Icon up Overzicht

De stoommachine

Onderwerp: Thermische processen

Als de stoommachine gezien wordt als een black box (er gaat iets in en er komt iets uit, maar wat erin gebeurd is niet van belang) dan geldt het volgende:

Er wordt energie in de vorm van warmte, bijvoorbeeld door het verbranden van kolen, in de “machine” gestopt. Het is de bedoeling om zoveel mogelijk van de energie, die in de kolen is opgeslagen, om te zetten in heen- en weergaande zuigers, geordende bewegingsenergie dus. Alle tussenstappen die nodig zijn voor deze omzetting worden hier weggelaten.

Industrie

Wanneer de stoommachine in werking is, wordt er warmte (energie dus) afgestaan aan de omgeving. De Fransman Carnot (1796-1832) zag hoe Frankrijk qua industriële ontwikkeling achterbleef bij Engeland. Hij begreep dat het feit dat Engeland veel meer en beter gebruik maakte van de stoommachine daarvan de oorzaak was. Nadenkend over de werking van de stoommachine bedacht hij het volgende.

Het is onmogelijk is om alle warmte die je in de stoommachine stopt volledig in de gewenste vorm van energie, bewegingsenergie, om te zetten: je zult altijd een gedeelte van de toegevoerde energie "kwijtraken"als warmte die aan de omgeving wordt afgegeven.

De stoommachine kan, zeer vereenvoudigd, voorgesteld worden door onderstaande tekening. Het vat met de hoge temperatuur is de ruimte waar de kolen worden verbrand. Het vat met de lage temperatuur is de omgeving of een ruimte gevuld met water.

Schematische weergave van een stoommachine.

Rendement van een stoommachine

De hoeveelheid warmte die toegevoerd wordt, noemen we Q1. De warmte die je “kwijtraakt” Q2. De gewenste energie die de stoommachine levert is W (de W van work, het Engelse woord voor arbeid). Er geldt dan Q1 – Q2 = W.

Het rendement η (spreek uit eta) is gedefinieerd als de energie die je wilt hebben, gedeeld door alle energie die de machine ingaat. Er geldt nu:

η = (W/Q1) = (Q1 - Q2)/Q1 = (1 – Q2/Q1 ) (1)

(Voor het rendement in procenten moet nog vermenigvuldigd worden met 100)

Alles overziend, kun je zeggen dat een gedeelte van de energie die opgeslagen zat in de kolen, die de stoommachine ingaan, dat is Q1 , omgezet wordt in gewenste energie, W én de warmte Q2. Er geldt dus: Q1 = Q2 + W. Het gedeelte Q2 gaat naar het reservoir met de lagere temperatuur.

Als er warmte wordt omgezet in arbeid is er altijd sprake van warmteverlies.

Door nog verder na te denken over de stoommachine werd het begrip entropie ingevoerd.

Vorige: Warmte en temperatuur

Themapagina Chaos of Orde