Θερμική μηχανή

Στη μηχανική και τη θερμοδυναμική, μια μηχανή θερμότητας μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο χρησιμοποιώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ μιας θερμής "πηγής" και μιας ψυχρής "απορροφητήρα". Η θερμότητα μεταφέρεται από την πηγή, μέσω του "εργαζόμενου σώματος" της μηχανής, στην "απορροφητήρα" και κατά τη διαδικασία αυτή μέρος της θερμότητας μετατρέπεται σε έργο χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του αερίου ή του υγρού στο εσωτερικό της μηχανής.

Υπάρχουν πολλά είδη θερμικών μηχανών. Κάθε μία έχει έναν θερμοδυναμικό κύκλο. Οι θερμικές μηχανές συχνά ονομάζονται με βάση τον θερμοδυναμικό κύκλο που χρησιμοποιούν, όπως ο κύκλος Carnot. Συχνά παίρνουν καθημερινές ονομασίες, όπως βενζινομηχανές/βενζινομηχανές, στροβιλομηχανές ή ατμομηχανές.

Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης παράγουν θερμότητα μέσα στον ίδιο τον κινητήρα. Άλλοι κινητήρες θερμότητας μπορούν να απορροφήσουν θερμότητα από μια εξωτερική πηγή. Οι μηχανές θερμότητας μπορεί να είναι ανοικτές στον αέρα ή σφραγισμένες και κλειστές προς τα έξω (αυτό ονομάζεται ανοικτός ή κλειστός κύκλος).

Σχήμα 1: Διάγραμμα θερμικής μηχανής. Το ΤH είναι η πηγή θερμότητας και το ΤC η ψυχρή απορρόφηση. QH είναι η θερμότητα που ρέει στον κινητήρα. QC είναι η απορριπτόμενη θερμότητα που πηγαίνει στην ψυχρή απορροφητήρα. W είναι το ωφέλιμο έργο που εξέρχεται από τον κινητήρα.Zoom
Σχήμα 1: Διάγραμμα θερμικής μηχανής. Το ΤH είναι η πηγή θερμότητας και το ΤC η ψυχρή απορρόφηση. QH είναι η θερμότητα που ρέει στον κινητήρα. QC είναι η απορριπτόμενη θερμότητα που πηγαίνει στην ψυχρή απορροφητήρα. W είναι το ωφέλιμο έργο που εξέρχεται από τον κινητήρα.

Επισκόπηση

Όταν οι επιστήμονες μελετούν τις θερμικές μηχανές, βρίσκουν ιδέες για μηχανές που δεν μπορούν να κατασκευαστούν. Αυτές ονομάζονται ιδανικές μηχανές ή κύκλοι. Οι πραγματικές μηχανές θερμότητας συχνά συγχέονται με τις ιδανικές μηχανές ή κύκλους που προσπαθούν να μιμηθούν.

Συνήθως, όταν περιγράφεται η φυσική συσκευή, χρησιμοποιείται ο όρος "κινητήρας". Όταν περιγράφεται το ιδανικό χρησιμοποιείται ο όρος "κύκλος".

Θα μπορούσαμε να πούμε ότι ο θερμοδυναμικός κύκλος είναι η ιδανική περίπτωση του μηχανικού κινητήρα. Εξίσου θα µπορούσε κανείς να πει ότι το µοντέλο δεν ταιριάζει απόλυτα µε τον µηχανικό κινητήρα. Ωστόσο, πολλά οφέλη προκύπτουν από τα απλουστευμένα μοντέλα και τις ιδανικές περιπτώσεις που μπορεί να αντιπροσωπεύουν.

Σε γενικές γραμμές, όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της θερμής πηγής και της ψυχρής απορρόφησης, τόσο πιο αποδοτικός είναι ο κύκλος ή ο κινητήρας. Στη Γη, η ψυχρή πλευρά οποιασδήποτε θερμικής μηχανής περιορίζεται στη θερμοκρασία του αέρα του τόπου όπου βρίσκεται η μηχανή.

Οι περισσότερες προσπάθειες για τη βελτίωση της απόδοσης των μηχανών θερμότητας αποσκοπούν στην αύξηση της θερμοκρασίας της πηγής θερμότητας, αλλά σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες το μέταλλο της μηχανής αρχίζει να μαλακώνει.

Η αποδοτικότητα των διαφόρων μηχανών θερμότητας που προτείνονται ή χρησιμοποιούνται σήμερα κυμαίνεται από 3% (97% απορριπτόμενη θερμότητα) για την πρόταση ωκεάνιας ενέργειας OTEC έως 25% για τους περισσότερους κινητήρες αυτοκινήτων, έως 45% για μια υπερκρίσιμη μονάδα άνθρακα, έως περίπου 60% για έναν ατμοψυχόμενο αεριοστρόβιλο συνδυασμένου κύκλου. Όλες αυτές οι διεργασίες αποκτούν την αποδοτικότητά τους (ή την έλλειψή της) λόγω της πτώσης της θερμοκρασίας σε αυτές.

Η λιγότερο αποδοτική, η OTEC, χρησιμοποιεί τη διαφορά θερμοκρασίας του ωκεάνιου νερού στην επιφάνεια και του ωκεάνιου νερού από τα βάθη, μια μικρή διαφορά ίσως 25 βαθμών Κελσίου, και έτσι η απόδοση πρέπει να είναι χαμηλή.

Ο πιο αποδοτικός, ο αεριοστρόβιλος συνδυασμένου κύκλου καίει φυσικό αέριο για να θερμάνει τον αέρα σε σχεδόν 1530 βαθμούς Κελσίου, μια μεγάλη διαφορά θερμοκρασίας 1500 βαθμών Κελσίου, και έτσι η απόδοση μπορεί να είναι πολύ μεγάλη όταν προστεθεί ο κύκλος ψύξης με ατμό.

Καθημερινά παραδείγματα

Οι άνθρωποι χρησιμοποιούν κυρίως μηχανές θερμότητας όπου η θερμότητα προέρχεται από μια φωτιά που διαστέλλει ένα εργαζόμενο ρευστό (συνήθως είτε νερό είτε αέρα) και η απαγωγή θερμότητας είναι είτε ένα σώμα νερού είτε η ατμόσφαιρα, όπως σε έναν πύργο ψύξης.

Στις γνωστές μηχανές που χρησιμοποιούν τη διαστολή θερμαινόμενων αερίων περιλαμβάνονται: η ατμομηχανή, ο κινητήρας ντίζελ και ο βενζινοκινητήρας ενός αυτοκινήτου.

Ο κινητήρας Stirling είναι πολύ πιο σπάνιος, αλλά συναντάται σε μικρά μοντέλα που μπορούν να λειτουργήσουν με τη θερμότητα ενός χεριού.

Ένα είδος θερμικής μηχανής παιχνιδιού είναι το πουλί που πίνει.

Η διμεταλλική ταινία είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη θερμοκρασία σε μηχανική κίνηση και χρησιμοποιείται στους θερμοστάτες για τον έλεγχο της θερμοκρασίας. Πρόκειται για μια θερμική μηχανή που δεν χρησιμοποιεί υγρό ή αέριο.

Σχετικές σελίδες

  • Αντλία θερμότητας

Ερωτήσεις και απαντήσεις

Ερ: Τι είναι η θερμική μηχανή στη μηχανική και τη θερμοδυναμική;



A: Μια θερμική μηχανή είναι μια συσκευή που μετατρέπει τη θερμική ενέργεια σε μηχανικό έργο χρησιμοποιώντας τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ μιας θερμής "πηγής" και μιας ψυχρής "απορροφητήρα".

Ερ: Πώς λειτουργεί μια θερμική μηχανή;



Α: Η θερμότητα μεταφέρεται από την πηγή μέσω του εργαζόμενου σώματος της μηχανής στην καταβόθρα και κατά τη διαδικασία αυτή, μέρος της θερμότητας μετατρέπεται σε έργο χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες του αερίου ή του υγρού στο εσωτερικό της μηχανής.

Ερ: Ποιοι είναι οι θερμοδυναμικοί κύκλοι που σχετίζονται με τις μηχανές θερμότητας;



Α: Υπάρχουν πολλά είδη μηχανών θερμότητας, η καθεμία με συγκεκριμένο θερμοδυναμικό κύκλο. Ονομάζονται από τον θερμοδυναμικό κύκλο που χρησιμοποιούν, όπως ο κύκλος Carnot.

Ερ: Ποια είναι μερικά παραδείγματα θερμικών μηχανών που έχουν πάρει το όνομά τους από καθημερινά αντικείμενα;



Α: Ορισμένα παραδείγματα μηχανών θερμότητας που έχουν πάρει το όνομά τους από καθημερινά αντικείμενα περιλαμβάνουν τις βενζινομηχανές/μηχανές βενζίνης, τις μηχανές στροβίλου και τις ατμομηχανές.

Ερ: Πώς παράγουν θερμότητα οι μηχανές εσωτερικής καύσης;



Α: Οι κινητήρες εσωτερικής καύσης παράγουν θερμότητα μέσα στον ίδιο τον κινητήρα.

Ερ: Μπορούν οι μηχανές θερμότητας να είναι ανοικτές στον αέρα;



Α: Ναι, οι μηχανές θερμότητας μπορούν να είναι ανοικτές στον αέρα ή σφραγισμένες και κλειστές προς τα έξω. Αυτό ονομάζεται ανοικτός ή κλειστός κύκλος.

Ερ: Όλες οι μηχανές θερμότητας απορροφούν θερμότητα από εξωτερική πηγή;



Α: Όχι, ενώ ορισμένες μηχανές θερμότητας μπορεί να απορροφούν θερμότητα από εξωτερική πηγή, άλλες μπορούν να παράγουν θερμότητα μέσα στην ίδια τη μηχανή.

AlegsaOnline.com - 2020 / 2023 - License CC3