2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

Η ιςτορία των μθχανϊν αυτϊναρχίηει το 1712 όταν ο ThomasNewcomen (Τόμασ Νιουκάμεν)επινόθςε τθν πρϊτθ ατμομθχανι. Ηατμομθχανι του Newcomen ιταναρκετά χοντροκομμζνθ καιχρθςιμοποιικθκε για τθν άντλθςθνεροφ από τα ορυχεία.

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

Θερμικζσ μθχανζσ ονομάηουμε τισ διατάξεισ που μετατρζπουν τθ κερμότθτα ςε μθχανικό ζργο.

Το 1769 ο Watt, βελτίωςετθν μθχανι του Newcomenκαι παρουςίαςε μια μθχανιγια πολλζσ χριςεισ. Ηεφεφρεςθ τθσ ατμομθχανισκαι ςτθ ςυνζχεια θ διάδοςθτθσ χριςθσ τθσ είχε ωσαποτζλεςμα βακιζσ αλλαγζσςτθ ηωι των ανκρϊπων καιςτισ κοινωνικζσ δομζσ. Ηπερίοδοσ που ακολοφκθςεονομάςτθκε βιομθχανικιεπανάςταςθ.

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

Επειδι θ μθχανι μετατρζπει ςυνεχϊσ τθκερμότθτα ςε ζργο πρζπει θ μεταβολι ςτθνοποία υποβάλλεται το μζςον να είναικυκλικι.

Κατά τθ διάρκεια τθσ κυκλικισ μεταβολισ του μζςου, θ μθχανι1.απορροφά κερμότθτα (Qh) από μια δεξαμενι υψθλισ κερμοκραςίασ Th.2.παράγει ζργο.3.αποβάλλει κερμότθτα (Qc) ςε μια δεξαμενι χαμθλότερθσ κερμοκραςίασ

Τc.

O ςυντελεςτισ απόδοςθσ (e) οποιαςδιποτε μθχανισ είναι ο λόγοσ τουωφζλιμου ζργου που μασ δίνει θ μθχανι προσ τθν ενζργεια που δαπανοφμε γιανα λειτουργιςει.

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

hQ

We

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

ch QQW

h

ch

Q

QQe

hQ

We

h

c

Q

Qe 1

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

2-11 ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΜΗΧΑΝΕΣ

Kφκλοσ Otto (βενηινοκινθτιρασ)

ΑΒ : ιςόχωρθ κζρμανςθ ςε όγκο V1.ΒΓ : αδιαβατικι εκτόνωςθ.ΓΔ : ιςόχωρθ ψφξθ ςε όγκο V2.ΔΑ : αδιαβατικι ςυμπίεςθ.

2-12. Ο ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

Είναι αδφνατο να καταςκευαςτεί κερμικι μθχανιπου να μετατρζπει εξ ολοκλιρου τθ κερμότθτα ςεωφζλιμο ζργο.

Kelvin και Planck

Clausious

Είναι αδφνατο να καταςκευαςτεί μθχανι που ναμεταφζρει κερμότθτα από ζνα ψυχρό ςϊμα ςεζνα κερμότερο χωρίσ να δαπανάται ενζργεια γιατθ λειτουργία τθσ.

Ο πρϊτοσ κερμοδυναμικόσ νόμοσ δεν κζτει περιοριςμοφσ ςτισμετατροπζσ τθσ ενζργειασ. Σφμφωνα με το δεφτερο, όμωσ, θφφςθ κζτει περιοριςμοφσ ςτθ μετατροπι ενζργειασ από τθ μιαμορφι ςτθν άλλθ. Η κερμότθτα δε μπορεί να μεταςχθματιςτείκατά 100% ςε μθχανικι ενζργεια. Επίςθσ ο δεφτεροσκερμοδυναμικόσ νόμοσ, κακορίηοντασ ότι θ κερμότθταμεταφζρεται πάντα από τα κερμότερα προσ τα ψυχρότεραςϊματα, κακορίηει τθν κατεφκυνςθ προσ τθν οποία τα φαινόμεναςυμβαίνουν αυκόρμθτα ςτθ φφςθ.

2-12. Ο ΔΕΥΤΕΡΟΣ ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΟΣ ΝΟΜΟΣ

2-13. H MHXANH TOY CARNOT

Δεν μπορεί να υπάρξει κερμικι μθχανι που να ζχει μεγαλφτερθαπόδοςθ από μια μθχανι Carnot θ οποία λειτουργεί ανάμεςαςτισ ίδιεσ κερμοκραςίεσ.

1.Κατά τθ μεταβολι Α Β, το αζριο βρίςκεται ςε επαφι με τθ κερμι δεξαμενι καιεκτονϊνεται ιςόκερμα ςε κερμοκραςία Th, απορρουώντας θερμότητα Qh.

2.Κατά τη μεταβολή Β Γ, το αζριο είναι κερμικά μονωμζνο και εκτονϊνεταιαδιαβατικά μζχρι θ κερμοκραςία του να πάρει τθν τιμι Τc.

3.Κατά τη μεταβολή Γ Δ, το αζριο βρίςκεται ςε επαφι με τθ δεξαμενι χαμθλισκερμοκραςίασ Τc και σσμπιέζεται ισόθερμα σε θερμοκρασία Τc, αποβάλλοντας

θερμότητα Qc.

4.Κατά τη μεταβολή Δ Α, το αζριο είναι κερμικά μονωμζνο και ςυμπιζηεταιαδιαβατικά ϊςτε να επανζλκει ςτθν αρχικι του κατάςταςθ.

2-13. H MHXANH TOY CARNOT

2-13. H MHXANH TOY CARNOT

h

c

Q

Qe 1

Q

Q

T

T

c

h

c

h

h

c

CarnotT

Te 1

Επειδι οι περιςςότερεσ πρακτικζσ εφαρμογζσ ζχουν ςαν ψυχρι δεξαμενι τοπεριβάλλον, δθλαδι κερμοκραςία περίπου 300 Κ, όςο μεγαλφτερθ κερμοκραςία ζχει το ςϊμαπου "δίνει" κερμότθτα τόςο πιο αποδοτικι μπορεί να είναι θ εκμετάλλευςι τθσ. Επίςθσ τοαποτζλεςμα επιβεβαιϊνει το δεφτερο κερμοδυναμικό νόμο. Για να ζχουμε απόδοςθ 100%πρζπει Τc=0, που είναι αδφνατον.