Топлинен двигател: Определение, типове и примери

Топлинните двигатели са навсякъде около вас. От колата, която шофирате, до хладилника, който поддържа храната ви хладна, до отоплителните и охладителните системи на къщата ви, всички те работят въз основа на едни и същи ключови принципи.

Целта на всеки топлинен двигател е да превърне топлинната енергия в полезна работа и има много различни подходи, които можете да използвате, за да направите това. Една от най-простите форми на топлинна машина е двигателят на Карно, кръстен на френския физик Никола Леонард Сади Карно, изграден около идеализиран четиристепенен процес, който зависи от адиабатичен и изотермичен етапи.

Но двигателят на Карно е само един пример за топлинен двигател и много други типове постигат същата основна цел. Научаването за това как работят топлинните машини и как да се правят неща като изчисляване на ефективността на топлинния двигател е важно за всеки, който изучава термодинамиката.

Топлинният двигател е термодинамична система, която преобразува топлинната енергия в механична. Въпреки че много различни дизайни попадат в тази обща позиция, няколко основни компонента се намират в почти всяка топлинна машина.

Всеки топлинен двигател се нуждае от топлинна баня или високотемпературен източник на топлина, който може да приеме много различни форми (например ядрен реактор е източник на топлина в атомна електроцентрала, но в много случаи горивото се използва като топлина източник). Освен това трябва да има нискотемпературен студен резервоар, както и самият двигател, който обикновено е газ, който се разширява при подаване на топлина.

Двигателят абсорбира топлината от горещия резервоар и се разширява и този процес на разширяване е това, което работи върху околната среда, обикновено впрегнато в използваема форма с бутало. След това системата освобождава топлинна енергия обратно в студения резервоар и се връща в първоначалното си състояние. След това процесът се повтаря, отново и отново по цикличен начин, за да генерира непрекъснато полезна работа.

Термодинамичните цикли или двигателните цикли са общ начин да се опишат много специфични термодинамични системи, които работят по цикличен начин, общ за повечето топлинни двигатели. Най-простият пример за топлинен двигател, работещ с термодинамични цикли, е двигателят на Карно или двигател, работещ въз основа на цикъла на Карно. Това е идеализирана форма на топлинна машина, която включва само обратими процеси, по-специално адиабатно и изотермично компресиране и разширяване.

Всички двигатели с вътрешно горене работят по цикъла на Ото, което е друг вид термодинамичен цикъл, който използва запалването на горивото, за да работи върху буталото. На първия етап буталото пада, за да изтегли горивно-въздушна смес в двигателя, която след това се компресира адиабатно във втория етап и се запалва в третия.

Има бързо повишаване на температурата и налягането, което работи върху буталото чрез адиабатно разширение, преди изпускателният клапан да се отвори, което води до намаляване на налягането. Накрая буталото се издига, за да изчисти изразходваните газове и да завърши цикъла на двигателя.

Друг вид топлинен двигател е двигателят на Стърлинг, който съдържа фиксирано количество газ, което се движи между два различни цилиндъра на различни етапи от процеса. Първият етап включва нагряване на газа за повишаване на температурата и създаване на високо налягане, което придвижва буталото, за да осигури полезна работа.

След това буталото се издига обратно нагоре и изтласква газа във втори цилиндър, където се охлажда от студа резервоар, преди да бъде компресиран отново, процес, изискващ по-малко работа, отколкото е бил произведен в предишния сцена. Накрая газът се премества обратно в първоначалната камера, където цикълът на двигателя на Стърлинг се повтаря.

Ефективността на топлинната машина е съотношението на полезната работна мощност към вложената топлина или топлинна енергия и резултатът винаги е стойност между 0 и 1, без единици, тъй като се измерва както топлинната енергия, така и работната мощност джаули. Това означава, че ако сте ималиперфектнотоплинна машина, тя ще има ефективност 1 и ще преобразува цялата топлинна енергия в използваема работа, и ако успее да преобразува половината от него, ефективността ще бъде 0,5. В основна форма формулата може да бъде написано:

Разбира се, невъзможно е топлинната машина да има ефективност 1, тъй като вторият закон на термодинамиката повелява, че всяка затворена система ще се увеличи в ентропията с течение на времето. Въпреки че има точно математическо определение на ентропията, което можете да използвате, за да разберете това, най-простият начин да го направите помислете за това е, че присъщата неефективност на всеки процес води до известна загуба на енергия, обикновено под формата на отпадъци топлина. Например, буталото на двигателя несъмнено ще има известно триене, действащо срещу неговото движение, което означава, че системата ще загуби енергия в процеса на преобразуване на топлината в работа.

Теоретичната максимална ефективност на топлинен двигател се нарича ефективност на Карно. Уравнението за това се отнася до температурата на горещия резервоарT​_Н и студен резервоарT​_{° С} до ефективността (η) на двигателя.

Можете да умножите резултата от това по 100, ако искате да изразите отговора като процент. Важно е да запомните, че това етеоретичнамаксимум - малко вероятно е някой реален двигател да се доближи истински до ефективността на Carnot на практика.

Важното е да се отбележи, че увеличавате максимално ефективността на топлинните машини, като увеличавате разликата в температурата между горещия резервоар и студения резервоар. За автомобилен двигател,T​_Н - температурата на газовете вътре в двигателя при горене, иT​_{° С} е температурата, при която те се изтласкват от двигателя.

Парната машина и парните турбини са два от най-известните примери за топлинна машина и изобретяването на парната машина е важно историческо събитие в индустриализацията на общество. Парна машина работи по много подобен начин на другите топлинни машини, обсъждани досега: котел върти вода в пара, която се изпраща в цилиндър, съдържащ бутало, и високото налягане на парата движи цилиндър.

Парата прехвърля част от топлинната енергия към цилиндъра, охлаждайки се в процеса и след това, когато буталото е напълно изтласкано, останалата пара се изпуска от цилиндъра. В този момент буталото се връща в първоначалното си положение (понякога парата се насочва около другата страна на буталото, за да може и тя да го избута назад) и термодинамичният цикъл започва отново с повече пара.

Този сравнително опростен дизайн позволява да се произвежда голямо количество полезна работа от всичко, което може да вря вода. Ефективността на топлинната машина с този дизайн зависи от разликата между температурата на парата и тази на околния въздух. Парен локомотив използва работата, създадена от този процес, за завъртане на колелата и задвижване на влака.

Парна турбина работи по много подобен начин, с изключение на това, че работата преминава в завъртане на турбина, вместо в движение на бутало. Това е особено полезен начин за генериране на електричество поради ротационното движение, генерирано от парата.

Двигателят с вътрешно горене работи на базата на цикъла на Ото, описан по-горе, с искрово запалване, използвано за бензинови двигатели, и с компресионно запалване, използвано за дизелови двигатели. Основната разлика между тях е начинът на запалване на сместа гориво-въздух, като сместа гориво-въздух се компресира и след това физически се запалва в бензиновите двигатели и горивото се пръска в сгъстен въздух в дизеловите двигатели, което води до запалване от температура.

Освен това, останалата част от цикъла на Ото е завършена, както е описано по-горе: Горивото се вкарва в двигателя (или просто въздух за дизел), компресиран, запален (чрез искра за гориво и пръскане на гориво в горещия, сгъстен въздух за дизел), което върши полезна работа върху буталото чрез адиабатно разширение и след това изпускателният клапан се отваря, за да намали налягането и буталото изтласква използван газ.

Термопомпите, климатиците и хладилниците също работят под формата на топлинен цикъл, въпреки че имат различната цел да използват работата за преместване на топлинната енергия, а не обратното. Например, в отоплителния цикъл на термопомпа, хладилният агент поглъща топлина от външния въздух поради по-ниската си температура (тъй като топлинатавинагипротича от горещо към студено) и след това се изтласква през компресор, за да повиши налягането му и следователно температурата му.

След това този по-горещ въздух се премества в кондензатора, близо до помещението, което се отоплява, където същият процес пренася топлината в помещението. Накрая, хладилният агент се премества през клапан, който понижава налягането и следователно температурата, готов за нов цикъл на нагряване.

В цикъла на охлаждане (като в климатик или хладилник) процесът по същество протича в обратна посока. Хладилният агент абсорбира топлинната енергия от стаята (или вътре в хладилника), тъй като се поддържа на студена температура и след това се натиска през компресора, за да се увеличи налягането и температура.

В този момент той се придвижва към външната част на помещението (или в задната част на хладилника), където топлинната енергия се прехвърля към по-хладния външен въздух (или околната стая). След това хладилният агент се изпраща през клапана за понижаване на налягането и температурата, отчитайки за друг цикъл на нагряване.

Тъй като целта на тези процеси е противоположна на примерите за двигатели, изразът за ефективността на термопомпа или хладилник също е различен. Това обаче е доста предсказуемо по форма. За отопление:

И за охлаждане:

КъдетоВъпрос:термините са за топлинна енергия, преместена в стаята (с индекс H) и изнесена от нея (с индекс C) иW​_в е вложената работа в системата под формата на електричество. Отново тази стойност е безразмерно число между 0 и 1, но можете да умножите резултата по 100, за да получите процент, ако предпочитате.

Електроцентралите или електроцентралите всъщност са просто друга форма на топлинен двигател, независимо дали те създават топлина с помощта на ядрен реактор или чрез изгаряне на гориво. Източникът на топлина се използва за придвижване на турбини и по този начин се извършва механична работа, като често се използва пара от нагрята вода, за да се върти парна турбина, която генерира електричество по описания по-горе начин. Точният цикъл на топлина, който се използва, може да варира в различните електроцентрали, но често се използва цикълът на Ранкин.

Цикълът на Ранкин започва с източника на топлина, повишаващ температурата на водата, след което разширяването на водната пара в a турбина, последвана от кондензация в кондензатора (отделяне на отпадъчна топлина в процеса), преди охладената вода да премине към помпа. Помпата увеличава налягането на водата и я подготвя за допълнително нагряване.