Isı Motoru: Tanımı, Çeşitleri ve Örnekleri

Isı motorları etrafınızda. Sürdüğünüz arabadan yiyeceklerinizi serin tutan buzdolabına, evinizin ısıtma ve soğutma sistemlerine kadar hepsi aynı temel prensipte çalışır.

Herhangi bir ısı motorunun amacı, ısı enerjisini faydalı işe dönüştürmektir ve bunu yapmak için kullanabileceğiniz birçok farklı yaklaşım vardır. Isı motorunun en basit biçimlerinden biri, adını Fransız fizikçi Nicolas'tan alan Carnot motorudur. Leonard Sadi Carnot, adyabatik ve izotermal koşullara bağlı olan idealize edilmiş dört aşamalı bir süreç etrafında inşa edilmiştir. aşamalar.

Ancak Carnot motoru, bir ısı motorunun sadece bir örneğidir ve diğer birçok tip aynı temel hedefe ulaşır. Isı motorlarının nasıl çalıştığını ve bir ısı motorunun verimliliğini hesaplamak gibi şeylerin nasıl yapıldığını öğrenmek, termodinamik okuyan herkes için önemlidir.

Bir ısı motoru, ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren termodinamik bir sistemdir. Bu genel başlık altında birçok farklı tasarım yer alsa da, hemen hemen her ısı motorunda birkaç temel bileşen bulunur.

Herhangi bir ısı motoru, birçok farklı biçim alabilen bir ısı banyosuna veya yüksek sıcaklıklı bir ısı kaynağına ihtiyaç duyar (örneğin, bir nükleer reaktör, bir nükleer santraldeki ısı kaynağıdır, ancak çoğu durumda yanan yakıt ısı olarak kullanılır. kaynak). Ek olarak, düşük sıcaklıkta bir soğuk rezervuarın yanı sıra, ısı uygulandığında genleşen genellikle gaz olan motorun kendisi olmalıdır.

Motor, sıcak rezervuardan ısıyı emer ve genişler ve bu genleşme süreci, genellikle bir pistonla kullanılabilir bir forma dönüştürülen çevre üzerinde çalışan şeydir. Sistem daha sonra ısı enerjisini soğuk rezervuara geri verir ve ilk durumuna geri döner. İşlem daha sonra sürekli olarak yararlı işler üretmek için döngüsel bir şekilde tekrar eder.

Termodinamik çevrimler veya motor çevrimleri, çoğu ısı motorunda ortak olan çevrimsel şekilde çalışan birçok özel termodinamik sistemi tanımlamanın genel bir yoludur. Termodinamik çevrimlerle çalışan bir ısı makinesinin en basit örneği, Carnot motoru veya Carnot çevrimine dayalı olarak çalışan bir motordur. Bu, özellikle adyabatik ve izotermal sıkıştırma ve genleşme olmak üzere yalnızca tersine çevrilebilir süreçleri içeren idealleştirilmiş bir ısı makinesi biçimidir.

Tüm içten yanmalı motorlar, bir piston üzerinde iş yapmak için yakıtın ateşlenmesini kullanan başka bir termodinamik çevrim türü olan Otto çevriminde çalışır. İlk aşamada, piston motora bir yakıt-hava karışımı çekmek için düşer, daha sonra ikinci aşamada adyabatik olarak sıkıştırılır ve üçüncü aşamada ateşlenir.

Egzoz valfi açılmadan önce adyabatik genleşme yoluyla piston üzerinde çalışan ve basınçta bir azalmaya yol açan hızlı bir sıcaklık ve basınç artışı vardır. Son olarak, harcanan gazları temizlemek ve motor çevrimini tamamlamak için piston yükselir.

Diğer bir ısı motoru türü, işlemin farklı aşamalarında iki farklı silindir arasında hareket eden sabit miktarda gaz içeren Stirling motorudur. İlk aşama, sıcaklığı yükseltmek ve faydalı iş sağlamak için bir pistonu hareket ettiren yüksek bir basınç üretmek için gazı ısıtmayı içerir.

Piston daha sonra tekrar yükselir ve gazı soğuk tarafından soğutulduğu ikinci bir silindire iter. yeniden sıkıştırılmadan önce rezervuar, öncekinden daha az iş gerektiren bir süreç sahne. Son olarak, gaz, Stirling motor döngüsünün tekrarlandığı orijinal odaya geri taşınır.

Bir ısı motorunun verimliliği, faydalı iş çıktısının ısı veya termal enerji girdisine oranıdır ve sonuç her zaman 0 ile 1 arasında bir değerdir, çünkü hem ısı enerjisi hem de iş çıktısı ölçüldüğü için birim yoktur. joule. Bunun anlamı, eğer birmükemmelısı motoru, 1 verimliliğine sahip olacak ve tüm ısı enerjisini kullanılabilir işe dönüştürecek ve yarısını dönüştürmeyi başarsaydı, verimlilik 0,5 olurdu. Temel bir biçimde, formül şu şekilde olabilir: yazılı:

Elbette, bir ısı motorunun veriminin 1 olması imkansızdır, çünkü termodinamiğin ikinci yasası, herhangi bir kapalı sistemin zamanla entropisinin artacağını belirtir. Bunu anlamak için kullanabileceğiniz kesin bir matematiksel entropi tanımı olmasına rağmen, bunu anlamanın en basit yolu Bir düşünün, herhangi bir süreçteki doğal verimsizlikler, genellikle atık şeklinde bir miktar enerji kaybına yol açar. sıcaklık. Örneğin, bir motorun pistonu, hareketine karşı çalışan bir miktar sürtünmeye sahip olacaktır; bu, sistemin ısıyı işe dönüştürme sürecinde enerji kaybedeceği anlamına gelir.

Bir ısı motorunun teorik maksimum verimine Carnot verimi denir. Bunun denklemi, sıcak rezervuarın sıcaklığı ile ilgilidir.T​_H ve soğuk rezervuarT​_C verimliliğe (η) motorun.

Cevabı yüzde olarak ifade etmek istiyorsanız bunun sonucunu 100 ile çarpabilirsiniz. olduğunu hatırlamak önemlidir.teorikmaksimum - gerçek dünyadaki herhangi bir motorun pratikte Carnot verimliliğine gerçekten yaklaşması pek olası değildir.

Unutulmaması gereken önemli nokta, sıcak rezervuar ile soğuk rezervuar arasındaki sıcaklık farkını artırarak ısı motorlarının verimliliğini en üst düzeye çıkarmanızdır. Bir otomobil motoru için,T​_H yandığında motor içindeki gazların sıcaklığıdır veT​_C motordan dışarı itildikleri sıcaklıktır.

Buhar motoru ve buhar türbinleri, bir ısı motorunun en iyi bilinen örneklerinden ikisidir ve buhar makinesinin icadı, sanayileşmede önemli bir tarihi olaydı. toplum. Bir buhar motoru, şimdiye kadar tartışılan diğer ısı motorlarına çok benzer bir şekilde çalışır: bir kazan suyu çevirir. bir piston içeren bir silindire gönderilen buhara dönüşür ve buharın yüksek basıncı, silindir.

Buhar, termal enerjinin bir kısmını silindire aktarır, bu süreçte soğur ve daha sonra piston tamamen dışarı itildiğinde, kalan buhar silindirden dışarı verilir. Bu noktada, piston orijinal konumuna geri döner (bazen buhar, diğer yöne doğru yönlendirilir). Böylece pistonu da geri itebilir) ve termodinamik çevrim daha fazla buharla yeniden başlar.

Bu nispeten basit tasarım, suyu kaynatabilen herhangi bir şeyden büyük miktarda faydalı iş üretilmesine izin verir. Bu tasarıma sahip bir ısı motorunun verimliliği, buharın sıcaklığı ile çevreleyen havanın sıcaklığı arasındaki farka bağlıdır. Bir buharlı lokomotif, bu süreçten elde edilen işi tekerlekleri döndürmek ve treni ilerletmek için kullanır.

Bir buhar türbini, pistonu hareket ettirmek yerine türbini döndürmek dışında çok benzer bir şekilde çalışır. Bu, buhar tarafından üretilen dönme hareketi nedeniyle elektrik üretmenin özellikle yararlı bir yoludur.

İçten yanmalı motor, benzinli motorlar için kullanılan buji ateşlemeli ve dizel motorlar için kullanılan sıkıştırma ateşlemeli, yukarıda açıklanan Otto çevrimine dayalı olarak çalışır. Bunlar arasındaki temel fark, yakıt-hava karışımının ateşlenmesi, yakıt-hava karışımının sıkıştırılması ve daha sonra yakıt-hava karışımının tutuşma şeklidir. Benzinli motorlarda fiziksel olarak tutuşur ve dizel motorlarda basınçlı havaya yakıt püskürtülür, bu da yakıtın alev almasına neden olur. sıcaklık.

Bunun dışında, Otto çevriminin geri kalanı daha önce anlatıldığı gibi tamamlanır: Yakıt motora çekilir (veya sadece hava dizel), sıkıştırılmış, ateşlenmiş (yakıt için bir kıvılcım ve dizel için sıcak, basınçlı havaya yakıt püskürterek), bu da kullanılabilir iş yapar adyabatik genleşme yoluyla piston üzerinde ve ardından basıncı azaltmak için egzoz valfi açılır ve piston dışarı iter kullanılmış gaz.

Isı pompaları, klimalar ve buzdolaplarının tümü de bir tür ısı döngüsü üzerinde çalışır, ancak ısı enerjisini tersinden ziyade hareket ettirmek için işi kullanma amaçları farklıdır. Örneğin, bir ısı pompasının ısıtma çevriminde, soğutucu akışkan, düşük sıcaklığı nedeniyle (ısıher zamansıcaktan soğuğa doğru akar) ve daha sonra basıncını ve dolayısıyla sıcaklığını yükseltmek için bir kompresörden itilir.

Bu daha sıcak hava daha sonra, aynı işlemin odaya ısı aktardığı, ısıtılacak odanın yakınındaki kondansatöre taşınır. Son olarak, soğutucu akışkan, basıncı ve dolayısıyla sıcaklığı düşüren bir valfe taşınır ve başka bir ısıtma döngüsü için hazır hale gelir.

Soğutma çevriminde (bir klima ünitesinde veya bir buzdolabında olduğu gibi) süreç esasen tersine işler. Soğutucu, belirli bir sıcaklıkta tutulduğu için odadaki (veya buzdolabının içindeki) ısı enerjisini emer. soğuk sıcaklık ve ardından basıncı artırmak için kompresörden itilir ve sıcaklık.

Bu noktada, ısı enerjisinin daha soğuk dış havaya (veya çevreleyen odaya) aktarıldığı odanın dışına (veya buzdolabının arkasına) doğru hareket eder. Soğutucu akışkan daha sonra basıncı ve sıcaklığı düşürmek için valften gönderilir ve başka bir ısıtma döngüsü için okunur.

Bu işlemlerin amacı motor örneklerinin tam tersi olduğundan, bir ısı pompasının veya buzdolabının verimliliği ifadesi de farklıdır. Bu, form olarak oldukça öngörülebilir olsa da. Isıtma için:

Ve soğutma için:

NeredeSterimler, odaya taşınan (H alt simgesiyle) ve odanın dışına taşınan (C alt simgesiyle) ısı enerjisi içindir veW​_içinde sisteme elektrik biçimindeki iş girdisidir. Yine, bu değer 0 ile 1 arasında boyutsuz bir sayıdır, ancak isterseniz bir yüzde almak için sonucu 100 ile çarpabilirsiniz.

İster nükleer reaktör kullanarak ister yakıt yakarak ısı üretsinler, elektrik santralleri veya enerji santralleri gerçekten de ısı motorunun başka bir şeklidir. Isı kaynağı türbinleri hareket ettirmek ve böylece mekanik iş yapmak için kullanılır, genellikle yukarıda açıklanan şekilde elektrik üreten bir buhar türbinini döndürmek için ısıtılmış sudan gelen buharı kullanır. Kullanılan kesin ısı döngüsü enerji santralleri arasında değişebilir, ancak Rankine döngüsü yaygın olarak kullanılır.

Rankine çevrimi, ısı kaynağının suyun sıcaklığını yükseltmesiyle başlar, ardından su buharının bir türbin, ardından yoğuşturucudaki yoğuşma (işlemde atık ısıyı serbest bırakır), soğutulmuş su bir yere gitmeden önce pompa. Pompa suyun basıncını arttırır ve daha fazla ısıtma için hazırlar.