מכונותתרמיקות הם מכשירים המסוגלים להפוך אנרגיה תרמית ל- עבודה מכנית. כל מכונה תרמית זקוקה למקור חוֹם ושל חומר עובד המסוגל לשנות את נפחו וכתוצאה מכך להזיז מנגנון כלשהו, כגון שסתומים או בוכנות.
אתה מנועי בעירה פנימית, כמו אלה שנוהגים במכוניות של ימינו, הם דוגמאות למכונות תרמיות. הם סופגים את החום המופק משריפת תערובת של דלק ואוויר, המוזרקים מעת לעת לצילינדרים שלהם.
באופן זה, חלק מהאנרגיה שמשתחררת במהלך הפיצוץ מומרת לעבודה, דרך ה- תנועת בוכנה - אחד החלקים הנעים של המנוע, המשמש להמרת אנרגיה תרמית לאנרגיה קינטיקה.
כיצד פועלות מכונות תרמיות?
כל המכונות התרמיות פועלות על פי א מחזורתרמודינמי, כלומר רצפי מצבים תרמודינמיים החוזרים על עצמם. למחזורים אלה מצבים שונים של נפח, לחץ וטמפרטורה, אשר מיוצגים בדרך כלל על ידי גרפים של לחץ לעומת נפח. מחזורים תרמודינמיים מתוכננים בחיפוש אחר יעילות אנרגטית גדולה יותר, כלומר, תמיד מחפשים ייצור מנועים המסוגלים להפיק כמות גדולה של עבודה.
בכל מחזור תרמודינמי זה אפשרי לחשב עבודה בצורה גרפית. לכן, יש צורך לחשב את שטח פנים הגרף, אשר יכול להיות מסובך לעשות אם המחזור המדובר בעל צורה לא סדירה. בנוסף, כיוון החצים, בכיוון השעון או נגד כיוון השעון, מציין אם המחזור המדובר הוא מחזור של מכונה תרמית או מקרר. לבדוק:
מחזור בכיוון השעון: אם כיוון המחזור הוא בכיוון השעון, המחזור הוא של מנוע חום, הסופג חום ומייצר עבודה.
מחזור נגד כיוון השעון: במקרה בו כיוון המחזור הוא נגד כיוון השעון, עליו לקבל עבודה מכנית ולשחרר חום, כמו במקרה של מנועי מקרר.
לכל מכונה תרמית תצורה דומה: יש לה מָקוֹרבחוֹם (מקור חם), ממנו הוא שואב את האנרגיה הדרושה להפעלתו, וא כִּיוֹר (מקור קר), שבו חלק מהחום הנספג מתפזר. שימו לב לתרשים הבא:
על פי החוק הראשון של התרמודינמיקה, מכונות תרמיות צריכות לקבל כמות מסוימת של חום לעבודה. עם זאת, רק חלק קטן מכמות החום הזו, שהיא סוג של אנרגיה, יכול להיות הוסב לעבודה שימושית.
הסיבות למגבלה זו הן בעצם שתיים: הראשונה נוגעת ליכולת הטכנית לייצר מכונה שאינה מתפזרת אנרגיה - וזה בלתי אפשרי - והשנייה היא מגבלה של הטבע עצמו: לפי החוק השני של התרמודינמיקה, שום מכונה תרמית לא יכולה להציג א תְשׁוּאָה 100%. בדוק מה אומר החוק השני של התרמודינמיקה, המכונה חוק אנטרופיהעל פי הצהרתו של קלווין:
"לא ייתכן שמערכת כלשהי, בטמפרטורה מסוימת, תספוג חום ממקור ותמיר אותה באופן מלא בעבודה מכנית, ללא שינויים במערכת זו או שלה שכונות. ”
הצהרתו של קלווין נוגעת ל הֲמָרָהבלתי נפרד של חום בעבודה מכנית, וקבע שזהו בלתי אפשרי ללא "שינויים" במערכת. שינוי זה מתייחס להשפעה של אנטרופיה: כאשר מסירים חום ממקור חם כלשהו, חלק מהאנרגיה הזו מושפלת לצורות אנרגיה פחות שימושיות. ישנם תהליכי השפלה רבים של אנרגיה: רטט של חלקים מכניים, חיכוך בין חלקים למסבים, חום המופץ לסביבה החיצונית, הפקת רעשים נשמעים וכו '.
ראה גם: למד על ההיסטוריה של מכונות תרמיות
מפת חשיבה: מכונות תרמיות
* להורדת מפת החשיבה ב- PDF, לחץ כאן!
ביצועים של מכונות תרמיות
ניתן לחשב את היעילות של כל מכונה תרמית כיחס בין העבודה המכנית שהיא מייצרת לכמות החום שהיא סופגת ממקור חם כלשהו:
η - ביצועים
τ - עבודה מכנית (J - ג'אול או ליים - קלוריות)
שש – חום מהמקור החם (J - ג'אול או ליים - קלוריות)
עבודה מכנית, בתורו, נקבעת על ידי ההבדל בין כמויות החום "חם" ו"קר ", אם כן, אנו יכולים לכתוב את הביצועים של מכונות תרמיות באמצעות אלה כמיות:
שF - חום הניתן למקור הקור
מבקש לקבוע מה יהיו מאפייני המחזור התרמודינמי "המושלם", הפיזיקאי הצרפתי סאדיקרנו פיתח מחזור שלפחות תיאורטית מציג את גדול יותריְעִילוּתאפשרי למכונה תרמית הפועלת באותן טמפרטורות.
מחזור זה, המכונה מחזור קרנוט, נקרא עממי מכונת קרנו, אינה מכונה אמיתית, שכן עד היום אי-אפשריים טכניים ומעשיים מנעו בנייה של מכונה כזו.
ראה גם:מהו חום סמוי?
משפט קרנו
או מִשׁפָּטבקרנו, שהוכרז בשנת 1824, קובע כי אפילו המכונה התרמית האידיאלית, שאינה מפיצה כל כמות אנרגיה עקב חיכוך בין בחלקים הנעים שלה, יש מגבלת תפוקה מקסימלית, שתלויה ביחס בין הטמפרטורות של מקור החם והקור שלה, בהתחשב קלווין:
טש - טמפרטורת מקור חמה (K)
טF - טמפרטורת מקור קר (K)
בניתוח הנוסחה לעיל, ניתן לראות כי המכונה התרמית האידיאלית הביצועים שלה נקבעים אך ורק על ידי טמפרטורות המקורות החמים והקרים שלה. בנוסף, כדי שתשואתה תהיה 100%, יהיה צורך ב- TF היה אפס, כלומר 0 K, הטמפרטורה של אפס מוחלט. עם זאת, על פי החוק השלישי של התרמודינמיקה, טמפרטורה כזו אינה ניתנת להשגה.
נוסחת היעילות המוצגת לעיל תקפה רק למכונות תרמיות הפועלות על פי מחזור קרנוט. בנוסף, המשפט מראה גם שיחס הטמפרטורות TF ו- תש שווה ליחס בין כמויות החום QF ושש:
ראה גם:למידע נוסף על ביצועי מכונות תרמיות
מחזור קרנוט
או מחזור קרנוט זה מתקיים בארבעה שלבים (או ארבעה פעימות). מחזור זה נוצר על ידי שניים טרנספורמציות אדיאבטיות זה שניים טרנספורמציות איזותרמיות. טרנספורמציות אדיאבטיות הן אלה שאין בהן חילופי חום, ואילו טרנספורמציות איזותרמיות הן אלה שאין בהן וריאציה בטמפרטורה, וכתוצאה מכך האנרגיה הפנימית של חומר העבודה האחראי על הזזת מנוע החום נותרה קָבוּעַ.
האיור הבא מייצג את מחזור קרנו וארבעת השלבים שלו. לבדוק:
אני - התרחבות איזותרמית: בשלב זה, חומר העבודה מתרחב, שומר על הטמפרטורה הקבועה שלו, מבצע עבודה ומקבל חום מהמקור החם.
II - התרחבות אדיאבטית: בשלב זה חומר העבודה מתרחב מעט ועובד מבלי לקבל חום.
III - כיווץ איזותרמי: בשלב זה נפח הגז פוחת, לחץו עולה וטמפרטורתו נשארת קבועה, בנוסף הגז מאבד חום למקור הקור. בשלב זה מתבצעת עבודה על הגז.
IV - כיווץ אדיאבטי: לגז יש עלייה מהירה בלחץ וירידה מועטה בנפח, אך הוא אינו מחליף חום במהלך התהליך.
מחזור אוטו
מחזור אוטו הוא רצף של טרנספורמציות פיזיות שעוברות חומר עובד כלשהו כמו בנזין או אתנול. מחזור זה נמצא בשימוש נרחב במנועי הבעירה הפנימית המניעים את מרבית רכבי הנוסעים. למרות שזה לא קיים בפועל, מחזור אוטו תוכנן בכדי לקרוב למחזור קרנו. האיור שלהלן מציג את שלבי מחזור אוטו.
אני - תהליך 0-1: קבלה איזוברית: בתהליך זה מכניסים מנוע תערובת של אוויר ובנזין בלחץ קבוע;
II - תהליך 1-2: דחיסה אדיאבטית - בתהליך זה, יש עלייה מהירה בלחץ המופעלת על ידי בוכנות המנוע, כך שאין זמן לחילופי חום;
III - תהליך 2-3-4: בעירה בנפח קבוע (2-3) והתפשטות אדיאבטית (3-4) - ניצוץ קטן מייצר פיצוץ מבוקר בתערובת של אוויר ובנזין ואז את הבוכנה של המנוע יורד במהירות, גורם לגידול בנפח ומייצר כמות גדולה של עֲבוֹדָה;
IV - תהליך 4-1-0: תשישות איזוברית - שסתומי הפליטה נפתחים ומאפשרים לעשן מהדלק הבוער לצאת מהמנוע בלחץ קבוע.
השלבים שהוסברו לעיל מוצגים באיור הבא, המייצג את שלבי ההפעלה של א מנוע ארבע פעימות, מופעל על ידי בנזין או אלכוהול. תנועת הבוכנה בכל אחת מהמצבים המוצגים שקולה לתהליכים המתוארים:
דוגמאות למכונות תרמיות
דוגמאות למכונות תרמיות הן:
מנועי בעירה פנימית, כמו אלה המונעים על ידי אלכוהול, בנזין וסולר;
מנועי קיטור;
תחנות כוח תרמו-חשמל.
מכונות תרמיות והמהפכה התעשייתית
מכונות תרמיות מילאו תפקיד חשוב בהתפתחות הטכנולוגית של החברה. לאחר שהושלם על ידי ג'יימסוואט, מכונות תרמיות המונעות על ידי קיטור אפשרו למהפכה התעשייתית לקרות, ושינו את העולם באופן קיצוני.
האם תרצה לדעת יותר על נושא זה? גש לטקסט שלנו אודות מהפכה תעשייתית.
מקררים
מקררים, או מכונות קירור, הם מכונות תרמיות הפוכות. במכשירים אלה יש צורך לבצע עבודות מתחת לגז בתוך המנוע כך שהוא יתרחב על ידי ספיגת חום מהסביבה. דוגמאות למקררים הן: מקררים, מקפיאים ומיזוג אוויר.
אם אתה רוצה לדעת יותר על אופן הפעולה של מכונות מסוג זה, בקר בטקסט שלנו בנושא תפעול ותכונות של מקררים.
תרגילים במכונות תרמיות
תרגיל 1) מכונה תרמית מקבלת 500 J חום ממקור חם בכל מחזור פעולה. אם מכונה זו תפיג 350 J חום לכיור הקר שלה, מה תהיה יעילות האנרגיה שלה באחוזים?
א) 42%
ב) 50%
ג) 30%
ד) 35%
ה) 25%
תבנית: אות ג '
פתרון הבעיה:
תרגיל מספק את כמויות החום הדרושות למכונה להפעלה במהלך מחזור, כך שנוכל לקבוע את ביצועיה באמצעות הנוסחה המתייחסת ל- Qש ושF, תראה:
החישוב לעיל מצביע על כך שרק 30% מהאנרגיה התרמית העומדת לרשות המנוע בכל מחזור הופכת לעבודה מכנית.
תרגיל 2) למכונה הפועלת במחזור קרנו טמפרטורות המקור החמות והקרות שלה הן 600 k ו- 400 k, בהתאמה. מכונה זו מפזרת 800 ג'י חום למקור הטמפרטורה הנמוך ביותר בכל מחזור. חשב את כמות החום החם שנספגת המכונה בכל מחזור ואת יעילותו באחוזים, ואז סמן את החלופה הנכונה.
א) 67% ו- 320 j
ב) 33% ו- 1200 j
ג) 33% ו- 1900 י
ד) 62% ו- 1900 י
ה) 80% ו- 900 י '
תבנית: אות ב '
פתרון הבעיה:
ראשית, בואו נחשב את היעילות של מנוע החום המדובר. לשם כך נשתמש בטמפרטורות של המקורות החמים והקרים:
באמצעות ערכי הטמפרטורה המפורטים בהצהרה, עלינו לפתור את החישוב הבא:
כדי לחשב את כמות החום שהמכונה סופגת בכל מחזור היא פשוטה, פשוט השתמש במשפט של קרנו:
כדי לפתור את החישוב, פשוט החלף את נתוני התרגיל בנוסחה לעיל.
על ידי רפאל הלרברוק
מָקוֹר: בית ספר ברזיל - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm