Θερμική μηχανή: Ορισμός, τύποι και παραδείγματα

Οι κινητήρες θερμότητας είναι γύρω σας. Από το αυτοκίνητο που οδηγείτε στο ψυγείο που διατηρεί το φαγητό σας δροσερό στα συστήματα θέρμανσης και ψύξης του σπιτιού σας, όλα λειτουργούν με βάση τις ίδιες βασικές αρχές.

Ο στόχος οποιασδήποτε θερμικής μηχανής είναι να μετατρέψει τη θερμική ενέργεια σε χρήσιμη εργασία και υπάρχουν πολλές διαφορετικές προσεγγίσεις που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να το κάνετε αυτό. Μία από τις απλούστερες μορφές κινητήρα θερμότητας είναι ο κινητήρας Carnot, που πήρε το όνομά του από τον Γάλλο φυσικό Nicolas Ο Leonard Sadi Carnot, χτισμένος γύρω από μια εξιδανικευμένη διαδικασία τεσσάρων σταδίων που εξαρτάται από αδιαβατικό και ισοθερμικό στάδια.

Αλλά ο κινητήρας Carnot είναι ένα μόνο παράδειγμα μιας μηχανής θερμότητας, και πολλοί άλλοι τύποι επιτυγχάνουν τον ίδιο βασικό στόχο. Η εκμάθηση για το πώς λειτουργούν οι θερμικοί κινητήρες και πώς να κάνουμε πράγματα όπως ο υπολογισμός της απόδοσης μιας θερμικής μηχανής είναι σημαντική για οποιονδήποτε μελετά τη θερμοδυναμική.

Ένας κινητήρας θερμότητας είναι ένα θερμοδυναμικό σύστημα που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια. Αν και πολλά διαφορετικά σχέδια εμπίπτουν σε αυτήν τη γενική επικεφαλίδα, αρκετά βασικά εξαρτήματα βρίσκονται σχεδόν σε οποιονδήποτε κινητήρα θερμότητας.

Οποιοσδήποτε κινητήρας θερμότητας χρειάζεται θερμόλουτρο ή πηγή θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας, η οποία μπορεί να έχει πολλές διαφορετικές μορφές (για παράδειγμα, Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι η πηγή θερμότητας σε πυρηνική μονάδα παραγωγής ενέργειας, αλλά σε πολλές περιπτώσεις η καύση καυσίμου χρησιμοποιείται ως θερμότητα πηγή). Επιπλέον, πρέπει να υπάρχει ψυκτική δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας, καθώς και ο ίδιος ο κινητήρας, ο οποίος είναι συνήθως αέριο που διογκώνεται όταν εφαρμόζεται θερμότητα.

Ο κινητήρας απορροφά θερμότητα από τη θερμή δεξαμενή και διαστέλλεται, και αυτή η διαδικασία επέκτασης είναι αυτό που λειτουργεί στο περιβάλλον, συνήθως αξιοποιείται σε μια χρησιμοποιήσιμη μορφή με ένα έμβολο. Το σύστημα στη συνέχεια απελευθερώνει θερμική ενέργεια πίσω στην κρύα δεξαμενή και επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Η διαδικασία στη συνέχεια επαναλαμβάνεται, ξανά και ξανά με κυκλικό τρόπο, ώστε να δημιουργεί συνεχώς χρήσιμη εργασία.

Οι θερμοδυναμικοί κύκλοι ή οι κύκλοι κινητήρων είναι ένας γενικός τρόπος για την περιγραφή πολλών ειδικών θερμοδυναμικών συστημάτων που λειτουργούν με τον κυκλικό τρόπο κοινό στους περισσότερους κινητήρες θερμότητας. Το απλούστερο παράδειγμα μιας μηχανής θερμότητας που λειτουργεί με θερμοδυναμικούς κύκλους είναι ο κινητήρας Carnot ή ένας κινητήρας που λειτουργεί με βάση τον κύκλο Carnot. Αυτή είναι μια εξιδανικευμένη μορφή κινητήρα θερμότητας που περιλαμβάνει μόνο αναστρέψιμες διαδικασίες, ιδίως αδιαβατική και ισοθερμική συμπίεση και διαστολή.

Όλοι οι κινητήρες εσωτερικής καύσης λειτουργούν στον κύκλο Otto, ο οποίος είναι ένας άλλος τύπος θερμοδυναμικού κύκλου που χρησιμοποιεί την ανάφλεξη καυσίμου για να δουλέψει σε ένα έμβολο. Στο πρώτο στάδιο, το έμβολο πέφτει για να τραβήξει ένα μείγμα καυσίμου-αέρα στον κινητήρα, το οποίο στη συνέχεια συμπιέζεται αδιαβατικά στο δεύτερο στάδιο και αναφλέγεται στο τρίτο.

Υπάρχει μια ταχεία αύξηση της θερμοκρασίας και της πίεσης, η οποία λειτουργεί στο έμβολο μέσω αδιαβατικής διαστολής, πριν ανοίξει η βαλβίδα εξαγωγής, οδηγώντας σε μείωση της πίεσης. Τέλος, το έμβολο ανεβαίνει για να καθαρίσει τα εξαντλημένα αέρια και να ολοκληρώσει τον κύκλο του κινητήρα.

Ένας άλλος τύπος κινητήρα θερμότητας είναι ο κινητήρας Stirling, ο οποίος περιέχει μια σταθερή ποσότητα αερίου που κινείται μεταξύ δύο διαφορετικών κυλίνδρων σε διαφορετικά στάδια της διαδικασίας. Το πρώτο στάδιο περιλαμβάνει τη θέρμανση του αερίου για να αυξήσει τη θερμοκρασία και να παράγει υψηλή πίεση, η οποία κινεί ένα έμβολο για να παρέχει χρήσιμη εργασία.

Το έμβολο στη συνέχεια ανεβαίνει προς τα πάνω και ωθεί το αέριο σε έναν δεύτερο κύλινδρο, όπου ψύχεται από το κρύο δεξαμενή πριν συμπιεστεί ξανά, μια διαδικασία που απαιτεί λιγότερη εργασία από ό, τι παρήχθη στο προηγούμενο στάδιο. Τέλος, το αέριο μεταφέρεται πίσω στον αρχικό θάλαμο, όπου ο κύκλος κινητήρα Stirling επαναλαμβάνεται.

Η αποδοτικότητα ενός κινητήρα θερμότητας είναι ο λόγος της χρήσιμης εξόδου εργασίας προς τη θερμότητα ή τη θερμική ενέργεια, και Το αποτέλεσμα είναι πάντα μια τιμή μεταξύ 0 και 1, χωρίς μονάδες, καθώς και η θερμική ενέργεια και η έξοδος εργασίας μετρώνται σε joules. Αυτό σημαίνει ότι εάν είχατε ένατέλειοςκινητήρα θερμότητας, θα έχει απόδοση 1 και θα μετατρέπει όλη τη θερμική ενέργεια σε χρησιμοποιήσιμη εργασία, και εάν κατάφερε να μετατρέψει το ήμισυ του, η απόδοση θα ήταν 0,5. Σε μια βασική μορφή, ο τύπος μπορεί να είναι γραπτός:

Φυσικά, είναι αδύνατο για έναν κινητήρα θερμότητας να έχει απόδοση 1, επειδή ο δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής υπαγορεύει ότι οποιοδήποτε κλειστό σύστημα θα αυξηθεί στην εντροπία με την πάροδο του χρόνου. Αν και υπάρχει ένας ακριβής μαθηματικός ορισμός της εντροπίας που μπορείτε να χρησιμοποιήσετε για να το καταλάβετε, ο πιο απλός τρόπος Σκεφτείτε είναι ότι οι εγγενείς ανεπάρκειες σε οποιαδήποτε διαδικασία οδηγούν σε απώλεια ενέργειας, συνήθως με τη μορφή απορριμμάτων θερμότητα. Για παράδειγμα, το έμβολο ενός κινητήρα θα έχει αναμφίβολα κάποια τριβή που λειτουργεί ενάντια στην κίνησή του, πράγμα που σημαίνει ότι το σύστημα θα χάσει ενέργεια κατά τη διαδικασία μετατροπής της θερμότητας σε εργασία.

Η θεωρητική μέγιστη απόδοση μιας θερμικής μηχανής ονομάζεται απόδοση Carnot. Η εξίσωση για αυτό σχετίζεται με τη θερμοκρασία της θερμής δεξαμενήςΤ​_Η και κρύα δεξαμενήΤ​_ντο στην αποτελεσματικότητα (η) του κινητήρα.

Μπορείτε να πολλαπλασιάσετε το αποτέλεσμα αυτού με 100 εάν θέλετε να εκφράσετε την απάντηση ως ποσοστό. Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι αυτό είναιθεωρητικόςμέγιστο - είναι απίθανο οποιοσδήποτε κινητήρας πραγματικού κόσμου να πλησιάσει πραγματικά την απόδοση Carnot στην πράξη.

Το σημαντικό πράγμα που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι μεγιστοποιείτε την απόδοση των κινητήρων θερμότητας αυξάνοντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής δεξαμενής και της ψυχρής δεξαμενής. Για κινητήρα αυτοκινήτου,Τ​_Η είναι η θερμοκρασία των αερίων στο εσωτερικό του κινητήρα κατά την καύση, καιΤ​_ντο είναι η θερμοκρασία στην οποία ωθούνται έξω από τον κινητήρα.

Η ατμομηχανή και οι ατμοστρόβιλοι είναι δύο από τα πιο γνωστά παραδείγματα θερμικής μηχανής και Η εφεύρεση της ατμομηχανής ήταν ένα σημαντικό ιστορικό γεγονός στην εκβιομηχάνιση της κοινωνία. Ένας ατμομηχανή λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο με τους άλλους κινητήρες θερμότητας που συζητήθηκαν μέχρι τώρα: ένας λέβητας γυρίζει νερό στον ατμό, ο οποίος αποστέλλεται σε έναν κύλινδρο που περιέχει ένα έμβολο, και η υψηλή πίεση του ατμού κινεί το κύλινδρος.

Ο ατμός μεταφέρει μέρος της θερμικής ενέργειας στον κύλινδρο, δροσερό κατά τη διαδικασία και, στη συνέχεια, όταν το έμβολο έχει ωθηθεί πλήρως, ο υπόλοιπος ατμός αφήνεται έξω από τον κύλινδρο. Σε αυτό το σημείο, το έμβολο επιστρέφει στην αρχική του θέση (μερικές φορές ο ατμός κινείται γύρω από το άλλο πλευρά του εμβόλου, ώστε να μπορεί να το σπρώξει και πάλι), και ο θερμοδυναμικός κύκλος ξεκινά ξανά με περισσότερο ατμό.

Αυτός ο σχετικά απλός σχεδιασμός επιτρέπει την παραγωγή μεγάλης ποσότητας χρήσιμης εργασίας από οτιδήποτε μπορεί να βράσει νερό. Η απόδοση ενός κινητήρα θερμότητας με αυτόν τον σχεδιασμό εξαρτάται από τη διαφορά μεταξύ της θερμοκρασίας του ατμού και της θερμοκρασίας του περιβάλλοντος αέρα. Μια ατμομηχανή χρησιμοποιεί τη δουλειά που δημιουργήθηκε από αυτήν τη διαδικασία για να γυρίσει τροχούς και να προωθήσει το τρένο.

Μια ατμοστρόβιλος λειτουργεί με παρόμοιο τρόπο, εκτός από το ότι η εργασία μετατρέπεται σε στρόβιλο αντί να μετακινεί ένα έμβολο. Αυτός είναι ένας ιδιαίτερα χρήσιμος τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας λόγω της περιστροφικής κίνησης που παράγεται από τον ατμό.

Ο κινητήρας εσωτερικής καύσης λειτουργεί με βάση τον κύκλο Otto που περιγράφεται παραπάνω, με ανάφλεξη με σπινθήρα που χρησιμοποιείται για κινητήρες βενζίνης και ανάφλεξη με συμπίεση που χρησιμοποιείται για κινητήρες ντίζελ. Η κύρια διαφορά μεταξύ αυτών είναι ο τρόπος ανάφλεξης του μίγματος καυσίμου-αέρα, με το μείγμα καυσίμου-αέρα να συμπιέζεται και στη συνέχεια φυσική ανάφλεξη στους κινητήρες βενζίνης και καύσιμο που ψεκάζεται σε πεπιεσμένο αέρα σε κινητήρες ντίζελ, προκαλώντας την ανάφλεξή του θερμοκρασία.

Εκτός από αυτό, ο υπόλοιπος κύκλος Otto ολοκληρώνεται όπως περιγράφηκε προηγουμένως: Το καύσιμο τραβιέται στον κινητήρα (ή απλά αέρα για ντίζελ), συμπιεσμένο, αναφλεγμένο (με σπινθήρα για καύσιμο και ψεκασμό καυσίμου στον ζεστό, πεπιεσμένο αέρα για ντίζελ), το οποίο κάνει χρήσιμη εργασία στο έμβολο μέσω αδιαβατικής διαστολής και στη συνέχεια η βαλβίδα εξαγωγής ανοίγει για να μειώσει την πίεση και το έμβολο χρησιμοποιημένο αέριο.

Οι αντλίες θερμότητας, τα κλιματιστικά και τα ψυγεία λειτουργούν και σε μια μορφή κύκλου θερμότητας, αν και έχουν τον διαφορετικό στόχο να χρησιμοποιούν την εργασία για να μετακινούν την ενέργεια θερμότητας γύρω από το αντίστροφο. Για παράδειγμα, στον κύκλο θέρμανσης μιας αντλίας θερμότητας, το ψυκτικό απορροφά θερμότητα από τον εξωτερικό αέρα λόγω της χαμηλότερης θερμοκρασίας του (δεδομένου ότι η θερμότηταπάνταρέει από ζεστό σε κρύο), και στη συνέχεια ωθείται μέσω ενός συμπιεστή για να αυξήσει την πίεση και συνεπώς τη θερμοκρασία του.

Αυτός ο θερμότερος αέρας μεταφέρεται στη συνέχεια στο συμπυκνωτή, κοντά στο δωμάτιο που πρόκειται να θερμανθεί, όπου η ίδια διαδικασία μεταφέρει θερμότητα στο δωμάτιο. Τέλος, το ψυκτικό μεταφέρεται μέσα σε μια βαλβίδα που μειώνει την πίεση και συνεπώς τη θερμοκρασία, έτοιμη για έναν άλλο κύκλο θέρμανσης.

Στον κύκλο ψύξης (όπως σε μονάδα κλιματισμού ή ψυγείο) η διαδικασία ουσιαστικά εκτελείται αντίστροφα. Το ψυκτικό απορροφά θερμική ενέργεια από το δωμάτιο (ή μέσα στο ψυγείο) επειδή διατηρείται σε ψυχρή θερμοκρασία, και στη συνέχεια ωθείται μέσω του συμπιεστή για να αυξήσει την πίεση και θερμοκρασία.

Σε αυτό το σημείο, κινείται προς το εξωτερικό του δωματίου (ή στο πίσω μέρος του ψυγείου), όπου η θερμική ενέργεια μεταφέρεται στον ψυχρότερο εξωτερικό αέρα (ή στον περιβάλλοντα χώρο). Το ψυκτικό στη συνέχεια αποστέλλεται μέσω της βαλβίδας για μείωση της πίεσης και της θερμοκρασίας, διαβάζοντας έναν άλλο κύκλο θέρμανσης.

Δεδομένου ότι ο στόχος αυτών των διαδικασιών είναι το αντίθετο από τα παραδείγματα του κινητήρα, η έκφραση για την αποτελεσματικότητα μιας αντλίας θερμότητας ή ψυγείου είναι επίσης διαφορετική. Αυτό όμως είναι αρκετά προβλέψιμο σε μορφή. Για θέρμανση:

Και για ψύξη:

Όπου τοΕροι όροι είναι για τη θερμική ενέργεια που μεταφέρεται στο δωμάτιο (με τη συνδρομή H) και μετακινείται από αυτήν (με τη συνδρομή C) καιΔ​_σε είναι η είσοδος εργασίας στο σύστημα με τη μορφή ηλεκτρικής ενέργειας. Και πάλι, αυτή η τιμή είναι ένας αριθμός χωρίς διάσταση μεταξύ 0 και 1, αλλά μπορείτε να πολλαπλασιάσετε το αποτέλεσμα με 100 για να λάβετε ένα ποσοστό εάν προτιμάτε.

Οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής ή οι σταθμοί παραγωγής ενέργειας είναι πραγματικά μια άλλη μορφή κινητήρα θερμότητας, είτε δημιουργούν θερμότητα χρησιμοποιώντας πυρηνικό αντιδραστήρα είτε καίγοντας καύσιμα. Η πηγή θερμότητας χρησιμοποιείται για την κίνηση στροβίλων και ως εκ τούτου κάνει μηχανική εργασία, συχνά χρησιμοποιώντας ατμό από θερμαινόμενο νερό για περιστροφή ατμοστροβίλου, η οποία παράγει ηλεκτρισμό με τον τρόπο που περιγράφεται παραπάνω. Ο ακριβής κύκλος θερμότητας που χρησιμοποιείται μπορεί να διαφέρει μεταξύ των σταθμών παραγωγής ενέργειας, αλλά ο κύκλος Rankine χρησιμοποιείται συνήθως.

Ο κύκλος Rankine ξεκινά με την πηγή θερμότητας να αυξάνει τη θερμοκρασία του νερού και μετά την επέκταση των υδρατμών στο α στρόβιλος, ακολουθούμενη από τη συμπύκνωση στον συμπυκνωτή (απελευθερώνοντας την απορριπτόμενη θερμότητα κατά τη διαδικασία), πριν το κρύο νερό αντλία. Η αντλία αυξάνει την πίεση του νερού και την προετοιμάζει για περαιτέρω θέρμανση.