13. Lämpökoneet Flashcards
Mitä sisäenergia on? Miten sen muutos näkyy kaasuissa?
Sisäenergia on aineen rakenneosasten liike- ja potentiaalienergiaa. Systeemin sisäenergian muuttuessa myös ainakin ykis tilanmuuttujista muuttuu.
Kun kaasusäiliötä lämmitetään tai kaasua puristetaan kokoon, nousee kaasun sisäenergia. Tällöin sen lämpötila nousee ja paine kasvaa. Jos kaasu siirtää energiaa ympäristöön tai tekee laajentuessaan työtä, kaasun sisäenergia pienenee.
Mikä on lämpöopin ensimmäinen ja toinen pääsääntö?
Lämpöopin ensimmäinen pääsääntö: energian säilyminen. Systeemin sisäenergian muutos on yhtä suuri, kuin siihen tuotu tai siitä poistunut energia. Energiaa voi siirtyä lämpönä tai työnä. Täten energian säilymislain mukaan:
(delta)U=Q+W, joka on lämpöopin ensimmäinen parisääntö.
Lämmön ja työn etumerkit määräytyvät energian siirtymissuunnan mukaan. Ne ovat positiivisia, jos systeemiin siirtyy lämpöä ympärstöstä tai jos systeemiin tehdään työtä. Ne ovat negatiivisia jos syteemistä siirtyy energiaa ympäristöön tai systeemi tekee työtä ympäristöön.
Lämpöopin toinen parisääntö määrää prosessien suunnan. Sen mukaan energiaa voi siirtyä itsestään ainoastaan korkeammasta lämpötilasta matalampaan.
Miten lasketaan kaasun tekemän työn suuruus, jos kaasusylinteriä lämmitetään?
Kaasusylinteriä, jossa on herkkäliikkeinen mäntä, lämmitetään, jolloin kaasusylinterissä olevan kaasun lämpötila nousee ja paine kasvaa. Paine p kohdistaa kaasusylinterin mäntään (jonka pinta-ala on A) voiman F. Tällöin lämmennyt kaasu työntää mäntää ulospäin matkan (delta)x. Sen seurauksena kaasun ja sylinterin tilavuudet kasvavat (delta)V=A*(delta)x.
Tällöin laajenevan kaasun tekemä työ on W=F(delta)x=pA(delta)x=p*(delta)V
Kun kaasusylinteriä lämmitetään, mikä on kaasun sisäenergian muutos.
Kun kaasusylinteriä lämmitetään, siihen tuodaan energiaa ympäristöstä. Tällöin Q>0. Toisaalta laajeneva kaasu tekee työtä, jolloin se siirtää energiaa systeemistä ympäristöön. Tällöin W<0. Kaasun sisäenergian muutos on siten:
(delta)U=Q+W=Q-p*(delta)V
Selitä pääpiirteittäin lämpövoimakoneen toimintaperiaate.
Lämpövoimakoneita ovat esimerkiksi auton polttomoottori, ydinvoimalaitos, sekä höyrykone. Lämpövoimakone hyödyntää toiminnassaan siirtyvää energiaa, jolloin se muuntaa osan koneeseen tulevasta lämmöstä mekaaniseksi energiaksi, kuten koneen osien liike-energiaksi. Lämpövoimakoneen toiminta perustuu kiertoprosessiin. Kierron päätteksi prosessi palaa alkupisteeseen ja alkaa uudestaan.
Millaisella mallilla lämpövoimakonetta kuvataan?
Lämpövoimakonetta kuvataan mallilla, jossa kone toimii kahden eri lämpötilassa olevan säiliön välillä. Kuumasäiliö lämpötila T1 on korkeampi kuin kylmäsäiliön lämpötila T2, jolloin lämpöopin toisen parisäännön mukaan energiaa siirtyy itsestään kuumasäiliöstä kylmäsäiliöön. Säiliöiden välissä oleva lämpövoimakone ottaa kuumasäiliöstä siirtyvän energian Q1 ja muuntaa osan siitä mekaaniseksi energiaksi eli työksi W. Kylmäsäiliöön siirtyvä energia on Q2.
Koska energia säilyy, Q1=Q2+W
Miten lasket lämpövoimakoneen hyötysuhteen ja ideaalisen hyötysuhteen? Mitä voit sanoa niiden suuruudesta?
Koska energia säilyy, Q1=W+Q2
Siten lämpövoimakoneen hyötysuhde on:
(eta)=W/Q1, eli (Q1-Q2)/Q1
Lämpövoimakoneen teoreettinen hyötysuhde, eli ideaalinen hyötysuhde, eli terminen hyötysuhde eli Carot’n hyötysuhde on:
(eta)=(T1-T2)/T1
Huom! Lämpötilat kelvineinä –> hyötysuhde on aina alle 100%, sillä kylmäsäiliön lämpötila ei voi olla 0K. Lisäksi energiaa menee aina hukkaan, joten hyötysuhde on aina Carot’n hyötysuhdetta pienempi.
Miten lämmönsiirtokone toimii? Millä mallilla sitä kuvataan?
Jääkaappi, pakastin ja erilaiset lämpöpumput ovat esimerkkejä lämmönsiirtokoneista. Lämmönsiirtokone siirtää energiaa kylmäsäiliöstä kuumasäiliöön mekaanisen energian avulla.
Lämmönsiirtokonetta kuvataan mallilla, jossa kone toimii kahden eri lämpötilassa olevan säiliön välissä. Koska kuumasäiliön lämpötila T1 on korkeampi kuin T2, lämpöopin toisen parisännön mukaan energiaa siirtyisi itsestään kuumasäiliöstä kylmäsäiliöön. Täten on tehtävä työtä, jotta energiaa saadaan siirtymään kylmäsäiliöstä kuumasäiliöön.
Lämmönsiirtokone ottaa kylmäsäiliöstä energian Q2 ja siirtää energian Q1 kuumasäiliöön mekaanisen energian eli työn avulla. Kylmäsäiliö viilenee ja kuumasäiliö lämpenee.
Koska energiaa ei häviä Q1=Q2+W
Kerro jäähdytyskoneista ja lämpöpumpuista.
Jääkaappi, pakastin ja auton ilmastointilaite ovat jäähdytyskoneita, joiden tarkoituksena on siirtää energiaa matalammasta lämpötilasta korkeampaan, ja siten jäähdyttää kylmäsäiliötä.
Lämpöpumput toimivat samalla periaatteella, mutta niiden tarkoituksena on lämmittää kuumasäiliötä. Lämpöpumppuja ovat esimerkiksi maalämpöpumppu (keruuputkistot lämpökaivoon, vesistöön tai verkostoksi maan alle) ja ilmalämpöpumppu. Niissä ulkoilmasta tai maan pintakerroksessa olevasta putkistosta siirretään energiaa, jolla voidaan lämmittää rakennuksia tai käyttövettä. Yleensä sama lämpöpumppu toimii myös rakennuksen viilentämiseen.
Lämpöpumput ovat energiatehokkaita, niiden käyttökustannukset ovat pienet ja niillä voidaan vähentää lämmityksen ympäristöön kohdistamaa kuormitusta.
Mihin jäähdytyskoneiden ja lämpöpumppujen toiminta perustuu?
Jäähdytyskoneiden ja lämpöpumppujen toiminta perustuu kylmäaineen kiertoprosessiin. (esim. ilmalämpöpumppu)
- Ilmalämpöpumpun ulkoyksikössä kylmäaineeseen siirtyy energiaa ulkoilmasta, sillä kylmäaineen lämpötila on ulkoilman lämpötilaa matalampi (lämpöopin toinen parisääntö)
- Tästä seuraa kylmäaineen sisäenergian kasvu, jolloi kylmäaineen lämpötila nousee ja se lopulta höyrystyy.
- Höyrystynyt kylmäaine ohjataan kompressorille, joka tekee työtä, kun se puristaa höyryä kokoon
- Höyryn lämpötila nousee ja paine kasvaa
- Huoneilmaa lämpimämpi kylmäainehöyry johdetaan rakennuksen sisällä olevaan ilmalämpöpumpun sisäyksikköön, jossa kylmäainehöry jäähtyy ja tiivistyy takaisin nesteeksi.
- Tiivistyessään kylmäaine luovuttaa energiaa ympäristöön, jolloin huoneilman lämpötila nousee
- Nestemäinen kylmäaine johdetaan venttiiliin, jossa sen lämpötila alenee ja paine pienenee
- Kylmäaine ohjataan takaisin ilmalämpöpumpun ulkoyksikköön ja prosessi alkaa alusta
