Strojetermika sú zariadenia schopné transformovať tepelnú energiu na mechanické práce. Každý tepelný stroj potrebuje zdroj teplo a pracovnej látky schopnej modifikovať svoj objem a následne posúvať nejaký mechanizmus, napríklad ventily alebo piesty.
Vy spaľovacie motory, ako sú tie, ktoré jazdia na dnešných automobiloch, sú príklady tepelných strojov. Pohlcujú teplo, ktoré vzniká pri spaľovaní zmesi paliva a vzduchu, ktoré sa pravidelne vstrekuje do ich valcov.
Týmto spôsobom sa časť energie, ktorá sa uvoľní počas výbuchu, prevedie na prácu prostredníctvom pohyb piestu - jedna z pohyblivých častí motora, ktorá sa používa na premenu tepelnej energie na energiu kinetika.
Ako fungujú tepelné stroje?
Všetky tepelné stroje pracujú podľa a cyklutermodynamické, teda sekvencie termodynamických stavov, ktoré sa opakujú. Tieto cykly majú rôzne stavy objemu, tlaku a teploty, ktoré sú zvyčajne znázornené grafmi tlaku a objemu. Termodynamické cykly sú navrhnuté s cieľom hľadať vyššiu energetickú účinnosť, to znamená, že sa vždy hľadá výroba motorov schopných vyťažiť veľké množstvo práce.
V každom termodynamickom cykle je to možné vypočítať prácu graficky. Na to je potrebné vypočítať plochu vnútra grafu, ktorú je možné komplikovať, ak má daný cyklus nepravidelný tvar. Smer šípok, v smere alebo proti smeru hodinových ručičiek, navyše naznačuje, či ide o cyklus tepelného stroja alebo chladničky. Odhlásiť sa:
Cyklus v smere hodinových ručičiek: Ak je smer cyklu v smere hodinových ručičiek, jedná sa o cyklus tepelného motora, ktorý absorbuje teplo a produkuje prácu.
Cyklus proti smeru hodinových ručičiek: V prípade, že je smer cyklu proti smeru hodinových ručičiek, je potrebné prijať mechanickú prácu a uvoľniť teplo, ako je to v prípade motorov chladničky.
Každý tepelný stroj má podobnú konfiguráciu: má a zdrojvteplo (horúci zdroj), z ktorého získava energiu potrebnú na svoju činnosť, a a drez (studený zdroj), kde sa odvádza časť absorbovaného tepla. Všimnite si nasledujúci diagram:
Podľa prvý zákon termodynamiky, tepelné stroje musia na svoje fungovanie prijímať určité množstvo tepla. Avšak iba malý zlomok z tohto množstva tepla, čo je forma energie, môže byť prevedené na užitočnú prácu.
Dôvody tohto obmedzenia sú v zásade dva: prvý sa týka technickej kapacity na výrobu stroja, ktorý sa nerozptyľuje energia - čo je nemožné - a druhým je obmedzenie samotnej prírody: podľa druhého termodynamického zákona nemôže žiadny tepelný stroj prítomný a Výťažok 100%. Pozrite sa, čo hovorí druhý zákon termodynamiky, známy ako entropický zákon, podľa vyhlásenia Kelvina:
„Nie je možné, aby akýkoľvek systém pri určitej teplote absorboval teplo zo zdroja a transformoval ho plne v mechanických prácach, bez úprav tohto alebo jeho systému štvrtiach. “
Kelvinovo vyhlásenie sa týka premenaintegrálne tepla pri mechanických prácach s tým, že je to tak nemožné bez toho, aby v systéme nastali „zmeny“. Táto zmena sa týka účinku entropie: pri odstraňovaní tepla z nejakého horúceho zdroja sa časť tejto energie degraduje na menej užitočné formy energie. Existuje veľa procesov degradácie energie: vibrácie mechanických častí, trenie medzi časťami a ložiskami, teplo odvádzané do vonkajšieho prostredia, produkcia zvukových zvukov atď.
Pozri tiež: Dozviete sa viac o histórii tepelných strojov
Myšlienková mapa: Termálne stroje
* Ak si chcete stiahnuť myšlienkovú mapu v PDF, Kliknite tu!
Výkon tepelných strojov
Účinnosť ktoréhokoľvek tepelného stroja sa dá vypočítať ako pomer mechanickej práce, ktorú produkuje, k množstvu tepla, ktoré absorbuje z nejakého zdroja tepla:
η - Výkon
τ - Mechanické práce (J - jouly alebo vápno - kalórie)
QQ – Teplo z horúceho zdroja (J - jouly alebo vápno - kalórie)
Mechanická práca je zase určená rozdielom medzi množstvom tepla „Horúce“ a „studené“, preto cez ne môžeme napísať výkon tepelných strojov množstvá:
QF - teplo dodávané studenému zdroju
Francúzsky fyzik sa snaží zistiť, aké by boli vlastnosti „dokonalého“ termodynamického cyklu sadiCarnot vyvinul cyklus, ktorý, aspoň teoreticky, predstavuje: väčšieefektívnosťmožné pre tepelný stroj, ktorý pracuje pri rovnakých teplotách.
Tento cyklus, známy ako Carnotov cyklus, ľudovo nazývané Carnotov stroj, nie je skutočným strojom, pretože až do dnešnej doby technické a praktické nemožnosti bránili konštrukcii takého stroja.
Pozri tiež:Čo je to latentné teplo?
Carnotova veta
O vetavCarnot, vyhlásený v roku 1824, ustanovuje, že aj ideálny tepelný stroj, ktorý nerozptyľuje žiadne množstvo energie v dôsledku trenia medzi jeho pohyblivé časti, má maximálnu medzu výťažnosti, ktorá závisí od pomeru medzi teplotami jeho horúceho a studeného zdroja uvedeného v Kelvin:
TQ - Teplota horúceho zdroja (K)
TF - Teplota zdroja chladu (K)
Pri analýze vyššie uvedeného vzorca je možné vidieť, že ideálny tepelný stroj má svoj výkon určený výlučne teplotami jeho horúcich a studených zdrojov. Aby bol jeho výťažok 100%, bolo by to potrebné pre TF bola nula, to znamená 0 K, teplota absolútnej nuly. Podľa 3. zákon termodynamiky, takáto teplota je nedosiahnuteľná.
Vyššie uvedený vzorec účinnosti platí iba pre tepelné stroje, ktoré pracujú podľa Carnotovho cyklu. Ďalej veta tiež ukazuje, že pomer teplôt TF a TQ sa rovná pomeru medzi množstvami tepla QF a QQ:
Pozri tiež:Získajte viac informácií o výkone tepelného stroja
Carnotov cyklus
O Carnotov cyklus prebieha v štyroch etapách (alebo štyroch úderoch). Tento cyklus je tvorený dvoma adiabatické transformácie to sú dva izotermické transformácie. Adiabatické transformácie sú tie, pri ktorých nedochádza k výmene tepla, zatiaľ čo izotermické transformácie sú tie, pri ktorých nedochádza k žiadnej teplotné zmeny a následne zostáva vnútorná energia pracovnej látky zodpovednej za pohyb tepelného motora konštantný.
Nasledujúci obrázok predstavuje Carnotov cyklus a jeho štyri fázy. Odhlásiť sa:
I - Izotermická expanzia: V tomto kroku sa pracovná látka rozpína, udržuje svoju konštantnú teplotu, vykonáva prácu a prijíma teplo z horúceho zdroja.
II - Adiabatická expanzia: V tomto štádiu sa pracovná látka trochu roztiahne a pracuje bez príjmu tepla.
III - Izotermická kontrakcia: V tomto štádiu sa objem plynu zmenšuje, zvyšuje sa jeho tlak a jeho teplota zostáva konštantná, navyše plyn stráca teplo pre studený zdroj. V tejto fáze sa pracuje na plyne.
IV - Adiabatická kontrakcia: Plyn má rýchly nárast tlaku a malý pokles objemu, ale počas procesu nemení teplo.
Ottov cyklus
Ottov cyklus je sledom fyzikálnych transformácií, ktoré prechádzajú určitou pracovnou látkou, ako je benzín alebo etanol. Tento cyklus sa široko používa v spaľovacích motoroch, ktoré poháňajú väčšinu osobných vozidiel. Aj keď v praxi neexistuje, Otov cyklus bol navrhnutý tak, aby sa priblížil Carnotovmu cyklu. Na nasledujúcom obrázku sú znázornené fázy Ottovho cyklu.
Ja - Proces 0-1: Izobarické prijatie: Pri tomto procese motor vpustí za stáleho tlaku zmes vzduchu a benzínu;
II - Postup 1-2: Adiabatická kompresia - V tomto procese dochádza k rýchlemu zvýšeniu tlaku vyvíjaného piestami motora, takže nie je čas na výmenu tepla;
III - Proces 2-3-4: Spaľovanie pri konštantnom objeme (2-3) a adiabatická expanzia (3-4) - Malá iskra vytvára kontrolovaný výbuch v zmesi vzduchu a benzínu a potom v piestu motor rýchlo klesá, spôsobuje zväčšenie objemu a produkuje veľké množstvo práca;
IV - Proces 4-1-0: Izobarické vyčerpanie - Výfukové ventily sa otvoria a nechajú dym z horiaceho paliva vystupovať z motora pri konštantnom tlaku.
Kroky vysvetlené vyššie sú zobrazené na nasledujúcom obrázku, ktorý predstavuje prevádzkové kroky a štvortaktný motorpoháňané benzínom alebo alkoholom. Pohyb piestu v každej zo zobrazených polôh je ekvivalentný opísaným procesom:
Príklady tepelných strojov
Príklady tepelných strojov sú:
Spaľovacie motory, napríklad také, ktoré sú poháňané alkoholom, benzínom a naftou;
Parný motor;
Termoelektrické elektrárne.
Tepelné stroje a priemyselná revolúcia
Tepelné stroje hrali dôležitú úlohu v technologickom rozvoji spoločnosti. Po zdokonalení JamesWatt, parné tepelné stroje umožnili priemyselnú revolúciu a radikálne zmenili svet.
Chceli by ste sa dozvedieť viac informácií o tejto téme? Prístup k nášmu textu o Priemyselná revolúcia.
Chladničky
Chladničky alebo chladiace stroje sú inverzné tepelné stroje. V týchto zariadeniach je potrebné vykonávať práce pod plynom vo vnútri motora tak, aby sa rozširoval absorpciou tepla z okolia. Príklady chladničiek sú: chladničky, mrazničky a klimatizácia.
Ak sa chcete dozvedieť viac o tom, ako tento typ strojov funguje, navštívte náš text o prevádzka a vlastnosti chladničiek.
Cvičenie na tepelných strojoch
Cvičenie 1) Tepelný stroj prijíma 500 J tepla z horúceho zdroja v každom prevádzkovom cykle. Ak tento stroj rozptýli 350 J tepla do svojho chladiča, aká bude jeho energetická účinnosť v percentách?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Šablóna: Písmeno C.
Rozhodnutie:
Cvičenie poskytuje množstvo tepla potrebné na to, aby stroj pracoval počas cyklu, takže jeho výkon môžeme určiť pomocou vzorca, ktorý sa týka QQ a QF, Pozri:
Výpočet uvedený vyššie naznačuje, že iba 30% tepelnej energie dostupnej pre motor v každom cykle sa premení na mechanickú prácu.
Cvičenie 2) Stroj pracujúci na Carnotovom cykle má teploty horúceho a studeného zdroja 600 k, respektíve 400 k. Tento stroj každý cyklus odvádza 800 j tepla na zdroj s najnižšou teplotou. Vypočítajte množstvo horúceho tepla absorbovaného strojom v každom cykle a jeho účinnosť ako percento, potom označte správnu alternatívu.
a) 67% a 320 j
b) 33% a 1 200 j
c) 33% a 1 900 j
d) 62% a 1 900 j
e) 80% a 900 j
Šablóna: Písmeno B
Rozhodnutie:
Najskôr si spočítajme účinnosť príslušného tepelného motora. K tomu použijeme teploty horúcich a studených zdrojov:
Pomocou hodnôt teploty uvedených vo vyhlásení musíme vyriešiť nasledujúci výpočet:
Výpočet množstva tepla, ktoré stroj absorbuje v každom cykle, je jednoduché, stačí použiť Carnotovu vetu:
Ak chcete vyriešiť výpočet, stačí nahradiť údaje o cvičení vo vyššie uvedenom vzorci.
Podľa mňa.Rafael Helerbrock
Zdroj: Brazílska škola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
