Cilvēkam vienmēr ir bijusi vēlme sev atvieglot dzīvi, būvējot dažādas iekārtas, kas darbus dara viņu vietā. Dažādus siltuma avotus, kuru radīto enerģiju varētu izmantot darba veikšanai, cilvēki ir pazinuši jau sen, bet izdomāt, kā siltuma enerģiju pārvērst lietderīgā darbā, nav bijis viegli. Tomēr laika gaitā tika radītas siltuma mašīnas, kas veica tieši šādu uzdevumu. Siltuma mašīna, patērējot siltuma daudzumu, pastrādā mehānisko darbu. Lai siltuma mašīna darbotos nepārtraukti, procesam ir jābūt cikliskam, bet tā nav obligāta prasība, lai siltumu varētu pārvērst mehāniskā darbā, piemēram, uguņošanā gāzes veic darbu, lai raķetes nogādātu debesīs (1. att.). Darbs tiek padarīts, bet process ir neatgriezenisks.
1.att. Darba veikšana neatgriezeniskā procesā
Siltuma mašīnai ir trīs galvenās sastāvdaļas (2. att.):
1) sildītājs,
2) darba viela,
3) dzesētājs.
Sildītājs katra cikla sākumā nodrošina siltuma daudzuma QSpievadīšanu.
Darba viela mašīnas darbības laikā pastrādā darbu.
Dzesētāja uzdevums ir katra cikla beigās uzņemt darbam neiztērēto siltumu.
Siltuma mašīnas darbību raksturo ar lietderības koeficientu η = A : QS jeb η = (QS - QD): QS, kā arī η = (TS - TD) : TS.
2.att. Siltuma mašīnas sastāvdaļas
3. attēlā redzama vienkārša siltuma mašīna, kuras darbība nav cikliska. Par sildītāju izmanto kādu kurināmo, piemēram, malku. Darba viela ir ūdens tvaiks, kas izplešanās procesā, kustoties pa cauruli, iekustina ratu. Šajā gadījumā par dzesētāju darbojas apkārtējā vide. Šīs siltuma mašīnas necikliskums izpaužas faktā, ka pēc kāda laika darba viela – ūdens – beigsies, līdz ar to turbīna vairs netiks griezta, lai arī cik spēcīgi sildīs sildītājs.
3.att. Vienkārša siltuma mašīna
Nedaudz sarežģītāka cikliska siltuma mašīna ir benzīna iekšdedzes dzinējs. Šāda dzinēja darbības ciklu var sadalīt četrās daļās (4. att.):
1)ieplūde (4. att. a). Atveras ieplūdes vārsts, un cilindrā tiek iesūkts degmaisījums (benzīns + gaiss);
2) kompresija (4. att. b). Abi vārsti ir ciet (ieplūdes un izplūdes). Virzulim pārvietojoties uz augšu, degmaisījums tiek saspiests;
3)uzliesmošana (4. att. c). Aizdedzes svecē rodas dzirkstele, un degmaisījums aizdegas un izplešoties padara darbu, pārbīdot virzuli uz leju.
4) izplūde (4. att. d). Atveras izplūdes vārsts, un sadegšanas procesā radušās gāzes tiek izvadītas atmosfērā. Tad vārsts aizveras un dzinējs ir gatavs nākamajam ciklam.
4.att. Benzīna iekšdedzes dzinēja darbība
Cilvēks arī ir siltuma mašīna, kas enerģiju uzņem ēdot (5. att. a). Cilvēka kā siltuma mašīnas lietderīgais darbs ir tas, ko tas paveic, fiziski strādājot, tomēr tādējādi tiek iztērēta tikai maza daļa no tā, kas tiek uzņemts. Pārēja enerģijas daļa (5. att. b) tiek novirzīta cilvēka kā siltuma mašīnas uzturēšanai, jo cilvēkam vajag enerģiju, gan lai augtu un atjaunotos, gan arī nepārtraukti jāuztur nemainīga ķermeņa temperatūru, jo siltums nemitīgi tiek atdots apkārtējai videi (dzesētājam).
Apskaties animāciju, kurā parādīts, kā darbojas 4 taktu dzinējs.
Apskaties animāciju, kurā parādīts, kā darbojas 4 taktu četru cilindru motors.
5.att. Cilvēks arī ir siltuma mašīna
Attēlojot siltuma dzinēja vienu ciklu grafiski, var vieglāk analizēt, kādi procesi notiek katrā cikla daļā. Viens piemērs redzams 1. attēlā. Siltuma mašīna sastāv no cilindra, kurā virzulis var pārvietoties dažādās pozīcijās, padarot darbu.
Sākotnēji virzulis (1. att.) atrodas stāvoklī 1, nodrošinot sistēmā spiedienu p1un tilpumu V1.
Pievadot sistēmai siltuma daudzumu QS, sistēma izohoriskā procesā pāriet no stāvokļa 1 stāvoklī 2. Otrajā stāvoklī sistēmas spiediens ir pieaudzis no p1līdz p2.
Tālāk gāze adiabātiski izplešas, padarot darbu. Šajā gadījuma siltumapmaiņa ar apkārtējo vidi nenotiek.
Visbeidzot, lai process varētu cikliski atkārtoties, siltummašīnai ir jānonāk sākotnēja stāvoklī. Šī procesa nodrošināšanai izmanto daļu no enerģijas, kas iegūta cikla daļā 2->3. Līdz ar to sistēma izobāriskā procesā tiek atgriezta no tilpuma V2tilpumā V1. Lai šai darbībai patērētu pēc iespējas mazāk enerģijas, gāze ir jāatdzesē, siltuma daudzumu Qaaizvadot uz dzesētāju.
Tagad sistēma ir nonākusi sākuma stāvoklī un cikls var sākties no sākuma.
1.att. Cikliska procesa attēlojums p-V koordinātēs
Tā kā siltuma mašīnas ir veidotas darba veikšanai, tad liela interese ir par to, cik daudz darba jeb cik daudz mehāniskās enerģijas var iegūt viena cikla laikā. Cikla posmā no 1 -> 2 darbs netiek veikts (1.att.), jo tas ir izohorisks process, un sadaļā par gāzes darbu uzzinājām, ka izohoriskā procesā gāze darbu neveic.
Posmā 2->3 gāzes veic darbu AV, kas vienāds ar iekrāsoto laukumu zem līknes p-V kooridnātēs (2. att a).
Posmā 3->1 darbs APtiek patērēts (2. att. b), jo sistēma jāatgriež tās sākotnējā stāvoklī.
Tā kā vienā posmā gāze veic darbu, bet citā patērē, tad gala rezultātā iegūtā mehāniskā enerģija A ir vienāda ar paveiktā un patērētā darba starpību jeb A = AV - AP. Grafiski to attēlo kā laukumu, ko ietver visas cikliskā procesa līknes (2. att. c).
2.att. Cikliskā procesā paveiktais darbs
Franču inženieris Sadī Karno 19. gadsimta sākumā ieviesa ciklu ideālas siltuma mašīnas darbības aprakstam. Ideāla siltuma mašīna strādā ar maksimāli iespējamo lietderības koeficientu. Šo ciklu mūsdienās pazīst kā Karno ciklu. Karno cikls sastāv no divām izotermām (nemainīga temperatūra) un divām adiabātām (nenotiek siltuma apmaiņa ar apkārtējo vidi).
Karno cikla posmos (sk. 3. att.):
1->2 gāze izotermiski izplešas. Tiek paveikts darbs A1un saņemts siltums Qs;
2->3 gāze adiabātiski izplešas. Tiek paveikts darbs A2;
3->4 gāzi izotermiski saspiež. Tiek patērēta enerģija A3un atdots siltums Qa;
4->1 gāze tiek adiabātiski saspiesta. Tiek patērēta enerģija A4.
3.att. Karno cikls
Inženieris Karno arī pierādīja, ka siltuma mašīnas lietderības koeficients nevar būt lielāks par η = (TS-TD) : TS, kur TS ir sildītāja absolūtā temperatūra, bet TD ir dzesētāja absolūtā temperatūra.
Karno cikla posmu sasaiste ar virzuļa pārvietojumu un darba veikšanu attēlota 4. attēlā.
Apskaties Karno cikla animāciju!
4.att. Karno darba cikls
Sadaļā par lietderības koeficientu noskaidrojām, ka dažādu veidu dzinējiem ir dažādi lietderības koeficienti (5. att.). Tagad, apskatot Karno aprēķināto ierobežojumu maksimālajam siltuma mašīnas lietderības koeficientam, ir skaidrs, ka tas nekādā gadījumā nevar sasniegt 100%.
5.att. Benzīna un dīzeļa dzinēja lietderības koeficienti
Siltuma mašīnas darbību var pavērst arī pretējā virzienā. Tādā gadījuma siltums tiek paņemts no vietas, kur temperatūra ir zemāka, un atdots videi, kur temperatūra ir augstāka. Šādā gadījumā darbs netiek veikts, tieši otrādi – tas tiek patērēts. Šāda veida iekārtas sauc par siltuma sūkņiem (1. att.), un tajos, salīdzinot ar siltuma mašīnām, dzesētājs ir it kā apmainīts vietām ar sildītāju.
1.att. Siltuma sūkņa darbības princips
Viens no siltuma sūkņa piemēriem ir ledusskapis (2. att.). Ledusskapis sastāv no kompresora (2. att. 1), kurā darba viela tiek saspiesta, tādā veidā paaugstinot tās temperatūru. Tālāk siltums tiek ar radiatoru palīdzību atdots apkārtējai videi (2. att. 2), pēc tam izplešanās vārstā darba viela strauji izplešas un atdziest (2. att. 3), visbeidzot darba viela nonāk līdz ledusskapja kamerai, no kuras, uzsilstot un iztvaikojot, tiek savākta daļa no siltuma daudzuma (2. att. 4).
2.att. Ledusskapja darbības princips
Dažiem ledusskapjiem konstrukcijā ir iespējams pamanīt 2. attēlā pieminētās lietas. Piemēram, radiatorus, ar kuru palīdzību apkārtējai videi tiek atdots siltums (3. att. a), un kompresoru, ar kura palīdzību tiek saspiesta darba viela (3. att. b).
3.att. Ledusskapja detaļas
Siltuma sūkņus var izmantot ne tikai dzesēšanai, bet arī ēku apsildei. Siltuma sūknis siltumu saņem no tuvumā esošās zemes vai ūdens (4. att.) un nogādā ēkā. Vienīgais enerģijas patērētājs šajā sistēmā ir kompresors un sūknis, kas pumpē darba vielu, tādēļ šāda konstrukcija ir izdevīga.
4.att. Siltumsūkņa izmantošana mājas apsildei
Aplūko, kā darbojas mājas apsildes mehānisms.