Soojusmasin

Soojusmasin ehk soojusjõumasin, ka soojusmootor ehk termodünaamiline mootor, on masin, mis muudab soojust mehaaniliseks tööks.

Energia muundamise viisi järgi on kasutusel järgmist tüüpi soojusmootorid:

• kolbsoojusmootorid: aurumasin, sisepõlemismootor;
• turbiinsoojusmootorid: auruturbiin, gaasiturbiin;
• reaktiivsed soojusmootorid: reaktiivmootor.

Soojusmootorite töö põhineb Carnot’ ringprotsessil.

Ajalugu

18. sajandi lõpus, kui arenev tööstus hakkas nõudma suurel hulgal mehaanilist energiat, leiutati paljudes vee- ja tuuleenergiat mitte omavates kohtades auru jõul töötavaid seadmeid. Need nn. atmosfäärimasinad koosnesid tavaliselt silindrist, milles keeva vee aur tõstis üles raske kolvi. Kolvi jõudmisel silindri külgseinas oleva avani väljus aur atmosfääri ning kolb langes alla. Sellised masinad tulid edukalt toime vee pumpamise või raskuste tõstmisega, kuid ei suutnud anda tööstusmasinatele vajalikku stabiilse kiirusega pöörlemist. Probleemi lahendas James Watt 1788. aastal, leiutades tänaseni kasutusel oleva aurumasina.

Tööpõhimõte

Soojusmasinas olev aine (vesi, õhk jne) saab soojust kõrgema temperatuuriga reservuaarist, teeb kasulikku tööd ning annab tagasi algolekusse minnes soojust välja. Lühidalt öeldes on soojusmasin seade, mis muudab soojusenergia mehaaniliseks tööks. Masina tööks vajalikku soojust võib saada kütuste põletamisel, päikese- või tuumaenergiast, vulkaanilistes piirkondades kasutatakse ka Maa-sisest (geotermilist) soojust. Mehaaniline töö tehakse gaaside paisumisel; et aga masin töötaks pidevalt, tuleb paisunud gaas uuesti algolekusse kokku suruda. Kuidas seda teha nii, et masin töötaks stabiilselt ja ökonoomselt, on tänaseni üks tähtsamaid tehnoloogilisi probleeme. 95% tänapäeva energeetikast põhineb soojusmasinatel.

Aurumasin

Üks näide soojusmasinast on aurumasin. Tänapäeval elektrijaamades kasutatavates aurumasinates soojendatakse vedelas olekus vesi mitmesaja atmosfääri suuruse rõhu all, kuni see umbes 500 °C juures aurustub. Paisumisel surub veeaur vastu turbiini labasid, tehes tööd ning väljub siis palju madalamal temperatuuril. Seejärel jahutatakse veeauru veelgi (võetakse soojust ära), millega viiakse ta tagasi algolekusse. Kondenseerunud vesi pumbatakse tagasi boilerisse ning tsükkel algab jälle otsast peale.

Termodünaamika printsiibid

Klassikaline (Newtoni seadustel põhinev) termodünaamika lähtub kolmest aluspostulaadist, mida nimetatakse termodünaamika printsiipideks ja nummerdatakse nagu Newtoni seaduseidki - esimesest kolmandani. Nagu mehaanika liikumisintegraalid, kujutavad ka termodünaamika printsiibid loodusseadustest tulenevaid tehnoloogilisi piiranguid.

Termodünaamika I printsiip

Kujutab endast energia jäävuse seaduse kirjapanekut: Gaasile antav soojushulk on võrdne siseenergia juurdekasvu ning paisumisel tehtava töö summaga.

Termodünaamika II printsiip

Kasulik töö tekib ringprotsessil siis, kui kokkusurumine toimub madalamal rõhul, kui paisumine. Et väiksem rõhk antud ruumala juures tähendab madalamat temperatuuri, tuleb töötavat gaasi enne kokkusurumist jahutada, pärast kokkusurumist aga soojendada. Pole võimalik ehitada masinat, mis muudaks temale antud soojuse täielikult tööks.

Termodünaamika III printsiip

Absoluutne nullpunkt vastab keha väikseimale siseenergiale ja on termodünaamilise temperatuuriskaala alguspunkt. Absoluutne nullpunkt on põhimõtteliselt saavutamatu, ehkki talle saab jõuda kui tahes lähedale.

Kasutegur

Soojusmasina kasutegur näitab, kui palju kogu tööst muudab soojusmasin kasulikuks tööks. Selle käigus võrreldakse kütuse põlemise käigus vabanenud soojust ja kasulikku tööd. "Kahjulik" soojus on see, mis tuleb anda masinale mehaanilise töö saamiseks. Kasuteguri arvutamiseks on valem:

$\eta ={\frac {Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}}\cdot 100\;\%,$

kus $Q_{1}$ on tsüklis soojendilt saadud soojushulk ja $Q_{2}$ on jahutile antud soojushulk.

Selge on see, et kasutegur on väiksem kui 100 %. Reaalsete soojusmasinate kasutegurid jäävad tugevasti alla 100%. Ideaalse soojusmasina tsükli järgi saaks kasutegureid viia küllaltki kõrgele. Kui kasutada jahutina välistemperatuuri 300 K ja soojendina gaasi plahvatust silindris rõhul mõnikümmend atmosfääri, temperatuur on 3000 K, ei saa kasutegurit viia üle 90%. Maksimaalseks kasuteguriks loetakse ka 62%. Reaalses elus seisavad sellele masinale vastu kõiksugu jõud: hõõrdejõud, soojuskaod jne.

Vaata ka

• Soojusmasina kasutegur