Varmemotor: Definition, typer og eksempler

Varmemotorer er overalt omkring dig. Fra bilen, du kører til køleskabet, der holder din mad kølig til dit huss varme- og kølesystemer, fungerer de alle på de samme nøgleprincipper.

Målet med enhver varmemotor er at omdanne varmeenergi til nyttigt arbejde, og der er mange forskellige tilgange, du kan bruge til at gøre dette. En af de enkleste former for varmemotor er Carnot-motoren, opkaldt efter den franske fysiker Nicolas Leonard Sadi Carnot, bygget op omkring en idealiseret firetrinsproces, der afhænger af adiabatisk og isotermisk niveauer.

Men Carnot-motoren er kun et eksempel på en varmemotor, og mange andre typer opnår det samme grundlæggende mål. At lære om, hvordan varmemotorer fungerer, og hvordan man gør ting som at beregne effektiviteten af ​​en varmemotor er vigtigt for alle, der studerer termodynamik.

En varmemotor er et termodynamisk system, der omdanner varmeenergi til mekanisk energi. Selvom mange forskellige designs falder ind under denne generelle overskrift, findes flere grundlæggende komponenter i stort set enhver varmemotor.

Enhver varmemotor har brug for et varmebad eller en varmekilde med høj temperatur, som kan tage mange forskellige former (f.eks. en atomreaktor er varmekilden i et atomkraftværk, men i mange tilfælde bruges brændende brændsel som varme kilde). Derudover skal der være et koldt reservoir ved lav temperatur såvel som selve motoren, som normalt er gas, der ekspanderer, når der påføres varme.

Motoren absorberer varme fra det varme reservoir og ekspanderer, og denne udvidelsesproces er det, der fungerer på miljøet, normalt udnyttet til en brugbar form med et stempel. Systemet frigiver derefter varmeenergien tilbage i det kolde reservoir og vender tilbage til sin oprindelige tilstand. Processen gentages derefter igen og igen på en cyklisk måde for kontinuerligt at generere nyttigt arbejde.

Termodynamiske cyklusser eller motorcyklusser er en generisk måde at beskrive mange specifikke termodynamiske systemer, der fungerer på den cykliske måde, der er fælles for de fleste varmemotorer. Det enkleste eksempel på en varmemotor, der arbejder med termodynamiske cyklusser, er Carnot-motoren eller en motor, der fungerer baseret på Carnot-cyklussen. Dette er en idealiseret form for varmemotor, der kun involverer reversible processer, især adiabatisk og isoterm kompression og ekspansion.

Alle forbrændingsmotorer fungerer på Otto-cyklussen, som er en anden type termodynamisk cyklus, der bruger tændingen af ​​brændstof til at udføre arbejde på et stempel. I det første trin falder stemplet for at trække en brændstof-luft-blanding ind i motoren, som derefter adiabatisk komprimeres i det andet trin og antændes i det tredje.

Der er en hurtig stigning i temperatur og tryk, som virker på stemplet gennem adiabatisk ekspansion, før udstødningsventilen åbner, hvilket fører til en reduktion i tryk. Endelig rejser stemplet sig for at rense de forbrugte gasser og afslutte motorcyklussen.

En anden type varmemotor er Stirling-motoren, som indeholder en fast mængde gas, der bevæger sig mellem to forskellige cylindre på forskellige stadier af processen. Det første trin involverer opvarmning af gassen for at hæve temperaturen og producere et højt tryk, som bevæger et stempel for at give nyttigt arbejde.

Stemplet rejser sig derefter op igen og skubber gassen ind i en anden cylinder, hvor den afkøles af kulden reservoir, før det komprimeres igen, en proces, der kræver mindre arbejde, end der blev produceret i det foregående scene. Endelig flyttes gassen tilbage i det originale kammer, hvor Stirling-motorcyklussen gentages.

Effektiviteten af ​​en varmemotor er forholdet mellem nyttig arbejdsydelse og varme eller varmeenergi og resultatet er altid en værdi mellem 0 og 1 uden enheder, fordi både varmeenergi og arbejdseffekt måles i joules. Dette betyder, at hvis du havde enPerfektvarmemotor, ville den have en virkningsgrad på 1 og konvertere al varmeenergien til brugbart arbejde, og hvis det lykkedes at konvertere halvdelen af ​​det, ville effektiviteten være 0,5. I en grundlæggende form kan formlen være skrevet:

Det er selvfølgelig umuligt for en varmemotor at have en virkningsgrad på 1, fordi den anden lov om termodynamik dikterer, at ethvert lukket system vil stige i entropi over tid. Selvom der er en præcis matematisk definition af entropi, som du kan bruge til at forstå dette, den enkleste måde at tænk over det er, at iboende ineffektivitet i enhver proces fører til noget tab af energi, normalt i form af affald varme. For eksempel vil en motors stempel uden tvivl have en vis friktion, der virker mod dens bevægelse, hvilket betyder, at systemet mister energi i processen med at omdanne varmen til arbejde.

Den teoretiske maksimale effektivitet af en varmemotor kaldes Carnot-effektiviteten. Ligningen for dette vedrører temperaturen i det varme reservoirT​_H og koldt reservoirT​_C til effektiviteten (η) af motoren.

Du kan gange resultatet af dette med 100, hvis du vil udtrykke svaret i procent. Det er vigtigt at huske, at dette erteoretiskmaksimum - det er usandsynligt, at nogen virkelige motorer virkelig vil nærme sig Carnot-effektiviteten i praksis.

Det vigtige at bemærke er, at du maksimerer effektiviteten af ​​varmemotorer ved at øge forskellen i temperatur mellem det varme reservoir og det kolde reservoir. For en bilmotor,T​_H er temperaturen på gasserne inde i motoren, når de forbrændes, ogT​_C er den temperatur, ved hvilken de skubbes ud af motoren.

Dampmaskinen og dampturbinerne er to af de mest kendte eksempler på en varmemotor, og opfindelsen af ​​dampmaskinen var en vigtig historisk begivenhed i industrialiseringen af samfund. En dampmaskine fungerer meget lig de andre hidtil diskuterede varmemotorer: en kedel vender vand i damp, som sendes ind i en cylinder indeholdende et stempel, og dampens høje tryk flytter cylinder.

Dampen overfører noget af den termiske energi til cylinderen, bliver køligere i processen, og når stemplet er skubbet helt ud, slippes den resterende damp ud af cylinderen. På dette tidspunkt vender stemplet tilbage til sin oprindelige position (nogle gange føres dampen rundt til den anden side af stemplet, så det også kan skubbe det tilbage), og den termodynamiske cyklus starter igen med mere damp.

Dette relativt enkle design tillader, at der produceres en stor mængde nyttigt arbejde ud fra alt, hvad der er i stand til at koge vand. Effektiviteten af ​​en varmemotor med dette design afhænger af forskellen mellem dampens temperatur og den omgivende luft. Et damplokomotiv bruger det arbejde, der er skabt ved denne proces, til at dreje hjul og drive toget.

En dampturbine fungerer på en meget lignende måde, bortset fra at arbejdet går i at dreje en turbine i stedet for at flytte et stempel. Dette er en særlig nyttig måde at generere elektricitet på grund af den rotationsbevægelse, der genereres af dampen.

Forbrændingsmotoren fungerer baseret på den ovenfor beskrevne Otto-cyklus med gnisttænding brugt til benzinmotorer og kompressionstænding brugt til dieselmotorer. Hovedforskellen mellem disse er den måde, brændstof-luft-blandingen antændes på, hvor brændstof-luft-blandingen komprimeres og derefter fysisk antændt i benzinmotorer og brændstof sprøjtes ind i trykluft i dieselmotorer, hvilket får det til at antændes fra motoren temperatur.

Bortset fra dette afsluttes resten af ​​Otto-cyklussen som beskrevet tidligere: Brændstof trækkes ind i motoren (eller bare luft til diesel), komprimeret, antændt (af en gnist til brændstof og sprøjtning af brændstof i den varme komprimerede luft til diesel), hvilket gør brugbart arbejde på stemplet gennem adiabatisk ekspansion, og derefter åbnes udstødningsventilen for at reducere trykket, og stemplet skubber brugt gas.

Varmepumper, klimaanlæg og køleskabe arbejder alle sammen på en form for varmecyklus, selvom de har det forskellige mål at bruge arbejde til at flytte varmeenergien rundt snarere end det omvendte. I opvarmningscyklussen for en varmepumpe absorberer kølemidlet f.eks. Varme fra udeluften på grund af dens lavere temperatur (da varmealtidstrømmer fra varmt til koldt) og skubbes derefter gennem en kompressor for at hæve sit tryk og derfor dets temperatur.

Denne varmere luft flyttes derefter til kondensatoren nær det rum, der skal opvarmes, hvor den samme proces overfører varme til rummet. Endelig føres kølemidlet igennem til en ventil, der sænker trykket og dermed temperaturen, klar til en ny opvarmningscyklus.

I afkølingscyklussen (som i en klimaanlæg eller et køleskab) kører processen i det væsentlige omvendt. Kølemidlet absorberer varmeenergi fra rummet (eller inde i køleskabet), fordi det holdes ved en kold temperatur, og derefter skubbes den gennem kompressoren for at øge trykket og temperatur.

På dette tidspunkt bevæger den sig rundt på ydersiden af ​​rummet (eller på bagsiden af ​​køleskabet), hvor varmeenergien overføres til den køligere udeluft (eller det omgivende rum). Kølemidlet sendes derefter gennem ventilen for at sænke trykket og temperaturen og aflæse for en ny opvarmningscyklus.

Da målet med disse processer er det modsatte af motoreksemplerne, er udtrykket for effektiviteten af ​​en varmepumpe eller køleskab også anderledes. Dette er dog ret forudsigeligt i form. Til opvarmning:

Og til køling:

Hvor erSpørgsmålvilkårene er for den varmeenergi, der flyttes ind i rummet (med H-tegnet) og flyttes ud af det (med C-tegnet) ogW​_i er arbejdsinput i systemet i form af elektricitet. Igen er denne værdi et dimensionsløst tal mellem 0 og 1, men du kan gange resultatet med 100 for at få en procentdel, hvis du foretrækker det.

Kraftværker eller kraftværker er egentlig bare en anden form for varmemotor, uanset om de skaber varme ved hjælp af en atomreaktor eller ved at brænde brændstof. Varmekilden bruges til at flytte møller og derved udføre mekanisk arbejde, ofte ved hjælp af damp fra opvarmet vand til at dreje en dampturbine, som genererer elektricitet på den måde, der er beskrevet ovenfor. Den nøjagtige anvendte varmecyklus kan variere mellem kraftværker, men Rankine-cyklussen bruges ofte.

Rankine-cyklussen starter med varmekilden, der hæver vandets temperatur og derefter udvidelsen af ​​vanddamp i en turbine, efterfulgt af kondens i kondensatoren (frigiver spildvarme undervejs), før det afkølede vand går til en pumpe. Pumpen øger vandets tryk og forbereder det til yderligere opvarmning.