Home » Articole » RO » Știință » Fizica » Termodinamica » Motoare termice

Motoare termice

postat în: Termodinamica 0

În termodinamică, un motor termic este un sistem care convertește căldura sau energia termică – și energia chimică – în energie mecanică, care poate fi apoi utilizată pentru a produce lucru mecanic. Acest lucru se face prin aducerea unei substanțe de lucru de la o temperatură de stare mai mare la o temperatură de stare mai scăzută. O sursă de căldură generează energie termică care aduce substanța activă la starea de temperatură ridicată. Substanța de lucru generează lucru mecanic în corpul de lucru al motorului în timp ce transferă căldură la zona mai rece până când ajunge la o stare de temperatură scăzută. În timpul acestui proces, o parte din energia termică este transformată în lucru mecanic prin exploatarea proprietăților substanței active. Substanța de lucru poate fi orice sistem cu o capacitate de căldură diferită de zero, dar de obicei este un gaz sau lichid. În timpul acestui proces, multă căldură se pierde în mediu și nu poate fi transformată în lucru mecanic.

În general, un motor convertește energia în lucru mecanic. Motoarele termice se disting de alte tipuri de motoare prin faptul că eficiența lor este limitată fundamental de teorema lui Carnot. Deși această limitare a eficienței poate fi un dezavantaj, un avantaj al motoarelor termice este că cele mai multe forme de energie pot fi ușor convertite în căldură prin procese precum reacțiile exoterme (cum ar fi arderea), absorbția particulelor luminoase sau energetice, frecare, disipare și rezistență. Deoarece sursa de căldură care alimentează energia termică a motorului poate fi astfel alimentată de aproape orice fel de energie, motoarele termice sunt foarte versatile și au o gamă largă de aplicabilitate.

Motoarele termice sunt adesea confundate cu ciclurile pe care încearcă să le pună în aplicare. În mod tipic, termenul „motor” este utilizat pentru un dispozitiv fizic, și „ciclu” pentru model.

Prezentare generală

Diagrama motorului termic
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Heat_engine.png

(Diagrama motorului termic.)

În termodinamică, motoarele termice sunt adesea modelate folosind un model de inginerie standard, cum ar fi ciclul Otto. Modelul teoretic poate fi rafinat și amplificat cu date reale dintr-un motor de funcționare, utilizând instrumente cum ar fi o diagramă indicator. Deoarece foarte puține implementări reale ale motoarelor termice corespund exact ciclurilor lor termodinamice de bază, se poate spune că un ciclu termodinamic este un caz ideal al unui motor mecanic. În orice caz, înțelegerea pe deplin a unui motor și a eficienței acestuia necesită o bună înțelegere a modelului teoretic (posibil simplificat sau idealizat), a nuanțelor practice ale unui motor mecanic real și a discrepanțelor dintre cele două.

În termeni generali, cu cât este mai mare diferența de temperatură dintre sursa fierbinte și bazinul rece, cu atât este mai mare eficiența termică potențială a ciclului. Pe Pământ, partea rece a oricărui motor termic este limitată de apropierea de temperatura ambiantă a mediului sau nu este mult mai mică decât 300 de kelvini, astfel încât majoritatea eforturilor de îmbunătățire a eficienței termodinamice a diferitelor motoare termice se concentrează pe creșterea temperaturii sursă, în limitele materiale. Eficiența teoretică maximă a unui motor termic (pe care niciun motor nu o atinge niciodată) este egală cu diferența de temperatură dintre capetele fierbinți și cele reci, împărțită la temperatura de la capătul cald, toate exprimate ca temperaturi absolute (în Kelvin).

Eficiența diferitelor motoare termice propuse sau utilizate astăzi are o gamă largă:

  • 3% (căldură reziduală de 97% utilizând căldură de joasă calitate) pentru propunerea de putere oceanică OTEC.
  • 25% pentru majoritatea motoarelor pe benzină pentru automobile
  • 49% pentru o centrală supercritică pe bază de cărbune
  • 60% pentru o turbină cu gaz combinat cu ciclu combinat.

Exemple de zi cu zi

Exemple de motoare termice uzuale includ motorul cu aburi și motorul cu combustie internă. Motorul de amestecare este, de asemenea, motor termic. Toate aceste motoare termice sunt alimentate de expandarea gazelor încălzite. Mediul este bazinul de căldură, care oferă gaze relativ reci, care, atunci când sunt încălzite, se extind rapid pentru a genera mișcarea mecanică a motorului.

Exemple de motoare termice

Este important de menționat că, deși unele cicluri au o locație tipică de combustie (internă sau externă), ele pot fi adesea implementate împreună cu altele. De exemplu, John Ericsson a dezvoltat un motor termic extern care rulează pe un ciclu foarte asemănător ciclului Diesel anterior. În plus, motoarele termice externe pot fi adesea implementate în cicluri deschise sau închise.

Motorul termic al Pământului

Atmosfera Pământului și hidrosfera – motorul termic al Pământului – sunt procese cuplate care elimină în mod constant dezechilibrele de încălzire solară prin evaporarea apei de suprafață, a convecției, a precipitațiilor, a vânturilor și a circulației oceanice, atunci când distribuie căldură în jurul globului.

Sistemul Hadley oferă un exemplu de motor termic. Circulația Hadley este identificată cu creșterea aerului cald și umed în regiunea ecuatorială, cu coborârea aerului rece la subtropice, care corespunde unei circulații termice directe, cu producerea netă de energie cinetică.

Eficienţa

Eficiența unui motor termic corelează cât de mult lucru mecanic util este generat pentru o anumită cantitate de energie termică intrată.

Din legile termodinamicii, după un ciclu complet:

W = Qc – (-Qh)

unde W = ∫ PdV este lucrul mecanic extras din motor. (Este negativ deoarece lucrul mecanic se face de către motor.), Qh= ThΔSh este energia termică luată de la sistemul de temperatură înaltă. (Este negativă deoarece căldura este extrasă din sursă, deci (-Qh) este pozitivă.), Qc = TcΔSc este energia termică furnizată sistemului de temperatură rece. (Este pozitivă deoarece căldura este adăugată la bazin.)

Cu alte cuvinte, un motor termic absoarbe energia termică din sursa de căldură la temperaturi ridicate, transformând o parte din aceasta într-un lucru mecanic util și dând restul la bazinul de temperatură rece.

În general, eficiența unui proces de transfer de căldură dat (fie că este vorba de un frigider, de o pompă de căldură sau de un motor) este definită informal prin raportul dintre „ce iese” și „ce intră”.

În cazul unui motor, se dorește extragerea lucrului mecanic prin transferul de căldură.

η = -W/-Qh = (-Qh – Qc)/-Qh = 1 – (Qc/-Qh)

Eficiența maximă teoretică a oricărui motor termic depinde numai de temperaturile la care funcționează. Această eficiență este de obicei derivată utilizând un motor ideal pentru căldură imaginar, cum ar fi motorul termic Carnot, deși alte motoare care utilizează diferite cicluri pot, de asemenea, să obțină o eficiență maximă. Din punct de vedere matematic, acest lucru se datorează faptului că, în procesele reversibile, schimbarea entropiei rezervorului rece este negativă față de cea a rezervorului fierbinte (adică ΔSc = -ΔSh), menținând modificarea globală a entropiei zero. Prin urmare:

ηmax = 1 – TcΔSc/(-ThΔSh) = 1 – (Tc/Th)

unde Th este temperatura absolută a sursei fierbinți și Tc cea a bazinului rece, măsurată, de obicei, în coloane. Rețineți că dSc este pozitiv în timp ce dSh este negativ; în orice proces reversibil de extragere a lucrului mecanic, entropia nu este în general crescută, ci mai degrabă este mutată de la un sistem fierbinte (entropie înaltă) la o temperatură rece (cu o entropie scăzută), scăzând entropia sursei de căldură și crescând-o pe cea a bazinului de căldură.

Motivul din spatele acestei eficiențe maxime este următorul. Se presupune mai întâi că dacă un motor cu căldură mai eficient decât un motor Carnot este posibil, atunci acesta ar putea fi acționat în sens invers ca o pompă de căldură. Analiza matematică poate fi utilizată pentru a arăta că această asociere presupusă ar avea ca rezultat o scădere netă a entropiei. Deoarece, prin a doua lege a termodinamicii, aceasta este improbabilă din punct de vedere statistic la punctul de excludere, eficiența Carnot este o limită superioară teoretică a eficienței fiabile a oricărui proces.

Din punct de vedere empiric, niciun motor termic nu s-a dovedit a funcționa cu o eficiență mai mare decât un motor de încălzire pentru ciclul Carnot.

Figurile de mai jos prezintă variații ale eficienței ciclului Carnot. Prima figură arată modul în care se schimbă eficiența cu o creștere a temperaturii de adăugare a căldurii pentru o temperatură de intrare constantă a compresorului. Figura a doua indică modul în care se schimbă eficiența cu o creștere a temperaturii de respingere a căldurii pentru o temperatură de intrare constantă a turbinei.

Eficiența ciclului Carnot cu modificarea temperaturii de adăugare a căldurii
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Carnot_Efficiency.svg

(Eficiența ciclului Carnot cu modificarea temperaturii de adăugare a căldurii. )

Eficiența ciclului Carnot cu schimbarea temperaturii de respingere a căldurii
Sursa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Carnot_Efficiency2.svg

(Eficiența ciclului Carnot cu schimbarea temperaturii de respingere a căldurii. )

Toate aceste procese obțin eficiența (sau lipsa acesteia) de la căderea de temperatură peste ele. Energia semnificativă poate fi utilizată pentru echipamente auxiliare, cum ar fi pompele, care reduc efectiv eficiența.

Puterea

Motoarele termice pot fi caracterizate de puterea lor specifică, care este de obicei dată în kilowați pe litru de deplasare a motorului. Rezultatul oferă o aproximare a puterii de vârf a unui motor. Acest lucru nu trebuie confundat cu eficiența combustibilului, deoarece eficiența ridicată necesită adesea un raport de carburant-aer slab și, astfel, o densitate de putere mai mică. Un motor modern de înaltă performanță are peste 75 kW/l.75 kW/l (1.65 hp/in3).

Fizica fenomenologică - Compendiu - Volumul 1
Fizica fenomenologică – Compendiu – Volumul 1

Un compendiu care se dorește a fi exhaustiv pentru domeniul fizicii, cu accent pe explicarea fenomenelor și aplicațiilor practice. O carte pentru studiul personal, concisă și ușor de citit, care clarifică aceste teorii ale fizicii, cel mai important domeniu al … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $9,99$28,47 Selectează opțiunile
Mecanica fenomenologică
Mecanica fenomenologică

O privire de ansamblu asupra mecanicii clasice, care intenționează să ofere o acoperire a principiilor și tehnicilor fundamentale, un domeniu vechi dar care se află la baza întregii fizicii, și care în ultimii ani a cunoscut o dezvoltare rapidă. Se … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $4,99 Selectează opțiunile
Căldura - Termodinamica fenomenologică
Căldura – Termodinamica fenomenologică

Despre căldură, temperatură, și modalități de măsurare, și aplicații practice în inginerie. Un punct de vedere contemporan privind energia, termodinamica și legile ei, cu detalierea celor mai importante principii care o guvernează. Un capitol special este dedicat schimbărilor climatice și … Citeşte mai mult

Nu a fost votat $3,99 Selectează opțiunile

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *