Koneettermiset ovat laitteita, jotka pystyvät muuntamaan lämpöenergian mekaaninen työ. Jokainen lämpökone tarvitsee lähteen lämpöä ja työaineesta, jonka tilavuutta voidaan muuttaa ja siten siirtää jotakin mekanismia, kuten venttiilejä tai mäntiä.
Sinä polttomoottorit, kuten nykypäivän autoja ajavatkin, ovat esimerkkejä lämpökoneista. Ne imevät lämmön, joka syntyy polttamalla polttoaineen ja ilman seosta, joka ruiskutetaan säännöllisesti sylintereihinsä.
Tällä tavalla osa energiasta, joka vapautuu räjähdyksen aikana, muutetaan työksi männän liike - yksi moottorin liikkuvista osista, jota käytetään lämpöenergian muuntamiseen energiaksi kinetiikka.
Kuinka lämpökoneet toimivat?
Kaikki lämpökoneet toimivat a syklitermodynaaminen, toisin sanoen toistuvien termodynaamisten tilojen sekvenssit. Näillä sykleillä on erilaiset tilavuuden, paineen ja lämpötilan tilat, jotka yleensä esitetään paineen ja tilavuuden kuvaajina. Termodynaamiset jaksot on suunniteltu etsimään suurempaa energiatehokkuutta, toisin sanoen etsitään aina sellaisten moottoreiden tuotantoa, jotka kykenevät tuottamaan suuren määrän työtä.
Kaikissa termodynaamisissa jaksoissa se on mahdollista laskea työ graafisesti. Siksi on tarpeen laskea kuvaajan sisäpinta-ala, mikä voi olla monimutkaista, jos kyseessä olevan jakson muoto on epäsäännöllinen. Lisäksi nuolien suunta myötä- tai vastapäivään osoittaa, onko kyseinen jakso lämpökoneen vai jääkaapin sykli. Tarkista:
Myötäpäivään: Jos syklin suunta on myötäpäivään, sykli on lämpömoottorin suunta, joka absorboi lämpöä ja tuottaa työtä.
Vastapäivään sykli: Siinä tapauksessa, että syklin suunta on vastapäivään, sen on vastaanotettava mekaanista työtä ja vapautettava lämpöä, kuten jääkaapimoottoreiden tapauksessa.
Älä lopeta nyt... Mainonnan jälkeen on enemmän;)
Jokaisella lämpökoneella on samanlainen kokoonpano: sillä on lähdesisäänlämpöä (kuuma lähde), josta se poimii toimintaansa varten tarvittavan energian, ja a pesuallas (kylmä lähde), jossa osa absorboidusta lämmöstä haihtuu. Ota huomioon seuraava kaavio:
Mukaan ensimmäinen termodynamiikan laki, lämpökoneiden on vastaanotettava tietty määrä lämpöä toimiakseen. Kuitenkin vain pieni osa lämmön määrästä, joka on energiamuoto, voi olla muutettu hyödylliseksi työksi.
Syyt tähän rajoitukseen ovat olennaisesti kaksi: ensimmäinen koskee teknistä kapasiteettia tuottaa kone, joka ei hajoa energiaa - mikä on mahdotonta - ja toinen on itse luonnon rajoitus: termodynamiikan toisen lain mukaan mikään lämpökone ei voi esittää a Saanto 100%. Katso mitä termodynamiikan toinen laki sanoo, joka tunnetaan nimellä entropialaki, Kelvinin lausunnon mukaan:
"Mikään järjestelmä ei voi tietyssä lämpötilassa absorboida lämpöä lähteestä ja muuttaa sitä täysin mekaanisessa työssä ilman muutoksia järjestelmään tai järjestelmään kaupunginosissa. "
Kelvinin lausunto koskee muuntaminenolennainen osa lämpöä mekaanisessa työssä, toteamalla, että näin on mahdotonta ilman "muutoksia" järjestelmässä. Tämä muutos viittaa entropian vaikutukseen: kun lämpöä poistetaan jostakin kuumasta lähteestä, osa siitä energiasta hajoaa vähemmän hyödylliseksi energiamuodoksi. Energian hajoamisprosesseja on monia: mekaanisten osien tärinä, osien ja laakereiden välinen kitka, ulkoiseen ympäristöön hajaantunut lämpö, äänimerkkien tuottaminen jne.
Katso myös: Tutustu lämpökoneiden historiaan
Miellekartta: Lämpökoneet
* Voit ladata mielikartan PDF-muodossa. Klikkaa tästä!
Lämpökoneiden suorituskyky
Minkä tahansa lämpökoneen hyötysuhde voidaan laskea tuottamansa mekaanisen työn ja jostakin kuumasta lähteestä absorboiman lämmön määrän suhde:
η - Esitys
τ - mekaaninen työ (J - joule tai kalkki - kalorit)
QQ – Lämpö kuumasta lähteestä (J - joule tai kalkki - kalorit)
Mekaaninen työ puolestaan määräytyy lämpömäärien välisen eron perusteella "Kuuma" ja "kylmä", voimme siis kirjoittaa lämpökoneiden suorituskyvyn näiden avulla määrät:
QF - kylmälle lähteelle annettu lämpö
Ranskalainen fyysikko pyrki selvittämään, mitkä "täydellisen" termodynaamisen syklin ominaisuudet olisivat sadicarnot kehitti syklin, joka ainakin teoreettisesti esittää suurempitehokkuusmahdollista lämpökoneelle, joka toimii samoissa lämpötiloissa.
Tämä sykli, joka tunnetaan nimellä Carnot-sykli, jota kutsutaan yleisesti carnot-kone, ei ole todellinen kone, koska tekniset ja käytännön mahdottomuudet estivät vasta tämän päivän koneen rakentamisen.
Katso myös:Mikä on piilevä lämpö?
Carnotin lause
O lausesisääncarnot, joka esitettiin vuonna 1824, todetaan, että jopa ihanteellinen lämpökone, joka ei haihduta mitään energiaa välisen kitkan takia sen liikkuvilla osilla on enimmäistuotoraja, joka riippuu sen kuuman ja kylmän lähteen lämpötilojen suhteesta, annettu kelvin:
TQ - Kuuman lähteen lämpötila (K)
TF - kylmälähteen lämpötila (K)
Edellä olevaa kaavaa analysoimalla voidaan nähdä, että ihanteellisen lämpökoneen suorituskyky määräytyy yksinomaan sen kuumien ja kylmien lähteiden lämpötilojen perusteella. Lisäksi, jotta sen saanto olisi 100%, T: n olisi välttämätöntäF oli nolla, ts. 0 K, absoluuttisen nollan lämpötila. Kuitenkin mukaan 3. termodynamiikan laki, sellaista lämpötilaa ei voida saavuttaa.
Edellä esitetty tehokkuuskaava pätee vain lämpökoneisiin, jotka toimivat Carnot-syklin mukaisesti. Lisäksi lause osoittaa myös, että lämpötilojen T suhdeF ja TQ on yhtä suuri kuin lämpömäärien Q suhdeF ja QQ:
Katso myös:Lue lisää koneen lämpötehosta
Carnot-sykli
O Carnot-sykli se tapahtuu neljässä vaiheessa (tai neljässä rytmissä). Tämä sykli muodostuu kahdesta adiabaattiset muunnokset se on kaksi isotermiset muunnokset. Adiabaattiset muunnokset ovat niitä, joissa ei tapahdu lämmönvaihtoa, kun taas isotermisiä muunnoksia ei ole lämpötilan vaihtelu ja näin ollen lämpömoottorin liikuttamisesta vastaavan työaineen sisäinen energia säilyy vakio.
Seuraava kuva kuvaa Carnot-sykliä ja sen neljää vaihetta. Tarkista:
I - Isoterminen laajeneminen: Tässä vaiheessa työaine laajenee ylläpitämällä vakiolämpötilaa, suorittaa työtä ja saa lämpöä kuumasta lähteestä.
II - Adiabaattinen laajentuminen: Tässä vaiheessa työaine laajenee hieman ja toimii ilman lämpöä.
III - Isoterminen supistuminen: Tässä vaiheessa kaasun tilavuus pienenee, sen paine kasvaa ja lämpötila pysyy vakiona, lisäksi kaasu menettää lämpöä kylmään lähteeseen. Tässä vaiheessa tehdään työtä kaasulla.
IV - Adiabaattinen supistuminen: Kaasulla on nopea paineen nousu ja tilavuuden vähäinen lasku, mutta se ei vaihda lämpöä prosessin aikana.
Otto-sykli
Otto-sykli on sekvenssi fysikaalisista muunnoksista, joille jotkut työaineet, kuten bensiini tai etanoli, ovat tehneet. Tätä sykliä käytetään laajalti polttomoottoreissa, jotka käyttävät useimpia henkilöautoja. Vaikka sitä ei käytännössä ole, Otto-sykli suunniteltiin arvioimaan Carnot-sykli. Alla olevassa kuvassa on Otto-syklin vaiheet.
Minä - Prosessi 0-1: Isobaarinen pääsy: Tässä prosessissa moottori päästää ilman ja bensiinin seoksen vakiopaineessa;
II - Prosessi 1-2: Adiabaattinen pakkaus - Tässä prosessissa moottorin mäntien aiheuttama paine nousee nopeasti, jotta lämmönvaihtoa ei tapahdu;
III - Prosessi 2-3-4: Palaminen vakiotilavuudella (2-3) ja adiabaattinen laajeneminen (3-4) - Pieni kipinä tuottaa hallitun räjähdyksen ilman ja bensiinin seoksessa ja sitten männän männässä moottori laskeutuu nopeasti aiheuttaen volyymin kasvua ja tuottamalla suuren määrän moottoria työ;
IV - Prosessi 4-1-0: Isobaarinen uupumus - Pakoventtiilit aukeavat ja päästävät palavan polttoaineen savun poistumaan moottorista tasaisessa paineessa.
Edellä selitetyt vaiheet on esitetty seuraavassa kuvassa, joka kuvaa a: n toimintavaiheita nelitahtimoottori, jota käytetään bensiinillä tai alkoholilla. Männän liike kussakin esitetyssä asennossa vastaa kuvattuja prosesseja:
Esimerkkejä lämpökoneista
Esimerkkejä lämpökoneista ovat:
Polttomoottorit, kuten alkoholilla, bensiinillä ja dieselillä toimivat moottorit;
Höyrykoneet;
Lämpövoimalat.
Lämpökoneet ja teollinen vallankumous
Lämpökoneilla oli tärkeä rooli yhteiskunnan teknologisessa kehityksessä. Sen jälkeen, kun JamesWatti, höyrykäyttöiset lämpökoneet antoivat teollisen vallankumouksen tapahtua ja muuttivat radikaalisti maailmaa.
Haluatko tietää enemmän tästä aiheesta? Pääset käyttämään tekstiä Teollinen vallankumous.
Jääkaapit
Jääkaapit tai kylmäkoneet ovat käänteisiä lämpökoneita. Näissä laitteissa on välttämätöntä suorittaa moottorin sisällä olevan kaasun alla työskentely, jotta se laajenee absorboimalla ympäristöstä tulevaa lämpöä. Esimerkkejä jääkaapeista ovat: jääkaapit, pakastimet ja ilmastointi.
Jos haluat tietää enemmän tämäntyyppisten koneiden toiminnasta, käy artikkelissamme jääkaappien toiminta ja ominaisuudet.
Harjoitukset lämpökoneilla
Harjoitus 1) Lämpökone saa 500 J lämpöä kuumasta lähteestä jokaisessa toimintajaksossa. Jos tämä kone kuluttaa 350 J lämpöä kylmäaltaaseen, mikä on sen energiatehokkuus prosentteina?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Sapluuna: Kirjain C
Resoluutio:
Liikunta antaa koneelle tarvittavan lämpömäärän syklin aikana, joten voimme määrittää sen suorituskyvyn Q: ta vastaavan kaavan avullaQ ja QF, Katso:
Yllä oleva laskelma osoittaa, että vain 30% moottorin käytettävissä olevasta lämpöenergiasta kussakin syklissä muuttuu mekaaniseksi työksi.
Harjoitus 2) Carnot-sykliä käyttävän koneen kuuman ja kylmän lähteen lämpötilat ovat vastaavasti 600 k ja 400 k. Tämä kone kuluttaa 800 j lämpöä alimpaan lämpötilalähteeseensä jokaisessa jaksossa. Laske koneen absorboiman kuuman lämmön määrä jokaisessa jaksossa ja sen hyötysuhde prosentteina ja merkitse sitten oikea vaihtoehto.
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
Sapluuna: Kirjain B
Resoluutio:
Lasketaan ensin kyseisen lämpömoottorin hyötysuhde. Tätä varten käytämme kuumien ja kylmien lähteiden lämpötiloja:
Käyttämällä lausekkeessa ilmoitettuja lämpötila-arvoja meidän on ratkaistava seuraava laskelma:
Laskea lämmön määrä, jonka kone absorboi jokaisessa syklissä, on yksinkertaista, käytä vain Carnotin teemaa:
Voit ratkaista laskelman korvaamalla harjoitustiedot yllä olevassa kaavassa.
Minun luona. Rafael Helerbrock
