Värmemotor: Definition, typer och exempel

Värmemotorer finns runt omkring dig. Från bilen du kör till kylskåpet som håller maten sval till husets värme- och kylsystem, de fungerar alla baserat på samma nyckelprinciper.

Målet med alla värmemotorer är att omvandla värmeenergi till användbart arbete, och det finns många olika tillvägagångssätt du kan använda för att göra detta. En av de enklaste formerna av värmemotor är Carnot-motorn, uppkallad efter den franska fysikern Nicolas Leonard Sadi Carnot, byggd kring en idealiserad fyrstegsprocess som är beroende av adiabatisk och isotermisk steg.

Men Carnot-motorn är bara ett exempel på en värmemotor, och många andra typer uppnår samma grundläggande mål. Att lära sig hur värmemotorer fungerar och hur man gör saker som att beräkna effektiviteten hos en värmemotor är viktigt för alla som studerar termodynamik.

En värmemotor är ett termodynamiskt system som omvandlar värmeenergi till mekanisk energi. Även om många olika mönster faller under denna allmänna rubrik finns flera grundläggande komponenter i nästan alla värmemotorer.

Alla värmemotorer behöver ett värmebad eller en värmekälla med hög temperatur, vilket kan ta många olika former (till exempel en kärnreaktor är värmekällan i ett kärnkraftverk, men i många fall används brinnande bränsle som värme källa). Dessutom måste det finnas en kallbehållare vid låg temperatur, såväl som själva motorn, som vanligtvis är gas som expanderar när värme appliceras.

Motorn absorberar värme från den heta behållaren och expanderar, och denna expansionsprocess är det som fungerar på miljön, vanligtvis utnyttjad till en användbar form med en kolv. Systemet släpper sedan tillbaka värmeenergi i den kalla reservoaren och återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Processen upprepas sedan om och om igen på ett cykliskt sätt för att kontinuerligt generera användbart arbete.

Termodynamiska cykler eller motorcykler är ett generiskt sätt att beskriva många specifika termodynamiska system som fungerar på det cykliska sätt som är vanligt för de flesta värmemotorer. Det enklaste exemplet på en värmemotor som arbetar med termodynamiska cykler är Carnot-motorn eller en motor som arbetar baserat på Carnot-cykeln. Detta är en idealiserad form av värmemotor som endast involverar reversibla processer, särskilt adiabatisk och isotermisk kompression och expansion.

Alla förbränningsmotorer arbetar på Otto-cykeln, vilket är en annan typ av termodynamisk cykel som använder tändningen av bränsle för att utföra arbete på en kolv. I det första steget sjunker kolven för att dra in en bränsle-luftblandning i motorn, som sedan komprimeras adiabatiskt i det andra steget och antänds i det tredje.

Det är en snabb ökning av temperatur och tryck, vilket fungerar på kolven genom adiabatisk expansion, innan avgasventilen öppnas, vilket leder till en minskning av trycket. Slutligen stiger kolven för att rensa förbrukade gaser och slutföra motorcykeln.

En annan typ av värmemotor är Stirling-motorn, som innehåller en fast mängd gas som rör sig mellan två olika cylindrar i olika stadier av processen. Det första steget handlar om att värma gasen för att höja temperaturen och producera ett högt tryck, vilket rör en kolv för att ge användbart arbete.

Kolven stiger sedan upp igen och skjuter gasen in i en andra cylinder, där den kyls av kylan behållaren innan den komprimeras igen, en process som kräver mindre arbete än den som gjordes tidigare skede. Slutligen flyttas gasen tillbaka till den ursprungliga kammaren, där Stirling-motorcykeln upprepas.

Effektiviteten hos en värmemotor är förhållandet mellan användbar arbetseffekt och värme- eller värmeenergi resultatet är alltid ett värde mellan 0 och 1, utan enheter eftersom både värmeenergi och arbetseffekt mäts in joules. Det betyder att om du hade enperfektvärmemotor skulle den ha en verkningsgrad på 1 och omvandla all värmeenergi till användbart arbete, och om den lyckades konvertera hälften av den skulle effektiviteten vara 0,5. I en grundform kan formeln vara skriven:

Naturligtvis är det omöjligt för en värmemotor att ha en verkningsgrad på 1, eftersom termodynamikens andra lag föreskriver att ett slutet system kommer att öka i entropi över tiden. Även om det finns en exakt matematisk definition av entropi som du kan använda för att förstå detta, det enklaste sättet att tänk på det är att inneboende ineffektivitet i alla processer leder till viss energiförlust, vanligtvis i form av avfall värme. Till exempel kommer en motors kolv utan tvekan att ha en viss friktion som motverkar dess rörelse, vilket innebär att systemet kommer att förlora energi i processen att omvandla värmen till arbete.

Den teoretiska maximala effektiviteten för en värmemotor kallas Carnot-effektiviteten. Ekvationen för detta avser temperaturen på den heta behållarenT​_H och kall behållareT​_C till effektiviteten (η) av motorn.

Du kan multiplicera resultatet med 100 om du vill uttrycka svaret i procent. Det är viktigt att komma ihåg att detta ärteoretiskmaximalt - det är osannolikt att någon verklig motor verkligen kommer att närma sig Carnot-effektiviteten i praktiken.

Det viktiga att notera är att du maximerar värmemotorernas effektivitet genom att öka temperaturskillnaden mellan den heta behållaren och den kalla behållaren. För en bilmotor,T​_H är temperaturen på gaserna inuti motorn vid förbränning, ochT​_C är den temperatur vid vilken de skjuts ut ur motorn.

Ångmotorn och ångturbinerna är två av de mest kända exemplen på en värmemotor, och uppfinningen av ångmotorn var en viktig historisk händelse i industrialiseringen av samhälle. En ångmotor fungerar på ett mycket liknande sätt som de andra värmemotorerna som hittills diskuterats: en panna vänder vatten in i ånga, som skickas in i en cylinder som innehåller en kolv, och ångans höga tryck rör sig cylinder.

Ångan överför en del av den termiska energin till cylindern, blir svalare under processen och sedan när kolven har skjutits ut helt släpps återstående ånga ut ur cylindern. Vid denna punkt återgår kolven till sitt ursprungliga läge (ibland leds ångan runt till den andra sidan av kolven så att den också kan skjuta tillbaka den) och den termodynamiska cykeln börjar igen med mer ånga.

Denna relativt enkla design gör det möjligt att producera en stor mängd användbart arbete från allt som kan koka vatten. Effektiviteten hos en värmemotor med denna design beror på skillnaden mellan ångtemperaturen och den omgivande luften. Ett ånglok använder arbetet som skapats från denna process för att vrida hjul och driva tåget.

En ångturbin fungerar på ett mycket liknande sätt, förutom att arbetet går till att vrida en turbin istället för att flytta en kolv. Detta är ett särskilt användbart sätt att generera elektricitet på grund av ångens rotationsrörelse.

Förbränningsmotorn fungerar baserat på Otto-cykeln som beskrivs ovan, med gnisttändning som används för bensinmotorer och kompressionständning som används för dieselmotorer. Huvudskillnaden mellan dessa är hur bränsle-luftblandningen antänds, med bränsle-luftblandningen komprimerad och sedan antänds fysiskt i bensinmotorerna och bränsle som sprutas in i tryckluft i dieselmotorer, vilket får det att antända från temperatur.

Bortsett från detta slutförs resten av Otto-cykeln som beskrivits tidigare: Bränsle dras in i motorn (eller bara luft för diesel), komprimerad, antänd (av en gnista för bränsle och sprutning av bränsle i den heta, komprimerade luften för diesel), vilket gör användbart arbete på kolven genom adiabatisk expansion och sedan öppnas avgasventilen för att minska trycket och kolven skjuter ut begagnad gas.

Värmepumpar, luftkonditioneringsapparater och kylskåp fungerar alla i en form av värmecykel, även om de har olika mål att använda arbetet för att flytta värmeenergin snarare än det motsatta. Till exempel, i värmepumpens värmecykel, absorberar köldmediet värme från utomhusluften på grund av dess lägre temperatur (eftersom värmealltidströmmar från varmt till kallt) och trycks sedan genom en kompressor för att höja sitt tryck och därmed dess temperatur.

Denna varmare luft flyttas sedan till kondensorn, nära rummet som ska värmas, där samma process överför värme till rummet. Slutligen flyttas köldmediet in i en ventil som sänker trycket och därmed temperaturen, redo för ytterligare en värmecykel.

I kylcykeln (som i en luftkonditioneringsenhet eller ett kylskåp) går processen i huvudsak i omvänd riktning. Köldmediet absorberar värmeenergi från rummet (eller inuti kylen) eftersom det hålls vid en kall temperatur och sedan trycks den genom kompressorn för att öka trycket och temperatur.

Vid denna tidpunkt rör sig den runt på utsidan av rummet (eller på baksidan av kylskåpet), där värmeenergin överförs till den svalare utomhusluften (eller det omgivande rummet). Köldmediet skickas sedan genom ventilen för att sänka trycket och temperaturen, vilket avläser för ytterligare en värmecykel.

Eftersom målet med dessa processer är motsatsen till motorexemplen är också uttrycket för effektiviteten hos en värmepump eller kylskåp annorlunda. Detta är dock ganska förutsägbart i form. För uppvärmning:

Och för kylning:

Där denFvillkoren gäller för värmeenergin som flyttas in i rummet (med H-abonnemanget) och flyttas ut ur det (med C-abonnemanget) ochW​_i är arbetsinmatningen i systemet i form av el. Återigen är detta värde ett dimensionlöst tal mellan 0 och 1, men du kan multiplicera resultatet med 100 för att få en procentsats om du föredrar.

Kraftverk eller kraftverk är egentligen bara en annan form av värmemotor, oavsett om de skapar värme med hjälp av en kärnreaktor eller genom att bränna bränsle. Värmekällan används för att flytta turbiner och därmed göra mekaniskt arbete, ofta med ånga från uppvärmt vatten för att snurra en ångturbin, som genererar elektricitet på det sätt som beskrivs ovan. Den exakta värmecykeln som används kan variera mellan kraftverk, men Rankine-cykeln används ofta.

Rankine-cykeln börjar med att värmekällan höjer temperaturen på vattnet och sedan expanderar vattenångan i a följt av kondens i kondensorn (släpper bort spillvärme under processen) innan det kylda vattnet går till en pump. Pumpen ökar vattentrycket och förbereder det för ytterligare uppvärmning.