7.4 Värmekraftmaskiner
L13
Värmekraftmaskiner är maskiner som omvandlar värmeenergi till mekanisk energi. Förbränningsmotorer, ångmaskiner och jetmotorer är exempel på värmekraftmaskiner.
Alla värmekraftmaskiner baserar sig på termo­
dynamikens första huvudsats; värme strömmar från en "värmebehållare" till ett system. En del av värmen utför arbete på systemet, medan resten strömmar vidare till en annan "behållare" med lägre temperatur. Till slut återgår systemet till samma inre energi det hade före värmetillförseln. I praktiken är "värmebehållaren" oftast en del av systemet, och den kallare "behållaren" är helt enkelt maskinens omgivning.
7.4.1 Arbetet i en värmekraftmaskin
Eftersom en viss värmeenergi sätts in i maskinen och en mindre värmeenergi kommer ut ur den, och maskinens inre energi återgår till sitt startläge i slutet av en maskincykel, måste det arbete som maskinen utför vara skillnaden mellan den mottagna värmen och den avgivna värmen. Detta kan vi skiva i formen
(37)
Arbetet som area
Om maskinen grundar sig på gasers utvidg­
ning, kan vi även beräkna arbetet maskinen utför som arean under grafen i ett koordinat­
system över gasens volym och tryck, dvs. ett (V,p)­koordinatsystem.
1
Ex. 25
L13
Värmeförflyttningen för en maskincykel är given i figuren. Beräkna det utförda arbetet.
2
Ex. 26
L13
Kolven trycker på gasen och trycket ökar från 1,00×105 till 3,00×105 Pa samtidigt som volymen minskar från 3,50×10−2 till 0,50×10−2 m3. Hur stort arbete utför gasen?
3
7.5 Värmekraftmaskinens verkningsgrad
L13
Värmekraftmaskinen omvandlar värme­energi till arbete. Verkningsgraden för maskinen bestäms på samma sätt som för alla andra maskiner; verkningsgraden är förhållandet mellan den energi som tas ut ur maskinen och den energi som sätts in i maskinen. I detta fall är energin in alltså värme, och energin ut är det arbete maskinen utför. 7.5.1 Termisk verkningsgrad
Arbetet som en värmekraftmaskin utför är skillnaden mellan värmen som går in i maskinen och värmen som avges från maskinen. Vi får ett alltså ett uttryck för den termiska verkningsgraden:
(38)
7.5.2 Carnotverkningsgrad
Ett annat sätt att ange verkningsgraden är den så kallade Carnotverkningsgraden. Här jämför man temperaturen mellan den varma behållaren och den kalla behållaren. Carnotverkningsgraden anger den högsta teoretiska verkningsgraden för en värmekraftmaskin. Det matematiska uttrycket är
(39)
T1 är temperaturen i den varmare behållaren och T2 temperaturen i den kallare behållaren. OBS! Temperaturerna måste ges i kelvin!
7.6 Värmevärde H
Värmevärdet H för ett ämne anger hur mycket energi som frigörs per massenhet av ämnet då man bränner det. Man anger värmevärdet som energi per kg av ämnet, dvs. i formen
(40)
4
L13
Ex. 27
Beräkna maskinens verkningsgrad.
5
7.6 Värmemaskiner
L13
En värmemaskin är inte en värmekraftmaskin, utan en maskin där idén är att flytta värme med hjälp av mekanisk energi. Ett annat namn för en värmemaskin är värmepump. Enkelt uttryckt tar man värme från ett kallare område och använder energi utifrån systemet för att flytta värmen till ett varmare område.
Kylskåpet är ett exempel på en värmemaskin. För en närmare beskrivning av kylskåpets funktion, se sidan 134.
Läs sid 129­134
Lös uppgifter: Alla på sidan 136
6
Bilagor
bunnydea.avi
