Топлотни мотор: дефиниција, типови и примери

Топлотни мотори су свуда око вас. Од аутомобила који возите до фрижидера који вашу храну хлади до система грејања и хлађења у вашој кући, сви они раде на истим кључним принципима.

Циљ сваке топлотне машине је претварање топлотне енергије у користан рад, а постоји много различитих приступа које можете користити за то. Један од најједноставнијих облика топлотних мотора је Царнотов мотор, назван по француском физичару Ницоласу Леонард Сади Царнот, изграђен око идеализованог четворостепеног процеса који зависи од адијабате и изотерме фазе.

Али Царнотов мотор је само један пример топлотног мотора, а многи други типови постижу исти основни циљ. Учење о томе како раде топлотни мотори и како се раде ствари попут израчунавања ефикасности топлотног мотора важно је за свакога ко проучава термодинамику.

Топлотни мотор је термодинамички систем који претвара топлотну енергију у механичку. Иако многи различити дизајни потпадају под овај општи наслов, неколико основних компонената се налази у скоро сваком топлотном мотору.

Сваком топлотном мотору је потребна топлотна купка или извор топлоте са високом температуром, који може имати много различитих облика (на пример, нуклеарни реактор је извор топлоте у нуклеарној електрани, али у многим случајевима гориво се користи као топлота извор). Поред тога, мора да постоји хладњак са ниском температуром, као и сам мотор, који је обично гас који се шири када се примени топлота.

Мотор упија топлоту из врућег резервоара и шири се, а овај процес ширења делује на животну средину, обично упрегнуту у корисну форму са клипом. Систем затим ослобађа топлотну енергију назад у хладни резервоар и враћа се у почетно стање. Процес се затим понавља, изнова и изнова на циклични начин како би се континуирано стварао користан рад.

Термодинамички циклуси или моторни циклуси су генерички начин за описивање многих специфичних термодинамичких система који раде на цикличан начин уобичајен за већину топлотних мотора. Најједноставнији пример топлотног мотора који ради са термодинамичким циклусима је Царнотов мотор или мотор који ради на основу Царнотовог циклуса. Ово је идеализовани облик топлотног мотора који укључује само реверзибилне процесе, посебно адијабатску и изотермну компресију и ширење.

Сви мотори са унутрашњим сагоревањем раде на Оттоовом циклусу, што је друга врста термодинамичког циклуса који користи паљење горива да би радио на клипу. У првој фази клип пада како би у мотор увукао смешу гориво-ваздух, која се затим у другој фази адијабатски компримује, а у трећој запали.

Долази до брзог пораста температуре и притиска, који делују на клип кроз адијабатско ширење, пре него што се издувни вентил отвори, што доводи до смањења притиска. Коначно, клип се подиже да очисти потрошене гасове и заврши циклус мотора.

Друга врста топлотног мотора је Стирлингов мотор који садржи фиксну количину гаса који се креће између два различита цилиндра у различитим фазама процеса. Прва фаза укључује загревање гаса за повишење температуре и стварање високог притиска који помера клип да би пружио користан рад.

Клип се затим подиже назад и потискује гас у други цилиндар, где га хлади хладноћа резервоар пре поновног сабијања, процес који захтева мање рада него што је произведен у претходном фаза. Коначно, гас се враћа у првобитну комору, где се понавља Стирлингов циклус мотора.

Ефикасност топлотног мотора је однос корисне радне снаге према уложеној топлоти или топлотној енергији и резултат је увек вредност између 0 и 1, без јединица, јер се мере и топлотна енергија и радна снага џула. То значи да ако сте ималисавршенотоплотни мотор, имао би ефикасност 1 и претворио сву топлотну енергију у употребљив рад, и ако би успео да претвори половину, ефикасност би била 0,5. У основном облику, формула може бити написано:

Наравно, немогуће је да топлотна машина има ефикасност 1, јер други закон термодинамике налаже да ће се сваки затворени систем временом повећавати у ентропији. Иако постоји прецизна математичка дефиниција ентропије помоћу које то можете разумети, најједноставнији начин да то учините размислите о томе да инхерентне неефикасности било ког процеса доводе до одређеног губитка енергије, обично у облику отпада топлота. На пример, клип мотора ће несумњиво имати неко трење које делује против његовог кретања, што значи да ће систем изгубити енергију у процесу претварања топлоте у рад.

Теоретска максимална ефикасност топлотног мотора назива се Царнотова ефикасност. Једначина за ово односи се на температуру врућег резервоараТ.​_Х. и хладни резервоарТ.​_Ц. ефикасности (η) мотора.

Резултат овога можете помножити са 100 ако желите да одговор изразите у процентима. Важно је запамтити да је овотеоријскамаксимум - мало је вероватно да ће се било који стварни мотор у пракси искрено приближити Царнотовој ефикасности.

Важно је напоменути да максимизирате ефикасност топлотних машина повећањем разлике у температури између врућег резервоара и хладног резервоара. За аутомобилски мотор,Т.​_Х. је температура гасова унутар мотора при сагоревању, иТ.​_Ц. је температура на којој су потиснути из мотора.

Парна машина и парне турбине су два најпознатија примера топлотне машине, и изум парне машине био је важан историјски догађај у индустријализацији друштво. Парна машина ради на врло сличан начин као и остале до сада расправљане топлотне машине: бојлер окреће воду у пару, која се шаље у цилиндар који садржи клип, а високи притисак паре покреће цилиндар.

Пара преноси део топлотне енергије у цилиндар, при чему се хлади, а када се клип потпуно избаци, преостала пара се испушта из цилиндра. У овом тренутку, клип се враћа у првобитни положај (понекад се пара усмерава око другог са стране клипа, тако да је и он може гурнути назад), а термодинамички циклус почиње поново са више паре.

Овај релативно једноставан дизајн омогућава велику количину корисног рада од свега што може да кључа воду. Ефикасност топлотног мотора са овим дизајном зависи од разлике између температуре паре и температуре ваздуха у окружењу. Парна локомотива користи рад створен овим процесом за окретање точкова и покретање воза.

Парна турбина ради на врло сличан начин, осим што посао иде у окретање турбине уместо померања клипа. Ово је посебно користан начин за производњу електричне енергије због ротационог кретања које ствара пара.

Мотор са унутрашњим сагоревањем ради на основу горе описаног Отто-овог циклуса, са паљењем варницом која се користи за бензинске моторе и паљењем компресијом који се користи за дизел моторе. Главна разлика између њих је начин паљења смеше гориво-ваздух, при чему се смеша гориво-ваздух компримује, а затим физички се запали у бензинским моторима и гориво се распршује у компримовани ваздух у дизел моторима, узрокујући да се запали из температура.

Осим овога, остатак Оттовог циклуса завршава се како је претходно описано: гориво се увлачи у мотор (или само ваздух за дизел), компримован, запаљен (искром за гориво и прскањем горива у врући, компримовани ваздух за дизел), што чини употребљив посао на клип кроз адијабатско ширење, а затим се издувни вентил отвори да смањи притисак, а клип истискује коришћени гас.

Топлотне пумпе, клима уређаји и фрижидери такође раде на облик топлотног циклуса, иако имају другачији циљ да користе рад за померање топлотне енергије, а не обрнуто. На пример, у циклусу грејања топлотне пумпе, расхладно средство упија топлоту спољашњег ваздуха због ниже температуре (јер топлотаувектече из врућег у хладно), а затим се прогура кроз компресор да би му подигао притисак, а тиме и температуру.

Овај топлији ваздух се затим премешта у кондензатор, у близини просторије која се греје, где се истим поступком топлота преноси у просторију. Коначно, расхладно средство се пребацује у вентил који снижава притисак, а тиме и температуру, спреман за нови циклус грејања.

У циклусу хлађења (као у клима уређају или фрижидеру) процес се у основи одвија обрнуто. Расхладно средство апсорбује топлотну енергију из собе (или унутар фрижидера) јер се држи на хладну температуру, а затим се прогура кроз компресор да повећа притисак и температура.

У овом тренутку се креће према спољној соби (или на задњој страни фрижидера), где се топлотна енергија преноси на хладнији спољни ваздух (или околну просторију). Расхладно средство се затим шаље кроз вентил да смањи притисак и температуру, очитавајући други циклус грејања.

Будући да је циљ ових процеса супротан примерима мотора, израз за ефикасност топлотне пумпе или фрижидера такође је другачији. Ово је, међутим, прилично предвидљиво у форми. За грејање:

А за хлађење:

ГдеКуслови су за топлотну енергију премештену у просторију (са Х индексом) и одсељену из ње (са Ц индексом) иВ​_у је радни унос у систем у облику електричне енергије. Опет, ова вредност је бездимензионални број између 0 и 1, али резултат можете помножити са 100 да бисте добили проценат ако желите.

Електране или електране су заправо само још један облик топлотног мотора, било да стварају топлоту нуклеарним реактором или сагоревањем горива. Извор топлоте користи се за померање турбина и на тај начин обавља механички рад, често користећи пару из загрејане воде за окретање парне турбине, која ствара електричну енергију на горе описани начин. Прецизни топлотни циклус који се користи може се разликовати између електрана, али се обично користи Ранкинов циклус.

Ранкинов циклус започиње извором топлоте који подиже температуру воде, а затим ширењем водене паре у а турбине, након чега следи кондензација у кондензатору (ослобађање отпадне топлоте у процесу), пре него што охлађена вода оде у пумпа. Пумпа повећава притисак воде и припрема је за даље загревање.