Varmemotor: definisjon, typer og eksempler

Varmemotorer er rundt deg. Fra bilen du kjører til kjøleskapet som holder maten kjølig til husets varme- og kjølesystemer, fungerer de alle på de samme hovedprinsippene.

Målet med enhver varmemotor er å konvertere varmeenergi til nyttig arbeid, og det er mange forskjellige tilnærminger du kan bruke for å gjøre dette. En av de enkleste formene for varmemotor er Carnot-motoren, oppkalt etter den franske fysikeren Nicolas Leonard Sadi Carnot, bygget rundt en idealisert firetrinnsprosess som avhenger av adiabatisk og isotermisk trinn.

Men Carnot-motoren er bare ett eksempel på en varmemotor, og mange andre typer oppnår det samme grunnleggende målet. Det er viktig for alle som studerer termodynamikk å lære om hvordan varmemotorer fungerer og hvordan man gjør ting som å beregne effektiviteten til en varmemotor.

En varmemotor er et termodynamisk system som omdanner varmeenergi til mekanisk energi. Selv om mange forskjellige design faller inn under denne generelle overskriften, finnes flere grunnleggende komponenter i stort sett alle varmemotorer.

Enhver varmemotor trenger et varmebad eller en varmekilde med høy temperatur, som kan ha mange forskjellige former (for eksempel en atomreaktor er varmekilden i et atomkraftverk, men i mange tilfeller brukes brennende drivstoff som varme kilde). I tillegg må det være et kaldt reservoar ved lave temperaturer, så vel som selve motoren, som vanligvis er gass som utvides når det påføres varme.

Motoren absorberer varme fra det varme reservoaret og utvides, og denne utvidelsesprosessen er det som fungerer på miljøet, vanligvis utnyttet til en brukbar form med et stempel. Systemet frigjør deretter varmeenergien tilbake i det kalde reservoaret og går tilbake til sin opprinnelige tilstand. Prosessen gjentas deretter om og om igjen på en syklisk måte for kontinuerlig å generere nyttig arbeid.

Termodynamiske sykluser eller motorsykluser er en generell måte å beskrive mange spesifikke termodynamiske systemer som fungerer på den sykliske måten som er vanlig for de fleste varmemotorer. Det enkleste eksempelet på en varmemotor som arbeider med termodynamiske sykluser er Carnot-motoren eller en motor som er basert på Carnot-syklusen. Dette er en idealisert form for varmemotor som bare involverer reversible prosesser, spesielt adiabatisk og isoterm kompresjon og ekspansjon.

Alle forbrenningsmotorer kjører på Otto-syklusen, som er en annen type termodynamisk syklus som bruker tenningen av drivstoff til å utføre arbeid på et stempel. I det første trinnet faller stempelet for å trekke en drivstoff-luftblanding inn i motoren, som deretter adiabatisk komprimeres i det andre trinnet og antennes i det tredje.

Det er en rask økning i temperatur og trykk, som virker på stempelet gjennom adiabatisk ekspansjon før eksosventilen åpnes, noe som fører til en reduksjon i trykket. Til slutt stiger stemplet for å fjerne de brukte gassene og fullføre motorsyklusen.

En annen type varmemotor er Stirling-motoren, som inneholder en fast mengde gass som beveger seg mellom to forskjellige sylindere på forskjellige trinn i prosessen. Det første trinnet innebærer oppvarming av gassen for å heve temperaturen og produsere et høyt trykk, som beveger et stempel for å gi nyttig arbeid.

Stempelet stiger deretter opp igjen og skyver gassen inn i en andre sylinder, hvor den blir avkjølt av kulden reservoaret før det komprimeres igjen, en prosess som krever mindre arbeid enn det som ble produsert i forrige scene. Til slutt flyttes gassen tilbake i det opprinnelige kammeret, der Stirling-motorsyklusen gjentas.

Effektiviteten til en varmemotor er forholdet mellom nyttig arbeidseffekt og varme- eller termisk energiinngang, og resultatet er alltid en verdi mellom 0 og 1, uten enheter fordi både varmeenergi og arbeidseffekt måles i joules. Dette betyr at hvis du hadde enperfektvarmemotor, ville den ha en virkningsgrad på 1 og konvertere all varmeenergien til brukbart arbeid, og hvis den klarte å konvertere halvparten av den, ville effektiviteten være 0,5. I en grunnleggende form kan formelen være skrevet:

Selvfølgelig er det umulig for en varmemotor å ha en virkningsgrad på 1, fordi termodynamikkens andre lov tilsier at ethvert lukket system vil øke i entropi over tid. Selv om det er en presis matematisk definisjon av entropi som du kan bruke til å forstå dette, den enkleste måten å tenk på det er at iboende ineffektivitet i enhver prosess fører til noe tap av energi, vanligvis i form av avfall varme. For eksempel vil motorens stempel utvilsomt ha en viss friksjon som virker mot bevegelsen, noe som betyr at systemet vil miste energi i ferd med å konvertere varmen til arbeid.

Den teoretiske maksimale effektiviteten til en varmemotor kalles Carnot-effektiviteten. Ligningen for dette gjelder temperaturen på det varme reservoaretT​_H og kaldt reservoarT​_C til effektiviteten (η) av motoren.

Du kan multiplisere resultatet av dette med 100 hvis du vil uttrykke svaret i prosent. Det er viktig å huske at dette erteoretiskmaksimum - det er lite sannsynlig at noen virkelige motorer virkelig vil nærme seg Carnot-effektiviteten i praksis.

Det viktige å merke seg er at du maksimerer effektiviteten til varmemotorer ved å øke temperaturforskjellen mellom det varme reservoaret og det kalde reservoaret. For en bilmotor,T​_H er temperaturen på gassene inne i motoren ved forbrenning, ogT​_C er temperaturen der de skyves ut av motoren.

Dampmotoren og dampturbinene er to av de mest kjente eksemplene på en varmemotor, og oppfinnelsen av dampmotoren var en viktig historisk begivenhet i industrialiseringen av samfunn. En dampmotor fungerer på en veldig lik måte som de andre varmemotorene som er diskutert så langt: en kjele snur vann i damp, som sendes inn i en sylinder som inneholder et stempel, og dampens høye trykk beveger sylinder.

Dampen overfører noe av den termiske energien til sylinderen, blir kjøligere i prosessen, og når stempelet har blitt skjøvet helt ut, blir den gjenværende dampen sluppet ut av sylinderen. På dette tidspunktet returnerer stempelet til sin opprinnelige posisjon (noen ganger føres dampen rundt til den andre siden av stempelet slik at det også kan skyve det tilbake), og den termodynamiske syklusen starter på nytt med mer damp.

Denne relativt enkle utformingen gjør det mulig å produsere en stor mengde nyttig arbeid fra alt som er i stand til å koke vann. Effektiviteten til en varmemotor med denne utformingen avhenger av forskjellen mellom temperaturen på dampen og den omgivende luften. Et damplokomotiv bruker arbeidet som ble opprettet fra denne prosessen for å snu hjul og drive toget.

En dampturbin fungerer på en veldig lignende måte, bortsett fra at arbeidet går i å snu en turbin i stedet for å flytte et stempel. Dette er en spesielt nyttig måte å generere elektrisitet på grunn av rotasjonsbevegelsen generert av dampen.

Forbrenningsmotoren fungerer basert på Otto-syklusen beskrevet ovenfor, med gnisttenning brukt til bensinmotorer og kompresjonstennning brukt til dieselmotorer. Hovedforskjellen mellom disse er måten drivstoff-luftblandingen antennes på, med drivstoff-luftblandingen som komprimeres og deretter antennes fysisk i bensinmotorer og drivstoff som sprøytes inn i trykkluft i dieselmotorer, noe som får den til å antennes fra motoren temperatur.

Bortsett fra dette, er resten av Otto-syklusen fullført som beskrevet tidligere: Drivstoff trekkes inn i motoren (eller bare luft for diesel), komprimert, antennet (av en gnist for drivstoff og sprøyting av drivstoff i den varme komprimerte luften for diesel), som gjør brukbart arbeid på stempelet gjennom adiabatisk ekspansjon, og deretter åpner eksosventilen for å redusere trykket, og stempelet skyver ut brukt gass.

Varmepumper, klimaanlegg og kjøleskap fungerer også på en form for varmesyklus, selv om de har det forskjellige målet å bruke arbeid til å flytte varmeenergien rundt i stedet for omvendt. For eksempel, i varmesyklusen til en varmepumpe, absorberer kjølemediet varme fra uteluften på grunn av den lave temperaturen (sidenalltidflyter fra varmt til kaldt), og skyves deretter gjennom en kompressor for å øke trykket og dermed temperaturen.

Denne varmere luften flyttes deretter til kondensatoren, i nærheten av rommet som skal oppvarmes, hvor den samme prosessen overfører varme til rommet. Til slutt føres kjølemediet inn i en ventil som senker trykket og dermed temperaturen, klar for en ny oppvarmingssyklus.

I kjølesyklusen (som i et klimaanlegg eller et kjøleskap) går prosessen i hovedsak i omvendt retning. Kjølemediet absorberer varmeenergi fra rommet (eller inne i kjøleskapet) fordi det holdes på et kald temperatur, og deretter skyves den gjennom kompressoren for å øke trykket og temperatur.

På dette tidspunktet beveger den seg til utsiden av rommet (eller på baksiden av kjøleskapet), hvor varmeenergien overføres til den kjøligere uteluften (eller det omkringliggende rommet). Kjølemediet sendes deretter gjennom ventilen for å senke trykket og temperaturen, og avleses for en ny oppvarmingssyklus.

Siden målet med disse prosessene er det motsatte av motoreksemplene, er også uttrykket for effektiviteten til en varmepumpe eller kjøleskap annerledes. Dette er ganske forutsigbart i form. For oppvarming:

Og for kjøling:

Hvor iSpørsmålvilkårene er for varmeenergien som flyttes inn i rommet (med H-tegnet) og flyttes ut av det (med C-tegnet) ogW​_i er arbeidsinnsatsen i systemet i form av elektrisitet. Igjen er denne verdien et dimensjonsløst tall mellom 0 og 1, men du kan multiplisere resultatet med 100 for å få en prosentandel hvis du foretrekker det.

Kraftstasjoner eller kraftverk er egentlig bare en annen form for varmemotor, enten de lager varme ved hjelp av en atomreaktor eller ved å brenne drivstoff. Varmekilden brukes til å flytte turbiner og derved utføre mekanisk arbeid, ofte ved bruk av damp fra oppvarmet vann for å spinne en dampturbin, som genererer elektrisitet på den måten som er beskrevet ovenfor. Den presise varmesyklusen som brukes kan variere mellom kraftverk, men Rankine-syklusen brukes ofte.

Rankine-syklusen starter med at varmekilden øker temperaturen på vannet, deretter utvider vanndampen i a turbin, etterfulgt av kondens i kondensatoren (frigjør spillvarme i prosessen), før det avkjølte vannet går til en pumpe. Pumpen øker vanntrykket og forbereder det for videre oppvarming.