Warmtemotor: definitie, typen en voorbeelden

Warmtemotoren zijn overal om je heen. Van de auto waarin je rijdt tot de koelkast die je eten koel houdt tot de verwarmings- en koelsystemen van je huis, ze werken allemaal op basis van dezelfde basisprincipes.

Het doel van elke warmtemotor is om warmte-energie om te zetten in nuttig werk, en er zijn veel verschillende benaderingen die u kunt gebruiken om dit te doen. Een van de eenvoudigste vormen van warmtemotor is de Carnot-motor, genoemd naar de Franse natuurkundige Nicolas Leonard Sadi Carnot, gebouwd rond een geïdealiseerd proces in vier fasen dat afhankelijk is van adiabatische en isotherme stadia.

Maar de Carnot-motor is slechts één voorbeeld van een warmtemotor en vele andere typen bereiken hetzelfde basisdoel. Leren over hoe warmtemotoren werken en hoe je dingen kunt doen, zoals het berekenen van de efficiëntie van een warmtemotor, is belangrijk voor iedereen die thermodynamica bestudeert.

Een warmtemotor is een thermodynamisch systeem dat warmte-energie omzet in mechanische energie. Hoewel veel verschillende ontwerpen onder deze algemene noemer vallen, zijn er in vrijwel elke warmtemotor verschillende basiscomponenten te vinden.

Elke warmtemotor heeft een warmtebad of een hogetemperatuurwarmtebron nodig, die veel verschillende vormen kan aannemen (bijvoorbeeld een kernreactor is de warmtebron in een kerncentrale, maar in veel gevallen wordt brandende brandstof als warmte gebruikt bron). Bovendien moet er een koudreservoir voor lage temperaturen zijn, evenals de motor zelf, die meestal uit gas bestaat dat uitzet wanneer warmte wordt toegepast.

De motor absorbeert warmte van het hete reservoir en zet uit, en dit expansieproces werkt wel degelijk op het milieu, meestal in een bruikbare vorm met een zuiger. Het systeem geeft dan warmte-energie terug aan het koude reservoir en keert terug naar zijn oorspronkelijke toestand. Het proces herhaalt zich dan keer op keer op een cyclische manier om continu nuttig werk te genereren.

Thermodynamische cycli of motorcycli zijn een algemene manier om veel specifieke thermodynamische systemen te beschrijven die op de cyclische manier werken die gebruikelijk is voor de meeste warmtemotoren. Het eenvoudigste voorbeeld van een warmtemotor die werkt met thermodynamische cycli is de Carnot-motor of een motor die werkt op basis van de Carnot-cyclus. Dit is een geïdealiseerde vorm van warmtemotor die alleen omkeerbare processen omvat, met name adiabatische en isotherme compressie en expansie.

Alle verbrandingsmotoren werken op de Otto-cyclus, een ander type thermodynamische cyclus die de ontsteking van brandstof gebruikt om werk aan een zuiger te doen. In de eerste trap zakt de zuiger om een ​​brandstof-luchtmengsel in de motor te zuigen, die vervolgens adiabatisch wordt samengedrukt in de tweede trap en in de derde wordt ontstoken.

Er is een snelle toename van temperatuur en druk, die door adiabatische expansie wel op de zuiger inwerkt, voordat de uitlaatklep opent, wat leidt tot een vermindering van de druk. Ten slotte gaat de zuiger omhoog om de verbruikte gassen te verwijderen en de motorcyclus te voltooien.

Een ander type warmtemotor is de Stirlingmotor, die een vaste hoeveelheid gas bevat die in verschillende stadia van het proces tussen twee verschillende cilinders beweegt. De eerste fase omvat het verwarmen van het gas om de temperatuur te verhogen en een hoge druk te produceren, die een zuiger beweegt om nuttig werk te leveren.

De zuiger gaat dan weer omhoog en duwt het gas in een tweede cilinder, waar het wordt gekoeld door de kou reservoir voordat het opnieuw wordt gecomprimeerd, een proces dat minder werk vereist dan in de vorige stadium. Ten slotte wordt het gas teruggevoerd naar de oorspronkelijke kamer, waar de Stirling-motorcyclus zich herhaalt.

Het rendement van een warmtemotor is de verhouding tussen de nuttige werkoutput en de input van warmte of thermische energie, en de resultaat is altijd een waarde tussen 0 en 1, zonder eenheden omdat zowel warmte-energie als werkoutput worden gemeten in joule. Dit betekent dat als u eenperfectwarmtemotor, het zou een efficiëntie van 1 hebben en alle warmte-energie omzetten in bruikbaar werk, en als het erin zou slagen de helft ervan om te zetten, zou het rendement 0,5 zijn. In een basisvorm kan de formule zijn: geschreven:

Het is natuurlijk onmogelijk voor een warmtemotor om een ​​efficiëntie van 1 te hebben, omdat de tweede wet van de thermodynamica dicteert dat elk gesloten systeem in de loop van de tijd in entropie zal toenemen. Hoewel er een nauwkeurige wiskundige definitie van entropie is die u kunt gebruiken om dit te begrijpen, is de eenvoudigste manier om: denk erover na dat inherente inefficiënties in elk proces leiden tot enig verlies van energie, meestal in de vorm van afval warmte. De zuiger van een motor zal bijvoorbeeld ongetwijfeld enige wrijving hebben die zijn beweging tegenwerkt, wat betekent dat het systeem energie zal verliezen tijdens het omzetten van de warmte in arbeid.

Het theoretische maximale rendement van een warmtemotor wordt het Carnot-rendement genoemd. De vergelijking hiervoor heeft betrekking op de temperatuur van het hete reservoirT​_H en koud reservoirT​_C aan de efficiëntie (η) van de motor.

De uitkomst hiervan kun je vermenigvuldigen met 100 als je het antwoord in procenten wilt uitdrukken. Het is belangrijk om te onthouden dat dit detheoretischmaximaal - het is onwaarschijnlijk dat een echte motor in de praktijk de Carnot-efficiëntie echt zal benaderen.

Het belangrijkste om op te merken is dat u de efficiëntie van warmtemotoren maximaliseert door het temperatuurverschil tussen het warme reservoir en het koude reservoir te vergroten. Voor een automotor,T​_H is de temperatuur van de gassen in de motor bij verbranding, enT​_C is de temperatuur waarbij ze uit de motor worden geduwd.

De stoommachine en stoomturbines zijn twee van de meest bekende voorbeelden van een warmtemachine, en de uitvinding van de stoommachine was een belangrijke historische gebeurtenis in de industrialisatie van maatschappij. Een stoommachine werkt op een vergelijkbare manier als de andere warmtemachines die tot nu toe zijn besproken: een ketel draait water in stoom, die in een cilinder met een zuiger wordt gestuurd, en de hoge druk van de stoom beweegt de cilinder.

De stoom brengt een deel van de thermische energie over naar de cilinder, wordt tijdens het proces koeler en wanneer de zuiger volledig naar buiten is geduwd, wordt de resterende stoom uit de cilinder gelaten. Op dit punt keert de zuiger terug naar zijn oorspronkelijke positie (soms wordt de stoom naar de andere geleid) kant van de zuiger zodat deze deze ook terug kan duwen), en de thermodynamische cyclus begint opnieuw met meer stoom.

Dit relatief eenvoudige ontwerp maakt het mogelijk een grote hoeveelheid nuttig werk te produceren van alles dat in staat is om water te koken. Het rendement van een warmtemachine met dit ontwerp hangt af van het verschil tussen de temperatuur van de stoom en die van de omringende lucht. Een stoomlocomotief gebruikt het werk dat uit dit proces is ontstaan ​​om wielen te laten draaien en de trein voort te stuwen.

Een stoomturbine werkt op een vergelijkbare manier, behalve dat het werk gaat om het draaien van een turbine in plaats van het verplaatsen van een zuiger. Dit is een bijzonder handige manier om elektriciteit op te wekken vanwege de roterende beweging die door de stoom wordt gegenereerd.

De verbrandingsmotor werkt op basis van de hierboven beschreven Otto-cyclus, met vonkontsteking voor benzinemotoren en compressieontsteking voor dieselmotoren. Het belangrijkste verschil tussen deze is de manier waarop het brandstof-luchtmengsel wordt ontstoken, waarbij het brandstof-luchtmengsel wordt gecomprimeerd en vervolgens fysiek ontstoken in de benzinemotoren en brandstof die in de samengeperste lucht in dieselmotoren wordt gespoten, waardoor het ontbrandt vanuit de temperatuur.

Afgezien hiervan wordt de rest van de Otto-cyclus voltooid zoals eerder beschreven: er wordt brandstof in de motor gezogen (of gewoon lucht voor diesel), gecomprimeerd, ontstoken (door een vonk voor brandstof en het spuiten van brandstof in de hete, gecomprimeerde lucht voor diesel), wat bruikbaar werk doet op de zuiger door adiabatische uitbreiding, en dan opent de uitlaatklep om de druk te verminderen, en de zuiger duwt uit gebruikte gassen.

Warmtepompen, airconditioners en koelkasten werken ook allemaal op een vorm van warmtecyclus, hoewel ze het andere doel hebben om werk te gebruiken om de warmte-energie te verplaatsen in plaats van omgekeerd. In de verwarmingscyclus van een warmtepomp neemt het koelmiddel bijvoorbeeld warmte op uit de buitenlucht vanwege zijn lagere temperatuur (aangezien warmtealtijdstroomt van warm naar koud), en wordt vervolgens door een compressor geduwd om de druk en dus de temperatuur te verhogen.

Deze hetere lucht wordt vervolgens naar de condensor verplaatst, vlakbij de te verwarmen ruimte, waar hetzelfde proces warmte aan de ruimte afgeeft. Ten slotte wordt het koelmiddel door een klep geleid die de druk en dus de temperatuur verlaagt, klaar voor een volgende verwarmingscyclus.

In de koelcyclus (zoals in een airconditioning of een koelkast) verloopt het proces in wezen omgekeerd. Het koelmiddel absorbeert warmte-energie uit de kamer (of in de koelkast) omdat het op een koude temperatuur, en dan wordt het door de compressor geduwd om de druk te verhogen en temperatuur.

Op dit punt beweegt het naar de buitenkant van de kamer (of naar de achterkant van de koelkast), waar de warmte-energie wordt overgedragen aan de koelere buitenlucht (of de omringende kamer). Het koelmiddel wordt vervolgens door de klep gestuurd om de druk en temperatuur te verlagen en wordt afgelezen voor een volgende verwarmingscyclus.

Omdat het doel van deze processen het tegenovergestelde is van de motorvoorbeelden, is de uitdrukking voor het rendement van een warmtepomp of koelkast ook anders. Dit is echter vrij voorspelbaar in vorm. Voor verwarming:

En voor koeling:

Waar deVraagtermen zijn voor de warmte-energie die naar de kamer wordt verplaatst (met het H-subscript) en eruit wordt bewogen (met het C-subscript) enW​_in is de werkinput in het systeem in de vorm van elektriciteit. Nogmaals, deze waarde is een dimensieloos getal tussen 0 en 1, maar je kunt het resultaat met 100 vermenigvuldigen om een ​​percentage te krijgen als je dat liever hebt.

Elektriciteitscentrales of elektriciteitscentrales zijn eigenlijk gewoon een andere vorm van warmtemotor, of ze nu warmte creëren met behulp van een kernreactor of door brandstof te verbranden. De warmtebron wordt gebruikt om turbines in beweging te brengen en daarbij mechanisch werk te doen, waarbij vaak stoom uit verwarmd water wordt gebruikt om een ​​stoomturbine te laten draaien, die op de hierboven beschreven manier elektriciteit opwekt. De precieze verwarmingscyclus die wordt gebruikt, kan per energiecentrale verschillen, maar de Rankine-cyclus wordt vaak gebruikt.

De Rankine-cyclus begint met de warmtebron die de temperatuur van het water verhoogt en vervolgens de expansie van waterdamp in a turbine, gevolgd door de condensatie in de condensor (waarbij restwarmte vrijkomt in het proces), voordat het gekoelde water naar een pomp. De pomp verhoogt de druk van het water en bereidt het voor op verdere verwarming.