Warmtemotoren zijn overal om u heen. Van de auto die u rijdt tot de koelkast die uw voedsel koel houdt tot de verwarmings- en koelsystemen van uw huis, ze werken allemaal op basis van dezelfde sleutelprincipes.

Het doel van elke warmtemotor is warmte-energie om te zetten in nuttige werk, en er zijn veel verschillende benaderingen die u kunt gebruiken om dit te doen. Een van de eenvoudigste vormen van warmtemotoren is de Carnot-motor, vernoemd naar de Franse fysicus Nicolas Leonard Sadi Carnot, gebouwd rond een geïdealiseerd proces in vier fasen dat afhankelijk is van adiabatische en isotherme fasen.

Maar de Carnot-motor is gewoon een voorbeeld van een warmtemotor en vele andere typen bereiken hetzelfde basisdoel. Leren over hoe warmtemotoren werken en hoe dingen te doen zoals het berekenen van de efficiëntie van een warmtemotor is belangrijk voor iedereen die thermodynamica bestudeert.
Wat is een warmtemotor?

Een warmtemotor is een thermodynamisch systeem dat converteert warmte-energie in mechanische energie. Hoewel veel verschillende ontwerpen onder deze algemene titel vallen, zijn er in vrijwel elke warmtemotor verschillende basiscomponenten te vinden.

Elke warmtemotor heeft een warmtebad of een warmtebron op hoge temperatuur nodig, die veel verschillende vormen kan aannemen ( een kernreactor is bijvoorbeeld de warmtebron in een kerncentrale, maar in veel gevallen wordt brandende brandstof gebruikt als warmtebron). Bovendien moet er een koud reservoir bij lage temperatuur zijn, evenals de motor zelf, meestal gas dat uitzet wanneer warmte wordt toegepast.

De motor absorbeert warmte uit het hete reservoir en zet uit, en deze expansie proces is wat werkt op het milieu, meestal ingezet in een bruikbare vorm met een zuiger. Het systeem geeft vervolgens warmte-energie terug aan het koude reservoir en keert terug naar zijn oorspronkelijke toestand. Het proces herhaalt zich vervolgens steeds opnieuw op een cyclische manier om continu nuttig werk te genereren.
Soorten warmtemotoren

Thermodynamische cycli of motorcycli zijn een generieke manier om veel specifieke thermodynamische systemen te beschrijven die werken op de cyclische manier die de meeste warmtemotoren gemeen hebben. Het eenvoudigste voorbeeld van een warmtemotor die werkt met thermodynamische cycli is de Carnot-motor of een motor die werkt op basis van de Carnot-cyclus. Dit is een geïdealiseerde vorm van warmtemotor die alleen omkeerbare processen omvat, met name adiabatische en isotherme compressie en expansie.

Alle verbrandingsmotoren werken op de Otto-cyclus, een ander type thermodynamische cyclus die de ontsteking gebruikt van brandstof om aan een zuiger te werken. In de eerste fase zakt de zuiger om een brandstof-luchtmengsel in de motor te zuigen, dat vervolgens adiabatisch wordt gecomprimeerd in de tweede fase en in de derde wordt ontstoken.

Er is een snelle toename van temperatuur en druk, die op de zuiger werkt door adiabatische expansie, voordat de uitlaatklep opent, wat leidt tot een verlaging van de druk. Ten slotte gaat de zuiger omhoog om de verbruikte gassen te verwijderen en de motorcyclus te voltooien.

Een ander type warmtemotor is de Stirling-motor, die een vaste hoeveelheid gas bevat die tussen twee verschillende cilinders in verschillende fasen van de werkwijze. De eerste fase omvat het verwarmen van het gas om de temperatuur te verhogen en een hoge druk te produceren, waardoor een zuiger beweegt om nuttig werk te leveren.

De zuiger gaat dan weer omhoog en duwt het gas in een tweede cilinder, waar het gekoeld door het koude reservoir voordat het opnieuw wordt gecomprimeerd, een proces dat minder werk vereist dan in de vorige fase werd geproduceerd. Ten slotte wordt het gas teruggebracht naar de oorspronkelijke kamer, waar de Stirling-motorcyclus zich herhaalt.
Efficiëntie van warmtemotoren

De efficiëntie van een warmtemotor is de verhouding tussen nuttig werkvermogen en warmte of thermische energie input, en het resultaat is altijd een waarde tussen 0 en 1, zonder eenheden omdat zowel warmte-energie als werkoutput worden gemeten in joules. Dit betekent dat als u een perfecte
warmtemotor zou hebben, deze een efficiëntie van 1 zou hebben en alle warmte-energie zou omzetten in bruikbaar werk, en als het erin zou slagen de helft om te zetten, zou de efficiëntie 0,5 zijn. In een basisvorm kan de formule worden geschreven:
\\ text {Efficiency} \u003d \\ frac {\\ text {Work}} {\\ text {Heat energy}}

Het is natuurlijk onmogelijk voor een warmtemotor om een efficiëntie van 1 hebben, omdat de tweede wet van de thermodynamica voorschrijft dat elk gesloten systeem na verloop van tijd in entropie zal toenemen. Hoewel er een nauwkeurige wiskundige definitie van entropie is die je kunt gebruiken om dit te begrijpen, is de eenvoudigste manier om erover na te denken dat inherente inefficiënties in elk proces leiden tot enig verlies van energie, meestal in de vorm van afvalwarmte. De zuiger van een motor zal bijvoorbeeld ongetwijfeld enige wrijving hebben die zijn beweging tegenwerkt, wat betekent dat het systeem energie verliest tijdens het omzetten van de warmte in het werk.

De theoretische maximale efficiëntie van een warmtemotor wordt de Carnot-efficiëntie. De vergelijking hiervoor heeft betrekking op de temperatuur van het hete reservoir T
_{H en het koude reservoir T
C met de efficiëntie ( η
) van de motor.
η \u003d 1 - \\ frac {T_C} {T_H}}

U kunt het resultaat hiervan met 100 vermenigvuldigen als u het antwoord als een percentage wilt uitdrukken. Het is belangrijk om te onthouden dat dit het theoretische maximum is - het is onwaarschijnlijk dat een echte engine de Carnot-efficiëntie in de praktijk echt zal benaderen.

Het belangrijkste om op te merken is dat u de efficiëntie van warmtemotoren door het temperatuurverschil tussen het warme reservoir en het koude reservoir te vergroten. Voor een automotor is T
_{H de temperatuur van de gassen in de motor bij verbranding, en T
C is de temperatuur waarbij ze uit worden geduwd de motor.
Real World Voorbeelden - Stoommachine}

De stoommachine en stoomturbines zijn twee van de meest bekende voorbeelden van een warmtemotor, en de uitvinding van de stoommachine was een belangrijke historische gebeurtenis in de industrialisatie van de samenleving. Een stoommachine werkt op een vergelijkbare manier als de andere tot nu toe besproken warmtemotoren: een ketel verandert water in stoom, die in een cilinder met een zuiger wordt gestuurd, en de hoge druk van de stoom beweegt de cilinder.

De stoom brengt een deel van de thermische energie over naar de cilinder, wordt koeler in het proces en wanneer de zuiger volledig is geduwd, wordt de resterende stoom uit de cilinder gelaten. Op dit punt keert de zuiger terug naar zijn oorspronkelijke positie (soms wordt de stoom naar de andere kant van de zuiger geleid zodat deze ook terug kan duwen), en begint de thermodynamische cyclus opnieuw met meer stoom.

Dit relatief eenvoudige ontwerp maakt het mogelijk een grote hoeveelheid nuttig werk te produceren uit alles dat in staat is om water te koken. De efficiëntie van een warmtemotor met dit ontwerp hangt af van het verschil tussen de temperatuur van de stoom en die van de omgevingslucht. Een stoomlocomotief gebruikt het werk dat uit dit proces is gemaakt om wielen te laten draaien en de trein voort te stuwen.

Een stoomturbine werkt op een vergelijkbare manier, behalve dat het gaat om het draaien van een turbine in plaats van het verplaatsen van een zuiger. Dit is een bijzonder handige manier om elektriciteit te genereren vanwege de rotatiebeweging die door de stoom wordt gegenereerd. Voorbeelden uit de echte wereld - Interne verbrandingsmotor

De interne verbrandingsmotor werkt op basis van de hierboven beschreven Otto-cyclus, met vonk ontsteking gebruikt voor benzinemotoren en compressieontsteking gebruikt voor dieselmotoren. Het belangrijkste verschil tussen deze is de manier waarop het brandstof-luchtmengsel wordt ontstoken, waarbij het brandstof-luchtmengsel wordt gecomprimeerd en vervolgens fysiek wordt ontstoken in de benzinemotoren en brandstof in perslucht wordt gesproeid in dieselmotoren, waardoor het ontbrandt uit de temperatuur .

Afgezien hiervan wordt de rest van de Otto-cyclus voltooid zoals eerder beschreven: brandstof wordt in de motor gezogen (of alleen lucht voor diesel), samengedrukt, ontstoken (door een vonk voor brandstof en spuiten van brandstof in de hete, samengeperste lucht voor diesel), die bruikbaar werkt op de zuiger door adiabatische expansie, en dan opent de uitlaatklep om de druk te verlagen, en duwt de zuiger het gebruikte gas naar buiten.
Voorbeelden uit de echte wereld - warmtepompen, Airconditioners en koelkasten

Warmtepompen, airconditioners en koelkasten werken allemaal ook op een vorm van warmtecyclus, hoewel ze het andere doel hebben om werk te gebruiken om de warmte-energie te verplaatsen in plaats van andersom. Bijvoorbeeld, in de verwarmingscyclus van een warmtepomp, absorbeert het koelmiddel warmte van de buitenlucht vanwege zijn lagere temperatuur (omdat warmte altijd stroomt van warm naar koud) en wordt vervolgens door een compressor naar verhoog de druk en daarmee de temperatuur.

Deze warmere lucht wordt vervolgens naar de condensor verplaatst, in de buurt van de te verwarmen ruimte, waar hetzelfde proces warmte overbrengt naar de ruimte. Ten slotte wordt het koelmiddel door een klep geleid die de druk en dus de temperatuur verlaagt, klaar voor een nieuwe verwarmingscyclus.

In de koelcyclus (zoals in een airconditioningseenheid of een koelkast) loopt het proces in wezen in omgekeerde volgorde. Het koelmiddel absorbeert warmte-energie uit de kamer (of in de koelkast) omdat het op een koude temperatuur wordt gehouden en vervolgens door de compressor wordt geduwd om de druk en temperatuur te verhogen.

Op dit punt beweegt het rond naar de buitenkant van de kamer (of aan de achterkant van de koelkast), waar de warmte-energie wordt overgedragen naar de koelere buitenlucht (of de omliggende kamer). Het koelmiddel wordt vervolgens door de klep gestuurd om de druk en temperatuur te verlagen, en leest voor een andere verwarmingscyclus.

Aangezien het doel van deze processen het tegenovergestelde is van de motorvoorbeelden, is de uitdrukking voor de efficiëntie van een warmtepomp of koelkast is ook anders. Dit is echter vrij voorspelbaar in vorm. Voor verwarming:
η \u003d \\ frac {Q_H} {W_ {in}}

En voor koeling:
η \u003d \\ frac {Q_C} {W_ {in}}

Waar de Q
-termen zijn voor de warmte-energie die naar de kamer wordt verplaatst (met het H-subscript) en eruit wordt verplaatst (met het C-subscript) en W
_{is de invoer van werk in het systeem "in the form of electricity.", 3, [[Nogmaals, deze waarde is een dimensieloos getal tussen 0 en 1, maar u kunt het resultaat met 100 vermenigvuldigen om een percentage te krijgen als u dat liever hebt.
Voorbeeld uit de echte wereld - Energiecentrales of krachtstations}

Krachtstations of elektriciteitscentrales zijn eigenlijk gewoon een andere vorm van warmtemotor, of ze warmte creëren met behulp van een kernreactor of door brandstof te verbranden. De warmtebron wordt gebruikt om turbines te verplaatsen en daardoor mechanisch werk te doen, vaak met stoom uit verwarmd water om een stoomturbine te laten draaien, die op de hierboven beschreven manier elektriciteit opwekt. De precieze gebruikte warmtecyclus kan variëren tussen energiecentrales, maar de Rankinecyclus wordt vaak gebruikt.

De Rankinecyclus begint met de warmtebron die de temperatuur van het water verhoogt en vervolgens de expansie van waterdamp in een turbine, gevolgd door de condensatie in de condensor (waarbij tijdens het proces afvalwarmte vrijkomt), voordat het gekoelde water naar een pomp gaat. De pomp verhoogt de waterdruk en bereidt deze voor op verdere verwarming