מנוע חום: הגדרה, סוגים ודוגמאות

מנועי חום נמצאים סביבך. מהמכונית בה אתה נוהג למקרר השומר על מגניב האוכל שלך למערכות החימום והקירור של ביתך, כולם עובדים על פי אותם עקרונות מפתח.

המטרה של כל מנוע חום היא להמיר אנרגיית חום לעבודה שימושית, וישנן גישות רבות ושונות בהן תוכלו להשתמש בכדי לעשות זאת. אחת הצורות הפשוטות ביותר של מנוע חום הוא מנוע קרנו, על שם הפיזיקאי הצרפתי ניקולה לאונרד סאדי קרנו, בנוי סביב תהליך ארבע-שלבי אידיאלי תלוי באדיאבטית ובאיזותרמית שלבים.

אך מנוע קרנו הוא רק דוגמא אחת למנוע חום, וסוגים רבים אחרים משיגים את אותה מטרה בסיסית. ללמוד על אופן הפעולה של מנועי חום וכיצד לבצע דברים כמו חישוב היעילות של מנוע חום חשוב לכל מי שלומד תרמודינמיקה.

מנוע חום הוא מערכת תרמודינמית הממירה אנרגיית חום לאנרגיה מכנית. למרות שעיצובים רבים ושונים נופלים תחת הכותרת הכללית הזו, כמה רכיבים בסיסיים נמצאים כמעט בכל מנוע חום.

כל מנוע חום זקוק לאמבט חום או למקור חום בטמפרטורה גבוהה, שיכולים ללבוש צורות שונות ורבות (למשל, כור גרעיני הוא מקור החום בתחנת כוח גרעינית, אך במקרים רבים שריפת דלק משמשת כחום מָקוֹר). בנוסף, חייב להיות מאגר קר בטמפרטורה נמוכה, כמו גם את המנוע עצמו, שהוא בדרך כלל גז המתרחב בעת הפעלת חום.

המנוע סופג חום מהמאגר החם ומתרחב, ותהליך התרחבות זה הוא שעובד על הסביבה, בדרך כלל רותמים לצורה שמישה עם בוכנה. לאחר מכן המערכת משחררת אנרגיית חום למאגר הקור וחוזרת למצבה הראשוני. לאחר מכן התהליך חוזר על עצמו שוב ושוב בצורה מחזורית על מנת ליצור עבודה רציפה.

מחזורים תרמודינמיים או מחזורי מנוע הם דרך כללית לתאר מערכות תרמודינמיות ספציפיות רבות הפועלות בצורה המחזורית המשותפת לרוב מנועי החום. הדוגמה הפשוטה ביותר של מנוע חום שעובד במחזורים תרמודינמיים הוא מנוע קרנו או מנוע הפועל על בסיס מחזור קרנו. זוהי צורה אידאלית של מנוע חום שכוללת תהליכים הפיכים בלבד, ובמיוחד דחיסה והרחבה אדיאבטית ואיזותרמית.

כל מנועי הבעירה הפנימית פועלים על מחזור אוטו, שהוא סוג אחר של מחזור תרמודינמי המשתמש בהצתה של דלק כדי לבצע עבודות על בוכנה. בשלב הראשון, הבוכנה צונחת בכדי למשוך תערובת דלק-אוויר לתוך המנוע, שנדחסת לאחר מכן בצורה אדיבטית בשלב השני ונדלקת בשלב השלישי.

יש עלייה מהירה בטמפרטורה ולחץ, אשר עובדת על הבוכנה באמצעות התרחבות אדיאבטית, לפני שסתום הפליטה נפתח, מה שמוביל להפחתת לחץ. לבסוף, הבוכנה עולה כדי לנקות את הגזים שהוצאו ולהשלים את מחזור המנוע.

סוג אחר של מנוע חום הוא מנוע הסטירלינג, המכיל כמות קבועה של גז הנע בין שני צילינדרים שונים בשלבים שונים של התהליך. השלב הראשון כולל חימום הגז כדי להעלות את הטמפרטורה ולייצר לחץ גבוה, שמניע בוכנה כדי לספק עבודה שימושית.

לאחר מכן הבוכנה עולה חזרה ודוחפת את הגז לתוך גליל שני, שם הוא מקורר על ידי הקור מאגר לפני שנדחס שוב, תהליך שדורש פחות עבודה ממה שיוצר בעבר שלב. לבסוף, הגז מועבר חזרה לחדר המקורי, שם חוזר מחזור המנוע של סטירלינג.

היעילות של מנוע חום היא היחס בין תפוקת עבודה שימושית לבין קלט אנרגיה חום או תרמית התוצאה היא תמיד ערך בין 0 ל -1, ללא יחידות מכיוון שגם אנרגיית החום וגם תפוקת העבודה נמדדות ב ג'אול. פירוש הדבר שאם היה לךמושלםמנוע חום, יהיה לו יעילות של 1 ולהמיר את כל אנרגיית החום לעבודה שמיש אם הצליח להמיר מחצית ממנו היעילות הייתה 0.5. בצורה בסיסית, הנוסחה יכולה להיות כתוב:

כמובן, אי אפשר שלמנוע חום תהיה יעילות של 1, מכיוון שהחוק השני של התרמודינמיקה מכתיב שכל מערכת סגורה תגדל באנטרופיה לאורך זמן. למרות שיש הגדרה מתמטית מדויקת של אנטרופיה בה תוכלו להשתמש כדי להבין זאת, הדרך הפשוטה ביותר תחשוב על כך שחוסר יעילות מובנה בכל תהליך מוביל לאובדן כלשהו של אנרגיה, בדרך כלל בצורה של פסולת חוֹם. לדוגמא, לבוכנה של מנוע יהיה ללא ספק חיכוך כלשהו הפועל כנגד תנועתו, מה שאומר שהמערכת תאבד אנרגיה בתהליך המרת החום לעבודה.

היעילות המקסימלית התיאורטית של מנוע חום נקראת יעילות קרנו. המשוואה לכך מתייחסת לטמפרטורה של המאגר החםט​_ה ומאגר קרט​_ג ליעילות (η) של המנוע.

אתה יכול להכפיל את התוצאה של זה ב 100 אם אתה רוצה לבטא את התשובה באחוזים. חשוב לזכור שזה התֵאוֹרֵטִימקסימאלי - אין זה סביר שמנוע כלשהו אמיתי יתקרב באמת ליעילות קרנו בפועל.

הדבר החשוב לציין הוא שאתה ממקסם את היעילות של מנועי החום על ידי הגדלת ההפרש בטמפרטורה בין המאגר החם למאגר הקר. למנוע רכב,ט​_ה היא טמפרטורת הגזים בתוך המנוע בעת הבעירה, וט​_ג היא הטמפרטורה בה הם נדחקים מהמנוע.

מנוע הקיטור וטורבינות הקיטור הם שתיים מהדוגמאות הידועות ביותר למנוע חום, וכן המצאת מנוע הקיטור הייתה אירוע היסטורי חשוב בתיעוש חֶברָה. מנוע קיטור עובד בצורה דומה מאוד למנועי החום האחרים שנדונו עד כה: דוד הופך מים לתוך קיטור, שנשלח לגליל המכיל בוכנה, והלחץ הגבוה של הקיטור מזיז את צִילִינדֶר.

הקיטור מעביר חלק מהאנרגיה התרמית לצילינדר, מתקרר בתהליך, ואז כאשר הבוכנה נדחקה החוצה לחלוטין, האדים הנותרים מוציאים מהגליל. בשלב זה, הבוכנה חוזרת למקומה המקורי (לפעמים האדים מועברים אל האחר בצד הבוכנה כך שהוא יכול גם לדחוף אותו לאחור), והמחזור התרמודינמי מתחיל מחדש עם יותר קיטור.

תכנון פשוט יחסית זה מאפשר לייצר כמות גדולה של עבודה שימושית מכל מה שמסוגל להרתיח מים. היעילות של מנוע חום עם תכנון זה תלויה בהבדל בין טמפרטורת האדים לזו של האוויר שמסביב. קטר קיטור משתמש בעבודות שנוצרו מתהליך זה כדי לסובב גלגלים ולהניע את הרכבת.

טורבינת קיטור עובדת בצורה דומה מאוד, למעט העבודה עוברת בהפיכת טורבינה במקום להזיז בוכנה. זוהי דרך שימושית במיוחד לייצר חשמל בגלל תנועת הסיבוב הנוצרת על ידי הקיטור.

מנוע הבעירה הפנימית עובד על בסיס מחזור אוטו שתואר לעיל, עם הצתת ניצוץ המשמשת למנועי בנזין והצתה דחיסה המשמשת למנועי דיזל. ההבדל העיקרי בין אלה הוא האופן שבו תערובת הדלק-אוויר מופעלת, כאשר תערובת הדלק-אוויר נדחסת ואז נדלק פיזית במנועי הבנזין ודלק שמוזרס לאוויר דחוס במנועי דיזל, וגורם לו להתלקח מה- טֶמפֶּרָטוּרָה.

מלבד זאת, שאר מחזור אוטו הושלם כמתואר לעיל: דלק נשאב למנוע (או רק אוויר ל סולר), דחוס, מודלק (על ידי ניצוץ לדלק ומתיז דלק לאוויר החם והדחוס לסולר), שעושה עבודה שמיש על הבוכנה באמצעות הרחבה אדיאבטית, ואז שסתום הפליטה נפתח כדי להפחית את הלחץ, והבוכנה דוחפת את השתמש בגז.

גם משאבות חום, מזגנים ומקררים עובדים על סוג של מחזור חום, אם כי יש להם מטרה שונה להשתמש בעבודה כדי להזיז את אנרגיית החום ולא להיפך. לדוגמא, במחזור החימום של משאבת חום, הקירור סופג חום מהאוויר החיצוני בגלל הטמפרטורה הנמוכה שלו (שכן חוםתמידזורם מחם לקור), ואז נדחף דרך מדחס כדי להעלות את הלחץ שלו ולכן הטמפרטורה שלו.

אוויר חם זה מועבר לאחר מכן אל הקבל, ליד החדר לחימום, שם אותו תהליך מעביר חום לחדר. לבסוף, קירור מועבר דרך שסתום המוריד את הלחץ ולכן את הטמפרטורה, מוכן למחזור חימום נוסף.

במחזור הקירור (כמו ביחידת מיזוג אוויר או מקרר) התהליך בעצם פועל הפוך. הקירור סופג את אנרגיית החום מהחדר (או בתוך המקרר) מכיוון שהוא נשמר על טמפרטורה קרה, ואז הוא נדחף דרך המדחס כדי להגביר את הלחץ ו טֶמפֶּרָטוּרָה.

בשלב זה הוא נע סביב החדר החיצוני (או בחלק האחורי של המקרר), שם אנרגיית החום מועברת לאוויר החיצוני הקריר יותר (או לחדר שמסביב). לאחר מכן נשלח קירור דרך השסתום כדי להוריד את הלחץ והטמפרטורה, תוך קריאה למחזור חימום נוסף.

מכיוון שמטרתם של תהליכים אלה היא הפוכה מדוגמאות המנוע, הביטוי ליעילות של משאבת חום או מקרר שונה גם הוא. זה די צפוי בצורה. לחימום:

ולקירור:

איפה השהתנאים הם עבור אנרגיית החום שהועברה לחדר (עם כתב H) והועברה ממנו (עם כתב ה- C) וW​_ב הוא קלט העבודה למערכת בצורה של חשמל. שוב, ערך זה הוא מספר חסר ממד בין 0 ל -1, אך אתה יכול להכפיל את התוצאה ב- 100 כדי לקבל אחוז אם אתה מעדיף.

תחנות כוח או תחנות כוח הן למעשה סוג אחר של מנוע חום, בין אם הם יוצרים חום באמצעות כור גרעיני ובין אם על ידי שריפת דלק. מקור החום משמש להנעת טורבינות ובכך לבצע עבודה מכנית, לרוב באמצעות קיטור ממים מחוממים לסיבוב טורבינת קיטור, המייצרת חשמל באופן שתואר לעיל. מחזור החום המדויק בו נעשה שימוש יכול להשתנות בין תחנות הכוח, אך בדרך כלל משתמשים במחזור Rankine.

מחזור הרנקין מתחיל בכך שמקור החום מעלה את טמפרטורת המים, ואז התפשטות אדי המים ב- a טורבינתית, ואחריה עיבוי במעבה (שחרור פסולת בתהליך), לפני שהמים המקוררים עוברים לִשְׁאוֹב. המשאבה מגבירה את לחץ המים ומכינה אותם להמשך חימום.