מכונות חום
הגדרה:
מכונת חום היא מערכת סגורה הפועלת במחזור ועשה אינטראקציות חום ועבודה.
אנו מבדילים בין שני סוגים של מכונות חום:
- כאלה שמשתמשים בחום כדי ליצור עבודה,
. - כאשר שמשתמשים בעבודה כדי ליצור חימום או קירור,
.
דוגמה:
דוגמה פשוטה למכונת חום המייצרת עבודה היא צילינדר ובוכנה המכילים הגז בו הבוכנה יכולה לנוע בין שני מעצורים:
מערכת כזאתי יכולה לשמש להגבהת משקולות מקומהלקומה . בשלב 1 הבוכנה נמצאת בשלב הכי נמוך שלה, ואין עליה משקל ונמצאת בש”מ עם הגז בתוך הצילינדר.
מניחים משקולת על הבוכנה שלא זזה מאחר והיא נמצאת על מעצור. מחממים את הגז, ומגיעים למצב 2, בו הטמפרטורה והלחץ של הגז עלו אבל הבוכנה לא זזה כי לחץ הגז הפנימי עדיין נמוך מהלחץ החיצוני האקוויולנטי.
התהליך 1-2 הוא תהליך בנפח קבוע - איזוכורי.כאשר ממשיכים לחמם הלחץ הפנימי לא משתנה, אלא הבוכנה פשוט עולה עד לקומה
, בו היא עוצרת בגלל המעצור והגענו למצב 3.
תהליך 2-3 הוא תהליך בלחץ קבוע - איזובארי.מורידים את המשקולת מקומה
. מצב הגז לא משתנה מאחר והבוכנה חסומה ע”י המעצור. כדי להמשיך להוריד ולהעלות משקולות, אנחנו נקרר את הגז: ראשית, הטמפטורה ולחץ הגז מתחת לבוכנה יורדים בנפח קבוע, עד שהלחץ נמול מספיק כדי לתמוך בבוכנה במצב 4. קירור נוסף מוריד כבר את הנפח בתהליך בלחץ קבוע עד שאנו מגיעים למצב 1.
מאגר חום
הגדרה:
מאגר חום הוא מערכת סגורה שעוברת מצבי שיווי משקל כאשר הטמפרטורה שלה לא משתנה כאשר היא עוברת אינטראקציות חום (סופיות).
מאגר חום, לדוגמה, יכל להיות מערכת מאוד גדולה, כמו האוקיינוס או האטמוספירה.
נצילות וביצוע
מנוע חום
למערכות שמעבירות אנרגיה לסביבה שלהן בכל מחזור אנו קוראים מנוע חום.
הערה:
על פי הסכם סימונים, האינטראקציות המסומנות חיוביות בכיוון החץ. לכן
, למרות שהוא יוצא מהמנוע חום, חיובי בסימנו.
את סך העבודה נוכל לחשב:
הניצולת של מנוע חום ניתנים לתיאור בעזרת מידות שמודדות כמה אנרגיה מוספת למערכת ע”י חום -
הגדרה:
את המרת האנרגיה מחום לעבודה אנו מודדים ע”י היחס הבא, שנקרא נצילות המנוע:
או, באופן אחר:
מאחר ואנרגיה נשמרת, נוכל להסיק שנצילות המנוע אף פעם לא תהיה יותר גדולה מ-
משאבת חום ומקררים
במערכות שבהן ישנו מעבר חום לתוך המערכת הנמצאת במחזור מגוף קר, ויוצא מהמערכת אנרגיה במעבר חום אל גוף חם, אנחנו קוראים מערכות מסוג משאבות חום או מקררים.
הקשרים בין החום והעבודה ניתנים ע”י המשוואה הבאה:
מאחר ו-
כמו במנועי חום, נגדיר מידה לתיאור הביצועים של מקררים ומשאבות חום:
הגדרה:
ליחס בין האנרגיה שיוצאת ממקרר, לעבודה שהתבצעה כדי ליצור את הקירור, אנו קוראים מקדם הביצוע של המקרר:
עבור מקרר ביתי,
הגדרה:
הביצוע של משאבת חום מתוארת ע”י היחס של כמות האנרגיה שיוצאת מהמערכת לגוף החם,
, לסך העבודה שנכנסת למערכת. ליחס זה אנו קוראים מקדם הביצוע של המשאבת חום:
ממשוואה אלו נוכל להסיק שהערך של
כאשר אנחנו מתכננים מקרר או משאבת חום, אנו נרצה שמקדם הביצוע יהיה כמה שיותר גבוה - כי אז זה יעיד על המרה של עבודה לחום הרבה יותר יעילה.