Φυσική (Β Λυκείου Θετικών Σπουδών) - Βιβλίο Μαθητή (Εμπλουτισμένο)
| 4-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ Θερμικές μηχανές ονομάζουμε τις διατάξεις που μετατρέπουν τη θερμότητα σε μηχανικό έργο.
Η ιστορία των μηχανών αυτών αρχίζει το 1712 όταν ο Thomas Newcomen (Τόμας Νιουκάμεν) επινόησε την πρώτη ατμομηχανή. Η ατμομηχανή του Newcomen ήταν αρκετά χοντροκομμένη και χρησιμοποιήθηκε για την άντληση νερού από τα ορυχεία. Το 1769 ο Watt, βελτίωσε την μηχανή του Newcomen και παρουσίασε μια μηχανή για πολλές χρήσεις. Η εφεύρεση της ατμομηχανής και στη συνέχεια η διάδοση της χρήσης της είχε ως αποτέλεσμα βαθιές αλλαγές στη ζωή των ανθρώπων και στις κοινωνικές δομές. Η περίοδος που ακολούθησε ονομάστηκε βιομηχανική επανάσταση. Από την εποχή του Newcomen και του Watt μέχρι σήμερα οι θερμικές μηχανές έκαναν μεγάλο δρόμο. Οι ατμομηχανές τελειοποιήθηκαν, επινοήθηκαν νέες θερμικές μηχανές, όπως οι μηχανές ντίζελ, οι βενζινοκινητήρες, οι αεροστρόβιλοι που χρησιμοποιούνται στα αεροπλάνα και οι ατμοστρόβιλοι που χρησιμοποιούνται στα εργοστάσια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που χρησιμοποιούμε σήμερα σχετίζεται με τη χρήση των θερμικών μηχανών.
Το σχήμα 2.19 παριστάνει το μοντέλο μιας ατμομηχανής. Στο λέβητα παράγεται θερμός ατμός υψηλής πίεσης, ο οποίος - μέσω της βαλβίδας Α (βαλβίδα εισαγωγής) - διοχετεύεται στον κύλινδρο, σπρώχνει το έμβολο και παράγει έργο. Καθώς ο ατμός εκτονώνεται μέσα στον κύλινδρο, η πίεση και η
|  Εικ. 4.3 H ατμομηχανή του Watt. |
|
Σχ. 4.19 Αρχή λειτουργίας της ατμομηχανής.
Σχ. 4.4 Κύκλος βενζινοκινητήρα τεσσάρων χρόνων. (1) Το έμβολο κατεβαίνει. Η βαλβίδα εισόδου είναι ανοικτή, μίγμα βενζίνης - αέρα γεμίζει τον κύλινδρο.(2) Το έμβολο ανεβαίνει. Οι βαλβίδες είναι κλειστές και το μίγμα συμπιέζεται (3) Το μίγμα αναφλέγεται με το σπινθήρα που προκαλεί το μπουζί και τα αέρια της καύσης απωθούν βίαια το έμβολο προς τα κάτω (4) Το έμβολο ανεβαίνει. Η βαλβίδα εξαγωγής είναι ανοικτή και τα καυσαέρια απομακρύνονται από τον κύλινδρο.
 Σχ. 4.20 Αρχή λειτουργίας μιας θερμικής μηχανής. Η κυκλική περι-οχή συμβολίζει τη μηχανή η οποία δέχεται ποσό θερμότητας Qh από τη θερμή δεξαμενή, παράγει έργο W και αποβάλλει ποσό θερμότητας Qc στην ψυχρή δεξαμενή. | θερμοκρασία του ελαττώνονται. 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. Στη συνέχεια αποβάλλονται από τον κύλινδρο και μέσω της εξάτμισης διοχετεύονται στο περιβάλλον.
Σχηματικά θα μπορούσαμε να πούμε ότι η θερμική μηχανή είναι μια διάταξη που υποβάλλει ένα «μέσον» σε μια μεταβολή. Επειδή η μηχανή μετατρέπει συνεχώς τη θερμότητα σε έργο πρέπει η μεταβολή στην οποία υποβάλλεται το μέσον να είναι κυκλική, ώστε, όταν ολοκληρωθεί η μεταβολή, η μηχανή να επιστρέψει στην αρχική της κατάσταση και να επαναλάβει την ίδια διαδικασία ξανά και ξανά. 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.
Κατά τη διάρκεια της κυκλικής μεταβολής του μέσου, η μηχανή
|
Προηγουμένως χρησιμοποιήσαμε τον όρο δεξαμενή θερμότητας. Έτσι συνηθίζουμε να λέμε ένα σώμα που παραμένει σε σταθερή θερμοκρασία ακόμη κι αν παίρνει ή δίνει θερμότητα. Στην ατμομηχανή δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας είναι ο λέβητας, του οποίου η θερμοκρασία διατηρείται σταθερή μέσω της ελεγχόμενης καύσης κάποιου καυσίμου, ενώ δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας είναι ο συμπυκνωτής, ο οποίος βρίσκεται σε επαφή ή με την ατμόσφαιρα ή με μια μάζα νερού, οπότε η θερμοκρασία του διατηρείται επίσης σταθερή. Στις μηχανές εσωτερικής καύσης το καιόμενο υγρό καύσιμο μέσα στο θάλαμο καύσης -κύλινδρο- είναι η δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας και το περιβάλλον, όπου διοχετεύονται τα καυσαέρια, η δεξαμενή χαμηλής θερμοκρασίας.
O συντελεστής απόδοσης (e) οποιασδήποτε μηχανής είναι ο λόγος τουωφέλιμου έργου που μας δίνει η μηχανή προς την ενέργεια που δαπανούμεγια να λειτουργήσει.
Στη θερμική μηχανή η ενέργεια που δαπανούμε είναι η θερμότητα Qh με την οποία τροφοδοτούμε τη μηχανή από τη δεξαμενή υψηλής θερμοκρασίας.
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|. Στην κυκλική μεταβολή το έργο που παράγει το αέριο ισούται με το καθαρό ποσό θερμότητας που απορροφά δηλαδή Αντικαθιστώντας στη (4.17) βρίσκουμε
Οι ατµοµηχανές έχουν απόδοση έως 18%, ενώ στις ατµοµηχανές που είναι εφοδιασµένες µε στρόβιλο, αντί για κύλινδρο και έµβολο, η απόδοση φτάνει µέχρι και 40%. Οι βενζινοµηχανές έχουν απόδοση περίπου 20%, ενώ οι µηχανές ντίζελ από 35% έως 40%.
|  Εικ. 4.5 Βενζινοκινητήραςαυτοκινήτου. |
| ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-1 | |||||||||
| Μηχανή εσωτερικής καύσης καταναλώνει σε κάθε κύκλο λειτουργίας της θερμότητα 5000 J και αποβάλλει στην εξάτμιση θερμότητα 3500 J. Υπολογίστε το συντελεστή απόδοσης της μηχανής. Απάντηση:Ο συντελεστής απόδοσης μιας μηχανής δίνεται από την σχέση (4.18)
|
|
 Εικ. 4.6 Ατμοστρόβιλος σε εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
|  Εικ. 4.7 Πυρηνικό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στη Βιρτζίνια των Η.Π.Α. Παράγει ηλεκτρική ισχύ 900 ΜW και ταυτόχρονα αποβάλλει στο κοντινό ποτάμι θερμότητα με ρυθμό 2100 ΜW. To εργοστάσιο αυτό όπως και τα υπόλοιπα του είδους του «πετάει» πολύ περισσότερη ενέργεια από όση αποδίδει σε χρήσιμη μορφή. |
| ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-2 | ||||||||||||||
| Θερμική μηχανή έχει απόδοση 25%, και σε κάθε κύκλο παράγει ωφέλιμο έργο 2000 J. Υπολογίστε την ενέργεια που δαπανάται για κάθε κύκλο λειτουργίας της μηχανής. Απάντηση:Ο συντελεστής απόδοσης μιας μηχανής δίνεται από τη σχέση (4.17)
Για τη λειτουργία της μηχανής δαπανάται θερμότητα 8000 J σε κάθε κύκλο. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-3 |
| Ο κινητήρας Diesel της εικόνας χρησιμοποιείται σε μικρά φορτηγά πλοία. Ο συντελεστής απόδοσης ενός τέτοιου κινητήρα είναι 0,25. Το πλοίο που τον φέρει ταξιδεύει με 15 κόμβους. Οι δεξαμενές του πλοίου περιέχουν 150 τόνους καυσίμου. Ποια απόσταση μπορεί να διανύσει το πλοίο με αυτά τα καύσιμα; [1 κόμβος = 1 ναυτικό μίλι /h = 1852 m/h. 1 kg καυσίμου αποδίδει κατά την καύση του 39800 kJ].
Απάντηση: Ο κινητήρας αποδίδει ισχύ P = 12 x 220kW = 2640kW Η απόδοση του κινητήρα είναι ο λόγος της μηχανικής ισχύος (P) που αποδίδει ο κινητήρας κατά τη λειτουργία του προς την θερμική ισχύ (Ph) που παίρνει κατά την καύση του καυσίμου.
|  Εικ. 4.8 Φινλανδικός κινητήρας Diesel Wartsila 12 κύλινδροι σε διάταξη V. Εσωτερική διάμετρος κυλίνδρου: 200 mm. Διαδρομή εμβόλου: 240 mm. Κυλινδρισμός: 7,54 L ανά κύλινδρο. Ισχύς: 220 kW ανά κύλινδρο για ταχύτητα 15 κόμβων. |
| Από τα καύσιμα, σε χρονικό διάστημα Δt = 1 h αποδίδεται θερμότητα
Qh = PhΔt = 10.560kW·3.600 s = 38.016.000kJ
Η μάζα του καυσίμου που αποδίδει τόση θερμότητα κατά την καύση της είναι
Σε μια ώρα το πλοίο διανύει 15ν.μ / h x 1852m / ν.μ x 1h = 27780m = 27,78 km
Αφού με 955 kg καυσίμου το πλοίο διανύει 27,78 km με τους 150 τόνους θα διανύσει
ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 4-3 |
| Kύκλος Otto (βενζινοκινητήρας) Το ιδανικό αέριο θερμικής μηχανής εκτελεί την κυκλική μεταβολή του σχήματος 2.21 που περιλαμβάνει τις πιο κάτω διαδοχικές μεταβολές. |  Σχ. 4.21 |
| Απάντηση:
 | ||||||||||||||||||||||||||||||||
