เครื่องจักรความร้อน เป็นอุปกรณ์ที่สามารถเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็น งานเครื่องกล. เครื่องทำความร้อนทุกเครื่องต้องการแหล่งที่มาของ ความร้อน และของสารทำงานที่สามารถปรับเปลี่ยนปริมาตรได้และทำให้กลไกบางอย่างเคลื่อนที่ได้ เช่น วาล์วหรือลูกสูบ
คุณ เครื่องยนต์สันดาปภายในก็เหมือนพวกที่ขับรถยนต์ทุกวันนี้คือ ตัวอย่างเครื่องทำความร้อน. พวกเขาดูดซับความร้อนที่เกิดจากการเผาไหม้ของเชื้อเพลิงและอากาศซึ่งถูกฉีดเข้าไปในกระบอกสูบเป็นระยะ
ด้วยวิธีนี้ พลังงานส่วนหนึ่งที่ปล่อยออกมาระหว่างการระเบิดจะถูกแปลงเป็นงานผ่าน การเคลื่อนที่ของลูกสูบ - หนึ่งในชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวของเครื่องยนต์ ใช้ในการแปลงพลังงานความร้อนเป็นพลังงาน จลนศาสตร์
เครื่องระบายความร้อนทำงานอย่างไร
เครื่องทำความร้อนทั้งหมดทำงานตาม a วงจรอุณหพลศาสตร์, นั่นคือลำดับของสภาวะทางอุณหพลศาสตร์ที่ทำซ้ำตัวเอง วัฏจักรเหล่านี้มีสถานะต่าง ๆ ของปริมาตร ความดัน และอุณหภูมิ ซึ่งมักจะแสดงด้วยกราฟของความดันเทียบกับปริมาตร วัฏจักรอุณหพลศาสตร์ได้รับการออกแบบมาเพื่อค้นหาประสิทธิภาพการใช้พลังงานที่มากขึ้น กล่าวคือ การผลิตเครื่องยนต์ที่สามารถดึงงานจำนวนมากออกมาได้นั้นเป็นที่ต้องการเสมอ
ในวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ใด ๆ ก็เป็นไปได้ คำนวณงานแบบกราฟิก. ดังนั้นจึงจำเป็นต้องคำนวณพื้นที่ภายในของกราฟ ซึ่งสามารถทำได้ยากหากวงจรที่เป็นปัญหามีรูปร่างไม่สม่ำเสมอ นอกจากนี้ ทิศทางของลูกศรตามเข็มนาฬิกาหรือทวนเข็มนาฬิกา ระบุว่าวัฏจักรที่เป็นปัญหาคือวงจรของเครื่องทำความร้อนหรือตู้เย็น เช็คเอาท์:
รอบตามเข็มนาฬิกา: หากทิศทางของวัฏจักรเป็นตามเข็มนาฬิกา วัฏจักรจะเป็นของเครื่องยนต์ความร้อน ซึ่งดูดซับความร้อนและทำให้เกิดงาน
รอบทวนเข็มนาฬิกา: ในกรณีที่ทิศทางของวัฏจักรทวนเข็มนาฬิกา จะต้องได้รับงานทางกลและปล่อยความร้อน เช่นในกรณีของมอเตอร์ตู้เย็น
เครื่องระบายความร้อนทุกเครื่องมีการกำหนดค่าที่คล้ายกัน: มี it แหล่งที่มาในความร้อน (แหล่งร้อน) ซึ่งมันดึงพลังงานที่จำเป็นสำหรับการทำงานและ a จม (แหล่งกำเนิดความเย็น) โดยที่ส่วนหนึ่งของความร้อนที่ดูดซับจะกระจายไป สังเกตไดอะแกรมต่อไปนี้:
ให้เป็นไปตาม กฎข้อที่หนึ่งของอุณหพลศาสตร์, เครื่องระบายความร้อนจำเป็นต้องได้รับความร้อนจำนวนหนึ่งจึงจะสามารถทำงานได้ อย่างไรก็ตาม ความร้อนจำนวนเล็กน้อยนั้น ซึ่งเป็นพลังงานรูปแบบหนึ่ง ก็สามารถ ดัดแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์.
เหตุผลสำหรับข้อจำกัดนี้มีอยู่สองประการ: ข้อแรกเกี่ยวข้องกับความสามารถทางเทคนิคในการผลิตเครื่องจักรที่ไม่กระจาย พลังงาน – ซึ่งเป็นไปไม่ได้ – และข้อที่สองคือข้อจำกัดของธรรมชาติ: โดยกฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์ ไม่มีเครื่องความร้อนใดสามารถทำได้ นำเสนอ ผลผลิต 100%. ลองดูว่ากฎข้อที่ 2 ของเทอร์โมไดนามิกส์เรียกว่า กฎหมายเอนโทรปีตามคำกล่าวของเคลวิน:
"เป็นไปไม่ได้ที่ระบบใดที่อุณหภูมิหนึ่งจะดูดซับความร้อนจากแหล่งกำเนิดและเปลี่ยนรูปได้ อย่างเต็มที่ในงานเครื่องจักรกลโดยไม่ต้องดัดแปลงระบบนี้หรือ ย่านใกล้เคียง”
คำกล่าวของเคลวินเกี่ยวข้องกับ การแปลงอินทิกรัล ของความร้อนในงานเครื่องกล โดยระบุว่านี่คือ เป็นไปไม่ได้ โดยไม่มี “การเปลี่ยนแปลง” ที่เกิดขึ้นในระบบ การเปลี่ยนแปลงนี้อ้างถึงผลกระทบของเอนโทรปี: เมื่อนำความร้อนออกจากแหล่งที่ร้อน พลังงานบางส่วนจะถูกย่อยสลายเป็นพลังงานที่มีประโยชน์น้อยกว่า มีกระบวนการย่อยสลายพลังงานหลายอย่าง: การสั่นสะเทือนของชิ้นส่วนทางกล การเสียดสีระหว่างชิ้นส่วนและตลับลูกปืน ความร้อนที่กระจายไปยังสภาพแวดล้อมภายนอก การผลิตเสียงที่ได้ยิน เป็นต้น
ดูด้วย: เรียนรู้เกี่ยวกับประวัติของเครื่องจักรความร้อน
Mind Map: เครื่องระบายความร้อน
*ในการดาวน์โหลดแผนที่ความคิดในรูปแบบ PDF คลิกที่นี่!
ประสิทธิภาพของเครื่องระบายความร้อน
ประสิทธิภาพของเครื่องระบายความร้อนใด ๆ สามารถคำนวณได้จากอัตราส่วนของงานทางกลที่ผลิตกับปริมาณความร้อนที่ดูดซับจากแหล่งความร้อนบางส่วน:
η - ประสิทธิภาพ
τ – งานเครื่องกล (J – จูล หรือ มะนาว – แคลอรี)
คิวคิว – ความร้อนจากแหล่งความร้อน (J - จูลหรือมะนาว - แคลอรี่)
ในทางกลับกัน งานเครื่องกลถูกกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างปริมาณความร้อน "ร้อน" และ "เย็น" ดังนั้นเราจึงสามารถเขียนประสิทธิภาพของเครื่องระบายความร้อนผ่านสิ่งเหล่านี้ได้ ปริมาณ:
คิวF – ความร้อนที่ส่งไปยังแหล่งความเย็น
นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศสกำลังค้นหาว่าลักษณะของวัฏจักรอุณหพลศาสตร์ที่ “สมบูรณ์แบบ” คืออะไร? sadiคาร์นอต พัฒนาวัฏจักรที่อย่างน้อยในทางทฤษฎีนำเสนอ ใหญ่กว่าประสิทธิภาพเป็นไปได้ สำหรับเครื่องระบายความร้อนที่ทำงานที่อุณหภูมิเท่ากัน
วัฏจักรนี้เรียกว่า วงจรการ์โนต์,นิยมเรียกกันว่า เครื่องคาร์โนต์ไม่ใช่เครื่องจักรจริง เนื่องจากจนถึงปัจจุบัน ความเป็นไปไม่ได้ทางเทคนิคและในทางปฏิบัติทำให้ไม่สามารถสร้างเครื่องจักรดังกล่าวได้
ดูด้วย:ความร้อนแฝงคืออะไร?
ทฤษฎีบทของการ์โนต์
โอ ทฤษฎีบทในคาร์นอตประกาศในปี พ.ศ. 2367 กำหนดว่าแม้แต่เครื่องระบายความร้อนในอุดมคติซึ่งไม่กระจายพลังงานจำนวนหนึ่งเนื่องจากการเสียดสีระหว่าง ชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ได้มีขีดจำกัดผลผลิตสูงสุด ซึ่งขึ้นอยู่กับอัตราส่วนระหว่างอุณหภูมิของแหล่งความร้อนและความเย็นที่กำหนดใน เคลวิน:
ตู่คิว – อุณหภูมิแหล่งความร้อน (K)
ตู่F – อุณหภูมิแหล่งเย็น (K)
จากการวิเคราะห์สูตรข้างต้น จะเห็นได้ว่าเครื่องระบายความร้อนในอุดมคตินั้นมีประสิทธิภาพการทำงานที่กำหนดโดยอุณหภูมิของแหล่งกำเนิดความร้อนและความเย็นเท่านั้น นอกจากนี้เพื่อให้ผลผลิตเป็น 100% จำเป็นสำหรับTF เป็นศูนย์ นั่นคือ 0 K อุณหภูมิของศูนย์สัมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ตามที่ กฎข้อที่ 3 ของอุณหพลศาสตร์อุณหภูมิดังกล่าวไม่สามารถบรรลุได้
สูตรประสิทธิภาพที่แสดงด้านบนนี้ใช้ได้กับเครื่องระบายความร้อนที่ทำงานตามวัฏจักรคาร์โนต์เท่านั้น นอกจากนี้ ทฤษฎีบทยังแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนของอุณหภูมิ TF และ Tคิว เท่ากับอัตราส่วนระหว่างปริมาณความร้อนQF และ Qคิว:
ดูด้วย:เรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเครื่องระบายความร้อน
วงจรการ์โนต์
โอ วงจรการ์โนต์ มันเกิดขึ้นในสี่ขั้นตอน (หรือสี่จังหวะ) วัฏจักรนี้เกิดขึ้นจากสอง การแปลงแบบอะเดียแบติก มันสอง การเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิความร้อน. การแปลงแบบอะเดียแบติกคือสิ่งที่ไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อน ในขณะที่การแปลงแบบไอโซเทอร์มอลคือสิ่งที่ไม่มี ความผันแปรของอุณหภูมิและส่งผลให้พลังงานภายในของสารทำงานที่รับผิดชอบในการเคลื่อนย้ายเครื่องยนต์ความร้อนยังคงอยู่ คงที่
รูปต่อไปนี้แสดงถึงวัฏจักรการ์โนต์และสี่ขั้นตอนของมัน เช็คเอาท์:
I - การขยายตัวของไอโซเทอร์มอล: ในขั้นตอนนี้ สารทำงานจะขยายตัวพร้อมกับรักษาอุณหภูมิให้คงที่ ทำงาน และรับความร้อนจากแหล่งความร้อน
II - การขยายตัวของอะเดียแบติก: ในขั้นตอนนี้ สารทำงานจะขยายตัวเล็กน้อยและทำงานโดยไม่ได้รับความร้อน
III - การหดตัวแบบไอโซเทอร์มอล: ในขั้นตอนนี้ ปริมาตรของก๊าซจะลดลง ความดันเพิ่มขึ้น และอุณหภูมิยังคงที่ นอกจากนี้ ก๊าซจะสูญเสียความร้อนไปยังแหล่งกำเนิดความเย็น ในขั้นตอนนี้ งานจะดำเนินการกับแก๊ส
IV - การหดตัวของอะเดียแบติก: ก๊าซมีความดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและปริมาตรลดลงเล็กน้อย แต่จะไม่แลกเปลี่ยนความร้อนระหว่างกระบวนการ
อ็อตโต ไซเคิล
วัฏจักรอ็อตโตเป็นลำดับของการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพที่เกิดขึ้นจากสารทำงานบางอย่าง เช่น น้ำมันเบนซินหรือเอทานอล วงจรนี้ใช้กันอย่างแพร่หลายในเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งให้กำลังแก่รถยนต์นั่งส่วนใหญ่ แม้ว่าจะไม่มีอยู่จริงในทางปฏิบัติ แต่วัฏจักรอ็อตโตได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ใกล้เคียงกับวัฏจักรการ์โนต์ รูปด้านล่างแสดงขั้นตอนของวงจรอ็อตโต
ผม - กระบวนการ 0-1: การรับสมัครแบบไอโซบาริก: ในขั้นตอนนี้ เครื่องยนต์จะรับส่วนผสมของอากาศและน้ำมันเบนซินที่แรงดันคงที่
ครั้งที่สอง - กระบวนการ 1-2: การบีบอัดอะเดียแบติก – ในกระบวนการนี้ มีความดันเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วที่กระทำโดยลูกสูบของเครื่องยนต์ ดังนั้นจึงไม่มีเวลาสำหรับการแลกเปลี่ยนความร้อนเกิดขึ้น
III - กระบวนการ 2-3-4: การเผาไหม้ที่ปริมาตรคงที่ (2-3) และการขยายตัวแบบอะเดียแบติก (3-4) - ประกายไฟเล็กๆ ทำให้เกิดการระเบิดที่ควบคุมได้ในส่วนผสมของอากาศและน้ำมันเบนซิน จากนั้นจึงทำให้ลูกสูบของ เครื่องยนต์ลงอย่างรวดเร็วทำให้ปริมาณเพิ่มขึ้นและผลิต andจำนวนมาก งาน;
IV - กระบวนการ 4-1-0: ความอ่อนล้าของไอโซบาริก – วาล์วไอเสียเปิดออกและปล่อยให้ควันจากเชื้อเพลิงที่เผาไหม้ออกจากเครื่องยนต์ด้วยแรงดันคงที่
ขั้นตอนที่อธิบายข้างต้นแสดงในรูปต่อไปนี้ ซึ่งแสดงถึงขั้นตอนการทำงานของa เครื่องยนต์สี่จังหวะขับเคลื่อนด้วยน้ำมันเบนซินหรือแอลกอฮอล์ การเคลื่อนที่ของลูกสูบในแต่ละตำแหน่งที่แสดงนั้นเทียบเท่ากับกระบวนการที่อธิบายไว้:
ตัวอย่างเครื่องทำความร้อน
ตัวอย่างของเครื่องจักรความร้อนคือ:
เครื่องยนต์สันดาปภายใน เช่น เครื่องยนต์ที่ขับเคลื่อนด้วยแอลกอฮอล์ น้ำมันเบนซิน และดีเซล
เครื่องยนต์ไอน้ำ;
โรงไฟฟ้าเทอร์โมอิเล็กทริก
เครื่องทำความร้อนและการปฏิวัติอุตสาหกรรม
เครื่องระบายความร้อนมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีของสังคม หลังจากสมบูรณ์แบบโดย เจมส์วัตต์, เครื่องทำความร้อนแบบใช้ไอน้ำช่วยให้เกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรม ซึ่งเปลี่ยนแปลงโลกอย่างสิ้นเชิง
คุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับเรื่องนี้หรือไม่? เข้าถึงข้อความของเราเกี่ยวกับ การปฏิวัติอุตสาหกรรม.
ตู้เย็น
ตู้เย็นหรือเครื่องทำความเย็นเป็นเครื่องทำความร้อนแบบคว่ำ ในอุปกรณ์เหล่านี้จำเป็นต้องทำงานภายใต้ก๊าซภายในเครื่องยนต์เพื่อให้ขยายตัวโดยการดูดซับความร้อนจากสภาพแวดล้อม ตัวอย่างของตู้เย็น ได้แก่ ตู้เย็น ตู้แช่แข็ง และเครื่องปรับอากาศ
หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับวิธีการทำงานของเครื่องประเภทนี้ โปรดไปที่ข้อความเกี่ยวกับ การทำงานและคุณสมบัติของตู้เย็น
แบบฝึกหัดเกี่ยวกับเครื่องระบายความร้อน
แบบฝึกหัด 1) เครื่องระบายความร้อนได้รับความร้อน 500 J จากแหล่งความร้อนในแต่ละรอบการทำงาน หากเครื่องนี้กระจายความร้อน 350 J ไปยังอ่างเย็น ประสิทธิภาพการใช้พลังงานจะเป็นเปอร์เซ็นต์
ก) 42%
ข) 50%
ค) 30%
ง) 35%
จ) 25%
แม่แบบ: จดหมาย C
ความละเอียด:
การออกกำลังกายให้ปริมาณความร้อนที่เครื่องต้องใช้ในการทำงานระหว่างรอบ ดังนั้นเราสามารถกำหนดประสิทธิภาพได้โดยใช้สูตรที่เกี่ยวข้องกับ Qคิว และ QF, ดู:
การคำนวณข้างต้นระบุว่าพลังงานความร้อนที่มีให้กับมอเตอร์เพียง 30% ในแต่ละรอบจะถูกเปลี่ยนเป็นงานกลไก
แบบฝึกหัด 2) เครื่องที่ทำงานบนวงจร Carnot มีอุณหภูมิแหล่งกำเนิดร้อนและเย็นที่ 600 k และ 400 k ตามลำดับ เครื่องนี้จะกระจายความร้อน 800 j ไปยังแหล่งอุณหภูมิต่ำสุดในแต่ละรอบ คำนวณปริมาณความร้อนร้อนที่เครื่องดูดซับในแต่ละรอบและประสิทธิภาพเป็นเปอร์เซ็นต์ จากนั้นทำเครื่องหมายทางเลือกที่ถูกต้อง
ก) 67% และ 320 j
b) 33% และ 1200 j
ค) 33% และ 1900 j
ง) 62% และ 1900 j
จ) 80% และ 900 j
แม่แบบ: จดหมายข
ความละเอียด:
ก่อนอื่น มาคำนวณประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่เป็นปัญหากันก่อน สำหรับสิ่งนี้เราจะใช้อุณหภูมิของแหล่งร้อนและเย็น:
โดยใช้ค่าอุณหภูมิที่แจ้งในคำสั่ง เราต้องแก้การคำนวณต่อไปนี้:
ในการคำนวณปริมาณความร้อนที่เครื่องดูดซับในแต่ละรอบทำได้ง่าย เพียงใช้ทฤษฎีบทของ Carnot:
เพื่อแก้ปัญหาการคำนวณ เพียงแทนที่ข้อมูลการออกกำลังกายในสูตรด้านบน
By Me. ราฟาเอล เฮเลอร์บร็อก
ที่มา: โรงเรียนบราซิล - https://brasilescola.uol.com.br/fisica/maquina-termicaaplicacao-segunda-lei-termodinamica.htm
