Maskinertermisk er enheter som kan transformere termisk energi til mekanisk arbeid. Hver termisk maskin trenger en kilde til varme og av et arbeidssubstans som er i stand til å endre volumet og følgelig bevege noen mekanisme, slik som ventiler eller stempler.
Du interne forbrenningsmotorer, som de som kjører dagens biler, er eksempler på termiske maskiner. De absorberer varmen som produseres fra å brenne en blanding av drivstoff og luft, som med jevne mellomrom injiseres i sylindrene.
På denne måten omdannes en del av energien som frigjøres under eksplosjonen til arbeid, gjennom stempelbevegelse - en av motorens bevegelige deler, som brukes til å konvertere termisk energi til energi kinetikk.
Hvordan fungerer termiske maskiner?
Alle termiske maskiner fungerer i henhold til a syklustermodynamisk, det vil si sekvenser av termodynamiske tilstander som gjentar seg selv. Disse syklusene har forskjellige tilstander av volum, trykk og temperatur, som vanligvis er representert av grafer over trykk versus volum. Termodynamiske sykluser er designet på jakt etter større energieffektivitet, det vil si at det alltid etterspørres produksjon av motorer som kan trekke ut mye arbeid.
I enhver termodynamisk syklus er det mulig beregne arbeid grafisk. Derfor er det nødvendig å beregne arealet til det indre av grafen, noe som kan være komplisert å gjøre hvis den aktuelle syklusen har en uregelmessig form. I tillegg indikerer pilretningen, med eller mot klokken, om syklusen det er snakk om er en syklus til en termisk maskin eller et kjøleskap. Sjekk ut:
Medursyklus: Hvis syklusens retning er med klokken, er syklusen den til en varmemotor som absorberer varme og produserer arbeid.
Mot klokken syklus: I tilfelle hvor retningen til en syklus er mot klokken, må den motta mekanisk arbeid og frigjøre varme, som i tilfelle kjøleskapsmotorer.
Hver termisk maskin har en lignende konfigurasjon: den har en kildeivarme (varm kilde), hvorfra den utvinner energien som er nødvendig for driften, og a synke (kald kilde), der en del av den absorberte varmen forsvinner. Legg merke til følgende diagram:
Ifølge første lov om termodynamikk, må termiske maskiner motta en viss mengde varme for å fungere. Imidlertid kan bare en liten brøkdel av mengden varme, som er en form for energi, være omgjort til nyttig arbeid.
Årsakene til denne begrensningen er i hovedsak to: den første gjelder teknisk kapasitet til å produsere en maskin som ikke forsvinner energi - som er umulig - og den andre er en begrensning av selve naturen: av den andre loven om termodynamikk, kan ingen termisk maskin presentere en Utbytte 100%. Sjekk ut hva den andre loven om termodynamikk sier, kjent som entropilov, ifølge Kelvins uttalelse:
"Det er ikke mulig for noe system, ved en bestemt temperatur, å absorbere varme fra en kilde og transformere det fullt ut i mekanisk arbeid, uten endringer i dette systemet eller dets nabolag. ”
Kelvins uttalelse gjelder omdannelseintegrert av varme i mekanisk arbeid, og sier at dette er umulig uten at "endringer" oppstår i systemet. Denne endringen refererer til effekten av entropi: når du fjerner varme fra en varm kilde, blir noe av den energien nedbrutt til mindre nyttige former for energi. Det er mange energiforringelsesprosesser: vibrasjon av mekaniske deler, friksjon mellom deler og lagre, varme som ledes til det ytre miljøet, produksjon av hørbare lyder, etc.
Se også: Lær om historien til termiske maskiner
Tankekart: Termiske maskiner
* For å laste ned tankekartet i PDF, Klikk her!
Ytelse av termiske maskiner
Effektiviteten til enhver termisk maskin kan beregnes som forholdet mellom det mekaniske arbeidet den produserer og mengden varme den absorberer fra en varm kilde:
η - Opptreden
τ - Mekanisk arbeid (J - joule eller kalk - kalorier)
SpørsmålSpørsmål – Varme fra den varme kilden (J - joule eller kalk - kalorier)
Mekanisk arbeid bestemmes i sin tur av forskjellen mellom mengden varme "Varmt" og "kaldt", derfor kan vi skrive ytelsen til termiske maskiner gjennom disse mengder:
SpørsmålF - varme gitt til den kalde kilden
Søker å finne ut hva som kjennetegner den "perfekte" termodynamiske syklusen, den franske fysikeren sadicarnot utviklet en syklus som i det minste teoretisk presenterer størreeffektivitetmulig for en termisk maskin som fungerer ved samme temperaturer.
Denne syklusen, kjent som Carnot syklus, populært kalt carnot-maskin, er ikke en ekte maskin, siden tekniske og praktiske umuligheter frem til i dag forhindret byggingen av en slik maskin.
Se også:Hva er latent varme?
Carnots teori
O setningicarnot, kunngjort i 1824, fastslår at selv den ideelle termiske maskinen, som ikke sprer noen mengde energi på grunn av friksjon mellom de bevegelige delene har en maksimal avkastningsgrense, som avhenger av forholdet mellom temperaturene i den varme og kalde kilden, gitt i kelvin:
TSpørsmål - Varm kildetemperatur (K)
TF - Kald kildetemperatur (K)
Ved å analysere formelen ovenfor er det mulig å se at den ideelle termiske maskinen har ytelse bestemt utelukkende av temperaturene i de varme og kalde kildene. I tillegg, for at utbyttet skal være 100%, vil det være nødvendig for TF var null, det vil si 0 K, temperaturen på absolutt null. Imidlertid, ifølge 3. lov om termodynamikk, er slik temperatur uoppnåelig.
Effektivitetsformelen vist ovenfor er bare gyldig for termiske maskiner som fungerer i henhold til Carnot-syklusen. I tillegg viser setningen også at forholdet mellom temperaturene TF og TSpørsmål er lik forholdet mellom varmemengdene QF og QSpørsmål:
Se også:Lær mer om termisk maskinytelse
Carnot-syklus
O Carnot syklus det forekommer i fire trinn (eller fire slag). Denne syklusen er dannet av to adiabatiske transformasjoner det er to isotermiske transformasjoner. Adiabatiske transformasjoner er de der det ikke er noen varmeveksling, mens isotermiske transformasjoner er de der det ikke er noen temperaturvariasjon og følgelig gjenstår den interne energien til arbeidsstoffet som er ansvarlig for å flytte varmemotoren konstant.
Følgende figur representerer Carnot-syklusen og dens fire trinn. Sjekk ut:
I - Isoterm ekspansjon: I dette trinnet utvides arbeidsstoffet, opprettholder konstant temperatur, utfører arbeid og mottar varme fra den varme kilden.
II - Adiabatisk utvidelse: På dette stadiet utvider arbeidsstoffet seg litt og fungerer uten å motta varme.
III - Isotermisk sammentrekning: På dette stadiet synker gassvolumet, trykket øker og temperaturen forblir konstant, i tillegg mister gassen varmen til den kalde kilden. På dette stadiet utføres arbeid med gassen.
IV - Adiabatisk sammentrekning: Gassen har en rask økning i trykk og liten reduksjon i volum, men den bytter ikke varme under prosessen.
Otto sykler
Ottosyklusen er en sekvens av fysiske transformasjoner gjennomgått av noe arbeidsstoff som bensin eller etanol. Denne syklusen er mye brukt i forbrenningsmotorer som driver de fleste personbiler. Selv om den ikke eksisterer i praksis, ble Otto-syklusen designet for å tilnærme en Carnot-syklus. Figuren nedenfor viser stadiene i Otto-syklusen.
JEG - Prosess 0-1: Isobarisk opptak: I denne prosessen tillates en blanding av luft og bensin av motoren ved et konstant trykk;
II - Prosess 1-2: Adiabatisk kompresjon - I denne prosessen er det en rask økning i trykket som utøves av motorstemplene, slik at det ikke er tid for varmeveksling å skje;
III - Prosess 2-3-4: Forbrenning ved konstant volum (2-3) og adiabatisk ekspansjon (3-4) - En liten gnist produserer en kontrollert eksplosjon i blandingen av luft og bensin og deretter stempelet til motoren synker raskt, forårsaker en økning i volum og produserer en stor mengde arbeid;
IV - Prosess 4-1-0: Isobarisk utmattelse - Eksosventilene åpnes og lar røyken fra det brennende drivstoffet komme ut av motoren under et konstant trykk.
Trinnene forklart ovenfor er vist i den følgende figuren, som representerer driftstrinnene til a firetaktsmotor, drevet av bensin eller alkohol. Bevegelsen av stempelet i hver av de viste posisjonene tilsvarer prosessene som er beskrevet:
Eksempler på termiske maskiner
Eksempler på termiske maskiner er:
Forbrenningsmotorer, som de som drives av alkohol, bensin og diesel;
Dampmotorer;
Termoelektriske kraftverk.
Termiske maskiner og den industrielle revolusjonen
Termiske maskiner spilte en viktig rolle i den teknologiske utviklingen av samfunnet. Etter perfeksjonert av JamesWatt, dampdrevne termiske maskiner tillot den industrielle revolusjonen å skje, og forandret verden radikalt.
Vil du vite mer om dette emnet? Få tilgang til teksten vår om Industrielle revolusjon.
Kjøleskap
Kjøleskap eller kjølemaskiner er omvendte termiske maskiner. I disse enhetene er det nødvendig å utføre arbeid under gassen inne i motoren slik at den utvides ved å absorbere varme fra omgivelsene. Eksempler på kjøleskap er: kjøleskap, frysere og klimaanlegg.
Hvis du vil vite mer om hvordan denne typen maskiner fungerer, kan du gå til teksten vår om drift og egenskaper til kjøleskap.
Øvelser på termiske maskiner
Øvelse 1) En termisk maskin mottar 500 J varme fra en varm kilde hver driftssyklus. Hvis denne maskinen avgir 350 J varme til den kalde vasken, hva er energieffektiviteten i prosent?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Mal: Bokstav C
Vedtak:
Trening gir mengden varme som maskinen trenger for å operere i løpet av en syklus, slik at vi kan bestemme ytelsen ved hjelp av formelen som relaterer QSpørsmål og QF, Se:
Beregningen ovenfor indikerer at bare 30% av den termiske energien som er tilgjengelig for motoren ved hver syklus, blir transformert til mekanisk arbeid.
Øvelse 2) En maskin som kjører på Carnot-syklusen har sine varme og kalde kildetemperaturer på henholdsvis 600 k og 400 k. Denne maskinen avgir 800 j varme til den laveste temperaturkilden hver syklus. Beregn mengden varm varme som absorberes av maskinen ved hver syklus og effektiviteten i prosent, og merk deretter riktig alternativ.
a) 67% og 320 j
b) 33% og 1200 j
c) 33% og 1900 j
d) 62% og 1900 j
e) 80% og 900 j
Mal: Bokstav B
Vedtak:
La oss først beregne effektiviteten til den aktuelle varmemotoren. For dette vil vi bruke temperaturene på de varme og kalde kildene:
Ved å bruke temperaturverdiene informert i uttalelsen, må vi løse følgende beregning:
For å beregne mengden varme som maskinen tar opp i hver syklus er enkel, bruk bare Carnos teorem:
For å løse beregningen er det bare å erstatte treningsdataene i formelen ovenfor.
Av meg. Rafael Helerbrock
Kilde: Brasilskolen - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm