Λύσεις — Ενότητα 1.1: Ιστορική Εξέλιξη Κινητήρων – Είδη Κινητήρων (σελ. 145) – ΚΙΝΗΤΗΡΕΣ ΑΕΡΟΣΚΑΦΩΝ Ι Γ΄ ΕΠΑΛ

Λύσεις — Ενότητα 1.1: Ιστορική Εξέλιξη Κινητήρων - Είδη Κινητήρων

Λύσεις στις 10 ερωτήσεις της ενότητας 1.1: ορισμός και παραδείγματα Μηχανών Εσωτερικής Καύσης, διαφορά εμβολοφόρων και περιστροφικών κινητήρων, κριτήρια ταξινόμησης των εμβολοφόρων κινητήρων (τρόπος έναυσης, χρόνοι λειτουργίας, ψύξη, αριθμός και διάταξη κυλίνδρων, ταχύτητα περιστροφής, τρόπος εισαγωγής αέρα), αναγνώριση τύπων κινητήρων στο Σχήμα 1.8, και βασικά στοιχεία θερμοδυναμικής (κατάσταση ισορροπίας, έννοια θερμότητας, ισοβαρής και ισόχωρη μεταβολή).

Ορισμός Μηχανής Εσωτερικής Καύσης και παραδείγματα

Ερώτηση: Πώς ορίζεται η Μηχανή Εσωτερικής Καύσης; Δώστε παραδείγματα μηχανών εσωτερικής και εξωτερικής καύσης.

Απάντηση:

• §1.1.2. «Στην περίπτωση των μηχανών εσωτερικής καύσης ή Μ.Ε.Κ., το καύσιμο καίγεται με το κατάλληλο ποσοστό αέρα μέσα στον ίδιο τον κινητήρα και το εργαζόμενο μέσο είναι το ίδιο το καυσαέριο. Στους κινητήρες εξωτερικής καύσης, το καύσιμο καίγεται σε ιδιαίτερη συσκευή (π.χ. λέβητας), έξω από τον θερμοκινητήρα.»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Μηχανή Εσωτερικής Καύσης (Μ.Ε.Κ.) ορίζεται ο θερμοκινητήρας στον οποίο το καύσιμο καίγεται με το κατάλληλο ποσοστό αέρα μέσα στον ίδιο τον κινητήρα, με αποτέλεσμα το εργαζόμενο μέσο να ταυτίζεται με το καυσαέριο. Παραδείγματα μηχανών εσωτερικής καύσης είναι οι εμβολοφόροι κινητήρες Otto και Diesel, οι κινητήρες Βάνκελ (Wankel) και οι αεριοστρόβιλοι. Αντίθετα, στους κινητήρες εξωτερικής καύσης το καύσιμο καίγεται σε ιδιαίτερη συσκευή έξω από τον θερμοκινητήρα (π.χ. σε λέβητα), οπότε το εργαζόμενο μέσο είναι διαφορετικό από το καυσαέριο· τυπικό παράδειγμα είναι η ατμομηχανή/ατμολέβητας, όπου ο ατμός (το εργαζόμενο μέσο) παράγεται από τη θερμότητα καύσης άνθρακα ή άλλου καυσίμου σε ξεχωριστό λέβητα.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Μ.Ε.Κ.: καύση μέσα στον κινητήρα, εργαζόμενο μέσο = καυσαέριο (π.χ. Otto, Diesel, Wankel)· εξωτερικής καύσης: καύση εκτός κινητήρα (π.χ. ατμομηχανή)

Ποιο είναι Μηχανή Εσωτερικής Καύσης

Ερώτηση: Ποιο από τα παρακάτω αποτελεί Μηχανή Εσωτερικής Καύσης; Α) πυρηνικός αντιδραστήρας. Β) ατμομηχανή τραίνου. Γ) κινητήρας Βάνκελ. Δ) ατμολέβητας.

Απάντηση:

• §1.1.2. «Οι κινητήρες Βάνκελ (Wankel) στηρίζουν τη λειτουργία τους σε περιστρεφόμενο έμβολο.» και ο πίνακας 1.1 κατατάσσει τους κινητήρες Otto, Diesel και Βάνκελ ως Κινητήρες Εσωτερικής Καύσης.

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Γ) κινητήρας Βάνκελ. Ο κινητήρας Βάνκελ είναι Μηχανή Εσωτερικής Καύσης, αφού το καύσιμο καίγεται μέσα στον ίδιο τον κινητήρα και το εργαζόμενο μέσο ταυτίζεται με το καυσαέριο. Αντίθετα, ο πυρηνικός αντιδραστήρας δεν χρησιμοποιεί καύση καυσίμου αλλά πυρηνική αντίδραση, ενώ η ατμομηχανή τραίνου και ο ατμολέβητας είναι συστήματα εξωτερικής καύσης, στα οποία το καύσιμο καίγεται σε ξεχωριστό λέβητα και το εργαζόμενο μέσο (ατμός) είναι διαφορετικό από το καυσαέριο.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό: Γ) κινητήρας Βάνκελ — καύση μέσα στον κινητήρα, εργαζόμενο μέσο = καυσαέριο

Διαφορά εμβολοφόρων και περιστροφικών κινητήρων

Ερώτηση: Σε τι διαφέρουν οι εμβολοφόροι κινητήρες από τους περιστροφικούς;

Απάντηση:

• §1.1.2. «Στους εμβολοφόρους κινητήρες τα καυσαέρια... δίνουν κίνηση σε έμβολα... ώστε η παλινδρομική κίνηση που εκτελούν να μετατρέπεται σε περιστροφική... Οι περιστροφικοί κινητήρες έχουν μόνο περιστρεφόμενα μέρη και τέτοιοι είναι οι αεριοστρόβιλοι.»

Σύνοψη: Στους εμβολοφόρους κινητήρες τα καυσαέρια που παράγονται από την καύση δίνουν κίνηση σε έμβολα, τα οποία εκτελούν παλινδρομική κίνηση που μετατρέπεται, μέσω κατάλληλου μηχανισμού (διωστήρας-στροφαλοφόρος άξονας), σε περιστροφική κίνηση του έλικα. Οι περιστροφικοί κινητήρες, όπως οι αεριοστρόβιλοι, έχουν μόνο περιστρεφόμενα μέρη — δεν υπάρχει παλινδρομική κίνηση εμβόλων.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Εμβολοφόροι: παλινδρομική κίνηση εμβόλων → περιστροφική· περιστροφικοί: μόνο περιστρεφόμενα μέρη

Κριτήρια ταξινόμησης εμβολοφόρων κινητήρων

Ερώτηση: Ποια είναι τα κριτήρια ταξινόμησης των εμβολοφόρων κινητήρων;

Απάντηση:

• §1.1.3. «Οι εμβολοφόροι κινητήρες διακρίνονται ανάλογα με κατασκευαστικά και λειτουργικά κριτήρια... ανάλογα με: 1) τον τρόπο έναυσης... 2) τον αριθμό των χρόνων λειτουργίας... 3) τον τρόπο ψύξης των κυλίνδρων... 4) τον αριθμό των κυλίνδρων... 5) τη διάταξη των κυλίνδρων... 6) την ταχύτητα περιστροφής του άξονα... 7) τη διαδικασία εισαγωγής του αέρα...»

Σύνοψη: (ενδεικτική) Οι εμβολοφόροι κινητήρες ταξινομούνται με βάση επτά κριτήρια: 1) τον τρόπο έναυσης (κινητήρες με σπινθηριστή/Otto ή με έναυση λόγω συμπίεσης/Diesel), 2) τον αριθμό των χρόνων λειτουργίας (δίχρονοι/τετράχρονοι), 3) τον τρόπο ψύξης των κυλίνδρων (υγρόψυκτοι/αερόψυκτοι), 4) τον αριθμό των κυλίνδρων (μονοκύλινδροι/πολυκύλινδροι), 5) τη διάταξη των κυλίνδρων (εν σειρά, ακτινικοί/αστεροειδείς, αντιτιθέμενων εμβόλων, τύπου V ή W, πολυγωνικού τύπου, διπλών εμβόλων, Βάνκελ), 6) την ταχύτητα περιστροφής του άξονα (ολιγόστροφοι, μέσης ταχύτητας, ταχύστροφοι), και 7) τη διαδικασία εισαγωγής του αέρα (αναρρόφηση απευθείας από την ατμόσφαιρα ή χρήση αέρα από υπερπλήρωση).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 7 κριτήρια: τρόπος έναυσης, χρόνοι λειτουργίας, ψύξη, αριθμός κυλίνδρων, διάταξη κυλίνδρων, ταχύτητα περιστροφής, τρόπος εισαγωγής αέρα

Κριτήριο χαρακτηρισμού ακτινικού (radial) κινητήρα

Ερώτηση: Ένας εμβολοφόρος κινητήρας χαρακτηρίζεται ακτινικός (radial) με βάση: Α) τον αριθμό των κυλίνδρων του. Β) τη διάταξη των κυλίνδρων του. Γ) τον τρόπο ψύξης του. Δ) τον αριθμό των χρόνων λειτουργίας του.

Απάντηση:

• §1.1.3. «5) τη διάταξη των κυλίνδρων: ... β) ακτινικοί (radial) ή αστεροειδείς (Σχήμα 1.8-10, 11).»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Β) τη διάταξη των κυλίνδρων του. Ο χαρακτηρισμός «ακτινικός» (radial) αναφέρεται στο κριτήριο της διάταξης των κυλίνδρων — οι κύλινδροι είναι τοποθετημένοι ακτινικά γύρω από ένα μικρό στροφαλοθάλαμο, όχι στον αριθμό τους, στον τρόπο ψύξης ή στον αριθμό των χρόνων λειτουργίας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό: Β) διάταξη κυλίνδρων — κύλινδροι τοποθετημένοι ακτινικά γύρω από στροφαλοθάλαμο

Τύποι κινητήρων στο Σχήμα 1.8 ανά διάταξη κυλίνδρων

Ερώτηση: Αναγνωρίστε στο Σχήμα 1.8 τα είδη των κινητήρων (από 1 έως 12) με βάση τη διάταξη των κυλίνδρων τους.

Απάντηση:

• §1.1.3. «5) τη διάταξη των κυλίνδρων: α) εν σειρά (μονοί ή δίδυμοι) (Σχήμα 1.8-1, 2), β) ακτινικοί (radial) ή αστεροειδείς (Σχήμα 1.8-10, 11), γ) αντιτιθέμενων εμβόλων (opposed) (Σχήμα 1.8-6), δ) τύπου V ή W (Σχήμα 1.8-3, 4 αντιστοίχως), ε) πολυγωνικού τύπου ... (Σχήμα 1.8-7, 8, 9), στ) διπλών εμβόλων (Σχήμα 1.8-5), ζ) Βάνκελ (Wankel) (Σχήμα 1.8-12).»

Σύνοψη: Με βάση το κείμενο που συνοδεύει το Σχήμα 1.8, η αντιστοιχία είναι: 1 και 2 → κινητήρες εν σειρά (μονοί ή δίδυμοι)· 3 → κινητήρας τύπου V· 4 → κινητήρας τύπου W· 5 → κινητήρας διπλών εμβόλων· 6 → κινητήρας αντιτιθέμενων εμβόλων (opposed)· 7, 8 και 9 → κινητήρες πολυγωνικού τύπου (κύλινδροι σε σχήμα τριγώνου, τετραγώνου κλπ.)· 10 και 11 → ακτινικοί (radial) ή αστεροειδείς κινητήρες· 12 → κινητήρας Βάνκελ (Wankel).

Κριτήρια αξιολόγησης:

• 1,2=εν σειρά· 3=V· 4=W· 5=διπλών εμβόλων· 6=opposed· 7,8,9=πολυγωνικοί· 10,11=ακτινικοί· 12=Wankel

Κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας

Ερώτηση: Πότε ένα αέριο βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας;

Απάντηση:

• §1.1.5. «Κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας: ένα αέριο βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας όταν σε κάθε σημείο του τα μεγέθη πίεση, θερμοκρασία και πυκνότητα έχουν, το καθένα ξεχωριστά, την ίδια - χρονικά αμετάβλητη -τιμή.»

Σύνοψη: Ένα αέριο βρίσκεται σε κατάσταση θερμοδυναμικής ισορροπίας όταν, σε κάθε σημείο του, τα μεγέθη πίεση, θερμοκρασία και πυκνότητα έχουν, το καθένα ξεχωριστά, την ίδια — χρονικά αμετάβλητη — τιμή σε όλη τη μάζα του αερίου.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Θερμοδυναμική ισορροπία: πίεση, θερμοκρασία και πυκνότητα ίδιες παντού και χρονικά σταθερές

Η έννοια της θερμότητας

Ερώτηση: Ποια είναι η έννοια της θερμότητας;

Απάντηση:

• §1.1.5. «Θερμότητα: αποτελεί μία ειδική μορφή μεταφοράς ενέργειας η οποία εμφανίζεται όταν, για κάποιο λόγο, υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντός του... Το σώμα έχει θερμοκρασία και υπόκειται...»

Σύνοψη: Η θερμότητα είναι μια ειδική μορφή μεταφοράς ενέργειας, η οποία εμφανίζεται όταν υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ ενός συστήματος και του περιβάλλοντός του. Δεν πρέπει να θεωρείται ότι η θερμότητα αποθηκεύεται μέσα στο σύστημα — είναι λάθος να λέμε ότι ένα σώμα «έχει» θερμότητα· το σώμα έχει θερμοκρασία, και η θερμότητα είναι η ενέργεια που μεταφέρεται λόγω της διαφοράς θερμοκρασίας.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Θερμότητα = μορφή μεταφοράς ενέργειας λόγω διαφοράς θερμοκρασίας συστήματος-περιβάλλοντος (όχι αποθηκευμένο μέγεθος)

Ισοβαρής μεταβολή

Ερώτηση: Ισοβαρής ονομάζεται η μεταβολή κατά την οποία: Α) παραμένει σταθερή η πίεση. Β) παραμένει σταθερός ο όγκος. Γ) δεν πραγματοποιείται ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Δ) παραμένουν σταθερά τα μεγέθη του όγκου και της θερμοκρασίας.

Απάντηση:

• §1.1.5. «Ισοβαρής μεταβολή: ισοβαρής ονομάζεται η μεταβολή της κατάστασης μίας ποσότητας ιδανικού αερίου, με την οποία μεταβάλλεται η θερμοκρασία και ο όγκος της ποσότητας του αερίου ενώ η πίεση παραμένει σταθερή.»

Σύνοψη: Σωστή απάντηση: Α) παραμένει σταθερή η πίεση. Στην ισοβαρή μεταβολή μεταβάλλονται η θερμοκρασία και ο όγκος της ποσότητας του ιδανικού αερίου, ενώ η πίεση παραμένει σταθερή. Η επιλογή Β περιγράφει την ισόχωρη μεταβολή, η Γ την αδιαβατική μεταβολή, και η Δ δεν αντιστοιχεί σε καμία από τις παραπάνω μεταβολές.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• Σωστό: Α) σταθερή πίεση, μεταβάλλονται θερμοκρασία και όγκος

Ισόχωρη μεταβολή — Σωστό ή Λάθος

Ερώτηση: Ισόχωρη ονομάζεται η μεταβολή της κατάστασης μίας ποσότητας ιδανικού αερίου με την πίεσή του να παραμένει σταθερή. ΣΩΣΤΟ ❐ ΛΑΘΟΣ ❐

Απάντηση:

• §1.1.5. «Ισόχωρη μεταβολή: ισόχωρη ονομάζεται η μεταβολή της κατάστασης μίας ποσότητας ιδανικού αερίου, με την οποία μεταβάλλεται η πίεση και η θερμοκρασία της ποσότητας του αερίου ενώ ο όγκος παραμένει σταθερός.»

Σύνοψη: Η πρόταση είναι ΛΑΘΟΣ. Στην ισόχωρη μεταβολή δεν παραμένει σταθερή η πίεση — αντίθετα, μεταβάλλονται η πίεση και η θερμοκρασία της ποσότητας του ιδανικού αερίου, ενώ αυτό που παραμένει σταθερό είναι ο όγκος. Η πρόταση περιγράφει λανθασμένα ως σταθερό το μέγεθος (πίεση) που στην πραγματικότητα μεταβάλλεται στην ισόχωρη μεταβολή.

Κριτήρια αξιολόγησης:

• ΛΑΘΟΣ — στην ισόχωρη μεταβολή σταθερός είναι ο όγκος, όχι η πίεση (πίεση και θερμοκρασία μεταβάλλονται)