מנוע חום

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
קפיצה אל: ניווט, חיפוש
תרשים של מנוע חום

מנוע חום הוא מכונה שהופכת אנרגיה תרמית לעבודה מכנית. מקור החום יכול להיות בעירה של דלק, אנרגיה סולארית, אנרגיה גאותרמית וכדומה. על מנועי חום נמנים מנוע דיזל, מנוע בנזין, טורבינת קיטור, מנוע סילון, טורבינת גז ועוד.

הפקת אנרגיית חום מדלק[עריכת קוד מקור | עריכה]

הפקת אנרגיית חום מדלק נעשית על ידי שריפתו. שריפה היא תהליך כימי, במהלכו ניתקים הקשרים הכימיים בין היסודות מהם מורכב הדלק (פחמן ומימן בעיקר), והם מתחברים מחדש עם אטומי חמצן המצוי באוויר. מוצר השריפה היא תרכובת חדשה של גזים, הנקראים גזי שריפה. תהליך ההתחברות מחדש של האטומים מלווה בשחרור אנרגיית חום גדולה, הנקלטת על ידי הגזים שנוצרו בשריפה ומעלה את הטמפרטורה שלהם בשיעור רב מאוד.

ההרכב הכימי של הדלק[עריכת קוד מקור | עריכה]

דלק גולמי הוא תערובת סבוכה של פחמימנים (hydrocarbons) מסוגים שונים. פחמימנים הם תרכובות אורגניות, שהמולקולות שלהן בנויות מאטומי פחמן (Carbon) ואטומי מימן (Hydrogen) בלבד. הפחמימנים נבדלים זה מזה במספר אטומי הפחמן והמימן בכל מולקולה, בצורת הקשרים הכימיים בין האטומים, בטמפרטורת הרתיחה שלהם, במשקלם הסגולי ועוד. תכולת הפחמן בדלק המופק מנפט היא 83-87%, ותכולת המימן 11-14%. מלבד פחמימנים מכיל הדלק גם כמות קטנה של גופרית (Sulphur, 1-5%) ומינרלים שונים בכמות זעירה.

ההרכב הכימי של האוויר[עריכת קוד מקור | עריכה]

האוויר מורכב ברובו הגדול ממולקולות חמצן וממולקולות חנקן, שכל אחת מהן מכילה שני אטומים הקשורים זה לזה (O2 ו-N2 בהתאמה). החנקן אינו משתתף בשריפה, כלומר אינו מתחבר עם החמצן ואף לא עם הפחמן והמימן שבדלק.

טמפרטורת ההצתה[עריכת קוד מקור | עריכה]

כדי שתתרחש שריפה, יש לאדות את הדלק ואחר כך להוסיף ולחממו עד לטמפרטורה, שבה יינתקו הקשרים בין אטומי הפחמן, המימן והגופרית המרכיבים את הדלק, והם יתחברו מחדש עם אטומי חמצן המצוי באוויר. טמפרטורה זו נקראת נקודת ההצתה (כ- 5200C בדלק סולר). המשמעות המעשית היא, כי שריפה לא יכולה להתחיל ללא מקור חום חיצוני בטמפרטורה נקובה. תוספת החום מעניקה אנרגיה לאטומים המרכיבים את הדלק, מחלישה את הקשרים ביניהם וגורמת בסופו של דבר להינתקותם זה מזה. במצב זה הם מתחברים מחדש עם אטומי החמצן שבאוויר.

תגובת שרשרת[עריכת קוד מקור | עריכה]

החום הרב, שנוצר כתוצאה מהתלקחות מולקולות הדלק הראשונות, נקלט על ידי פרודות דלק נוספות שעדיין לא התלקחו. כתוצאה מכך גם הן מתאדות ונשרפות ומסייעות להתלקחות מולקולות אחרות.

הרכב גזי השריפה[עריכת קוד מקור | עריכה]

מוצר השריפה הוא תרכובת חדשה של גזים, הנקראים גזי שריפה. בשעת ההתחברות של יסודות הדלק עם החמצן משתחררת אנרגיית חום גדולה, הנקלטת על ידי הגזים שנוצרו בשריפה ומעלה את הטמפרטורה שלהם עד 20000C.

הרכב ממוצע של גזי השריפה במנוע דיזל, לדוגמה, הוא:

  • פחמן דו-חמצני (11%)
  • מים במצב צבירה גזי (4%)
  • תחמוצת גופרית (כמות זעירה)
  • חנקן (74%)
  • עודפי חמצן (11%)

כיצד הופכים את אנרגיית החום לאנרגיה מכנית?[עריכת קוד מקור | עריכה]

את אנרגיית החום הנוצרת בשריפה הופכים לאנרגיה או לעבודה מכנית באחת משתי דרכים:

  • שורפים את הדלק בחלל פתוח, בכבשן של דוד קיטור, ומנצלים את החום הרב של הגזים להרתחת מים וליצירת קיטור בלחץ ובטמפרטורה גבוהים. באמצעות לחץ הקיטור מסובבים גלגל כפות של טורבינת קיטור או דוחפים בוכנה בתוך צילינדר של מנוע קיטור.
  • כאשר מבצעים את השריפה בחלל סגור, למשל בצילינדר של מנוע דיזל או בנזין, גורמת עליית הטמפרטורה של הגזים להעלאת לחצם. את לחץ גזי השריפה מנצלים ישירות לדחיפת הבוכנה, ועל ידי כך הם מבצעים עבודה מכנית.

סיווג מנועי חום[עריכת קוד מקור | עריכה]

מנועי חום מסווגים על פי ההבחנה הנ"ל למנועי בעירה חיצונית ולמנועי בעירה פנימית.