Värmemaskin
Inom teknik och termodynamik omvandlar en värmemotor värmeenergi till mekaniskt arbete genom att använda temperaturskillnaden mellan en varm "källa" och en kall "sänka". Värme överförs från källan genom motorns "arbetskropp" till "sänken", och i denna process omvandlas en del av värmen till arbete genom att gasens eller vätskans egenskaper i motorn utnyttjas.
Det finns många olika typer av värmemotorer. Alla har en termodynamisk cykel. Värmekraftverk har ofta namn efter den termodynamiska cykeln de använder, till exempel Carnotcykeln. De får ofta vardagliga namn, som bensin/bensin, turbin eller ångmaskin.
Förbränningsmotorer genererar värme i själva motorn. Andra värmemotorer kan ta upp värme från en extern källa. Värmemotorer kan vara öppna mot luften eller förseglade och stängda mot omvärlden (detta kallas öppen eller sluten cykel).
Figur 1: Värmepumpsdiagram. TH är värmekällan och TC är kylflänsen. QH är den värme som flödar in i motorn. QC är spillvärme som går in i kylflänsen. W är det nyttiga arbete som kommer ut ur motorn.
Översikt
När forskarna studerar värmemotorer kommer de på idéer om motorer som egentligen inte kan byggas. Dessa kallas ideala motorer eller cykler. Verkliga värmemotorer förväxlas ofta med de ideala motorer eller cykler som de försöker efterlikna.
När man beskriver den fysiska enheten används vanligtvis termen "motor". När man beskriver idealet används termen "cykel".
Man kan säga att den termodynamiska cykeln är ett idealfall av den mekaniska motorn. Man kan också säga att modellen inte helt och hållet motsvarar den mekaniska motorn. Man kan dock dra stor nytta av de förenklade modellerna och de idealfall som de kan representera.
Generellt sett gäller att ju större temperaturskillnaden är mellan den varma källan och den kalla sänkan, desto effektivare är cykeln eller motorn. På jorden är den kalla sidan av en värmemotor begränsad till lufttemperaturen på den plats där motorn är placerad.
De flesta ansträngningar för att förbättra värmemotorernas effektivitet går ut på att öka värmekällans temperatur, men vid mycket höga temperaturer börjar motorns metall mjukna.
Verkningsgraden hos olika värmemotorer som föreslås eller används idag varierar från 3 procent (97 procent spillvärme) för OTEC-förslaget om havskraft till 25 procent för de flesta bilmotorer, 45 procent för ett superkritiskt kolkraftverk och cirka 60 procent för en ångkyld gasturbin med kombinerad cykel. Alla dessa processer får sin effektivitet (eller brist på effektivitet) på grund av temperaturfallet över dem.
Den minst effektiva, OTEC, använder temperaturskillnaden mellan havsvatten på ytan och havsvatten på djupet, en liten skillnad på kanske 25 grader Celsius, och därför måste effektiviteten vara låg.
Den mest effektiva gasturbinen med kombinerad cykel förbränner naturgas för att värma upp luften till nästan 1530 grader Celsius, en stor temperaturskillnad på 1500 grader Celsius, vilket gör att verkningsgraden kan bli mycket stor när ångkylningscykeln läggs till.
Exempel från vardagen
Människor använder oftast värmemotorer där värmen kommer från en eld som expanderar en arbetsvätska (vanligtvis antingen vatten eller luft) och värmesänken är antingen en vattenmassa eller atmosfären, som i ett kyltorn.
Bekanta motorer som använder sig av expansion av upphettade gaser är ångmaskinen, dieselmotorn och bensinmotorn i en bil.
Stirlingmotorn är mycket mer sällsynt, men finns i små modeller som kan drivas med handvärme.
En typ av leksaksvärmemotor är drickfågeln.
En bimetallisk remsa är en anordning som omvandlar temperatur till mekanisk rörelse och används i termostater för att reglera temperaturen. Det är en värmemotor som inte använder en vätska eller gas.
Relaterade sidor
- Värmepump
Frågor och svar
F: Vad är en värmemotor inom teknik och termodynamik?
S: En värmemotor är en anordning som omvandlar värmeenergi till mekaniskt arbete genom att utnyttja temperaturskillnaden mellan en varm "källa" och en kall "sänka".
F: Hur fungerar en värmemotor?
S: Värme överförs från källan genom motorns arbetsdel till sänken, och i denna process omvandlas en del av värmen till arbete med hjälp av egenskaperna hos gasen eller vätskan inuti motorn.
F: Vilka är de termodynamiska cyklerna i samband med värmemotorer?
S: Det finns många olika typer av värmemotorer, var och en med en specifik termodynamisk cykel. De är uppkallade efter den termodynamiska cykel de använder, t.ex. Carnot-cykeln.
F: Vilka är några exempel på värmemotorer som är uppkallade efter vardagliga föremål?
S: Några exempel på värmemotorer som är uppkallade efter vardagliga föremål är bensinmotorer, turbinmotorer och ångmotorer.
F: Hur genererar förbränningsmotorer värme?
S: Förbränningsmotorer genererar värme i själva motorn.
F: Kan värmemotorer vara öppna mot luften?
S: Ja, värmemotorer kan vara öppna för luft eller förseglade och stängda för utsidan. Detta kallas en öppen eller sluten cykel.
F: Absorberar alla värmemotorer värme från en extern källa?
S: Nej, medan vissa värmemotorer kan absorbera värme från en extern källa, kan andra generera värme i själva motorn.
