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.
![자동차에 동력을 공급하는 엔진과 같은 내연 기관이 열 엔진의 예입니다.](/f/1b2332a9acfdc88a5a941e62252db4ae.jpg)
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.
![열 기계의 그래프 영역은 사이클 동안 수행하는 작업량을 나타냅니다.](/f/5b49996372d77940f0e5598dc2ad91c1.jpg)
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.
![열 기계는 열을 흡수하고 작업을 방출하는데, 이는 냉장고가하는 것과는 반대입니다.](/f/2874a02a73d99490072fa79920b274bd.jpg)
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
![](/f/90a5ba3a3f2e8317aae94edbff2411f6.jpeg)
* 마인드 맵을 PDF로 다운로드하려면 여기를 클릭하세요!
열 기계의 성능
열 기계의 효율은 열원에서 흡수하는 열량에 대한 기계 작업의 비율로 계산할 수 있습니다.
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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 :
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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 :
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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:
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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 :
![](/f/52c60a8b1ceacb4ba25d6a33bb2033fe.jpg)
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.
![오토 사이클은 가솔린 엔진의 사이클입니다.](/f/51e4fd4e02f354cd2e76a0d353fd8d58.jpg)
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.
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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 :
![](/f/39984f8a5104bbceec53fffd5884f20f.jpg)
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.
![](/f/ad3367dad1d810c0517344e83407172e.jpg)
성명서에 명시된 온도 값을 사용하여 다음 계산을 해결해야합니다.
![](/f/ec439e91a4d05868ea9b663f17a545db.jpg)
기계가 각주기에서 흡수하는 열의 양을 계산하는 것은 간단합니다. Carnot의 정리를 사용하면됩니다.
![](/f/9bc02f40f7d5a1b75ccb4dd6566fa6fd.jpg)
계산을 해결하려면 위 공식에서 운동 데이터를 바꾸십시오.
![](/f/bfdef9db255a6423e6c4c1b82533fa4e.jpg)
나. Rafael Helerbrock
출처: 브라질 학교- https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm