Hőerőgép

A hőerőgép olyan valóságos vagy elméleti erőgép, amely hőenergiát mechanikai munkává alakít át. Más definíció szerint a hőerőgép olyan kalorikus gép, mely hasznos mechanikai munkát szolgáltat. A kalorikus gépek a hőerőgépek és a hőszivattyúk és termodinamikai elven működő hűtőgépek összefoglaló neve. A hőerőgépek termodinamikai körfolyamatot (ciklust) valósítanak meg működésük folyamán. A hőerőgépeket rendszerint az általuk megvalósított körfolyamatról nevezik el, de gyakran alternatív elnevezéseket is használnak: benzinmotor, gőzgép, gázturbina. A belsőégésű gépek (motorok) a gép belsejében fejlesztenek hőenergiát, a külső hőbevezetésű gépek külső hőforrás által fejlesztett hőenergiát abszorbeálják. Egyes hőerőgépek a külső atmoszféra felé nyitott szerkezetűek, mások el vannak szigetelve a környezettől (nyitott vagy zárt rendszerek).

A hőerőgép a magas hőmérsékletű hőforrásból hőt vesz fel, egy részét átalakítja hasznos mechanikai munkává, a maradékot pedig leadja az alacsony hőmérsékletű hőnyelő rendszerbe.

Hatásfok

A termodinamika első főtételéből írható:

${\displaystyle dW\ =\ dQ_{c}\ -\ (-dQ_{h})\,}$

ahol

${\displaystyle dW=-PdV\,}$ a hőerőgép által termelt hasznos munka (ez negatív, mivel a munkát a gép végzi)

${\displaystyle dQ_{h}=T_{h}dS_{h}\,}$ a bevezetett hő a nagyhőmérsékletű rendszerből (ez negatív, mivel a hőt a nagyhőmérsékletű tartályból vonja el, így ${\displaystyle (-dQ_{h})\,}$ pozitív.

${\displaystyle dQ_{c}=T_{c}dS_{c}\,}$ ez a hőmennyiség, mely a hűtőn keresztül távozik az alacsony hőfokú rendszerbe (Ez pozitív, mivel a hőt átadja a hűtőnek)

Az energiaátalakító berendezés (legyen az hűtőgép, hőszivattyú, vagy erőgép) hatásfoka általánosságban a hasznos munka és a befektetett energia viszonya.

Erőgép esetében hasznos munkát akarunk nyerni hőátszármaztatás útján:

${\displaystyle \eta ={\frac {-dW}{-dQ_{h}}}={\frac {-dQ_{h}-dQ_{c}}{-dQ_{h}}}=1-{\frac {dQ_{c}}{-dQ_{h}}}}$

Egy hőerőgép elméletileg lehetséges legjobb hatásfoka csak a hőforrás és a hőnyelő hőmérsékletétől függ, melyek mellett a gép működik. Ezt a hatásfokot egy ideális képzeletbeli hőerőgép esetére szokás levezetni, mint amilyen a Carnot-féle hőerőgép, bár más hőerőgépek, melyek más körfolyamatot valósítanak meg, szintén elérhetik a legjobb hatásfokot. Matematikailag ez ezért lehetséges, mert reverzibilis állapotváltozások esetén a hideg tartály entrópiaváltozása egyenlő a meleg tartály ellenkező előjelű entrópiaváltozásával (vagyis ${\displaystyle dS_{c}=-dS_{h}}$), így az összentrópia nem változik a körfolyamat során:

${\displaystyle \eta _{\text{max}}=1-{\frac {T_{c}dS_{c}}{-T_{h}dS_{h}}}=1-{\frac {T_{c}}{T_{h}}}}$

ahol ${\displaystyle T_{h}}$ a hőforrás, ${\displaystyle T_{c}}$ pedig a hőnyelő abszolút hőmérséklete kelvinben mérve. Megjegyzendő, hogy ${\displaystyle dS_{c}}$ pozitív, ${\displaystyle dS_{h}}$ negatív minden reverzibilis munkavégző körfolyamatnál, az entrópia összességében nem változik, hanem a nagy entrópiájú rendszerből a kis entrópiájú rendszer felé áramlik csökkentve a hőforrás entrópiáját és növelve a hőnyelőét.

Fajtái

• Külső hőbevezetésű gépek
  • Gőzgép
  • Gőzturbina
  • Stirling-motor
• Belső égésű hőerőgépek (belső égésű motor)
  • Otto-motor
  • Diesel-motor
  • Wankel-motor
• Gázturbina
• Sugárhajtómű
  • Lüktető sugárhajtómű
  • Gázturbinás sugárhajtómű
  • Torlósugár-hajtómű
  • Rakétahajtómű

Források

• Pattantyús. Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve 2. kötet. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1961.
• Pattantyús Á. Géza: A gépek üzemtana. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. ISBN 963-10-4808-X
• Prof. Dr. Szabó Gábor - Péter Szabó István: Alkalmazott hőtan. Szeged, 2003. A Szegedi Tudományegyetem Szegedi Élelmiszeripari Főiskolai Kar jegyzete

További információk

• Kovács Endre, Paripás Béla: Fizika I.
• Dr. Firtha Ferenc: Fizika II.^{[halott link]}
• "Szomjas kacsa": párolgással működő hőerőgép
• Hőerőgép (angol)

Kapcsolódó szócikkek

• Belsőégésű motor
• Gázturbina
• Gőzturbina