In der Thermodynamik ist ein Hitzemotor ein System, das die Konvertierung der Hitze oder Thermalenergie zur mechanischen Arbeit durchführt. Es tut das durch das Holen einer Arbeitssubstanz von einem hohen Temperaturstaat bis einen niedrigeren Temperaturstaat. Eine Hitze "Quelle" erzeugt Thermalenergie, die die Arbeitssubstanz zum hohen Temperaturstaat bringt. Die Arbeitssubstanz erzeugt Arbeit im "Arbeitskörper" des Motors, während sie Hitze dem kälteren "Becken" überträgt, bis es einen niedrigen Temperaturstaat erreicht. Während dieses Prozesses wird etwas von der Thermalenergie in die Arbeit durch die Ausnutzung der Eigenschaften der Arbeitssubstanz umgewandelt. Die Arbeitssubstanz kann jedes System mit einer Nichtnullhitzekapazität sein, aber es ist gewöhnlich ein Benzin oder Flüssigkeit.

Im Allgemeinen wandelt ein Motor Energie zur mechanischen Arbeit um. Hitzemotoren unterscheiden sich von anderen Typen von Motoren durch die Tatsache, dass ihre Leistungsfähigkeit durch den Lehrsatz von Carnot im Wesentlichen beschränkt wird. Obwohl diese Leistungsfähigkeitsbeschränkung ein Nachteil sein kann, besteht ein Vorteil von Hitzemotoren darin, dass die meisten Formen der Energie leicht umgewandelt werden können, um durch Prozesse wie exothermic Reaktionen (wie Verbrennen), Absorption von leichten oder energischen Partikeln, Reibung, Verschwendung und Widerstand zu heizen. Da die Hitzequelle, die Thermalenergie dem Motor liefert, so durch eigentlich jede Art der Energie angetrieben werden kann, sind Hitzemotoren sehr vielseitig und haben eine breite Reihe der Anwendbarkeit.

Hitzemotoren sind häufig mit den Zyklen verwirrt, die sie versuchen nachzuahmen. Normalerweise, wenn man das reale Gerät beschreibt, wird der Begriff 'Motor' gebraucht. Wenn man das Modell beschreibt, wird der Begriff 'Zyklus' gebraucht.

Übersicht

In der Thermodynamik werden Hitzemotoren häufig mit einem Standardtechnikmodell wie der Zyklus von Otto modelliert. Das theoretische Modell kann raffiniert und mit wirklichen Daten von einem Betriebsmotor mit Werkzeugen wie ein Anzeigediagramm vermehrt werden. Da sehr wenige wirkliche Durchführungen von Hitzemotoren genau ihre zu Grunde liegenden thermodynamischen Kreisprozesse vergleichen, konnte man sagen, dass ein thermodynamischer Kreisprozess ein idealer Fall eines mechanischen Motors ist. Jedenfalls völlig verlangt das Verstehen eines Motors und seiner Leistungsfähigkeit Gewinnung eines guten Verstehens (vielleicht vereinfacht oder idealisiert) theoretisches Modell, die praktischen Nuancen eines wirklichen mechanischen Motors und die Diskrepanzen zwischen den zwei.

Allgemein, je größer der Unterschied in der Temperatur zwischen der heißen Quelle und dem kalten Becken, desto größer die potenzielle Thermalleistungsfähigkeit des Zyklus ist. Auf der Erde wird die kalte Seite jedes Hitzemotors darauf beschränkt, der Umgebungstemperatur der Umgebung, oder nicht viel tiefer nah zu sein, als 300 Kelvin, so konzentrieren sich die meisten Anstrengungen, die thermodynamische Wirksamkeit von verschiedenen Hitzemotoren zu verbessern, darauf, die Temperatur der Quelle innerhalb von materiellen Grenzen zu vergrößern. Die maximale theoretische Leistungsfähigkeit eines Hitzemotors (den kein Motor jemals erreicht) ist dem Temperaturunterschied zwischen den heißen und kalten Enden gleich, die durch die Temperatur am heißen Ende, alle geteilt sind, die in der absoluten Temperatur oder kelvins ausgedrückt sind.

Die Leistungsfähigkeit von verschiedenen Hitzemotoren hat vorgeschlagen oder hat heute Reihen von 3 Prozent (überflüssige 97-Prozent-Hitze) für den OTEC Ozeanmacht-Vorschlag durch 25 Prozent für die meisten Automobilmotoren zu 45 Prozent für ein superkritisches Kohlekraftwerk zu ungefähr 60 Prozent für eine dampfabgekühlte verbundene Zyklus-Gasturbine verwendet.

Alle diese Prozesse gewinnen ihre Leistungsfähigkeit (oder haben an davon Mangel) wegen des Temperaturfalls über sie.

Macht

Hitzemotoren können durch ihre spezifische Macht charakterisiert werden, die normalerweise in Kilowatt pro Liter der Motorversetzung (in den Vereinigten Staaten auch Pferdestärke pro Kubikzoll) gegeben wird. Das Ergebnis bietet eine Annäherung der Maximalmacht-Produktion eines Motors an. Das soll mit der Kraftstoffleistungsfähigkeit nicht verwirrt sein, da hohe Leistungsfähigkeit häufig ein mageres Kraftstoffluft-Verhältnis, und so niedrigere Macht-Dichte verlangt. Ein moderner Hochleistungsautomotor macht über 75 kW/l (1.65 hp/in ³).

Tägliche Beispiele

Beispiele von täglichen Hitzemotoren schließen die Dampfmaschine, den Dieselmotor und das Benzin (Benzin) Motor in einem Automobil ein.

Ein allgemeines Spielzeug, das auch ein Hitzemotor ist, ist ein trinkender Vogel. Auch der stirling Motor ist ein Hitzemotor.

Alle diese vertrauten Hitzemotoren werden durch die Vergrößerung von erhitztem Benzin angetrieben.

Die allgemeinen Umgebungen sind das Hitzebecken, relativ kühles Benzin zur Verfügung stellend, das sich wenn geheizt, schnell ausbreitet, um die mechanische Bewegung des Motors zu steuern.

Beispiele von Hitzemotoren

Es ist wichtig zu bemerken, dass, obwohl einige Zyklen eine typische Verbrennen-Position (inner oder äußerlich) haben, sie häufig mit dem anderen durchgeführt werden können. Zum Beispiel hat John Ericsson einen erhitzten Außenmotor entwickelt, der auf einem Zyklus sehr viel wie der frühere Dieselzyklus läuft. Außerdem können die äußerlich erhitzten Motoren häufig in offenen oder geschlossenen Zyklen durchgeführt werden.

Worauf das hinausläuft, ist, dass es thermodynamische Kreisprozesse und eine Vielzahl von Weisen gibt, sie durchzuführen.

Phase-Änderungszyklen

In diesen Zyklen und Motoren sind die Arbeitsflüssigkeiten Benzin und Flüssigkeiten. Der Motor wandelt die Arbeitsflüssigkeit von einem Benzin bis eine Flüssigkeit, von Flüssigkeit bis Benzin oder beide um, Arbeit von der flüssigen Vergrößerung oder Kompression erzeugend.

• Zyklus von Rankine (klassische Dampfmaschine)
• Verbessernder Zyklus (Dampfmaschine, die effizienter ist als Zyklus von Rankine)
• Organischer Rankine Zyklus (Das Kühlmittel-Ändern führen Temperaturreihen von flüssigem heißem und Eiswasser stufenweise ein)
• Dampf zum flüssigen Zyklus (Vogel, Injektor, Rad von Minto trinkend)

,

• Die Flüssigkeit zum festen Zyklus (Das Frostheben - Wasser, das sich vom Eis bis Flüssigkeit ändert, und kann zurück wieder Felsen bis zu 60 Cm heben)
• Fest zum Gaszyklus (Trockeneis-Kanone - Trockeneis-Subkalke zu Benzin.)

Benzin nur Zyklen

In diesen Zyklen und Motoren ist die Arbeitsflüssigkeit immer ein Benzin (d. h. es gibt keine Phase-Änderung):

• Zyklus von Carnot (heizen Carnot Motor)
• Zyklus von Ericsson (Wärmeschiff John Ericsson)
• Zyklus von Stirling (Motor von Stirling, thermoacoustic Geräte)
• Innerer Verbrennungsmotor (ICE):
• Zyklus von Otto (z.B Benzin/Vergasermotor, Hochleistungsdieselmotor)
• Dieselzyklus (z.B Dieselmotor der niedrigen Geschwindigkeit)
• Zyklus von Atkinson (Motor von Atkinson)
• Zyklus von Brayton oder Joule-Zyklus ursprünglich Zyklus von Ericsson (Gasturbine)
• Zyklus von Lenoir (z.B, Pulsdüsenantrieb)
• Müller-Zyklus

Flüssigkeit nur Zyklen

In diesen Zyklen und Motoren die Arbeitsflüssigkeit sind immer Flüssigkeit ähnlich:

• Stirling Zyklus (Motor von Malone)
• Heizen Sie verbessernden Zyklon

Elektronzyklen

• Johnson thermoelektrischer Energiekonverter
• Thermoelektrisch (Peltier-Seebeck Wirkung)
• Thermionische Emission
• Thermotunnel, der kühl wird

Magnetische Zyklen

• Thermomagnetischer Motor (Tesla)

Zyklen für die Kühlung verwendet

Ein Innenkühlschrank ist ein Beispiel einer Wärmepumpe: ein Hitzemotor rückwärts. Arbeit wird verwendet, um ein Hitzedifferenzial zu schaffen. Viele Zyklen können rückwärts laufen, um Hitze von der kalten Seite bis die heiße Seite zu bewegen, den kalten Seitenkühler und die heiße Seite heißer machend. Innere Verbrennungsmotor-Versionen dieser Zyklen, sind durch ihre Natur, nicht umkehrbar.

Kühlungszyklen schließen ein:

• Kühlung der Dampf-Kompression
• Stirling cryocoolers
• Gasabsorptionskühlschrank
• Luftzyklus-Maschine
• Kühlung von Vuilleumier
• Magnetische Kühlung

Evaporative Hitzemotoren

Der Eindampfungsmotor von Barton ist ein Hitzemotor, der auf einer Zyklus-Produzieren-Macht gestützt ist, und hat feuchte Luft von der Eindampfung von Wasser in heiße trockene Luft abgekühlt.

Mesoscopic Hitzemotoren

Hitzemotoren von Mesoscopic sind nanoscale Geräte, die der Absicht von in einer Prozession gehenden Hitzeflüssen dienen und nützliche Arbeit an kleinen Skalen durchführen können. Potenzielle Anwendungen schließen z.B elektrische kühl werdende Geräte ein.

In solchen Mesoscopic-Hitzemotoren schwankt die Arbeit pro Zyklus der Operation wegen des Thermalgeräusches.

Es gibt genaue Gleichheit, die Durchschnitt von Hochzahlen der Arbeit verbindet, die durch jeden Hitzemotor und die Wärmeübertragung vom heißeren Hitzebad durchgeführt ist. Diese Beziehung gestaltet die Ungleichheit von Carnot in die genaue Gleichheit um.

Leistungsfähigkeit

Die Leistungsfähigkeit eines Hitzemotors bezieht sich, wie viel nützliche Arbeit Produktion für einen gegebenen Betrag des Hitzeenergieeingangs ist.

Aus den Gesetzen der Thermodynamik:

::

:where

:: ist die aus dem Motor herausgezogene Arbeit. (Es ist negativ, da Arbeit durch den Motor getan wird.)

:: ist die vom hohen Temperatursystem genommene Hitzeenergie. (Es ist negativ, da Hitze aus der Quelle herausgezogen wird, folglich ist positiv.)

:: ist die an das kalte Temperatursystem gelieferte Hitzeenergie. (Es ist positiv, da Hitze zum Becken hinzugefügt wird.)

Mit anderen Worten absorbiert ein Hitzemotor Hitzeenergie von der hohen Temperaturhitzequelle, einen Teil davon zur nützlichen Arbeit umwandelnd und den Rest an das kalte Temperaturhitzebecken liefernd.

Im Allgemeinen wird die Leistungsfähigkeit eines gegebenen Wärmeübertragungsprozesses (ob es, ein Kühlschrank, eine Wärmepumpe oder ein Motor sein), informell durch das Verhältnis definiert, "was Sie" zu herausbekommen, "worin Sie stellen."

Im Fall von einem Motor wünscht man, Arbeit herauszuziehen, und stellt in einer Wärmeübertragung.

::

Die theoretische maximale Leistungsfähigkeit jedes Hitzemotors hängt nur von den Temperaturen ab, zwischen denen es funktioniert. Diese Leistungsfähigkeit wird gewöhnlich mit einem idealen imaginären Hitzemotor wie der Hitzemotor von Carnot abgeleitet, obwohl andere Motoren mit verschiedenen Zyklen auch maximale Leistungsfähigkeit erreichen können. Mathematisch ist das, weil in reversiblen Prozessen die Änderung im Wärmegewicht des kalten Reservoirs die Verneinung von diesem des heißen Reservoirs (d. h.,) ist, die gesamte Änderung der Wärmegewicht-Null behaltend. So:

::

wo die absolute Temperatur der heißen Quelle und dieses des kalten Beckens ist, das gewöhnlich in kelvin gemessen ist. Bemerken Sie, dass das positiv ist, während negativ ist; in jedem umkehrbaren arbeitsherausziehenden Prozess wird Wärmegewicht insgesamt nicht vergrößert, aber wird eher von einem heißen (hohes Wärmegewicht) System zu einer Kälte (niedriges Wärmegewicht ein) bewegt, das Wärmegewicht der Hitzequelle vermindernd und dieses des Hitzebeckens vergrößernd.

Das Denken dahinter, die maximale Leistungsfähigkeit seiend, geht wie folgt. Es wird zuerst dass angenommen, wenn ein effizienterer Hitzemotor als ein Motor von Carnot möglich ist, dann konnte es rückwärts als eine Wärmepumpe gesteuert werden. Mathematische Analyse kann verwendet werden, um zu zeigen, dass diese angenommene Kombination auf eine Nettoabnahme auf das Wärmegewicht hinauslaufen würde. Seitdem, nach dem zweiten Gesetz der Thermodynamik, ist das zum Punkt des Ausschlusses statistisch unwahrscheinlich, die Leistungsfähigkeit von Carnot ist ein theoretischer oberer hat zur zuverlässigen Leistungsfähigkeit jedes Prozesses gebunden.

Empirisch, wie man jemals gezeigt hat, ist kein Hitzemotor an einer größeren Leistungsfähigkeit gelaufen, als ein Zyklus von Carnot Motor heizt.

Abbildung 2 und Abbildung 3 zeigen Schwankungen auf der Zyklus-Leistungsfähigkeit von Carnot. Abbildung 2 zeigt an, wie sich Leistungsfähigkeit mit einer Zunahme in der Hitzehinzufügungstemperatur für eine unveränderliche Kompressor-Einlasstemperatur ändert. Abbildung 3 zeigt an, wie sich die Leistungsfähigkeit mit einer Zunahme in der Hitzeverwerfungstemperatur für eine unveränderliche Turbineneinlasstemperatur ändert.

Endoreversible heizen Motoren

Der grösste Teil der Leistungsfähigkeit von Carnot als ein Kriterium der Hitzemotorleistung ist die Tatsache, dass durch seine Natur jeder maximal effiziente Zyklus von Carnot an einem unendlich kleinen Temperaturanstieg funktionieren muss. Das ist, weil jede Übertragung der Hitze zwischen zwei Körpern bei sich unterscheidenden Temperaturen irreversibel ist, und deshalb der Leistungsfähigkeitsausdruck von Carnot nur in der unendlich kleinen Grenze gilt. Das Hauptproblem damit besteht darin, dass der Gegenstand von den meisten Hitzemotoren zur Produktion eine Art Macht ist, und unendlich kleine Macht gewöhnlich nicht ist, was gesucht wird.

Ein verschiedenes Maß der idealen Hitzemotorleistungsfähigkeit wird durch Rücksichten der endoreversible Thermodynamik gegeben, wo der Zyklus zum Zyklus von Carnot außer darin identisch ist, sind die zwei Prozesse der Wärmeübertragung (Callen 1985) nicht umkehrbar:

:: (Zeichen: Einheiten K oder °R)

Dieses Modell tut einen besseren Job des Voraussagens, wie gut wirkliche Hitzemotoren tun können (Callen 1985, sieh auch endoreversible Thermodynamik):

Wie gezeigt, modelliert die endoreversible Leistungsfähigkeit viel näher die beobachteten Daten.

Geschichte

Hitzemotoren sind seit der Altertümlichkeit bekannt gewesen, aber wurden nur in nützliche Geräte zur Zeit der industriellen Revolution im achtzehnten Jahrhundert gemacht. Sie setzen fort, heute entwickelt zu werden.

Heizen Sie Motorerhöhungen

Ingenieure haben die verschiedenen Hitzemotorzyklen umfassend studiert, um den Betrag der verwendbaren Arbeit zu verbessern, die sie aus einer gegebenen Macht-Quelle herausziehen konnten. Die Carnot Zyklus-Grenze kann mit keinem gasbasierten Zyklus erreicht werden, aber Ingenieure haben mindestens zwei Weisen ausgearbeitet, vielleicht um diese Grenze und eine Weise zu gehen, Leistungsfähigkeit besser zu werden, ohne irgendwelche Regeln zu biegen.

1. Vergrößern Sie den Temperaturunterschied im Hitzemotor. Die einfachste Weise zu tun ist das, die heiße Seitentemperatur zu vergrößern, die die in modernen Gasturbinen des vereinigten Zyklus verwendete Annäherung ist. Leider schränken physische Grenzen (wie der Schmelzpunkt der Materialien, von denen der Motor gebaut wird) und Umweltsorgen bezüglich KEINER Produktion die maximale Temperatur auf bearbeitungsfähigen Hitzemotoren ein. Moderne Gasturbinen, die bei Temperaturen so hoch geführt sind wie möglich innerhalb der Reihe von Temperaturen, die notwendig sind, um aufrechtzuerhalten, annehmbar KEINE Produktion. Eine andere Weise, Leistungsfähigkeit zu vergrößern, soll die Produktionstemperatur senken. Eine neue Methode, so zu tun, ist, gemischte chemische Arbeitsflüssigkeiten zu verwenden, und dann das sich ändernde Verhalten der Mischungen auszunutzen. Einer der berühmtesten ist der so genannte Zyklus von Kalina, der eine 70/30 Mischung von Ammoniak und Wasser als seine Arbeitsflüssigkeit verwendet. Diese Mischung erlaubt dem Zyklus, nützliche Macht bei beträchtlich niedrigeren Temperaturen zu erzeugen, als die meisten anderen Prozesse.
2. Nutzen Sie die physikalischen Eigenschaften der Arbeitsflüssigkeit aus. Das allgemeinste solche Ausnutzung ist der Gebrauch von Wasser über dem so genannten kritischen Punkt oder so genanntem superkritischem Dampf. Das Verhalten von Flüssigkeiten über ihrem kritischen Punkt ändert sich radikal, und mit Materialien wie Wasser und Kohlendioxyd es ist möglich, jene Änderungen im Verhalten auszunutzen, größere thermodynamische Leistungsfähigkeit aus dem Hitzemotor herauszuziehen, selbst wenn es einen ziemlich herkömmlichen Zyklus von Brayton oder Rankine verwendet. Ein neueres und sehr viel versprechendes Material für solche Anwendungen ist CO. SO und xenon sind auch für solche Anwendungen betrachtet worden, obwohl etwas AUCH für die meisten toxisch ist.
3. Nutzen Sie die chemischen Eigenschaften der Arbeitsflüssigkeit aus. Eine ziemlich neue und neuartige Großtat soll exotische Arbeitsflüssigkeiten mit vorteilhaften chemischen Eigenschaften verwenden. Ein solcher ist Stickstoff-Dioxyd (NICHT), ein toxischer Bestandteil des Smogs, der einen natürlichen dimer als Di-Stickstoff tetraoxide (NEIN) hat. Bei der niedrigen Temperatur, wird NICHT zusammengepresst und dann geheizt. Die zunehmende Temperatur veranlasst jeden NICHT, in zwei KEINE Moleküle auseinander zu brechen. Das senkt das Molekulargewicht der Arbeitsflüssigkeit, die drastisch die Leistungsfähigkeit des Zyklus vergrößert. Einmal NICHT hat sich durch die Turbine ausgebreitet, sie wird durch das Hitzebecken abgekühlt, das sie veranlasst, sich in NEIN wiederzuverbinden. Das wird dann zurück zum Kompressor für einen anderen Zyklus gefüttert. Solche Arten wie Aluminiumbromid (AlBr), NOCl und GaI sind alle für solchen Gebrauch untersucht worden. Bis heute haben ihre Nachteile ihren Gebrauch trotz der Leistungsfähigkeitsgewinne nicht bevollmächtigt, die begriffen werden können.

Heizen Sie Motorprozesse

Jeder Prozess ist einer des folgenden:

• isothermisch (bei der unveränderlichen Temperatur, die mit der Hitze aufrechterhalten ist, hat beigetragen oder ist von einer Hitzequelle oder Becken umgezogen)
• isobaric (am unveränderlichen Druck)
• isometric/isochoric (am unveränderlichen Volumen), auch gekennzeichnet als iso-volumetrischer
• adiabatisch (wird keine Hitze hinzugefügt oder vom System während des adiabatischen Prozesses entfernt, der zum Ausspruch gleichwertig ist, dass das Wärmegewicht unveränderlich bleibt, wenn der Prozess auch umkehrbar ist.)

Siehe auch

• Carnot heizen Motor
• Trinkender Vogel Ein Beispiel eines grundlegenden Hitzemotors
• Wärmepumpe
• Die Erwiderung des Motors für eine allgemeine Beschreibung der Mechanik von Kolbenmotoren
• Thermosynthesis
• Zeitachse der Hitzemotortechnologie

Referenzen

• Auf dem Linienmuseum von Spielzeugdampfmaschinen, einschließlich eines sehr seltenen Bings heizen Motor

Links

• Video des Motors von Stirling, der auf dem Trockeneis läuft
• Heizen Sie Motor