Moderná realita predpokladá širokýprevádzka tepelných motorov. Početné pokusy nahradiť ich elektromotormi zatiaľ zlyhali. Problémy spojené s akumuláciou elektriny v autonómnych systémoch sa riešia veľmi ťažko.
Technologické problémy sú stále aktuálnevýroba akumulátorov elektriny s prihliadnutím na ich dlhodobé používanie. Rýchlostné charakteristiky elektrických vozidiel sú ďaleko od automobilov poháňaných spaľovacími motormi.
Prvé kroky pri vytváraní hybridných motorov môžu výrazne znížiť škodlivé emisie v megacities a vyriešiť problémy životného prostredia.
Schopnosť premeniť energiu pary na energiuhnutie je známe už od staroveku. 130 pred Kristom: Filozof Heron Alexandrijský predstavil publiku parnú hračku – eolipila. Guľa naplnená parou sa začala otáčať pôsobením prúdov, ktoré z nej vychádzali. Tento prototyp moderných parných turbín nenašiel v tých časoch uplatnenie.
Po mnoho rokov a storočí bol vývoj filozofa považovaný len za zábavnú hračku. V roku 1629 Talian D. Branchi vytvoril aktívnu turbínu. Para uviedla do pohybu kotúč vybavený čepeľami.
Od tohto momentu sa začal prudký rozvoj parných strojov.
Premena vnútornej energie paliva na energiu pohybu častí strojov a mechanizmov sa využíva v tepelných motoroch.
Hlavné časti strojov: ohrievač (systém na získavanie energie zvonku), pracovná tekutina (vykonáva užitočnú činnosť), chladnička.
Ohrievač je navrhnutý tak, aby pracovná kvapalina akumulovala dostatočnú zásobu vnútornej energie pre užitočnú prácu. Chladnička odoberá prebytočnú energiu.
Hlavnou charakteristikou účinnosti je tzvÚčinnosť tepelných motorov. Táto hodnota ukazuje, aká časť energie vynaloženej na vykurovanie sa minie na vykonávanie užitočnej práce. Čím vyššia je účinnosť, tým ziskovejšia je prevádzka stroja, ale táto hodnota nemôže prekročiť 100%.
Nechajte ohrievač získať energiu zvonku rovnú Q1. Pracovné telo vykonalo prácu A, zatiaľ čo energia poskytnutá chladničke bola Q2.
Na základe definície vypočítame hodnotu účinnosti:
η = A/Q1... Berieme do úvahy, že A = Q1 - Q2.
Z toho vyplýva účinnosť tepelného motora, ktorého vzorec má tvar η = (Q1 - Q2) / Q1 = 1 - Q2/ Q1, nám umožňuje vyvodiť tieto závery:
Je možné vytvoriť takýto motor,aká účinnosť by bola maximálna (ideálne rovná 100%)? Na túto otázku sa pokúsil nájsť odpoveď francúzsky teoretický fyzik a talentovaný inžinier Sadi Carnot. V roku 1824 boli publikované jeho teoretické výpočty o procesoch prebiehajúcich v plynoch.
Hlavnou myšlienkou ideálneho stroja je vykonávať reverzibilné procesy s ideálnym plynom. Začneme izotermickou expanziou plynu pri teplote T1... Množstvo tepla potrebného na to je Q1. po plyn expanduje bez výmeny tepla (adiabatický proces). Dosiahnutie teploty T2plyn sa izotermicky stláča a prenáša energiu Q2... Návrat plynu do pôvodného stavu sa uskutočňuje adiabaticky.
Účinnosť ideálneho Carnotovho tepelného motora pripresný výpočet sa rovná pomeru teplotného rozdielu medzi vykurovacím a chladiacim zariadením k teplote, ktorú má ohrievač. Vyzerá to takto: η = (T1 - T2) / T1.
Možná účinnosť tepelného motora, ktorého vzorec má tvar: η = 1 - T2/ T1závisí iba od hodnôt teploty ohrievača a chladiča a nemôže byť viac ako 100%.
Tento pomer navyše umožňuje dokázať, že účinnosť tepelných motorov sa môže rovnať jednote iba vtedy, keď chladnička dosiahne teploty absolútnej nuly. Ako viete, táto hodnota je nedosiahnuteľná.
Karnotove teoretické výpočty umožňujú určiť maximálnu účinnosť tepelného motora akejkoľvek konštrukcie.
Carnotova veta znie nasledovne.Ľubovoľný tepelný stroj nemôže mať za žiadnych okolností vyšší koeficient účinnosti ako ideálny tepelný stroj.
Príklad 1 Aká je účinnosť ideálneho tepelného motora, ak je teplota ohrievača 800oC a teplota v chladničke je 500oC nižšie?
T1= 800oС = 1073 K, ∆T = 500oC = 500 K, η -?
riešenie:
Podľa definície: η = (T1 - T2) / T1.
Nie je nám daná teplota chladničky, ale ∆T = (T1 - T2), teda:
η = ∆T / T1 = 500 K/1073 K = 0,46.
Odpoveď: účinnosť = 46%.
Príklad 2 Určte účinnosť ideálneho tepelného motora, akNa úkor zakúpeného jedného kilojoulu energie z ohrievača sa vykoná užitočná práca pri 650 J. Aká je teplota ohrievača tepelného motora, ak je teplota chladiča 400 K?
TO1 = 1 kJ = 1 000 J, A = 650 J, T2 = 400 K, η -?, T1 =?
riešenie:
V tomto probléme hovoríme o tepelnej inštalácii, ktorej účinnosť možno vypočítať podľa vzorca:
η = A/Q1.
Na určenie teploty ohrievača používame vzorec pre účinnosť ideálneho tepelného motora:
η = (T1 - T2) / T1 = 1 - T2/ T1.
Po vykonaní matematických transformácií dostaneme:
T1 = T2 / (1-η).
T1 = T2 / (1- A / Q1).
Poďme počítať:
n = 650 J / 1000 J = 0,65.
T1 = 400 K / (1-650 J / 1000 J) = 1142,8 K.
Odpoveď: η = 65 %, T1 = 1142,8 tis.
Ideálny tepelný motor je navrhnutý s ohľadom na ideálne procesy. Práca sa vykonáva len v izotermických procesoch, jej hodnota je definovaná ako plocha ohraničená grafom Carnotovho cyklu.
Vlastne vytvorte podmienky pre prúdenieproces zmeny skupenstva plynu bez sprievodných teplotných zmien je nemožný. Neexistujú žiadne materiály, ktoré by vylučovali výmenu tepla s okolitými predmetmi. Je nemožné uskutočniť adiabatický proces. V prípade výmeny tepla sa musí nevyhnutne zmeniť teplota plynu.
Účinnosť tepelných strojov vytvorená v reálnompodmienky sa výrazne líšia od účinnosti ideálnych motorov. Všimnite si, že priebeh procesov v skutočných motoroch prebieha tak rýchlo, že kolísanie vnútornej tepelnej energie pracovnej látky v procese zmeny jej objemu nemôže byť kompenzované prílevom množstva tepla z ohrievača a návratom do chladnička.
Skutočné motory pracujú v rôznych cykloch:
Vytvorte rovnovážne procesy v reálnom životemotorov (priblížiť ich ideálu) v podmienkach modernej techniky nie je možné. Účinnosť tepelných strojov je oveľa nižšia, aj keď sa zohľadnia rovnaké teplotné podmienky ako v ideálnej tepelnej inštalácii.
Nemali by ste však znižovať úlohu výpočtového vzorca pre účinnosť Carnotovho cyklu, pretože práve tento vzorec sa stáva východiskovým bodom v procese práce na zvyšovaní účinnosti skutočných motorov.
Porovnanie ideálneho a skutočného teplamotorov, stojí za zmienku, že teplota chladničky nemôže byť žiadna. Zvyčajne sa atmosféra považuje za chladničku. Teplotu atmosféry je možné akceptovať len v približných výpočtoch. Prax ukazuje, že teplota chladiacej kvapaliny sa rovná teplote výfukových plynov v motoroch, ako je to v prípade spaľovacích motorov (skrátene ICE).
ICE je v našom svete najbežnejšítepelný motor. Účinnosť tepelného motora v tomto prípade závisí od teploty vytvorenej spaľovacím palivom. Významným rozdielom medzi spaľovacím motorom a parnými strojmi je fúzia funkcií ohrievača a pracovného média zariadenia v zmesi vzduch-palivo. Horením zmes vytvára tlak na pohyblivé časti motora.
Nárast teploty pracovných plynov dosiahne,výrazne mení vlastnosti paliva. Žiaľ, nedá sa to robiť donekonečna. Akýkoľvek materiál, z ktorého je vyrobená spaľovacia komora motora, má svoj vlastný bod topenia. Tepelná odolnosť takýchto materiálov je hlavnou charakteristikou motora, ako aj schopnosť výrazne ovplyvniť účinnosť.
Ak vezmeme do úvahy parnú turbínu, teplotapracovná para na vstupe ktorej sa rovná 800 K a výfukový plyn - 300 K, potom je účinnosť tohto stroja 62%. V skutočnosti však táto hodnota nepresahuje 40 %. K takémuto poklesu dochádza v dôsledku tepelných strát pri zahrievaní skrine turbíny.
Najvyššia hodnota účinnosti vnútorných motorovspaľovanie nepresahuje 44 %. Zvýšenie tejto hodnoty je otázkou blízkej budúcnosti. Zmena vlastností materiálov, palív je problém, na ktorom pracujú najlepšie mysle ľudstva.
