Maskinertermiska är enheter som kan omvandla termisk energi till mekaniskt arbete. Varje termisk maskin behöver en källa till värme och av ett fungerande ämne som kan ha sin volym modifierad och följaktligen flytta någon mekanism, såsom ventiler eller kolvar.
Du förbränningsmotorer, som de som kör dagens bilar, är exempel på termiska maskiner. De absorberar värmen som produceras från att bränna en blandning av bränsle och luft som regelbundet injiceras i deras cylindrar.
På detta sätt omvandlas en del av energin som släpps ut under explosionen till arbete, genom kolvrörelse - en av motorns rörliga delar, som används för att omvandla termisk energi till energi kinetik.
Hur fungerar termiska maskiner?
Alla termiska maskiner fungerar enligt a cykeltermodynamisk, det vill säga sekvenser av termodynamiska tillstånd som upprepar sig själva. Dessa cykler har olika tillstånd av volym, tryck och temperatur, som vanligtvis representeras av diagram över tryck kontra volym. Termodynamiska cykler är utformade för att söka efter större energieffektivitet, det vill säga att man alltid söker produktion av motorer som kan extrahera mycket arbete.
I alla termodynamiska cykler är det möjligt beräkna arbetet grafiskt. För det är det nödvändigt att beräkna det inre av diagrammet, vilket kan vara komplicerat att göra, om cykeln i fråga har någon oregelbunden form. Dessutom anger pilarnas riktning, medurs eller moturs, om cykeln i fråga är en termisk maskin eller ett kylskåp. Kolla upp:
Medurs cykel: Om cykelns riktning är medurs är cykeln en värmemotor som absorberar värme och producerar arbete.
Moturs cykel: I det fall där cykeln riktas moturs, måste den ta emot mekaniskt arbete och släppa värme, som i fallet med kylmotorer.
Sluta inte nu... Det finns mer efter reklam;)
Varje termisk maskin har en liknande konfiguration: den har en källaivärme (varm källa), från vilken den extraherar den energi som krävs för dess drift, och a handfat (kall källa), där en del av den absorberade värmen försvinner. Observera följande schema:
Enligt termodynamikens första lagmåste termiska maskiner få en viss mängd värme för att fungera. Men bara en liten del av den värmemängden, som är en form av energi, kan vara omvandlas till användbart arbete.
Anledningarna till denna begränsning är i huvudsak två: den första avser den tekniska förmågan att producera en maskin som inte försvinner energi - vilket är omöjligt - och det andra är en begränsning av naturen själv: enligt termodynamikens andra lag kan ingen termisk maskin presentera en Avkastning 100%. Kolla in vad termodynamikens andra lag säger, känd som entropilag, enligt Kelvins uttalande:
"Det är inte möjligt för något system vid en viss temperatur att absorbera värme från en källa och omvandla det helt i mekaniskt arbete, utan modifiering av detta system eller dess stadsdelar. ”
Kelvins uttalande gäller omvandlingväsentlig värme i mekaniskt arbete, och säger att detta är omöjlig utan att "förändringar" inträffar i systemet. Denna förändring avser effekten av entropi: när man tar värme från någon het källa bryts en del av den energin ned till mindre användbara energiformer. Det finns många processer för nedbrytning av energi: vibrationer av mekaniska delar, friktion mellan delar och lager, värme som sprids till den yttre miljön, produktion av hörbara ljud etc.
Se också: Lär dig mer om termiska maskiners historia
Mind Map: Termiska maskiner
* För att ladda ner mind map i PDF, Klicka här!
Prestanda hos termiska maskiner
Effektiviteten för vilken termisk maskin som helst kan beräknas som förhållandet mellan det mekaniska arbetet och den mängd värme den absorberar från någon het källa:
η - Prestanda
τ - Mekaniskt arbete (J - joule eller lime - kalorier)
FF – Värme från den heta källan (J - joule eller lime - kalorier)
Mekaniskt arbete bestäms i sin tur av skillnaden mellan värmemängderna "Hett" och "kallt", därför kan vi skriva prestanda hos termiska maskiner genom dessa kvantiteter:
FF - värme som ges till den kalla källan
För att bestämma vilka egenskaper den ”perfekta” termodynamiska cykeln skulle ha, den franska fysikern sadicarnot utvecklat en cykel som åtminstone teoretiskt presenterar störreeffektivitetmöjlig för en termisk maskin som arbetar vid samma temperaturer.
Denna cykel, känd som Carnot cykel, populärt kallat carnot-maskin, är inte en riktig maskin, eftersom tekniska och praktiska omöjligheter fram till idag förhindrade konstruktionen av en sådan maskin.
Se också:Vad är latent värme?
Carnot's Theorem
O satsicarnot1824 fastställer att även den idealiska termiska maskinen, som inte släpper ut någon mängd energi på grund av friktion mellan dess rörliga delar har en maximal utbytesgräns, som beror på förhållandet mellan temperaturerna i dess heta och kalla källa, angiven i kelvin:
TF - Varm källtemperatur (K)
TF - Kall temperatur (K)
Genom att analysera formeln ovan är det möjligt att se att den idealiska termiska maskinen har sin prestanda som bestäms uteslutande av temperaturerna i dess heta och kalla källor. Dessutom, för att dess utbyte ska vara 100%, skulle det vara nödvändigt för TF var noll, det vill säga 0 K, temperaturen absolut noll. Men enligt Tredje lagen om termodynamikär sådan temperatur ouppnåelig.
Effektivitetsformeln som visas ovan gäller endast för termiska maskiner som arbetar enligt Carnot-cykeln. Dessutom visar satsen att förhållandet mellan temperaturer TF och tF är lika med förhållandet mellan värmemängderna QF och QF:
Se också:Lär dig mer om termisk maskinprestanda
Carnot-cykel
O Carnot cykel den äger rum i fyra etapper (eller fyra slag). Denna cykel bildas av två adiabatiska omvandlingar det är två isotermiska omvandlingar. Adiabatiska transformationer är de där det inte finns något värmeväxling, medan isotermiska transformationer är de där det inte finns något temperaturvariation och följaktligen den inre energin hos det arbetsämne som ansvarar för att flytta värmemotorn kvarstår konstant.
Följande bild representerar Carnot-cykeln och dess fyra steg. Kolla upp:
I - Isotermisk expansion: I detta steg expanderar arbetsämnet, bibehåller sin konstanta temperatur, utför arbete och tar emot värme från den heta källan.
II - Adiabatisk expansion: I detta skede expanderar arbetsämnet lite och fungerar utan värme.
III - Isotermisk kontraktion: I detta skede minskar gasens volym, dess tryck ökar och dess temperatur förblir konstant, dessutom förlorar gasen värme till den kalla källan. I detta skede utförs arbete med gasen.
IV - Adiabatisk kontraktion: Gasen har en snabb tryckökning och liten volymminskning, men den utbyter inte värme under processen.
Otto cyklar
Otto-cykeln är en sekvens av fysiska omvandlingar som har genomgått någon fungerande substans som bensin eller etanol. Denna cykel används ofta i förbränningsmotorer som driver de flesta personbilar. Även om det inte existerar i praktiken var Otto-cykeln utformad för att ungefär en Carnot-cykel. Bilden nedan visar stadierna i Otto-cykeln.
Jag - Process 0-1: Isobarisk antagning: I denna process tillåts en blandning av luft och bensin av motorn vid ett konstant tryck;
II - Process 1-2: Adiabatisk kompression - I denna process sker det en snabb ökning av trycket som utövas av motorkolvarna, så att det inte finns någon tid för värmeväxling att inträffa;
III - Process 2-3-4: Förbränning vid konstant volym (2-3) och adiabatisk expansion (3-4) - En liten gnista producerar en kontrollerad explosion i blandningen av luft och bensin och sedan kolven i motorn sjunker snabbt, vilket orsakar en volymökning och producerar en stor mängd arbete;
IV - Process 4-1-0: Isobarisk utmattning - Avgasventilerna öppnas och låter röken från det brinnande bränslet komma ut från motorn med ett konstant tryck.
Stegen som förklaras ovan visas i följande bild, som representerar driftsstegen för a fyrtaktsmotor, drivs av bensin eller alkohol. Kolvens rörelse i vart och ett av de visade positionerna motsvarar de beskrivna processerna:
Exempel på termiska maskiner
Exempel på termiska maskiner är:
Förbränningsmotorer som drivs av alkohol, bensin och diesel;
Ångmotorer;
Termoelektriska kraftverk.
Termiska maskiner och den industriella revolutionen
Termiska maskiner spelade en viktig roll i samhällets tekniska utveckling. Efter perfektion av JamesWatt, ångdrivna termiska maskiner tillät den industriella revolutionen att ske, radikalt förändra världen.
Vill du veta mer om detta ämne? Gå till vår text om Industriell revolution.
Kylskåp
Kylskåp eller kylmaskiner är inverterade termiska maskiner. I dessa enheter är det nödvändigt att utföra arbete under gasen inuti motorn så att den expanderar genom att absorbera värme från omgivningen. Exempel på kylskåp är: kylskåp, frysar och luftkonditionering.
Om du vill veta mer om hur denna typ av maskin fungerar, besök vår text om kylskåpets funktion och egenskaper.
Övningar på termiska maskiner
Övning 1) En termisk maskin tar emot 500 J värme från en varm källa varje driftscykel. Om den här maskinen släpper ut 350 J värme i kylen, vad kommer dess energieffektivitet att vara i procent?
a) 42%
b) 50%
c) 30%
d) 35%
e) 25%
Mall: Bokstaven C
Upplösning:
Motion ger de mängder värme som maskinen behöver för att fungera under en cykel, så vi kan bestämma dess prestanda med formeln som relaterar till QF och QF, Se:
Beräkningen ovan visar att endast 30% av den värmeenergi som finns tillgänglig för motorn vid varje cykel omvandlas till mekaniskt arbete.
Övning 2) En maskin som arbetar på Carnot-cykeln har sina varma och kalla källtemperaturer på 600 k respektive 400 k. Denna maskin släpper ut 800 j värme till sin lägsta temperaturkälla varje cykel. Beräkna mängden varm värme som absorberas av maskinen vid varje cykel och dess effektivitet i procent, markera sedan rätt alternativ.
a) 67% och 320 j
b) 33% och 1200 j
c) 33% och 1900 j
d) 62% och 1900 j
e) 80% och 900 j
Mall: Bokstaven B
Upplösning:
Låt oss först beräkna effektiviteten för värmemotorn i fråga. För detta kommer vi att använda temperaturerna på de varma och kalla källorna:
Med hjälp av temperaturvärdena som anges i uttalandet måste vi lösa följande beräkning:
För att beräkna mängden värme som maskinen absorberar i varje cykel är enkel, använd bara Carnots sats:
För att lösa beräkningen ersätter du bara träningsdata i formeln ovan.
Av mig Rafael Helerbrock
