Termiske maskiner: Hva de er og hvordan de fungerer

Hva er en termisk maskin?

En termisk maskin er en innretning som omdanner varmeenergi til mekanisk arbeid. Dette skjer ved at maskinen mottar varme fra en høytemperaturkilde, utfører arbeid, og deretter avgir overskuddsvarme til en lavtemperaturkilde. Prinsippet er at varme strømmer fra et varmere område til et kaldere, og at denne strømmen kan utnyttes til å drive en prosess. Alle termiske maskiner opererer syklisk, noe som betyr at arbeidsmediet gjennomgår en gjentatt prosess med oppvarming, ekspansjon, avkjøling og kompresjon.

Det er viktig å forstå at ingen termisk maskin kan omdanne all tilført varme til arbeid. En del av varmen må alltid gå tapt til omgivelsene. Dette følger av termodynamikkens andre lov, som setter en fundamental grense for virkningsgraden. Den teoretiske maksimale virkningsgraden kalles Carnot-grensen, og den avhenger bare av temperaturene til varmekilden og kulde reservoaret.

Termiske maskiner finnes overalt i vår hverdag. Forbrenningsmotoren i en bil er en termisk maskin. Kraftverkene som leverer elektrisitet til hjemmene våre, bruker store dampturbiner som er termiske maskiner. Selv jetmotoren i et fly er en avansert form for termisk maskin. Fellestrekket er at alle henter energi fra forbrenning av drivstoff, fra kjernefysisk fisjon eller fra solvarme, og omdanner denne varmen til nyttig arbeid.

Grunnleggende virkemåte og termodynamiske prinsipper

For at en termisk maskin skal fungere, trengs det fire grunnleggende elementer: et arbeidsmedium, en varm kilde, en kald kilde og en mekanisme som utnytter trykk- eller volumendringer. Arbeidsmediet kan være damp, luft, en gass eller et annet fluid. I en syklus blir mediet oppvarmet av den varme kilden slik at det utvider seg og utfører arbeid, for eksempel ved å skyve en stempel eller rotere en turbin. Deretter blir mediet avkjølt mot den kalde kilden slik at det trekker seg sammen og går tilbake til utgangspunktet. Slik gjentar syklusen seg.

Termodynamikkens andre lov sier at varme ikke kan strømme spontant fra et kaldere til et varmere legeme. For termiske maskiner betyr dette at en del av varmen fra den varme kilden alltid må overføres til den kalde kilden. Denne avfallsvarmer er uunngåelig. Virkningsgraden e for en termisk maskin defineres som forholdet mellom nyttearbeid W og tilført varme Qv: e = W / Qv. Jo høyere virkningsgrad, desto mer arbeid får man ut av hver enhet tilført varme.

Den teoretiske maksimale virkningsgraden for en termisk maskin som arbeider mellom to temperaturer, er gitt av Carnot-syklusen. Carnot-syklusen er en ideell syklus som består av to isoterme og to adiabatiske prosesser. Virkningsgraden for en Carnot-maskin er eCarnot = 1 - Tkald/Tvarm, der temperaturene måles i kelvin. Dette innebærer at jo høyere temperatur på den varme kilden og jo lavere temperatur på den kalde kilden, desto høyere blir den teoretiske virkningsgraden. I praksis er det alltid tap som gjør at reelle maskiner har lavere virkningsgrad enn Carnot-grensen.

Historisk utvikling av termiske maskiner

Ideen om å utnytte varme til å utføre arbeid er gammel. Det tidligste kjente eksemplet er aeolipilen, en enkel dampturbin bygget av Heron fra Alexandria omkring 130 f.Kr. Den bestod av en kule som ble drevet rundt av dampstråler. Aeolipilen var mer en kuriositet enn en praktisk maskin, men den viste prinsippet.

Først på 1600-tallet kom de første dokumenterte forsøkene på å bygge en fungerende dampmaskin. Spanjolen Jerónimo de Ayanz patenterte i 1606 en dampmaskin som ble brukt til å pumpe vann ut av gruver. Maskinen var en slags damppumpe, men den fikk liten utbredelse. Den engelske oppfinneren Thomas Newcomen bygget i 1712 den første praktisk anvendbare dampmaskinen. Newcomens maskin ble også brukt til gruvedrenering og var langt mer effektiv enn tidligere forsøk. Den fungerte ved at damp ble sluppet inn i en sylinder og deretter kondensert med kaldt vann, slik at atmosfæretrykket presset stempelet nedover. Dette var en stor fremgang for den tidlige industrialiseringen.

Senere forbedret James Watts dampmaskin (1765) virkningsgraden dramatisk ved å innføre en separat kondensator. Watts maskin ble en nøkkelteknologi under den industrielle revolusjonen, og den la grunnlaget for moderne termiske maskiner. I det 20. århundre utviklet man forbrenningsmotorer, gassturbiner og dampturbiner som er i utstrakt bruk i dag.

Et viktig sprang i effektivitet kom med forståelsen av termodynamikkens lover. Sadi Carnot publiserte i 1824 sitt arbeid om varmekraftmaskiner, der han beskrev den ideelle syklusen som bærer hans navn. Carnot innså at virkningsgraden avhenger av temperaturforskjellen mellom varmekilde og kuldekilde, og at man aldri kan oppnå 100 prosent virkningsgrad. Denne innsikten er fundamental for all videre utvikling av termiske maskiner.

Hovedtyper av termiske maskiner

Termiske maskiner kan deles inn i flere hovedkategorier basert på arbeidsmedium og konstruksjon. De vanligste typene er dampmaskiner, forbrenningsmotorer, dampturbiner og gassturbiner.

Dampmaskiner

Dampmaskinen var den første termiske maskinen som fikk praktisk betydning. Den bruker vann som arbeidsmedium. Vann varmes opp i en kjele slik at det blir til damp under høyt trykk. Dampen ledes inn i en sylinder der den presser et stempel frem og tilbake. Stempelets bevegelse kan omdannes til rotasjonsbevegelse via en veivaksel. Dampmaskiner ble brukt i tog, skip og tidlige fabrikker. De har lav virkningsgrad sammenlignet med moderne maskiner, men var svært viktige for industrialiseringen.

Forbrenningsmotorer

Forbrenningsmotorer er i dag den vanligste typen termisk maskin i transportsektoren. De finnes i to hovedformer: ottomotor (bensinmotor) og dieselmotor. I en forbrenningsmotor skjer forbrenningen av drivstoff og luft inne i sylinderen. Den varme gassen utvider seg og presser stempelet nedover. Forbrenningsmotorer har høyere virkningsgrad enn dampmaskiner, men avgir også forurensende stoffer. Moderne bensinmotorer har typisk en virkningsgrad på 25-30 prosent, mens dieselmotorer kan nå over 40 prosent.

Dampturbiner

Dampturbiner brukes i dag i de fleste termiske kraftverk, enten de drives av kull, gass, olje, kjernekraft eller biomasse. I en dampturbin blir høytrykksdamp ledet mot turbinblader som roterer med stor hastighet. Rotasjonen driver en generator som produserer elektrisitet. Dampturbiner har svært høy effekt og kan bygges i store enheter. Virkningsgraden til et moderne kullkraftverk med dampturbin ligger på rundt 40-45 prosent, noe som er en betydelig forbedring fra eldre anlegg.

Gassturbiner

Gassturbiner, også kalt jetmotorer, brukes i fly og i en del kraftverk. I en gassturbin komprimeres luft, blandes med drivstoff og brennes i en forbrenningskammer. Den varme, høytrykksgassen ekspanderer gjennom en turbin som driver både kompressoren og en generator eller gir skyvekraft. Gassturbiner har høy effekt i forhold til vekt og brukes derfor i fly. De har en virkningsgrad på 30-40 prosent i enkle anlegg, men i kombinerte sykluser (sammen med dampturbin) kan virkningsgraden komme opp mot 60 prosent.

Eksempler på termiske maskiner i praksis

Her er en liste over vanlige termiske maskiner og deres anvendelser:

• Bensinmotor i personbiler og motorsykler
• Dieselmotor i lastebiler, busser og skip
• Dampturbin i kull-, gass- og kjernekraftverk
• Gassturbin i jetfly og i gasskraftverk med kombinert syklus
• Dampmaskin i historiske tog og skip (nå mest museum)
• Stirlingmotor i spesialapplikasjoner som solkraft og undervannsbåter
• Rankine-syklusmaskiner i geotermiske kraftverk

Sammenligning av viktige termiske maskiner

Tabellen nedenfor gir en oversikt over noen sentrale egenskaper for ulike typer termiske maskiner. Den viser typisk virkningsgrad, bruksområde og historisk betydning.

Virkningsgrad og Carnot-grensen

Som nevnt er Carnot-grensen den teoretisk maksimale virkningsgraden for en termisk maskin som arbeider mellom to temperaturer. For en maskin som henter varme fra en kilde på 600 grader Celsius (873 K) og avgir varme til omgivelsene på 30 grader Celsius (303 K), blir Carnot-virkningsgraden 1 - 303/873 som er omtrent 0,65, eller 65 prosent. Reelle maskiner kommer aldri så høyt på grunn av tap som friksjon, varmetap til omgivelsene, og ufullstendig forbrenning.

I moderne kraftverk med kombinert syklus har man oppnådd virkningsgrader over 60 prosent, noe som er svært imponerende. Dette oppnås ved først å bruke en gassturbin, deretter å utnytte den varme avgassen til å produsere damp til en dampturbin. Dermed utnyttes varmen mer effektivt, og man nærmer seg Carnot-grensen.

Økt virkningsgrad er viktig av flere grunner. For det første reduseres drivstofforbruket, noe som sparer penger og ressurser. For det andre reduseres utslippene av klimagasser og andre forurensende stoffer. Derfor er det et sterkt fokus på å forbedre virkningsgraden til termiske maskiner gjennom bedre materialer, høyere temperaturer og mer avanserte syklusdesign.

Anvendelser og betydning for samfunnet

Termiske maskiner er helt sentrale for moderne sivilisasjon. De produserer det meste av elektrisiteten vi bruker, driver transportmidlene våre og gjør det mulig å utføre tungt arbeid i industri og landbruk. Uten termiske maskiner ville samfunnet sett helt annerledes ut. De har gjort det mulig å reise lange avstander, å bygge store byer og å opprettholde en høy levestandard.

Mange av de største miljøutfordringene vi står overfor i dag, er knyttet til bruken av termiske maskiner. Forbrenning av fossile brensler i motorer og kraftverk slipper ut CO2 og andre klimagasser som bidrar til global oppvarming. Derfor er det en pågående overgang til fornybare energikilder og til mer effektive maskiner. Samtidig utvikles det nye typer termiske maskiner som bruker hydrogen, ammoniakk eller biobrensler, og som kan bidra til en mer bærekraftig fremtid.

For å forstå samfunnets avhengighet av termiske maskiner, kan man se på noen tall. Ifølge Det internasjonale energibyrået (IEA) kommer omtrent 80 prosent av verdens primærenergi fra fossile brensler, og mesteparten av denne energien omdannes gjennom termiske maskiner. Selv med stor utbygging av sol- og vindkraft, vil termiske maskiner fortsatt være viktige i flere tiår fremover, spesielt innen langtransport, skipsfart og industri.

Referanser

For mer detaljert informasjon om termiske maskiner, deres historie og virkemåte, henvises det til følgende kilder:

OpenStax, University Physics Volume 2, kapittel om termiske maskiner. https://openstax.org/books/f%C3%ADsica-universitaria-volumen-2/pages/4-2-maquinas-termicas

Biblioteca Digital del ILCE, historisk oversikt over