Lämpökoneet

Lämpövoimakone

2016-09-28T19:07:21+03:00

Koneen periaate

Lämpövoimakoneessa lämpöenergia muutetaan mekaaniseksi energiaksi. Prosessin aikana lämpötila laskee arvosta T₁ arvoon T₂.
Samalla osa systeemin luovuttamasta lämpöenergiasta muuttuu työksi W.
Ihannetapauksessa kaikki luovutettu lämpöenergia muuttu työksi W_max = Q₁- Q₂. Käytännössä tämä ei kuitenkaan ole mahdollista, vaan osa energiasta menee hukkaan W < W_max.

Koneen hyötysuhde lasketaan vertaamalla koneen tekemää työtä systeemin koko lämpöenergiaan:

[[$$ \eta = {W \over Q_1} $$]]

Maksimaalinen hyötysuhde eli Carnot-hyötysuhde [[$ \eta_{max} $]] saavutetaan kun kaikki luovutettu lämpöenergia muuttuu työksi W_max = Q₁- Q₂.

[[$$ \eta_{max} = {W_{max} \over Q_1} = {Q_1-Q_2 \over Q_1} = {T_1-T_2 \over T_1} $$]]

Kaikkea lämpöenergiaa ei voida koskaan muuttaa työksi. Tämä edellyttäisi, että T₂ olisi absoluuttinen nollapiste.
Mutta mitä suurempi lämpötilaero saadaan aikaiseksi, sitä suurempi hyötysuhde saadaan ainakin periaatteessa aikaiseksi. Tavoitteena on siis, että prosessin aikana lämpötila laskisi mahdollisimman paljon.

Esimerkki

Auton polttomoottori on lämpövoimakone.
Lämpöenergia syntyy polttoaineen palamisen seurauksena.
Lämpötilan noustessa paine sylinterissä nousee ja kuuma palokaasu laajenee ja samalla työntää mäntää alaspäin.
Männän työntyessä alaspäin lämpöenergia muuttuu mekaaniseksi energiaksi; systeemi tekee männälle työtä (W).
Palokaasun laajentuessa sylinterissä sen lämpötila ja lämpöenergia laskee (Q₁ - Q₂).
Osa energiasta menee kitkan ja lämmön johtumisen seurauksena hukkaan.

2016-09-28T19:28:13+03:00

Koneen periaate

Kaikessa aineessa on lämpöenergiaa. Vaikkapa lumessa on paljon lämpöä, koska sen lämpötila (esim. 263 K) on selvästi yli absoluuttisen nollapisteen.
Lämpöpumpun avulla lämpöenergiaa saadaan siirrettyä systeemistä toiseen.
Lämmönsiirto vaatii aina ainakin jonkin verran ulkopuolista työtä W.

Esimerkki

Ilmalämpöpumppu siirtää ulkoilmasta lämpöä sisäilmaan.
Pumppussa käytetään nestettä, joka kiertää kahden kennon välillä. Toinen kennoista on rakennuksen sisäpuolella ja toinen ulkopuolella.
Koneen toiminta perustuu paineen vaihtelu, joka toteutetaan paisuntaventtiilin ja kompressorin avulla.
Neste johdetaan ulkokennoon paisuntaventtiilin kautta. Nesteen paine ja samalla lämpötila laskevat venttiilissä.
Nesteen lämpötila on alhaisempi kuin ulkoilman lämpötila ja lämpö johtuu kennossa ulkoilmasta nesteeseen.
Neste ohjataan sisäkennoon kompressorin kautta. Kompressorissa nesteen paine ja lämpötila nousevat merkittävästi.
Sisäkennossa kuumasta nesteestä lämpö johtuu sisäilmaan.
Kierto jatkuu nesteen jälleen virratessa paisuntaventtiiliin ja nesteen lämpötila laskee.

2016-09-28T19:37:31+03:00

Lämpöarvo

Aineen palaessa kemiallinen energia muuttuu lämpöenergiaksi.
Syntyvä lämpöenergian määrää ilmaisee aineen lämpöarvo H.
Lämpöarvo ilmaisee kuinka monta joulea lämpöenergiaa vapautuu yhdestä kilogrammasta aineitta [H] = J/kg.
Vapautunut lämpöenergia Q voidaan siis laskea kaavasta

[[$$ Q = Hm $$]]

Aineiden lämpöarvoja