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

Målet med varje värmemotor är att omvandla värmeenergi till användbar fungerar, och det finns många olika tillvägagångssätt som 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 beror på adiabatiska och isotermiska steg. 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.
Vad är en värmemotor?

En värmemotor är ett termodynamiskt system som konverterar värma energi till mekanisk energi. Även om många olika konstruktioner faller under denna allmänna rubrik, finns flera baskomponenter i nästan alla värmemotorer.

Varje värmemotor behöver ett värmebad eller en högtemperatur värmekälla, som kan ta många olika former ( till exempel är en kärnreaktor värmekällan i ett kärnkraftverk, men i många fall används brinnande bränsle som en värmekälla). Dessutom måste det finnas en kall temperaturbehållare med låg temperatur, såväl som själva motorn, som vanligtvis är gas som expanderar när värme appliceras.

Motorn tar upp värme från den heta behållaren och expanderar, och denna expansion processen är vad som fungerar på miljön, vanligtvis utnyttjas till en användbar form med en kolv. Systemet frigör sedan värmeenergi tillbaka till den kalla behållaren och återgår till sitt ursprungliga tillstånd. Processen upprepas sedan om och om igen på ett cykliskt sätt för att kontinuerligt generera användbart arbete.
typer av värmemotor.

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-motoren eller en motor som är baserad på Carnot-cykeln. Detta är en idealiserad form av värmemotor som endast involverar vändbara processer, särskilt adiabatisk och isotermisk kompression och expansion.

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

Det sker 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 reser kolven sig för att rensa de förbrukade gaserna 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 bearbeta. Det första steget handlar om att värma gasen för att höja temperaturen och producera ett högt tryck, vilket förflyttar en kolv för att ge användbart arbete.

Kolven stiger sedan tillbaka upp och skjuter gasen in i en andra cylinder, där den är kyls av den kalla behållaren innan den komprimeras igen, en process som kräver mindre arbete än vad som producerades i föregående steg. Slutligen flyttas gasen tillbaka till den ursprungliga kammaren, där Stirling-motorcykeln upprepas.
Effektivitet av värmemotorer |

Effektiviteten hos en värmemotor är förhållandet mellan användbar effekt och värme eller värmeenergi. ingång, och resultatet är alltid ett värde mellan 0 och 1, utan enheter eftersom både värmeenergi och arbetsutgång mäts i joule. Detta innebär att om du hade en perfekt
värmemotor skulle den ha en verkningsgrad på 1 och omvandla all värmeenergi till användbart arbete, och om det lyckades konvertera hälften av den skulle effektiviteten vara 0,5. I en grundform kan formeln skrivas:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Heat energy}}

Naturligtvis är det omöjligt för en värmemotor att har en effektivitet på 1, eftersom termodynamikens andra lag dikterar att alla slutna system kommer att öka i entropin med tiden. Även om det finns en exakt matematisk definition av entropi som du kan använda för att förstå detta, är det enklaste sättet att tänka på det att inneboende ineffektivitet i alla processer leder till en viss förlust av energi, vanligtvis i form av spillvärme. Till exempel kommer en motorkolv utan tvekan att ha en viss friktion som motverkar sin rörelse, vilket innebär att systemet kommer att förlora energi i processen att omvandla värmen till arbete.

En värmemotors teoretiska maximala effektivitet kallas den Carnot effektivitet. Ekvationen för detta hänför temperaturen hos den heta behållaren T
_{H och kallbehållaren T
C till effektiviteten ( η
) hos motor.
η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

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

Det viktiga att notera är att du maximerar effektivitet hos värmemotorer genom att öka skillnaden i temperatur mellan den heta behållaren och den kalla behållaren. För en bilmotor är T
_{H temperaturen på gaserna inuti motorn vid förbränning, och T
C är temperaturen vid vilken de skjuts ut ur motorn.
Exempel på verkliga världen - Ångmotor}

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 samhället. En ångmotor fungerar på ett mycket lika sätt som de andra värmemotorerna som diskuterats hittills: en panna förvandlar vatten till ånga, som skickas in i en cylinder som innehåller en kolv, och ångans höga tryck förflyttar cylindern.

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

Denna relativt enkla konstruktion gör att en stor mängd användbart arbete kan produceras av allt som kan koka vatten. Effektiviteten hos en värmemotor med denna design beror på skillnaden mellan ångtemperaturen och den omgivande luften. En ånglokomotiv använder det arbete 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 den rotationsrörelse som genereras av ångan.
Real World Exemplar - Förbränningsmotor

Förbränningsmotorn fungerar baserat på den ovan beskrivna Otto-cykeln, med gnista tändning som används för bensinmotorer och kompressionständning som används för dieselmotorer. Huvudskillnaden mellan dessa är hur bränsle-luftblandningen antänds, med bränsle-luftblandningen komprimeras och sedan antändas fysiskt i bensinmotorerna och bränsle som sprutas i tryckluft i dieselmotorer, vilket får den att antändas från temperaturen .

Bortsett från detta avslutas resten av Otto-cykeln som beskrivits tidigare: Bränsle dras in i motorn (eller bara luft för diesel), komprimeras, tänds (med en gnista för bränsle och sprutar in bränsle i den heta, komprimerade luften för diesel), som gör användbart arbete på kolven genom adiabatisk expansion, och sedan öppnar avgasventilen för att minska trycket, och kolven skjuter ut den använda gasen.
Real World Exemplar - Värmepumpar, Luftkonditioneringsapparater och kylskåp -

Värmepumpar, luftkonditioneringsapparater och kylskåp fungerar alla även på en form av värmecykel, även om de har ett annat mål att använda arbete för att flytta värmeenergi runt snarare än omvänd. Till exempel, i värmepumpen för en värmepump, absorberar kylmediet värme från utomhusluften på grund av dess lägre temperatur (eftersom värme alltid flyter från varmt till kallt) och skjuts sedan genom en kompressor till höja trycket och därmed temperaturen.

Denna varmare luft flyttas sedan till kondensorn, nära rummet som ska värmas, där samma process överför värme till rummet. Slutligen flyttas kylmediet in i en ventil som sänker trycket och därför temperaturen, redo för en annan uppvärmningscykel.

I kylcykeln (som i en luftkonditioneringsenhet eller ett kylskåp) går processen väsentligen baklänges. Kylmediet absorberar värmeenergi från rummet (eller inuti kylskåpet) eftersom det hålls vid en kall temperatur, och sedan skjuts det genom kompressorn för att öka trycket och temperaturen.

Vid denna tidpunkt flyttar den sig till utsidan av rummet (eller på baksidan av kylen), där värmeenergin överförs till den svalare utomhusluften (eller det omgivande rummet). Kylmediet skickas sedan genom ventilen för att sänka trycket och temperaturen under avläsning för en annan uppvärmningscykel.

Eftersom målet med dessa processer är motsatsen till motorns exempel, är uttrycket för en värmepumps effektivitet eller kylskåp är också annorlunda. Men detta är ganska förutsägbart i form. För uppvärmning:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

Och för kylning:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Där Q-termer är för värmeenergin som flyttas in i rummet (med H-subscriptet) och flyttas ut ur det (med C-subscriptet) och W
_{in är arbetsinmatningen i systemet i form av el. Återigen är detta värde ett måttfritt antal mellan 0 och 1, men du kan multiplicera resultatet med 100 för att få en procentsats om du föredrar.
Real World Exempel - Kraftverk eller kraftstationer}

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 vanligtvis.

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