Gépektermálok olyan készülékek, amelyek képesek a hőenergia átalakítására mechanikai munka. Minden hőgépnek szüksége van egy forrásra hő és olyan munkaanyag, amely képes módosítani a térfogatát, és ennek következtében valamilyen mechanizmust, például szelepeket vagy dugattyúkat mozgatni.
Ön belső égésű motorok, mint azok, amelyek a mai autókat vezetik, azok termikus gépek példái. Abszorbeálják az üzemanyag és a levegő keverékének elégetéséből származó hőt, amelyet időnként befecskendeznek a hengerükbe.
Ily módon a robbanás során felszabaduló energia egy része munkává alakul, a dugattyú mozgása - a motor egyik mozgó része, amelyet a hőenergia energiává alakítására használnak kinetika.
Hogyan működnek a hőgépek?
Valamennyi termikus gép a szerint működik ciklustermodinamikus, vagyis önmagukat ismétlődő termodinamikai állapotok szekvenciái. Ezeknek a ciklusoknak különböző a térfogata, a nyomása és a hőmérséklete, amelyeket általában a nyomás és a térfogat közötti grafikonok képviselnek. A termodinamikai ciklusokat a nagyobb energiahatékonyság keresésére tervezik, vagyis mindig olyan motorok gyártására törekednek, amelyek képesek nagy mennyiségű munka kinyerésére.
Bármely termodinamikai ciklusban lehetséges kiszámolja a munkát grafikusan. Ehhez ki kell számolni a grafikon belsejének területét, amelyet bonyolult elvégezni lehet, ha a kérdéses ciklus valamilyen szabálytalan alakú. Ezenkívül a nyilak iránya az óramutató járásával megegyező vagy az óramutató járásával ellentétes irányban jelzi, hogy a kérdéses ciklus egy hőgép vagy egy hűtőszekrény ciklusa. Nézze meg:
Óramutató járásával megegyezően: Ha a ciklus iránya az óramutató járásával megegyező irányban halad, akkor a ciklus egy hőmotoré, amely elnyeli a hőt és munkát eredményez.
Óra járásával ellentétes ciklus: Abban az esetben, ha egy ciklus iránya az óramutató járásával ellentétes irányba mutat, mechanikai munkára van szükség és hőt kell leadnia, mint például a hűtőszekrény motorjai esetében.
Minden hőgép hasonló konfigurációval rendelkezik: a forrásban benhő (forró forrás), amelyből kivonja a működéséhez szükséges energiát, és a mosogató (hideg forrás), ahol az elnyelt hő egy része eloszlik. Vegye figyelembe a következő sémát:
Szerint a a termodinamika első törvénye, a termikus gépeknek bizonyos mennyiségű hőt kell kapniuk a működéshez. Ennek a hőmennyiségnek azonban csak egy kis hányada lehet, amely egyfajta energia hasznos munkává alakította át.
Ennek a korlátozásnak alapvetően két oka van: az első a nem szétszóródó gép előállításának technikai képességére vonatkozik energia - ami lehetetlen -, a második pedig maga a természet korlátja: a termodinamika 2. törvényével egyetlen hőgép sem képes jelen a Hozam 100%. Nézze meg, mit mond a termodinamika 2. törvénye entrópiatörvény, Kelvin nyilatkozata szerint:
"Nem lehetséges, hogy egy rendszer bizonyos hőmérsékleten elnyelje a forrástól származó hőt és átalakítsa azt teljesen mechanikus munkában, a rendszer vagy annak módosításai nélkül városrészek. ”
Kelvin nyilatkozata a átalakításintegrál hő a mechanikai munkában, kijelentve, hogy ez van lehetetlen anélkül, hogy „változások” történnének a rendszerben. Ez a változás az entrópia hatására utal: amikor valamilyen forró forrásból eltávolítják a hőt, az energia egy része kevésbé hasznos energiaformákká bomlik le. Számos energia lebomlási folyamat létezik: mechanikai alkatrészek rezgése, alkatrészek és csapágyak közötti súrlódás, a külső környezetbe elvezetett hő, hallható zajok létrehozása stb.
Lásd még: Ismerje meg a hőgépek történetét
Elmetérkép: Hőgépek
* A gondolattérkép PDF formátumban történő letöltéséhez Kattints ide!
Hőgépek teljesítménye
Bármely termikus gép hatékonysága kiszámítható az általa előállított mechanikai munka és a forró források által elnyelt hőmennyiség arányában:
η - Teljesítmény
τ - Mechanikai munka (J - joule vagy mész - kalória)
QQ – Meleg forró forrás (J - joule vagy mész - kalória)
A mechanikai munkát viszont a hőmennyiség különbsége határozza meg „Meleg” és „hideg”, ezért ezeken keresztül írhatjuk le a hőgépek teljesítményét mennyiségek:
QF - a hideg forrásnak adott hő
A francia fizikus a „tökéletes” termodinamikai ciklus jellemzőinek meghatározására törekedett sadicarnot kifejlesztett egy ciklust, amely legalább elméletileg bemutatja a nagyobbhatékonyságlehetséges azonos hőmérsékleten működő hőgéphez.
Ez a ciklus, az úgynevezett Carnot-ciklus, népi nevén carnot gép, nem igazi gép, mivel a mai napig technikai és gyakorlati lehetetlenségek akadályozták meg egy ilyen gép felépítését.
Lásd még:Mi a látens hő?
Carnot-tétel
O tételban bencarnot, amelyet 1824-ben hoztak nyilvánosságra, megállapítja, hogy még az ideális hőgép is, amely a mozgó részeinek maximális hozamkorlátja van, amely függ a meleg és a hideg forrás hőmérséklete közötti, a kelvin:
TQ - Forró forrás hőmérséklete (K)
TF - Hideg forrás hőmérséklete (K)
A fenti képletet elemezve megállapítható, hogy az ideális hőgép teljesítményét kizárólag a meleg és a hideg forrás hőmérséklete határozza meg. Ezenkívül ahhoz, hogy a hozama 100% legyen, szükséges lenne a TF nulla volt, vagyis 0 K, az abszolút nulla hőmérséklete. Szerint azonban A termodinamika 3. törvénye, az ilyen hőmérséklet elérhetetlen.
A fent bemutatott hatékonysági képlet csak a Carnot-ciklus szerint működő hőgépekre érvényes. Ezenkívül a tétel azt is megmutatja, hogy a T hőmérsékletek arányaF és TQ egyenlő a Q hőmennyiségek arányávalF és QQ:
Lásd még:Tudjon meg többet a termikus gép teljesítményéről
Carnot ciklus
O Carnot-ciklus négy szakaszban (vagy négy ütemben) zajlik. Ezt a ciklust kettő alkotja adiabatikus transzformációk ez kettő izoterm átalakulások. Az adiabatikus átalakulások azok, amelyekben nincs hőcsere, míg az izoterm átalakulások azok, amelyekben nincs a hőmotor mozgatásáért felelős munkaanyag belső hőmérséklete és ennek következtében megmarad állandó.
A következő ábra a Carnot-ciklust és annak négy szakaszát mutatja be. Nézze meg:
I - Izotermikus tágulás: Ebben a lépésben a munkaanyag kitágul, fenntartva állandó hőmérsékletét, munkát végez és hőt kap a forró forrásból.
II - Adiabatikus terjeszkedés: Ebben a szakaszban a munkaanyag kissé kitágul és hő nélkül kap munkát.
III - Izoterm kontrakció: Ebben a szakaszban a gáz térfogata csökken, nyomása növekszik és hőmérséklete állandó marad, ráadásul a gáz hőt veszít a hideg forráshoz. Ebben a szakaszban a gázzal kapcsolatos munkákat végeznek.
IV - Adiabatikus összehúzódás: A gáz nyomása gyorsan növekszik és a térfogata csekély mértékben csökken, de a folyamat során nem cserél hőt.
Ottó-ciklus
Az Otto-ciklus olyan fizikai átalakulások szekvenciája, amelyeket néhány munkaanyag, például benzin vagy etanol hajtott végre. Ezt a ciklust széles körben alkalmazzák a legtöbb személygépjárművet működtető belső égésű motorokban. Bár a gyakorlatban nem létezik, az Otto-ciklust úgy tervezték, hogy közelítsen egy Carnot-ciklust. Az alábbi ábra az Otto-ciklus szakaszait mutatja.
Én - 0-1. Folyamat: Izobár felvétel: Ebben a folyamatban levegő és benzin keverékét engedi a motor állandó nyomáson;
II - 1-2. Folyamat: Adiabatikus tömörítés - Ebben a folyamatban gyorsan növekszik a nyomás, amelyet a motor dugattyúi gyakorolnak, így nincs idő a hőcserékre;
III - 2-3-4. Folyamat: Égés állandó térfogaton (2-3) és adiabatikus tágulás (3-4) - Egy kis szikra szabályozott robbanást eredményez a levegő és a benzin keverékében, majd a motor gyorsan leereszkedik, ami a térfogat növekedését okozza, és nagy mennyiségű munka;
IV - 4-1-0. Folyamat: Izobár kimerültség - Nyissa ki a kipufogószelepeket, és hagyja, hogy az égő üzemanyag füstje állandó nyomáson távozzon a motorból.
A fent ismertetett lépéseket a következő ábra mutatja, amely a négyütemű motor, benzin vagy alkohol hajtja. A dugattyú mozgása a bemutatott helyzetben egyenértékű a leírt folyamatokkal:
Példák hőgépekre
Példák a hőgépekre:
Belső égésű motorok, például alkohol, benzin és dízel motorok;
Gőzgépek;
Termoelektromos erőművek.
Hőgépek és az ipari forradalom
A hőgépek fontos szerepet játszottak a társadalom technológiai fejlődésében. Miután tökéletesítette JamesWatt, gőzüzemű hőgépek lehetővé tették az ipari forradalom megtörténését, ami gyökeresen megváltoztatta a világot.
Szeretne többet megtudni erről a témáról? Hozzáférés a következő szöveghez: Ipari forradalom.
Hűtőszekrények
A hűtőszekrények vagy hűtőgépek fordított hőgépek. Ezekben az eszközökben a motor belsejében lévő gáz alatt kell munkát végezni, hogy az a környezetből származó hőt elnyelve táguljon. Hűtőszekrények például: hűtőszekrények, fagyasztók és légkondicionáló.
Ha többet szeretne megtudni az ilyen típusú gépek működéséről, keresse fel a következő cikkünket: a hűtőszekrények működése és tulajdonságai.
Gyakorlatok termikus gépeken
1. Feladat) A hőgép minden működési ciklusban 500 J hőt kap forró forrásból. Ha ez a gép 350 J hőt enged el hűtőbordájához, akkor mekkora lesz az energiahatékonysága százalékban?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Sablon: C betű
Felbontás:
A testmozgás biztosítja a hőmennyiséget, amelyre a gépnek szüksége van egy ciklus alatt történő működéshez, így a Q-ra vonatkozó képlettel meghatározhatjuk a teljesítményétQ és QF, Néz:
A fenti számítás azt mutatja, hogy az egyes ciklusokban a motor számára rendelkezésre álló hőenergia csak 30% -a alakul át mechanikai munkává.
2. gyakorlat) A Carnot-cikluson működő gép hő- és hidegforrás-hőmérséklete 600, illetve 400 k. Ez a gép minden ciklusban 800 j hőt enged le a legalacsonyabb hőmérsékletű forráshoz. Számítsa ki a gép által minden ciklusban elnyelt forró hő mennyiségét és annak hatékonyságát százalékban, majd jelölje meg a megfelelő alternatívát.
a) 67% és 320 j
b) 33% és 1200 j
c) 33% és 1900 j
d) 62% és 1900 j
e) 80% és 900 j
Sablon: B betű
Felbontás:
Először számítsuk ki a szóban forgó hőmotor hatékonyságát. Ehhez a hideg és meleg források hőmérsékletét fogjuk használni:
Az utasításban megadott hőmérsékleti értékek felhasználásával meg kell oldanunk a következő számítást:
A gép által az egyes ciklusokban elnyelt hőmennyiség kiszámításához egyszerű a Carnot-tétel:
A számítás megoldásához csak cserélje ki a gyakorlat adatait a fenti képletben.
Általam. Rafael Helerbrock
Forrás: Brazil iskola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
