Mašīnastermāli ir ierīces, kas spēj pārveidot siltumenerģiju mehāniskais darbs. Katrai termiskajai mašīnai ir nepieciešams avots karstums un no darba vielas, kuras tilpumu var mainīt un attiecīgi pārvietot kādu mehānismu, piemēram, vārstus vai virzuļus.
Jūs iekšdedzes dzinēji, tāpat kā tie, kas brauc ar mūsdienu automašīnām, ir termisko mašīnu piemēri. Viņi absorbē siltumu, kas rodas, sadedzinot degvielas un gaisa maisījumu, kas periodiski tiek ievadīts to cilindros.
Tādā veidā daļa enerģijas, kas izdalās eksplozijas laikā, tiek pārveidota par darbu caur virzuļa kustība - viena no motora kustīgajām daļām, ko izmanto siltuma enerģijas pārvēršanai enerģijā kinētika.
Kā darbojas termiskās mašīnas?
Visas termiskās mašīnas darbojas saskaņā ar a ciklstermodinamiski, tas ir, termodinamisko stāvokļu secības, kas atkārtojas. Šiem cikliem ir dažādi tilpuma, spiediena un temperatūras stāvokļi, kurus parasti attēlo ar spiediena un tilpuma grafikiem. Termodinamiskie cikli ir paredzēti, lai meklētu lielāku energoefektivitāti, tas ir, vienmēr tiek meklēti dzinēji, kas spēj iegūt lielu darba apjomu.
Jebkurā termodinamiskā ciklā tas ir iespējams aprēķināt darbu grafiski. Tāpēc ir jāaprēķina grafika iekšpuses laukums, ko var būt sarežģīti izdarīt, ja attiecīgajam ciklam ir neregulāra forma. Turklāt bultiņu virziens pulksteņrādītāja virzienā vai pretēji pulksteņrādītāja virzienam norāda, vai attiecīgais cikls ir siltuma iekārtas vai ledusskapja cikls. Pārbaudiet:
Cikls pulksteņa rādītāja virzienā: Ja cikla virziens ir pulksteņrādītāja virzienā, cikls ir siltuma dzinēja virziens, kas absorbē siltumu un rada darbu.
Cikls pretēji pulksteņrādītāja kustības virzienam: Gadījumā, ja cikla virziens ir pretēji pulksteņrādītāja virzienam, tam jāsaņem mehāniskais darbs un jāizlaiž siltums, tāpat kā ledusskapja motoru gadījumā.
Katrai termiskajai mašīnai ir līdzīga konfigurācija: tai ir avotsiekšākarstums (karstais avots), no kura tas iegūst darbībai nepieciešamo enerģiju, un a izlietne (aukstais avots), kur tiek absorbēta daļa absorbētā siltuma. Ievērojiet šo diagrammu:
Saskaņā ar pirmais termodinamikas likums, lai darbotos, termālajām mašīnām ir jāsaņem noteikts siltuma daudzums. Tomēr var būt tikai neliela daļa no šī siltuma daudzuma, kas ir enerģijas veids pārvērsts noderīgā darbā.
Šī ierobežojuma iemesli būtībā ir divi: pirmais attiecas uz tehnisko spēju ražot mašīnu, kas neizklīst enerģija - kas nav iespējams - un otrais ir pašas dabas ierobežojums: saskaņā ar 2. termodinamikas likumu neviena termiskā mašīna nevar klāt a Ienesīgums 100%. Pārbaudiet, ko saka 2. termodinamikas likums, kas pazīstams kā entropijas likums, saskaņā ar Kelvina paziņojumu:
"Nevienai sistēmai noteiktā temperatūrā nav iespējams absorbēt siltumu no avota un pārveidot to pilnībā mehāniskā darbā, bez šīs sistēmas vai tās modifikācijām mikrorajonos. ”
Kelvina paziņojums attiecas uz konversijaneatņemama sastāvdaļa siltuma mehāniskajā darbā, norādot, ka tas tā ir neiespējami bez “izmaiņām” sistēmā. Šīs izmaiņas attiecas uz entropijas efektu: noņemot siltumu no kāda karstā avota, daļa šīs enerģijas tiek sadalīta mazāk noderīgās enerģijas formās. Ir daudz enerģijas noārdīšanās procesu: mehānisko daļu vibrācija, berze starp detaļām un gultņiem, siltums, kas izkliedēts ārējā vidē, dzirdamu trokšņu radīšana utt.
Skatīt arī: Uzziniet par termisko mašīnu vēsturi
Prāta karte: termiskās mašīnas
* Lai lejupielādētu domu karti PDF formātā, Noklikšķiniet šeit!
Termisko mašīnu veiktspēja
Jebkuras termiskās mašīnas efektivitāti var aprēķināt kā attiecīgā mehāniskā darba, ko tā rada, un siltuma daudzumu, ko tā absorbē no kāda karstā avota:
η - Izrāde
τ - mehāniskais darbs (J - džouli vai laims - kalorijas)
JJ – Siltums no karstā avota (J - džouli vai laims - kalorijas)
Savukārt mehānisko darbu nosaka siltuma daudzumu starpība “Karsti” un “auksti”, tāpēc ar to palīdzību varam ierakstīt termisko mašīnu veiktspēju daudzumi:
JF - siltums, kas tiek piešķirts aukstajam avotam
Franču fiziķis, lai noteiktu, kādas būtu “ideālā” termodinamiskā cikla īpašības sadikarnote izstrādāts cikls, kas vismaz teorētiski parāda lielāksefektivitāteiespējams siltuma mašīnai, kas darbojas vienādās temperatūrās.
Šis cikls, kas pazīstams kā Karnot cikls, tautā saukts karotē mašīna, nav īsta mašīna, jo līdz mūsdienām šādas mašīnas izgatavošanu neļāva tehniski un praktiski neiespējami.
Skatīt arī:Kas ir latentais siltums?
Karnot teorēma
O teorēmaiekšākarnote, kas izteikts 1824. gadā, ir noteikts, ka pat ideāla termiskā mašīna, kas berzes dēļ neizkliedē nekādu enerģijas daudzumu tā kustīgajām daļām ir maksimālā ražas robeža, kas ir atkarīga no karstā un aukstā avota temperatūras attiecības, kas dota kelvins:
TJ - karstā avota temperatūra (K)
TF - aukstā avota temperatūra (K)
Analizējot iepriekš minēto formulu, ir iespējams redzēt, ka ideālas termiskās mašīnas veiktspēju nosaka tikai tās karsto un auksto avotu temperatūra. Turklāt, lai tā raža būtu 100%, T būtu nepieciešamsF bija nulle, tas ir, 0 K, absolūtās nulles temperatūra. Tomēr saskaņā ar 3. termodinamikas likums, šāda temperatūra nav sasniedzama.
Iepriekš parādītā efektivitātes formula ir derīga tikai siltuma mašīnām, kas darbojas saskaņā ar Karota ciklu. Turklāt teorēma arī parāda, ka temperatūru attiecība TF un T.J ir vienāds ar attiecību starp siltuma daudzumu QF un QJ:
Skatīt arī:Uzziniet vairāk par mašīnas termisko veiktspēju
Carnot cikls
O Karnot cikls tas notiek četros posmos (vai četros ritmos). Šo ciklu veido divi adiabātiskās transformācijas tas ir divi izotermiskas transformācijas. Adiabātiskās transformācijas ir tās, kurās nav siltuma apmaiņas, savukārt izotermiskās transformācijas ir tādas, kurās nav temperatūras svārstības un līdz ar to saglabājas darba vielas iekšējā enerģija, kas ir atbildīga par siltuma dzinēja pārvietošanu nemainīgs.
Nākamais attēls attēlo Carnot ciklu un tā četrus posmus. Pārbaudiet:
I - Izotermiskā izplešanās: Šajā posmā darba viela izplešas, saglabājot nemainīgu temperatūru, veic darbu un saņem siltumu no karstā avota.
II - Adiabātiskā paplašināšanās: Šajā posmā darba viela nedaudz izplešas un darbojas, nesaņemot siltumu.
III - izotermiskā kontrakcija: Šajā posmā gāzes apjoms samazinās, tā spiediens palielinās un temperatūra paliek nemainīga, turklāt gāze zaudē siltumu aukstajam avotam. Šajā posmā tiek veikts darbs ar gāzi.
IV - Adiabātiskā kontrakcija: Gāzei ir straujš spiediena pieaugums un neliels tilpuma samazinājums, taču procesa laikā tā nemaina siltumu.
Otto cikls
Oto cikls ir fizikālu pārveidojumu secība, ko ir veikusi kāda darba viela, piemēram, benzīns vai etanols. Šis cikls tiek plaši izmantots iekšdedzes motoros, kas darbina lielāko daļu pasažieru transportlīdzekļu. Lai gan praksē tā nepastāv, Otto cikls tika izstrādāts, lai tuvinātu Karnot ciklu. Zemāk redzamajā attēlā parādīti Oto cikla posmi.
Es - Process 0-1: Izobariska uzņemšana: Šajā procesā motors pie pastāvīga spiediena iekļauj gaisa un benzīna maisījumu;
II - 1.-2. Process: Adiabātiskā saspiešana - Šajā procesā strauji palielinās spiediens, ko rada motora virzuļi, lai nebūtu laika siltuma apmaiņai;
III - process 2-3-4: sadedzināšana nemainīgā tilpumā (2-3) un adiabātiskā izplešanās (3-4) - Neliela dzirkstele rada kontrolētu eksploziju gaisa un benzīna maisījumā un pēc tam dzinējs ātri nolaižas, izraisot apjoma pieaugumu un ražojot lielu daudzumu darbs;
IV - process 4-1-0: izobariskais izsīkums - Atveriet izplūdes vārstus un ļaujiet degoša degvielas dūmiem iziet no motora ar pastāvīgu spiedienu.
Iepriekš paskaidrotās darbības ir parādītas nākamajā attēlā, kas attēlo a darbības darbības četrtaktu dzinējs, ko darbina benzīns vai alkohols. Virzuļa kustība katrā parādītajā pozīcijā ir līdzvērtīga aprakstītajiem procesiem:
Termisko mašīnu piemēri
Siltuma mašīnu piemēri ir:
Iekšdedzes dzinēji, piemēram, ar spirtu, benzīnu un dīzeļdegvielu darbināmi dzinēji;
Tvaika dzinēji;
Termoelektriskās spēkstacijas.
Termiskās mašīnas un rūpnieciskā revolūcija
Siltuma mašīnām bija nozīmīga loma sabiedrības tehnoloģiskajā attīstībā. Pēc pilnveidošanas DžeimssVats, ar tvaiku darbināmas siltuma iekārtas ļāva notikt rūpnieciskajai revolūcijai, radikāli mainot pasauli.
Vai vēlaties uzzināt vairāk par šo tēmu? Piekļūstiet mūsu tekstam par Industriālā revolūcija.
Ledusskapji
Ledusskapji vai dzesēšanas mašīnas ir apgrieztas siltuma iekārtas. Šajās ierīcēs ir nepieciešams veikt darbu zem motora iekšpusē esošās gāzes, lai tā paplašinātos, absorbējot siltumu no apkārtnes. Ledusskapju piemēri ir: ledusskapji, saldētavas un gaisa kondicionētājs.
Ja vēlaties uzzināt vairāk par šāda veida mašīnu darbību, apmeklējiet mūsu tekstu par ledusskapju darbība un īpašības.
Vingrinājumi ar termiskām mašīnām
1. vingrinājums) Katrā darbības ciklā termiskā mašīna no karstā avota saņem 500 J siltuma. Ja šī mašīna izkliedē 350 J siltuma aukstā izlietnē, kāda būs tās energoefektivitāte procentos?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Veidne: C burts
Izšķirtspēja:
Exercise nodrošina siltuma daudzumu, kas mašīnai nepieciešams, lai darbotos cikla laikā, tāpēc mēs varam noteikt tās veiktspēju, izmantojot formulu, kas attiecas uz QJ un QF, Skaties:
Iepriekšminētais aprēķins norāda, ka tikai 30% no siltuma enerģijas, kas motoram pieejama katrā ciklā, tiek pārveidota par mehānisku darbu.
2. vingrinājums) Mašīnas, kas darbojas Karotna ciklā, karstā un aukstā avota temperatūra ir attiecīgi 600 k un 400 k. Šī iekārta katru ciklu izkliedē 800 j siltuma līdz zemākās temperatūras avotam. Aprēķiniet mašīnas absorbētā karstā siltuma daudzumu katrā ciklā un tā efektivitāti procentos, pēc tam atzīmējiet pareizo alternatīvu.
a) 67% un 320 j
b) 33% un 1200 j
c) 33% un 1900 j
d) 62% un 1900 j
e) 80% un 900 j
Veidne: Burts B
Izšķirtspēja:
Vispirms aprēķināsim attiecīgā siltuma motora efektivitāti. Šim nolūkam mēs izmantosim karsto un auksto avotu temperatūru:
Izmantojot paziņojumā norādītās temperatūras vērtības, mums jāatrisina šāds aprēķins:
Lai aprēķinātu siltuma daudzumu, ko mašīna absorbē katrā ciklā, ir vienkārši, vienkārši izmantojiet Karnota teorēmu:
Lai atrisinātu aprēķinu, vienkārši aizstājiet vingrinājuma datus iepriekšminētajā formulā.
Autors: Rafaels Helerbroks
Avots: Brazīlijas skola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm