A gőzgép XVIII. századi megalkotása döntő jelentőségű volt az ipari forradalom elindulása, illetve kibontakozása számára. Az emberi erő gépekkel történő helyettesítése ugrásszerűen javított a termelékenységen, viszont fizikus szemmel elmondhatjuk, hogy a gőzgépeink hatásfoka általában 10% alatt maradt. A kezdetekben ez nem okozott problémát, hiszen bőven volt energiaforrás, és a környezetszennyezés is sokkal kisebb mértékű volt, mint manapság. A belső égésű motorok (benzin, dízel) jobb hatásfokuknak (25-40%) köszönhetően lassan kiszorították a gőzüzemű berendezéseket. Ugyanakkor kérdés, hogy tudunk-e tovább javítani ezen a - még így sem igazán jó - hatásfokon, illetve léteznek-e olyan más eljárások, amelyekkel energiahordozóinkból jobb hatásfokkal tudunk mechanikai energiát előállítani.

Gőzgép

Hőerőgépeknek nevezzük az olyan berendezéseket, amely a hőenergiából mechanikai energiát állítanak elő. Hőerőgépeink körfolyamatban működnek. Ez azt jelenti, hogy egy cikluson belül a melegebb hőtartályból felvett hő egy részét mechanikai munkává alakítják, a többit a hidegebb hőtartálynak adják le, majd ezt újra és újra megismétlik. A legismertebb hőerőgépek a gőzgép, a belső égésű motor, a gőz- és a gázturbina.

Külső és belső égésű motor

Turbinák

Gőzgépet már az i. e. 1. században is üzemeltettek szórakoztatás céljából, de az igazi áttörés a 18. században történt a James Watt által kifejlesztett változat elterjedésével. Sokan a modern gőzgép megalkotásától (1769) számítják az ipari forradalom kezdetét. A gőzgépet közel két évszázadon keresztül szivattyúk, mozdonyok, hajók, cséplőgépek meghajtására használták. Tüzelőanyagként szinte bármilyen éghető anyag szóba jöhetett, de elsősorban fa-, szén- és olajtüzelést használtak. A gőzgép legismertebb fajtája a dugattyús gőzgép, ahol legegyszerűbb esetben a hengerbe beáramló nagy nyomású gőz a dugattyút előre nyomja, a holtponton a gőzbeáramlást egy szelep megszünteti, míg egy másik szelep nyitásával a fáradt gőz a hengerből eltávozik. A dugattyú haladó mozgását egy forgattyús tengely segítségével alakítják át forgómozgássá. A dugattyús gőzgépeknek számos fajtája alakult ki, pl. kettős működésű gőzgép, ahol a szabályozás úgy van megoldva, hogy a dugattyú mindkét oldalára felváltva hat a gőz nyomása. A többszörös expanziójú gépeknél pedig általában három munkahenger van egymás után kapcsolva azért, hogy a hengerből kiáramló fáradt gőzben rejlő energiát is minél jobban ki lehessen használni.

Kettős működésű gőzgép

Külső égésű motorA külső égésű motor olyan hőerőgép, ahol a fűtőanyagot a motoron kívül égetik el. A motorban környezetétől elzárt gáz, elsősorban levegő van. Amikor a gázt melegítjük, akkor a gáz kitágul és a dugattyú munkát végez. Amikor hűtjük, összehúzódik, és kevesebb munkával is visszavihető a kiindulási pozíciójába. A két munkavégzés közötti különbség a hasznos munka. Folyamatos munkavégzés érhető el, ha a gáz periodikusan áramlik a melegebb és hidegebb hőcserélők között. Mivel a gáz folyamatosan a hengerben marad, a külső égésű motoroknál nincs szükség szelepekre. Ennek a motornak a működéséhez bármilyen éghető anyag számításba jön, ezért megújuló energiaforrásokkal is működtethető. Jellemzője még a halk üzemmód, a belső égésű motorokhoz viszonyított tisztább kipufogó gáz és nagyobb hatásfok. Hátránya, hogy költséges, méretei nagyobbak a belső égésű motorokhoz képest, teljesítménye sokkal lassabban változtatható.

Belső égésű motorA belső égésű motor olyan hőerőgép, ahol a fűtőanyag a motor hengerében ég el. Annak függvényében, hogy milyen üzemanyagot használ, megkülönböztetünk benzinmotort és dízelmotort. További csoportosítási lehetőség, hogy hány mozgásfázisra jut egy munkaütem. Ennek megfelelően léteznek kétütemű és négyütemű motorok.

A turbinák olyan erőgépek, amelyek egy közeg mozgási energiáját forgási energiává alakítják. Legfontosabb fajtáik: víz-, gőz- és gázturbina. A turbinák álló- és forgórészből állnak. A forgórész egy olyan henger, amelyre turbinalapátokat erősítenek fel, és az áramló közeg ezekre fejt ki forgatónyomatékot. A forgórész lapátjairól kikerülő, de még jelentős energiával rendelkező áramlást egy álló lapátsor segítségével egy újabb forgórészre irányítják. Ez a folyamat egészen addig tart, amíg a mozgó közeg el nem veszíti a sebességét, vagy nyomása le nem csökken a légköri nyomás értékére. A turbinák forgórésze kerül összeköttetésre a generátorral, amely a forgási energiát elektromos energiává alakítja.

Az alábbi videofelvételen egy Stirling-motor működése kísérhető figyelemmel.

A mechanikában a hatásfok fogalmát a hasznos munkavégzés összes munkavégzéshez viszonyított arányával definiáltuk. A hőtanban hasznos munkavégzésnek a körfolyamat alatt kinyert mechanikai munkát (W) tekinthetjük, amihez ezt célszerű arányítani, az a rendszerbe betáplált hőmennyiség (Q_fel). A termodinamikai hatásfok (%u03B7) definíciója tehát: Körfolyamat esetén a rendszer visszakerül a kiindulási állapotába, ezért a belső energiája nem változik. Ennek megfelelően - a hőtan I. főtétele értelmében - a felvett hő egy része mechanikai munkává alakul, másik része viszont leadott hőként jelentkezik. Így a hatásfok alakban is írható. Mivel egy körfolyamat esetén mindig van leadott hőmennyiség is, a termodinamikai hatásfok értéke sohasem érheti el az 1 értéket, összhangban a mechanikában megtanultakkal.Kimutatható, hogy egy magasabb és egy alacsonyabb hőmérsékletű hőtartály között lejátszódó körfolyamat hatásfoka akkor a legnagyobb, ha azt két adiabatikus és két izoterm változással valósítjuk meg. Az ilyen körfolyamat neve Carnot-féle ciklus. Carnot-ciklus esetén a hatásfok a következő egyszerű összefüggéssel számítható: ,ahol T₁ az alacsonyabb, T₂ a magasabb hőmérsékletű hőtartály hőmérséklete.

A gázturbinás sugárhajtómű olyan turbina, amelynél a tolóerőt a nagy sebességgel mozgó égéstermékek reakcióereje adja. Az elégetett tüzelőanyag - többnyire kerozin - energiáját az általa létrehozott gázsugár mozgási energiájává alakítja át. A gázturbinás sugárhajtóműben folyamatos égés valósul meg a turbina és a kompresszor közötti égéstérben. Az égéstermékeket - a turbinából való kilépés után - egy fúvócsőben felgyorsítják, és az így keletkezett gázsugár biztosítja a hajtómű tolóerejét.

Vizsgáljuk meg, hogy ideális esetben milyen típusú körfolyamat játszódik le a négyütemű benzinmotorban az ábra segítségével! A szívás folyamata (1-2) a nyitott szelep miatt izobár folyamat. Ezután a gyorsan mozgó dugattyú adiabatikusan nyomja össze a gázt (2-3). A gyújtás ebben az esetben pillanatszerű folyamat, amely állandó térfogat mellett megemeli a nyomást (3-4). A munkavégzés (4-5) szintén adiabatikus, míg a kinyíló kipufogószelep gyors nyomáscsökkenést eredményez (5-2). A kipufogás már állandó nyomáson történik (2-1).

Az első benzinüzemű négyütemű motort Nikolaus Otto német feltaláló készítette 1876-ban.1. Az első ütem a szívás, amikor a dugattyú lefelé mozog, és a szívószelepen keresztül maga után szívja a benzin-levegő keveréket.2. A második ütem a sűrítés. A szelep bezárulása után a dugattyú felfelé mozog, és összesűríti a keveréket.3. Amikor jó közelítéssel a holtponton jár, a gyújtógyertya elektródái között kipattanó szikra meggyújtja az üzemanyagot. Ez a harmadik ütem, a munkavégzés. Munkavégzéskor a megnövekedett nyomás a dugattyút lefelé löki.4. Amikor elérkezett az alsó holtpontra, kinyílik a kipufogószelep, és az égéstermék eltávozik a hengerből.Ez a négy ütem ismétlődik folyamatosan a motor működése során. A motor hatásfoka kb. 25-35%.

Nézzük meg a négyütemű benzinmotor működését az animáción.

Benzinmotor működése

HőszivattyúHa a berendezés üzemeltetésekor az a célunk, hogy a magasabb hőmérsékletű hely tovább melegedjen, akkor hőszivattyúról beszélünk. A hőszivattyúban a hűtőfolyadék gőze zárt csővezetékben áramlik. A gőz egy úgynevezett kondenzátorban lecsapódik, és hőjét átadja a fűtendő helyiség levegőjének. Az így cseppfolyóssá vált hűtőközeg egy fojtószelepen áthaladva kitágul, gyorsan elpárolog, hőmérséklete csökken. A hideg gőzt a külső környezet felmelegíti, egy kompresszor összesűríti és visszajuttatja a kondenzátorba, ahol a folyamat újra és újra ismétlődik. Hőszivattyút tehát fűtési célokra alkalmazunk. A hőszivattyúk legtöbb esetben a természetes hőforrásokat, levegőt, talajt, vizeket használják.

HűtőgépAmennyiben számunkra az a fontos, hogy az alacsonyabb hőmérsékletű helyről szállítsunk el hőt, akkor azt mondjuk, hogy a berendezés hűtőgép. A hűtőgép - elektromos munka hatására - a hűtendő térből hőt von el, és azt a hűtőgépen kívül hűtőbordák segítségével adja le. Azért nem szabad a hűtőgépet egészen a falig betolni, mert akkor gátoljuk a hűtőbordák szakszerű működését. A hűtőgép általában periodikusan működik, egy termosztát segítségével ellenőrzi a belső tér hőmérsékletét, és csak akkor kapcsol be, ha az a beállított érték fölé emelkedik. Egy adott hőmérséklet elérésekor befejezi a hűtést.

Minden hőerőgép közös tulajdonsága, hogy a magasabb hőmérsékletű hőtartályból hőt vesz fel, annak egy részét mechanikai munkává alakítja, majd a maradék hőt az alacsonyabb hőmérsékletű hőtartálynak leadja. Gondoljuk végig, hogy a folyamat megfordítható. Vizsgáljuk meg, milyen célt szolgálhat egy olyan berendezés, amely az alacsonyabb hőmérsékletű hőtartályból vesz fel hőt, és azt a magasabb hőmérsékletűnek adja le. Először is tisztázzuk, hogy ez a folyamat a hőtan II. főtétele értelmében önként sohasem megy végbe. A felvett hő és a leadott hő közötti különbséget a berendezésnek munka formájában szolgáltatni kell. Annak függvényében, hogy az eszköz üzemeltetésekor mi a célunk, kétféle elnevezéssel élünk: hűtőgép vagy hőszivattyú.

A dízelmotor működése - ami Rudolf Diesel német mérnök találmánya (1892) - lényegét tekintve hasonló a benzinmotoréhoz, viszont van egy nagyon lényeges különbség: szíváskor a hengerbe csak levegő áramlik be. A sűrítési ütem a levegőt sajtolja össze, majd ebbe fecskendezik be a dízelolajat, amikor a dugattyú a felső holtponthoz ér. Az összenyomás mértéke annyira felmelegíti a levegőt, hogy az üzemanyag szikra nélkül is elég. Ezért a dízelmotorok nem tartalmaznak gyújtógyertyát. Amíg a sűrítés mértéke a benzinmotoroknál kb. 1:10 arányú, addig ez a dízel esetén 1:16 is lehet. A magasabb hőmérséklet és a hosszabb égési folyamat miatt a dízelmotor jobb hatásfokú (35-40%), mint a benzinmotor.

Vizsgáljuk meg, hogy ideális esetben milyen típusú körfolyamat játszódik le a négyütemű dízelmotorban az alábbi ábra segítségével! A szívás folyamata (1-2) a nyitott szelep miatt izobár folyamat. Ezután a gyorsan mozgó dugattyú adiabatikusan nyomja össze a gázt (2-3). A gyújtás a dízelmotornál nem tekinthető pillanatszerű folyamatnak, sokkal inkább olyannak, amely állandó nyomás mellett megy végbe (3-4). A munkavégzés (4-5) szintén adiabatikus, míg a kinyíló kipufogószelep állandó térfogat mellett gyors nyomáscsökkenést eredményez (5-2). A kipufogás itt is állandó nyomáson történik (2-1).

Dízelmotor működése

Leírás a film ismeretében

A vízturbinák a lezúduló víz mozgási energiáját alakítják át forgási energiává. Kétféle típus létezik. A reakciós turbinát kis és közepes esésű, de nagy hozamú, a szabadsugár-turbinát nagy esésű, de viszonylag kisebb hozamú vízmennyiség esetén használják. Az első működésének alapja az, hogy a lapátokba beleütköző víz nyomása a lapát előtt nagyobb, mint a lapát után, és a kettő közötti különbség fejt ki erőt. A második esetben a lapátok úgy vannak kialakítva, hogy elfordítják az áramlás irányát, és az impulzusváltozásból származó erő forgatja meg a lapátkereket.

A gőzturbina általában magas hőmérsékletű vízgőz hőenergiáját alakítja át forgási energiává. Egy jellegzetes gőzturbinában a nagy nyomású és nagy hőmérsékletű gőzt fúvókákon felgyorsítják. A gőz sebessége elérheti a hangsebességet is. Ezután irányítják rá a gőzt a turbinalapátokra. A folyamat általában olyan sok fokozatból áll, hogy ezeket nem is egy, hanem két-három forgórész között osztják el. Gőzturbinákat használnak a fosszilis energiával működő erőművekben, de az atomerőművek végfokozatainál is. A gőzturbinák hatásfoka 30-50%. Ez azt jelenti, hogy a megtermelt hőenergiának ekkora hányada alakul át elektromos energiává.

A gázturbina olyan hőerőgép, ahol a levegővel kevert üzemanyag égéstermékei egy turbinát üzemeltetnek. A turbina feladata az, hogy az égéshez szükséges levegőt biztosító kompresszort működtesse. A turbinalapátokról lekerülő égéstermékek további turbinákat üzemeltethetnek, vagy fúvókákon felgyorsítva hajtóanyagként is szolgálhatnak. A gázturbinában folyamatos égés alakul ki, ami javítja a hatásfokot a belső égésű motorokhoz képest. A gázturbinák hatásfoka kb. megegyezik a gőzturbinákéval, viszont a két eljárás kombinációjával 60%-os hatásfok is elérhető. Még tovább emelhető a hatásfok, ha a turbinákról lekerülő gőzt fűtési, melegvíz-előállítási célokra tovább hasznosítják.

A Stirling-motor a külső égésű motorok egy fajtája. A filmen látható modellben az elzárt gázt egyik oldalon borszeszégő segítségével melegítjük, míg a másik oldalon a külső, hidegebb levegő hatására a gáz lehűl. Eközben ciklikusan áramlik a melegebb és hidegebb oldal között, miközben hasznos munkát szolgáltat. A munka a tengely forgómozgásaként jelentkezik, amelynek segítségével izzót üzemeltetünk.