Machinesthermiek zijn apparaten die thermische energie kunnen omzetten in mechanisch werk. Elke thermische machine heeft een bron van warmte en van een werkende substantie waarvan het volume kan worden gewijzigd en bijgevolg een mechanisme kan bewegen, zoals kleppen of zuigers.
U verbrandingsmotoren, zoals degenen die in de auto's van vandaag rijden, zijn voorbeelden van thermische machines. Ze absorberen de warmte die wordt geproduceerd door het verbranden van een mengsel van brandstof en lucht, dat periodiek in hun cilinders wordt geïnjecteerd.
Op deze manier wordt een deel van de energie die vrijkomt bij de explosie omgezet in arbeid, via de zuigerbeweging - een van de bewegende delen van de motor, gebruikt om thermische energie om te zetten in energie kinetiek.
Hoe werken thermische machines?
Alle thermische machines werken volgens a fietsthermodynamisch, dat wil zeggen opeenvolgingen van thermodynamische toestanden die zich herhalen. Deze cycli hebben verschillende toestanden van volume, druk en temperatuur, die gewoonlijk worden weergegeven door grafieken van druk versus volume. Thermodynamische cycli zijn ontworpen op zoek naar een grotere energie-efficiëntie, dat wil zeggen dat er altijd wordt gezocht naar de productie van motoren die een grote hoeveelheid werk kunnen leveren.
In elke thermodynamische cyclus is het mogelijk werk grafisch berekenen. Daarvoor is het noodzakelijk om het gebied van het binnenste van de grafiek te berekenen, wat ingewikkeld kan zijn als de betreffende cyclus een onregelmatige vorm heeft. Bovendien geeft de richting van de pijlen, met de klok mee of tegen de klok in, aan of de cyclus in kwestie de cyclus van een thermische machine of een koelkast is. Uitchecken:
Cyclus met de klok mee: Als de richting van de cyclus met de klok mee is, is de cyclus die van een warmtemotor, die warmte opneemt en arbeid produceert.
Tegen de klok in cyclus: In het geval dat de richting van een cyclus tegen de klok in is, moet deze mechanisch werk ontvangen en warmte afgeven, zoals in het geval van koelkastmotoren.
Niet stoppen nu... Er is meer na de reclame ;)
Elke thermische machine heeft een vergelijkbare configuratie: het heeft een broninwarmte (hete bron), waaruit het de energie haalt die nodig is voor zijn werking, en a wastafel (koudebron), waarbij een deel van de opgenomen warmte wordt afgevoerd. Let op het volgende schema:
Volgens de eerste wet van de thermodynamica, moeten thermische machines een bepaalde hoeveelheid warmte ontvangen om te werken. Slechts een klein deel van die hoeveelheid warmte, die een vorm van energie is, kan echter worden omgezet in nuttig werk.
De redenen voor deze beperking zijn in wezen twee: de eerste betreft de technische capaciteit om een machine te produceren die niet vervliegt energie - wat onmogelijk is - en de tweede is een beperking van de natuur zelf: volgens de 2e wet van de thermodynamica kan geen enkele thermische machine presenteren Opbrengst 100%. Bekijk wat de 2e wet van de thermodynamica zegt, ook wel bekend als: entropie wet, volgens de verklaring van Kelvin:
"Het is voor geen enkel systeem mogelijk om bij een bepaalde temperatuur warmte van een bron te absorberen en om te zetten" volledig in mechanisch werk, zonder aanpassingen aan dit systeem of zijn buurten.”
De verklaring van Kelvin betreft de conversieintegraal van warmte in mechanisch werk, waarin staat dat dit is onmogelijk zonder dat er “veranderingen” in het systeem optreden. Deze verandering verwijst naar het effect van entropie: wanneer warmte uit een hete bron wordt verwijderd, wordt een deel van die energie afgebroken tot minder bruikbare vormen van energie. Er zijn veel energiedegradatieprocessen: trillingen van mechanische onderdelen, wrijving tussen onderdelen en lagers, warmte die wordt afgevoerd naar de externe omgeving, productie van hoorbare geluiden, enz.
Zie ook: Leer meer over de geschiedenis van thermische machines
Mindmap: thermische machines
*Om de mindmap in PDF te downloaden, Klik hier!
Prestaties van thermische machines
De efficiëntie van elke thermische machine kan worden berekend als de verhouding tussen het mechanische werk dat het produceert en de hoeveelheid warmte die het absorbeert van een hete bron:
η - Prestatie
τ – Mechanisch werk (J – joules of limoen – calorieën)
VraagVraag – Warmte van de hete bron (J - joules of limoen - calorieën)
Mechanisch werk wordt op zijn beurt bepaald door het verschil tussen de hoeveelheden warmte "heet" en "koud", daarom kunnen we de prestaties van thermische machines hiermee schrijven hoeveelheden:
VraagF – warmte afgegeven aan de koude bron
Op zoek naar de kenmerken van de "perfecte" thermodynamische cyclus, de Franse natuurkundige sadcarnot een cyclus ontwikkeld die, althans theoretisch, de groterefficiëntiemogelijk voor een thermische machine die bij dezelfde temperaturen werkt.
Deze cyclus, bekend als de Carnot-cyclus, in de volksmond carnot machine, is geen echte machine, aangezien tot op de dag van vandaag technische en praktische onmogelijkheden de constructie van een dergelijke machine verhinderden.
Zie ook:Wat is latente warmte?
Stelling van Carnot
O stellingincarnot, uitgesproken in 1824, stelt vast dat zelfs de ideale thermische machine, die geen enkele hoeveelheid energie verspilt als gevolg van wrijving tussen zijn bewegende delen, heeft een maximale opbrengstlimiet, die afhangt van de verhouding tussen de temperaturen van de warme en koude bron, gegeven in Kelvin:
TVraag – Warmtebrontemperatuur (K)
TF – Koude brontemperatuur (K)
Als we de bovenstaande formule analyseren, is het mogelijk om te zien dat de prestaties van de ideale thermische machine uitsluitend worden bepaald door de temperaturen van de warme en koude bronnen. Om de opbrengst 100% te laten zijn, zou het bovendien nodig zijn dat TF nul was, dat wil zeggen 0 K, de temperatuur van het absolute nulpunt. Echter, volgens de 3e wet van de thermodynamica, een dergelijke temperatuur is onbereikbaar.
Bovenstaande efficiëntieformule is alleen geldig voor thermische machines die werken volgens de Carnot-cyclus. Bovendien laat de stelling ook zien dat de verhouding van temperaturen TF en TVraag is gelijk aan de verhouding tussen de hoeveelheden warmte QF en QVraag:
Zie ook:Meer informatie over de prestaties van thermische machines
Carnot-cyclus
O Carnot-cyclus het vindt plaats in vier fasen (of vier tellen). Deze cyclus wordt gevormd door twee adiabatische transformaties het is twee isotherme transformaties. Adiabatische transformaties zijn die waarbij er geen warmte-uitwisseling is, terwijl isotherme transformaties die zijn waarbij er geen temperatuurvariatie en bijgevolg de interne energie van de werkende substantie die verantwoordelijk is voor het verplaatsen van de warmtemotor blijft constante.
De volgende afbeelding geeft de Carnot-cyclus en zijn vier fasen weer. Uitchecken:
I - Isotherme expansie: In deze stap zet de werksubstantie uit, handhaaft de constante temperatuur, voert werk uit en ontvangt warmte van de hete bron.
II - Adiabatische expansie: In dit stadium zet de werkstof een beetje uit en werkt zonder warmte te ontvangen.
III - Isotherme contractie: In dit stadium neemt het volume van het gas af, neemt de druk toe en blijft de temperatuur constant, bovendien verliest het gas warmte aan de koude bron. In dit stadium wordt gewerkt aan het gas.
IV - Adiabatische contractie: Het gas heeft een snelle druktoename en weinig volumeafname, maar wisselt tijdens het proces geen warmte uit.
Otto cyclus
De Otto-cyclus is een opeenvolging van fysieke transformaties die worden ondergaan door een werkende substantie zoals benzine of ethanol. Deze cyclus wordt veel gebruikt in de verbrandingsmotoren die de meeste personenauto's aandrijven. Hoewel het in de praktijk niet bestaat, is de Otto-cyclus ontworpen om een Carnot-cyclus te benaderen. In onderstaande figuur zijn de stadia van de Otto-cyclus weergegeven.
ik - Proces 0-1: Isobare toelating: Hierbij wordt onder constante druk een mengsel van lucht en benzine door de motor toegelaten;
II- Proces 1-2: Adiabatische compressie – Bij dit proces is er een snelle toename van de druk die wordt uitgeoefend door de motorzuigers, zodat er geen tijd is voor warmtewisselingen;
III - Proces 2-3-4: Verbranding bij constant volume (2-3) en adiabatische expansie (3-4) - Een kleine vonk veroorzaakt een gecontroleerde explosie in het mengsel van lucht en benzine en vervolgens de zuiger van de motor daalt snel, waardoor het volume toeneemt en een grote hoeveelheid werk;
IV - Proces 4-1-0: Isobare uitputting – De uitlaatkleppen gaan open en laten de rook van de brandende brandstof onder constante druk de motor verlaten.
De hierboven uitgelegde stappen worden weergegeven in de volgende afbeelding, die de bedieningsstappen van a. weergeeft Vier-takt motor, aangedreven door benzine of alcohol. De beweging van de zuiger in elk van de getoonde posities is gelijk aan de beschreven processen:
Voorbeelden van thermische machines
Voorbeelden van thermische machines zijn:
Verbrandingsmotoren, zoals die aangedreven door alcohol, benzine en diesel;
Stoommachines;
Thermo-elektrische centrales.
Thermische machines en de industriële revolutie
Thermische machines speelden een belangrijke rol in de technologische ontwikkeling van de samenleving. Na geperfectioneerd door JamesWatt, door stoom aangedreven thermische machines zorgden ervoor dat de industriële revolutie kon plaatsvinden, waardoor de wereld radicaal veranderde.
Wilt u meer weten over dit onderwerp? Bekijk onze tekst over Industriële revolutie.
koelkasten
Koelkasten, of koelmachines, zijn omgekeerde thermische machines. In deze apparaten is het noodzakelijk om werkzaamheden onder het gas in de motor uit te voeren, zodat het uitzet door warmte uit de omgeving op te nemen. Voorbeelden van koelkasten zijn: koelkasten, vriezers en airconditioning.
Wil je meer weten over hoe dit type machine werkt, bezoek dan onze tekst over werking en eigenschappen van koelkasten.
Oefeningen op thermische machines
Oefening 1) Een thermische machine ontvangt elke bedrijfscyclus 500 J warmte van een hete bron. Als deze machine 350 J warmte afvoert naar de koude goot, wat zal dan de procentuele energie-efficiëntie zijn?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Sjabloon: Letter C
Resolutie:
Oefening levert de hoeveelheid warmte die de machine nodig heeft om tijdens een cyclus te werken, dus we kunnen de prestaties bepalen met behulp van de formule die Q relateertVraag en QF, Kijken:
De bovenstaande berekening geeft aan dat slechts 30% van de thermische energie die bij elke cyclus beschikbaar is voor de motor, wordt omgezet in mechanisch werk.
Oefening 2) Een machine die werkt op de Carnot-cyclus heeft zijn warme en koude brontemperaturen van respectievelijk 600 k en 400 k. Deze machine voert elke cyclus 800 j warmte af naar de bron met de laagste temperatuur. Bereken de hoeveelheid hete warmte die door de machine wordt geabsorbeerd bij elke cyclus en de efficiëntie ervan als een percentage, en markeer vervolgens het juiste alternatief.
a) 67% en 320 j
b) 33% en 1200 j
c) 33% en 1900 j
d) 62% en 1900 j
e) 80% en 900 j
Sjabloon: Letter B
Resolutie:
Laten we eerst het rendement van de betreffende warmtemotor berekenen. Hiervoor gebruiken we de temperaturen van de warme en koude bronnen:
Met behulp van de temperatuurwaarden die in de verklaring zijn vermeld, moeten we de volgende berekening oplossen:
Om de hoeveelheid warmte te berekenen die de machine in elke cyclus absorbeert, is eenvoudig, gebruik gewoon de stelling van Carnot:
Om de berekening op te lossen, vervangt u gewoon de trainingsgegevens in de bovenstaande formule.
Door mij Rafael Helerbrock
