Varmemotor: Definition, typer og eksempler

Varmemotorer er alt omkring dig. Fra bilen kører du til køleskabet, der holder din mad kølig til dit hus varme- og kølesystemer, de fungerer alle baseret på de samme nøgleprincipper.

Målet med enhver varmemotor er at konvertere varmeenergi til nyttig arbejde, og der er mange forskellige tilgange, du kan bruge til at gøre dette. En af de enkleste former for varmemotor er Carnot-motoren, opkaldt efter den franske fysiker Nicolas Leonard Sadi Carnot, bygget omkring en idealiseret firetrinsproces, der afhænger af adiabatiske og isotermiske faser.

Men Carnot-motoren er bare et eksempel på en varmemotor, og mange andre typer opnår det samme grundlæggende mål. At lære om, hvordan varmemotorer fungerer, og hvordan man gør ting som at beregne en varmemotors effektivitet er vigtigt for alle, der studerer termodynamik.
Hvad er en varmemotor?

En varmemotor er et termodynamisk system, der konverterer opvarm energi til mekanisk energi. Selvom mange forskellige design falder ind under denne generelle overskrift, findes flere grundlæggende komponenter i stort set enhver varmemotor.

Enhver varmemotor har brug for et varmebad eller en varmekilde med høj temperatur, der kan antage mange forskellige former ( for eksempel er en atomreaktor varmekilden i et atomkraftværk, men i mange tilfælde bruges brændende brændstof som varmekilde). Derudover skal der være et koldt reservoir med lav temperatur, såvel som selve motoren, som normalt er gas, der ekspanderer, når der påføres varme.

Motoren absorberer varme fra det varme reservoir og ekspanderer, og denne ekspansion proces er det, der fungerer på miljøet, som normalt udnyttes til en anvendelig form med et stempel. Systemet frigiver derefter varmeenergi tilbage i det kolde reservoir og vender tilbage til dets oprindelige tilstand. Processen gentages derefter igen og igen på en cyklisk måde for kontinuerligt at generere nyttigt arbejde.
Typer af varmemotorer

Termodynamiske cykler eller motorcykler er en generisk måde at beskrive mange specifikke termodynamiske systemer, der fungerer på cyklisk måde, der er fælles for de fleste varmemotorer. Det enkleste eksempel på en varmemotor, der arbejder med termodynamiske cykler, er Carnot-motoren eller en motor, der er baseret på Carnot-cyklussen. Dette er en idealiseret form af varmemotor, der kun involverer reversible processer, især adiabatisk og isotermisk kompression og ekspansion.

Alle forbrændingsmotorer kører på Otto-cyklen, som er en anden type termodynamisk cyklus, der bruger antændelsen brændstof til at arbejde på et stempel. I det første trin falder stemplet for at trække en brændstof-luftblanding ind i motoren, som derefter komprimeres adiabatisk i det andet trin og antændes i det tredje.

Der er en hurtig stigning i temperatur og tryk, der fungerer på stemplet gennem adiabatisk ekspansion, før udstødningsventilen åbner, hvilket fører til en reduktion i trykket. Endelig stiger stempelet for at fjerne de forbrugte gasser og afslutte motorcyklussen.

En anden type varmemotor er Stirling-motoren, der indeholder en fast mængde gas, der bevæger sig mellem to forskellige cylindre i forskellige trin i behandle. Det første trin involverer opvarmning af gassen for at hæve temperaturen og producere et højt tryk, der bevæger et stempel for at give nyttigt arbejde.

Stemplet stiger derefter op igen og skubber gassen ind i en anden cylinder, hvor det er afkølet af det kolde reservoir, før det komprimeres igen, en proces, der kræver mindre arbejde, end der blev produceret i det foregående trin. Endelig flyttes gassen tilbage i det originale kammer, hvor Stirling-motorcyklussen gentages.
Effektivitet af varmemotorer

En varmemotors effektivitet er forholdet mellem nyttigt arbejde og varme eller termisk energi. input, og resultatet er altid en værdi mellem 0 og 1 uden enheder, fordi både varmeenergi og arbejdseffekt måles i joule. Dette betyder, at hvis du havde en perfekt
varmemotor, ville den have en virkningsgrad på 1 og konvertere al varmeenergien til brugbart arbejde, og hvis det lykkedes at konvertere halvdelen af den, ville effektiviteten være 0,5. I en grundlæggende form kan formlen skrives:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Heat energy}}

Selvfølgelig er det umuligt for en varmemaskine at har en effektivitet på 1, fordi termodynamikens anden lov dikterer, at ethvert lukket system vil stige i entropi over tid. Selvom der er en nøjagtig matematisk definition af entropi, som du kan bruge til at forstå dette, er den enkleste måde at tænke over det, at iboende ineffektivitet i enhver proces fører til et vist tab af energi, normalt i form af spildvarme. For eksempel vil en motors stempel utvivlsomt have en vis friktion, der virker mod dens bevægelse, hvilket betyder, at systemet mister energi i processen med at omdanne varmen til arbejde.

En varmemotors teoretiske maksimale effektivitet kaldes Carnot effektivitet. Ligningen for dette angår temperaturen i det varme reservoir T
_{H og det kolde reservoir T
C til effektiviteten ( η
) af motor.
η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

Du kan multiplicere resultatet af dette med 100, hvis du vil udtrykke svaret i procent. Det er vigtigt at huske, at dette er det teoretiske og maksimale - det er usandsynligt, at en virkelig verden kommer til at nærme sig Carnot-effektiviteten i praksis.

Det vigtige at bemærke er, at du maksimerer effektivitet af varmemotorer ved at øge forskellen i temperatur mellem det varme reservoir og det kolde reservoir. For en bilmotor er T
_{H temperaturen på gasserne inde i motoren, når de forbrændes, og T
C er temperaturen, ved hvilken de skubbes ud af motoren.
Eksempler på virkelige verden - Dampmotor}

Dampmaskinen og dampturbinerne er to af de mest kendte eksempler på en varmemotor, og opfindelsen af dampmaskinen var en vigtig historisk begivenhed i industrialiseringen af samfundet. En dampmotor fungerer på en meget lignende måde som de andre hidtil diskuterede varmemotorer: en kedel forvandler vand til damp, der sendes ind i en cylinder, der indeholder et stempel, og dampens høje tryk bevæger cylinderen.

Dampen overfører noget af den termiske energi til cylinderen og bliver køligere under processen, og når stemplet derefter er skubbet helt ud, slippes den resterende damp ud af cylinderen. På dette tidspunkt vender stemplet tilbage til sin oprindelige position (undertiden føres dampen rundt til den anden side af stemplet, så det også kan skubbe det tilbage), og den termodynamiske cyklus starter igen med mere damp.

Dette relativt enkle design gør det muligt at fremstille en stor mængde nyttigt arbejde fra alt, hvad der er i stand til at kogende vand. Effektiviteten af en varmemotor med dette design afhænger af forskellen mellem temperaturen på dampen og temperaturen i den omgivende luft. En damplokomotiv bruger det arbejde, der er oprettet fra denne proces, til at dreje hjul og drive toget.

En dampturbine fungerer på en meget lignende måde, bortset fra at arbejdet går i at dreje en turbin i stedet for at flytte et stempel. Dette er en særlig nyttig måde at generere elektricitet på grund af den roterende bevægelse, der genereres af dampen.
Eksempler på virkelige verden - Forbrændingsmotor

Forbrændingsmotoren fungerer baseret på den ovenfor beskrevne Otto-cyklus, med gnist tænding brugt til benzinmotorer og kompressionstænding brugt til dieselmotorer. Den største forskel mellem disse er den måde, hvor brændstof-luftblandingen antændes, hvor brændstof-luftblandingen komprimeres og derefter fysisk antændes i benzinmotorerne og brændstof, der sprøjtes i trykluft i dieselmotorer, hvilket får den til at antænde fra temperaturen .

Bortset fra dette afsluttes resten af Otto-cyklussen som beskrevet tidligere: Brændstof trækkes ind i motoren (eller bare luft til diesel), komprimeres, antændes (med en gnist til brændstof og sprøjtning af brændstof i den varme, komprimerede luft til diesel), der udnytter anvendeligt arbejde på stemplet gennem adiabatisk ekspansion, og derefter åbner udstødningsventilen for at reducere trykket, og stemplet skubber den brugte gas ud.
Real World Eksempler - Varmepumper, Klimaanlæg og køleskabe -

Varmepumper, klimaanlæg og køleskabe fungerer alle også på en form for varmecyklus, skønt de har det forskellige mål at bruge arbejde til at flytte varmeenergien rundt snarere end omvendt. For eksempel absorberer kølemediet i varmeprocessen i en varmepumpe varme fra udeluften på grund af dens lavere temperatur (da varme altid flyder fra varmt til koldt) og skubbes derefter gennem en kompressor til hæv dens tryk og derfor temperaturen.

Denne varmere luft flyttes derefter til kondensatoren, nær det rum, der skal opvarmes, hvor den samme proces overfører varme til rummet. Endelig føres kølemediet igennem i en ventil, der sænker trykket og derfor temperaturen, klar til endnu en opvarmningscyklus.

I køleperioden (som i en klimaanlæg eller et køleskab) kører processen i det væsentlige i bakgear. Kølemediet absorberer varmeenergi fra rummet (eller inde i køleskabet), fordi det holdes ved en kold temperatur, og derefter skubbes det gennem kompressoren for at øge trykket og temperaturen.

På dette tidspunkt bevæger det sig rundt til ydersiden af rummet (eller på bagsiden af køleskabet), hvor varmeenergien overføres til den køligere udendørs luft (eller det omkringliggende rum). Kølemediet sendes derefter gennem ventilen for at sænke trykket og temperaturen under aflæsning i en anden opvarmningscyklus.

Da målet med disse processer er det modsatte af motoreksemplerne, er udtrykket for effektiviteten af en varmepumpe eller køleskab er også anderledes. Dette er dog ganske forudsigeligt i form. Til opvarmning:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

Og til afkøling:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Hvor Q
-termer er for varmeenergien, der flyttes ind i rummet (med H-underskriften) og flyttes ud af det (med C-underskriften), og W
_{i er arbejdsinput i systemet i form af elektricitet. Igen er denne værdi et dimensionsløst tal mellem 0 og 1, men du kan multiplicere resultatet med 100 for at få en procentdel, hvis du foretrækker det. kraftværker er virkelig bare en anden form for varmemotor, hvad enten de skaber varme ved hjælp af en atomreaktor eller ved at brænde brændstof. Varmekilden bruges til at flytte turbiner og derved udføre mekanisk arbejde, ofte ved at bruge damp fra opvarmet vand til at spin en dampturbine, der genererer elektricitet på den ovenfor beskrevne måde. Den nøjagtige anvendte varmecyklus kan variere mellem kraftværker, men Rankine-cyklus bruges ofte.}

Rankine-cyklus starter med, at varmekilden hæver vandets temperatur og derefter udvidelsen af vanddamp i en turbin, efterfulgt af kondensation i kondensatoren (frigørelse af spildvarme i processen), før det afkølede vand går til en pumpe. Pumpen øger vandtrykket og forbereder det til yderligere opvarmning.