Mașinitermice sunt dispozitive capabile să transforme energia termică în munca mecanica. Fiecare mașină termică are nevoie de o sursă de căldură și a unei substanțe de lucru capabile să-și modifice volumul și, în consecință, să miște un mecanism, cum ar fi supapele sau pistoanele.
Tu motoare de combustie internă, ca și cele care conduc mașinile de astăzi, sunt exemple de mașini termice. Ei absorb căldura produsă de arderea unui amestec de combustibil și aer, care este injectat periodic în cilindrii lor.
În acest fel, o parte din energia care este eliberată în timpul exploziei este transformată în muncă, prin intermediul mișcarea pistonului - una dintre părțile mobile ale motorului, utilizată pentru a converti energia termică în energie cinetica.
Cum funcționează mașinile termice?
Toate mașinile termice funcționează conform a ciclutermodinamic, adică secvențe de stări termodinamice care se repetă. Aceste cicluri au diferite stări de volum, presiune și temperatură, care sunt de obicei reprezentate de grafice de presiune versus volum. Ciclurile termodinamice sunt proiectate în căutarea unei eficiențe energetice mai mari, adică se caută întotdeauna producția de motoare capabile să extragă o cantitate mare de muncă.
În orice ciclu termodinamic, este posibil calculați grafic munca. Prin urmare, este necesar să se calculeze aria interiorului graficului, ceea ce se poate complica dacă ciclul în cauză are o formă neregulată. În plus, direcția săgeților, în sensul acelor de ceasornic sau invers, indică dacă ciclul în cauză este ciclul unei mașini termice sau al unui frigider. Verifică:
Ciclul în sensul acelor de ceasornic: Dacă direcția ciclului este în sensul acelor de ceasornic, ciclul este cel al unui motor termic, care absoarbe căldura și produce muncă.
Ciclul invers acelor de ceasornic: În cazul în care direcția unui ciclu este în sens invers acelor de ceasornic, trebuie să primească lucrări mecanice și să elibereze căldură, ca în cazul motoarelor frigiderului.
Nu te opri acum... Există mai multe după publicitate;)
Fiecare mașină termică are o configurație similară: are o sursăîncăldură (sursă fierbinte), din care extrage energia necesară funcționării sale și a chiuvetă (sursă rece), unde o parte din căldura absorbită este disipată. Rețineți următoarea diagramă:
In conformitate cu prima lege a termodinamicii, mașinile termice trebuie să primească o anumită cantitate de căldură pentru a funcționa. Cu toate acestea, doar o mică parte din acea cantitate de căldură, care este o formă de energie, poate fi transformată în muncă utilă.
Motivele acestei limitări sunt în esență două: primul se referă la capacitatea tehnică de a produce o mașină care nu se disipează energie - ceea ce este imposibil - și a doua este o limitare a naturii însăși: conform legii a 2-a a termodinamicii, nici o mașină termică nu poate prezintă o Randament 100%. Verificați ce spune a doua lege a termodinamicii, cunoscută sub numele de legea entropiei, conform declarației lui Kelvin:
„Nu este posibil ca niciun sistem, la o anumită temperatură, să absoarbă căldura dintr-o sursă și să o transforme complet în lucru mecanic, fără modificări ale acestui sistem sau ale acestuia cartiere. "
Declarația lui Kelvin se referă la conversieintegral de căldură în lucrările mecanice, afirmând că acesta este imposibil fără să apară „modificări” în sistem. Această schimbare se referă la efectul entropiei: atunci când îndepărtăm căldura dintr-o sursă fierbinte, o parte din această energie este degradată în forme de energie mai puțin utile. Există multe procese de degradare a energiei: vibrații ale pieselor mecanice, frecare între piese și lagăre, căldură disipată în mediul extern, producerea de zgomote sonore etc.
Vezi și: Aflați despre istoria mașinilor termice
Harta mentală: Mașini termice
* Pentru a descărca harta mentală în format PDF, Click aici!
Performanța mașinilor termice
Eficiența oricărei mașini termice poate fi calculată ca raport între lucrarea mecanică pe care o produce și cantitatea de căldură pe care o absoarbe dintr-o sursă fierbinte:
η - Performanță
τ - Lucrări mecanice (J - jouli sau var - calorii)
ÎÎ – Căldură din sursa fierbinte (J - jouli sau var - calorii)
Lucrul mecanic, la rândul său, este determinat de diferența dintre cantitățile de căldură „Fierbinte” și „rece”, prin urmare, putem scrie performanța mașinilor termice prin acestea cantitati:
ÎF - căldură dată sursei reci
În căutarea de a determina care ar fi caracteristicile ciclului termodinamic „perfect”, fizicianul francez sadicarnot a dezvoltat un ciclu care, cel puțin teoretic, prezintă mai mareeficienţăposibil pentru o mașină termică care funcționează la aceleași temperaturi.
Acest ciclu, cunoscut sub numele de Ciclul Carnot, numit popular mașină carnot, nu este o mașină reală, deoarece până în prezent, imposibilitățile tehnice și practice au împiedicat construirea unei astfel de mașini.
Vezi și:Ce este căldura latentă?
Teorema lui Carnot
O teoremaîncarnot, enunțată în 1824, stabilește că chiar și mașina termică ideală, care nu disipă nici o cantitate de energie din cauza fricțiunii dintre părțile sale mobile au o limită maximă de randament, care depinde de raportul dintre temperaturile sursei sale calde și reci, dat în kelvin:
TÎ - Temperatura sursei fierbinți (K)
TF - Temperatura sursei reci (K)
Analizând formula de mai sus, este posibil să vedem că mașina termică ideală are performanța sa determinată exclusiv de temperaturile surselor sale calde și reci. În plus, pentru ca randamentul său să fie de 100%, ar fi necesar pentru TF a fost zero, adică 0 K, temperatura zero absolut. Cu toate acestea, conform A treia lege a termodinamicii, o astfel de temperatură este de neatins.
Formula de eficiență prezentată mai sus este valabilă numai pentru mașinile termice care funcționează conform ciclului Carnot. Mai mult, teorema arată, de asemenea, că raportul temperaturilor TF Si tÎ este egal cu raportul dintre cantitățile de căldură QF și QÎ:
Vezi și:Aflați mai multe despre performanța mașinii termice
Ciclul Carnot
O Ciclul Carnot are loc în patru etape (sau patru bătăi). Acest ciclu este format din două transformări adiabatice sunt două transformări izoterme. Transformările adiabatice sunt cele în care nu există schimb de căldură, în timp ce transformările izoterme sunt cele în care nu există variația temperaturii și, în consecință, energia internă a substanței de lucru responsabile de deplasarea motorului termic rămâne constant.
Următoarea figură reprezintă ciclul Carnot și cele patru etape ale sale. Verifică:
I - Extindere izotermă: În acest pas, substanța de lucru se extinde, menținându-și temperatura constantă, efectuează lucrări și primește căldură de la sursa fierbinte.
II - Extindere adiabatică: În acest stadiu, substanța de lucru se extinde puțin și funcționează fără a primi căldură.
III - Contracția izotermă: În această etapă, volumul gazului scade, presiunea acestuia crește și temperatura acestuia rămâne constantă, în plus, gazul pierde căldură la sursa rece. În această etapă, se lucrează la gaz.
IV - Contracție adiabatică: Gazul are o creștere rapidă a presiunii și o scădere mică a volumului, dar nu schimbă căldura în timpul procesului.
Ciclul Otto
Ciclul Otto este o secvență de transformări fizice suferite de unele substanțe de lucru, cum ar fi benzina sau etanolul. Acest ciclu este utilizat pe scară largă în motoarele cu ardere internă care alimentează majoritatea vehiculelor de pasageri. Deși nu există în practică, ciclul Otto a fost conceput pentru a aproxima un ciclu Carnot. Figura de mai jos prezintă etapele ciclului Otto.
Eu - Procesul 0-1: Admiterea izobarică: În acest proces, un amestec de aer și benzină este admis de motor la o presiune constantă;
II - Procesul 1-2: compresie adiabatică - În acest proces, există o creștere rapidă a presiunii exercitate de pistoanele motorului, astfel încât să nu existe timp pentru schimburi de căldură;
III - Proces 2-3-4: Combustie la volum constant (2-3) și expansiune adiabatică (3-4) - O scânteie mică produce o explozie controlată în amestecul de aer și benzină și apoi pistonul motorul coboară rapid, provocând o creștere a volumului și producând o cantitate mare de muncă;
IV - Proces 4-1-0: epuizare izobarică - Supapele de evacuare se deschid și lasă fumul din combustibilul care arde să iasă din motor la o presiune constantă.
Pașii explicați mai sus sunt arătați în figura următoare, care reprezintă etapele de operare ale unui motor în patru timpi, alimentat cu benzină sau alcool. Mișcarea pistonului în fiecare dintre pozițiile prezentate este echivalentă cu procesele descrise:
Exemple de mașini termice
Exemple de mașini termice sunt:
Motoare cu ardere internă, precum cele alimentate cu alcool, benzină și motorină;
Motoare cu aburi;
Centrale termoelectrice.
Mașinile termice și revoluția industrială
Mașinile termice au jucat un rol important în dezvoltarea tehnologică a societății. După perfecționat de JamesWatt, mașinile termice alimentate cu abur au permis să se întâmple Revoluția Industrială, schimbând radical lumea.
Doriți să aflați mai multe despre acest subiect? Accesați textul nostru despre Revolutia industriala.
Frigidere
Frigiderele sau mașinile frigorifice sunt mașini termice inversate. În aceste dispozitive, este necesar să efectuați lucrări sub gazul din interiorul motorului, astfel încât acesta să se extindă prin absorbția căldurii din împrejurimi. Exemple de frigidere sunt: frigidere, congelatoare și aer condiționat.
Dacă doriți să aflați mai multe despre modul în care funcționează acest tip de mașină, vizitați textul nostru despre funcționarea și proprietățile frigiderelor.
Exerciții pe mașini termice
Exercitiul 1) O mașină termică primește 500 J de căldură de la o sursă fierbinte în fiecare ciclu de funcționare. Dacă această mașină disipă 350 J de căldură în chiuveta rece, care va fi eficiența energetică în procente?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Șablon: Litera C
Rezoluţie:
Exercițiul furnizează cantitățile de căldură necesare pentru funcționarea mașinii în timpul unui ciclu, astfel încât să putem determina performanța acesteia folosind formula care leagă QÎ și QF, Uite:
Calculul de mai sus indică faptul că doar 30% din energia termică disponibilă motorului în fiecare ciclu este transformată în lucru mecanic.
Exercițiul 2) O mașină care funcționează pe ciclul Carnot are temperatura sursei sale calde și reci de 600 k și respectiv 400 k. Această mașină disipează 800 j de căldură la cea mai mică sursă de temperatură în fiecare ciclu. Calculați cantitatea de căldură caldă absorbită de mașină la fiecare ciclu și eficiența sa ca procent, apoi marcați alternativa corectă.
a) 67% și 320 j
b) 33% și 1200 j
c) 33% și 1900 j
d) 62% și 1900 j
e) 80% și 900 j
Șablon: Litera B
Rezoluţie:
În primul rând, să calculăm eficiența motorului termic în cauză. Pentru aceasta, vom folosi temperaturile surselor calde și reci:
Folosind valorile de temperatură indicate în declarație, trebuie să rezolvăm următorul calcul:
Pentru a calcula cantitatea de căldură pe care mașina o absoarbe în fiecare ciclu este simplă, folosiți teorema lui Carnot:
Pentru a rezolva calculul, trebuie doar să înlocuiți datele exercițiului din formula de mai sus.
De mine. Rafael Helerbrock
