Toplinski stroj: razlika između inačica

Izbrisani sadržaj Dodani sadržaj
Nova stranica: '''Toplinski stroj''' U termodinamici, toplinski stroj je sustav koji pretvara toplinsku energiju u mehanički rad. To se postiže spuštanjem visoke temperature radne tvari na ni...
 
Nema sažetka uređivanja
Redak 1:
{{Thermodynamics|cTopic=[[Thermodynamic system|Systems]]}}
'''Toplinski stroj'''
{{Pogledaj|Thermodynamic cycle}}
 
U [[termodinamici]], toplinski stroj je sustav koji pretvaravrši toplinskupretvorbu energiju [[topline]] u [[mehanički rad]].<ref>''Fundamentals Toof seClassical Thermodynamics'', 3rd ed. p. 159, (1985) by G.J. Van Wylen and R.E. Sonntag: "A heat engine may be defined as a device that operates in a thermodynamic cycle and does a certain amount of net positive work as a result of heat transfer from a high-temperature body and to a low-temperature body. Often the term heat engine is used in a broader sense to include all devices that produce work, either through heat transfer or combustion, even though the device does not operate in a thermodynamic cycle. The internal-combustion engine and the gas turbine are examples of such devices, and calling these heat engines is an acceptable use of the term."</ref><ref>''Mechanical efficiency of heat engines'', p. 1 (2007) by James R. Senf: "Heat engines are made to provide mechanical energy from thermal energy."</ref> To postiže spuštanjem visoke [[temperature]] radne tvari na nižu . Izvor topline proizvodi toplinsku energiju pomoću koje radna tvar postiže visoku temperaturu. Radna tvar proizvodi rad u ''working"[[Thermodynamic body''system|radnom tijelu]]" stroja dokza prenosivrijeme toplinu [[prijenosa topline|transferring heat]] do hladnijeg '' "[[Heat sink''|sink]]" sve dok se ne ohladi na nižu temperaturu. Tijekom procesa jedan dio toplinske energije se pretvara u [[energy|rad]] iskorištavanjem svojstava radne tvari. Radna tvar može biti bilo koji sustav s [[toplinskim kapacitetom]] različitim od nule, a obično je to plin ili tekućina.
 
U principu [[motor]] pretvara energiju u mehanički [[Work (physics)|rad]]. Toplinski strojevi se razlikuju od drugih vrsta strojeva po tome što je njihova korisnost fundamentalno ograničena [[Carnot's theorem (thermodynamics)|Carnotovim teoremom]].<ref>''Thermal physics: entropy and free energies'', by Joon Chang Lee (2002), Appendix A, p. 183: "A heat engine absorbs energy from a heat source and then converts it into work for us.","When the engine absorbs heat energy, the absorbed heat energy comes with entropy." (heat energy <math>\Delta Q=T \Delta S</math>), "When the engine performs work, on the other hand, no entropy leaves the engine. This is problematic. We would like the engine to repeat the process again and again to provide us with a steady work source.[..] In order to do so, the working substance inside the engine must return to its initial thermodynamic condition after a cycle, which requires to remove the remaining entropy. The engine can do this only in one way. It must let part of the absorbed heat energy leave without converting it into work. Therefore the engine cannot convert all of the input energy into work!"</ref> Iako ova ograničenja efikasnosti mogu biti nedostatak, prednost toplinskih strojeva je da se većina oblika energije može lako pretvoriti u toplinu procesima poput egzotermnih reakcija [[egzotermnih reakcija]] (kao npr. izgaranje), [[Absorption (electromagnetic radiation)|absorpcija]] svjetlosti ili energetskih čestica, [[trenja]], [[rasipanja]] i [[Electrical resistance|električnog otpora]]. Budući da izvor topline koji dobavlja toplinsku energiju do motora može biti opskrbljivan gotovo svakom vrstom energije, toplinski strojevi su jako raznovrsni i imaju širok raspon primjene.
 
Izraz toplinski stroj se često zamjenjuje ciklusom kojeg se pokušava oponašati. Obično kad se opisuje fizički uređaj upotrebljava se izraz 'stroj'. Kada se opisuje proces koristi se termin 'ciklus'.
 
==Overview==
[[Image:heat engine.png|300px|thumb|right|Figure 1: '''Heat engine diagram''']]
 
U [[termodinamici]], toplinski strojevi su često modelirani korištenjem standardnih inženjerskih modela kao što je npr. [[Ottov ciklus]]. Teoretski model može biti poboljšan i proširen konkretnim podacima s operativnog stroja korištenjem [[dijagrama stanja]]. Since very few actual implementations of heat engines exactly match their underlying thermodynamic cycles, one could say that a thermodynamic cycle is an ideal case of a mechanical engine. U svakom slučaju, potpuno razumijevanje stroja i njegove iskoristivosti zahtijeva dobro poznavanje (eventualno pojednostavljenih) teoretskih modela, praktičnih pojedinosti stvarnih motora, i poznavanje razlika između njih.
 
U općim uvjetima, što je veća temperatura dovođenja topline, a niža temperatura odvođenja, veći je potencijal [[toplinske učinkovitosti]] kružnog procesa(ciklusa). Na Zemlji, rashladni dio je ograničen do otprilike temperature okoliša, tako da se većina pokušaja poboljšanja stupnja iskoristivosti toplinskog stroja bazira na povišenju temperature ogrijevnog dijela(spremnika). Najveća teoretska učinkovitost toplinskog stroja (koju ne postiže nijedan stroj) jednaka je razlici temperatura između ogrijevnog i rashladnog spremnika podijeljenoj s temperaturom ogrijevnog spremnika. Sve temperature se uzimaju po [[apsolutnoj temperaturnoj skali]] ili u [[kelvinima]].
 
Korisnosti različitih toplinskih strojeva koji se danas koriste kreću se u rasponu od 3%{{Citation needed|date=April 2009}} (97% otpadne topline) za pretvorbu toplinske energije oceana, 25% za većinu motora u vozilima {{Citation needed|date=March 2011}}, 45% za [[najnovije elektrane na ugljen]], do oko 60% za plinske turbine s kombiniranim procesima hlađene parom.<ref>[http://memagazine.asme.org/Web/Efficiency_by_Numbers.cfm "Efficiency by the Numbers"] by Lee S. Langston</ref>
 
Korisnost svakog od ovih procesa određena je temperaturnim padom u njemu.
 
===Snaga===
Toplinski strojevi mogu biti opisani njihovom [[specifičnom snagom]], koja je obično zadana u [[kilovatima]] po [[litri]] zapremnine stroja (u SAD [[konjskim snagama]] po [[kubnom inču]]). Ta vrijednost nudi i približnu vrijednost vršne snage na izlazu stroja. To ne treba brkati s [[efikasnošću goriva]], budući da visoka efikasnost često zahtijeva čišći omjer gorivo-zrak, and thus lower power density. Moderni automobilski motor visokih performansi čini višak od 75&nbsp;kW/l (1.65&nbsp;hp/in³).
 
==Svakodnevni primjeri==
Primjeri toplinskih strojeva koje susrećemo svakodnevno uključuju npr. [[parni stroj]], the [[diesel motor]], a i [[motor s unutrašnjim izgaranjem|benzinski motor]] u [[automobilu]].
Svi ovi poznati toplinski motori dobivaju snagu ekspanzijom grijanih plinova.
Rashladni spremnik (npr. okoliš) daje relativno hladne plinove koji se brzo šire kada se zagriju i tako mehanički pokreću motor.
 
==Primjeri toplinskih strojeva==
Važno je napomenuti da iako neki strojevi imaju karakterističbu lokaciju izgaranja(unutarnju ili vanjsku), they often can be implemented with the other. Na primjer, [[John Ericsson]] je razvio stroj grijan izvana koji se pokreće na ciklus sličan ranijem [[Dieselovom ciklusu]]. Osim toga, izvana grijani motor može se provoditi zatvorenim i otvorenim ciklusima.
 
Ono što proizlazi je da postoji mnogo termodinamičkih ciklusa i mnogo načina kako ih provesti.
===Ciklusi s promjenama stanja===
U tim strojevima i ciklusima radne tvari su fluidi(plinovi i kapljevine). Stroj pretvara radni fluid iz plinovitog u tekuće stanje, iz tekućeg u plinovito, ili oboje, proizvodeći tako rad ekspanzijom ili kompresijom fluida.
* [[Rankinov ciklus]] (klasični parni stroj)
* [[Regenerativni ciklus]] ([[parni stroj]] učinkovitiji od [[Rankinovog ciklusa]])
* [[Organic Rankine cycle
* Ciklusi s promjenom pare u tekuće stanje([[Drinking bird]], [[Injector]], [[Minto wheel]])
* Ciklusi s promjenom tekućne u kruto stanje ([[Frost heaving]] &mdash; voda mijenjajući stanje od leda do tekućine može podići kamen do visine 60 cm
* Ciklusi s promjenom iz čvrstog u tekuće stanje ([[Dry ice cannon]] &mdash; suhi led sublimira u plinovito stanje.)
 
===Ciklusi s plinom kao radnom tvari===
U ovim ciklusima i strojevima radna tvar je uvijek plin (nema promjenje stanja):
* [[Carnotov ciklus]] ([[Carnotov toplinski stroj]])
* [[Ericssonov ciklus ([[Caloric Ship John Ericsson]])
* [[Stirlingov ciklus]] ([[Stirlingov stroj]], [[Thermoacoustic refrigeration|thermoacoustic]] devices)
* [[Motori s unutrašnjim izgaranjem]] (ICE):
** [[Ottov motor (e.g. [[Gasoline/Petrol engine]], [[high-speed diesel engine]])
** [[Diesel motor]] (e.g. low-speed [[diesel engine]])
** [[Atkinsonov motor]] ([[Atkinson Engine]])
** [[Braytonov cklus]] ili [[Jouleov ciklus]] izvorno [[Ericssonov ciklus]] ([[plinska turbina]])
** [[Lenoirov ciklus]] (e.g., [[pulse jet engine]])
** [[Millerov ciklus]]
 
===Ciklusi s kapljevinom kao radnom tvari===
U tim ciklusima radni fluid je uvijek u kapljevitom stanju:
* [[Stirlingov ciklus]] ([[Maloneov stroj]])
* Heat Regenerative Cyclone <ref>{{cite web|url=http://www.cyclonepower.com/works.html |title=Cyclone Power Technologies Website |publisher=Cyclonepower.com |date= |accessdate=2012-03-22}}</ref>
 
===Elektronski ciklusi( elekctron?)===
* [[Johnsonov termoelektrički izmjenjivač topline]]
* Thermoelectric ([[Peltier-Seebeck effect]])
* [[Thermionic emission]]
* [[Thermotunnel cooling]]
 
===Magnetic cycles===
* [[Thermo-magnetic motor]] (Tesla)
 
===Ciklusi korišteni za hlađenje===
{{main|refrigeration}}
[[Hladnjak]] u kućanstvu je primjer [[toplinske pumpe]]: suprotnost toplinskom stroju. Rad se koristi za stvaranje toplinske razlike. Mnogi ciklusi mogu raditi po obrnutom procesu prenoseći tako toplinu s rashladnog spremnika na ogrijevni, čineći tako hladniji spremnik hladnijim, a topliji toplijim.
Ciklusi za hlađenje uključuju:
* [[Hlađenje pomoću kompresije vodene pare]]
* [[Stirling engine#Stirling cryocoolers|Stirling cryocoolers]]
* [[Gas-absorption refrigerator]]
* [[Air cycle machine]]
* [[Vuilleumier refrigeration]]
* [[Magnetic refrigeration]]
 
===Toplinski strojevi na isparavanje===
[[Bartonov stroj na isparavanje]] je toplinski stroj koji se temelji na proizvodnji snage po ciklusu i pretvorbi vlažnog zraka koji se dobiva pomoću vodene pare u suhi zrak.
 
===Mesoscopic Heat Engines===
Mesoscopic heat engines are nanoscale devices that may serve the goal of processing heat fluxes and perform useful work at small scales. Potential applications include e.g. electric cooling devices.
In such mesoscopic heat engines, work per cycle of operation fluctuates due to thermal noise.
There is exact equality that relates average of exponents of work performed by any heat engine and the heat transfer from the hotter heat bath.<ref name='sinitsyn-11jpa'>{{cite journal|title=Fluctuation Relation for Heat Engines|author=N. A. Sinitsyn |journal=J. Phys. A: Math. Theor.|volume=44|year=2011|page=405001}}</ref> <!-- N.A. Sinitsyn 2011 JPA ''44''' 405001 --> This relation transforms the Carnot's inequality into exact equality.
 
==Korisnost==
Korisnost toplinskih strojeva nam govori koliko se korisnog rada dobije u odnosu na uloženu količinu toplinske energije.
 
Iz zakona termodinamike:
 
::<math> dW \ = \ dQ_c \ - \ (-dQ_h) </math>
:gdje
::<math> dW = -PdV </math> rad dobiven od stroja. (On je negativan ukoliko stroj obavlja rad.)
::<math> dQ_h = T_hdS_h </math> je toplinska energija uzeta od ogrijevnog spremnika visoke temperature. (Negativna je ukoliko je predana od izvora, pa je stoga <math>(-dQ_h)</math> pozitivno.)
::<math> dQ_c = T_cdS_c </math> je energija predana hladnijem toplinskom spremniku. (pozitivna je ako je toplina dodana sustavu)
 
Drugim riječima, toplinski stroj uzima toplinu od ogrijevnog spremnika više temperature, pretvarajući jedan njen dio u koristan rad i predajući ostatak rashladnom toplinskom spremniku.
 
Općenito, korisnost nekog toplinskog procesa (bilo kod hladnjaka, toplinske pumpe ili stroja) definirana je omjerom "onoga što dobijemo iz stroja" i "onoga što smo uložili."
 
Za slučaj toplinskog stroja matematički izraz za korisnost zadan je na sljedeći način:
 
::<math>\eta = \frac{-dW}{-dQ_h} = \frac{-dQ_h - dQ_c}{-dQ_h} = 1 - \frac{dQ_c}{-dQ_h}</math>
 
Maksimalna teoretska učinkovitost ovisi samo o temperaturama između kojih se odvija ciklus( temperatura dovođenja topline i temperatura odvođenja). Ova učinkovitost se obično izvodi koristeći zamišljeni idealni toplinski stroj kao npr. Carnotov toplinski stroj iako i drugi strojevi koji koriste drugačije cikluse mogu također postići maksimalnu učinkovitost. Matematički gledano, tome je tako zbog toga što je u [[Thermodynamic reversibility|reverzibilnim]] procesima, promjena [[entropije]] entropije rashladnog spremnika jednaka po iznosu promjeni entropije ogrijevnog spremnika, ali je i suprotnog predznaka (i.e., <math>dS_c = -dS_h</math>), pa je zbog toga ukupna promjena entropije jednaka nuli. Dakle:
 
::<math>\eta_\text{max} = 1 - \frac{T_cdS_c}{-T_hdS_h} = 1 - \frac{T_c}{T_h}</math>
 
Gdje je <math>T_h</math> is the [[apsolutna temperatura]] ogrijevnog spremnika, a <math>T_c</math> apsolutna temperatura rashladnog spremnika, obično mjerena u [[kelvinima]]. Treba imati na umu da <math>dS_c</math> je pozitivna kad je <math>dS_h</math> negativna; u svakom reverzibilnom procesu za dobivanje rada, ne događa se porast entropije cijelog sustava nego entropija pada ogrijevnom spremniku i raste za isti iznos rashladnom spremniku.
 
Razlog zašto je '''maksimalna''' korisnost ovako opisana je sljedeći. Prvo pretpostavimo da postoji toplinski stroj korisniji od Carnottova toplinskog stroja, i da je to reverzibilna toplinska pumpa. Matematičke analize pokazuju da pretpostavljena kombinacija rezultira smanjenjem [[entropije]]. Budući da je, prema [[drugom zakonu termodinamike]], to prektički nemoguće, korisnost Carnottovog toplinskog stroja je teoretski maksimalna moguća za bilo koji proces.
 
Empirijski, nijedan toplinski stroj nije nikad dao veću korisnost od Carnottova toplinskog stroja.
 
Figure 2 and Figure 3 show variations on Carnot cycle efficiency. Figure 2 indicates how efficiency changes with an increase in the heat addition temperature for a constant compressor inlet temperature. Figure 3 indicates how the efficiency changes with an increase in the heat rejection temperature for a constant turbine inlet temperature.
 
{| cellpadding="2" style="border:1px solid darkgrey; margin:auto;"
|-
| [[Image:GFImg3.png|thumb|none|450px|Figure 2: Carnot cycle efficiency with changing heat addition temperature.]]
| [[Image:GFImg4.png|thumb|none|450px|Figure 3: Carnot cycle efficiency with changing heat rejection temperature.]]
|}
 
===Endoreversible heat engines===
The most Carnot efficiency as a criterion of heat engine performance is the fact that by its nature, any maximally efficient Carnot cycle must operate at an infinitesimal temperature gradient. To je tako zato što je svaki prijenos topline između dva tijela različitih temperatura nepovratan(ireverzibilan proces), i stoga se Carntov izraz za iskoristivost primjenjuje samo u infinitezimalnim granicama. Glavni problem je u tome što je svrha većine toplinskih strojeva dobiti na izlazu snagu, a infinitezimalna snaga uglavnom i nije ono što se traži.
 
Različiti pokazatelji iskoristivosti idealnog Carnotovog ciklusa dani su razmatranjima [[endoreversible thermodynamics]], gdje je ciklus identican Carnotovu ciklusu s razlikom da procesi izmjene topline nisu reverzibilni (Callen 1985):
 
::<math>\eta = 1 - \sqrt{\frac{T_c}{T_h}}</math> (Opaska: Jedinice [[kelvin|K]] ili [[Rankinova skala|°R]])
 
Ovaj izraz je dosta precizniji u predviđanju korisnosti realnih strojeva.
{| class="wikitable"
|+'''Efficiencies of power stations'''
|-
! ''Power station'' !! <math>T_c</math> (°C) !! <math>T_h</math> (°C) !! <math>\eta</math> (Carnot) !! <math>\eta</math> (Endoreversible) !! <math>\eta</math> (Observed)
|-
! [[West Thurrock]] ([[United Kingdom|UK]]) [[coal-fired power station]]
| 25 || 565 || 0.64 || 0.40 || 0.36
|-
! [[CANDU reactor|CANDU]] ([[Canada]]) [[nuclear power station]]
| 25 || 300 || 0.48 || 0.28 || 0.30
|-
! [[Larderello]] ([[Italy]]) [[Geothermal power|geothermal power station]]
| 80 || 250 || 0.33 || 0.178 || 0.16
|}
 
Kao što je prikazano, korisnost ireverzibilnih procesa mnogo bliže opisuje promatrane podatke.
 
==Povijest==
{{Main|Timeline of heat engine technology}}
{{See also|History of the internal combustion engine|History of thermodynamics}}
 
Toplinski strojevi poznati su od davnina, ali korisni uređaji na njihovom principu počeli su se izrađivati tek u 18. Stoljeću za vrijeme industrijske revolucije. Na njihovom razvijanju radi se i danas.
 
==Poboljšanja toplinskih strojeva==
Inženjeri su proučavali različite kružne procese toplinskih strojeva ponajviše zbog toga da se poveća vrijednost korisnog rada koji se može dobiti od određenog izvora snage. Gornja granica korisnosti Carnotovog procesa ne može se postići nijednim kružnim procesom na bazi plina, ali inženjeri su izradili najmanje dva načina kako je moguće približiti se toj gornjoj granici i jedan način kako dobiti bolju efikasnost bez kršenja bilo kakvih pravila.
# Povećanje razlike temperatura u toplinskom stroju. Najjednostavniji način postizanja veće temperaturne razlike je povisiti temperaturu ogrijevnog spremnika, što je i način koji se koristi u kombiniranim ciklusima [[plinske turbine]]. Nažalost, fizičke granice(točka tališta materijala od koje je motor izrađen) i ekološka pitanja u vezi [[NOx|NO<sub>x</sub>]] proizvodnje ograničavaju najveću dopuštenu temperaturu kod toplinskih strojeva. Moderne plinske turbine rade na što je moguće višim temperaturama, ali opet u granicama koje se moraju ispoštovati kako bi se zadržala prihvatljiva količina ispuštenih NO<sub>x</sub> {{Citation needed|date=January 2010}}. Drugi način postizanja veće temperaturne razlike je pomoću smanjivanja izlazne temperature. Jedna nova metoda kako se to postiže je da se koriste miješani radni fluidi, a tada se iskorištava promjena ponašanja smjese. Jedan od najpoznatijih takvih je takozvani [[Kalina ciklus]], koji kao radni fluid koristi smjesu [[amonijaka]] i vode u omjeru 70/30 . Ova mješavina omogućava da se u ciklusu snaga generira pri znatno nižim temperaturama nego kod ostalih procesa.