サーマルマシン：それらが何であるか、マインドマップなど

機械サーマル 熱エネルギーをに変換することができるデバイスです機械的作業. すべての熱機械には、熱そして、その体積を変更し、その結果、バルブやピストンなどの何らかのメカニズムを動かすことができる作動物質の。

君は 内燃エンジン、今日の車を運転するもののように、 サーマルマシンの例. 燃料と空気の混合気を燃焼させることで発生する熱を吸収し、定期的にシリンダーに噴射します。

このようにして、爆発中に放出されるエネルギーの一部は、ピストンの動き-熱エネルギーをエネルギーに変換するために使用される、エンジンの可動部分の1つ動力学。

サーマルマシンはどのように機能しますか？

すべてのサーマルマシンは、次のように動作します。 サイクル熱力学、 つまり、繰り返される熱力学的状態のシーケンスです。これらのサイクルには、体積、圧力、および温度のさまざまな状態があり、通常、圧力と体積のグラフで表されます。熱力学的サイクルは、より高いエネルギー効率を求めて設計されています。つまり、大量の仕事を抽出できるエンジンの製造が常に求められています。

どの熱力学サイクルでも、それは可能です 仕事をグラフィカルに計算する. したがって、グラフの内部の面積を計算する必要があります。これは、問題のサイクルが不規則な形状である場合、実行が複雑になる可能性があります。さらに、矢印の方向（時計回りまたは反時計回り）は、問題のサイクルが熱機械のサイクルであるか冷蔵庫のサイクルであるかを示します。チェックアウト：

時計回りのサイクル： サイクルの方向が時計回りの場合、サイクルは熱機関の方向であり、熱を吸収して仕事を生み出します。
反時計回りのサイクル： サイクルの方向が反時計回りの場合、冷蔵庫のモーターのように、機械的な仕事を受けて熱を放出する必要があります。

すべてのサーマルマシンは同様の構成を持っています：それは ソースに熱（熱源）、それはその操作に必要なエネルギーを抽出し、そして シンク （冷熱源）、吸収された熱の一部が放散される場所。次のスキームに注意してください。

による熱力学の第一法則、サーマルマシンは、動作するために一定量の熱を受け取る必要があります。ただし、エネルギーの一形態であるその量の熱のごく一部しか 有用な作品に変換.

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この制限の理由は本質的に2つです。1つ目は、散逸しない機械を製造するための技術的能力に関するものです。エネルギー–これは不可能です–そして2番目は自然そのものの制限です：熱力学の第二法則により、熱力学はできません提示する産出 100％。熱力学の第二法則が言うことをチェックしてください。 エントロピーの法則、ケルビンの声明によると：

「特定の温度では、どのシステムも熱源から熱を吸収して変換することはできません。このシステムまたはそのシステムに変更を加えることなく、完全に機械的な作業を行う近所。」

ケルビンの声明は変換積分機械的作業における熱の 不可能 システムに「変更」が発生することはありません。この変化は、エントロピーの影響を示しています。ある高温源から熱を取り除くと、そのエネルギーの一部は、あまり役に立たない形のエネルギーに分解されます。機械部品の振動、部品とベアリング間の摩擦、外部環境への熱放散、可聴ノイズの発生など、多くのエネルギー劣化プロセスがあります。

も参照してください： 熱機械の歴史について学ぶ

マインドマップ：サーマルマシン

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サーマルマシンの性能

熱機械の効率は、熱源から吸収する熱量に対する、熱機械が生成する機械的仕事の比率として計算できます。

η -パフォーマンス

τ –機械的仕事（J –ジュールまたはライム–カロリー）

Q_Q – 熱源からの熱（J-ジュールまたはライム-カロリー）

次に、機械的仕事は熱量の差によって決定されますしたがって、「高温」と「低温」は、これらを介して熱機械の性能を書き込むことができます量：

Q_F –冷熱源に与えられる熱

「完璧な」熱力学的サイクルの特徴が何であるかを決定しようとしている、フランスの物理学者 サディカルノー 少なくとも理論的には、 より大きい効率可能同じ温度で動作するサーマルマシンの場合。

このサイクルは、 カルノーサイクル、通称カルノーマシン今日まで、技術的および実用的な不可能性がそのような機械の建設を妨げていたので、は実際の機械ではありません。

も参照してください：潜熱とは何ですか？

カルノーの定理

O 定理にカルノーは、1824年に発表され、摩擦によってエネルギーを消費しない理想的な熱機械でさえも確立しています。その可動部品には、最大降伏限界があります。これは、次の式で与えられる、高温源と低温源の温度の比率に依存します。ケルビン：

T_Q –ホットソース温度（K）

T_F –コールドソース温度（K）

上記の式を分析すると、理想的な熱機械の性能は、高温源と低温源の温度によってのみ決定されることがわかります。また、収率を100％にするためには、Tが必要です。_F はゼロ、つまり0 K、絶対零度の温度でした。しかし、によると 熱力学の第3法則、そのような温度は達成できません。

上記の効率式は、カルノーサイクルに従って動作する熱機械にのみ有効です。さらに、定理はまた、温度の比率T_F およびT_Q 熱量Qの比率に等しい_F とQ_Q:

も参照してください：サーマルマシンのパフォーマンスの詳細

カルノーサイクル

O カルノーサイクルそれは4つの段階（または4つのビート）で行われます。このサイクルは2つによって形成されます断熱変換それは2つです等温変換. 断熱変換は熱交換がない変換であり、等温変換は熱交換がない変換です。温度変化、したがって、熱機関の移動に関与する作動物質の内部エネルギーは残ります絶え間ない。

次の図は、カルノーサイクルとその4つの段階を表しています。チェックアウト：

I-等温膨張： このステップでは、作動物質が膨張し、一定の温度を維持し、作業を実行し、高温源から熱を受け取ります。

II-断熱膨張： この段階で、作動物質は少し膨張し、熱を受けずに働きます。

III-等温収縮： この段階で、ガスの体積は減少し、圧力は上昇し、温度は一定に保たれます。さらに、ガスは冷熱源に熱を失います。この段階で、ガスの作業が行われます。

IV-断熱収縮： ガスの圧力は急激に上昇し、体積はほとんど減少しませんが、プロセス中に熱を交換することはありません。

オットーサイクル

オットーサイクルは、ガソリンやエタノールなどの作動物質が受ける一連の物理的変換です。このサイクルは、ほとんどの乗用車に動力を供給する内燃エンジンで広く使用されています。実際には存在しませんが、オットーサイクルはカルノーサイクルを近似するように設計されています。下の図は、オットーサイクルの段階を示しています。

私 - プロセス0-1：等圧アドミッション：このプロセスでは、空気とガソリンの混合物が一定の圧力でエンジンに流入します。

II- プロセス1-2：断熱圧縮 –このプロセスでは、エンジンピストンによって加えられる圧力が急激に増加するため、熱交換が発生する時間はありません。

III-プロセス2-3-4：一定体積での燃焼（2-3）と断熱膨張（3-4）- 小さな火花は、空気とガソリンの混合物で制御爆破を引き起こし、次にピストンエンジンが急激に下降し、ボリュームが増加し、大量のエンジンが生成されます作業;

IV-プロセス4-1-0：等圧消耗 –排気バルブが開き、燃焼している燃料からの煙が一定の圧力でエンジンから排出されます。

上で説明した手順を次の図に示します。これは、 4ストロークエンジン、ガソリンまたはアルコールを動力源とします。示されている各位置でのピストンの動きは、説明されているプロセスと同等です。

サーマルマシンの例

サーマルマシンの例は次のとおりです。

アルコール、ガソリン、ディーゼルを動力源とする内燃機関。
蒸気機関;
熱電発電所。

熱機械と産業革命

熱機械は社会の技術発展に重要な役割を果たしました。によって完成した後 ジェームズワット、 蒸気動力の熱機械は産業革命を起こさせ、世界を根本的に変えました。

このテーマについてもっと知りたいですか？に関するテキストにアクセスする産業革命.

冷蔵庫

冷蔵庫、または冷凍機は、倒立型熱機械です。これらの装置では、周囲の熱を吸収して膨張するように、エンジン内部のガスの下で作業を行う必要があります。冷蔵庫の例としては、冷蔵庫、冷凍庫、エアコンなどがあります。

このタイプのマシンがどのように機能するかについて詳しく知りたい場合は、冷蔵庫の操作と特性。

サーマルマシンの演習

演習1） サーマルマシンは、動作サイクルごとに熱源から500Jの熱を受け取ります。このマシンが350Jの熱をコールドシンクに放散する場合、そのエネルギー効率は何パーセントになりますか？

a）42％

b）50％

c）30％

d）35％

e）25％

テンプレート： 文字C

解決:

エクササイズは、サイクル中にマシンが動作するために必要な熱量を提供するため、Qに関連する式を使用してそのパフォーマンスを決定できます。_Q とQ_F、見て：

上記の計算は、各サイクルでモーターが利用できる熱エネルギーの30％のみが機械的仕事に変換されることを示しています。

演習2） カルノーサイクルで動作するマシンの高温源温度と低温源温度は、それぞれ600kと400kです。このマシンは、各サイクルで800jの熱を最低温度源に放散します。各サイクルでマシンが吸収する熱熱の量とその効率をパーセンテージで計算し、正しい代替案をマークします。

a）67％および320 j

b）33％および1200 j

c）33％および1900 j

d）62％および1900 j

e）80％および900 j

テンプレート： 文字B

解決:

まず、問題の熱機関の効率を計算しましょう。このために、ホットソースとコールドソースの温度を使用します。

ステートメントで通知された温度値を使用して、次の計算を解決する必要があります：

マシンが各サイクルで吸収する熱量を計算するのは簡単です。カルノーの定理を使用するだけです。

計算を解決するには、上記の式の運動データを置き換えるだけです。

私によって。ラファエル・ヘラーブロック

ソース： ブラジルの学校- https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm