Toplinski motori su svuda oko vas. Od automobila koji vozite do hladnjaka koji vašu hranu hladi, pa sve do sustava grijanja i hlađenja vaše kuće, svi oni rade na istim ključnim principima.
Cilj je bilo kojeg toplinskog stroja pretvoriti toplinsku energiju u koristan rad, a za to postoji mnogo različitih pristupa. Jedan od najjednostavnijih oblika toplinskih strojeva je Carnotov motor, nazvan po francuskom fizičaru Nicolasu Leonard Sadi Carnot, izgrađen oko idealiziranog četverostupanjskog procesa koji ovisi o adijabatskom i izotermnom faze.
No Carnotov je motor samo jedan primjer toplinskog stroja, a mnoge druge vrste postižu isti osnovni cilj. Učenje o tome kako rade toplinski strojevi i kako raditi stvari poput izračunavanja učinkovitosti toplinskog stroja važno je za svakoga tko proučava termodinamiku.
Što je toplinski motor?
Toplinski stroj je termodinamički sustav koji pretvara toplinsku energiju u mehaničku. Iako mnogi različiti dizajni potpadaju pod ovaj opći naslov, nekoliko osnovnih komponenata nalazi se u gotovo svakom toplinskom stroju.
Bilo kojem toplinskom stroju potrebna je toplinska kupka ili visokotemperaturni izvor topline, koji može imati mnogo različitih oblika (na primjer, nuklearni reaktor izvor je topline u nuklearnoj elektrani, ali u mnogim se slučajevima gorivo koristi kao toplina izvor). Uz to, mora postojati spremnik za hladnoću s niskom temperaturom, kao i sam motor, koji je obično plin koji se širi kad se primijeni toplina.
Motor upija toplinu iz vrućeg ležišta i širi se, a taj proces širenja djeluje na okoliš, obično upregnut u korisni oblik s klipom. Tada sustav oslobađa toplinsku energiju natrag u hladni rezervoar i vraća se u početno stanje. Zatim se postupak ponavlja, iznova i iznova na ciklički način kako bi se kontinuirano generirao koristan rad.
Vrste toplinskih motora
Termodinamički ciklusi ili ciklusi motora generički su način za opisivanje mnogih specifičnih termodinamičkih sustava koji djeluju na ciklički način uobičajen za većinu toplinskih strojeva. Najjednostavniji primjer toplinskog stroja koji radi s termodinamičkim ciklusima je Carnotov motor ili motor koji radi na temelju Carnotovog ciklusa. Ovo je idealizirani oblik toplinskog stroja koji uključuje samo reverzibilne procese, posebno adijabatsku i izotermnu kompresiju i širenje.
Svi motori s unutarnjim izgaranjem rade na Ottoovom ciklusu, što je druga vrsta termodinamičkog ciklusa koji koristi paljenje goriva za rad na klipu. U prvoj fazi klip pada kako bi u motor uvukao smjesu goriva i zraka, koja se zatim u drugoj fazi adijabatski komprimira, a u trećoj zapali.
Dolazi do brzog porasta temperature i tlaka, koji djeluju na klip kroz adijabatsko širenje, prije nego što se ispušni ventil otvori, što dovodi do smanjenja tlaka. Konačno, klip se podiže kako bi očistio istrošene plinove i dovršio ciklus motora.
Druga vrsta toplinskog stroja je Stirlingov motor koji sadrži fiksnu količinu plina koji se kreće između dva različita cilindra u različitim fazama procesa. Prva faza uključuje zagrijavanje plina za povišenje temperature i stvaranje visokog tlaka koji pomiče klip za pružanje korisnog rada.
Zatim se klip podiže prema gore i potiskuje plin u drugi cilindar, gdje ga hladi hladnoća ležište prije ponovnog komprimiranja, postupak koji zahtijeva manje rada nego što je proizveden u prethodnom pozornica. Napokon, plin se vraća natrag u izvornu komoru, gdje se ponavlja ciklus Stirlingova motora.
Učinkovitost toplinskih motora
Učinkovitost toplinskog stroja omjer je korisne radne snage prema uloženoj toplini ili toplinskoj energiji i rezultat je uvijek vrijednost između 0 i 1, bez jedinica, jer se mjere i toplinska energija i radna snaga džula. To znači da ako ste imalisavršentoplinski motor, imao bi učinkovitost 1 i pretvorio bi svu toplinsku energiju u korisni rad, i ako bi uspio pretvoriti polovicu, učinkovitost bi bila 0,5. U osnovnom obliku, formula može biti napisano:
\ text {Učinkovitost} = \ frac {\ text {Posao}} {\ text {Toplinska energija}}
Naravno, nemoguće je da toplinski stroj ima učinkovitost 1, jer drugi zakon termodinamike nalaže da će se svaki zatvoreni sustav s vremenom povećavati u entropiji. Iako postoji precizna matematička definicija entropije pomoću koje to možete razumjeti, to je najjednostavniji način razmislite o tome da inherentne neučinkovitosti u bilo kojem procesu dovode do određenog gubitka energije, obično u obliku otpada toplina. Na primjer, klip motora nesumnjivo će imati određeno trenje koje djeluje protiv njegovog kretanja, što znači da će sustav izgubiti energiju u procesu pretvaranja topline u rad.
Teoretska maksimalna učinkovitost toplinskog stroja naziva se Carnotova učinkovitost. Jednadžba za to odnosi se na temperaturu vrućeg ležištaTH i hladni rezervoarTC na učinkovitost (η) motora.
η = 1 - \ frac {T_C} {T_H}
Rezultat možete pomnožiti sa 100 ako odgovor želite izraziti u postotku. Važno je zapamtiti da je ovoteoretskimaksimum - malo je vjerojatno da će se bilo koji stvarni motor u praksi iskreno približiti Carnotovoj učinkovitosti.
Važno je napomenuti da maksimizirate učinkovitost toplinskih strojeva povećavanjem razlike u temperaturi između vrućeg i hladnog spremnika. Za automobilski motor,TH je temperatura plinova unutar motora pri izgaranju, iTC je temperatura na kojoj se istiskuju iz motora.
Primjeri iz stvarnog svijeta - Steam Engine
Parni stroj i parne turbine dva su najpoznatija primjera toplinskog stroja, i izum parnog stroja bio je važan povijesni događaj u industrijalizaciji društvo. Parni stroj radi na vrlo sličan način kao i do sada raspravljeni toplinski strojevi: kotao okreće vodu u paru, koja se šalje u cilindar koji sadrži klip, a visoki pritisak pare pokreće cilindar.
Para prenosi dio toplinske energije u cilindar, pritom se hladi, a nakon što se klip potpuno istisne, preostala para ispušta se iz cilindra. U ovom se trenutku klip vraća u prvobitni položaj (ponekad se para usmjerava oko drugog strane klipa, tako da je i on može gurnuti natrag), a termodinamički ciklus započinje ispočetka s više pare.
Ovaj relativno jednostavan dizajn omogućuje veliku količinu korisnog rada od svega što može kipuće vode. Učinkovitost toplinskog stroja s ovim dizajnom ovisi o razlici između temperature pare i temperature okolnog zraka. Parna lokomotiva koristi rad stvoren tim postupkom za okretanje kotača i pokretanje vlaka.
Parna turbina djeluje na vrlo sličan način, osim što posao ide u okretanje turbine umjesto pomicanja klipa. Ovo je posebno koristan način za proizvodnju električne energije zbog rotacijskog gibanja koje stvara para.
Primjeri iz stvarnog svijeta - Motor s unutarnjim izgaranjem
Motor s unutarnjim izgaranjem radi na temelju gore opisanog Ottovog ciklusa, s paljenjem na svjećicu koje se koristi za benzinske motore i paljenjem na kompresiju koji se koristi za dizelske motore. Glavna razlika između njih je način paljenja smjese gorivo-zrak, pri čemu se smjesa gorivo-zrak komprimira, a zatim fizički se zapali u benzinskim motorima i gorivo se raspršuje u komprimirani zrak u dizelskim motorima, uzrokujući da se zapali iz temperatura.
Osim toga, ostatak Ottovog ciklusa završava se kako je prethodno opisano: gorivo se uvlači u motor (ili samo zrak za dizel), komprimiran, zapaljen (iskrom za gorivo i raspršivanjem goriva u vrući, komprimirani zrak za dizel), što čini korisne radove na klip kroz adijabatsko širenje, a zatim se ispušni ventil otvori da smanji pritisak, a klip istiskuje korišteni plin.
Primjeri u stvarnom svijetu - toplinske pumpe, klima uređaji i hladnjaci
Toplinske pumpe, klima uređaji i hladnjaci također rade na oblik toplinskog ciklusa, iako imaju drugačiji cilj koristiti rad za pomicanje toplinske energije, a ne obrnuto. Na primjer, u ciklusu grijanja dizalice topline, rashladno sredstvo apsorbira toplinu iz vanjskog zraka zbog niže temperature (budući da toplinastalnoteče iz vrućeg u hladno), a zatim se progura kroz kompresor da mu povisi tlak, a time i temperaturu.
Taj se vrući zrak zatim premješta u kondenzator, u blizini prostorije koja se zagrijava, gdje isti postupak prenosi toplinu u sobu. Konačno, rashladno sredstvo premješteno je u ventil koji snižava tlak, a time i temperaturu, spreman za novi ciklus grijanja.
U ciklusu hlađenja (kao u klima uređaju ili hladnjaku) postupak se u osnovi odvija obrnuto. Rashladno sredstvo apsorbira toplinsku energiju iz prostorije (ili unutar hladnjaka) jer se drži na hladna temperatura, a zatim se progura kroz kompresor da poveća pritisak i temperatura.
U ovom se trenutku kreće prema vanjskoj sobi (ili na stražnjoj strani hladnjaka), gdje se toplinska energija prenosi na hladniji vanjski zrak (ili okolnu sobu). Rashladno sredstvo se zatim šalje kroz ventil za snižavanje tlaka i temperature, očitavajući drugi ciklus grijanja.
Budući da je cilj ovih postupaka suprotan primjerima motora, izraz za učinkovitost toplinske pumpe ili hladnjaka također je drugačiji. Ovo je, međutim, po obliku prilično predvidljivo. Za grijanje:
η = \ frac {Q_H} {W_ {u}}
A za hlađenje:
η = \ frac {Q_C} {W_ {u}}
Gdje jePizrazi su za toplinsku energiju koja se premješta u sobu (s indeksom H) i izlazi iz nje (s indeksom C) iWu je radni unos u sustav u obliku električne energije. Opet, ova je vrijednost bezdimenzionalni broj između 0 i 1, ali rezultat možete pomnožiti sa 100 da biste dobili postotak ako želite.
Primjer iz stvarnog svijeta - elektrane ili elektrane
Elektrane ili elektrane zapravo su samo još jedan oblik toplinskog stroja, bilo da stvaraju toplinu nuklearnim reaktorom ili izgaranjem goriva. Izvor topline koristi se za pomicanje turbina i na taj način obavlja mehanički rad, često koristeći paru iz zagrijane vode za vrtnju parne turbine, koja stvara električnu energiju na gore opisani način. Precizni korišteni toplinski ciklus može se razlikovati među elektranama, ali se obično koristi Rankinov ciklus.
Rankinov ciklus započinje s izvorom topline koji podiže temperaturu vode, a zatim širenjem vodene pare u a turbine, nakon čega slijedi kondenzacija u kondenzatoru (oslobađanje otpadne topline u procesu), prije nego što ohlađena voda ode u pumpa. Pumpa povećava pritisak vode i priprema je za daljnje zagrijavanje.
