Tepelný stroj
V technike a termodynamike tepelný motor premieňa tepelnú energiu na mechanickú prácu pomocou rozdielu teplôt medzi horúcim "zdrojom" a studeným "chladičom". Teplo sa prenáša zo zdroja cez "pracovné teleso" motora do "chladiča" a pri tomto procese sa časť tepla mení na prácu využitím vlastností plynu alebo kvapaliny vo vnútri motora.
Existuje mnoho druhov tepelných motorov. Každý z nich má termodynamický cyklus. Tepelné motory sú často pomenované podľa termodynamického cyklu, ktorý používajú, napríklad Carnotov cyklus. Často preberajú bežné názvy, napríklad benzínové/benzínové, turbínové alebo parné motory.
Spaľovacie motory generujú teplo vo vnútri samotného motora. Iné tepelné motory môžu absorbovať teplo z vonkajšieho zdroja. Tepelné motory môžu byť otvorené vzduchu alebo utesnené a uzavreté voči vonkajšiemu prostrediu (toto sa nazýva otvorený alebo uzavretý cyklus).
Obrázok 1: Schéma tepelného motora. TH je zdroj tepla a TC chladič. QH je teplo prúdiace do motora. QC je odpadové teplo prúdiace do chladného chladiča. W je užitočná práca vystupujúca z motora.
Prehľad
Keď vedci študujú tepelné motory, prichádzajú s nápadmi na motory, ktoré sa v skutočnosti nedajú zostrojiť. Tieto motory sa nazývajú ideálne motory alebo cykly. Skutočné tepelné motory sa často zamieňajú s ideálnymi motormi alebo cyklami, ktoré sa snažia napodobniť.
Pri opise fyzického zariadenia sa zvyčajne používa termín "motor". Pri opise ideálu sa používa termín "cyklus".
Dalo by sa povedať, že termodynamický cyklus je ideálnym prípadom mechanického motora. Rovnako by sa dalo povedať, že model nie celkom dokonale zodpovedá mechanickému motoru. Zo zjednodušených modelov a ideálnych prípadov, ktoré môžu predstavovať, sa však získava veľa výhod.
Vo všeobecnosti platí, že čím väčší je rozdiel teplôt medzi horúcim zdrojom a studeným chladičom, tým je cyklus alebo motor účinnejší. Na Zemi je studená strana akéhokoľvek tepelného motora obmedzená teplotou vzduchu v mieste, kde sa motor nachádza.
Väčšina úsilia o zlepšenie účinnosti tepelných motorov sa zameriava na zvýšenie teploty zdroja tepla, ale pri veľmi vysokých teplotách začína kov motora mäknúť.
Účinnosť rôznych tepelných motorov, ktoré sa dnes navrhujú alebo používajú, sa pohybuje od 3 % (97 % odpadového tepla) v prípade návrhu oceánskej elektrárne OTEC cez 25 % v prípade väčšiny automobilových motorov až po 45 % v prípade nadkritickej uhoľnej elektrárne a približne 60 % v prípade parou chladenej plynovej turbíny s kombinovaným cyklom. Všetky tieto procesy získavajú svoju účinnosť (alebo jej nedostatok) v dôsledku poklesu teploty v nich.
Najmenej účinná technológia OTEC využíva rozdiel teplôt oceánskej vody na povrchu a oceánskej vody z hĺbok, čo je malý rozdiel možno 25 stupňov Celzia, a preto musí byť účinnosť nízka.
Najúčinnejšia plynová turbína s kombinovaným cyklom spaľuje zemný plyn na ohrev vzduchu na teplotu takmer 1530 stupňov Celzia, čo predstavuje veľký teplotný rozdiel 1500 stupňov Celzia, a preto môže byť účinnosť veľmi vysoká, keď sa pridá cyklus chladenia parou.
Príklady z každodenného života
Ľudia väčšinou používajú tepelné motory, v ktorých teplo pochádza z ohňa, ktorý rozširuje pracovnú kvapalinu (zvyčajne vodu alebo vzduch), a chladičom tepla je buď vodná nádrž, alebo atmosféra ako v chladiacej veži.
Medzi známe motory, ktoré využívajú expanziu zahriatych plynov, patria: parný motor, dieselový motor a benzínový motor v automobile.
Stirlingov motor je oveľa zriedkavejší, ale nachádza sa v malých modeloch, ktoré môžu pracovať na teplo ruky.
Jedným z druhov tepelných motorov je pitný vták.
Bimetalový pásik je zariadenie, ktoré premieňa teplotu na mechanický pohyb a používa sa v termostatoch na reguláciu teploty. Je to tepelný motor, ktorý nepoužíva kvapalinu ani plyn.
Súvisiace stránky
- Tepelné čerpadlo
