Silnik cieplny
W inżynierii i termodynamice, silnik cieplny przekształca energię cieplną w pracę mechaniczną wykorzystując różnicę temperatur pomiędzy gorącym "źródłem" a zimnym "pochłaniaczem". Ciepło jest przekazywane ze źródła, przez "ciało robocze" silnika, do "zlewu", a w tym procesie część ciepła zamienia się w pracę dzięki wykorzystaniu właściwości gazu lub cieczy wewnątrz silnika.
Istnieje wiele rodzajów silników cieplnych. Każdy z nich ma swój cykl termodynamiczny. Silniki cieplne są często nazywane po cyklu termodynamicznym, którego używają, jak np. cykl Carnota. Często przyjmują one nazwy potoczne, takie jak silniki benzynowe/benzynowe, turbinowe lub parowe.
Silniki spalinowe wytwarzają ciepło wewnątrz samego silnika. Inne silniki cieplne mogą absorbować ciepło z zewnętrznego źródła. Silniki cieplne mogą być otwarte na powietrze lub uszczelnione i zamknięte na zewnątrz (jest to tzw. cykl otwarty lub zamknięty).
Rysunek 1: Schemat silnika cieplnego. TH jest źródłem ciepła, a TC zimnym radiatorem. QH to ciepło wpływające do silnika. QC to ciepło odpadowe, które trafia do zimnego pochłaniacza. W to praca użyteczna wychodząca z silnika.
Przegląd
Kiedy naukowcy badają silniki cieplne, wpadają na pomysły silników, których w rzeczywistości nie da się zbudować. Są one nazywane idealnymi silnikami lub cyklami. Prawdziwe silniki cieplne są często mylone z idealnymi silnikami lub cyklami, które próbują naśladować.
Zazwyczaj przy opisie urządzenia fizycznego używa się terminu "silnik". Przy opisie ideału używa się terminu "cykl".
Można by powiedzieć, że cykl termodynamiczny jest idealnym przypadkiem silnika mechanicznego. Równie dobrze można by powiedzieć, że model ten nie do końca odpowiada silnikowi mechanicznemu. Niemniej jednak, wiele korzyści można uzyskać z uproszczonych modeli i idealnych przypadków, które mogą one reprezentować.
Ogólnie rzecz biorąc, im większa różnica temperatur pomiędzy gorącym źródłem a zimnym pochłaniaczem, tym bardziej wydajny jest cykl lub silnik. Na Ziemi, zimna strona każdego silnika cieplnego jest ograniczona do temperatury powietrza w miejscu, w którym znajduje się silnik.
Większość wysiłków w celu poprawy wydajności silników cieplnych idzie w kierunku zwiększenia temperatury źródła ciepła, ale przy bardzo wysokich temperaturach metal silnika zaczyna mięknąć.
Sprawność różnych proponowanych lub stosowanych obecnie silników cieplnych waha się od 3 procent (97 procent ciepła odpadowego) w przypadku projektu OTEC, poprzez 25 procent w przypadku większości silników samochodowych, do 45 procent w przypadku elektrowni węglowej na parametry nadkrytyczne, do około 60 procent w przypadku chłodzonej parą turbiny gazowej pracującej w cyklu kombinowanym. Wszystkie te procesy uzyskują swoją sprawność (lub jej brak) dzięki spadkowi temperatury w ich obrębie.
Najmniej wydajna, OTEC, wykorzystuje różnicę temperatur wody oceanicznej na powierzchni i wody oceanicznej z głębin, niewielką różnicę być może 25 stopni Celsjusza, a więc wydajność musi być niska.
Najbardziej wydajna turbina gazowa pracująca w cyklu kombinowanym spala gaz ziemny, aby ogrzać powietrze do temperatury prawie 1530 stopni Celsjusza, duża różnica temperatur 1500 stopni Celsjusza, a więc wydajność może być bardzo duża po dodaniu cyklu chłodzenia parą.
Codzienne przykłady
Ludzie najczęściej używają silników cieplnych, w których ciepło pochodzi z ognia, który rozpręża płyn roboczy (zwykle wodę lub powietrze), a radiatorem jest zbiornik wodny lub atmosfera, jak w przypadku wieży chłodniczej.
Znane silniki wykorzystujące rozprężanie podgrzanych gazów to: silnik parowy, silnik Diesla i silnik benzynowy w samochodzie.
Silnik Stirlinga jest o wiele rzadszy, ale można go znaleźć w małych modelach, które mogą działać w oparciu o ciepło dłoni.
Jednym z rodzajów zabawkowego silnika cieplnego jest ptaszek do picia.
Pasek bimetaliczny jest urządzeniem, które przekształca temperaturę w ruch mechaniczny i jest używany w termostatach do regulacji temperatury. Jest to silnik cieplny, który nie wykorzystuje cieczy lub gazu.
Powiązane strony
- Pompa ciepła
Pytania i odpowiedzi
P: Czym jest silnik cieplny w inżynierii i termodynamice?
O: Silnik cieplny to urządzenie, które przekształca energię cieplną w pracę mechaniczną poprzez wykorzystanie różnicy temperatur między gorącym "źródłem" a zimnym "zlewem".
P: Jak działa silnik cieplny?
O: Ciepło jest przenoszone ze źródła przez korpus roboczy silnika do zlewu, a w tym procesie część ciepła jest przekształcana w pracę przy użyciu właściwości gazu lub cieczy wewnątrz silnika.
P: Jakie są cykle termodynamiczne związane z silnikami cieplnymi?
O: Istnieje wiele rodzajów silników cieplnych, z których każdy ma określony cykl termodynamiczny. Ich nazwy pochodzą od cyklu termodynamicznego, z którego korzystają, np. cykl Carnota.
P: Jakie są przykłady silników cieplnych nazwanych na cześć przedmiotów codziennego użytku?
O: Niektóre przykłady silników cieplnych nazwanych od przedmiotów codziennego użytku obejmują silniki benzynowe/benzynowe, silniki turbinowe i silniki parowe.
P: W jaki sposób silniki spalinowe generują ciepło?
O: Silniki spalinowe generują ciepło w samym silniku.
P: Czy silniki cieplne mogą być otwarte na powietrze?
O: Tak, silniki cieplne mogą być otwarte na powietrze lub uszczelnione i zamknięte na zewnątrz. Nazywa się to cyklem otwartym lub zamkniętym.
P: Czy wszystkie silniki cieplne pochłaniają ciepło z zewnętrznego źródła?
O: Nie, podczas gdy niektóre silniki cieplne mogą absorbować ciepło z zewnętrznego źródła, inne mogą generować ciepło w samym silniku.
