Tepelný stroj

Tepelný stroj je zariadenie, ktoré pracuje na základe prvého termodynamického zákona, podľa ktorého je možné vzájomne premieňať teplo na vnútornú energiu alebo prácu. Tepelný stroj musí zároveň rešpektovať druhý termodynamický zákon, podľa ktorého nie je možné vykonávať premenu energií úplne.

Rozdelenie tepelných strojov

Tepelné stroje sa delia na

1. tepelné motory – v ktorých sa premieňa teplo dodávané zo zásobníka s vyššou teplotou na prácu pri vzniku zostatkového tepla, ktoré je potrebné odviesť do zásobníka s nižšou teplotou. Pracovný cyklus takéhoto stroja v diagrame p-V prebieha v smere hodinových ručičiek.
2. chladiace stroje alebo tepelné čerpadlá – v ktorých sa spotrebováva privedená mechanická práca na prenos tepla zo zásobníka s nižšou teplotou do zásobníka s vyššou teplotou. Pracovný cyklus takéhoto stroja v diagrame p-V prebieha proti smeru hodinových ručičiek.

Príkladom pre prvý typ tepelných strojov sú všetky spaľovacie motory, príkladom pre druhý typ chladiace a mraziace zariadenia.

Pracovné cykly tepelných strojov

Pracovný cyklus tepelného stroja (tepelný obeh) je séria postupných zmien stavu pracovnej látky ktoré začínajú a končia v rovnakom stave. Existuje viacero modelových pracovných cyklov tepelného stoja, špeciálne postavenie medzi nimi má Carnotov cyklus. Pre teoretické výpočty technických aplikácií sa používajú aj iné modely tepelných cyklov. V oblasti piestových spaľovacích motorov sa pracuje s:

• Ottovým cyklom
• Dieselovým cyklom
• Seiligerovým cyklom

V oblasti plynových turbín sa pracuje s:

• Humphreyovým cyklom
• Eriksonov-Braytonovým cyklom
• Jouleov-Braytonovým cyklom

Tepelný stroj v Carnotovom cykle

Znázornenie Carnotovho cyklu v p-V diagrame. Plocha ohraničená krivkami je ekvivalentná práci, ktorú stroj vykonal pri jednom cykle.

Tepelný stroj pracujúci v Carnotovom cykle je takzvaný ideálny stroj, nie je možné ho zostrojiť tak, aby jeho reálna účinnosť bola taká, aká je teoretická účinnosť. Carnotov cyklus (resp. jeho realizácia – tepelný stroj) slúži na dôkaz toho, že ani ideálny tepelný stroj nemôže dosiahnuť účinnosť 100 %, ale vždy len nižšiu.

Nevyhnutnou podmienkou toho, aby bol prebiehajúci cyklus Carnotovým cyklom je, že všetky prebiehajúce deje sú reverzibilné, t. j. vratné.

Schématický nákres tepelného stroja

Opis stroja

Najjednoduchší model tepelného stroja je uzavretý valec s piestom. Vo valci sa nachádza plyn. Stroj pracuje medzi dvomi ďalšími zásobníkmi tepla, ktoré je možné odobrať (izolovať) a znova pripojiť.

• chladič ($T_{1}$)
• ohrievač ($T_{2}$)

Úlohou ohrievača je dodávať valcu s piestom teplo na úseku 1-2 (pozri obrázok), takže dochádza k expanzii náplne – plynu. Úlohou chladiča je plyn opäť ochladiť na úseku 3-4 tak, aby mohol začať nový cyklus, prebieha kompresia. Medzi úsekmi 2-3 a 4-1 je valec izolovaný a plyn koná/prijíma prácu na úkor/zisk svojej vnútornej energie.

Energetická bilancia stroja

Z energetického hľadiska môžeme cyklus rozdeliť na štyri deje a vypočítať ich energetický prínos:

• izotermická expanzia:

$-W_{1\to 2}=RT_{2}\ln(V_{2}/V_{1})\,\!$

• adiabatická expanzia

$-W_{2\to 3}=C_{V}\cdot (T_{2}-T_{1})\,\!$

• izotermická kompresia

$-W_{3\to 4}=RT_{1}\ln(V_{4}/V_{3})\,\!$

• adiabatická kompresia

$-W_{4\to 1}=-C_{V}\cdot (T_{2}-T_{1})\,\!$

Pre účinnosť ($\eta \,$) stroja, t. j. pomer medzi teplom dodaným ohrievačom a vykonanou prácou platí:

$\eta ={\frac {-W}{Q_{2}}}={\frac {-W_{1\to 2}-W_{3\to 4}}{Q_{2}}}={\frac {R(T_{2}-T_{1})\ln(V_{2}/V_{1})}{RT_{2}\ln(V_{2}/V_{1})}}\,\!$

a po zjednodušení:

$\eta ={\frac {T_{2}-T_{1}}{T_{2}}}=1-T_{1}/T_{2}\,\!$

Zo zjednodušeného vzorca vyplýva, že ak by mala byť účinnosť stroja rovná 1 (resp. 100 %), musel by mať chladič teplotu absolútnej nuly (T₁ = 0 K). Absolútna nula je však nedosiahnuteľná (pozri tretí termodynamický zákon).

Fyzikálny portál