Strojitermike so naprave, ki lahko pretvorijo toplotno energijo v mehansko delo. Vsak termični stroj potrebuje vir toplota in delovne snovi, ki lahko spreminja prostornino in posledično premika mehanizem, kot so ventili ali bati.
Ti motorji z notranjim zgorevanjem, kot so tisti, ki vozijo današnje avtomobile primeri termičnih strojev. Absorbirajo toploto, ki nastane pri sežiganju mešanice goriva in zraka, ki se občasno vbrizga v njihove jeklenke.
Na ta način se del energije, ki se sprosti med eksplozijo, pretvori v delo skozi gibanje bata - eden od gibljivih delov motorja, ki se uporablja za pretvorbo toplotne energije v energijo kinetika.
Kako delujejo termični stroji?
Vsi termični stroji delujejo v skladu z a cikeltermodinamični, torej zaporedja termodinamičnih stanj, ki se ponavljajo. Ti cikli imajo različna stanja prostornine, tlaka in temperature, ki jih ponavadi predstavljajo grafi tlaka in prostornine. Termodinamični cikli so zasnovani za iskanje večje energetske učinkovitosti, to pomeni, da se vedno išče proizvodnja motorjev, ki lahko izvlečejo veliko dela.
V katerem koli termodinamičnem ciklu je to mogoče izračunajte delo grafično. Zato je treba izračunati površino notranjosti grafa, kar je lahko zapleteno, če ima zadevni cikel nepravilno obliko. Poleg tega smer puščic v smeri urinega kazalca ali v nasprotni smeri kaže, ali je zadevni cikel cikel termičnega stroja ali hladilnika. Preveri:
Cikel v smeri urnega kazalca: Če je smer cikla v smeri urnega kazalca, je cikel v smeri toplotnega stroja, ki absorbira toploto in ustvari delo.
Cikel v nasprotni smeri urnega kazalca: V primeru, da je smer cikla v nasprotni smeri urnega kazalca, mora prejeti mehansko delo in sprostiti toploto, kot v primeru hladilnih motorjev.
Vsak termični stroj ima podobno konfiguracijo: ima virvtoplota (vroči vir), iz katerega črpa energijo, potrebno za njegovo delovanje, in a umivalnik (hladni vir), kjer se del absorbirane toplote odvaja. Upoštevajte naslednji diagram:
Glede na prvi zakon termodinamike, termični stroji morajo za delo prejeti določeno količino toplote. Vendar je lahko le majhen del te količine toplote, ki je oblika energije pretvori v koristno delo.
Razloga za to omejitev sta v bistvu dva: prvi se nanaša na tehnično zmogljivost za izdelavo stroja, ki se ne razprši energija - kar je nemogoče - in drugo je omejitev narave same: po drugem zakonu termodinamike noben toplotni stroj ne more prisoten a Donos 100%. Preverite, kaj pravi drugi zakon termodinamike, znan kot zakon o entropiji, glede na Kelvinovo izjavo:
"Noben sistem pri določeni temperaturi ne more absorbirati toplote iz vira in jo pretvoriti popolnoma mehansko delo, brez sprememb tega ali njegovega sistema soseske. "
Kelvinova izjava se nanaša na pretvorbaintegralno toplote pri mehanskem delu, pri čemer trdi, da je to nemogoče brez sprememb v sistemu. Ta sprememba se nanaša na učinek entropije: pri odvajanju toplote iz nekega vročega vira se del te energije razgradi v manj uporabne oblike energije. Obstaja veliko procesov razgradnje energije: vibracije mehanskih delov, trenje med deli in ležaji, odvajanje toplote v zunanje okolje, ustvarjanje zvočnih zvokov itd.
Glej tudi: Spoznajte zgodovino termičnih strojev
Zemljevid uma: Termični stroji
* Če želite prenesti miselni zemljevid v PDF, Klikni tukaj!
Zmogljivost termičnih strojev
Učinkovitost katerega koli termičnega stroja lahko izračunamo kot razmerje med mehanskim delom, ki ga proizvede, in količino toplote, ki jo absorbira iz nekega vročega vira:
η - Izvedba
τ - mehansko delo (J - jouli ali apno - kalorije)
VV – Toplota iz vročega vira (J - jouli ali apno - kalorije)
Mehansko delo pa je določeno z razliko med količinami toplote "Vroče" in "hladne", zato lahko skozi njih zapišemo zmogljivost termičnih strojev količine:
VF - toplota, ki se oddaja hladnemu viru
Francoski fizik je želel ugotoviti, kakšne bi bile značilnosti "popolnega" termodinamičnega cikla sadicarnot razvil cikel, ki vsaj teoretično predstavlja večjiučinkovitostmogoče za termični stroj, ki deluje pri enakih temperaturah.
Ta cikel, znan kot Carnotov cikel, popularno imenovano stroj carnot, ni pravi stroj, saj so do danes tehnične in praktične nezmožnosti preprečevale izdelavo takega stroja.
Glej tudi:Kaj je latentna toplota?
Carnotov izrek
O izrekvcarnot, predstavljen leta 1824, ugotavlja, da tudi idealen toplotni stroj, ki zaradi trenja med seboj ne odvaja energije njegovih gibljivih delov ima mejo največjega izkoristka, ki je odvisna od razmerja med temperaturami vročega in hladnega vira, podanega v Kelvin:
TV - temperatura vročega vira (K)
TF - temperatura hladnega vira (K)
Z analizo zgornje formule lahko ugotovimo, da ima idealni termični stroj delovanje, ki ga določajo izključno temperature vročih in hladnih virov. Poleg tega bi bil za donos 100% potreben TF je bila nič, to je 0 K, temperatura absolutne ničle. Vendar pa po navedbah 3. zakon termodinamike, takšna temperatura je nedosegljiva.
Zgoraj prikazana formula učinkovitosti velja samo za termične stroje, ki delujejo po Carnotovem ciklu. Poleg tega izrek tudi kaže, da je razmerje temperatur TF in TV je enako razmerju med količinami toplote QF in QV:
Glej tudi:Preberite več o delovanju termičnega stroja
Carnotov cikel
O Carnotov cikel poteka v štirih fazah (ali štirih utripih). Ta cikel tvorita dva adiabatske transformacije dva sta izotermične transformacije. Adiabatske transformacije so tiste, pri katerih ni izmenjave toplote, medtem ko so izotermične transformacije, pri katerih ni temperaturne razlike in posledično notranja energija delovne snovi, ki je odgovorna za premikanje toplotnega stroja konstanten.
Naslednja slika predstavlja Carnotov cikel in njegove štiri stopnje. Preveri:
I - Izotermična ekspanzija: V tem koraku se delovna snov razširi, ohranja konstantno temperaturo, opravlja delo in prejema toploto iz vročega vira.
II - Adiabatska širitev: V tej fazi se delovna snov nekoliko razširi in deluje, ne da bi prejela toploto.
III - Izotermično krčenje: Na tej stopnji se količina plina zmanjša, tlak se poveča in temperatura ostane nespremenjena, poleg tega pa plin izgubi toploto do hladnega vira. V tej fazi se izvajajo dela na plinu.
IV - Adiabatsko krčenje: Plin ima hiter porast tlaka in majhen upad prostornine, vendar med postopkom ne izmenjuje toplote.
Ottov cikel
Ottov cikel je zaporedje fizikalnih transformacij, ki jih opravijo nekatere delovne snovi, kot sta bencin ali etanol. Ta cikel se pogosto uporablja v motorjih z notranjim zgorevanjem, ki poganjajo večino potniških vozil. Čeprav v praksi ne obstaja, je bil Ottov cikel zasnovan tako, da približa Carnotovemu ciklu. Spodnja slika prikazuje faze Ottovega cikla.
JAZ - Postopek 0-1: izobarski sprejem: Pri tem postopku motor pri konstantnem tlaku prepušča mešanico zraka in bencina;
II - Postopek 1-2: adiabatsko stiskanje - V tem postopku se hitro poveča tlak, ki ga izvajajo bati motorja, tako da ni časa za izmenjavo toplote;
III - Postopek 2-3-4: Izgorevanje pri konstantni prostornini (2-3) in adiabatsko širjenje (3-4) - Majhna iskra povzroči nadzorovano eksplozijo v mešanici zraka in bencina in nato bata motor se hitro spušča, kar povzroči povečanje prostornine in proizvede veliko količino delo;
IV - Postopek 4-1-0: Izobarska izčrpanost - Izpušni ventili se odprejo in puščajo dim iz gorečega goriva pri konstantnem tlaku iz motorja.
Zgoraj pojasnjeni koraki so prikazani na naslednji sliki, ki predstavlja korake delovanja a štiritaktni motor, ki ga poganja bencin ali alkohol. Premik bata v vsakem od prikazanih položajev je enakovreden opisanim postopkom:
Primeri termičnih strojev
Primeri termičnih strojev so:
Motorji z notranjim zgorevanjem, kot so motorji na alkohol, bencin in dizelsko gorivo;
Parni motorji;
Termoelektrarne.
Termični stroji in industrijska revolucija
Termični stroji so imeli pomembno vlogo pri tehnološkem razvoju družbe. Po izpopolnjevanju do JamesWatt, termični stroji na parni pogon so omogočili industrijsko revolucijo, ki je korenito spremenila svet.
Bi radi izvedeli več o tej temi? Dostopajte do našega besedila o Industrijska revolucija.
Hladilniki
Hladilniki ali hladilni stroji so obrnjeni termični stroji. V teh napravah je treba opraviti delo pod plinom znotraj motorja, tako da se ta razširi z absorpcijo toplote iz okolice. Primeri hladilnikov so: hladilniki, zamrzovalniki in klimatska naprava.
Če želite izvedeti več o delovanju te vrste stroja, obiščite naše besedilo o delovanje in lastnosti hladilnikov.
Vaje na termičnih strojih
Vaja 1) Termalni stroj prejme 500 J toplote iz vročega vira v vsakem ciklu obratovanja. Kolikšna bo njegova energijska učinkovitost, če ta stroj odvaja 350 J toplote v hladilno korito?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Predloga: Črka C
Resolucija:
Vadba zagotavlja količino toplote, ki jo stroj potrebuje za delovanje med ciklom, zato lahko njegovo učinkovitost določimo s formulo, ki povezuje QV in QF, Poglej:
Zgornji izračun kaže, da se le 30% toplotne energije, ki je na voljo motorju v vsakem ciklu, pretvori v mehansko delo.
Vaja 2) Stroj, ki deluje po Carnotovem ciklu, ima temperature vročega in hladnega izvora 600 k oziroma 400 k. Ta stroj v vsakem ciklu odvaja 800 j toplote do vira z najnižjo temperaturo. Izračunajte količino vroče toplote, ki jo stroj absorbira v vsakem ciklu, in njegov izkoristek v odstotkih, nato označite pravilno možnost.
a) 67% in 320 j
b) 33% in 1200 j
c) 33% in 1900 j
d) 62% in 1900 j
e) 80% in 900 j
Predloga: Črka B
Resolucija:
Najprej izračunajmo izkoristek zadevnega toplotnega stroja. Za to bomo uporabili temperature vročih in hladnih virov:
Z uporabo temperaturnih vrednosti, navedenih v izjavi, moramo rešiti naslednji izračun:
Če želite izračunati količino toplote, ki jo stroj absorbira v vsakem ciklu, je preprosto, uporabite Carnotov izrek:
Za rešitev izračuna preprosto nadomestite podatke o vadbi v zgornji formuli.
Jaz, Rafael Helerbrock
Vir: Brazilska šola - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm