1.10 Θερμικές μηχανές

θερμική μηχανή είναι κάθε διάταξη που χρησιμοποιεί θερμότητα, για να παράγει έργο. Για την κατανόηση των κοινών χαρακτηριστικών όλων των θερμικών μηχανών στην (Εικόνα 1.40) φαίνεται μια απλοποιημένη ατμομηχανή.

Στο λέβητα το νερό παίρνει θερμότητα από μια πηγή υψηλής θερμοκρασίας, όπως είναι ο καυστήρας (πετρελαίου ή κάρβουνου), και το νερό μετατρέπεται σε ατμό υψηλής θερμοκρασίας και πίεσης. Ο ατμός στη συνέχεια εισέρχεται από τη βαλβίδα εισόδου στον κύλινδρο και διαστέλλεται, αναγκάζοντας το έμβολο να κινηθεί και να παραγάγει έργο.

Το έμβολο μπορεί να είναι συνδεδεμένο με έναν τροχό, για να τον στρέψει. Το έργο που παράγει το κινούμενο έμβολο προέρχεται, από την εσωτερική ενέργεια του ατμού, με αποτέλεσμα η θερμοκρασία του ατμού στον κύλινδρο να πέφτει.

Εικ. 1.40 Σχηματική αναπαράσταση μιας ατμομηχανής (α) ανακυκλούμενου τύπου και (β) ενός ατμοστρόβιλου, όπου το παλινδρομικό έμβολο έχει αντικατασταθεί από τη φτερωτή.

Καθώς το έμβολο επιστρέφει στην αρχική θέση του, ο ψυχρός ατμός εξωθείται από τη βαλβίδα εξόδου στο συμπυκνωτή, όπου μετατρέπεται ξανά σε υγρό. Η θερμότητα που αποβάλλεται κατά την υγροποίηση αποδίδεται σε μια δεξαμενή θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας, η οποία μπορεί να είναι η ατμόσφαιρα.

Το νερό, στη συνέχεια, αντλείται ξανά στο λέβητα και ο κύκλος επαναλαμβάνεται. Θερμικές μηχανές όπως η ατμομηχανή λειτουργούν σε επαναλαμβανόμενους διαδοχικούς κύκλους, όπου η κατάληξη του ενός είναι η αρχή του άλλου.

Στην εικόνα 1.40β φαίνεται ένας ατμοστρόβιλος, στον οποίο τα πάντα είναι τα ίδια με τη διαφορά ότι το παλινδρομικό έμβολο έχει αντικατασταθεί από μια φτερωτή.

Τα βασικά λειτουργικά χαρακτηριστικά της ατμομηχανής είναι ίδια για όλες τις θερμικές μηχανές, όπως φαίνεται στην εικόνα 1.41, και αυτά είναι: 1. Από τη δεξαμενή θερμότητας υψηλής θερμοκρασίας Tυ απορροφάται θερμότητα Qυ. 2. Μέρος της προσφερόμενης θερμότητας μετατρέπεται από τη μηχανή σε έργο W. 3. Η υπόλοιπη θερμότητα Qx αποβάλλεται σε δεξαμενή θερμότητας χαμηλής θερμοκρασίας Τx.

Μια μηχανή που μετατρέπει το μεγαλύτερο μέρος της προσφερόμενης θερμότητας σε έργο θεωρείται αποδοτική.

Η απόδοση μιας θερμικής μηχανής ορίζεται ως ο λόγος του παραγόμενου έργου W από τη μηχανή προς την προσφερόμενη στο αέριο θερμότητα Qυ, η οποία προέρχεται από τη θερμή δεξαμενή. [pic] (8)

Εικ. 1.41 Αυτή η σχηματική αναπαράσταση μιας θερμικής μηχανής δείχνει την προσφερόμενη θερμότητα (Qυ), που προέρχεται από τη θερμή δεξαμενή, το έργο (W), το οποίο εκτελεί η μηχανή, και τη θερμότητα (Qx), που αποβάλλεται στην ψυχρή δεξαμενή.

Αν η προσφερόμενη θερμότητα μετετρέπετο εξ ολοκλήρου σε έργο, η απόδοση της μηχανής θα ήταν 1,0, αφού τότε θα ίσχυε W = Qυ. Μια τέτοια μηχανή θα είχε απόδοση 100%.

Μια θερμική μηχανή, όπως και κάθε άλλη διάταξη, πρέπει να υπακούει στην αρχή της διατήρησης της ενέργειας. Ένα μέρος μόνο από την προσφερόμενη στο αέριο θερμότητα Qυ μετατρέπεται σε έργο W, και το υπόλοιπο Qx αποβάλλεται από αυτό στην ψυχρή δεξαμενή. Αν δεν υπάρχουν άλλες απώλειες στη μηχανή, η αρχή της διατήρησης της ενέργειας απαιτεί: [pic] (9)

Λύνοντας την εξίσωση (19) ως προς W και αντικαθιστώντας το στην (8), παίρνουμε την ακόλουθη εναλλακτική διατύπωση για την απόδοση μιας θερμικής μηχανής. [pic] (10)

Η υψηλή θερμοκρασία στην αντίστοιχη δεξαμενή μιας ατμομηχανής από την οποία λαμβάνεται το ποσό θερμότητας Qυ επιτυγχάνεται με την καύση του κάρβουνου, του πετρελαίου ή άλλου καυσίμου για τη θέρμανση του ατμού. Στις μηχανές εσωτερικής καύσης όπως των αυτοκινήτων η υψηλή θερμοκρασία επιτυγχάνεται με την καύση του μείγματος βενζίνης-αέρα στους κυλίνδρους (η οποία προκαλείται από σπινθήρα στα μπουζί (αναφλεκτήρες)) (Εικ. 1.42).

Εικ. 1.42 Μηχανή εσωτερικής καύσης (τετράχρονη). (α) Το μείγμα βενζίνης-αέρα εισέρχεται στον κύλινδρο, καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω. (β) Το έμβολο κινείται προς τα πάνω και συμπιέζει το μείγμα. (γ) Ο σπινθήρας στο μπουζί πυροδοτεί το μείγμα υψώνοντας πολύ τη θερμοκρασία του. (δ) Τα αέρια της καύσης με υψηλή θερμοκρασία και πίεση εκτονώνονται (διαστέλλονται) σπρώχνοντας με δύναμη το έμβολο προς τα κάτω. (ε) Τα καυσαέρια αποβάλλονται από την εξάτμιση, η βαλβίδα εισόδου ανοίγει και ο κύκλος επαναλαμβάνεται.

Στη παρακάτω εφαρμογή βλέπουμε ότι ένα μικρό μόνο μέρος της προσφερόμενης θερμότητας αξιοποιείται ως έργο, γιατί το συγκεκριμένο αυτοκίνητο έχει απόδοση 23%. Γίνεται προσπάθεια να βελτιωθεί η απόδοση των μηχανών, δυστυχώς όμως, όπως θα δούμε στη συνέχεια, η φύση μας απαγορεύει να φτιάξουμε μηχανές με 100% απόδοση.