Toplotni motor: opredelitev, tipi in primeri

Toplotni motorji so povsod okoli vas. Od avtomobila, do katerega vozite, do hladilnika, ki ohranja hrano do ogrevalnih in hladilnih sistemov vaše hiše, vsi delujejo na enakih ključnih načelih.

Cilj katerega koli toplotnega stroja je pretvoriti toplotno energijo v koristno delo in za to obstaja veliko različnih pristopov. Ena najpreprostejših oblik toplotnega stroja je Carnotov motor, poimenovan po francoskem fiziku Nicolasu Leonard Sadi Carnot, zgrajen okoli idealiziranega štiristopenjskega procesa, ki je odvisen od adiabate in izotermike obdobja.

Toda Carnotov motor je le en primer toplotnega stroja in številne druge vrste dosegajo enak osnovni cilj. Učenje o delovanju toplotnih strojev in kako delati stvari, kot je izračun učinkovitosti toplotnega stroja, je pomembno za vsakogar, ki preučuje termodinamiko.

Toplotni motor je termodinamični sistem, ki toplotno energijo pretvarja v mehansko. Čeprav pod ta splošni naslov spada veliko različnih izvedb, je v skoraj vseh toplotnih strojih več osnovnih komponent.

Vsak toplotni stroj potrebuje toplotno kopel ali visokotemperaturni vir toplote, ki ima lahko veliko različnih oblik (na primer jedrski reaktor je vir toplote v jedrski elektrarni, vendar se v mnogih primerih gorivo uporablja kot toplota vir). Poleg tega mora obstajati hladilnik z nizko temperaturo, pa tudi sam motor, ki je običajno plin, ki se razširi ob uporabi toplote.

Motor absorbira toploto iz vročega rezervoarja in se razširi, in ta postopek širjenja je tisto, kar deluje na okolje, navadno z bati izkoriščeno v uporabno obliko. Nato sistem sprosti toplotno energijo nazaj v hladni rezervoar in se vrne v prvotno stanje. Nato se postopek znova in znova ciklično ponavlja, da se nenehno ustvarja koristno delo.

Termodinamični cikli ali motorni cikli so splošen način za opisovanje številnih specifičnih termodinamičnih sistemov, ki delujejo na cikličen način, skupni večini toplotnih motorjev. Najenostavnejši primer toplotnega motorja, ki deluje s termodinamičnimi cikli, je Carnotov motor ali motor, ki deluje na osnovi Carnotovega cikla. To je idealizirana oblika toplotnega stroja, ki vključuje le reverzibilne procese, zlasti adiabatsko in izotermično stiskanje in raztezanje.

Vsi motorji z notranjim zgorevanjem delujejo na Ottov cikel, ki je druga vrsta termodinamičnega cikla, ki uporablja vžig goriva za delo na batu. Na prvi stopnji bat pade, da v motor vleče mešanico goriva in zraka, ki se nato v drugi stopnji adiabatsko stisne in v tretji vžge.

Pred odpiranjem izpušnega ventila hitro pride do povečanja temperature in tlaka, ki delujeta na bat z adiabatnim raztezanjem, kar vodi do zmanjšanja tlaka. Končno se bat dvigne, da očisti izrabljene pline in zaključi motorni cikel.

Druga vrsta toplotnega stroja je Stirlingov motor, ki vsebuje fiksno količino plina, ki se premika med dvema različnima jeklenkama v različnih fazah procesa. Prva stopnja vključuje ogrevanje plina za dvig temperature in ustvarjanje visokega tlaka, ki premakne bat, da zagotovi koristno delo.

Bat se nato dvigne nazaj navzgor in potisne plin v drugo jeklenko, kjer ga mraz ohladi rezervoarja, preden se ponovno stisne, postopek, ki zahteva manj dela, kot je bil proizveden v prejšnjem stopnja. Končno se plin premakne nazaj v prvotno komoro, kjer se cikel Stirlingovega motorja ponovi.

Učinkovitost toplotnega stroja je razmerje med koristno delovno močjo in vloženo toploto ali toplotno energijo ter rezultat je vedno vrednost med 0 in 1, brez enot, ker se meri tako toplotna energija kot izhodna moč džuli. To pomeni, da če ste imelipopolnotoplotni motor, bi imel izkoristek 1 in vso toplotno energijo pretvoril v uporabno delo, in če bi mu uspelo pretvoriti polovico, bi bila učinkovitost 0,5. V osnovni obliki je lahko formula napisano:

Seveda je nemogoče, da bi imel toplotni stroj izkoristek 1, ker drugi zakon termodinamike narekuje, da se bo vsak zaprt sistem sčasoma povečal v entropiji. Čeprav obstaja natančna matematična definicija entropije, s katero lahko to razumete, je to najpreprostejši način pomislimo, da neučinkovitost katerega koli procesa vodi do izgube energije, običajno v obliki odpadkov toplota. Na primer, bat motorja bo nedvomno imel nekaj trenja, ki deluje proti njegovemu gibanju, kar pomeni, da bo sistem izgubil energijo v procesu pretvorbe toplote v delo.

Teoretični največji izkoristek toplotnega stroja se imenuje Carnotov izkoristek. Enačba za to se nanaša na temperaturo vročega rezervoarjaT​_H in hladnega rezervoarjaT​_C učinkovitosti (η) motorja.

Rezultat lahko pomnožite s 100, če želite odgovor izraziti v odstotkih. Pomembno je vedeti, da je toteoretičninajveč - malo verjetno je, da se bo kakšen resnični motor v praksi resnično približal Carnotovi učinkovitosti.

Pomembno je omeniti, da povečate učinkovitost toplotnih strojev s povečanjem temperaturne razlike med vročim in hladnim rezervoarjem. Za avtomobilski motor,T​_H - temperatura plinov v motorju pri zgorevanju inT​_C je temperatura, pri kateri so potisnjeni iz motorja.

Parni stroj in parne turbine sta dva najbolj znana primera toplotnega stroja in izum parnega stroja je bil pomemben zgodovinski dogodek v industrializaciji Ljubljane družba. Parni stroj deluje na zelo podoben način kot drugi toplotni stroji, o katerih smo razpravljali doslej: kotel obrača vodo v paro, ki se pošlje v valj z batom, visok tlak pare pa ga premakne valj.

Para prenaša del toplotne energije v jeklenko, pri čemer se pri tem ohladi, nato pa, ko je bat popolnoma iztisnjen, preostala para izpusti iz jeklenke. V tem trenutku se bat vrne v prvotni položaj (včasih se para preusmeri okoli drugega stran bata, da ga lahko potisne tudi nazaj), termodinamični cikel pa se znova začne z več pare.

Ta sorazmerno preprosta zasnova omogoča, da se iz vsega, kar lahko vre vrelo, proizvede veliko koristnega dela. Učinkovitost toplotnega stroja s to zasnovo je odvisna od razlike med temperaturo pare in temperaturo okoliškega zraka. Parna lokomotiva z delom, ustvarjenim v tem postopku, obrača kolesa in poganja vlak.

Parna turbina deluje na zelo podoben način, le da gre delo v obračanje turbine, namesto da bi premaknili bat. To je še posebej koristen način za proizvodnjo električne energije zaradi rotacijskega gibanja, ki ga ustvarja para.

Motor z notranjim zgorevanjem deluje na osnovi zgoraj opisanega Ottovega cikla, pri bencinskih motorjih se uporablja vžig na iskro in pri dizelskih motorjih na kompresijski vžig. Glavna razlika med njimi je način vžiga mešanice goriva in zraka, pri čemer se mešanica goriva in zraka stisne in nato fizično vžge v bencinskih motorjih, gorivo pa razprši v stisnjeni zrak pri dizelskih motorjih, zaradi česar se vžge iz temperatura.

Poleg tega se preostali Ottov cikel zaključi, kot je opisano prej: gorivo se v motor vleče (ali samo zrak za dizel), stisnjen, vžgan (z iskrico za gorivo in brizganjem goriva v vroč, stisnjen zrak za dizelsko gorivo), kar je uporabno delo na adibatičnem raztezanju na batu, nato pa se izpušni ventil odpre, da zmanjša tlak, in bat potisne ven uporabljeni plin.

Tudi toplotne črpalke, klimatske naprave in hladilniki delujejo v obliki toplotnega cikla, čeprav imajo drugačen cilj, da delo uporabljajo za premikanje toplotne energije in ne obratno. Na primer, v ogrevalnem ciklu toplotne črpalke hladilno sredstvo absorbira toploto zunanjega zraka zaradi nižje temperature (nenehnoprehaja iz vročega na hladno), nato pa se skozi kompresor potisne, da zviša tlak in s tem temperaturo.

Ta vroči zrak se nato premakne v kondenzator, blizu prostora za ogrevanje, kjer isti postopek toploto prenaša v prostor. Na koncu se hladilno sredstvo premakne skozi ventil, ki znižuje tlak in s tem temperaturo, pripravljen na nov ogrevalni cikel.

V hladilnem ciklu (kot v klimatski napravi ali hladilniku) postopek v bistvu teče v obratni smeri. Hladilno sredstvo absorbira toplotno energijo iz prostora (ali znotraj hladilnika), ker je ohlajeno na hladna temperatura, nato pa se skozi kompresor potisne, da poveča tlak in temperatura.

V tem trenutku se premakne na zunanjo stran prostora (ali na zadnjo stran hladilnika), kjer se toplotna energija prenese na hladnejši zunanji zrak (ali okoliško sobo). Nato se hladilno sredstvo pošlje skozi ventil, da zniža tlak in temperaturo in odčita še en ogrevalni cikel.

Ker je cilj teh postopkov nasproten primerom motorjev, je tudi izraz za učinkovitost toplotne črpalke ali hladilnika drugačen. To pa je po obliki precej predvidljivo. Za ogrevanje:

In za hlajenje:

Kje zaVpogoji so za toplotno energijo, ki se preseli v sobo (s podpisom H) in izseli iz nje (s podpisom C) inW​_v je vložek dela v sistem v obliki električne energije. Tudi ta vrednost je brezdimenzijsko število med 0 in 1, vendar lahko rezultat pomnožite s 100, da dobite odstotek, če želite.

Elektrarne ali elektrarne so v resnici le druga oblika toplotnega pogona, ne glede na to, ali toploto ustvarjajo z jedrskim reaktorjem ali s sežiganjem goriva. Vir toplote se uporablja za premikanje turbin in s tem mehansko delo, pri čemer se pogosto uporablja para iz ogrevane vode za vrtenje parne turbine, ki proizvaja elektriko na zgoraj opisani način. Natančen uporabljeni toplotni cikel se lahko razlikuje med elektrarnami, vendar se pogosto uporablja Rankinov cikel.

Rankinov cikel se začne z virom toplote, ki zviša temperaturo vode, nato pa s širjenjem vodne pare v a turbini, ki ji sledi kondenzacija v kondenzatorju (pri tem se sprošča odpadna toplota), preden ohlajena voda preide v črpalka. Črpalka poveča tlak vode in jo pripravi na nadaljnje ogrevanje.