Strojevitoplinska su uređaji sposobni pretvoriti toplinsku energiju u mehanički rad. Svaki termalni stroj treba izvor toplina i radne tvari koja može promijeniti svoj volumen i, prema tome, pokretati neki mehanizam, poput ventila ili klipa.
Vas motori s unutarnjim izgaranjem, poput onih koji voze današnje automobile primjeri termičkih strojeva. Oni upijaju toplinu koja nastaje izgaranjem smjese goriva i zraka koja se povremeno ubrizgava u njihove cilindre.
Na taj se način dio energije koja se oslobodi tijekom eksplozije pretvara u rad, kroz pomicanje klipa - jedan od pokretnih dijelova motora, koji se koristi za pretvaranje toplinske energije u energiju kinetika.
Kako rade termalni strojevi?
Svi toplinski strojevi rade prema a ciklustermodinamički, odnosno sekvence termodinamičkih stanja koja se ponavljaju. Ti ciklusi imaju različita stanja volumena, tlaka i temperature, koja su obično predstavljena grafikonima tlaka i volumena. Termodinamički ciklusi dizajnirani su u potrazi za većom energetskom učinkovitošću, odnosno uvijek se traži proizvodnja motora sposobnih za izdvajanje velike količine posla.
U bilo kojem termodinamičkom ciklusu to je moguće izračunati rad grafički. Stoga je potrebno izračunati površinu unutrašnjosti grafa, što se može zakomplicirati ako dotični ciklus ima nepravilan oblik. Uz to, smjer strelica, u smjeru kazaljke na satu ili u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, pokazuje je li dotični ciklus ciklus termalnog stroja ili hladnjaka. Provjeri:
Ciklus u smjeru kazaljke na satu: Ako je smjer ciklusa u smjeru kazaljke na satu, ciklus je onaj toplinskog stroja, koji apsorbira toplinu i stvara rad.
Ciklus suprotno od kazaljke na satu: U slučaju da je smjer ciklusa suprotan kazaljki na satu, on mora primiti mehanički rad i osloboditi toplinu, kao u slučaju motora hladnjaka.
Ne zaustavljaj se sada... Ima još toga nakon oglašavanja;)
Svaki termalni stroj ima sličnu konfiguraciju: ima izvorutoplina (vrući izvor), iz kojeg crpi energiju potrebnu za njegov rad, i a umivaonik (izvor hladnoće), gdje se dio apsorbirane topline odvodi. Obratite pažnju na sljedeću shemu:
Prema prvi zakon termodinamike, termalni strojevi trebaju primiti određenu količinu topline za rad. Međutim, može biti samo mali dio te količine topline, koja je oblik energije pretvorena u koristan rad.
Razlozi za ovo ograničenje u osnovi su dva: prvi se odnosi na tehničku sposobnost proizvodnje stroja koji se ne rasipa energija - što je nemoguće - a drugo je ograničenje same prirode: prema drugom zakonu termodinamike niti jedan toplinski stroj ne može predstaviti a Prinos 100%. Provjerite što kaže drugi zakon termodinamike, poznat kao zakon entropije, prema Kelvinovoj izjavi:
"Nije moguće da bilo koji sustav, na određenoj temperaturi, apsorbira toplinu iz izvora i transformira je u potpunosti u mehaničkom radu, bez izmjena na ovom ili njegovom sustavu četvrti. "
Kelvinova se izjava odnosi na konverzijasastavni topline u mehaničkom radu, navodeći da je to nemoguće bez „promjena“ koje su se dogodile u sustavu. Ova se promjena odnosi na učinak entropije: kada se uklanja toplina iz nekog vrućeg izvora, dio te energije razgrađuje se u manje korisne oblike energije. Postoje mnogi procesi razgradnje energije: vibracije mehaničkih dijelova, trenje između dijelova i ležajeva, toplina koja se odvodi u vanjsko okruženje, stvaranje zvučnih zvukova itd.
Pogledajte i: Upoznajte povijest termičkih strojeva
Mapa uma: Termalni strojevi
* Za preuzimanje mape uma u PDF-u, Kliknite ovdje!
Izvedba toplinskih strojeva
Učinkovitost bilo kojeg termalnog stroja može se izračunati kao omjer mehaničkog rada koji proizvodi i količine topline koju apsorbira iz nekog vrućeg izvora:
η - Izvođenje
τ - Mehanički rad (J - džula ili vapno - kalorije)
PP – Toplina iz vrućeg izvora (J - džula ili vapno - kalorije)
Mehanički rad je pak određen razlikom između količina topline „Vruće“ i „hladno“, stoga možemo iskazati performanse toplinskih strojeva količine:
PF - toplina koja se daje izvoru hladnoće
U potrazi za određivanjem karakteristika "savršenog" termodinamičkog ciklusa, francuski fizičar sadicarnot razvio ciklus koji, barem teoretski, predstavlja većeučinkovitostmoguće za termalni stroj koji radi na istim temperaturama.
Ovaj ciklus, poznat kao Carnotov ciklus, popularno nazvan carnot stroj, nije pravi stroj, jer su sve do danas tehničke i praktične nemogućnosti onemogućavale konstrukciju takvog stroja.
Pogledajte i:Što je latentna toplina?
Carnotov teorem
O teoremaucarnot, objavljen 1824. godine, utvrđuje da čak i idealni toplinski stroj, koji ne troši nikakvu količinu energije zbog trenja između njegovih pokretnih dijelova ima maksimalnu granicu izdašnosti, koja ovisi o omjeru temperatura njegovog vrućeg i hladnog izvora, danog u Kelvin:
TP - temperatura vrućeg izvora (K)
TF - temperatura hladnog izvora (K)
Analizirajući gornju formulu, moguće je vidjeti da idealni toplinski stroj ima svoje performanse određene isključivo temperaturama njegovih vrućih i hladnih izvora. Uz to, da bi mu prinos bio 100%, bilo bi potrebno da TF bila nula, odnosno 0 K, temperatura apsolutne nule. Međutim, prema 3. zakon termodinamike, takva temperatura je nedostižna.
Gore prikazana formula učinkovitosti vrijedi samo za termičke strojeve koji rade prema Carnotovom ciklusu. Uz to, teorem također pokazuje da je omjer temperatura TF i TP jednak je omjeru između količina topline QF i QP:
Pogledajte i:Saznajte više o performansama toplinskih strojeva
Carnotov ciklus
O Carnotov ciklus odvija se u četiri faze (ili četiri takta). Ovaj ciklus čine dva adijabatske transformacije to je dvoje izotermičke transformacije. Adijabatske transformacije su one u kojima nema izmjene topline, dok su izotermne transformacije u kojima nema varijacija temperature i, posljedično, ostaje unutarnja energija radne tvari odgovorne za pomicanje toplinskog stroja konstantno.
Sljedeća slika predstavlja Carnotov ciklus i njegove četiri faze. Provjeri:
I - Izotermno širenje: U ovom se koraku radna tvar širi, održavajući konstantnu temperaturu, izvodi rad i prima toplinu iz vrućeg izvora.
II - Adijabatsko širenje: U ovoj se fazi radna tvar malo širi i radi bez primanja topline.
III - Izotermalna kontrakcija: U ovoj se fazi volumen plina smanjuje, raste mu tlak, a temperatura ostaje konstantna, osim toga plin gubi toplinu do izvora hladnoće. U ovoj se fazi radi na plinu.
IV - Adijabatska kontrakcija: Plin ima brzi porast tlaka i malo smanjenje volumena, ali tijekom postupka ne izmjenjuje toplinu.
Ottov ciklus
Ottov ciklus slijed je fizičkih transformacija koje su pretrpjele neke radne tvari poput benzina ili etanola. Ovaj se ciklus naširoko koristi u motorima s unutarnjim izgaranjem koji pokreću većinu putničkih vozila. Iako ne postoji u praksi, Ottov ciklus dizajniran je kako bi se približio Carnotovom ciklusu. Donja slika prikazuje faze Ottovog ciklusa.
Ja - Postupak 0-1: Isobarski prijem: U ovom procesu motor pod stalnim tlakom dopušta smjesu zraka i benzina;
II - Postupak 1-2: Adijabatsko sabijanje - U ovom procesu dolazi do brzog povećanja tlaka koji vrše klipovi motora, tako da nema vremena za izmjenu topline;
III - Proces 2-3-4: Izgaranje pri konstantnom volumenu (2-3) i adijabatsko širenje (3-4) - Mala iskra proizvodi kontroliranu eksploziju u smjesi zraka i benzina, a zatim i klipa motor se brzo spušta, uzrokujući povećanje volumena i proizvodeći veliku količinu raditi;
IV - Proces 4-1-0: Isobarska iscrpljenost - Ispušni ventili se otvaraju i puštaju dim iz gorućeg goriva da izlazi iz motora pod stalnim tlakom.
Gore objašnjeni koraci prikazani su na sljedećoj slici, koja predstavlja radne korake a četverotaktni motor, pogonjen benzinom ili alkoholom. Kretanje klipa u svakom od prikazanih položaja ekvivalentno je opisanim procesima:
Primjeri termičkih strojeva
Primjeri termalnih strojeva su:
Motori s unutarnjim izgaranjem, poput onih koje pokreću alkohol, benzin i dizel;
Parni motori;
Termoelektrane.
Termalni strojevi i industrijska revolucija
Termalni strojevi igrali su važnu ulogu u tehnološkom razvoju društva. Nakon što ga je usavršio JamesVat, termalni strojevi na parni pogon omogućili su da se dogodi Industrijska revolucija, radikalno promijenivši svijet.
Želite li znati više o ovoj temi? Pristupite našem tekstu o Industrijska revolucija.
Hladnjaci
Hladnjaci ili rashladni strojevi su invertirani termalni strojevi. U tim je uređajima potrebno izvoditi radove pod plinom unutar motora tako da se on širi upijanjem topline iz okoline. Primjeri hladnjaka su: hladnjaci, zamrzivači i klimatizacija.
Ako želite znati više o tome kako funkcionira ova vrsta stroja, posjetite naš tekst o rad i svojstva hladnjaka.
Vježbe na termičkim strojevima
Vježba 1) Termalni stroj prima 500 J topline iz vrućeg izvora svaki ciklus rada. Ako ovaj stroj odvede 350 J topline na hladnjak, koliki će biti njegov postotak energetske učinkovitosti?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Predložak: Slovo C
Razlučivost:
Vježba osigurava količine topline potrebne stroju za rad tijekom ciklusa, tako da njegovu učinkovitost možemo odrediti pomoću formule koja povezuje QP i QF, Pogledajte:
Gornji izračun pokazuje da se samo 30% toplinske energije dostupne motoru u svakom ciklusu pretvara u mehanički rad.
Vježba 2) Stroj koji radi na Carnotovom ciklusu ima temperature vrućeg i hladnog izvora 600 k, odnosno 400 k. Ovaj stroj odvodi 800 j topline na izvor najniže temperature svaki ciklus. Izračunajte količinu vruće topline koju apsorbira stroj u svakom ciklusu i njegovu učinkovitost kao postotak, a zatim označite ispravnu alternativu.
a) 67% i 320 j
b) 33% i 1200 j
c) 33% i 1900 j
d) 62% i 1900 j
e) 80% i 900 j
Predložak: Slovo B
Razlučivost:
Prvo, izračunajmo učinkovitost dotičnog toplinskog stroja. Za to ćemo koristiti temperature vrućih i hladnih izvora:
Koristeći vrijednosti temperature navedene u izjavi, moramo riješiti sljedeći izračun:
Da biste izračunali količinu topline koju stroj upija u svakom ciklusu, jednostavno je, upotrijebite Carnotov teorem:
Da biste riješili izračun, samo zamijenite podatke o vježbi u gornjoj formuli.
Ja, Rafael Helerbrock
