Maszynytermika to urządzenia zdolne do przekształcania energii cieplnej w Praca mechaniczna. Każda maszyna cieplna potrzebuje źródła ciepło oraz substancji roboczej zdolnej do modyfikowania swojej objętości, a w konsekwencji do poruszania pewnym mechanizmem, takim jak zawory lub tłoki.
ty silniki z zapłonem wewnętrznym, podobnie jak te, które jeżdżą dzisiejszymi samochodami, są przykłady maszyn termicznych. Pochłaniają ciepło, które powstaje w wyniku spalania mieszanki paliwa i powietrza, która jest okresowo wtryskiwana do ich cylindrów.
W ten sposób część energii, która zostaje uwolniona podczas wybuchu, zamieniana jest na pracę, poprzez ruch tłoka - jedna z ruchomych części silnika, służąca do zamiany energii cieplnej na energię kinetyka.
Jak działają maszyny termiczne?
Wszystkie maszyny cieplne działają zgodnie z a cykltermodynamiczny, to znaczy sekwencje stanów termodynamicznych, które się powtarzają. Te cykle mają różne stany objętości, ciśnienia i temperatury, które są zwykle reprezentowane przez wykresy ciśnienia w funkcji objętości. Cykle termodynamiczne są projektowane w celu uzyskania większej efektywności energetycznej, czyli zawsze poszukuje się produkcji silników zdolnych do wydobycia dużej ilości pracy.
W każdym cyklu termodynamicznym jest to możliwe oblicz pracę graficznie. W tym celu konieczne jest obliczenie obszaru wnętrza wykresu, co może być skomplikowane, jeśli dany cykl ma jakiś nieregularny kształt. Ponadto kierunek strzałek, zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub przeciwnie do ruchu wskazówek zegara, wskazuje, czy dany cykl jest cyklem maszyny termicznej czy lodówki. Sprawdzić:
Cykl zgodny z ruchem wskazówek zegara: Jeśli kierunek cyklu jest zgodny z ruchem wskazówek zegara, jest to cykl silnika cieplnego, który pochłania ciepło i wytwarza pracę.
Cykl w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara: W przypadku, gdy kierunek cyklu jest przeciwny do ruchu wskazówek zegara, musi on otrzymać pracę mechaniczną i uwolnić ciepło, jak w przypadku silników lodówek.
Każda maszyna termiczna ma podobną konfigurację: ma źródłowciepło (źródło gorące), z którego pobiera energię niezbędną do działania, oraz tonąć (źródło zimna), gdzie część pochłoniętego ciepła jest rozpraszana. Zwróć uwagę na następujący schemat:
Według pierwsza zasada termodynamiki, maszyny termiczne muszą otrzymać pewną ilość ciepła, aby działać. Jednak tylko niewielka część tej ilości ciepła, która jest formą energii, może być przekształcone w użyteczną pracę.
Przyczyny tego ograniczenia są zasadniczo dwa: pierwsza dotyczy możliwości technicznych wyprodukowania maszyny, która się nie rozprasza energia – co jest niemożliwe – a drugim jest ograniczenie samej natury: zgodnie z II zasadą termodynamiki żadna maszyna cieplna nie może prezentować Wydajność 100%. Sprawdź, co mówi druga zasada termodynamiki, znana jako prawo entropii, zgodnie z oświadczeniem Kelvina:
„Nie jest możliwe, aby jakikolwiek system w określonej temperaturze pochłonął ciepło ze źródła i przekształcił je w pełni w pracy mechanicznej, bez modyfikacji tego systemu lub jego dzielnice”.
Oświadczenie Kelvina dotyczy konwersjacałka ciepła w pracy mechanicznej, stwierdzając, że jest to niemożliwy bez „zmian” zachodzących w systemie. Ta zmiana odnosi się do efektu entropii: podczas usuwania ciepła z jakiegoś gorącego źródła, część tej energii jest degradowana do mniej użytecznych form energii. Istnieje wiele procesów degradacji energii: drgania części mechanicznych, tarcie między częściami a łożyskami, ciepło odprowadzane do środowiska zewnętrznego, wytwarzanie słyszalnych dźwięków itp.
Zobacz też: Poznaj historię maszyn termicznych
Mapa myśli: maszyny termiczne
*Aby pobrać mapę myśli w formacie PDF, Kliknij tutaj!
Wydajność maszyn termicznych
Sprawność każdej maszyny cieplnej można obliczyć jako stosunek pracy mechanicznej, którą wytwarza do ilości ciepła, którą pochłania z jakiegoś gorącego źródła:
η - Występ
τ – Praca mechaniczna (J – dżule lub wapno – kalorie)
QQ – Ciepło z gorącego źródła (J - dżule lub limonka - kalorie)
Z kolei pracę mechaniczną określa różnica między ilościami ciepła „gorące” i „zimne”, dlatego możemy za ich pomocą zapisać wydajność maszyn termicznych wielkie ilości:
Qfa – ciepło oddawane do zimnego źródła
Chcąc określić, jakie byłyby cechy „doskonałego” cyklu termodynamicznego, francuski fizyk sadicarnot opracował cykl, który przynajmniej teoretycznie przedstawia większywydajnośćmożliwy do maszyny termicznej, która pracuje w tych samych temperaturach.
Ten cykl, znany jako Cykl Carnota, popularnie zwany maszyna do carnota, nie jest prawdziwą maszyną, ponieważ do dnia dzisiejszego techniczne i praktyczne niemożliwości uniemożliwiały budowę takiej maszyny.
Zobacz też:Co to jest ciepło utajone?
Twierdzenie Carnota
O twierdzeniewcarnot, ogłoszony w 1824 r., stwierdza, że nawet idealna maszyna termiczna, która nie rozprasza żadnej ilości energii z powodu tarcia między jego ruchome części mają maksymalną granicę plastyczności, która zależy od stosunku temperatur jego gorącego i zimnego źródła, podanego w kelwin:
TQ – Temperatura źródła ciepła (K)
Tfa – Temperatura źródła zimnego (K)
Analizując powyższy wzór, można zauważyć, że idealna maszyna termiczna ma swoją wydajność determinowaną wyłącznie przez temperatury jej gorących i zimnych źródeł. Dodatkowo, aby jego wydajność wynosiła 100%, konieczne byłoby dla Tfa wynosiła zero, czyli 0 K, temperatura zera absolutnego. Jednak według III zasada termodynamiki, taka temperatura jest nieosiągalna.
Przedstawiony powyżej wzór na sprawność dotyczy tylko maszyn termicznych, które działają zgodnie z cyklem Carnota. Ponadto z twierdzenia wynika również, że stosunek temperatur Tfa oraz TQ jest równy stosunkowi między ilościami ciepła Qfa i QQ:
Zobacz też:Dowiedz się więcej o wydajności maszyny termicznej
Cykl Carnota
O Cykl Carnota odbywa się w czterech etapach (lub czterech uderzeniach). Ten cykl składa się z dwóch przemiany adiabatyczne to dwa przemiany izotermiczne. Przemiany adiabatyczne to takie, w których nie ma wymiany ciepła, natomiast przemiany izotermiczne to takie, w których nie ma wahania temperatury, a co za tym idzie, energia wewnętrzna substancji roboczej odpowiedzialnej za ruch silnika cieplnego pozostaje stały.
Poniższy rysunek przedstawia cykl Carnota i jego cztery etapy. Sprawdzić:
I - Ekspansja izotermiczna: Na tym etapie substancja robocza rozpręża się, utrzymując stałą temperaturę, wykonuje pracę i odbiera ciepło z gorącego źródła.
II - Ekspansja adiabatyczna: Na tym etapie substancja robocza nieco się rozszerza i działa bez odbierania ciepła.
III - Skurcz izotermiczny: Na tym etapie zmniejsza się objętość gazu, wzrasta jego ciśnienie, a jego temperatura pozostaje stała, dodatkowo gaz traci ciepło do zimnego źródła. Na tym etapie prowadzone są prace nad gazem.
IV - Skurcz adiabatyczny: Gaz charakteryzuje się szybkim wzrostem ciśnienia i niewielkim spadkiem objętości, ale nie wymienia ciepła podczas procesu.
Cykl Otto
Cykl Otto to ciąg przemian fizycznych, którym podlega pewna substancja robocza, taka jak benzyna czy etanol. Cykl ten jest szeroko stosowany w silnikach spalinowych, które napędzają większość samochodów osobowych. Chociaż w praktyce nie istnieje, cykl Otto został zaprojektowany w celu przybliżenia cyklu Carnota. Poniższy rysunek przedstawia etapy cyklu Otto.
JA - Proces 0-1: Wstęp izobaryczny: W tym procesie mieszanina powietrza i benzyny jest wpuszczana do silnika pod stałym ciśnieniem;
II - Proces 1-2: Kompresja adiabatyczna – W procesie tym następuje gwałtowny wzrost ciśnienia wywieranego przez tłoki silnika, przez co nie ma czasu na wymianę ciepła;
III - Proces 2-3-4: Spalanie w stałej objętości (2-3) i ekspansja adiabatyczna (3-4) - Mała iskra wytwarza kontrolowaną eksplozję w mieszaninie powietrza i benzyny, a następnie tłok silnik opada gwałtownie, powodując wzrost objętości i wytwarzanie dużej ilości praca;
IV - Proces 4-1-0: Wyczerpanie izobaryczne – Zawory wydechowe otwierają się i wypuszczają dym z palącego się paliwa z silnika pod stałym ciśnieniem.
Kroki wyjaśnione powyżej są pokazane na poniższym rysunku, który przedstawia kroki operacyjne Silnik czterosuwowy, zasilany benzyną lub alkoholem. Ruch tłoka w każdej z przedstawionych pozycji jest równoważny z opisanymi procesami:
Przykłady maszyn termicznych
Przykładami maszyn termicznych są:
Silniki spalinowe, takie jak napędzane alkoholem, benzyną i olejem napędowym;
Silniki parowe;
Elektrownie termoelektryczne.
Maszyny cieplne i rewolucja przemysłowa
Maszyny termiczne odegrały ważną rolę w rozwoju technologicznym społeczeństwa. Po udoskonaleniu przez JamesWat, Maszyny cieplne zasilane parą umożliwiły wybuch rewolucji przemysłowej, radykalnie zmieniając świat.
Chcesz dowiedzieć się więcej na ten temat? Uzyskaj dostęp do naszego tekstu na temat Rewolucja przemysłowa.
Lodówki
Lodówki lub maszyny chłodnicze to odwrócone maszyny termiczne. W tych urządzeniach konieczne jest prowadzenie pracy pod gazem wewnątrz silnika, aby rozprężał się pochłaniając ciepło z otoczenia. Przykładami lodówek są: lodówki, zamrażarki i klimatyzacja.
Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o tym, jak działa tego typu maszyna, odwiedź nasz tekst o działanie i właściwości lodówek.
Ćwiczenia na maszynach termicznych
Ćwiczenie 1) Maszyna cieplna otrzymuje 500 J ciepła z gorącego źródła w każdym cyklu pracy. Jeśli ta maszyna rozproszy 350 J ciepła do swojego chłodni, jaka będzie jej wydajność energetyczna w procentach?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Szablon: Litera C
Rozkład:
Ćwiczenie dostarcza ilości ciepła potrzebnego do działania maszyny podczas cyklu, więc możemy określić jej wydajność za pomocą wzoru, który odnosi QQ i Qfa, Popatrz:
Powyższe obliczenia wskazują, że tylko 30% energii cieplnej dostępnej dla silnika w każdym cyklu jest przekształcane w pracę mechaniczną.
Ćwiczenie 2) Maszyna pracująca w cyklu Carnota ma temperaturę źródła ciepła i zimna odpowiednio 600k i 400k. To urządzenie rozprasza 800 j ciepła do źródła o najniższej temperaturze w każdym cyklu. Oblicz ilość gorącego ciepła pochłoniętego przez maszynę w każdym cyklu i jego wydajność w procentach, a następnie zaznacz właściwą alternatywę.
a) 67% i 320 j
b) 33% i 1200 j
c) 33% i 1900 j
d) 62% i 1900 j
e) 80% i 900 j
Szablon: Literka B
Rozkład:
Najpierw obliczmy sprawność danego silnika cieplnego. W tym celu wykorzystamy temperatury źródeł ciepła i zimna:
Wykorzystując podane w zestawieniu wartości temperatur musimy rozwiązać następujące obliczenia:
Aby obliczyć ilość ciepła pochłanianego przez maszynę w każdym cyklu, wystarczy skorzystać z twierdzenia Carnota:
Aby rozwiązać obliczenia, wystarczy zastąpić dane ćwiczeń w powyższym wzorze.
Przeze mnie Rafael Helerbrock
Źródło: Brazylia Szkoła - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm