Masinadtermilised on seadmed, mis on võimelised muundama soojusenergiat mehaaniline töö. Iga termomasin vajab allikat kuumus ja tööainest, mille mahtu on võimalik muuta ja sellest tulenevalt mõnda mehhanismi, näiteks ventiilid või kolvid, liigutada.
Sina sisepõlemismootorid, nagu ka need, mis sõidavad tänapäeva autodega, on näited termomasinatest. Nad neelavad kütuse ja õhu segu põletamisel tekkivat soojust, mis süstitakse perioodiliselt nende silindritesse.
Sel viisil muundatakse osa plahvatuse käigus vabanevast energiast tööks kolvi liikumine - mootori üks liikuvatest osadest, mida kasutatakse soojusenergia muundamiseks energiaks kineetika.
Kuidas töötavad termomasinad?
Kõik termomasinad töötavad vastavalt a tsükkeltermodünaamiline, see tähendab end kordavate termodünaamiliste olekute järjestusi. Nendel tsüklitel on erinevad mahu, rõhu ja temperatuuri olekud, mida tavaliselt kujutavad rõhu ja mahu graafikud. Termodünaamilised tsüklid on kavandatud suurema energiatõhususe otsimiseks, see tähendab, et alati otsitakse mootorite tootmist, mis suudaksid välja töötada palju tööd.
Igas termodünaamilises tsüklis on see võimalik arvutage töö graafiliselt. Seetõttu on vaja arvutada graafiku sisemuse pindala, mida võib olla keeruline teha, kui kõnealusel tsüklil on ebakorrapärane kuju. Lisaks näitab noolte suund päripäeva või vastupäeva, kas kõnealune tsükkel on termomasina või külmkapi tsükkel. Kontrollige:
Päripäeva tsükkel: Kui tsükli suund on päripäeva, on tsükkel soojusmootori oma, mis neelab soojust ja annab tööd.
Tsükkel vastupäeva: Juhul, kui tsükli suund on vastupäeva, peab see saama mehaanilist tööd ja eraldama soojust, nagu külmikute mootorite puhul.
Ärge lõpetage kohe... Peale reklaami on veel;)
Igal termomasinal on sarnane konfiguratsioon: sellel on a allikasaastalkuumus (kuum allikas), millest ta ammutab oma tööks vajaliku energia, ja valamu (külmallikas), kus osa neeldunud soojusest hajub. Pange tähele järgmist diagrammi:
Vastavalt esimene termodünaamika seadus, peavad termomasinad töötamiseks saama teatud koguse soojust. Kuid ainult väike osa sellest soojushulgast, mis on energiavorm, võib olla ümber kasulikuks tööks.
Selle piirangu põhjused on sisuliselt kaks: esimene puudutab tehnilist suutlikkust toota masinat, mis ei hajuks energia - mis on võimatu - ja teine on looduse enda piiratus: termodünaamika 2. seaduse järgi ei saa ükski esitama a Saagikus 100%. Vaadake, mida ütleb termodünaamika teine seadus, tuntud kui entroopia seadus, vastavalt Kelvini avaldusele:
"Ühelgi süsteemil ei ole võimalik teatud temperatuuril allikast soojust neelata ja seda muuta täielikult mehaanilises töös, ilma selle süsteemi või selle muudatusteta linnaosades. "
Kelvini avaldus puudutab teisendaminelahutamatu soojust mehaanilises töös, märkides, et see on võimatu ilma süsteemis toimuvate muutusteta. See muudatus viitab entroopia mõjule: soojuse eemaldamisel mõnest kuumast allikast laguneb osa sellest energiast vähem kasulikeks energiavormideks. Energia lagunemisprotsesse on palju: mehaaniliste osade vibratsioon, osade ja laagrite hõõrdumine, väliskeskkonda hajutatud soojus, kuuldavate helide tekitamine jne.
Vaadake ka: Tutvuge termomasinate ajalooga
Meelekaart: termilised masinad
* Mõttekaardi allalaadimiseks PDF-failina Kliki siia!
Termiliste masinate jõudlus
Iga termilise masina efektiivsust saab arvutada selle tekitatud mehaanilise töö ja mõnest kuumast allikast neelduva soojuse hulga suhtena:
η - Performance
τ - mehaaniline töö (J - džaulid või lubi - kalorid)
QQ – Kuum kuumast allikast (J - džaulid või lubi - kalorid)
Mehaanilise töö määrab omakorda soojushulkade vahe "Kuumad" ja "külmad", seetõttu saame nende kaudu kirjutada termomasinate jõudluse kogused:
QF - külmale allikale antud soojus
Prantsuse füüsik soovis välja selgitada, millised oleksid „täiusliku” termodünaamilise tsükli omadused sadicarnot välja töötatud tsükkel, mis vähemalt teoreetiliselt esitab suuremtõhususvõimalik termomasina jaoks, mis töötab samadel temperatuuridel.
See tsükkel, mida nimetatakse Carnoti tsükkel, rahvapäraselt kutsutud carnot masin, ei ole päris masin, kuna tänase päevani takistasid sellise masina ehitamist tehnilised ja praktilised võimatused.
Vaadake ka:Mis on varjatud soojus?
Carnoti teoreem
O teoreemaastalcarnot, mis kuulutati välja 1824. aastal, tehakse kindlaks, et isegi ideaalne termiline masin, mis ei hajuta energia hõõrdumise tõttu selle liikuvatel osadel on maksimaalne voolavuspiir, mis sõltub selle kuuma ja külma allika temperatuuride suhtest, mis on esitatud punktis kelvin:
TQ - kuuma allika temperatuur (K)
TF - külmallika temperatuur (K)
Analüüsides ülaltoodud valemit, on võimalik näha, et ideaalse termomasina tööomadused määratakse ainult selle kuumade ja külmade allikate temperatuuride järgi. Lisaks oleks selle saagis 100% vajalik T jaoksF oli null, see tähendab 0 K, absoluutse nulli temperatuur. Kuid vastavalt 3. termodünaamika seadus, sellist temperatuuri pole võimalik saavutada.
Eespool toodud tõhususe valem kehtib ainult Carnot'i tsükli järgi töötavate termiliste masinate puhul. Lisaks näitab teoreem ka seda, et temperatuuride suhe TF ja TQ on võrdne soojushulkade Q suhtegaF ja QQ:
Vaadake ka:Lisateave termilise masina jõudluse kohta
Carnot tsükkel
O Carnoti tsükkel see toimub neljas etapis (või neljas taktis). Selle tsükli moodustavad kaks adiabaatilised teisendused see on kaks isotermilised teisendused. Adiabaatilised teisendused on need, milles soojusvahetust ei toimu, samas kui isotermilisi muundumisi ei toimu. temperatuurimuutus ja sellest tulenevalt jääb soojuse mootori liigutamise eest vastutava tööaine siseenergia pidev.
Järgmine joonis kujutab Carnoti tsüklit ja selle nelja etappi. Kontrollige:
I - isotermiline paisumine: Selles etapis paisub tööaine, hoides püsivat temperatuuri, teeb tööd ja saab kuumast allikast soojust.
II - Adiabaatiline laienemine: Selles etapis paisub tööaine veidi ja töötab ilma soojust saamata.
III - isotermiline kontraktsioon: Selles etapis gaasi maht väheneb, selle rõhk suureneb ja temperatuur püsib konstantsena, lisaks kaotab gaas külmale allikale soojuse. Selles etapis tehakse gaasiga tööd.
IV - adiabaatiline kontraktsioon: Gaasil on kiire rõhu tõus ja mahu vähenemine vähe, kuid see ei vaheta protsessi käigus soojust.
Otto tsükkel
Otto tsükkel on füüsikaliste muundumiste jada, mille on läbinud mõned tööained, näiteks bensiin või etanool. Seda tsüklit kasutatakse laialdaselt sisepõlemismootorites, mis töötavad enamiku sõiduautodega. Ehkki seda praktikas ei eksisteeri, kujundati Otto tsükkel Carnoti tsükli lähendamiseks. Allpool olev joonis näitab Otto tsükli etappe.
Mina - Protsess 0-1: Isobaarne vastuvõtt: Selle protsessi käigus pääseb mootor pideva rõhu all õhu ja bensiini segule;
II - Protsess 1-2: Adiabaatiline kokkusurumine - Selles protsessis suureneb mootori kolbide poolt avaldatav rõhk kiiresti, nii et soojusvahetuste tekkimiseks pole aega;
III - Protsess 2-3-4: Põlemine püsiva helitugevusega (2-3) ja adiabaatiline paisumine (3-4) - Väike säde tekitab õhu ja bensiini segus ning seejärel kolvis kontrollitud plahvatuse mootor laskub kiiresti, põhjustades mahu kasvu ja tekitades suures koguses mootorit töö;
IV - protsess 4-1-0: isobaarne kurnatus - Väljalaskeklapid avanevad ja lasevad põleva kütuse suitsul konstantsel rõhul mootorist väljuda.
Eespool selgitatud etapid on näidatud järgmisel joonisel, mis kujutab a a tööetappe neljataktiline mootor, mis töötab bensiini või alkoholiga. Kolvi liikumine igas näidatud asendis on samaväärne kirjeldatud protsessidega:
Näited termomasinatest
Soojusmasinate näited on:
Sisepõlemismootorid, näiteks alkoholi, bensiini ja diislikütusega mootorid;
Aurumootorid;
Termoelektrijaamad.
Termimasinad ja tööstusrevolutsioon
Soojusmasinatel oli ühiskonna tehnoloogilises arengus oluline roll. Pärast täiustatud JamesWatt, aurujõul töötavad soojusseadmed võimaldasid toimuda tööstusrevolutsioonil, muutes maailma radikaalselt.
Kas soovite selle teema kohta rohkem teada saada? Juurdepääs meie tekstile Tööstusrevolutsioon.
Külmikud
Külmikud ehk külmutusmasinad on tagurpidi termomasinad. Nendes seadmetes on vaja teha tööd mootori sees oleva gaasi all, nii et see paisuks ümbritsevast soojusest neeldudes. Külmikute näited on: külmikud, sügavkülmikud ja konditsioneer.
Kui soovite rohkem teada saada, kuidas seda tüüpi masin töötab, külastage meie teksti külmikute töö ja omadused.
Harjutused termomasinatel
Harjutus 1) Soojusmasin saab kuumalt allikalt 500 J soojust igas töötsüklis. Kui see masin hajutab 350 J soojust külma kraanikaussi, siis milline on selle energiatõhusus protsentides?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Mall: Täht C
Resolutsioon:
Harjutus annab masinale tsükli ajal töötamiseks vajaminevad soojushulgad, nii et saame selle jõudluse määrata valemi abil, mis seob QQ ja QF, Vaata:
Ülaltoodud arvutus näitab, et ainult 30% mootori igas tsüklis kasutatavast soojusenergiast muundatakse mehaaniliseks tööks.
Harjutus 2) Carnoti tsüklil töötava masina sooja ja külma temperatuuri temperatuur on vastavalt 600 k ja 400 k. See masin hajutab igas tsüklis 800 j soojust madalaima temperatuuri allikani. Arvutage igas tsüklis masina neeldunud kuuma soojuse kogus ja selle efektiivsus protsentides, seejärel märkige õige alternatiiv.
a) 67% ja 320 j
b) 33% ja 1200 j
c) 33% ja 1900 j
d) 62% ja 1900 j
e) 80% ja 900 j
Mall: Täht B
Resolutsioon:
Kõigepealt arvutame välja kõnealuse soojusmasina efektiivsuse. Selleks kasutame sooja ja külma allika temperatuure:
Kasutades avalduses toodud temperatuuri väärtusi, peame lahendama järgmise arvutuse:
Soojuse hulga arvutamiseks, mida masin igas tsüklis neelab, on lihtne kasutada Carnoti teoreemi:
Arvestuse lahendamiseks asendage lihtsalt ülaltoodud valemis treeningu andmed.
Minu poolt. Rafael Helerbrock
