Машинетермика су уређаји способни да трансформишу топлотну енергију у механички рад. Свакој термалној машини је потребан извор топлота и радне супстанце која може изменити запремину и, према томе, покретати неки механизам, попут вентила или клипа.
ти мотори са унутрашњим сагоревањем, попут оних који возе данашње аутомобиле примери термичких машина. Они упијају топлоту која настаје сагоревањем смеше горива и ваздуха, која се периодично убризгава у њихове цилиндре.
На тај начин се део енергије која се ослободи током експлозије претвара у рад кроз кретање клипа - један од покретних делова мотора, који се користи за претварање топлотне енергије у енергију кинетика.
Како функционишу термичке машине?
Све термичке машине раде у складу са а циклустермодинамички, односно секвенце термодинамичких стања која се понављају. Ови циклуси имају различита стања запремине, притиска и температуре, која су обично представљена графиконима притиска у односу на запремину. Термодинамички циклуси су дизајнирани у потрази за већом енергетском ефикасношћу, односно увек се тражи производња мотора способних за извлачење велике количине посла.
У било ком термодинамичком циклусу то је могуће израчунати рад графички. Због тога је потребно израчунати површину унутрашњости графика, што може бити компликовано ако је циклус у питању неправилног облика. Поред тога, смер стрелица, у смеру казаљке на сату или у смеру супротном од казаљке на сату, показује да ли је циклус у питању циклус термичке машине или фрижидера. Провери:
Циклус у смеру казаљке на сату: Ако је смер циклуса у смеру казаљке на сату, циклус је онај топлотне машине, која апсорбује топлоту и производи рад.
Циклус у супротном смеру казаљке на сату: У случају када је смер циклуса супротан смеру кретања казаљке на сату, он треба да прими механички рад и ослобађа топлоту, као у случају мотора хладњака.
Свака термичка машина има сличну конфигурацију: има изворутоплота (врући извор), из којег извлачи енергију неопходну за његов рад, и а лавабо (хладни извор), где се део апсорбоване топлоте расипа. Обратите пажњу на следећи дијаграм:
Према први закон термодинамике, термалне машине треба да приме одређену количину топлоте да би радиле. Међутим, само мали део те количине топлоте, која је облик енергије, може бити претворена у користан рад.
Разлози за ово ограничење су у основи два: први се односи на технички капацитет за производњу машине која се не расипа енергије - што је немогуће - а друго је ограничење саме природе: по другом закону термодинамике ниједна термичка машина не може представити а Принос 100%. Погледајте шта каже други закон термодинамике, познат као закон о ентропији, према Келвиновој изјави:
„Није могуће да било који систем, на одређеној температури, апсорбује топлоту из извора и трансформише је у потпуности у механичком раду, без модификација овог или његовог система махале “.
Келвинова изјава односи се на конверзијаинтегрални топлоте у механичком раду, наводећи да је ово немогуће без „промена“ у систему. Ова промена се односи на ефекат ентропије: када се топлота узима из неког врућег извора, део те енергије се разграђује у мање корисне облике енергије. Постоје многи процеси разградње енергије: вибрације механичких делова, трење између делова и лежајева, топлота која се одводи у спољно окружење, стварање звучних звукова итд.
Погледајте такође: Упознајте историју термичких машина
Мапа ума: Термичке машине
* Да бисте преузели мапу ума у ПДФ-у, Кликните овде!
Перформансе термичких машина
Ефикасност било које термичке машине може се израчунати као однос механичког рада који произведе према количини топлоте коју апсорбује из неког врућег извора:
η - Перформансе
τ - Механички рад (Ј - џул или креч - калорије)
КК – Топлота из врућег извора (Ј - џула или креч - калорије)
Механички рад је пак одређен разликом између количина топлоте „Вруће“ и „хладно“, стога можемо на њих да напишемо перформансе термичких машина количине:
КФ - топлота која се даје извору хладноће
У потрази за одређивањем карактеристика „савршеног“ термодинамичког циклуса, француски физичар садицарнот развио циклус који, бар теоретски, представља већеефикасностмогуће за термичку машину која ради на истим температурама.
Овај циклус, познат као Царнотов циклус, популарно назван карно машина, није права машина, јер су до данас техничке и практичне немогућности спречавале конструкцију такве машине.
Погледајте такође:Шта је латентна топлота?
Царнотова теорема
О. теоремауцарнот, објављен 1824. године, утврђује да чак и идеална термална машина која не расипа никакву количину енергије услед трења између његових покретних делова, има ограничење максималног приноса, које зависи од односа између температура његовог топлог и хладног извора, датог у келвин:
Т.К - температура врућег извора (К)
Т.Ф - температура хладног извора (К)
Анализирајући горњу формулу, могуће је видети да идеалне термичке машине имају своје перформансе одређене искључиво температурама њених топлих и хладних извора. Поред тога, да би његов принос био 100%, било би неопходно да Т.Ф била нула, односно 0 К, температура апсолутне нуле. Међутим, према 3. закон термодинамике, таква температура је недостижна.
Формула ефикасности приказана горе важи само за термичке машине које раде у складу са Царнотовим циклусом. Поред тога, теорема такође показује да је однос температура ТФ и тК једнак је односу између количина топлоте КФ и КК:
Погледајте такође:Сазнајте више о перформансама термичких машина
Царнотов циклус
О. Царнотов циклус одвија се у четири фазе (или четири такта). Овај циклус чине два адијабатске трансформације то је двоје изотермичке трансформације. Адијабатске трансформације су оне у којима нема размене топлоте, док су изотермне трансформације у којима нема варијација температуре и, сходно томе, остаје унутрашња енергија радне материје одговорне за померање топлотног мотора константан.
Следећа слика представља Царнотов циклус и његове четири фазе. Провери:
И - Изотермно ширење: У овом кораку радна супстанца се шири, одржавајући константну температуру, изводи радове и прима топлоту из врућег извора.
ИИ - Адијабатско ширење: У овој фази, радна супстанца се мало шири и ради без примања топлоте.
ИИИ - Изотермална контракција: У овој фази, запремина гаса се смањује, његов притисак расте и температура остаје константна, поред тога, гас губи топлоту до извора хладноће. У овој фази се ради на гасу.
ИВ - Адијабатска контракција: Гас има брз пораст притиска и мало смањење запремине, али током процеса не размењује топлоту.
Оттов циклус
Оттов циклус је низ физичких трансформација које су претрпеле неке радне супстанце попут бензина или етанола. Овај циклус се широко користи у моторима са унутрашњим сагоревањем који покрећу већину путничких возила. Иако не постоји у пракси, Оттов циклус је дизајниран да приближи Царнотовом циклусу. Доња слика приказује фазе Оттовог циклуса.
Ја - Процес 0-1: Исобарски пријем: У овом процесу мотор под сталним притиском прима мешавину ваздуха и бензина;
ИИ - Процес 1-2: Адијабатска компресија - У овом процесу долази до брзог повећања притиска који врше клипови мотора, тако да нема времена за размену топлоте;
ИИИ - Процес 2-3-4: Сагоревање при константној запремини (2-3) и адијабатско ширење (3-4) - Мала искра производи контролисану експлозију у мешавини ваздуха и бензина, а затим и клипа мотор се брзо спушта, узрокујући повећање запремине и производећи велику количину рад;
ИВ - Процес 4-1-0: Исобарска исцрпљеност - Издувни вентили се отварају и пуштају дим изгорелог горива да излази из мотора под сталним притиском.
Горе описани кораци приказани су на следећој слици, која представља радне кораке а четворотактни мотор, погоњен бензином или алкохолом. Кретање клипа у сваком од приказаних положаја еквивалентно је описаним процесима:
Примери термичких машина
Примери термичких машина су:
Мотори са унутрашњим сагоревањем, попут мотора на алкохол, бензин и дизел;
Парне машине;
Термоелектране.
Термичке машине и индустријска револуција
Термичке машине имале су важну улогу у технолошком развоју друштва. Након усавршавања од ЏејмсВатт, термичке машине на парни погон омогућиле су да се догоди Индустријска револуција, која је радикално променила свет.
Желите ли знати више о овој теми? Приступите нашем тексту о Индустријска револуција.
Фрижидери
Фрижидери или расхладне машине су обрнуте термичке машине. У овим уређајима потребно је изводити радове под гасом у унутрашњости мотора тако да се он шири упијањем топлоте из околине. Примери фрижидера су: фрижидери, замрзивачи и клима уређаји.
Ако желите да сазнате више о томе како функционише овај тип машине, посетите наш текст о рад и особине фрижидера.
Вежбе на термичким машинама
Вежба 1) Термална машина прима 500 Ј топлоте из врућег извора сваког циклуса рада. Ако ова машина расипа 350 Ј топлоте у хладњак, колика ће бити њена енергетска ефикасност у процентима?
а) 42%
б) 50%
ц) 30%
д) 35%
е) 25%
Шаблон: Слово Ц.
Резолуција:
Вежба обезбеђује количине топлоте потребне машини за рад током циклуса, тако да њене перформансе можемо утврдити помоћу формуле која повезује КК и КФ, Погледајте:
Горњи прорачун показује да се само 30% топлотне енергије доступне мотору у сваком циклусу трансформише у механички рад.
Вежба 2) Машина која ради на Царнотовом циклусу има температуре врућег и хладног извора 600 к, односно 400 к. Ова машина одводи 800 ј топлоте на најнижи извор температуре сваког циклуса. Израчунајте количину вруће топлоте коју машина апсорбује у сваком циклусу и његову ефикасност као проценат, а затим означите тачну алтернативу.
а) 67% и 320 ј
б) 33% и 1200 ј
в) 33% и 1900 ј
г) 62% и 1900 ј
е) 80% и 900 ј
Шаблон: Слово Б.
Резолуција:
Прво, израчунајмо ефикасност дотичног топлотног мотора. За ово ћемо користити температуре топлог и хладног извора:
Користећи вредности температуре наведене у изјави, морамо решити следећи прорачун:
Да бисте израчунали количину топлоте коју машина упија у сваком циклусу, једноставно је, само користите Царнотову теорему:
Да бисте решили прорачун, само замените податке о вежбању у горњој формули.
Ја Рафаел Хелерброцк
Извор: Бразил Сцхоол - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
