Θερμομηχανή

Ένας θερμικός κινητήρας λειτουργεί χρησιμοποιώντας την ενέργεια που παρέχεται με τη μορφή θερμότητας και στη συνέχεια εξαντλεί τη θερμότητα που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασία. Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ θερμότητας και εργασίας είναι γνωστή ως θερμοδυναμική. Η λειτουργία μιας θερμικής μηχανής περιορίζεται από τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος εφαρμόζει την εξοικονόμηση ενέργειας στο σύστημα, ενώ ο δεύτερος περιορίζει την πιθανή απόδοση του μηχανήματος και καθορίζει την κατεύθυνση της ροής ενέργειας.

Τα διαγράμματα ΦΒ (Πίεση-Όγκος) είναι ένα κοινό εργαλείο οπτικοποίησης που χρησιμοποιείται για την εξέταση των θερμικών μηχανών. Επειδή το αέριο χρησιμοποιείται συνήθως ως λειτουργικό συστατικό στους κινητήρες, ο νόμος του ιδανικού αερίου συνδέει το διάγραμμα ΦΒ με τη θερμοκρασία, επιτρέποντας στις τρεις θεμελιώδεις μεταβλητές κατάστασης για το αέριο να παρακολουθούνται σε όλο τον κύκλο του κινητήρα. Επειδή η εργασία γίνεται μόνο όταν αλλάζει ο όγκος του αερίου, το διάγραμμα απεικονίζει την εργασία που εκτελείται. Αφού η εσωτερική ενέργεια είναι περιορισμένη. Το διάγραμμα ΦΒ, σε συνδυασμό με τις θερμοκρασίες που λαμβάνονται από τον νόμο του ιδανικού αερίου, καθορίζει τις αλλαγές στην εσωτερική ενέργεια του αερίου, επιτρέποντας τη χρήση του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου για τον υπολογισμό της ποσότητας θερμότητας που προστίθεται. Συμπερασματικά, το διάγραμμα ΦΒ χρησιμεύει ως βάση για την ανάλυση οποιασδήποτε θερμικής μηχανής που χρησιμοποιεί ένα αέριο ως λειτουργικό συστατικό.

Ένα διάγραμμα ΦΒ κλειστού βρόχου θα χρησιμοποιηθεί για μια κυκλική θερμική μηχανή. Η ποσότητα της εργασίας που γίνεται σε έναν κύκλο αντιπροσωπεύεται από την περιοχή μέσα στον βρόχο. Συγκρίνοντας το διάγραμμα ενός κύκλου φωτοβολταϊκού κινητήρα με αυτό ενός κύκλου Carnot, του πιο αποδοτικού τύπου κύκλου θερμικής μηχανής, μπορεί κανείς να καταλάβει τη σχετική του απόδοση.

Διάγραμμα θερμικής μηχανής

Ένας θερμικός κινητήρας λειτουργεί χρησιμοποιώντας την ενέργεια που παρέχεται με τη μορφή θερμότητας και στη συνέχεια εξαντλεί τη θερμότητα που δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί για εργασία. Η μελέτη των αλληλεπιδράσεων μεταξύ θερμότητας και εργασίας είναι γνωστή ως θερμοδυναμική. Η λειτουργία μιας θερμικής μηχανής περιορίζεται από τον πρώτο και τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Ο πρώτος νόμος εφαρμόζει την εξοικονόμηση ενέργειας στο σύστημα, ενώ ο δεύτερος περιορίζει την πιθανή απόδοση του μηχανήματος και καθορίζει την κατεύθυνση της ροής ενέργειας.

Μοντέλο ενεργειακής δεξαμενής

Το μοντέλο ενεργειακής δεξαμενής είναι ένας από τους πιο συνηθισμένους τρόπους απεικόνισης μιας θερμικής μηχανής. Ο κινητήρας απορροφά ενέργεια από μια καυτή δεξαμενή και χρησιμοποιεί λίγη από αυτήν για να ολοκληρώσει την εργασία, αλλά αναγκάζεται να εξαντλήσει λίγη από αυτήν σε μια δροσερή δεξαμενή σύμφωνα με τον δεύτερο νόμο της θερμοδυναμικής. Η ζεστή δεξαμενή σε έναν κινητήρα αυτοκινήτου είναι το καύσιμο που καίγεται, ενώ η ψυχρή δεξαμενή είναι η ατμόσφαιρα στην οποία απελευθερώνονται τα προϊόντα καύσης.

Αποτελεσματικότητα

Αν και η έκφραση της απόδοσης είναι ευρεία, η υψηλότερη απόδοση περιορίζεται στον κύκλο Carnot. Η θερμική συμφόρηση είναι ένας όρος που χρησιμοποιείται για να περιγράψει αυτό το πρόβλημα.

Χρήσεις θερμικής μηχανής

1.Η θερμική μηχανή της Γης

Κατά τη μεταφορά θερμότητας σε όλη την υδρόγειο, η ατμόσφαιρα και η υδρόσφαιρα της Γης είναι συζευγμένα συστήματα που εξομαλύνουν συνεχώς τις ανισορροπίες της ηλιακής θέρμανσης μέσω της εξάτμισης των επιφανειακών υδάτων, της μεταφοράς μεταφοράς, των βροχοπτώσεων, των ανέμων και της ωκεάνιας κυκλοφορίας.

2.Κύκλοι αλλαγής φάσης

Τα υγρά λειτουργίας σε αυτούς τους κύκλους και τους κινητήρες είναι αέρια και υγρά. Ο κινητήρας αλλάζει το ρευστό εργασίας από αέριο σε υγρό, υγρό σε αέριο ή και τα δύο και παράγει έργο διαστέλλοντας ή συμπιέζοντας το υγρό.

• Cycle of Rankine (κλασική ατμομηχανή)
• Κύκλος αναγέννησης (ατμομηχανή πιο αποτελεσματική από τον κύκλο Rankine)
• Κύκλος Rankine (οργανικός) (Φάση αλλαγής ψυκτικού σε εύρη θερμοκρασίας πάγου και ζεστού υγρού νερού)
• Κύκλος ατμού σε υγρό

3.Κύκλοι μόνο για αέριο

• Το υγρό λειτουργίας σε αυτούς τους κύκλους και τους κινητήρες είναι πάντα ένα αέριο.
• Cycle of Carnot (θερμική μηχανή Carnot)
• Κύκλος Stirling (Caloric Ship John Ericsson) Κύκλος Ericsson (Caloric Ship John Ericsson)

Συμπέρασμα

Μια θερμική μηχανή είναι ένα είδος κινητήρα (παρόμοιο με τον κινητήρα ενός αυτοκινήτου) που χρησιμοποιεί θερμότητα για να παράγει μακροσκοπική κίνηση. Η τριβή μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια (τη δράση των χεριών μας) σε θερμική ενέργεια όταν οι άνθρωποι τρίβουν τα χέρια τους μεταξύ τους (τα χέρια ζεσταίνονται). Οι θερμικές μηχανές, από την άλλη πλευρά, παίρνουν την ενέργεια που προέρχεται από το να είναι ζεστό (σε σύγκριση με το περιβάλλον) και τη μετατρέπουν σε κίνηση. Μια γεννήτρια χρησιμοποιείται συχνά για τη μετατροπή αυτής της κίνησης σε ηλεκτρική ενέργεια.

Οι θερμικές μηχανές παρέχουν σχεδόν όλη την ενέργεια που χρησιμοποιείται στις μεταφορές και την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Η θερμική ενέργεια των καυτών αντικειμένων, συμπεριλαμβανομένων των αερίων, μπορεί να μετατραπεί σε κάτι χρήσιμο. Οι θερμικές μηχανές μεταφέρουν ενέργεια από μια ζεστή σε μια δροσερή τοποθεσία και μετατρέπουν μέρος της σε μηχανική ενέργεια για να λειτουργήσουν, οι θερμικές μηχανές απαιτούν διαφορά θερμοκρασίας.