Efisiensi
Efisiensi mesin panas berhubungan
berapa banyak pekerjaan yang berguna adalah output untuk jumlah tertentu
masukan energi panas.
Pada operasinya, fluida kerja dari mesin
kalor menyerap panas (QH) dari reservoar panas,
kemudian
menghasilkan sejumlah kerja bersih (W), melepaskan panas (QC) dari reservoar
dingin dan
akhirnya kembali pada kondisi awalnya.
Untuk
mendapatkan efisiensi thermal 100%, QC haruslah nol. Sayangnya tidak ada satupun mesin yang
mampu mencapai kondisi ini, pasti akan selalu ada panas yang dibuang ke
reservoar dingin. Hal yang menentukan limit atas efisiensi adalah derajat
reversibilitas dari operasinya.
Oleh karena itu lah, mesin kalor yang beroperasi secara benar-benar reversibel
adalah mesin yang ideal dan disebut dengan mesin Carnot.
Dengan kata lain, mesin panas
menyerap energi panas dari sumber panas suhu tinggi, mengubah bagian dari itu
untuk pekerjaan yang berguna dan memberikan sisanya untuk heat sink suhu
dingin.
Secara umum, efisiensi proses
perpindahan panas yang diberikan (apakah itu kulkas, pompa panas atau mesin)
didefinisikan secara informal oleh rasio "apa yang keluar" untuk
"apa yang Anda meletakkan masuk"
Dalam kasus mesin, satu keinginan
untuk mengekstrak dan menempatkan pekerjaan dalam transfer panas.
Efisiensi maksimum teoritis
dari setiap mesin panas hanya bergantung pada suhu beroperasi antara. Efisiensi
ini biasanya diturunkan menggunakan mesin panas yang ideal imajiner
seperti , meskipun mesin lain yang
menggunakan siklus yang berbeda juga dapat mencapai efisiensi maksimum. Secara
matematis, hal ini karena di proses,
perubahan dari reservoir dingin adalah
negatif itu dari reservoir panas (yaitu, ), Menjaga perubahan keseluruhan
entropi nol.
Dengan demikian: dimana adalah dari sumber panas dan bahwa dari wastafel
dingin, biasanya diukur dalam .
Perhatikan bahwa adalah positif sementara adalah negatif, dalam
setiap proses kerja-extracting reversibel, entropi keseluruhan tidak meningkat,
melainkan dipindahkan dari suatu sistem panas (tinggi entropi) ke dingin
(low-entropi satu), mengurangi entropi dari sumber panas dan meningkat bahwa
dari heat sink.
Alasan di balik ini menjadi
efisiensi maksimal berjalan sebagai berikut. Hal ini pertama diasumsikan bahwa
jika mesin panas lebih efisien daripada mesin Carnot adalah mungkin, maka bisa
didorong secara terbalik sebagai pompa panas. Analisis matematis dapat
digunakan untuk menunjukkan bahwa kombinasi diasumsikan akan menghasilkan
penurunan bersih dalam . Karena, dengan , ini secara statistik tidak mungkin ke titik
pengecualian, efisiensi Carnot adalah atas teoritis terikat pada efisiensi yang
handal dari setiap proses.
Secara empiris, tidak ada mesin
panas yang pernah ditunjukkan untuk dijalankan pada efisiensi yang lebih besar
daripada mesin panas siklus Carnot.
Mesoscopic Engine Panas
Mesin panas mesoscopic adalah
perangkat nano yang dapat melayani tujuan fluks panas pengolahan dan melakukan
pekerjaan yang berguna pada skala kecil. Potensi aplikasi termasuk perangkat
misalnya pendingin listrik. 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 yang lebih panas. Hubungan ini mengubah
ketidaksamaan Carnot ke dalam kesetaraan yang tepat.
Mesin Panas Endoreversible
Efisiensi yang paling Carnot sebagai
kriteria kinerja panas mesin adalah kenyataan bahwa dengan sifatnya, setiap
siklus Carnot maksimal efisien harus beroperasi pada gradien suhu sangat kecil.
Hal ini karena adanya transfer panas antara dua benda pada suhu yang
berbeda tidak dapat diubah, dan karena ekspresi efisiensi Carnot hanya berlaku
dalam batas sangat kecil. Masalah utama dengan itu adalah bahwa obyek mesin
panas yang paling adalah untuk output semacam kekuasaan, dan kekuasaan sangat
kecil biasanya tidak apa yang sedang dicari.
Sebuah ukuran yang berbeda efisiensi
mesin panas yang ideal diberikan oleh pertimbangan , di mana siklus identik dengan siklus Carnot
kecuali dalam bahwa dua proses perpindahan panas yang tidak reversibel
(Callen 1985):
(Catatan: Unit atau )
Model ini melakukan pekerjaan yang
lebih baik memprediksi seberapa baik dunia nyata mesin panas dapat lakukan
(Callen 1985, lihat juga ):
Panas tambahan mesin
Insinyur 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.
1.
Meningkatkan perbedaan dalam mesin panas. Cara termudah
untuk melakukan ini adalah untuk meningkatkan temperatur sisi panas, yang
merupakan pendekatan yang digunakan dalam modern gabungan-siklus . Sayangnya, batas-batas fisik (seperti titik
leleh bahan dari mana mesin dibangun) dan keprihatinan lingkungan mengenai produksi membatasi suhu maksimum pada mesin
panas bisa diterapkan. Turbin gas modern dijalankan pada suhu setinggi mungkin
dalam kisaran suhu yang diperlukan untuk mempertahankan diterima NO keluaran x
. 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 , yang menggunakan campuran 70/30 dari dan air sebagai fluida kerjanya. Campuran ini
memungkinkan siklus untuk menghasilkan tenaga yang berguna pada suhu jauh lebih
rendah daripada proses yang lain.
2.
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 seperti air dan 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 adalah . dan juga telah dipertimbangkan untuk aplikasi
seperti, meskipun SO 2 adalah sedikit beracun untuk sebagian.
3.
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 (NO 2),
komponen beracun dari , yang memiliki
alam sebagai di-nitrogen tetraoxide (N 2
O 4). Pada suhu rendah, N 2 O 4 dikompresi dan
kemudian dipanaskan. Meningkatnya suhu menyebabkan setiap N 2 O 4
untuk pecah menjadi dua molekul NO 2. Hal ini akan menurunkan berat
molekul dari fluida kerja, yang secara drastis meningkatkan efisiensi siklus.
Setelah 2 NO telah diperluas melalui turbin, didinginkan oleh , yang menyebabkan untuk bergabung kembali ke
N 2 O 4. Hal ini kemudian makan kembali oleh kompresor
untuk siklus lain. Spesies seperti (Al 2
Br 6), NOCl, dan Ga 2 I 6 semuanya telah
diselidiki untuk penggunaan tersebut. Sampai saat ini, kelemahan mereka belum
dibenarkan penggunaannya, meskipun peningkatan efisiensi yang bisa diwujudkan.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar