ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

ΟΡΙΣΜΟΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

 Θερμική μηχανή ονομάζεται κάθε διάταξη που μετασχηματίζει θερμότητα σε μηχανικό έργο,επαναλαμβάνοντας συνεχώς την ίδια θερμοδυναμική μεταβολή.

Θερμική μηχανή ονομάζεται κάθε διάταξη που μετασχηματίζει θερμότητα σε μηχανικό έργο,επαναλαμβάνοντας συνεχώς την ίδια θερμοδυναμική μεταβολή

 Μια πολύ γνωστή θερμική μηχανή είναι η ατμομηχανή.

Μηχανή εσωτερικής καύσης

 Επίσης θερμικές μηχανές είναι οι μηχανές εσωτερικής καύσης όπως των αυτοκινήτων,πλοίων κ.τ.λ.

ΙΣΤΟΡΙΑ ΤΩΝ ΘΕΡΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΩΝ

 Οι θερμικές μηχανές αναπτύχθηκαν τον 18ο και 19ο αιώνα,κυριαρχούν στη σημερινή εποχή και επέτρεψαν στον άνθρωπο να αντικαταστήσει με αυτές τα χέρια του στην παραγωγή έργου.

Η πρώτη θερμική μηχανή,γνωστή και ως αιολικός κινητήρας του Ήρωνα

 Ιστορικά η πρώτη θερμική μηχανή που κατασκευάστηκε είναι από τον Ήρωνα τον Αλεξανδρινό περίπου το 100 μ.Χ.,γνωστή και ως αιολικός κινητήρας του Ήρωνα.
 Επίσης ο Ήρωνας περιγράφει και ένα σύστημα που έκλεινε τις πόρτες ενός ναού με χρήση της θερμότητας από τη φωτιά που άναβε το βωμό του ναού.

Αιολικός κινητήρας του Ήρωνα

 Οι πρώτες βασικές έννοιες για την θερμότητα και τη θερμοκρασία υπήρχαν από το 1600.Οι επιστήμονες της εποχής εκείνης φαίνεται ότι να είχαν σκεφτεί σωστά ότι η θερμότητα συνδέεται με την κίνηση των μικροσκοπικών συστατικών της ύλης.

Η πρώτη ατμομηχανή που κατασκευάστηκε από τον Τόμας Νιούκομεν για την άντληση νερού   

 Σαν επιστήμη η θερμοδυναμική αρχίζει με την κατασκευή του πρώτου κινητήρα ατμού από τον Τόμας Σέιβερι το 1697 και τον Τόμας Νιουκόμεν στην Αγγλία το 1712.Χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού.Αργότερα οι επιστήμονες προσπαθούσαν να βελτιώσουν και να τελειοποιήσουν τις μηχανές που μετέτρεπαν τη θερμότητα σε ωφέλιμο έργο.Η μηχανή αυτή τροποποιήθηκε και βελτιώθηκε αργότερα από τον Βαττ και αποτέλεσε τον πρόδρομο των σύγχρονων ατμομηχανών.

Ο Τζέιμς Βαττ (19 Ιανουαρίου 1736–25 Αυγούστου 1819) ήταν Σκωτσέζος μηχανουργός, μηχανικός και εφευρέτης.Ο Τζέιμς Βαττ ονομάσθηκε "πατέρας της ατμομηχανής" ιδιαίτερα για τη χρήση του ατμού για τη θέρμανση του κυλίνδρου, και κυρίως για την κατασκευή μιας ατμομηχανής που μπορούσε να χρησιμοποιηθεί σε ευρεία κλίμακα σε πολλές εφαρμογές,οδηγώντας έτσι στην έλευση της Βιομηχανικής Επανάστασης.Προς τιμή του ονομάστηκε ειδική μονάδα μέτρησης ισχύος λεγόμενη Βατ

 Πολλές δραστηριότητες της καθημερινής ζωής του ανθρώπου,όπως η θέρμανση και το μαγείρεμα,στηρίζονται στη χρήση της,θερμότητας.Η μεταλλουργία και η κεραμική ήταν για πολλούς αιώνες οι σημαντικότεροι τομείς στους οποίους ο άνθρωπος χρησιμοποίησε τη θερμότητα.Πολύ αργότερα,αντιλήφθηκε ότι η θερμότητα συνδέεται με την κίνηση και τον 18ο αιώνα κατασκεύασε την πρώτη ατμομηχανή.Η ατμομηχανή είναι μια μηχανή που μετασχηματίζει τη θερμότητα σε μηχανικό έργο.Η θερμότητα προκύπτει από τα καύσιμα που καίγονται και χρησιμοποιείται για να μετασχηματίσει το νερό σε ατμό,ο οποίος χρησιμοποιείται για να κινήσει τροχούς ή μοχλούς.

Η πρώτη ατμομηχανή για τα τρένα

 Από τότε,πολλές εργασίες έπαψαν να γίνονται χειρωνακτικά ή με τη βοήθεια ζώων και αναπτύχθηκαν οι πρώτες βιομηχανίες.Με την εκτεταμένη χρήση των μηχανών στην παραγωγή αγαθών,ξεκινά η βιομηχανική επανάσταση.

 Τον 19ο αιώνα κατασκευάστηκαν οι κινητήρες εσωτερικής καύσης,δηλαδή,ο πετρελαιοκινητήρας και ο βενζινοκινητήρας.Η ανακάλυψη των κοιτασμάτων πετρελαίου οδήγησε τον τεχνικό κόσμο του 20ου αιώνα στην ανάγκη εφεύρεσης συστημάτων ικανών να αξιοποιήσουν το καινούργιο καύσιμο.

Ένα από τα πρώτα αυτοκίνητα με κινητήρα εσωτερικής καύσης

 Αρχικά ο Γάλλος μηχανικός Etienne Lenoir και στη συνέχεια ο Γερμανός Nikolaus Agust Otto κατασκευάζουν τις πρώτες μηχανές εσωτερικής καύσης. 
 Το 1885 ο Γερμανός μηχανικός Benz προσαρμόζει τη μηχανή του Otto σε αμάξωμα,τοποθετεί τρεις τροχούς και δημιουργεί το πρώτο αυτοκινούμενο όχημα.
 Τον επόμενο χρόνο ο Γερμανός μηχανικός Daimler κατασκευάζει το πρώτο τετράτροχο αυτοκίνητο με μηχανή εσωτερικής καύσης.

 Ο 20ος αιώνας χαρακτηρίζεται από τρομακτική αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας.Προβλήματα όπως η προστασία του περιβάλλοντος και η εξάντληση των ενεργειακών πόρων δεν απασχολούσαν κανέναν.Τα πάντα όμως θα άλλαζαν σύντομα.

Κατά τη λειτουργία των μηχανών αποβάλλονται καυσαέρια  

 Ωστόσο,αν και οι μηχανές συνεισέφεραν στη βελτίωση του τρόπου ζωής του ανθρώπου,η χρήση τους προκάλεσε και σημαντικά προβλήματα.Κατά τη λειτουργία των μηχανών αποβάλλονται καυσαέρια ή δημιουργούνται ραδιενεργά κατάλοιπα τα οποία μολύνουν το περιβάλλον.Επίσης,κατά τη λειτουργία των θερμικών μηχανών μεταφέρεται στην ατμόσφαιρα και θερμότητα.Η θερμοκρασία του περιβάλλοντος αυξάνεται και η ισορροπία των οικοσυστημάτων διαταράσσεται.Η χρησιμοποίηση των θερμικών μηχανών χωρίς τη λήψη των κατάλληλων μέτρων δημιουργεί οικολογικά προβλήματα στον πλανήτη μας.

Ένας σύγχρονος κινητήρας αεροσκαφών

 Η θερμοδυναμική σήμερα έχει μεγάλο πρακτικό ενδιαφέρον.Η πρόοδος της θερμοδυναμικής οδήγησε στην κατασκευή όλων των σύγχρονων θερμικών μηχανών, βενζινοκινητήρων, πετρελαιοκινητήρων, κινητήρων αεροσκαφών, ατμοστρόβιλων.

ΔΙΑΤΑΞΗ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

 Μια θερμική μηχανή περιλαμβάνει τα εξής μέρη:

Μια θερμική μηχανή περιλαμβάνει μια δεξαμενή θερμότητας με υψηλή θερμοκρασία Τh.Αυτή η  δεξαμενή θερμότητας ονομάζεται θερμή πηγή.Ένα μέσο Μ υγρό ή συνηθέστερα αέριο που παίρνοντας θερμότητα Qh από την θερμή πηγή εκτελεί μια κυκλική μεταβολή.Μια δεξαμενή θερμότητας με χαμηλή θερμοκρασία Τc.Αυτή η  δεξαμενή θερμότητας ονομάζεται ψυχρή πηγή η οποία σε κάθε κύκλο δέχεται θερμότητα Qc από το μέσο Μ

α) Μια δεξαμενή θερμότητας με υψηλή θερμοκρασία Τh.
 Αυτή η  δεξαμενή θερμότητας ονομάζεται θερμή πηγή.Θεωρούμε ότι οι θερμοκρασίες των πηγών δε μεταβάλλονται από την αφαίρεση ή την προσφορά ποσών θερμότητας σ' αυτές.
β) Ένα μέσο Μ υγρό ή συνηθέστερα αέριο που παίρνοντας θερμότητα Qh από την θερμή πηγή εκτελεί μια κυκλική μεταβολή.
γ) Μια δεξαμενή θερμότητας με χαμηλή θερμοκρασία Τc.
 Αυτή η  δεξαμενή θερμότητας ονομάζεται ψυχρή πηγή η οποία σε κάθε κύκλο δέχεται θερμότητα Qc από το μέσο Μ.

Η μηχανή μετατρέπει συνεχώς τη θερμότητα σε έργο και η μεταβολή στην οποία υποβάλλεται το μέσον  είναι κυκλική

 Η μηχανή μετατρέπει συνεχώς τη θερμότητα σε έργο και η μεταβολή στην οποία υποβάλλεται το μέσον  είναι κυκλική,έτσι ώστε,όταν ολοκληρωθεί η μεταβολή,η μηχανή να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση και να επαναλάβει την ίδια διαδικασία ξανά και ξανά.

ΔΙΑΤΑΞΗ ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗΣ

 Ας θεωρήσουμε το παράδειγμα της ατμομηχανής.
 Σ' αυτήν θερμή πηγή είναι ο λέβητας(βραστήρας) που ζεσταίνει το νερό και το κάνει ατμό.Στο λέβητας η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή μέσω της ελεγχόμενης καύσης κάποιου καυσίμου. 

Η εξέλιξη της ατμομηχανής

 Μέσο Μ είναι ο θερμός ατμός που εκτονώνεται και έτσι μέρος της ενέργειας του,μετατρέπεται μέσω του έργου σε μηχανική ενέργεια.

Ψυχρή πηγή είναι ο συμπυκνωτής ή το περιβάλλον όπου διαφεύγει ο ατμός μετά την εκτόνωση μέσα στον κύλινδρο

 Ψυχρή πηγή είναι ο συμπυκνωτής ή το περιβάλλον όπου διαφεύγει ο ατμός μετά την εκτόνωση μέσα στον κύλινδρο.Ο συμπυκνωτής,ο οποίος βρίσκεται σε επαφή ή με την ατμόσφαιρα ή με μια μάζα νερού,οπότε η θερμοκρασία του διατηρείται επίσης σταθερή. 

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΑΤΜΟΜΗΧΑΝΗΣ

 Στο λέβητα παράγεται θερμός ατμός υψηλής πίεσης.Μέσω της βαλβίδας Α (βαλβίδα εισαγωγής) ο ατμός διοχετεύεται στον κύλινδρο,σπρώχνει το έμβολο και παράγει έργο.Καθώς ο ατμός εκτονώνεται μέσα στον κύλινδρο,η πίεση και η θερμοκρασία του ελαττώνονται.

Η αρχή λειτουργίας της ατμομηχανής

 Στη συνέχεια ο ατμός που τώρα έχει  χαμηλή πίεση αποβάλλεται από τον κύλινδρο,από τη βαλβίδα Β (βαλβίδα εξαγωγής),και διοχετεύεται σε μια διάταξη που ονομάζεται συμπυκνωτής.Εκεί ο ατμός ψύχεται με τρεχούμενο νερό ή από τον αέρα και συμπυκνώνεται πάλι σε νερό.Το νερό οδηγείται πίσω στο λέβητα.

Στους βενζινοκινητήρες,τα θερμά αέρια που παράγονται από την καύση της βενζίνης με τον αέρα σπρώχνουν το έμβολο του κυλίνδρου και παράγουν έργο

 Στους βενζινοκινητήρες,τα θερμά αέρια που παράγονται από την καύση της βενζίνης με τον αέρα σπρώχνουν το έμβολο του κυλίνδρου και παράγουν έργο.Στη συνέχεια αποβάλλονται από τον κύλινδρο και μέσω της εξάτμισης διοχετεύονται στο περιβάλλον.

Στην ατμομηχανή το υλικό που υποβάλλεται στην κυκλική διεργασία είναι το νερό

 Στην ατμομηχανή το υλικό που υποβάλλεται στην κυκλική διεργασία είναι το νερό.Το νερό αφού γίνει ατμός και ολοκληρώσει την πορεία του μέσω του κυλίνδρου και του συμπυκνωτή επιστρέφει στο λέβητα στις ίδιες συνθήκες.

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

 Κατά την διάρκεια της κυκλικής μεταβολής του μέσου Μ,η μηχανή:
α) Απορροφά μια ποσότητα θερμότητας Qh (δαπανόμενη ενέργεια) από τη θερμή πηγή υψηλής θερμοκρασίας Th.
β) Παράγει μηχανικό έργο W (ωφέλιμο έργο).
γ) Αποβάλλει μια ποσότητα θερμότητας Qc (|Qc|<Qh) (απώλεια) στην ψυχρή πηγή χαμηλότερης θερμοκρασίας    Τc.

Κατά την διάρκεια της κυκλικής μεταβολής του μέσου Μ,η μηχανή απορροφά μια ποσότητα θερμότητας Qh (δαπανόμενη ενέργεια) από τη θερμή πηγή υψηλής θερμοκρασίας Th,παράγει μηχανικό έργο W (ωφέλιμο έργο) και αποβάλλει μια ποσότητα θερμότητας Qc (|Qc|<Qh) (απώλεια) στην ψυχρή πηγή χαμηλότερης θερμοκρασίας    Τc

 Σύμφωνα με τον 1ο θερμοδυναμικό νόμο έχουμε ΔQ=ΔU+W.Επειδή το μέσο Μ παθαίνει κυκλική μεταβολή η εσωτερική ενέργεια δεν αλλάζει,δηλαδή ΔU=0.
  Άρα έχουμε:

ΔQ=ΔU+W     ή  

W=ΔQ            ή 

                                                                W=Qh-|Qc|

ΣΥΝΤΕΛΕΣΤΗΣ ΑΠΟΔΟΣΗΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΜΗΧΑΝΗΣ

  Συντελεστής απόδοσης (e) οποιασδήποτε θερμικής μηχανής ονομάζεται το πηλίκο του ωφέλιμου έργου W που παράγεται,προς την ποσότητα θερμότητας Qh που δαπανάται από τη μηχανή,στη διάρκεια ενός κύκλου. 

                                                                 e=W/Qh

 Το καθαρό ποσό θερμότητας Q που απορροφά το μέσον είναι το ποσό θερμότητας που παίρνει από τη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας μείον αυτό που αποβάλλει στη δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας,Qh-|Qc|.

Συντελεστής απόδοσης (e) οποιασδήποτε θερμικής μηχανής ονομάζεται το πηλίκο του ωφέλιμου έργου W που παράγεται,προς την ποσότητα θερμότητας Qh που δαπανάται από τη μηχανή,στη διάρκεια ενός κύκλου

 Στην κυκλική μεταβολή το έργο που παράγει το αέριο ισούται με το καθαρό ποσό θερμότητας που απορροφά δηλαδή W=Qh-|Qc|.

Στην κυκλική μεταβολή το έργο που παράγει το αέριο ισούται με το καθαρό ποσό θερμότητας που απορροφά δηλαδή W=Qh-|Qc|

 Αντικαθιστώντας στη e=W/Qh βρίσκουμε:

e=W/Qh                     ή       

e=Qh-|Qc|/Qh                      ή     

                                                                   e=1-|Qc|/Qh

 Επειδή |Qc|<Qh ή |Qc|/Qh<1,η σχέση e=1-|Qc|/Qh δίνει e<1 και αυτό συμφωνεί με το 2ο θερμοδυναμικό νόμο.
 Η απόδοση e είναι καθαρός αριθμός και συνήθως εκφράζεται επί τοις εκατό.