Dalam termodinamika, mesin panas adalah sistem yang melakukan konversi panas atau energi panas untuk kerja mekanik . Hal ini dilakukan dengan membawa suatu zat yang bekerja dari keadaan suhu tinggi ke keadaan suhu yang lebih rendah. Sebuah panas "sumber" menghasilkan energi panas yang membawa zat bekerja untuk negara suhu tinggi. Substansi bekerja menghasilkan karya dalam "tubuh bekerja" mesin saat mentransfer panas ke "tenggelam" dingin hingga mencapai keadaan suhu rendah. Selama proses ini beberapa energi panas diubah menjadi kerja dengan memanfaatkan sifat-sifat substansi bekerja. Substansi kerja yang dapat berupa sistem dengan kapasitas panas non-nol, tapi biasanya adalah gas atau cairan.
Secara umum mesin mengubah energi mekanik untuk bekerja. Mesin panas membedakan diri dari jenis lain mesin oleh fakta bahwa efisiensi mereka secara fundamental dibatasi oleh teorema Carnot Meskipun keterbatasan ini efisiensi bisa menjadi kelemahan, keuntungan dari mesin panas adalah bahwa sebagian besar bentuk energi yang dapat dengan mudah dikonversi ke. panas oleh proses seperti reaksi eksotermik (seperti pembakaran), penyerapan partikel cahaya atau energik, gesekan, disipasi dan perlawanan. Karena sumber panas yang memasok energi panas ke mesin sehingga dapat didukung oleh hampir semua jenis energi, mesin panas sangat fleksibel dan memiliki berbagai penerapan.
Mesin panas sering bingung dengan siklus mereka mencoba untuk meniru. Biasanya ketika menggambarkan perangkat fisik 'mesin' istilah yang digunakan. Ketika menggambarkan model 'siklus' istilah yang digunakan.
IkhtisarGambar 1: Diagram mesin PanasDalam termodinamika, mesin panas sering dimodelkan menggunakan model rekayasa standar seperti siklus Otto. Model
teoritis dapat disempurnakan dan ditambah dengan data aktual dari mesin
operasi, menggunakan alat-alat seperti diagram indikator. Karena
implementasi yang sebenarnya sangat sedikit panas mesin sama persis
dengan siklus termodinamika yang mendasari mereka, orang bisa mengatakan
bahwa siklus termodinamika merupakan kasus ideal mesin mekanik. Dalam
kasus apapun, sepenuhnya memahami mesin dan efisiensi yang memerlukan
memperoleh pemahaman yang baik tentang (mungkin disederhanakan atau
ideal) model teoritis, nuansa praktis mesin mekanik yang sebenarnya, dan
perbedaan antara keduanya.Secara
umum, semakin besar perbedaan suhu antara sumber panas dan wastafel
dingin, semakin besar adalah efisiensi termal potensi siklus. Di
Bumi, sisi dingin dari setiap mesin panas terbatas untuk menjadi dekat
dengan suhu sekitar lingkungan, atau tidak lebih rendah dari 300 Kelvin,
sehingga sebagian besar upaya untuk meningkatkan efisiensi
termodinamika berbagai fokus panas mesin pada peningkatan suhu sumber, dalam batas-batas materi. Efisiensi
teoritis maksimum mesin panas (yang mesin tidak pernah mencapai) adalah
sama dengan perbedaan suhu antara ujung panas dan dingin dibagi oleh
suhu pada akhir panas, semuanya dinyatakan dalam temperatur absolut atau
kelvin.Efisiensi
mesin panas yang berbeda diusulkan atau digunakan berkisar hari ini
dari 3 persen [rujukan?] (97 persen limbah panas) untuk usulan laut
listrik OTEC melalui 25 persen untuk mesin otomotif kebanyakan
[rujukan?], Sampai 45 persen untuk superkritis batubara- dipecat pembangkit listrik, menjadi sekitar 60 persen untuk turbin uap siklus-cooled gabungan gas. [4]Semua proses mendapatkan efisiensi mereka (atau ketiadaan) karena penurunan suhu di antara mereka.KekuasaanMesin
panas dapat dicirikan oleh kekuatan khusus mereka, yang biasanya
diberikan dalam kilowatt per liter perpindahan mesin (di AS juga tenaga
kuda per inci kubik). Hasilnya menawarkan perkiraan output puncak-kekuatan mesin. Hal
ini tidak menjadi bingung dengan efisiensi bahan bakar, karena
efisiensi tinggi sering membutuhkan rasio udara-bahan bakar ramping, dan
kepadatan daya sehingga lebih rendah. Sebuah mesin kinerja tinggi mobil modern membuat lebih dari 75 kW
contoh Sehari-hari
Contoh mesin panas sehari-hari antara mesin uap, mesin diesel, dan bensin (bensin) mesin di mobil. Sebuah mainan umum yang juga merupakan mesin panas adalah burung minum. Juga mesin stirling adalah mesin panas. Semua mesin panas familiar yang didukung oleh ekspansi gas dipanaskan. Lingkungan umum adalah heat sink, menyediakan gas relatif dingin yang, ketika dipanaskan, berkembang cepat untuk mendorong gerakan mekanis mesin.Contoh mesin panasPenting untuk dicatat bahwa meskipun beberapa siklus memiliki lokasi pembakaran yang khas (internal atau eksternal), mereka sering dapat diimplementasikan dengan lainnya. Misalnya, John Ericsson mengembangkan mesin dipanaskan eksternal berjalan pada siklus sangat mirip dengan siklus Diesel sebelumnya. Selain itu, mesin eksternal dipanaskan sering dapat diimplementasikan dalam siklus terbuka atau tertutup.Perubahan fase siklusDalam siklus dan mesin, cairan bekerja adalah gas dan cairan. Mesin mengubah fluida kerja dari gas ke cairan, dari cair ke gas, atau keduanya bekerja, menghasilkan cairan dari ekspansi atau kompresi.
Rankine siklus (mesin uap klasik)
Regenerative siklus (steam engine lebih efisien daripada siklus Rankine)
Organic Rankine siklus (Coolant fase perubahan dalam rentang suhu es dan air cair panas)
Uap untuk siklus cair (burung Minum, Injector, Minto roda)
Cair ke siklus padat (Frost naik-turun -. Air berubah dari es menjadi cair dan kembali lagi dapat mengangkat batu hingga 60 cm)
Solid untuk siklus gas (es meriam Kering -. Menyublim es kering ke gas)Gas hanya siklusDalam siklus dan mesin fluida kerja selalu gas (yaitu, tidak ada perubahan fase):
Carnot siklus (Carnot mesin panas)
Ericsson Cycle (kalori Kapal John Ericsson)
Stirling siklus (Stirling engine, perangkat thermoacoustic)
Mesin pembakaran internal (ICE):
Siklus Otto (misalnya Bensin / Bensin mesin, kecepatan tinggi mesin diesel)
Diesel siklus (misalnya kecepatan rendah mesin diesel)
Atkinson Cycle (Atkinson Engine)
Brayton siklus atau siklus Joule awalnya Ericsson Cycle (turbin gas)
Lenoir siklus (misalnya, pulsa mesin jet)
Miller siklusCair hanya siklusDalam siklus dan mesin fluida kerja selalu seperti cairan:
Stirling Cycle (Malone engine)
Panas Regenerative Topan [5]
Elektron siklus
Johnson termoelektrik energi converter
Thermoelectric (Peltier-Seebeck efek)
Emisi termionik
Thermotunnel pendinginan
Magnetic siklus
Termo-magnetik motor (Tesla)Siklus digunakan untuk pendinginanArtikel utama: pendinginanSebuah kulkas rumah tangga merupakan contoh dari pompa panas: mesin panas secara terbalik. Pekerjaan digunakan untuk membuat diferensial panas. Banyak siklus dapat berjalan secara terbalik untuk memindahkan panas dari sisi dingin ke sisi panas, membuat pendingin sisi dingin dan sisi panas panas. Versi mesin pembakaran internal siklus ini, secara alami mereka, tidak reversibel.
Siklus refrigerasi termasuk:
Uap-refrigerasi kompresi
Stirling cryocoolers
Gas-penyerapan kulkas
Air siklus mesin
Vuilleumier pendinginan
Magnetic pendinginan
Menguapkan Panas Engine
Mesin penguapan Barton adalah mesin panas didasarkan pada kekuatan siklus memproduksi dan udara lembab didinginkan dari penguapan air ke udara kering panas.Mesoscopic Panas EngineMesin panas mesoscopic adalah perangkat nano yang dapat melayani tujuan fluks panas pengolahan dan melakukan pekerjaan yang berguna pada skala kecil. Potensi aplikasi termasuk misalnya listrik pendingin perangkat. Dalam mesin panas mesoscopic tersebut, bekerja per siklus operasi berfluktuasi karena noise termal. Ada kesetaraan yang tepat yang berkaitan rata-rata eksponen pekerjaan yang dilakukan oleh setiap mesin panas dan perpindahan panas dari mandi panas panas [6]. Hubungan ini mengubah ketidaksamaan Carnot ke dalam kesetaraan yang tepat.
Contoh mesin panas sehari-hari antara mesin uap, mesin diesel, dan bensin (bensin) mesin di mobil. Sebuah mainan umum yang juga merupakan mesin panas adalah burung minum. Juga mesin stirling adalah mesin panas. Semua mesin panas familiar yang didukung oleh ekspansi gas dipanaskan. Lingkungan umum adalah heat sink, menyediakan gas relatif dingin yang, ketika dipanaskan, berkembang cepat untuk mendorong gerakan mekanis mesin.Contoh mesin panasPenting untuk dicatat bahwa meskipun beberapa siklus memiliki lokasi pembakaran yang khas (internal atau eksternal), mereka sering dapat diimplementasikan dengan lainnya. Misalnya, John Ericsson mengembangkan mesin dipanaskan eksternal berjalan pada siklus sangat mirip dengan siklus Diesel sebelumnya. Selain itu, mesin eksternal dipanaskan sering dapat diimplementasikan dalam siklus terbuka atau tertutup.Perubahan fase siklusDalam siklus dan mesin, cairan bekerja adalah gas dan cairan. Mesin mengubah fluida kerja dari gas ke cairan, dari cair ke gas, atau keduanya bekerja, menghasilkan cairan dari ekspansi atau kompresi.
Rankine siklus (mesin uap klasik)
Regenerative siklus (steam engine lebih efisien daripada siklus Rankine)
Organic Rankine siklus (Coolant fase perubahan dalam rentang suhu es dan air cair panas)
Uap untuk siklus cair (burung Minum, Injector, Minto roda)
Cair ke siklus padat (Frost naik-turun -. Air berubah dari es menjadi cair dan kembali lagi dapat mengangkat batu hingga 60 cm)
Solid untuk siklus gas (es meriam Kering -. Menyublim es kering ke gas)Gas hanya siklusDalam siklus dan mesin fluida kerja selalu gas (yaitu, tidak ada perubahan fase):
Carnot siklus (Carnot mesin panas)
Ericsson Cycle (kalori Kapal John Ericsson)
Stirling siklus (Stirling engine, perangkat thermoacoustic)
Mesin pembakaran internal (ICE):
Siklus Otto (misalnya Bensin / Bensin mesin, kecepatan tinggi mesin diesel)
Diesel siklus (misalnya kecepatan rendah mesin diesel)
Atkinson Cycle (Atkinson Engine)
Brayton siklus atau siklus Joule awalnya Ericsson Cycle (turbin gas)
Lenoir siklus (misalnya, pulsa mesin jet)
Miller siklusCair hanya siklusDalam siklus dan mesin fluida kerja selalu seperti cairan:
Stirling Cycle (Malone engine)
Panas Regenerative Topan [5]
Elektron siklus
Johnson termoelektrik energi converter
Thermoelectric (Peltier-Seebeck efek)
Emisi termionik
Thermotunnel pendinginan
Magnetic siklus
Termo-magnetik motor (Tesla)Siklus digunakan untuk pendinginanArtikel utama: pendinginanSebuah kulkas rumah tangga merupakan contoh dari pompa panas: mesin panas secara terbalik. Pekerjaan digunakan untuk membuat diferensial panas. Banyak siklus dapat berjalan secara terbalik untuk memindahkan panas dari sisi dingin ke sisi panas, membuat pendingin sisi dingin dan sisi panas panas. Versi mesin pembakaran internal siklus ini, secara alami mereka, tidak reversibel.
Siklus refrigerasi termasuk:
Uap-refrigerasi kompresi
Stirling cryocoolers
Gas-penyerapan kulkas
Air siklus mesin
Vuilleumier pendinginan
Magnetic pendinginan
Menguapkan Panas Engine
Mesin penguapan Barton adalah mesin panas didasarkan pada kekuatan siklus memproduksi dan udara lembab didinginkan dari penguapan air ke udara kering panas.Mesoscopic Panas EngineMesin panas mesoscopic adalah perangkat nano yang dapat melayani tujuan fluks panas pengolahan dan melakukan pekerjaan yang berguna pada skala kecil. Potensi aplikasi termasuk misalnya listrik pendingin perangkat. Dalam mesin panas mesoscopic tersebut, bekerja per siklus operasi berfluktuasi karena noise termal. Ada kesetaraan yang tepat yang berkaitan rata-rata eksponen pekerjaan yang dilakukan oleh setiap mesin panas dan perpindahan panas dari mandi panas panas [6]. Hubungan ini mengubah ketidaksamaan Carnot ke dalam kesetaraan yang tepat.
Mesin panas telah dikenal sejak jaman dahulu, tetapi hanya dibuat menjadi perangkat yang berguna pada saat revolusi industri pada abad kedelapan belas. Mereka terus dikembangkan saat ini.Panas mesin tambahanInsinyur telah mempelajari siklus panas mesin berbagai luas dalam upaya untuk meningkatkan jumlah pekerjaan yang dapat digunakan mereka bisa mengambil dari sumber daya yang diberikan. Batas Siklus Carnot tidak dapat dicapai dengan siklus gas-based, tapi insinyur telah bekerja setidaknya dua cara untuk mungkin pergi sekitar batas itu, dan salah satu cara untuk mendapatkan efisiensi yang lebih baik tanpa menekuk aturan.
Meningkatkan perbedaan suhu dalam mesin panas. Cara termudah untuk melakukan ini adalah untuk meningkatkan temperatur sisi panas, yang merupakan pendekatan yang digunakan dalam modern gabungan-siklus turbin gas. Sayangnya, batas-batas fisik (seperti titik leleh bahan dari mana mesin dibangun) dan masalah lingkungan mengenai produksi NOx membatasi suhu maksimum pada mesin panas bisa diterapkan. Turbin gas modern dijalankan pada suhu setinggi mungkin dalam kisaran suhu yang diperlukan untuk mempertahankan output diterima NOx [rujukan?]. Cara lain meningkatkan efisiensi adalah untuk menurunkan suhu output. Salah satu metode baru untuk melakukannya adalah dengan menggunakan cairan kimia campuran kerja, dan kemudian memanfaatkan perubahan perilaku dari campuran. Salah satu yang paling terkenal adalah apa yang disebut siklus Kalina, yang menggunakan campuran 70/30 dari amonia dan air sebagai fluida kerjanya. Campuran ini memungkinkan siklus untuk menghasilkan tenaga yang berguna pada suhu jauh lebih rendah daripada proses yang lain.
Mengeksploitasi sifat fisik fluida kerja. Eksploitasi tersebut yang paling umum adalah penggunaan air di atas titik yang disebut kritis, atau uap superkritis disebut. Perilaku cairan atas perubahan kritis mereka titik radikal, dan dengan bahan-bahan seperti air dan karbon dioksida adalah mungkin untuk mengeksploitasi perubahan perilaku untuk mengekstrak efisiensi termodinamika yang lebih besar dari mesin panas, bahkan jika menggunakan Brayton cukup konvensional atau Rankine siklus. Sebuah materi baru dan sangat menjanjikan untuk aplikasi tersebut CO2. SO2 dan xenon juga telah dipertimbangkan untuk aplikasi seperti, meskipun SO2 sedikit beracun untuk sebagian.
Mengeksploitasi sifat kimia dari fluida kerja. Sebuah mengeksploitasi cukup baru dan novel adalah dengan menggunakan cairan bekerja eksotis dengan sifat kimia menguntungkan. Salah satunya adalah nitrogen dioksida (NO2), komponen beracun dari asap, yang memiliki alam sebagai dimer di-nitrogen tetraoxide (N2O4). Pada suhu rendah, N2O4 yang dikompresi dan kemudian dipanaskan. Meningkatnya suhu menyebabkan N2O4 setiap pecah menjadi dua molekul NO2. Hal ini akan menurunkan berat molekul dari fluida kerja, yang secara drastis meningkatkan efisiensi siklus. Setelah NO2 telah diperluas melalui turbin, didinginkan oleh heat sink, yang menyebabkan untuk bergabung kembali ke N2O4. Hal ini kemudian makan kembali oleh kompresor untuk siklus lain. Spesies seperti aluminium bromida (Al2Br6), NOCl, dan Ga2I6 semuanya telah diselidiki untuk penggunaan tersebut. Sampai saat ini, kelemahan mereka belum dibenarkan penggunaannya, meskipun peningkatan efisiensi yang bisa diwujudkan. [7]
0 komentar:
Posting Komentar