12.4 Hagnýting varmafræðinnar: Varmavélar, varmadælur og kæliskápar

Hæfniviðmið kafla

Í lok þessa kafla muntu geta gert eftirfarandi:

• Útskýrt hvernig varmavélar, varmadælur og kæliskápar virka út frá lögmálum varmafræðinnar.
• Lýst varmanýtni.
• Leyst dæmi sem tengjast varmanýtni.

Stuðningur við kennara

Hæfniviðmiðin í þessum kafla hjálpa nemendum að ná tökum á eftirfarandi staðli:

• (6) Vísindahugtök. Nemandinn veit að breytingar eiga sér stað innan eðlisfræðilegs kerfis og beitir lögmálum um varðveislu orku og skriðþunga. Ætlast er til að nemandinn greini og útskýri hversdagsleg dæmi sem sýna lögmál varmafræðinnar, þar á meðal lögmálið um varðveislu orku og lögmálið um óreiðu.

[BL] [OL] [AL] Tengdu umræðuna við fyrri umfjöllun um nýtni. Rifjaðu upp kjörgaslögmálið, lögmál varmafræðinnar og óreiðu.

[OL] Biddu nemendur að útskýra hvers vegna nýtni raunverulegra véla hlýtur að hafa takmörk.

Varmavélar, varmadælur og kæliskápar

Nú skoðum við hvernig varmavélar, varmadælur og kæliskápar vinna samkvæmt lögmálum varmafræðinnar. Varmavél breytir varmaorku í vinnu. Bensín- og dísilvélar, þotuhreyflar og gufuhverflar eru dæmi um varmavélar.

Til að endurtaka ferlið þarf stimpillinn að komast aftur í upphafsstöðu. Þá flyst varmi frá gasinu til umhverfisins, þrýstingurinn í gasinu lækkar og umhverfið getur þrýst stimplinum til baka. Ferli sem skilar kerfi í upphafsstöðu kallast hringferli. Allar varmavélar byggja á hringferlum.

Í varmafræði merkir varmageymir svo stórt kerfi að það getur tekið við eða gefið frá sér varma án þess að hitastig þess breytist marktækt. Heiti varmageymirinn hefur hitastigið T_h og kaldi varmageymirinn hefur hitastigið T_c.

Í hringferli er breytingin á innri orku núll, ΔU = 0. Samkvæmt fyrsta lögmáli varmafræðinnar er ΔU = Q - W. Fyrir varmavél er nettóvarminn Q = Q_h - Q_c og því gildir:

• 0 = Q - W
• W = Q
• W = Q_h - Q_c

Best væri að breyta öllum varmanum Q_h í vinnu, þannig að W = Q_h og Q_c = 0. Annað lögmál varmafræðinnar segir þó að þetta sé ómögulegt. Því minni óreiðuaukning sem fylgir ferlinu, því minni varmi þarf að fara til kalda varmageymisins og því meiri orka er tiltæk til vinnu.

Varmadælur, loftkælar og kæliskápar vinna í gagnstæða átt við varmavélar. Tækin flytja varma Q_c frá köldum varmageymi og skila varma Q_h til heits varmageymis með því að nota vinnu W sem sett er inn í kerfið. Þá gildir:

Q_h = Q_c + W

Varmadæla flytur varma inn í hlýtt rými, til dæmis heimili að vetri til. Greitt er fyrir vinnuna W, en varminn Q_c er tekinn úr útiloftinu eða öðru köldu umhverfi. Ókosturinn er að vinnuinntakið getur verið dýrara en beinn bruni eldsneytis, sérstaklega ef raforka er dýr.

Gæði varmadælu ráðast af því hversu miklum varma Q_h hún skilar miðað við vinnuna W sem þarf til að knýja hana.

Kæliskápar og loftkælar búa ekki til kulda. Tækin flytja varma frá köldu rými til hlýrra rýmis. Í kæliskápum og loftkælum fer kælimiðill í lokuðu rörakerfi milli vökva- og gasástands. Þjappa þjappar gasinu saman, þannig að þrýstingur og hitastig hækka samkvæmt kjörgaslögmálinu. Í eimsvala flyst varmi frá gasinu til umhverfisins og gasið þéttist. Vökvinn fer síðan um þrönga opnun eða þensluloka inn í eimingartæki, þar sem þrýstingur og hitastig lækka og varmi flyst úr rýminu sem á að kæla.

Kæliskápur flytur varma frá innra rými sínu til herbergisins í kring. Loftkælir flytur varma frá lofti inni í húsi til útilofts. Margar varmadælur geta einnig gengið í öfuga átt og kælt rými á sumrin. Gæði kæliskáps eða loftkælis ráðast af því hversu mikinn varma Q_c tækið fjarlægir miðað við vinnuna W sem þarf.

Varmanýtni

Í raunverulegri varmavél fæst alltaf minna út en sett er inn. Einhver hluti varmans fer til kalda varmageymisins sem Q_c. Varmanýtni er hlutfall gagnlegs úttaks og inntaks. Fyrir varmavél er gagnlega úttakið vinnan W og inntakið varminn Q_h:

Eff = W / Q_h

Nýtni væri 1, eða 100 prósent, aðeins ef Q_c væri núll. Þar sem Q = Q_h - Q_c má einnig skrifa:

Eff = (Q_h - Q_c) / Q_h

Hér eru Q_h og Q_c meðhöndluð sem jákvæðar stærðir. Stefna varmaflutningsins kemur fram í samhenginu: Q_h fer inn í vélina frá heita varmageyminum og Q_c fer út úr henni til kalda varmageymisins.

Unnið dæmi 12.5

Kolakynt raforkuver er í reynd stór varmavél. Á einum degi tekur það við 2,50 × 10¹⁴ J af orku frá brennslu kola og flytur 1,48 × 10¹⁴ J með varma til umhverfisins. Hversu mikla vinnu vinnur raforkuverið og hver er varmanýtnin?

Lausn: Notum W = Q_h - Q_c.

• W = 2,50 × 10¹⁴ J - 1,48 × 10¹⁴ J
• W = 1,02 × 10¹⁴ J

Varmanýtnin er:

• Eff = W / Q_h
• Eff = (1,02 × 10¹⁴ J) / (2,50 × 10¹⁴ J)
• Eff = 0,408, eða 40,8 prósent

Venjulegt kolakynt raforkuver getur haft nýtni nálægt 42 prósentum. Í þessu dæmi flytjast 59,2 prósent orkunnar með varma til umhverfisins, þar sem hún getur hitað vatn eða loft. Stundum má nýta slíkan afgangsvarma til húshitunar eða iðnaðarferla.

Æfingaverkefni

Spurning 1. Varmavél tekur við 120 J með varma og skilar 20 J sem úrgangsvarma. Hversu mikla vinnu vinnur vélin?

• -100 J
• -60 J
• 60 J
• 100 J

Spurning 2. Varmavél tekur við 6,0 kJ af varma og skilar 4,8 kJ sem úrgangsvarma. Hver er varmanýtnin?

• 25 prósent
• 2,50 prósent
• 2,00 prósent
• 20 prósent

Athugaðu skilning þinn

Spurning 3. Hvað er varmavél?

• Tæki sem breytir vélrænni orku í varmaorku.
• Tæki sem breytir varmaorku í vélræna orku.
• Tæki sem breytir varmaorku í raforku.
• Tæki sem breytir raforku í varmaorku.

Spurning 4. Nefndu dæmi um varmavél.

• Rafall
• Rafhlaða
• Vatnsdæla
• Bílvél

Spurning 5. Hvað er varmanýtni?

• Hlutfall vinnuinntaks og orkuinntaks.
• Hlutfall vinnuúttaks og orkuinntaks.
• Hlutfall vinnuinntaks og orkuúttaks.
• Hlutfall vinnuúttaks og orkuúttaks.

Spurning 6. Hvaða stærðfræðilega framsetning lýsir varmanýtni?

• Eff = Q_h / (Q_h - Q_c)
• Eff = Q_h / Q_c
• Eff = Q_c / Q_h
• Eff = (Q_h - Q_c) / Q_h