Mašinosterminiai yra įtaisai, galintys transformuoti šiluminę energiją į mechaninis darbas. Kiekvienai šiluminei mašinai reikia šaltinio šilumos ir darbinės medžiagos, galinčios pakeisti savo tūrį ir dėl to judinti tam tikrą mechanizmą, pavyzdžiui, vožtuvus ar stūmoklius.
Tu vidaus degimo varikliai, kaip ir tie, kurie vairuoja šiandieninius automobilius, yra šiluminių mašinų pavyzdžiai. Jie sugeria šilumą, kuri susidaro deginant degalų ir oro mišinį, kuris periodiškai įpurškiamas į jų cilindrus.
Tokiu būdu dalis energijos, kuri išsiskiria sprogimo metu, per stūmoklio judėjimas - viena iš judančių variklio dalių, naudojama šiluminei energijai paversti energija kinetika.
Kaip veikia šiluminės mašinos?
Visos šiluminės mašinos veikia pagal a ciklastermodinaminis, tai yra termodinaminių būsenų sekos, kurios kartojasi. Šie ciklai turi skirtingas tūrio, slėgio ir temperatūros būsenas, kurias paprastai vaizduoja slėgio ir tūrio grafikai. Termodinaminiai ciklai yra sukurti siekiant didesnio energijos vartojimo efektyvumo, tai yra, visada siekiama gaminti variklius, galinčius išgauti daug darbo.
Bet kuriuo termodinaminiu ciklu tai įmanoma apskaičiuoti darbą grafiškai. Tam reikia apskaičiuoti grafiko vidaus plotą, kurį gali būti sudėtinga atlikti, jei nagrinėjamas ciklas yra netaisyklingos formos. Be to, rodyklių kryptis pagal laikrodžio rodyklę ar prieš laikrodžio rodyklę rodo, ar nagrinėjamas ciklas yra terminio aparato, ar šaldytuvo ciklas. Patikrinkite:
Laikrodžio rodyklė: Jei ciklo kryptis yra pagal laikrodžio rodyklę, tai yra šilumos variklio, kuris sugeria šilumą ir sukuria darbą, ciklas.
Ciklas prieš laikrodžio rodyklę: Tuo atveju, kai ciklo kryptis yra prieš laikrodžio rodyklę, jis turi gauti mechaninį darbą ir išleisti šilumą, kaip ir šaldytuvo variklių atveju.
Kiekviena šiluminė mašina turi panašią konfigūraciją: ji turi šaltinisįšilumos (karštas šaltinis), iš kurio jis išskiria energiją, reikalingą jo veikimui, ir a kriauklė (šaltas šaltinis), kur išskiriama dalis sugertos šilumos. Atkreipkite dėmesį į šią schemą:
Pagal pirmasis termodinamikos dėsnis, terminėms mašinoms dirbti reikia gauti tam tikrą šilumos kiekį. Tačiau gali būti tik nedidelė dalis šilumos kiekio, kuris yra energijos forma paverstas naudingu darbu.
Šio apribojimo priežastys iš esmės yra dvi: pirmoji susijusi su techniniais pajėgumais pagaminti neišsklaidančią mašiną energijos - o tai neįmanoma - ir antrasis yra pačios gamtos apribojimas: pagal 2-ąjį termodinamikos dėsnį jokia terminė mašina negali pateikti a Derlius 100%. Patikrinkite, ką sako antrasis termodinamikos dėsnis, žinomas kaip entropijos įstatymas, pagal Kelvino pareiškimą:
„Nė viena sistema, esant tam tikrai temperatūrai, negali absorbuoti šilumos iš šaltinio ir jos transformuoti visiškai atliekant mechaninį darbą be šios sistemos ar jos modifikacijų mikrorajonai “.
Kelvino pareiškimas susijęs su konversijavientisas šilumos atliekant mechaninius darbus, nurodant, kad taip yra neįmanomas be „pokyčių“ sistemoje. Šis pokytis susijęs su entropijos poveikiu: pašalinant šilumą iš kurio nors karšto šaltinio, dalis tos energijos suskaidoma į mažiau naudingas energijos formas. Yra daug energijos skaidymo procesų: mechaninių dalių vibracija, trintis tarp dalių ir guolių, į išorinę aplinką išsklaidyta šiluma, girdimų garsų gamyba ir kt.
Taip pat žiūrėkite: Sužinokite apie šiluminių mašinų istoriją
Minčių žemėlapis: šiluminės mašinos
* Norėdami atsisiųsti minčių žemėlapį PDF formatu, Paspauskite čia!
Šiluminių mašinų veikimas
Bet kurios šiluminės mašinos efektyvumą galima apskaičiuoti kaip jos pagaminto mechaninio darbo ir šilumos, kurią ji sugeria iš kokio nors karšto šaltinio, santykį:
η - Spektaklis
τ - Mechaninis darbas (J - džauliai arba kalkės - kalorijos)
KlausimasKlausimas – Šiluma iš karšto šaltinio (J - džauliai arba kalkės - kalorijos)
Mechaninį darbą savo ruožtu lemia skirtumas tarp šilumos kiekių „Karštas“ ir „šaltas“, todėl per juos galime užrašyti šiluminių mašinų našumą kiekiai:
KlausimasF - šiluma, teikiama šaltam šaltiniui
Siekdamas nustatyti, kokios būtų „tobulo“ termodinaminio ciklo savybės, prancūzų fizikas sadikarnotas sukūrė ciklą, kuris bent jau teoriškai pateikia didesnisefektyvumasįmanoma terminei mašinai, veikiančiai toje pačioje temperatūroje.
Šis ciklas, žinomas kaip Karno ciklas, populiariai vadinamas karnotų mašina, nėra tikra mašina, nes iki šių dienų techninės ir praktinės neįmanoma išvengti tokios mašinos konstrukcijos.
Taip pat žiūrėkite:Kas yra latentinė šiluma?
Karno teorema
O teoremaįkarnotas, paskelbtas 1824 m., nustato, kad net ideali šiluminė mašina, kuri neišsklaido jokio energijos kiekio dėl trinties tarp jo judančių dalių maksimali išeiga yra ribinė, kuri priklauso nuo karšto ir šalto šaltinio temperatūrų santykio, nurodyto kelvinas:
TKlausimas - karšto šaltinio temperatūra (K)
TF - šaltojo šaltinio temperatūra (K)
Analizuojant aukščiau pateiktą formulę, galima pastebėti, kad idealios šiluminės mašinos veikimą lemia išimtinai karštų ir šaltų šaltinių temperatūra. Be to, norint, kad jo derlius būtų 100%, T reikėtųF buvo nulis, tai yra 0 K, absoliutaus nulio temperatūra. Tačiau, pasak 3-asis termodinamikos dėsnis, tokia temperatūra nepasiekiama.
Aukščiau parodyta efektyvumo formulė galioja tik šiluminėms mašinoms, kurios veikia pagal Carnot ciklą. Be to, teorema taip pat rodo, kad temperatūrų T santykisF ir tKlausimas yra lygus šilumos kiekių Q santykiuiF ir QKlausimas:
Taip pat žiūrėkite:Sužinokite daugiau apie šiluminių mašinų našumą
Karno ciklas
O Karno ciklas jis vyksta keturiais etapais (arba keturiais taktais). Šį ciklą sudaro du adiabatinės transformacijos tai du izoterminės transformacijos. Adiabatinės transformacijos yra tokios, kuriose nėra šilumos mainų, o izoterminės transformacijos yra tokios, kuriose nėra temperatūros kitimas ir dėl to išlieka darbinės medžiagos, atsakingos už šiluminio variklio judėjimą, vidinė energija pastovus.
Šis paveikslėlis rodo Carnot ciklą ir keturis jo etapus. Patikrinkite:
I - izoterminė plėtra: Šiame etape darbinė medžiaga išsiplečia, išlaikydama pastovią temperatūrą, atlieka darbą ir gauna šilumą iš karšto šaltinio.
II - Adiabatinė plėtra: Šiame etape darbinė medžiaga šiek tiek išsiplečia ir dirba negaudama šilumos.
III - izoterminis susitraukimas: Šiame etape dujų tūris mažėja, jų slėgis didėja ir temperatūra išlieka pastovi, be to, dujos praranda šilumą šaltam šaltiniui. Šiame etape atliekamas darbas su dujomis.
IV - Adiabatinis susitraukimas: Dujos greitai padidina slėgį ir mažai sumažėja tūris, tačiau proceso metu jos nekeičia šilumos.
Oto ciklas
Oto ciklas yra fizinių virsmų seka, kurią vykdo kai kurios darbinės medžiagos, tokios kaip benzinas ar etanolis. Šis ciklas plačiai naudojamas vidaus degimo varikliuose, kurie varo daugumą keleivinių transporto priemonių. Nors praktikoje to nėra, Otto ciklas buvo sukurtas siekiant suderinti Karno ciklą. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyti Oto ciklo etapai.
Aš - 0-1 procesas: priėmimas izobariškai: Šiame procese variklis patenka į oro ir benzino mišinį esant pastoviam slėgiui;
II - 1-2 procesas: Adiabatinis suspaudimas - Šiame procese sparčiai didėja slėgis, kurį daro variklio stūmokliai, kad nebūtų laiko atsirasti šilumos mainams;
III - 2-3-4 procesas: degimas esant pastoviam tūriui (2-3) ir adiabatinis išsiplėtimas (3-4) - Maža kibirkštis sukelia kontroliuojamą sprogimą oro ir benzino mišinyje, o paskui ir benzino stūmoklyje variklis nusileidžia greitai, padidindamas tūrį ir gamindamas didelį kiekį variklio darbas;
IV - 4-1-0 procesas: izobarinis išsekimas - Atidarykite išmetimo vožtuvus ir leiskite degančio kuro dūmams išeiti iš variklio esant pastoviam slėgiui.
Pirmiau paaiškinti veiksmai parodyti kitame paveikslėlyje, kuriame pavaizduoti a veiksmai keturtaktis variklis, varomas benzinu ar alkoholiu. Stūmoklio judėjimas kiekvienoje parodytoje padėtyje yra lygiavertis aprašytiems procesams:
Šiluminių mašinų pavyzdžiai
Šiluminių mašinų pavyzdžiai:
Vidaus degimo varikliai, pavyzdžiui, varomi alkoholiu, benzinu ir dyzelinu;
Garo varikliai;
Termoelektrinės.
Šiluminės mašinos ir pramoninė revoliucija
Terminės mašinos vaidino svarbų vaidmenį visuomenės technologinėje plėtroje. Po to, kai ištobulino DžeimsasVatas, garo varomos šiluminės mašinos leido įvykti pramoninei revoliucijai, radikaliai pakeitusiai pasaulį.
Ar norėtumėte sužinoti daugiau apie šią temą? Pasiekite mūsų tekstą apie Pramonės revoliucija.
Šaldytuvai
Šaldytuvai arba šaldymo mašinos yra apverstos šiluminės mašinos. Šiuose įtaisuose būtina atlikti darbus po variklio viduje esančiomis dujomis, kad jos išsiplėstų absorbuodamos šilumą iš aplinkos. Šaldytuvų pavyzdžiai: šaldytuvai, šaldikliai ir oro kondicionieriai.
Jei norite sužinoti daugiau apie tai, kaip veikia šio tipo mašinos, apsilankykite mūsų tekste apie šaldytuvų veikimas ir savybės.
Pratimai terminėse mašinose
1 pratimas) Kiekvieną darbo ciklą šiluminė mašina iš karšto šaltinio gauna 500 J šilumos. Jei ši mašina išsklaidys 350 J šilumos į šaltą kriauklę, koks bus jos energijos efektyvumas procentais?
a) 42 proc.
b) 50 proc.
c) 30 proc.
d) 35 proc.
e) 25 proc.
Šablonas: C raidė
Rezoliucija:
Pratimai nurodo šilumos kiekį, kurio mašinai reikia veikti ciklo metu, todėl mes galime nustatyti jo našumą naudodami formulę, kuri susieja su QKlausimas ir QF, Žiūrėk:
Pirmiau pateiktas skaičiavimas rodo, kad tik 30% kiekvienam ciklui varikliui prieinamos šiluminės energijos paverčiama mechaniniu darbu.
2 pratimas) Karnoto ciklo metu veikiančios mašinos karšto ir šalto šaltinio temperatūra yra atitinkamai 600 k ir 400 k. Ši mašina kiekvieną ciklą išsklaido 800 j šilumos iki žemiausios temperatūros šaltinio. Apskaičiuokite mašinos absorbuoto karšto šilumos kiekį kiekviename cikle ir jos efektyvumą procentais, tada pažymėkite teisingą alternatyvą.
a) 67% ir 320 j
b) 33% ir 1200 j
c) 33% ir 1900 j
d) 62% ir 1900 j
e) 80% ir 900 j
Šablonas: B raidė
Rezoliucija:
Pirmiausia apskaičiuokime aptariamo šilumos variklio efektyvumą. Tam naudosime karštų ir šaltų šaltinių temperatūras:
Naudodami teiginyje nurodytas temperatūros vertes, turime išspręsti šį skaičiavimą:
Norėdami apskaičiuoti šilumos kiekį, kurį mašina sugeria per kiekvieną ciklą, paprasta, tiesiog naudokite Carnot teoremą:
Norėdami išspręsti skaičiavimą, tiesiog pakeiskite pratimų duomenis aukščiau pateiktoje formulėje.
Mano. Rafaelis Helerbrockas
Šaltinis: Brazilijos mokykla - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm