Lämpövoimakone

Lämmön siirtyminen korkeammasta lämpötilasta matalampaan on itsestään tapahtuva toisen pääsäännön mukainen luonnollinen prosessi. Tällainen prosessi voidaan valjastaa tekemään työtä sopivasti suunnitellun koneen avulla. Tällaisia koneita nimitetään lämpövoimakoneiksi. Niitä ovat muun muassa höyrykone, höyryturbiini, polttomoottorit ja suihkumoottori.

Lämpövoimakone muuttaa työksi lämpöenergiaa, joka siirtyy korkeammasta lämpötilasta matalampaan. Näin ollen pysyvä lämpötilaero korkeamman lämpötilan (kuuma säiliö) ja matalamman lämpötilan (kylmä säiliö) välillä on välttämätön ehto koneen toiminnalle. Jos kaikki lämpö muuttuisi koneessa työksi, muutos tapahtuisi kohti suurempaa järjestystä. Tällöin prosessiin liittyisi entropian pieneneminen, joten se on toisen pääsäännön mukaan mahdoton. Niinpä parhainkin lämpövoimakone voi muuntaa vain osan sen läpi kulkevasta lämmöstä työksi. Jos kone ottaa kuumasäiliöstä lämpömäärän  ja luovuttaa kylmäsäiliöön lämpömäärän , se tekee energian säilymislain mukaisesti työn  . Lämpökoneen hyötysuhde määritellään sen tekemän työn suhteena koneen kuumasäiliöstä ottamaan lämpöön:
 

Lämpövoimakoneen toimintaperiaate:
 
 

Ideaalikoneeksi nimitetään sellaista konetta, jossa ei tapahdu lainkaan tehohäviöitä, vaan se muuttaa kaiken ottamansa energian työksi. Tällaisen koneen ottamat ja luovuttamat lämpömäärät ovat suoraan verrannolliset kuuma- ja kylmäsäiliön absoluuttisiin lämpötiloihin, . Ideaalikoneen hyötysuhde voidaan siten laskea lämpötilojen avulla:
 

Tätä hyötysuhdetta nimitetään termiseksi hyötysuhteeksi. Käytännössä koneiden toimintaan liittyy aina liikevastuksia, lämpövuotoja ja muita energiahäviöitä.
 

Lämmönsiirtokoneet

Luonnollisessa prosessissa lämpö siirtyy korkeammasta lämpötilasta matalampaan. Kun halutaan siirtää lämpöä matalammasta lämpötilasta korkeampaan, on kysymyksessä prosessi, jossa järjestysaste kasvaa ja siten kyseisen systeemin entropia pienenee. Näin ollen prosessin aikaansaamiseksi on tehtävä työtä. Tähän tarkoitukseen käytetään lämmönsiirtokoneita. Ensimmäisen pääsäännön mukaan korkeampaan lämpötilaan siirtyvä lämpömäärä  on koneen tekemän työn  ja matalammasta lämpötilasta ottaman lämpömäärän  summa: .
 
 

Lämmönsiirtokoneen toimintaperiaate:
 
 

Jäähdytyskonetta käytetään kylmäsäiliön jäähdyttämisen. Tavallisimpia jäähdytyskoneita ovat jääkaappi ja pakastin.
 
 

Jääkaapissa sähkömoottorin käyttämä kompressori (K) puristaa jäähdytysaineen höyryä (h) suurempaan paineeseen. Puristuksessa lämmennyt höyry virtaa lauhduttimeen (L), jossa se jäähtyy ja nesteytyy. Sen jälkeen neste virtaa kuristusventtiilin (Ku) kautta pienempään paineeseen ja alkaa kiehua jääkaapin kylmätilassa olevassa höyrystimessä (H). Jäähdytysaine ottaa höyrystymiseen tarvittavan lämpömäärän jääkaapista, jolloin kylmätilan lämpötila laskee. Sitten höyry virtaa kylmätilan ulkopuolelle takaisin kompressoriin ja sama prosessi toistuu uudelleen.

Jäähdytyskoneen suorituskyvyn ilmaisee sen poistaman lämpömäärän suhde koneen tekemään työhön:
 

Lämpöpumpun suorituskyvyn ilmaisee sen tuoman lämpömäärän suhde koneen tekemään työhön:
 

Esim. 7
Jäähdytyskoneisto ottaa jääkaapista lämpöä 2,6 kJ, ja luovuttaa lauhduttimeen lämpöä 3,1 kJ.

a) Kuinka suuri on jääkaapin suorituskyky?

b) Mitä voit suorituskyvyn perusteella päätellä jääkaapin ja huoneiston lämpötiloista?

    Ratk.

Ensimmäisen pääsäännön mukaan jäähdytyskoneiston tekemä työ on yhtä suuri, kuin kylmäkoneiston ottaman ja luovuttaman lämpömäärän erotus:

    Tällöin jääkaapin suorituskyky:

    Kun suorituskyky tunnetaan, voidaan huoneiston ja kylmätilan lämpötilojen riippuvuutta arvioida seuraavasti:

 
 

   Vast: a) Jääkaapin suorituskyky  b)