기계보온병 열 에너지를 다음으로 변환 할 수있는 장치입니다. 기계 작업. 모든 열 기계에는 열 및 그 부피를 수정하여 결과적으로 밸브 또는 피스톤과 같은 일부 메커니즘을 움직일 수있는 작동 물질.
당신 내연 기관, 오늘날의 자동차를 운전하는 것과 마찬가지로 열 기계의 예. 그들은 주기적으로 실린더에 분사되는 연료와 공기의 혼합물을 태울 때 발생하는 열을 흡수합니다.
이런 식으로 폭발 중에 방출되는 에너지의 일부는 피스톤 운동-열 에너지를 에너지로 변환하는 데 사용되는 엔진의 움직이는 부분 중 하나 동력학.
열 기계는 어떻게 작동합니까?
모든 열 기계는 주기열역학, 즉, 반복되는 열역학적 상태의 시퀀스입니다. 이러한 사이클은 부피, 압력 및 온도의 다른 상태를 가지며 일반적으로 압력 대 부피 그래프로 표시됩니다. 열역학적 사이클은 더 큰 에너지 효율을 위해 설계되었습니다. 즉, 많은 양의 작업을 추출 할 수있는 엔진의 생산이 항상 요구됩니다.
모든 열역학적 사이클에서 가능합니다. 그래픽으로 작업 계산. 이를 위해 그래프 내부의 면적을 계산해야하는데, 문제의 사이클이 불규칙한 모양이면 수행하기가 복잡 할 수 있습니다. 또한 화살표 방향 (시계 방향 또는 시계 반대 방향)은 해당 사이클이 열 기계 또는 냉장고의 사이클인지 여부를 나타냅니다. 확인 :
시계 방향 순환 : 사이클의 방향이 시계 방향 인 경우 사이클은 열을 흡수하여 작업을 생성하는 열 엔진의 사이클입니다.
시계 반대 방향으로 순환 : 사이클의 방향이 반 시계 방향 인 경우에는 냉장고 모터의 경우처럼 기계적 작업을 받고 열을 방출해야합니다.
모든 열 기계에는 유사한 구성이 있습니다. 출처에열 (열원), 작동에 필요한 에너지를 추출하고 싱크대 (냉원), 흡수 된 열의 일부가 발산됩니다. 다음 구성표에 유의하십시오.
에 따르면 열역학 제 1 법칙, 열 기계는 작동하기 위해 일정량의 열을 받아야합니다. 그러나 에너지의 한 형태 인 열량의 극히 일부만이 유용한 작업으로 전환.
이 제한의 이유는 본질적으로 두 가지입니다. 첫 번째는 소멸되지 않는 기계를 생산할 수있는 기술적 능력에 관한 것입니다. 에너지는 불가능하며 두 번째는 자연 자체의 한계입니다. 열역학 제 2 법칙에 따르면 열 기계는 선물 수율 100 %. 열역학 제 2 법칙이 말하는 것을 확인하십시오. 엔트로피 법칙, Kelvin의 진술에 따르면 :
"어떤 시스템도 특정 온도에서 소스의 열을 흡수하여 변환하는 것은 불가능합니다. 이 시스템이나 시스템의 수정없이 완전히 기계 작업에 이웃.”
Kelvin의 진술은 변환완전한 기계 작업에서 열이 발생합니다. 불가능한 시스템에서 발생하는 "변경"없이. 이 변화는 엔트로피의 효과를 나타냅니다. 일부 뜨거운 소스에서 열을 가져 오면 그 에너지 중 일부는 덜 유용한 형태의 에너지로 분해됩니다. 에너지 열화 프로세스에는 기계 부품의 진동, 부품과 베어링 사이의 마찰, 외부 환경으로의 열 방출, 가청 소음 생성 등 여러 가지가 있습니다.
참조: 열 기계의 역사에 대해 알아보기
마인드 맵: 열 기계
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열 기계의 성능
열 기계의 효율은 열원에서 흡수하는 열량에 대한 기계 작업의 비율로 계산할 수 있습니다.
η -성능
τ – 기계적 작업 (J – 줄 또는 석회 – 칼로리)
큐큐 – 뜨거운 소스의 열 (J-줄 또는 석회-칼로리)
차례로 기계적 작업은 열량의 차이에 의해 결정됩니다. 따라서 "뜨거운"및 "저온"을 통해 열 기계의 성능을 작성할 수 있습니다. 수량 :
큐에프 – 냉원에 가해지는 열
"완벽한"열역학적 순환의 특성이 무엇인지 결정하려는 프랑스의 물리학 자 사디카르노 적어도 이론적으로는 더 크게능률가능한 동일한 온도에서 작동하는 열 기계의 경우.
이주기는 카르노 사이클, 일반적으로 카르노 기계, 실제 기계가 아닙니다. 왜냐하면 오늘날까지 기술적이고 실질적인 불가능이 그러한 기계의 건설을 방해했기 때문입니다.
참조 :잠열이란?
카르노의 정리
영형 정리에카르노, 1824 년에 발표 된, 이상적인 열 기계조차도 사이의 마찰로 인해 에너지를 낭비하지 않는다는 것을 입증합니다. 움직이는 부품에는 최대 항복 한계가 있으며, 이는 뜨거운 소스와 차가운 소스의 온도 사이의 비율에 따라 달라집니다. 켈빈 :
티큐 – 열원 온도 (K)
티에프 – 냉원 온도 (K)
위의 공식을 분석하면 이상적인 열 기계의 성능이 고온 및 저온 소스의 온도에 의해서만 결정된다는 것을 알 수 있습니다. 또한 수율이 100 %가 되려면 T가 필요합니다.에프 즉, 절대 영도의 온도 인 0K입니다. 그러나에 따르면 열역학 제 3 법칙, 그러한 온도는 얻을 수 없습니다.
위에 표시된 효율 공식은 Carnot 사이클에 따라 작동하는 열 기계에만 유효합니다. 또한, 정리는 온도 비율 T에프 그리고 T큐 열량 Q 사이의 비율과 같습니다.에프 그리고 Q큐:
참조 :열 기계 성능에 대해 자세히 알아보기
카르노 사이클
영형 카르노 사이클 4 단계 (또는 4 비트)로 진행됩니다. 이 사이클은 두 가지로 구성됩니다. 단열 변환 그것은 두 등온 변환. 단열 변환은 열 교환이없는 반면 등온 변환은 열 교환이없는 변환입니다. 온도 변화 및 결과적으로 열 엔진 이동을 담당하는 작업 물질의 내부 에너지가 남아 있습니다. 일정한.
다음 그림은 카르노 사이클과 4 단계를 나타냅니다. 확인 :
I-등온 확장 : 이 단계에서는 작업 물질이 팽창하여 일정한 온도를 유지하고 작업을 수행하고 뜨거운 소스에서 열을받습니다.
II-단열 확장 : 이 단계에서 작동 물질은 약간 팽창하여 열을받지 않고 작동합니다.
III-등온 수축 : 이 단계에서 가스의 부피는 감소하고 압력은 증가하며 온도는 일정하게 유지되며 가스는 냉원으로 열을 잃습니다. 이 단계에서 가스에 대한 작업이 수행됩니다.
IV-단열 수축: 가스는 압력이 급격히 증가하고 부피가 거의 감소하지 않지만 공정 중에 열을 교환하지 않습니다.
오토 사이클
오토 사이클은 가솔린이나 에탄올과 같은 일부 작동 물질이 겪는 일련의 물리적 변형입니다. 이 사이클은 대부분의 승용차에 동력을 공급하는 내연 기관에 널리 사용됩니다. 실제로는 존재하지 않지만 오토 사이클은 카르노 사이클과 비슷하도록 설계되었습니다. 아래 그림은 오토 사이클의 단계를 보여줍니다.
나는- 프로세스 0-1: 등압 입학:이 과정에서 공기와 가솔린의 혼합물이 엔진에 의해 일정한 압력으로 유입됩니다.
II- 프로세스 1-2: 단열 압축 –이 과정에서 엔진 피스톤에 의해 가해지는 압력이 급격히 증가하므로 열교환이 발생할 시간이 없습니다.
III-공정 2-3-4: 일정 체적 연소 (2-3) 및 단열 팽창 (3-4)- 작은 스파크가 공기와 가솔린의 혼합물에서 제어 된 폭발을 일으킨 다음 피스톤이 엔진이 빠르게 하강하여 부피가 증가하고 많은 양의 작업;
IV-공정 4-1-0: 등압 고갈 – 배기 밸브가 열리고 연소 연료의 연기가 일정한 압력으로 엔진에서 배출됩니다.
위에서 설명한 단계는 다음 그림에 나와 있습니다. 4 행정 엔진, 가솔린 또는 알코올로 구동됩니다. 표시된 각 위치에서 피스톤의 움직임은 설명 된 프로세스와 동일합니다.
열 기계의 예
열 기계의 예는 다음과 같습니다.
알코올, 가솔린 및 디젤 엔진과 같은 내연 기관;
증기 기관;
화력 발전소.
열 기계와 산업 혁명
열 기계는 사회의 기술 발전에 중요한 역할을했습니다. 완성 후 제임스와트, 증기 동력 열 기계는 산업 혁명을 일으켜 세상을 근본적으로 변화 시켰습니다.
이 주제에 대해 더 알고 싶습니까? 우리의 텍스트에 액세스 산업 혁명.
냉장고
냉장고 또는 냉장 기계는 역열 기계입니다. 이러한 장치에서는 엔진 내부의 가스 아래에서 작업을 수행하여 주변에서 열을 흡수하여 팽창하도록해야합니다. 냉장고의 예로는 냉장고, 냉동고 및 에어컨이 있습니다.
이 유형의 기계가 작동하는 방식에 대해 자세히 알고 싶다면 다음 텍스트를 방문하십시오. 냉장고의 작동 및 특성.
열 기계에 대한 연습
연습 1) 열 기계는 작동주기마다 뜨거운 소스로부터 500J의 열을받습니다. 이 기계가 350J의 열을 콜드 싱크로 발산한다면 에너지 효율은 얼마입니까?
a) 42 %
b) 50 %
c) 30 %
d) 35 %
e) 25 %
주형: 문자 C
해결:
운동은주기 중에 기계가 작동하는 데 필요한 열량을 제공하므로 Q와 관련된 공식을 사용하여 성능을 결정할 수 있습니다.큐 그리고 Q에프,보기 :
위의 계산은 각 사이클에서 모터에 사용할 수있는 열 에너지의 30 %만이 기계 작업으로 변환된다는 것을 나타냅니다.
연습 2) Carnot 사이클에서 작동하는 기계의 고온 및 저온 소스 온도는 각각 600k 및 400k입니다. 이 기계는 매 사이클마다 가장 낮은 온도 소스로 800j의 열을 발산합니다. 각 사이클에서 기계가 흡수하는 뜨거운 열의 양과 효율성을 백분율로 계산 한 다음 올바른 대안을 표시하십시오.
a) 67 % 및 320 j
b) 33 % 및 1200j
c) 33 % 및 1900 j
d) 62 % 및 1900 j
e) 80 % 및 900 j
주형: 문자 B
해결:
먼저 해당 열기관의 효율을 계산해 봅시다. 이를 위해 우리는 뜨겁고 차가운 소스의 온도를 사용합니다.
성명서에 명시된 온도 값을 사용하여 다음 계산을 해결해야합니다.
기계가 각주기에서 흡수하는 열의 양을 계산하는 것은 간단합니다. Carnot의 정리를 사용하면됩니다.
계산을 해결하려면 위 공식에서 운동 데이터를 바꾸십시오.
나. Rafael Helerbrock
출처: 브라질 학교- https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
