Warmtemachine
In de techniek en thermodynamica zet een warmtemotor warmte-energie om in mechanische arbeid door gebruik te maken van het temperatuurverschil tussen een hete "bron" en een koude "gootsteen". Warmte wordt overgedragen van de bron, door het "werklichaam" van de motor, naar de "gootsteen", en in dit proces verandert een deel van de warmte in arbeid door gebruik te maken van de eigenschappen van het gas of de vloeistof in de motor.
Er zijn vele soorten warmtemotoren. Elk heeft een thermodynamische cyclus. Warmtemachines worden vaak genoemd naar de thermodynamische cyclus die ze gebruiken, zoals de Carnot-cyclus. Ze krijgen vaak alledaagse namen, zoals benzine/benzine-, turbine-, of stoommachines.
Verbrandingsmotoren wekken warmte op in de motor zelf. Andere warmtemotoren kunnen warmte opnemen van een externe bron. Warmtemotoren kunnen open zijn voor de lucht of afgesloten en naar buiten toe gesloten (dit wordt een open of gesloten cyclus genoemd).
Figuur 1: Schema van de warmtemotor. TH is de warmtebron en TC de koudeput. QH is de warmte die in de motor stroomt. QC is de afvalwarmte die naar de koudeput gaat. W is het nuttig werk dat uit de motor komt.
Overzicht
Wanneer wetenschappers warmtemotoren bestuderen, komen zij met ideeën voor motoren die in werkelijkheid niet gebouwd kunnen worden. Dit worden ideale motoren of cycli genoemd. Echte warmtemotoren worden vaak verward met de ideale motoren of cycli die ze proberen na te bootsen.
Wanneer het fysieke apparaat wordt beschreven, wordt gewoonlijk de term "motor" gebruikt. Wanneer het ideaal wordt beschreven, wordt de term "cyclus" gebruikt.
Men zou kunnen zeggen dat de thermodynamische cyclus een ideaal geval is van de mechanische motor. Men zou ook kunnen zeggen dat het model niet helemaal perfect overeenkomt met de mechanische motor. Er is echter veel voordeel te halen uit de vereenvoudigde modellen, en de ideale gevallen die zij kunnen voorstellen.
In het algemeen geldt: hoe groter het temperatuurverschil tussen de warme bron en de koude bron, hoe efficiënter de cyclus of motor. Op aarde is de koude kant van elke warmtemotor beperkt tot de luchttemperatuur van de plaats waar de motor zich bevindt.
De meeste inspanningen om het rendement van warmtemotoren te verbeteren, zijn erop gericht de temperatuur van de warmtebron te verhogen, maar bij zeer hoge temperaturen begint het metaal van de motor zacht te worden.
Het rendement van verschillende warmtemotoren die vandaag de dag worden voorgesteld of gebruikt, varieert van 3% (97% afvalwarmte) voor het OTEC-voorstel voor energie uit de oceaan, 25% voor de meeste automotoren, 45% voor een superkritische kolencentrale, tot ongeveer 60% voor een stoomgekoelde gasturbine met gecombineerde cyclus. Al deze processen winnen aan efficiëntie (of gebrek daaraan) door de temperatuurdaling die ze ondergaan.
De minst efficiënte, OTEC, maakt gebruik van het temperatuurverschil tussen oceaanwater aan de oppervlakte en oceaanwater uit de diepte, een klein verschil van misschien 25 graden Celsius, en dus moet het rendement laag zijn.
De meest efficiënte, de gecombineerde-cyclus gasturbine verbrandt aardgas om lucht te verwarmen tot bijna 1530 graden Celsius, een groot temperatuurverschil van 1500 graden Celsius, en dus kan het rendement zeer groot zijn wanneer de stoomkoelcyclus wordt toegevoegd.
Alledaagse voorbeelden
Meestal gebruikt men warmtemotoren waarbij de warmte afkomstig is van een vuur dat een werkvloeistof (gewoonlijk water of lucht) doet uitzetten en het koellichaam een watermassa of de atmosfeer is, zoals in een koeltoren.
Bekende motoren die gebruik maken van de expansie van verhitte gassen zijn: de stoommachine, de dieselmotor, en de benzinemotor (benzine) in een auto.
De Stirlingmotor is veel zeldzamer, maar wordt aangetroffen in kleine modellen die kunnen draaien op de warmte van een hand.
Een soort speelgoed-warmtemotor is de drinkvogel.
Een bimetaalstrip is een apparaat dat temperatuur omzet in mechanische beweging en wordt gebruikt in thermostaten om de temperatuur te regelen. Het is een warmtemotor die geen vloeistof of gas gebruikt.
Verwante pagina's
- Warmtepomp
Vragen en antwoorden
V: Wat is een warmtemotor in techniek en thermodynamica?
A: Een warmtemotor is een apparaat dat warmte-energie omzet in mechanische arbeid door gebruik te maken van het temperatuurverschil tussen een hete "bron" en een koude "gootsteen".
V: Hoe werkt een warmtemotor?
A: Warmte wordt overgedragen van de bron door het werkende lichaam van de motor naar de gootsteen, en tijdens dit proces wordt een deel van de warmte omgezet in arbeid met behulp van de eigenschappen van het gas of de vloeistof in de motor.
V: Wat zijn de thermodynamische cycli van warmtemotoren?
A: Er zijn vele soorten warmtemotoren, elk met een specifieke thermodynamische cyclus. Ze zijn genoemd naar de thermodynamische cyclus die ze gebruiken, zoals de Carnot-cyclus.
V: Wat zijn enkele voorbeelden van warmtemotoren die genoemd zijn naar alledaagse voorwerpen?
A: Enkele voorbeelden van warmtemotoren die genoemd zijn naar alledaagse voorwerpen zijn benzine/benzinemotoren, turbinemotoren en stoommachines.
V: Hoe genereren verbrandingsmotoren warmte?
A: Verbrandingsmotoren genereren warmte in de motor zelf.
V: Kunnen warmtemotoren open zijn naar de lucht?
A: Ja, warmtemotoren kunnen open zijn naar de lucht of afgesloten en afgesloten van de buitenlucht. Dit wordt een open of gesloten cyclus genoemd.
V: Absorberen alle warmtemachines warmte van een externe bron?
A: Nee, hoewel sommige warmtemachines warmte van een externe bron kunnen absorberen, kunnen andere warmte in de motor zelf genereren.
