετε για την ιστορία των θερμικών μηχανών
Χάρτης μυαλού: Θερμικές μηχανές
* Για να κατεβάσετε τον χάρτη μυαλού σε PDF, Κάντε κλικ ΕΔΩ!
Απόδοση θερμικών μηχανών
Η απόδοση οποιασδήποτε θερμικής μηχανής μπορεί να υπολογιστεί ως ο λόγος της μηχανικής εργασίας που παράγει προς την ποσότητα θερμότητας που απορροφά από κάποια θερμή πηγή:
η - Απόδοση
τ - Μηχανική εργασία (J - joules ή ασβέστης - θερμίδες)
ΕρΕρ – Θέρμανση από την καυτή πηγή (J - joules ή ασβέστης - θερμίδες)
Η μηχανική εργασία, με τη σειρά της, καθορίζεται από τη διαφορά μεταξύ των ποσοτήτων θερμότητας «Ζεστό» και «κρύο», επομένως, μπορούμε να γράψουμε την απόδοση των θερμικών μηχανών μέσω αυτών ποσότητες:
Ερφά - θερμότητα που δίνεται στην κρύα πηγή
Επιδιώκοντας να προσδιορίσει ποια θα ήταν τα χαρακτηριστικά του «τέλειου» θερμοδυναμικού κύκλου, ο Γάλλος φυσικός σάντιΚάρνοτ ανέπτυξε έναν κύκλο που, τουλάχιστον θεωρητικά, παρουσιάζει τον μεγαλύτεροςαποδοτικότηταδυνατόν για μια θερμική μηχανή που λειτουργεί στις ίδιες θερμοκρασίες.
Αυτός ο κύκλος, γνωστός ως Κύκλος Carnot, γνωστό μηχανή carnot, δεν είναι πραγματικό μηχάνημα, αφού μέχρι σήμερα, τεχνικές και πρακτικές αδυναμίες εμπόδισαν την κατασκευή ενός τέτοιου μηχανήματος.
Δείτε επίσης:Τι είναι η λανθάνουσα θερμότητα;
Το Θεώρημα του Carnot
Ο θεώρημασεΚάρνοτ, διατυπώθηκε το 1824, αποδεικνύει ότι ακόμη και η ιδανική θερμική μηχανή, η οποία δεν διαλύει ποσότητα ενέργειας λόγω τριβής μεταξύ Τα κινούμενα μέρη του, έχουν ένα μέγιστο όριο απόδοσης, το οποίο εξαρτάται από την αναλογία μεταξύ των θερμοκρασιών της θερμής και ψυχρής πηγής του, που δίνεται στο kelvin:
ΤΕρ - Θερμοκρασία θερμής πηγής (K)
Τφά - Θερμοκρασία ψυχρής πηγής (K)
Αναλύοντας τον παραπάνω τύπο, είναι δυνατόν να διαπιστώσουμε ότι η ιδανική θερμική μηχανή καθορίζει την απόδοσή της αποκλειστικά από τις θερμοκρασίες των ζεστών και κρύων πηγών της. Επιπλέον, για την απόδοση του να είναι 100%, θα ήταν απαραίτητο για το Τφά ήταν μηδέν, δηλαδή 0 K, η θερμοκρασία του απόλυτου μηδέν. Ωστόσο, σύμφωνα με το 3ος Νόμος Θερμοδυναμικής, τέτοια θερμοκρασία δεν είναι εφικτή.
Ο τύπος απόδοσης που φαίνεται παραπάνω ισχύει μόνο για θερμικά μηχανήματα που λειτουργούν σύμφωνα με τον κύκλο Carnot. Επιπλέον, το θεώρημα δείχνει επίσης ότι η αναλογία θερμοκρασιών Τφά και ΤΕρ ισούται με την αναλογία μεταξύ των ποσοτήτων θερμότητας Qφά και QΕρ:
Δείτε επίσης:Μάθετε περισσότερα σχετικά με την απόδοση της θερμικής μηχανής
Κύκλος Carnot
Ο Κύκλος Carnot λαμβάνει χώρα σε τέσσερα στάδια (ή τέσσερις παλμούς). Αυτός ο κύκλος σχηματίζεται από δύο αδιαβατικοί μετασχηματισμοί είναι δύο ισοθερμικοί μετασχηματισμοί. Οι αδιαβατικοί μετασχηματισμοί είναι εκείνοι στους οποίους δεν υπάρχει ανταλλαγή θερμότητας, ενώ οι ισοθερμικοί μετασχηματισμοί είναι εκείνοι στους οποίους δεν υπάρχει παραλλαγή θερμοκρασίας και, κατά συνέπεια, παραμένει η εσωτερική ενέργεια της ουσίας εργασίας που είναι υπεύθυνη για τη μετακίνηση του κινητήρα θερμότητας συνεχής.
Το παρακάτω σχήμα αντιπροσωπεύει τον κύκλο Carnot και τα τέσσερα στάδια του. Ολοκλήρωση παραγγελίας:
I - Ισοθερμική επέκταση: Σε αυτό το βήμα, η ουσία εργασίας διαστέλλεται, διατηρώντας τη σταθερή της θερμοκρασία, εκτελεί εργασία και δέχεται θερμότητα από την καυτή πηγή.
II - Αδιαβατική επέκταση: Σε αυτό το στάδιο, η ουσία εργασίας διαστέλλεται λίγο και λειτουργεί χωρίς να λαμβάνει θερμότητα.
III - Ισοθερμική συστολή: Σε αυτό το στάδιο, ο όγκος του αερίου μειώνεται, η πίεση του αυξάνεται και η θερμοκρασία του παραμένει σταθερή, επιπλέον, το αέριο χάνει θερμότητα από την κρύα πηγή. Σε αυτό το στάδιο, η εργασία γίνεται στο αέριο.
IV - Αδιαβατική συστολή: Το αέριο έχει ταχεία αύξηση της πίεσης και μικρή μείωση του όγκου, αλλά δεν ανταλλάσσει θερμότητα κατά τη διάρκεια της διαδικασίας.
Κύκλος Otto
Ο κύκλος Otto είναι μια ακολουθία φυσικών μετασχηματισμών που έχουν υποβληθεί από κάποια λειτουργική ουσία όπως βενζίνη ή αιθανόλη. Αυτός ο κύκλος χρησιμοποιείται ευρέως στους κινητήρες εσωτερικής καύσης που τροφοδοτούν τα περισσότερα επιβατικά οχήματα. Αν και δεν υπάρχει στην πράξη, ο κύκλος Otto σχεδιάστηκε για να προσεγγίσει έναν κύκλο Carnot. Το παρακάτω σχήμα δείχνει τα στάδια του κύκλου Otto.
ΕΓΩ - Διαδικασία 0-1: Ισοβαρική είσοδος: Σε αυτήν τη διαδικασία, ένα μείγμα αέρα και βενζίνης εισάγεται από τον κινητήρα σε σταθερή πίεση.
ΙΙ - Διαδικασία 1-2: Αδιαβατική συμπίεση - Σε αυτή τη διαδικασία, υπάρχει μια ταχεία αύξηση της πίεσης που ασκείται από τα έμβολα του κινητήρα, έτσι ώστε να μην υπάρχει χρόνος για την ανταλλαγή θερμότητας.
III - Διαδικασία 2-3-4: Καύση σε σταθερό όγκο (2-3) και αδιαβατική επέκταση (3-4) - Ένας μικρός σπινθήρας παράγει μια ελεγχόμενη έκρηξη στο μείγμα αέρα και βενζίνης και στη συνέχεια του εμβόλου του ο κινητήρας κατεβαίνει γρήγορα, προκαλώντας αύξηση του όγκου και παράγοντας μεγάλη ποσότητα εργασία;
IV - Διαδικασία 4-1-0: Ισοβαρική εξάντληση - Οι βαλβίδες εξαγωγής ανοίγουν και αφήνουν τον καπνό από το καύσιμο καύσιμο να βγει από τον κινητήρα σε σταθερή πίεση.
Τα βήματα που εξηγούνται παραπάνω φαίνονται στο ακόλουθο σχήμα, το οποίο αντιπροσωπεύει τα βήματα λειτουργίας του a τετράχρονος κινητήρας, τροφοδοτείται από βενζίνη ή αλκοόλ. Η κίνηση του εμβόλου σε κάθε μία από τις θέσεις που εμφανίζονται είναι ισοδύναμη με τις διαδικασίες που περιγράφονται:
Παραδείγματα θερμικών μηχανών
Παραδείγματα θερμικών μηχανών είναι:
Κινητήρες εσωτερικής καύσης, όπως αυτοί που κινούνται με αλκοόλ, βενζίνη και ντίζελ ·
Ατμομηχανές;
Θερμοηλεκτρικοί σταθμοί παραγωγής ενέργειας.
Θερμικά μηχανήματα και βιομηχανική επανάσταση
Οι θερμικές μηχανές έπαιξαν σημαντικό ρόλο στην τεχνολογική ανάπτυξη της κοινωνίας. Αφού τελειοποιήθηκε από ΤζέιμςΒάτ, θερμικά μηχανήματα με ατμό επέτρεψαν να συμβεί η Βιομηχανική Επανάσταση, αλλάζοντας ριζικά τον κόσμο.
Θα θέλατε να μάθετε περισσότερα σχετικά με αυτό το θέμα; Πρόσβαση στο κείμενό μας σχετικά Βιομηχανική επανάσταση.
Ψυγεία
Ψυγεία ή ψυκτικές μηχανές είναι ανεστραμμένες θερμικές μηχανές. Σε αυτές τις συσκευές, είναι απαραίτητο να εκτελέσετε εργασίες κάτω από το αέριο μέσα στον κινητήρα έτσι ώστε να διαστέλλεται απορροφώντας θερμότητα από το περιβάλλον. Παραδείγματα ψυγείων είναι: ψυγεία, καταψύκτες και κλιματισμός.
Εάν θέλετε να μάθετε περισσότερα σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας αυτού του τύπου μηχανής, επισκεφτείτε το κείμενό μας λειτουργία και ιδιότητες ψυγείων.
Ασκήσεις σε θερμικά μηχανήματα
Ασκηση 1) Μια θερμική μηχανή λαμβάνει 500 J θερμότητας από μια καυτή πηγή σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Εάν αυτό το μηχάνημα διαχέει 350 J θερμότητας στον κρύο νεροχύτη του, ποια θα είναι η ενεργειακή απόδοση σε ποσοστό;
α) 42%
β) 50%
γ) 30%
δ) 35%
ε) 25%
Πρότυπο: Γράμμα Γ
Ανάλυση:
Η άσκηση παρέχει τις ποσότητες θερμότητας που χρειάζεται το μηχάνημα για να λειτουργεί κατά τη διάρκεια ενός κύκλου, ώστε να μπορούμε να προσδιορίσουμε την απόδοσή του χρησιμοποιώντας τον τύπο που σχετίζεται με το QΕρ και Qφά, Κοίτα:
Ο παραπάνω υπολογισμός δείχνει ότι μόνο το 30% της θερμικής ενέργειας που διατίθεται στον κινητήρα σε κάθε κύκλο μετατρέπεται σε μηχανική εργασία.
Άσκηση 2) Ένα μηχάνημα που λειτουργεί στον κύκλο Carnot έχει θερμοκρασίες θερμής και κρύας πηγής 600 k και 400 k, αντίστοιχα. Αυτό το μηχάνημα διαλύει 800 j θερμότητας στην πηγή της χαμηλότερης θερμοκρασίας σε κάθε κύκλο. Υπολογίστε την ποσότητα θερμής θερμότητας που απορροφάται από το μηχάνημα σε κάθε κύκλο και την αποτελεσματικότητά της ως ποσοστό και, στη συνέχεια, σημειώστε τη σωστή εναλλακτική.
α) 67% και 320 j
β) 33% και 1200 j
γ) 33% και 1900 j
δ) 62% και 1900 j
ε) 80% και 900 j
Πρότυπο: Γράμμα Β
Ανάλυση:
Αρχικά, ας υπολογίσουμε την απόδοση του εν λόγω κινητήρα θερμότητας. Για αυτό, θα χρησιμοποιήσουμε τις θερμοκρασίες των ζεστών και κρύων πηγών:
Χρησιμοποιώντας τις τιμές θερμοκρασίας που αναφέρονται στη δήλωση, πρέπει να επιλύσουμε τον ακόλουθο υπολογισμό:
Για να υπολογίσετε την ποσότητα θερμότητας που απορροφά η μηχανή σε κάθε κύκλο είναι απλή, απλώς χρησιμοποιήστε το θεώρημα του Carnot:
Για να επιλύσετε τον υπολογισμό, απλώς αντικαταστήστε τα δεδομένα άσκησης στον παραπάνω τύπο.
Από εμένα, Rafael Helerbrock
