Hőmotor: Meghatározás, típusok és példák

Hőgépek vannak körülötted. A vezetett autótól az ételt hűvös hűtőig, a ház fűtési és hűtési rendszereihez hasonlóan, ezek mind ugyanazokon a fő elveken alapulnak.

Bármely hőmotor célja, hogy a hőenergiát hasznos munkává alakítsa, és sokféle megközelítést alkalmazhat erre. A hőmotorok egyik legegyszerűbb formája a Carnot motor, amelyet Nicolas francia fizikusról neveztek el Leonard Sadi Carnot, egy idealizált négyfokozatú folyamat köré épül, amely az adiabatikától és az izotermától függ szakasz.

De a Carnot motor csak egy példa a hőmotorra, és sok más típus is eléri ugyanazt az alapvető célt. A termodinamikát tanulók számára fontos megismerni a hőmotorok működését és a hőmotor hatékonyságának kiszámítását.

A hőmotor olyan termodinamikai rendszer, amely a hőenergiát mechanikai energiává alakítja. Habár sokféle kivitel tartozik ebbe az általános címszó alá, számos alapkomponens megtalálható szinte minden hőmotorban.

Bármelyik hőmotorhoz hőfürdőre vagy magas hőmérsékletű hőforrásra van szükség, amely sokféle formát ölthet (például az atomreaktor az atomerőmű hőforrása, de sok esetben égő üzemanyagot használnak hőként forrás). Ezen kívül rendelkeznie kell alacsony hőmérsékletű hideg tartálynak, valamint magának a motornak, amely általában gáz, amely hőt alkalmazva tágul.

A motor elnyeli a hőt a forró tartályból és tágul, és ez a tágulási folyamat az, ami a környezetre hat, általában dugattyúval hasznosítható formában. Ezután a rendszer visszavezeti a hőenergiát a hidegtartályba, és visszatér eredeti állapotába. Ezután a folyamat ciklikusan ismétlődik, hogy folyamatosan hasznos munkát hozzon létre.

A termodinamikai ciklusok vagy a motorciklusok általános módszerek számos specifikus termodinamikai rendszer leírására, amelyek ciklikus módon működnek, mint a legtöbb hőmotor. A termodinamikai ciklusokkal dolgozó hőmotorok legegyszerűbb példája a Carnot-motor vagy a Carnot-ciklus alapján működő motor. Ez egy olyan hőmotor idealizált formája, amely csak reverzibilis folyamatokat foglal magában, különösen az adiabatikus és izotermikus kompressziót és tágulást.

Minden belső égésű motor az Otto-cikluson működik, amely egy másik típusú termodinamikai ciklus, amely az üzemanyag gyújtását használja a dugattyú munkájához. Az első lépésben a dugattyú leesik, hogy üzemanyag-levegő keveréket vonjon be a motorba, amelyet a második szakaszban adiabatikusan összenyomnak, a harmadikban pedig meggyulladnak.

Gyorsan növekszik a hőmérséklet és a nyomás, amely a dugattyún adiabatikus tágulás révén működik, mielőtt a kipufogószelep kinyílik, ami a nyomás csökkenéséhez vezet. Végül a dugattyú felemelkedik, hogy megtisztítsa a kiégett gázokat és befejezze a motor ciklusát.

A hőtechnika másik típusa a Stirling motor, amely rögzített mennyiségű gázt tartalmaz, amely a folyamat különböző szakaszaiban két különböző palack között mozog. Az első szakasz a gáz melegítésével jár, hogy megemelje a hőmérsékletet és nagy nyomást eredményezzen, ami egy dugattyút mozgatva hasznos munkát végez.

A dugattyú ezután visszafelé emelkedik, és egy második hengerbe nyomja a gázt, ahol a hideg lehűti tároló, mielőtt újból összenyomódna, ez a folyamat kevesebb munkát igényel, mint az előzőnél előállított színpad. Végül a gázt visszavezetik az eredeti kamrába, ahol a Stirling motorciklus megismétlődik.

A hőmotor hatékonysága a hasznos munka teljesítményének a hő- vagy hőenergia-bevitel aránya, és a Az eredmény mindig 0 és 1 közötti érték, egységek nélkül, mert a hőenergiát és a munka teljesítményét egyaránt mérjük joule. Ez azt jelenti, hogy ha volt egytökéletes- hőmotor, annak hatékonysága 1 lenne, és az összes hőenergiát felhasználható munkává alakítaná át, és ha a felét sikerül átalakítani, akkor a hatékonyság 0,5 lenne. Alapformában a képlet lehet írott:

Természetesen lehetetlen, hogy egy hőmotor 1-es hatékonysággal rendelkezzen, mert a termodinamika második törvénye előírja, hogy bármely zárt rendszer idővel növekszik az entrópiában. Bár létezik az entrópia pontos matematikai meghatározása, amelynek segítségével megértheti ezt, a legegyszerűbb módja ennek gondoljunk csak arra, hogy bármely folyamatban rejlő hiányosságok bizonyos energiaveszteséghez vezetnek, általában hulladék formájában hő. Például egy motor dugattyújának kétségtelenül némi súrlódás működik a mozgása ellen, ami azt jelenti, hogy a rendszer energiát veszít a hő munkává alakítása során.

A hőmotor elméleti maximális hatásfokát Carnot-hatékonyságnak nevezzük. Ennek egyenlete a forró tartály hőmérsékletére vonatkozikT​_H és hideg tározóT​_C a hatékonyságra (η) a motor.

Megszorozhatja ennek eredményét 100-mal, ha a választ százalékban szeretné kifejezni. Fontos megjegyezni, hogy ez azelméletimaximum - nem valószínű, hogy a valós motorok a gyakorlatban valóban megközelítik a Carnot-hatékonyságot.

Fontos megjegyezni, hogy maximalizálja a hőmotorok hatékonyságát azáltal, hogy növeli a meleg tartály és a hideg tartály közötti hőmérséklet-különbséget. Egy gépjármű motorhozT​_H a motor belsejében lévő gázok hőmérséklete égéskor, ésT​_C az a hőmérséklet, amelyen kiszorítják őket a motorból.

A gőzgép és a gőzturbinák a hőmotor két legismertebb példája, és a gőzgép feltalálása fontos történelmi esemény volt az iparosodásban társadalom. A gőzgép nagyon hasonló módon működik, mint az eddig tárgyalt többi hőmotor: a kazán vizet forgat gőzbe, amelyet egy dugattyút tartalmazó hengerbe juttatnak, és a gőz nagy nyomása mozgatja a henger.

A gőz a hőenergia egy részét átviszi a hengerbe, közben hűvösebbé válik, majd amikor a dugattyút teljesen kiszorítják, a maradék gőzt kiengedik a hengerből. Ezen a ponton a dugattyú visszatér eredeti helyzetébe (néha a gőz átkerül a másikba a dugattyú oldalán, így az is visszaszoríthatja), és a termodinamikai ciklus újrakezdődik nagyobb gőzzel.

Ez a viszonylag egyszerű kialakítás lehetővé teszi nagy mennyiségű hasznos munka előállítását bármiből, amely képes forrni a vizet. Az ilyen kialakítású hőmotor hatékonysága a gőz és a környező levegő hőmérséklete közötti különbségtől függ. A gőzmozdony az ebből a folyamatból származó munkát kerekek forgatására és a vonat meghajtására használja.

A gőzturbina nagyon hasonló módon működik, azzal a különbséggel, hogy a munka a dugattyú elmozdítása helyett a turbina forgatására irányul. Ez különösen hasznos módszer a villamos energia előállítására a gőz által generált forgó mozgás miatt.

A belső égésű motor a fent leírt Otto-ciklus alapján működik, benzinmotoroknál szikragyújtással, dízelmotoroknál pedig kompressziós gyújtással. A fő különbség ezek között az, hogy az üzemanyag-levegő keverék meggyullad, az üzemanyag-levegő keveréket összenyomják, majd fizikailag meggyulladt a benzinmotorokban, és az üzemanyagot a dízelmotorok sűrített levegőjébe permetezték, ami a hőfok.

Ettől eltekintve az Otto-ciklus hátralévő része az előzőekben leírtak szerint fejeződik be: Üzemanyag kerül a motorba (vagy csak levegő dízel), sűrített, gyújtott (szikra az üzemanyag számára és üzemanyagot permetez a dízel forró, sűrített levegőjébe), amely felhasználható munkát végez adiabatikus tágulás útján, majd a kipufogó szelep kinyílik a nyomás csökkentése érdekében, és a dugattyú kinyomja a használt gáz.

A hőszivattyúk, a légkondicionálók és a hűtőszekrények is a hőciklus egyik formáján működnek, bár más a céljuk, hogy a munkát a hőenergia mozgatására fordítsák, nem pedig fordítva. Például a hőszivattyú fűtési ciklusában a hűtőközeg alacsonyabb hőmérséklete miatt (mivel a hőmindigforróból hidegbe áramlik), majd egy kompresszoron át nyomják, hogy megemeljék nyomását és ezért hőmérsékletét.

Ezt a forróbb levegőt ezután a kondenzátorba vezetik, a fűthető helyiség közelében, ahol ugyanaz a folyamat hőt juttat a helyiségbe. Végül a hűtőközeget egy szelepbe vezetik, amely csökkenti a nyomást és ezért a hőmérsékletet, és készen áll egy újabb fűtési ciklusra.

A hűtési ciklusban (mint egy légkondicionáló egységben vagy hűtőszekrényben) a folyamat lényegében fordítva zajlik. A hűtőközeg elnyeli a hőenergiát a helyiségből (vagy a hűtőszekrény belsejéből), mert azt a hideg hőmérséklet, majd a kompresszoron keresztül nyomva növeli a nyomást és hőfok.

Ezen a ponton a szoba külsejére (vagy a hűtőszekrény hátsó részére) mozog, ahol a hőenergia átkerül a hűvösebb külső levegőbe (vagy a környező helyiségbe). Ezután a hűtőközeget a szelepen keresztül juttatják el a nyomás és a hőmérséklet csökkentésére, egy újabb fűtési ciklus leolvasására.

Mivel ezeknek a folyamatoknak a célja ellentétes a motor példáival, a hőszivattyú vagy a hűtőszekrény hatékonyságának kifejezése is eltérő. Ez azonban formában meglehetősen kiszámítható. Fűtésre:

És hűtésre:

Hol aQkifejezések a szobába költözött (a H indexű) és onnan (a C indexű) elköltözött hőenergiára vonatkoznak, ésW​_{ban ben} a villamos energia formájában a rendszerbe bevitt munka. Ez az érték ismét egy dimenzió nélküli szám 0 és 1 között, de az eredményt 100-zal megszorozva százalékot kaphat, ha úgy tetszik.

Az erőművek vagy erőművek valójában csak a hőmotorok egyik formája, függetlenül attól, hogy nukleáris reaktorral vagy üzemanyag égetésével hőt termelnek-e. A hőforrást turbinák mozgatására és ezáltal mechanikai munkára használják, gyakran fűtött vízből származó gőzt használnak egy gőzturbina forgatásához, amely a fent leírt módon áramot termel. A pontos hőciklus erőművenként változhat, de a Rankine-ciklust általában használják.

A Rankine-ciklus azzal kezdődik, hogy a hőforrás megemeli a víz hőmérsékletét, majd a vízgőz tágulása a turbina, majd a kondenzátor kondenzációja (a folyamat során hulladékhő szabadul fel), mielőtt a lehűtött víz szivattyú. A szivattyú növeli a víz nyomását és előkészíti a további fűtésre.