Απόδοση θερμικής μηχανής

Η θερμική μηχανή είναι μια μηχανή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο. Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης, οι κινητήρες τζετ και οι ατμοστρόβιλοι είναι μερικά παραδείγματα κινητήρων θερμότητας. Η θερμότητα χρησιμοποιείται από όλους αυτούς τους κινητήρες για την παραγωγή χρήσιμου μηχανικού έργου. Σε αυτό το άρθρο, θα διερευνήσουμε την απόδοση του θερμικού κινητήρα και ερωτήσεις που σχετίζονται με την απόδοση του θερμικού κινητήρα σύμφωνα με σημειώσεις για την απόδοση του θερμικού κινητήρα.

Μια θερμική μηχανή

Κάθε εξοπλισμός ικανός να μετατρέπει την ενέργεια σε χρήσιμο έργο μπορεί να ονομαστεί θερμική μηχανή. Για παράδειγμα, με την καύση άνθρακα στον αέρα, απελευθερώνεται μέρος της χημικής του ενέργειας. Η θερμότητα που παράγεται κατά τη διαδικασία καύσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη θέρμανση του νερού σε ένα λέβητα και την τροφοδοσία ενός στροβίλου. Αυτό, με τη σειρά του, τροφοδοτεί μια γεννήτρια, η οποία παράγει ηλεκτρική ενέργεια.

Η μετατροπή της χημικής ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια είναι αναποτελεσματική. Καθώς η απορριπτόμενη θερμότητα απομακρύνεται από το σύστημα, υπάρχει απώλεια ενέργειας σε κάθε στάδιο.

Πώς λειτουργεί ένας θερμικός κινητήρας;

Για να μετατρέψει τη θερμότητα σε εργασία, ένας θερμικός κινητήρας χρησιμοποιεί μια λειτουργική ουσία, όπως νερό ή βενζίνη. Μόνο όταν η θερμότητα μετακινείται από τη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας στη δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας γίνεται διαθέσιμη μηχανική ενέργεια για μετατροπή σε χρήσιμη εργασία. Ωστόσο, επειδή μέρος της θερμότητας χάνεται στην κρύα δεξαμενή, δεν θα μετατραπεί όλη η εισερχόμενη θερμότητα σε χρήσιμη εργασία.

Μια λειτουργική ουσία, μια ζεστή δεξαμενή και μια κρύα δεξαμενή είναι τα τρία κύρια συστατικά ενός κινητήρα. Ο κινητήρας λειτουργεί λόγω της λειτουργικής ουσίας, η οποία μπορεί να είναι υγρό ή αέριο. Η θερμή δεξαμενή λαμβάνει εισροή θερμότητας, ενώ η ψυχρή δεξαμενή λαμβάνει θερμότητα εξόδου ή περίσσεια θερμότητας.

Τι είναι ένα διάγραμμα ΦΒ;

Τα διαγράμματα φωτοβολταϊκών είναι ένα κύριο εργαλείο οπτικοποίησης για τη μελέτη των θερμικών μηχανών. Επειδή οι κινητήρες συνήθως χρησιμοποιούν αέριο ως λειτουργική ουσία, ο νόμος του ιδανικού αερίου συνδέει το διάγραμμα ΦΒ με τη θερμοκρασία, επιτρέποντας στις τρεις βασικές μεταβλητές κατάστασης για το αέριο να παρακολουθούνται σε όλο τον κύκλο του κινητήρα. Επειδή η εργασία εκτελείται μόνο όταν αλλάζει ο όγκος του αερίου, το διάγραμμα παρέχει μια οπτική αναπαράσταση της εργασίας που εκτελείται.

Η εσωτερική ενέργεια ενός ιδανικού αερίου ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία, έτσι το διάγραμμα ΦΒ, μαζί με τις θερμοκρασίες που υπολογίζονται από τον νόμο του ιδανικού αερίου, διαπιστώνουν αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια του αερίου, επιτρέποντας τον προσδιορισμό της ποσότητας της θερμότητας που προστίθεται χρησιμοποιώντας τον πρώτο νόμο. της θερμοδυναμικής.

Απόδοση θερμικού κινητήρα 

Η απόδοση της θερμικής μηχανής ορίζεται ως ο λόγος της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής πηγής και του νεροχύτη προς τη θερμοκρασία της θερμής πηγής. Είναι επίσης γνωστό ως θερμική απόδοση της θερμικής μηχανής. Η συνολική απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι εφικτή εάν η διαφορά μεταξύ θερμών και κρύων δεξαμενών είναι η μεγαλύτερη. Δεν υπάρχει μονάδα για αποτελεσματικότητα.

Η θερμική απόδοση μιας θερμικής μηχανής μπορεί να διαφέρει από μια άλλη. Ας δούμε τις αξιόπιστες θερμικές μηχανές και την απόδοσή τους για να το καταλάβουμε καλύτερα.

Ακολουθούν οι αποδόσεις των διαφόρων θερμικών μηχανών: 

• Οι βενζινοκινητήρες στα αυτοκίνητα είναι σχεδόν 25% αποδοτικοί.
• Ομοίως, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής με καύση άνθρακα είναι μόνο 49% αποδοτικοί.

Ποια είναι η φόρμουλα απόδοσης θερμικής μηχανής;

Επειδή η απόδοση μιας θερμικής μηχανής είναι ένα κλάσμα της θερμότητας και της χρήσιμης εργασίας που παράγεται, μπορεί να εκφραστεί χρησιμοποιώντας έναν τύπο και ένα σύμβολο. Η απόδοση του τύπου θερμικής ενέργειας είναι:

n =WQ1

Σε αυτόν τον τύπο,

W =Έργο που γίνεται από τον κινητήρα

Q1 =Θερμότητα που προέρχεται από την πηγή

Μετά από κάθε κύκλο, ο θερμικός κινητήρας επιστρέφει στο αρχικό του στάδιο.

∆U =0

Από το σχήμα, μπορούμε να δούμε ότι:

W =Q1 – Q2

Έτσι, η απόδοση του θερμικού κινητήρα είναι 

n =Q1 – Q2/Q1

n =1 – Q2/Q1

Έτσι, για Q =0, η απόδοση θα είναι 100%, αλλά αυτό δεν είναι εφικτό γιατί θα υπάρξει κάποια απώλεια ενέργειας στο σύστημα. Ως αποτέλεσμα, κάθε κινητήρας έχει έναν περιορισμό απόδοσης. Ένας αναστρέψιμος κινητήρας, όπως ένας θερμικός κινητήρας Carnot, έχει την υψηλότερη απόδοση.

Τύποι θερμικών μηχανών 

Πολλοί τύποι θερμικών μηχανών λειτουργούν σε τύπους απόδοσης θερμικής μηχανής. Μερικά από αυτά παρατίθενται παρακάτω:

Ατμομηχανή

Οι ατμομηχανές λειτουργούν με ατμό που παράγεται από την καύση άνθρακα, πετρελαίου ή αερίου. Ο παραγόμενος ατμός εισέρχεται στη βαλβίδα εισαγωγής, επιτρέποντας στο έμβολο στον κινητήρα να κινηθεί. Η κίνηση του κινητήρα δημιουργεί χρήσιμο μηχανικό έργο. Τα αέρια απελευθερώνονται από τη βαλβίδα εξαγωγής καθώς το έμβολο επιστρέφει στην αρχική του θέση. Μετά από αυτό, ψύχεται στη δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας και το νερό μπορεί να επαναχρησιμοποιηθεί και να θερμανθεί ξανά για να ξεκινήσει ο επόμενος κύκλος.

Μηχανή εσωτερικής καύσης

Αυτοί οι κινητήρες είναι οι πιο ευρέως χρησιμοποιούμενοι. Τα τέσσερα βήματα ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης απεικονίζονται στο διάγραμμα. Το μείγμα αερίου-αέρα τείνει να ρέει στη βαλβίδα εισαγωγής καθώς το έμβολο κατεβαίνει. Καθώς το έμβολο κινείται προς τα πάνω, το μείγμα συμπιέζεται. Το μπουζί ανάβει τον πεπιεσμένο αέρα, προκαλώντας τη γρήγορη θέρμανση του αερίου. Στη συνέχεια, το αέριο διαστέλλεται, προκαλώντας το έμβολο να κινηθεί προς τα κάτω. Τα καμένα αέρια πιέζονται έξω από τη βαλβίδα εξαγωγής καθώς αυτή ανεβαίνει ξανά. Καθώς μια νέα παρτίδα μείγματος αερίου-αέρα εισέρχεται στον κύλινδρο, ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Συμπέρασμα

Οι θερμικές μηχανές είναι συσκευές που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια σε μηχανική. Αυτοί οι κινητήρες λειτουργούν με απόδοση περίπου 30%-50%. Αυτό το άρθρο εξηγεί την απόδοση του θερμικού κινητήρα σύμφωνα με τις σημειώσεις απόδοσης του κινητήρα θερμότητας.