열 엔진은 당신 주변에 있습니다. 자동차에서 음식을 시원하게 유지하는 냉장고, 집의 난방 및 냉방 시스템에 이르기까지 모두 동일한 핵심 원칙에 따라 작동합니다.
모든 열 엔진의 목표는 열 에너지를 유용한 작업으로 변환하는 것이며이를 위해 사용할 수있는 다양한 접근 방식이 있습니다. 가장 단순한 형태의 열 엔진 중 하나는 프랑스 물리학 자 Nicolas의 이름을 딴 Carnot 엔진입니다. Leonard Sadi Carnot, 단열 및 등온에 의존하는 이상화 된 4 단계 공정을 기반으로 구축 단계.
그러나 Carnot 엔진은 열 엔진의 한 예일 뿐이며 다른 많은 유형이 동일한 기본 목표를 달성합니다. 열 엔진이 작동하는 방식과 열 엔진의 효율을 계산하는 방법에 대해 배우는 것은 열역학을 연구하는 모든 사람에게 중요합니다.
열 엔진이란?
열 엔진은 열 에너지를 기계 에너지로 변환하는 열역학 시스템입니다. 많은 다른 디자인이이 일반 제목에 속하지만 거의 모든 열 엔진에서 몇 가지 기본 구성 요소를 찾을 수 있습니다.
모든 열 엔진에는 열 수조 또는 고온 열원이 필요하며 다양한 형태를 취할 수 있습니다 (예: 원자로는 원자력 발전소의 열원이지만 많은 경우 연소 연료가 열로 사용됩니다. 출처). 또한 엔진 자체는 물론 열이 가해지면 팽창하는 가스 인 저온 저온 저장고가 있어야합니다.
엔진은 뜨거운 저장고에서 열을 흡수하고 팽창합니다.이 팽창 과정은 환경에 작용하며 일반적으로 피스톤과 함께 사용 가능한 형태로 활용됩니다. 그런 다음 시스템은 열 에너지를 다시 저온 저장소로 방출하고 초기 상태로 돌아갑니다. 그런 다음이 프로세스는 유용한 작업을 지속적으로 생성하기 위해 주기적으로 반복해서 반복됩니다.
열 엔진의 유형
열역학 사이클 또는 엔진 사이클은 대부분의 열 엔진에 공통적 인 순환 방식으로 작동하는 많은 특정 열역학 시스템을 설명하는 일반적인 방법입니다. 열역학적 사이클로 작동하는 열 엔진의 가장 간단한 예는 Carnot 엔진 또는 Carnot 사이클을 기반으로 작동하는 엔진입니다. 이것은 가역적 공정, 특히 단열 및 등온 압축 및 팽창만을 포함하는 이상적인 형태의 열 엔진입니다.
모든 내연 기관은 연료 점화를 사용하여 피스톤 작업을 수행하는 또 다른 유형의 열역학적 사이클 인 오토 사이클에서 작동합니다. 첫 번째 단계에서 피스톤이 떨어지면 연료-공기 혼합물이 엔진으로 유입되고, 이는 두 번째 단계에서 단열 압축되고 세 번째 단계에서 점화됩니다.
배기 밸브가 열리기 전에 단열 팽창을 통해 피스톤에 작용하는 온도와 압력이 급격히 증가하여 압력이 감소합니다. 마지막으로 피스톤이 상승하여 소모 된 가스를 제거하고 엔진 사이클을 완료합니다.
또 다른 유형의 열 엔진은 프로세스의 다른 단계에서 두 개의 다른 실린더 사이를 이동하는 고정 된 양의 가스를 포함하는 Stirling 엔진입니다. 첫 번째 단계는 가스를 가열하여 온도를 높이고 고압을 생성하여 피스톤을 움직여 유용한 작업을 제공하는 것입니다.
그런 다음 피스톤이 위로 올라와 가스를 두 번째 실린더로 밀어 넣어 추위에 의해 냉각됩니다. 다시 압축되기 전에 저장고, 이전보다 더 적은 작업이 필요한 프로세스 단계. 마지막으로 가스는 스털링 엔진 사이클이 반복되는 원래 챔버로 다시 이동됩니다.
열 엔진의 효율성
열 엔진의 효율성은 열 또는 열 에너지 입력에 대한 유용한 작업 출력의 비율입니다. 결과는 항상 0과 1 사이의 값이며 열 에너지와 작업 출력이 모두 측정되기 때문에 단위가 없습니다. 줄. 이것은 만약 당신이완전한열 엔진의 경우 효율이 1이고 모든 열 에너지를 사용 가능한 작업으로 변환합니다. 절반을 변환하면 효율성은 0.5가됩니다. 기본 형식에서 공식은 쓴:
\ text {효율} = \ frac {\ text {작업}} {\ text {열 에너지}}
물론 열역학의 두 번째 법칙에 따라 닫힌 시스템은 시간이 지남에 따라 엔트로피가 증가하기 때문에 열 엔진이 1의 효율을 갖는 것은 불가능합니다. 이를 이해하는 데 사용할 수있는 엔트로피의 정확한 수학적 정의가 있지만 가장 간단한 방법은 어떤 공정에서든 내재 된 비 효율성은 일반적으로 폐기물의 형태로 에너지 손실을 초래한다고 생각해보십시오. 열. 예를 들어 엔진의 피스톤은 의심 할 여지없이 동작에 대해 마찰이 발생합니다. 즉, 열을 작업으로 변환하는 과정에서 시스템이 에너지를 잃게됩니다.
열기관의 이론적 최대 효율을 카르노 효율이라고합니다. 이에 대한 방정식은 뜨거운 저장소의 온도와 관련이 있습니다.티H 그리고 차가운 저수지티씨 효율성 (η) 엔진의.
η = 1-\ frac {T_C} {T_H}
대답을 백분율로 표현하려면이 결과에 100을 곱할 수 있습니다. 기억하는 것이 중요합니다.이론적 인최대 – 실제 엔진이 실제로 실제로 Carnot 효율성에 접근 할 가능성은 거의 없습니다.
주목해야 할 중요한 점은 뜨거운 저장소와 차가운 저장소 사이의 온도 차이를 증가시켜 열 엔진의 효율성을 극대화한다는 것입니다. 자동차 엔진의 경우티H 연소시 엔진 내부 가스의 온도티씨 엔진에서 밀려 나오는 온도입니다.
실제 사례 – Steam Engine
증기 기관과 증기 터빈은 가장 잘 알려진 열 기관의 두 가지 예입니다. 증기 기관의 발명은 산업화에있어 중요한 역사적 사건이었습니다. 사회. 증기 기관은 지금까지 논의 된 다른 열 기관과 매우 유사한 방식으로 작동합니다. 보일러는 물을 바꿉니다. 피스톤을 포함하는 실린더로 보내지는 증기로, 증기의 고압은 실린더.
증기는 열 에너지의 일부를 실린더로 전달하여 프로세스에서 더 차가 워진 다음 피스톤이 완전히 밀려 나면 남은 증기가 실린더에서 배출됩니다. 이 시점에서 피스톤은 원래 위치로 돌아갑니다 (때로는 증기가 다른 다시 밀어 낼 수 있도록 피스톤의 측면), 열역학적 사이클은 더 많은 증기로 다시 시작됩니다.
이 비교적 단순한 디자인은 물을 끓일 수있는 모든 것으로부터 많은 양의 유용한 작업을 생산할 수 있도록합니다. 이 디자인을 사용하는 열기관의 효율은 증기와 주변 공기의 온도 차이에 따라 달라집니다. 증기 기관차는이 과정에서 만들어진 작업을 사용하여 바퀴를 돌리고 기차를 추진합니다.
증기 터빈은 피스톤을 움직이는 대신 터빈을 돌리는 작업을 제외하고는 매우 유사한 방식으로 작동합니다. 이것은 증기에 의해 생성되는 회전 운동으로 인해 전기를 생성하는 특히 유용한 방법입니다.
실제 사례 – 내연 기관
내연 기관은 가솔린 엔진에 사용되는 스파크 점화와 디젤 엔진에 사용되는 압축 점화와 함께 위에서 설명한 오토 사이클을 기반으로 작동합니다. 이것들 사이의 주요 차이점은 연료-공기 혼합물이 압축 된 다음 연료-공기 혼합물이 점화되는 방식입니다. 가솔린 엔진에서 물리적으로 점화되고 디젤 엔진의 압축 공기에 분사되는 연료가 온도.
이 외에도 나머지 오토 사이클은 앞서 설명한대로 완료됩니다. 연료가 엔진으로 유입됩니다 (또는 디젤), 압축, 점화 (연료 용 스파크 및 디젤 용 뜨거운 압축 공기에 연료 분사), 사용 가능한 작업 수행 단열 팽창을 통해 피스톤에 닿으면 배기 밸브가 열리고 압력이 감소하고 피스톤이 사용 된 가스.
실제 사례 – 열 펌프, 에어컨 및 냉장고
열 펌프, 에어컨 및 냉장고는 모두 열 순환의 한 형태로 작동하지만 작업을 사용하여 열 에너지를 반대 방향으로 이동하는 것이 아니라 이동하는 목표가 다릅니다. 예를 들어 히트 펌프의 가열 사이클에서 냉매는 낮은 온도 때문에 외부 공기로부터 열을 흡수합니다.항상고온에서 저온으로 흐른다) 압축기를 통과하여 압력과 온도를 상승시킵니다.
이 더운 공기는 가열 할 방 근처의 응축기로 이동하여 동일한 프로세스가 방으로 열을 전달합니다. 마지막으로 냉매는 압력과 온도를 낮추는 밸브로 이동하여 또 다른 가열 사이클을 준비합니다.
냉각 사이클 (공조 장치 또는 냉장고에서와 같이)에서 프로세스는 본질적으로 역으로 실행됩니다. 냉매는 실내 (또는 냉장고 내부)에서 열 에너지를 흡수합니다. 차가운 온도로 압축 된 다음 압축기를 통과하여 압력을 높이고 온도.
이 시점에서 그것은 실내 외부 (또는 냉장고 뒷면)로 이동하여 열 에너지가 더 차가운 외부 공기 (또는 주변 공간)로 전달됩니다. 그런 다음 냉매가 밸브를 통해 보내져 압력과 온도를 낮추고 또 다른 가열 사이클을 읽습니다.
이러한 프로세스의 목표는 엔진 예제와 반대이기 때문에 히트 펌프 나 냉장고의 효율성에 대한 표현도 다릅니다. 그러나 이것은 형태 상 꽤 예측 가능합니다. 난방용 :
η = \ frac {Q_H} {W_ {in}}
냉각을 위해 :
η = \ frac {Q_C} {W_ {in}}
어디큐용어는 방으로 이동 한 열 에너지 (H 아래 첨자 사용) 및 밖으로 이동 (C 아래 첨자 사용)에 대한 것입니다.W에 전기의 형태로 시스템에 입력되는 작업입니다. 다시 말하지만이 값은 0과 1 사이의 무 차원 숫자이지만 원하는 경우 결과에 100을 곱하여 백분율을 얻을 수 있습니다.
실제 사례 – 발전소 또는 발전소
발전소 나 발전소는 원자로를 사용하여 열을 생성하든 연료를 태워서 열을 생성하든간에 실제로는 또 다른 형태의 열 엔진입니다. 열원은 터빈을 이동하고 그에 따라 기계 작업을 수행하는 데 사용되며, 종종 가열 된 물의 증기를 사용하여 위에서 설명한 방식으로 전기를 생성하는 증기 터빈을 회전시킵니다. 사용되는 정확한 열주기는 발전소마다 다를 수 있지만 일반적으로 Rankine주기가 사용됩니다.
랭킨 사이클은 열원이 물의 온도를 높이는 것으로 시작하고, 그 다음에는 수증기가 팽창합니다. 냉각수가 냉각수로 들어가기 전에 응축기에서 응축 (공정에서 폐열 방출)이 뒤 따릅니다. 펌프. 펌프는 물의 압력을 높이고 추가 가열을 위해 준비합니다.