makinelertermikler termal enerjiyi dönüştürebilen cihazlardır. mekanik iş. Her termal makinenin bir kaynağa ihtiyacı vardır. sıcaklık ve hacmi değiştirilebilen ve sonuç olarak valfler veya pistonlar gibi bazı mekanizmaları hareket ettirebilen bir çalışma maddesi.
Sen içten yanmalı motorlarbugünün arabalarını kullananlar gibi, termal makine örnekleri. Silindirlerine periyodik olarak enjekte edilen bir yakıt ve hava karışımının yakılmasından üretilen ısıyı emerler.
Bu şekilde, patlama sırasında açığa çıkan enerjinin bir kısmı, patlama sırasında işe dönüştürülür. piston hareketi - termal enerjiyi enerjiye dönüştürmek için kullanılan motorun hareketli parçalarından biri kinetik.
Termal makineler nasıl çalışır?
Tüm termal makineler bir döngütermodinamik, yani, kendilerini tekrar eden termodinamik durum dizileri. Bu döngüler, genellikle basınç-hacim grafikleri ile temsil edilen farklı hacim, basınç ve sıcaklık durumlarına sahiptir. Termodinamik çevrimler, daha fazla enerji verimliliği arayışı içinde tasarlanmıştır, yani her zaman büyük miktarda iş çıkarabilen motorların üretimi aranır.
Herhangi bir termodinamik çevrimde, işi grafiksel olarak hesapla. Bunun için, söz konusu döngü düzensiz bir şekle sahipse, yapılması karmaşık olabilecek grafiğin iç alanını hesaplamak gerekir. Ek olarak, okların yönü, saat yönünde veya saat yönünün tersine, söz konusu döngünün bir termal makinenin mi yoksa bir buzdolabının mı olduğunu gösterir. Ödeme:
Saat yönünde döngü: Çevrimin yönü saat yönünde ise, çevrim, ısıyı emen ve iş üreten bir ısı makinesininki gibidir.
Saat yönünün tersine çevrim: Bir çevrimin yönünün saat yönünün tersine olması durumunda, buzdolabı motorlarında olduğu gibi mekanik iş alması ve ısıyı serbest bırakması gerekir.
Şimdi durma... Reklamdan sonra devamı var ;)
Her termal makinenin benzer bir konfigürasyonu vardır: kaynakiçindesıcaklık (sıcak kaynak), çalışması için gerekli enerjiyi ve bir lavabo (soğuk kaynak), emilen ısının bir kısmının dağıldığı yer. Aşağıdaki şemaya dikkat edin:
Göre termodinamiğin birinci yasası, termal makinelerin çalışması için belirli bir miktarda ısı alması gerekir. Ancak, bir enerji biçimi olan bu ısı miktarının sadece küçük bir kısmı faydalı çalışmaya dönüştürülür.
Bu sınırlamanın nedenleri temelde ikidir: ilki, dağılmayan bir makine üretme teknik kapasitesi ile ilgilidir. enerji – ki bu imkansızdır – ve ikincisi doğanın kendisinin bir sınırlamasıdır: Termodinamiğin 2. yasasına göre hiçbir termal makine bunu yapamaz. sunmak Yol ver 100%. olarak bilinen Termodinamiğin 2. yasasının ne dediğine bakın. entropi yasasıKelvin'in açıklamasına göre:
"Belli bir sıcaklıkta hiçbir sistemin bir kaynaktan ısı alıp onu dönüştürmesi mümkün değildir. bu sistemde veya onun yapısında herhangi bir değişiklik yapılmadan tamamen mekanik işlerde mahalleler.”
Kelvin'in açıklaması, dönüştürmekintegral mekanik işlerde ısının, bunun olduğunu belirten imkansız sistemde meydana gelen “değişiklikler” olmadan. Bu değişiklik entropinin etkisine atıfta bulunur: bir sıcak kaynaktan ısı çıkarılırken, bu enerjinin bir kısmı daha az yararlı enerji biçimlerine indirgenir. Pek çok enerji bozunma süreci vardır: mekanik parçaların titreşimi, parçalar ve yataklar arasındaki sürtünme, dış ortama yayılan ısı, duyulabilir seslerin üretimi, vb.
Ayrıca bakınız: Termal makinelerin tarihi hakkında bilgi edinin
Zihin Haritası: Termal Makineler
*Zihin haritasını PDF olarak indirmek için, Buraya Tıkla!
Termal makinelerin performansı
Herhangi bir termal makinenin verimliliği, ürettiği mekanik işin bir sıcak kaynaktan emdiği ısı miktarına oranı olarak hesaplanabilir:
η - Verim
τ – Mekanik çalışma (J – joule veya kireç – kalori)
SS – Sıcak kaynaktan gelen ısı (J - joule veya kireç - kalori)
Mekanik iş, sırayla, ısı miktarları arasındaki farkla belirlenir. “sıcak” ve “soğuk”, dolayısıyla termal makinelerin performansını bunlar aracılığıyla yazabiliriz. miktarları:
SF – soğuk kaynağa verilen ısı
Fransız fizikçi, "mükemmel" termodinamik çevrimin özelliklerinin neler olacağını belirlemeye çalışıyor. sadikarnot en azından teorik olarak sunan bir döngü geliştirdi. daha büyükverimlilikmümkün aynı sıcaklıklarda çalışan bir termal makine için.
olarak bilinen bu döngü, karnot döngüsü, popüler olarak adlandırılan karnot makinesi, gerçek bir makine değildir, çünkü günümüze kadar teknik ve pratik imkansızlıklar böyle bir makinenin yapımını engellemiştir.
Ayrıca bakınız:Gizli ısı nedir?
Carnot Teoremi
Ö teoremiçindekarnot, 1824'te ifade edilen, sürtünme nedeniyle herhangi bir miktarda enerji harcamayan ideal termal makinenin bile olduğunu tespit eder. hareketli parçaları, sıcak ve soğuk kaynağının sıcaklıkları arasındaki orana bağlı olarak verilen maksimum verim sınırına sahiptir. Kelvin:
TS – Sıcak kaynak sıcaklığı (K)
TF – Soğuk kaynak sıcaklığı (K)
Yukarıdaki formül incelendiğinde ideal termal makinenin performansının sadece sıcak ve soğuk kaynaklarının sıcaklıkları tarafından belirlendiğini görmek mümkündür. Ayrıca veriminin %100 olması için T için gerekli olacaktır.F sıfırdı, yani 0 K, mutlak sıfırın sıcaklığı. Ancak, göre Termodinamiğin 3. Yasası, böyle bir sıcaklık elde edilemez.
Yukarıda gösterilen verimlilik formülü yalnızca Carnot döngüsüne göre çalışan termal makineler için geçerlidir. Ek olarak, teorem ayrıca sıcaklıkların oranının T olduğunu gösterir.F ve TS ısı miktarları arasındaki orana eşittir QF ve QS:
Ayrıca bakınız:Termal makine performansı hakkında daha fazla bilgi edinin
Karnot Döngüsü
Ö karnot döngüsü dört aşamada (veya dört vuruşta) gerçekleşir. Bu döngü iki adyabatik dönüşümler iki izotermal dönüşümler. Adyabatik dönüşümler ısı değişiminin olmadığı, izotermal dönüşümlerin olmadığı dönüşümlerdir. sıcaklık değişimi ve sonuç olarak, ısı motorunu hareket ettirmekten sorumlu çalışma maddesinin iç enerjisi kalır. sabit.
Aşağıdaki şekil, Carnot döngüsünü ve dört aşamasını temsil etmektedir. Ödeme:
I - İzotermal genişleme: Bu adımda, çalışma maddesi sabit sıcaklığını koruyarak genişler, iş yapar ve sıcak kaynaktan ısı alır.
II - Adyabatik genişleme: Bu aşamada çalışan madde biraz genleşir ve ısı almadan iş yapar.
III - İzotermal kasılma: Bu aşamada gazın hacmi azalır, basıncı artar ve sıcaklığı sabit kalır, ayrıca gaz soğuk kaynağa ısı kaybeder. Bu aşamada gaz üzerinde çalışma yapılır.
IV - Adyabatik kasılma: Gaz, basınçta hızlı bir artışa ve hacimde çok az azalmaya sahiptir, ancak işlem sırasında ısı alışverişi yapmaz.
Otto döngüsü
Otto çevrimi, benzin veya etanol gibi bazı çalışan maddelerin maruz kaldığı bir dizi fiziksel dönüşümdür. Bu çevrim, çoğu binek aracına güç sağlayan içten yanmalı motorlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Pratikte mevcut olmamasına rağmen, Otto çevrimi bir Carnot çevrimine yaklaşmak için tasarlanmıştır. Aşağıdaki şekil Otto döngüsünün aşamalarını göstermektedir.
BEN - İşlem 0-1: İzobarik Kabul: Bu işlemde, motor tarafından sabit bir basınçta hava ve benzin karışımı alınır;
II - İşlem 1-2: Adyabatik Sıkıştırma – Bu süreçte motor pistonlarının uyguladığı basınçta hızlı bir artış olur, böylece ısı alışverişi için zaman kalmaz;
III - Proses 2-3-4: Sabit hacimde (2-3) yanma ve adyabatik genleşme (3-4) - Küçük bir kıvılcım, hava ve benzin karışımında kontrollü bir patlamaya neden olur ve ardından motorun pistonu motor hızla alçalarak hacimde bir artışa neden olur ve büyük miktarda iş;
IV - Süreç 4-1-0: İzobarik tükenme – Egzoz valfleri açılır ve yanan yakıttan çıkan dumanın motordan sabit bir basınçta çıkmasına izin verir.
Yukarıda açıklanan adımlar, bir cihazın çalışma adımlarını temsil eden aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. dört zamanlı motor, benzin veya alkol ile çalışır. Gösterilen konumların her birinde pistonun hareketi, açıklanan işlemlere eşdeğerdir:
Termal makine örnekleri
Termal makinelere örnekler:
Alkol, benzin ve dizel ile çalıştırılanlar gibi içten yanmalı motorlar;
Buharlı motorlar;
Termoelektrik santraller.
Termal Makineler ve Sanayi Devrimi
Termal makineler toplumun teknolojik gelişmesinde önemli bir rol oynamıştır. tarafından mükemmelleştirildikten sonra Jameswatt, buharla çalışan termal makineler, dünyayı kökten değiştiren Sanayi Devrimi'nin gerçekleşmesine izin verdi.
Bu konu hakkında daha fazla bilgi edinmek ister misiniz? hakkındaki metnimize erişin Sanayi devrimi.
buzdolapları
Buzdolapları veya soğutma makineleri, ters çevrilmiş termal makinelerdir. Bu cihazlarda çevreden ısı alarak genleşmesi için motor içindeki gazın altında çalışma yapılması gerekir. Soğutucu örnekleri şunlardır: buzdolapları, dondurucular ve klima.
Bu tür bir makinenin nasıl çalıştığı hakkında daha fazla bilgi edinmek isterseniz, hakkında yazımızı ziyaret edin. buzdolaplarının çalışması ve özellikleri.
Termal makinelerde alıştırmalar
1. Egzersiz) Bir termal makine, her çalışma döngüsünde bir sıcak kaynaktan 500 J ısı alır. Bu makine soğuk lavabosuna 350 J ısı yayarsa, enerji verimliliği yüzde olarak ne olur?
a) %42
b) %50
c) %30
d) %35
e) %25
Şablon: C harfi
çözüm:
Egzersiz, makinenin bir döngü sırasında çalışması için ihtiyaç duyduğu ısı miktarlarını sağlar, böylece Q ile ilgili formülü kullanarak performansını belirleyebiliriz.S ve QF, Bak:
Yukarıdaki hesaplama, her çevrimde motor için mevcut olan termal enerjinin sadece %30'unun mekanik işe dönüştürüldüğünü göstermektedir.
Egzersiz 2) Carnot çevriminde çalışan bir makinenin sıcak ve soğuk kaynak sıcaklıkları sırasıyla 600 k ve 400 k'dir. Bu makine, her çevrimde 800 j ısıyı en düşük sıcaklık kaynağına yayar. Her döngüde makine tarafından emilen sıcak ısı miktarını ve verimini yüzde olarak hesaplayın, ardından doğru alternatifi işaretleyin.
a) %67 ve 320 j
b) %33 ve 1200 j
c) %33 ve 1900 j
d) %62 ve 1900 j
e) %80 ve 900 j
Şablon: B 'harfi
çözüm:
İlk olarak, söz konusu ısı makinesinin verimini hesaplayalım. Bunun için sıcak ve soğuk kaynakların sıcaklıklarını kullanacağız:
Açıklamada verilen sıcaklık değerlerini kullanarak aşağıdaki hesaplamayı çözmemiz gerekiyor:
Makinenin her çevrimde emdiği ısı miktarını hesaplamak basittir, sadece Carnot teoremini kullanın:
Hesaplamayı çözmek için yukarıdaki formüldeki egzersiz verilerini değiştirmeniz yeterlidir.
Benden. Rafael Helerbrock
