Tepelný motor: definice, typy a příklady

Tepelné motory jsou všude kolem vás. Od automobilu, který jedete, až po lednici, která udržuje vaše jídlo v chladu, až po topné a chladicí systémy vašeho domu - všechny fungují na stejných klíčových principech.

Cílem každého tepelného stroje je přeměnit tepelnou energii na užitečnou práci a existuje mnoho různých přístupů, které k tomu můžete použít. Jednou z nejjednodušších forem tepelného motoru je Carnotův motor, pojmenovaný podle francouzského fyzika Nicolase Leonard Sadi Carnot, postavený na idealizovaném čtyřstupňovém procesu, který závisí na adiabatickém a izotermickém etapy.

Carnotův motor je však jen jedním příkladem tepelného motoru a mnoho dalších typů dosahuje stejného základního cíle. Učení o tom, jak fungují tepelné motory a jak dělat věci, jako je výpočet účinnosti tepelného motoru, je důležité pro každého, kdo studuje termodynamiku.

Tepelný motor je termodynamický systém, který přeměňuje tepelnou energii na energii mechanickou. Ačkoli do této obecné položky spadá mnoho různých návrhů, v každém tepelném motoru se nachází několik základních komponent.

Jakýkoli tepelný motor potřebuje tepelnou lázeň nebo vysokoteplotní zdroj tepla, který může mít mnoho různých forem (například jaderný reaktor je zdrojem tepla v jaderné elektrárně, ale v mnoha případech se jako teplo používá spalování paliva zdroj). Kromě toho musí být k dispozici nízkoteplotní studený zásobník a také samotný motor, což je obvykle plyn, který se při působení tepla rozpíná.

Motor absorbuje teplo z horkého zásobníku a expanduje a tento proces expanze je to, co funguje na životním prostředí, obvykle využito v použitelné formě s pístem. Systém poté uvolní tepelnou energii zpět do studeného zásobníku a vrátí se do původního stavu. Proces se pak cyklicky opakuje, aby bylo možné nepřetržitě generovat užitečnou práci.

Termodynamické cykly nebo cykly motoru jsou obecným způsobem, jak popsat mnoho konkrétních termodynamických systémů, které fungují cyklickým způsobem, který je běžný pro většinu tepelných motorů. Nejjednodušším příkladem tepelného motoru pracujícího s termodynamickými cykly je Carnotův motor nebo motor pracující na základě Carnotova cyklu. Toto je idealizovaná forma tepelného motoru, která zahrnuje pouze reverzibilní procesy, zejména adiabatickou a izotermickou kompresi a expanzi.

Všechny spalovací motory pracují na Ottův cyklus, což je další typ termodynamického cyklu, který využívá zapalování paliva k práci na pístu. V první fázi poklesne píst, aby vtáhl směs paliva a vzduchu do motoru, který se pak adiabaticky stlačí ve druhém stupni a zapálí se ve třetím.

Dochází k rychlému zvýšení teploty a tlaku, které působí na píst prostřednictvím adiabatické expanze před otevřením výfukového ventilu, což vede ke snížení tlaku. Nakonec se píst zvedne, aby vyčistil vyčerpané plyny a dokončil cyklus motoru.

Dalším typem tepelného motoru je Stirlingův motor, který obsahuje pevné množství plynu, které se pohybuje mezi dvěma různými válci v různých fázích procesu. První stupeň zahrnuje zahřívání plynu ke zvýšení teploty a vytvoření vysokého tlaku, který pohybuje pístem a poskytuje užitečnou práci.

Píst pak stoupá zpět nahoru a tlačí plyn do druhého válce, kde je chladen chladem před opětovnou kompresí, proces vyžadující méně práce, než byl vyroben v předchozím etapa. Nakonec se plyn přesune zpět do původní komory, kde se opakuje cyklus Stirlingova motoru.

Účinnost tepelného motoru je poměr užitečného pracovního výkonu ke vstupu tepla nebo tepelné energie a Výsledkem je vždy hodnota mezi 0 a 1, bez jednotek, protože se měří jak tepelná energie, tak pracovní výkon joulů. To znamená, že pokud jste měliperfektnítepelný motor, měl by účinnost 1 a přeměnil by veškerou tepelnou energii na použitelnou práci a pokud by se podařilo převést polovinu z toho, účinnost by byla 0,5. V základní formě může být vzorec psaný:

Je samozřejmě nemožné, aby tepelný motor měl účinnost 1, protože druhý zákon termodynamiky diktuje, že jakýkoli uzavřený systém bude v průběhu času narůstat entropií. I když existuje přesná matematická definice entropie, kterou můžete použít k pochopení toho, nejjednodušší způsob Přemýšlejte o tom, že inherentní neefektivita jakéhokoli procesu vede k určité ztrátě energie, obvykle ve formě odpadu teplo. Například píst motoru bude nepochybně mít určité tření působící proti jeho pohybu, což znamená, že systém ztratí energii v procesu přeměny tepla na práci.

Teoretická maximální účinnost tepelného motoru se nazývá Carnotova účinnost. Rovnice pro to souvisí s teplotou horkého zásobníkuT​_H a studená nádržT​_C k účinnosti (η) motoru.

Výsledek můžete vynásobit 100, pokud chcete vyjádřit odpověď v procentech. Je důležité si uvědomit, že se jedná oteoretickýmaximum - je nepravděpodobné, že by se jakýkoli motor v reálném světě skutečně přiblížil účinnosti Carnot v praxi.

Je důležité si uvědomit, že maximalizujete účinnost tepelných motorů zvýšením rozdílu teplot mezi horkým zásobníkem a studeným zásobníkem. U automobilového motoruT​_H je teplota plynů uvnitř motoru při spalování aT​_C je teplota, při které jsou vytlačovány z motoru.

Parní stroj a parní turbíny jsou dva z nejznámějších příkladů tepelného stroje a vynález parního stroje byl důležitou historickou událostí v industrializaci společnost. Parní stroj pracuje velmi podobným způsobem jako ostatní dosud diskutované tepelné motory: kotel mění vodu do páry, která se přivádí do válce obsahujícího píst, a vysoký tlak páry pohybuje válec.

Pára přenáší část tepelné energie do válce, ochlazuje se a poté, když je píst zcela vytlačen, zbývající pára je vypuštěna z válce. V tomto okamžiku se píst vrací do své původní polohy (někdy je pára vedena kolem druhého) straně pístu, aby jej mohl zatlačit také zpět) a termodynamický cyklus začíná znovu s více párou.

Tato relativně jednoduchá konstrukce umožňuje vyrobit velké množství užitečné práce z čehokoli, co dokáže vařit vodu. Účinnost tepelného motoru s touto konstrukcí závisí na rozdílu mezi teplotou páry a teplotou okolního vzduchu. Parní lokomotiva využívá dílo vytvořené tímto procesem k otáčení kol a pohonu vlaku.

Parní turbína pracuje velmi podobným způsobem, kromě toho, že se pracuje na otáčení turbíny místo pohybu pístu. Toto je obzvláště užitečný způsob výroby elektřiny z důvodu rotačního pohybu generovaného párou.

Spalovací motor pracuje na základě výše popsaného Ottova cyklu, přičemž u benzinových motorů se používá zážehové zapalování a u vznětových motorů se používá vznětové zapalování. Hlavní rozdíl mezi nimi spočívá ve způsobu zapalování směsi paliva a vzduchu, přičemž se směs paliva a vzduchu stlačuje a poté fyzicky zapálen v benzinových motorech a palivo stříkané do stlačeného vzduchu v dieselových motorech, což způsobí jeho vznícení z teplota.

Kromě toho je zbytek Ottova cyklu dokončen, jak bylo popsáno výše: Palivo se natahuje do motoru (nebo jen vzduch pro nafta), stlačený, zapálený (jiskrou pro palivo a rozprašováním paliva do horkého stlačeného vzduchu pro naftu), což dělá použitelnou práci adiabatickou expanzí na píst a poté se výfukový ventil otevře, aby se snížil tlak, a píst vytlačí použitý plyn.

Všechna tepelná čerpadla, klimatizace a chladničky také fungují na formě tepelného cyklu, i když mají jiný cíl - pomocí práce přemisťovat tepelnou energii spíše než naopak. Například v topném cyklu tepelného čerpadla absorbuje chladivo teplo z venkovního vzduchu kvůli své nižší teplotě (protože teplovždyproudí z horkého do studeného) a poté se protlačuje kompresorem, aby se zvýšil jeho tlak a tím i teplota.

Tento teplejší vzduch se poté přenese do kondenzátoru poblíž vytápěné místnosti, kde stejný proces přenáší teplo do místnosti. Nakonec se chladivo přesune do ventilu, který snižuje tlak a tím i teplotu, připravený pro další ohřívací cyklus.

V chladicím cyklu (jako v klimatizační jednotce nebo v chladničce) probíhá proces v podstatě obráceně. Chladivo absorbuje tepelnou energii z místnosti (nebo uvnitř chladničky), protože se udržuje na studená teplota, a poté je tlačena kompresorem ke zvýšení tlaku a teplota.

V tomto okamžiku se pohybuje kolem ven z místnosti (nebo zezadu chladničky), kde se tepelná energie přenáší na chladnější venkovní vzduch (nebo do okolní místnosti). Chladivo je poté odesláno přes ventil, aby se snížil tlak a teplota, čtení pro další ohřívací cyklus.

Jelikož cíl těchto procesů je opakem příkladů motorů, liší se i výraz účinnosti tepelného čerpadla nebo chladničky. To je ve formě docela předvídatelné. Pro vytápění:

A pro chlazení:

KdeQtermíny jsou pro tepelnou energii přesunutou do místnosti (s dolním indexem H) a přesunutou z ní (s dolním indexem C) aŽ​_v je pracovní vstup do systému ve formě elektřiny. Tato hodnota je opět bezrozměrné číslo mezi 0 a 1, ale pokud chcete, můžete výsledek vynásobit 100 a získat tak procento.

Elektrárny nebo elektrárny jsou ve skutečnosti jen další formou tepelného motoru, ať už vytvářejí teplo pomocí jaderného reaktoru nebo spalováním paliva. Zdroj tepla se používá k pohybu turbín a tím k provádění mechanické práce, často za použití páry z ohřáté vody k roztočení parní turbíny, která generuje elektřinu výše popsaným způsobem. Použitý přesný tepelný cyklus se může u jednotlivých elektráren lišit, ale obvykle se používá Rankinův cyklus.

Rankinův cyklus začíná tím, že zdroj tepla zvýší teplotu vody a poté expanzi vodní páry v a turbína, následovaná kondenzací v kondenzátoru (uvolnění odpadního tepla z procesu), než ochlazená voda přejde do čerpadlo. Čerpadlo zvyšuje tlak vody a připravuje ji na další ohřev.