Машинитерміки - це пристрої, здатні перетворювати теплову енергію в механічна робота. Кожна теплова машина потребує джерела тепло і робочої речовини, здатної змінювати об’єм і, отже, рухати якийсь механізм, такий як клапани або поршні.
ти двигуни внутрішнього згоряння, як ті, що їздять на сучасних автомобілях приклади теплових машин. Вони поглинають тепло, яке утворюється при спалюванні суміші палива і повітря, яке періодично впорскується в їх балони.
Таким чином, частина енергії, яка виділяється під час вибуху, перетворюється в роботу через рух поршня - одна з рухомих частин двигуна, що використовується для перетворення теплової енергії в енергію кінетика.
Як працюють теплові машини?
Усі теплові машини працюють згідно з a циклутермодинамічний, тобто послідовності термодинамічних станів, які повторюються. Ці цикли мають різні стани об’єму, тиску та температури, які зазвичай представлені графіками тиску в залежності від об’єму. Термодинамічні цикли розроблені в пошуках більшої енергоефективності, тобто завжди прагнеться виробництво двигунів, здатних виконувати великий обсяг роботи.
У будь-якому термодинамічному циклі це можливо розрахувати роботу графічно. Отже, необхідно обчислити площу внутрішньої частини графіка, що може бути складно зробити, якщо цикл, про який йде мова, має неправильну форму. Крім того, напрямок стрілок за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки вказує, чи цикл, про який йде мова, є циклом теплової машини або холодильника. Перевіряти:
Цикл за годинниковою стрілкою: Якщо напрямок циклу спрямоване за годинниковою стрілкою, це цикл теплового двигуна, який поглинає тепло і виробляє роботу.
Цикл проти годинникової стрілки: У тому випадку, коли напрямок циклу проти годинникової стрілки, йому потрібно отримувати механічну роботу і виділяти тепло, як у випадку з двигунами холодильника.
Не зупиняйтесь зараз... Після реклами є ще щось;)
Кожна теплова машина має подібну конфігурацію: вона має джереловтепло (гаряче джерело), з якого він витягує енергію, необхідну для його роботи, а раковина (джерело холоду), де частина поглиненого тепла розсіюється. Зверніть увагу на таку схему:
Відповідно з перший закон термодинаміки, теплові машини повинні отримувати певну кількість тепла для роботи. Однак лише невелика частка цієї кількості тепла, яка є видом енергії, може бути перетворюється на корисну роботу.
Причин цього обмеження по суті дві: перша стосується технічних можливостей для виробництва машини, яка не розсіюється енергія - що неможливо - а друге - це обмеження самої природи: за 2-м законом термодинаміки жодна теплова машина не може подарувати a Врожайність 100%. Перевірте, що говорить 2-й закон термодинаміки, відомий як закон ентропії, згідно із заявою Кельвіна:
"Жодна система при певній температурі не може поглинати тепло від джерела і перетворювати його повністю в механічній роботі, без змін у цій системі або її квартали ".
Заява Кельвіна стосується перетворенняінтегральний тепла при механічній роботі, заявляючи, що це неможливо без “змін”, що відбуваються в системі. Ця зміна стосується ефекту ентропії: при відведенні тепла від якогось гарячого джерела частина цієї енергії перетворюється на менш корисні форми енергії. Існує багато процесів деградації енергії: вібрація механічних деталей, тертя між деталями та підшипниками, тепло, що розсіюється у зовнішнє середовище, видача звукових звуків тощо.
Дивіться також: Дізнайтеся про історію теплових машин
Карта розуму: Теплові машини
* Щоб завантажити карту розуму у форматі PDF, Натисніть тут!
Продуктивність теплових машин
Ефективність будь-якої теплової машини можна розрахувати як відношення механічної роботи, яку вона виробляє, до кількості тепла, яке вона поглинає від якогось гарячого джерела:
η - Продуктивність
τ - Механічна робота (J - джоулі або вапно - калорії)
ПитанняПитання – Тепло від гарячого джерела (J - джоулі або вапно - калорії)
Механічна робота, в свою чергу, визначається різницею між кількістю тепла "Гарячим" і "холодним", отже, ми можемо записати ефективність теплових машин через них кількості:
ПитанняF - тепло, віддане джерелу холоду
Прагнучи визначити, якими будуть характеристики "ідеального" термодинамічного циклу, французький фізик садікарно розробив цикл, який, принаймні теоретично, представляє більшийефективністьможливо для теплової машини, яка працює при однакових температурах.
Цей цикл, відомий як Цикл Карно, що називається в народі машина Карно, не є справжньою машиною, оскільки до сьогодні технічні та практичні можливості не дозволяли побудувати таку машину.
Дивіться також:Що таке приховане тепло?
Теорема Карно
О теоремавкарно, оголошений в 1824 р., встановлює, що навіть ідеальна теплова машина, яка не розсіює будь-яку кількість енергії через тертя між його рухомих частин має максимальний межа врожаю, який залежить від співвідношення між температурами його гарячого та холодного джерела, наведеного в кельвін:
ТПитання - Температура гарячого джерела (K)
ТF - Температура холодного джерела (К)
Аналізуючи наведену вище формулу, можна побачити, що ідеальна теплова машина має свої характеристики, що визначаються виключно температурами її гарячих та холодних джерел. Крім того, щоб його врожайність становила 100%, для Т було б необхідноF дорівнювала нулю, тобто 0 К, температурі абсолютного нуля. Однак, згідно з 3-й закон термодинаміки, така температура недосяжна.
Наведена вище формула ефективності справедлива лише для теплових машин, які працюють відповідно до циклу Карно. Крім того, теорема також показує, що відношення температур TF і ТПитання дорівнює відношенню між кількостями теплоти QF та QПитання:
Дивіться також:Дізнайтеся більше про продуктивність теплової машини
Цикл Карно
О Цикл Карно це відбувається в чотири етапи (або чотири удари). Цей цикл утворюється двома адіабатичні перетворення це два ізотермічні перетворення. Адіабатичні перетворення - це ті, в яких відсутній теплообмін, тоді як ізотермічні - ті, в яких немає коливання температури і, отже, внутрішня енергія робочої речовини, відповідальної за переміщення теплової машини, залишається постійний.
На наступному малюнку представлений цикл Карно та його чотири стадії. Перевіряти:
I - Ізотермічне розширення: На цьому етапі робоча речовина розширюється, підтримуючи постійну температуру, виконує роботу та отримує тепло від гарячого джерела.
II - Адіабатичне розширення: На цьому етапі робоча речовина трохи розширюється і працює, не отримуючи тепла.
III - Ізотермічне скорочення: На цій стадії об’єм газу зменшується, його тиск зростає, а температура залишається постійною, крім того, газ втрачає тепло до джерела холоду. На цьому етапі проводяться роботи на газі.
IV - Адіабатичне скорочення: Газ має швидке збільшення тиску і незначне зменшення об’єму, але він не обмінюється теплом під час процесу.
Цикл Отто
Цикл Отто - це послідовність фізичних перетворень, що зазнають деякі робочі речовини, такі як бензин або етанол. Цей цикл широко використовується в двигунах внутрішнього згоряння, що живлять більшість пасажирських транспортних засобів. Хоча цього на практиці не існує, цикл Отто був розроблений для наближення циклу Карно. На малюнку нижче показано стадії циклу Отто.
Я - Процес 0-1: Ізобаричний прийом: У цьому процесі двигун надходить суміш повітря та бензину під постійним тиском;
II - Процес 1-2: адіабатичне стиснення - У цьому процесі відбувається швидке збільшення тиску, який чинять поршні двигуна, так що немає часу для теплообміну;
III - Процес 2-3-4: Горіння при постійному обсязі (2-3) і адіабатичне розширення (3-4) - Мала іскра створює контрольований вибух у суміші повітря та бензину, а потім у поршні двигун швидко опускається, викликаючи збільшення обсягу і виробляючи велику кількість робота;
IV - Процес 4-1-0: Ізобарне виснаження - Випускні клапани відкриваються і дозволяють диму, що спалюється, виходити з двигуна під постійним тиском.
Пояснені вище кроки показані на наступному малюнку, який представляє етапи роботи пункту a чотиритактний двигун, що живиться від бензину або алкоголю. Рух поршня в кожному з показаних положень еквівалентний описаним процесам:
Приклади теплових машин
Прикладами теплових машин є:
Двигуни внутрішнього згоряння, такі як ті, що працюють на спирті, бензині та дизелі;
Парові двигуни;
Теплоелектростанції.
Теплові машини та промислова революція
Теплові машини відігравали важливу роль у технологічному розвитку суспільства. Після вдосконалення ДжеймсВт, парові теплові машини дозволили промисловій революції відбутися, кардинально змінивши світ.
Хотіли б Ви дізнатись більше про цю тему? Отримайте доступ до нашого тексту про Промислова революція.
Холодильники
Холодильники, або холодильні машини, є інвертованими тепловими машинами. У цих пристроях необхідно виконувати роботу під газом всередині двигуна, щоб він розширювався, поглинаючи тепло з навколишнього середовища. Прикладами холодильників є: холодильники, морозильники та кондиціонери.
Якщо ви хочете дізнатись більше про те, як працює цей тип машини, відвідайте наш текст про експлуатація та властивості холодильників.
Вправи на теплових машинах
Вправа 1) Теплова машина отримує 500 Дж тепла від гарячого джерела за кожен цикл роботи. Якщо ця машина розсіює 350 Дж тепла на свою холодну раковину, якою буде її енергоефективність у відсотках?
а) 42%
б) 50%
в) 30%
г) 35%
д) 25%
Шаблон: Літера С
Дозвіл:
Вправа забезпечує кількість тепла, необхідне машині для роботи під час циклу, тому ми можемо визначити її ефективність за формулою, яка співвідносить QПитання та QF, Дивіться:
Розрахунок вище вказує, що лише 30% теплової енергії, доступної двигуну за кожен цикл, перетворюється на механічну роботу.
Вправа 2) Машина, що працює на циклі Карно, має температуру гарячого та холодного джерел 600 k та 400 k відповідно. Ця машина розсіює 800 Дж тепла до джерела найнижчої температури кожного циклу. Розрахуйте кількість гарячого тепла, що поглинається машиною за кожен цикл, та його ефективність у відсотках, а потім позначте правильну альтернативу.
а) 67% та 320 Дж
б) 33% і 1200 Дж
в) 33% та 1900 Дж
г) 62% та 1900 Дж
д) 80% та 900 Дж
Шаблон: Літера Б
Дозвіл:
Спочатку давайте обчислимо ефективність теплової машини, про яку йде мова. Для цього ми будемо використовувати температури гарячого та холодного джерел:
Використовуючи значення температури, зазначені в заяві, ми маємо вирішити наступний розрахунок:
Щоб розрахувати кількість тепла, яке машина поглинає в кожному циклі, просто, просто використовуйте теорему Карно:
Щоб вирішити розрахунок, просто замініть дані вправи у наведеній вище формулі.
Мені Рафаель Хелерброк
