IDEÁLNÍ PLYN 14. TEPELNÉ STROJE, PRVNÍ A DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Autor: Ing. Eva Jančová DESS SOŠ a SOU spol. s r. o.
TEPELNÝ STROJ Tepelný stroj je stroj, který pracuje na základě prvního termodynamického zákona, podle něhož je možné vzájemně přeměnit teplo na vnitřní energii anebo práci. Tepelný stroj musí zároveň respektovat druhý termodynamický zákon, podle kterého není možné vykonávat přeměnu energií úplně.
PRVNÍ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON - První termodynamický zákon představuje ve fyzice formulaci zákona zachování energie. Podle tohoto zákona je celková energie izolované soustavy stálá (časově neměnná). Energie tedy v izolované soustavě nemůže samovolně vznikat ani zanikat. Druh energie se však může měnit, např. mechanická energie může přecházet na teplo apod. - První hlavní termodynamickou větu je tedy možno vyjádřit následujícím tvrzením: - Celkové množství energie (všech druhů) izolované soustavy zůstává zachováno. - Existují však i jiné formulace, např. Nelze sestrojit stroj, který by trvale dodával mechanickou energii, aniž by spotřeboval odpovídající množství energie jiného druhu.
PRVNÍ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON Obrázek č. 1 První termodynamický zákon Tepelný stroj
DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON - Druhý termodynamický zákon je důležitý termodynamický zákon určující přirozený směr, kterým přírodní procesy probíhají. - První termodynamický zákon je zákonem kvantitativním, který říká, že všechny druhy energie jsou kvantitativně ekvivalentní (rovnocenné) a vzájemně je lze transformovat. - Druhý termodynamický zákon je kvalitativní, uvádí jak probíhají tepelné děje v případě, že je tepelnou energii možno přeměňovat s určitým omezením. Je empirický a pravděpodobnostní. - Veličina, která charakterizuje směr vývoje systému se nazývá entropie.
DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON FORMULACE ZÁKONA - Clausiusova formulace Teplo nemůže při styku dvou těles různých teplot samovolně přecházet z tělesa chladnějšího na těleso teplejší. Teplo tedy nepřechází samovolně z prostředí o nižší teplotě do prostředí s vyšší teplotou. Tento přechod se v praxi nepotvrdil, ale není vyloučený. - W. Thomsonova a Planckova formulace Nelze sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by trvale konal práci pouze tím, že by ochlazoval jedno těleso, a k žádné další změně v okolí by nedocházelo. Z praxe víme, že všechny druhy energií lze přeměnit na teplo. Obrácený přechod beze zbytku je z hlediska pravděpodobnosti nerealizovatelný a v praxi jej nepozorujeme.
DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON FORMULACE ZÁKONA - W. Thomsonova a Ostwaldova formulace Nelze sestrojit perpetum mobile druhého druhu.není možné sestrojit periodicky pracující stroj, který by jen přijímal teplo od určitého tělesa (ohřívače) a vykonával stejně velkou práci. Každý takový stroj pracuje tak, že přijímá od ohřívače teplo Q 1 a chladiči odevzdá teplo Q 2 (Q 2 < Q 1 ), přičemž vykoná práci W=Q 1 -Q 2. - Carnotova formulace Žádný tepelný stroj pracující mezi dvěma teplotami nemůže mít vyšší účinnost než Carnotův stroj pracující mezi stejnými teplotami. - Carathéodoryho formulace V každém okolí každého stavu teplotně homogenního systému existují stavy, k nimž se není možno libovolně přiblížit adiabatickou změnou stavových parametrů. Existují tedy adiabaticky nedosažitelné stavy.
ROZDĚLENÍ TEPELNÝCH STROJŮ Tepelné stroje se dělí na: - tepelné motory, ve kterých se přeměňuje teplo dodávané ze zásobníku s vyšší teplotou na práci při vzniku zůstatkového tepla, které je potřeba dovést do zásobníku s nižší teplotou. Pracovní cyklus takového stroje v p-v diagramu probíhá ve směru hodinových ručiček. - chladicí stroje nebo tepelná čerpadla, ve kterých se spotřebovává přivedená mechanická práce na přenos tepla ze zásobníku s nižší teplotou do zásobníku s vyšší teplotou. Pracovní cyklus takového stroje v p-v diagramu probíhá proti směru hodinových ručiček.
TEPELNÝ STROJ V CARNOTOVĚ CYKLU Tepelný stroj pracující v Carnotově cyklu je takzvaný ideální stroj, není možné ho sestrojit tak, aby jeho reálná účinnost byla taková, jaká je teoretická účinnost. Carnotův cyklus slouží jako důkaz toho, že ani ideální tepelný stroj nemůže dosáhnout 100% účinnosti, ale vždy jen nižší. Nevyhnutelnou podmínkou toho, aby byl probíhající cyklus Carnotovým cyklem, je, že všechny probíhající děje jsou vratné. Obrázek č. 2 Znázornění Carnotova cyklu v p- V diagramu. Plocha ohraničená křivkami je rovna práci, kterou stroj vykonal při jednom cyklu.
POUŽITÉ ZDROJE [1] ISO 690-2 (1), Přispěvatelé Wikipedie, Tepelný stroj [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2013, Datum poslední revize 10. 03. 2013, 12:37 UTC, [citováno 6. 04. 2013] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=tepeln%c3%bd_stroj&oldid=9889807> [2] ISO 690-2 (1), Přispěvatelé Wikipedie, První termodynamický zákon [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2013, Datum poslední revize 7. 03. 2013, 18:10 UTC, [citováno 6. 04. 2013] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=prvn%c3%ad_termodynamick%c3%b D_z%C3%A1kon&oldid=9833691> [3] ISO 690-2 (1), Přispěvatelé Wikipedie, Druhý termodynamický zákon [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2013, Datum poslední revize 8. 03. 2013, 14:20 UTC, [citováno 6. 04. 2013] <http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=druh%c3%bd_termodynamick%c3%b D_z%C3%A1kon&oldid=9842370>
POUŽITÉ OBRÁZKY [1] Commons.wikimedia.org [online]. [cit. 2012-04-06]. ]. Dostupný pod licencí GNU Free Documentation License, www: http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:maqterm1rp.gif [2] Commons.wikimedia.org [online]. [cit. 2012-04-06]. Dubaj poskytuje komukoli právo užívat jej za libovolným účelem, a to bezpodmínečně s výjimkou podmínek vyžadovaných příslušnou právní úpravou dané země. www: http://cs.wikipedia.org/wiki/soubor:carncyklus.png