მანქანებითერმულები არის მოწყობილობები, რომლებსაც შეუძლიათ თერმული ენერგიის გარდაქმნა მექანიკური სამუშაო. ყველა თერმულ მანქანას სჭირდება წყარო სიცხე და სამუშაო ნივთიერება, რომელსაც შეუძლია შეცვალოს მისი მოცულობა და, შესაბამისად, გადაადგილდეს რაიმე მექანიზმი, მაგალითად, სარქველები ან დგუშები.
შენ შიდა წვის ძრავებიისევე, როგორც ისინი, ვინც დღევანდელ მანქანებს მართავენ თერმული მანქანების მაგალითები. ისინი აღიქვამენ სითბოს, რომელიც წარმოიქმნება საწვავისა და ჰაერის ნარევის დაწვის შედეგად, რომელიც პერიოდულად შეჰყავთ მათ ბალონებში.
ამ გზით, ენერგიის ნაწილი, რომელიც გამოიყოფა აფეთქების დროს, გადაქცეულია სამუშაოში დგუშის მოძრაობა - ძრავის ერთ – ერთი მოძრავი ნაწილი, რომელიც გამოიყენება თერმული ენერგიის ენერგიად გადასაკეთებლად კინეტიკა.
როგორ მუშაობს თერმული მანქანები?
ყველა თერმული მანქანა მუშაობს ა ციკლითერმოდინამიკური, ეს არის თერმოდინამიკური მდგომარეობების მიმდევრობა, რომლებიც მეორდება. ამ ციკლებს აქვთ სხვადასხვა მოცულობის, წნევისა და ტემპერატურის მდგომარეობა, რომლებიც, როგორც წესი, წარმოდგენილია წნევის გრაფიკით მოცულობასთან მიმართებაში. თერმოდინამიკური ციკლი შექმნილია უფრო მეტი ენერგოეფექტურობის მოსაძებნად, ანუ ძრავების წარმოება, რომელთაც დიდი მოცულობის შრომის მოპოვება შეეძლებათ.
ნებისმიერ თერმოდინამიკურ ციკლში შესაძლებელია გამოთვალეთ სამუშაო გრაფიკულად. აქედან გამომდინარე, საჭიროა გრაფის ინტერიერის ფართობის გამოთვლა, რაც შეიძლება გართულდეს, თუ მოცემულ ციკლს არარეგულარული ფორმა აქვს. გარდა ამისა, ისრების მიმართულება, საათის ისრის ან საწინააღმდეგოდ, მიუთითებს არის თუ არა მოცემული ციკლი თერმული მანქანის ან მაცივრის ციკლი. შეამოწმეთ:
საათის ისრის ციკლი: თუ ციკლის მიმართულება საათის ისრის მიმართულებით არის, ეს ციკლი არის სითბოს ძრავა, რომელიც შთანთქავს სითბოს და წარმოქმნის მუშაობას.
საათის ისრის საწინააღმდეგო ციკლი: იმ შემთხვევაში, თუ ციკლის მიმართულება საათის ისრის საწინააღმდეგოა, მას სჭირდება მექანიკური მუშაობის მიღება და სითბოს გამოყოფა, როგორც მაცივრის ძრავების შემთხვევაში.
ყველა თერმული მანქანას აქვს მსგავსი კონფიგურაცია: მას აქვს a წყაროწელსსიცხე (ცხელი წყარო), საიდანაც იგი მოიპოვებს ენერგიას, რომელიც აუცილებელია მისი მუშაობისთვის და ა ნიჟარა (ცივი წყარო), სადაც შთანთქავს სითბოს ნაწილს. გაითვალისწინეთ შემდეგი დიაგრამა:
თანახმად თერმოდინამიკის პირველი კანონი, თერმული დანადგარები მუშაობისთვის საჭიროა გარკვეული რაოდენობის სითბოს მიღება. ამასთან, სითბოს ამ რაოდენობის მხოლოდ მცირე ნაწილი, რაც ენერგიის ფორმაა, შეიძლება იყოს სასარგებლო ნაწარმოებად გადაკეთდა.
ამ შეზღუდვის მიზეზები არსებითად ორია: პირველი ეხება ტექნიკურ შესაძლებლობებს აწარმოოს მანქანა, რომელიც არ იშლება ენერგია - რაც შეუძლებელია - და მეორე არის თვით ბუნების შეზღუდვა: თერმოდინამიკის მე -2 კანონის თანახმად, ვერავითარი თერმული მანქანა ვერ წარმოადგინოს ა სარგებელი 100% გაეცანით რას ამბობს თერმოდინამიკის მე -2 კანონი, ცნობილი როგორც ენტროპიის კანონიკელვინის განცხადების თანახმად:
”შეუძლებელია რომელიმე სისტემამ, გარკვეულ ტემპერატურაზე, მიიღოს სითბო წყაროდან და გარდაქმნას იგი სრულად მექანიკურ მუშაობაში, ამ სისტემაში ცვლილებების გარეშე უბნები ”.
კელვინის განცხადება ეხება მოქცევაგანუყოფელი სითბოს მექანიკურ მუშაობაში, სადაც ნათქვამია, რომ ეს არის შეუძლებელია სისტემაში "ცვლილებების" გარეშე. ეს ცვლილება ეხება ენტროპიის ეფექტს: ზოგიერთი ცხელი წყაროდან სითბოს მოცილებისას, ამ ენერგიის ნაწილი იშლება ენერგიის ნაკლებად სასარგებლო ფორმებად. არსებობს მრავალი ენერგიის დეგრადაციის პროცესი: მექანიკური ნაწილების ვიბრაცია, ხახუნი ნაწილებსა და საკისრებს შორის, გარე გარემოში გაფანტული სითბო, გასაგები ხმების წარმოება და ა.შ.
იხილეთ აგრეთვე: გაეცანით თერმული მანქანების ისტორიას
გონების რუკა: თერმული მანქანები
* გონებრივი რუქის PDF გადმოსაწერად, Დააკლიკე აქ!
თერმული მანქანების შესრულება
ნებისმიერი თერმული მანქანის ეფექტურობა შეიძლება გამოითვალოს, როგორც მის მიერ წარმოებული მექანიკური მუშაობის თანაფარდობა სითბოს რაოდენობას, რომელიც მას შთანთქავს ზოგიერთი ცხელი წყაროდან:
η - Შესრულება
τ - მექანიკური სამუშაოები (J - ჯოული ან ცაცხვი - კალორია)
QQ – სითბოს ცხელი წყაროდან (J - ჯოული ან ცაცხვი - კალორია)
მექანიკური მუშაობა, თავის მხრივ, განისაზღვრება სითბოს რაოდენობას შორის სხვაობით "ცხელი" და "ცივი", ამიტომ თერმული დანადგარების მუშაობის დაწერა შეგვიძლია ამის საშუალებით რაოდენობა:
Qვ - ცივი წყაროსთვის მიცემული სითბო
ფრანგი ფიზიკოსი ცდილობდა გაერკვია, თუ რა მახასიათებლები იქნებოდა "სრულყოფილი" თერმოდინამიკური ციკლისთვის სადიხახვი შეიმუშავა ციკლი, რომელიც, თეორიულად მაინც, წარმოადგენს უფრო დიდიეფექტურობაშესაძლებელია თერმული მანქანისთვის, რომელიც მუშაობს იმავე ტემპერატურაზე.
ეს ციკლი, ცნობილი როგორც კარნოტის ციკლი, ხალხში სახელწოდებით carnot მანქანა, არ არის ნამდვილი მანქანა, ვინაიდან დღემდე ტექნიკური და პრაქტიკული შეუძლებლობა ხელს უშლიდა ასეთი მანქანის მშენებლობას.
იხილეთ აგრეთვე:რა არის ლატენტური სითბო?
კარნოტის თეორემა
ო თეორემაწელსხახვი, რომელიც გამოქვეყნდა 1824 წელს, ადგენს, რომ იდეალური თერმული მანქანაც კი, რომელიც არ ანაწილებს ენერგიის რაიმე რაოდენობას ხახუნის გამო მის მოძრავ ნაწილებს აქვს მოსავლიანობის მაქსიმალური ზღვარი, რაც დამოკიდებულია მისი ცხელი და ცივი წყაროს ტემპერატურას შორის თანაფარდობაზე კელვინი:
თQ - ცხელი წყაროს ტემპერატურა (K)
თვ - ცივი წყაროს ტემპერატურა (K)
ზემოთ მოცემული ფორმულის გაანალიზებით, შესაძლებელია დავინახოთ, რომ იდეალურ თერმულ მანქანას მისი მოქმედება განსაზღვრავს მხოლოდ მისი ცხელი და ცივი წყაროების ტემპერატურაზე. გარდა ამისა, მისი მოსავალი 100% რომ იყოს, საჭირო იქნება თვ იყო ნულოვანი, ანუ 0 K, აბსოლუტური ნულის ტემპერატურა. ამასთან, შესაბამისად თერმოდინამიკის მე -3 კანონი, ასეთი ტემპერატურა მიუღწეველია.
ზემოთ ნაჩვენები ეფექტურობის ფორმულა მოქმედებს მხოლოდ თერმული მანქანებისთვის, რომლებიც მუშაობენ კარნო ციკლის შესაბამისად. გარდა ამისა, თეორემა ასევე გვიჩვენებს, რომ ტემპერატურის თანაფარდობა Tვ და თQ ტოლია თანაფარდობა სითბოს Q– ს შორისვ და QQ:
იხილეთ აგრეთვე:შეიტყვეთ მეტი თერმული მანქანის მუშაობის შესახებ
კარნოტის ციკლი
ო კარნოტის ციკლი ეს ხდება ოთხ ეტაპად (ან ოთხი დარტყმა). ამ ციკლს ორი ქმნის ადიაბატური გარდაქმნები ეს ორია იზოთერმული გარდაქმნები. ადიაბატური გარდაქმნები არის ის, რომელშიც არ ხდება სითბოს გაცვლა, ხოლო იზოთერმული გარდაქმნები არის ის, რომელშიც არ არის ტემპერატურის ცვალებადობა და, შესაბამისად, სამუშაო ნივთიერების შიდა ენერგია რჩება სითბოს ძრავის გადაადგილებაზე მუდმივი
შემდეგი სურათი წარმოადგენს კარნოტის ციკლს და მის ოთხ ეტაპს. შეამოწმეთ:
I - იზოთერმული გაფართოება: ამ ეტაპზე სამუშაო ნივთიერება ფართოვდება, ინარჩუნებს მუდმივ ტემპერატურას, ასრულებს მუშაობას და იღებს სითბოს ცხელი წყაროდან.
II - ადიაბატური გაფართოება: ამ ეტაპზე სამუშაო ნივთიერება ოდნავ ფართოვდება და მუშაობს სითბოს მიღების გარეშე.
III - იზოთერმული შეკუმშვა: ამ ეტაპზე აირის მოცულობა მცირდება, მისი წნევა იზრდება და ტემპერატურა უცვლელი რჩება, გარდა ამისა, გაზი კარგავს სითბოს ცივი წყაროსთან. ამ ეტაპზე სამუშაოები მიმდინარეობს გაზზე.
IV - ადიაბატური შეკუმშვა: გაზს აქვს წნევის სწრაფი ზრდა და მოცულობის მცირედი შემცირება, მაგრამ ის პროცესში არ ცვლის სითბოს.
ოტოს ციკლი
ოტოს ციკლი არის ფიზიკური გარდაქმნების თანმიმდევრობა, რომელსაც განიცდის ზოგიერთი მოქმედი ნივთიერება, როგორიცაა ბენზინი ან ეთანოლი. ეს ციკლი ფართოდ არის გამოყენებული შიდა წვის ძრავებში, რომლებიც უვლიან უმეტეს სამგზავრო მანქანებს. მიუხედავად იმისა, რომ ეს პრაქტიკაში არ არსებობს, ოტოს ციკლი შეიქმნა კარნოტის ციკლის მიახლოებისთვის. ქვემოთ მოცემულ ფიგურაში ნაჩვენებია ოტოს ციკლის ეტაპები.
ᲛᲔ - პროცესი 0-1: იზობარული მიღება: ამ პროცესში, ძრავის მიერ მუდმივი წნევის დროს მიიღება ჰაერისა და ბენზინის ნარევი;
II - 1-2 პროცესი: ადიაბატური შეკუმშვა - ამ პროცესში ხდება წნევის სწრაფი ზრდა, რომელსაც ახდენენ ძრავის დგუშები, ისე, რომ სითბოს გაცვლის დრო აღარ დარჩეს;
III - პროცესი 2-3-4: წვა მუდმივი მოცულობით (2-3) და ადიაბატური გაფართოება (3-4) - მცირე ნაპერწკალი ქმნის კონტროლირებად აფეთქებას ჰაერისა და ბენზინის ნარევში, შემდეგ კი დგუშიდან ძრავა სწრაფად ეშვება, რაც იწვევს მოცულობის ზრდას და დიდი რაოდენობით წარმოქმნის მუშაობა;
IV - პროცესი 4-1-0: იზობარული ამოწურვა - გამონაბოლქვი სარქველები იხსნება და იწვის საწვავის კვამლი ძრავისგან მუდმივი წნევის დროს.
ზემოთ აღწერილი ნაბიჯები ნაჩვენებია შემდეგ ფიგურაში, რომელიც წარმოადგენს a ოთხი ინსულტის ძრავა, იკვებება ბენზინით ან ალკოჰოლით. დგუშის მოძრაობა თითოეულ ნაჩვენებ პოზიციაში უდრის აღწერილ პროცესებს:
თერმული მანქანების მაგალითები
თერმული მანქანების მაგალითებია:
შინაგანი წვის ძრავები, როგორიცაა ალკოჰოლით, ბენზინითა და დიზელით მომუშავე ძრავები;
ორთქლის ძრავები;
თბოელექტროსადგურები.
თერმული მანქანები და ინდუსტრიული რევოლუცია
თერმული მანქანები მნიშვნელოვან როლს ასრულებდნენ საზოგადოების ტექნოლოგიურ განვითარებაში. სრულყოფის შემდეგ ჯეიმსვატი, ორთქლზე მომუშავე თერმული დანადგარები საშუალებას აძლევდა ინდუსტრიულ რევოლუციას, რაც რადიკალურად შეცვლის სამყაროს.
გსურთ გაიგოთ მეტი ამ თემის შესახებ? ჩვენს ტექსტზე წვდომა ინდუსტრიული რევოლუცია.
მაცივრები
მაცივრები ან მაცივრები ინვერსიული თერმული დანადგარებია. ამ მოწყობილობებში აუცილებელია ძრავის შიგნით გაზის ქვეშ სამუშაოების ჩატარება ისე, რომ იგი გაფართოვდეს გარემოდან სითბოს შეწოვით. მაცივრების მაგალითებია: მაცივრები, საყინულეები და კონდიციონერი.
თუ გსურთ გაიგოთ მეტი, თუ როგორ მუშაობს ამ ტიპის მანქანა, ეწვიეთ ჩვენს ტექსტს მაცივრების ფუნქციონირება და თვისებები.
ვარჯიშები თერმულ მანქანებზე
სავარჯიშო 1) მუშაობის ყოველი ციკლი თერმული მანქანა იღებს ცხელ წყაროს 500 J სითბოს. თუ ეს მანქანა 350 J სითბოს აცილებს მის ცივ ჩაძირვას, რა პროცენტული იქნება მისი ენერგოეფექტურობა?
ა) 42%
ბ) 50%
გ) 30%
დ) 35%
ე) 25%
შაბლონი: წერილი C
რეზოლუცია:
სავარჯიშო უზრუნველყოფს სითბოს რაოდენობას, რომელიც მანქანას სჭირდება ციკლის განმავლობაში მუშაობისთვის, ასე რომ, ჩვენ შეგვიძლია განვსაზღვროთ მისი შესრულება ფორმულის გამოყენებით,Q და Qვ, შეხედე:
ზემოთ გაანგარიშებით მითითებულია, რომ ძრავისთვის ხელმისაწვდომი თერმული ენერგიის მხოლოდ 30% თითოეულ ციკლში გარდაიქმნება მექანიკურ სამუშაოებად.
სავარჯიშო 2) კარნოტის ციკლზე მომუშავე მანქანას აქვს ცხელი და ცივი წყაროს ტემპერატურა, შესაბამისად, 600 კ და 400 კ. ეს მანქანა აცილებს 800 კ სითბოს თითოეულ ციკლში ყველაზე დაბალი ტემპერატურის წყაროსთან. გამოთვალეთ მანქანაში თითოეული ციკლის დროს ათვისებული ცხელი სითბოს რაოდენობა და მისი ეფექტურობა პროცენტულად, შემდეგ მონიშნეთ სწორი ალტერნატივა.
ა) 67% და 320 კ
ბ) 33% და 1200 კ
გ) 33% და 1900 კ
დ) 62% და 1900 კ
ე) 80% და 900 კ
შაბლონი: ასო ბ
რეზოლუცია:
პირველი, მოდით გამოვთვალოთ გათბობის ძრავის ეფექტურობა. ამისათვის გამოვიყენებთ ცხელი და ცივი წყაროების ტემპერატურას:
განცხადებაში მოცემული ტემპერატურის მნიშვნელობების გამოყენებით, ჩვენ უნდა გადავჭრათ შემდეგი გაანგარიშება:
გამოთვალეთ სითბოს რაოდენობა, რომელიც მანქანა შთანთქავს თითოეულ ციკლში, მარტივია, გამოიყენეთ კარნოტის თეორემა:
გაანგარიშების გადასაჭრელად, უბრალოდ შეცვალეთ სავარჯიშო მონაცემები ზემოთ მოცემულ ფორმულაში.
ჩემს მიერ. რაფაელ ჰელერბროკი
წყარო: ბრაზილიის სკოლა - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm