12. Tepelné stroj 12.1 Přeměna tepelné energie na práci Izotermické rozpínání plynu Adiabatické rozpínání plynu kruhovým dějem



Podobné dokumenty
IV. KRUHOVÝ DĚJ S IDEÁLNÍM PLYNEM, TEPELNÉ MOTORY

Ideální plyn. Stavová rovnice Děje v ideálním plynu Práce plynu, Kruhový děj, Tepelné motory

10. Práce plynu, tepelné motory

W = p. V. 1) a) PRÁCE PLYNU b) F = p. S W = p.s. h. Práce, kterou může vykonat plyn (W), je přímo úměrná jeho tlaku (p) a změně jeho objemu ( V).

PLYNNÉ LÁTKY. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Termika - 2. ročník

Digitální učební materiál

LOGO. Struktura a vlastnosti plynů Ideální plyn

SPALOVACÍ MOTORY. - vznětové = samovznícením. - dvoudobé. - kapalinou. - dvouřadé s válci do V - vodorovné - ležaté. - vstřikové

Termomechanika 5. přednáška

zapaluje směs přeskočením jiskry mezi elektrodami motoru (93 C), chladí se válce a hlavy válců Druhy:

IDEÁLNÍ PLYN. Stavová rovnice

TEPLO A TEPELNÉ STROJE

3.5 Tepelné děje s ideálním plynem stálé hmotnosti, izotermický děj

4IS10F8 spalovací motory.notebook. Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.4.00/ Šablona: III/2. Sada: VY_32_INOVACE_4IS Pořadové číslo: 10

1) Skupenství fáze, forma, stav. 2) 3 druhy skupenství (1 látky): pevné (led) kapalné (voda) plynné (vodní pára)

19. a 20. PÍSTOVÉ SPALOVACÍ MOTORY ZÁŽEHOVÉ A VZNĚTOVÉ 19. and 20. PETROL AND DIESEL PISTONE COMBUSTION ENGINES

Termodynamické zákony

23_ 2 24_ 2 25_ 2 26_ 4 27_ 5 28_ 5 29_ 5 30_ 7 31_

Digitální učební materiál. III/2 Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Příjemce podpory Gymnázium, Jevíčko, A. K.

Pístové spalovací motory-pevné části

Zpracování teorie 2010/ /12

Fyzikální vzdělávání. 1. ročník. Učební obor: Kuchař číšník Kadeřník. Implementace ICT do výuky č. CZ.1.07/1.1.02/ GG OP VK

VY_32_INOVACE_FY.15 SPALOVACÍ MOTORY II.

POHONNÉ JEDNOTKY. Energie SPALOVACÍ MOTOR. Chemická ELEKTROMOTOR. Elektrická. Mechanická energie HYDROMOTOR. Tlaková. Ztráty

(mechanickou energii) působením na píst, lopatky turbíny nebo využitím reaktivní síly Používají se jako #3

Z ûehovè a vznïtovè motory

IDEÁLNÍ PLYN 14. TEPELNÉ STROJE, PRVNÍ A DRUHÝ TERMODYNAMICKÝ ZÁKON

I. PARNÍ MOTORY. 1. Parní stroj

Tep e e p l e né n é str st o r j o e e z po p h o l h ed e u d u zákl zá ad a n d í n h í o h o kur ku su r su fyzi f ky 3. 3 Poznámky k přednášce

F - Tepelné motory VARIACE

Procesy ve spalovacích motorech

Termomechanika 5. přednáška Michal Hoznedl

EU PENÍZE ŠKOLÁM NÁZEV PROJEKTU : MÁME RÁDI TECHNIKU REGISTRAČNÍ ČÍSLO PROJEKTU :CZ.1.07/1.4.00/

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

Teplota a její měření

1/5. 9. Kompresory a pneumatické motory. Příklad: 9.1, 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, 9.6, 9.7, 9.8, 9.9, 9.10, 9.11, 9.12, 9.13, 9.14, 9.15, 9.16, 9.

Digitální učební materiál

KATEDRA VOZIDEL A MOTOR. Rozd lení PSM #1/14. Karel Páv

FYZIKA I cvičení, FMT 2. POHYB LÁTKY

LOPATKOVÉ STROJE LOPATKOVÉ STROJE

Vnitřní energie, práce a teplo

VY_32_INOVACE_FY.14 SPALOVACÍ MOTORY

1/6. 2. Stavová rovnice, plynová konstanta, Avogadrův zákon, kilomol plynu

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ POJMY K ZOPAKOVÁNÍ. Testové úlohy varianta A

Termodynamika. Děj, který není kvazistatický, se nazývá nestatický.

Popis výukového materiálu

TRYSKOVÉ MOTORY. Turbínové motory. Bezturbínové motory. Raketové motory. Turbokompresorový motor (jednoproudový)

Teplo, práce a 1. věta termodynamiky

Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT Lopatkové stroje PLYNOVÉ TURBÍNY Ing. Petr Plšek Číslo: VY_32_INOVACE_ Anotace:

Kontrolní otázky k 1. přednášce z TM

Termodynamika 1. UJOP Hostivař 2014

1.4. II. věta termodynamiky

KOMPRESORY F 1 F 2. F 3 V 1 p 1. V 2 p 2 V 3 p 3

TEPELNÉ MOTORY (první část)

13 otázek za 1 bod = 13 bodů Jméno a příjmení:

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

DOPRAVNÍ A ZDVIHACÍ STROJE

VYBRANÉ STATĚ Z PROCESNÍHO INŢENÝRSTVÍ cvičení 12

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

2. DOPRAVA KAPALIN. h v. h s. Obr. 2.1 Doprava kapalin čerpadlem h S sací výška čerpadla, h V výtlačná výška čerpadla 2.1 HYDROSTATICKÁ ČERPADLA

PRÁCE A ENERGIE. Mgr. Jan Ptáčník - GJVJ - Fyzika - Tercie

6. Jaký je výkon vařiče, který ohřeje 1 l vody o 40 C během 5 minut? Měrná tepelná kapacita vody je W)

EU PENÍZE ŠKOLÁM NÁZEV PROJEKTU : MÁME RÁDI TECHNIKU REGISTRAČNÍ ČÍSLO PROJEKTU :CZ.1.07/1.4.00/

Rotační výsledkem je otáčivý pohyb (elektrické nebo spalovací #5, vodní nebo větrné

Ing. Hana Ilkivová Hotelová škola, Obchodní akademie a Střední průmyslová škola, Benešovo náměstí 1., příspěvková organizace

Elektroenergetika 1. Termodynamika

Gymnázium, Soběslav, Dr. Edvarda Beneše 449/II. Pokud není uvedeno jinak, použitý materiál je z vlastních zdrojů autora

3 Mechanická energie Kinetická energie Potenciální energie Zákon zachování mechanické energie... 9

Elektroenergetika 1. Termodynamika a termodynamické oběhy

Zavádění inovativních metod a výukových materiálů do přírodovědných předmětů na Gymnáziu v Krnově

STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

PEVNÉ DÍLY MOTORU Střední odborná škola a Gymnázium Staré Město

Vnitřní energie, práce a teplo

Příklady k zápočtu molekulová fyzika a termodynamika

MAZACÍ SOUSTAVA MOTORU

Termomechanika 3. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav HOLEČEK

[381 m/s] 12. Ocelovou součást o hmotnosti m z = 4 kg, měrném teple c z = 420 J/kgK, zahřátou na teplotu t z = 900 C ponoříme do olejové lázně o

Molekulová fyzika a termika

Domácí práce č.1. Jak dlouho vydrží palivo motocyklu Jawa 50 Pionýr, pojme-li jeho nádrž 3,5 litru paliva o hustote 750kg m 3 a

NEGATIVNÍ PŮSOBENÍ PROVOZU AUTOMOBILOVÝCH PSM NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

3. Výroba stlačeného vzduchu - kompresory

2. Specifické emisní limity platné od 20. prosince 2018 do 31. prosince Specifické emisní limity platné od 1. ledna 2025

III. STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNŮ

Otázky pro Státní závěrečné zkoušky

p V = n R T Při stlačování vkládáme do systému práci a tím se podle 1. věty termodynamické zvyšuje vnitřní energie systému U = q + w

PRINCIP ČINNOSTI VZNĚTOVÉHO SPALOVACÍHO MOTORU

Popis výukového materiálu

VÝHODY A NEVÝHODY PNEUMATICKÝCH MECHANISMŮ

9. Struktura a vlastnosti plynů

Cvičení z termomechaniky Cvičení 2. Stanovte objem nádoby, ve které je uzavřený dusík o hmotnosti 20 [kg], teplotě 15 [ C] a tlaku 10 [MPa].

PRI-TeO-PO F Palivová soustava vznětového motoru - dopravní (podávací) čerpadla 2 / 5

Popis výukového materiálu

Termika. Nauka o teple se zabývá měřením teploty, tepla a tepelnými ději.

Mol. fyz. a termodynamika

Proudění Sborník článků z on-line pokračujícího zdroje Transformační technologie.

ZDROJE TEPLA Rozdělení Jako zdroj tepla může být navržena kotelna, CZT (centrální zásobování teplem) nebo netradiční zdroj (tepelné čerpadlo,

Funkční vzorek průmyslového motoru pro provoz na rostlinný olej

Termodynamika 2. UJOP Hostivař 2014

Motory s vnějším spalováním

Transkript:

1. Tepelné stroj 1.1 Přeměna tepelné energie na práci Mají-li plyny vysoký tlak a teplotu převládá v celkové vnitřní energii energie kinetická. Je-li plyn uzavřený ve válci s pohyblivým pístem, pak při rozpínání plynu může posunující píst konat práci. Rozpínání plynu může být izotermické (plyn má konstantní teplotu) či adiabatické. Izotermické rozpínání plynu aby se zde udržela stálá teplota, musí plyn přijímat teplo, které odpovídá změně vnitřní energie. Adiabatické rozpínání plynu práce je vykonána posunujícím se pístem. A to se rovná zmenšené vnitřní energii plynu, protože plyn se ochladí. Válec má omezené rozměry, a proto plyn vykoná jen určitou omezenou práci, jeho vnitřní energie se tím zmenší o jistou hodnotu. Aby tentýž plyn mohl znovu konat práci musí se jeho vnitřní energie vrátit do původního stavu. Děj, při němž se stav soustavy molekul mění tak, že se dostane do původního stavu, nazýváme kruhovým dějem. Kruhový děj lze vytvořit z děje izotermického a adiabatického. Vysvětlíme si daný pv diagram (Carnotův cyklus). A plyn má vysoký tlak a vysokou teplotu. Rozpíná se izotermicky do stavu B, pak adiabaticky do stavu C. Zde má nejmenší vnitřní energii i teplotu. Pak se izotermicky stlačí do stavu D a pak se stlačí adiabaticky do původního stavu A. A tento kruhový děj se nazývá Carnotův cyklus. 1.1.1 Účinnost Carnotova cyklu Vypočet účinnosti není triviální, a proto jako příklad vypočteme účinnost zjednodušeného kruhového děje. Ten se skládá ze dvou změn izotermických a dvou izochorických. Zjednodušený Carnotův cyklus 1

Na začátku děje v bodě B má plyn tlak p 1, objem V 1 a teplotu T. Pak se plyn izotermicky rozpíná a koná práci, která je ekvivalentem přijatému teplu Q (plocha BCEF). Dostane se do stavu C, kde má plyn tlak p, objem V a teplotu T. Odkud se po izochorickém ochlazení dostane do bodu D. Práce se při tomto ději nekoná a plyn pouze odevzdává teplo Q = cv m ( T1 T ). Návrat do původního stavu provedeme takto. Plyn izotermicky stlačíme, při kterém plyn odevzdá teplo Q 1 a dostane se plyn do stavu A a to teplo je rovno ploše DEFA. Děj končí Q = cv m T izochorickým ohřátím do stavu B. Práce se nekoná. Plyn přijímá teplo ( ) T1. Při obou izochorických dějích se práce nekoná a teplo odevzdané plynem při prvním ději je stejně velké jako teplo přijaté plynem při druhém ději. Při kruhovém ději se koná práce je při dějích izotermických. Celková vykonaná práce je rovna rozdílu Q a to se rovná ploše ABCD. Q1 Závěr pro účinnost kruhového děje: Plyn přijme teplo Q při vyšší teplotě, vrátí teplo Q 1 při nižší teplotě a vykoná práci ekvivalentní rozdílu přijatého a odevzdaného tepla. Pracuje tedy s účinností: Q Q1 W η = =. Q Q Mechanická energie se může neomezeně měnit na ekvivalentní kinetickou energii molekul soustavy. Naproti tomu práce vykonaná plynem je ekvivalentní je části přijatého tepla a to tím větší části čím je větší rozdíl mezných teplot kruhového děje. Uvedenou zkušenost vyjadřuje druhá věta termodynamiky. Q Q1 T T1 Druhá věta termodynamiky: =. Q T T Nebo může mít druhá věta termodynamiky i tento tvar: η = 1 1. T To ukazuje, že účinnost Carnotova cyklu záleží jen na podílu teplot, mezi nimiž probíhá a nezáleží na látce, v níž cyklus probíhá. Druhá věta termodynamiky slovně: Teplo nemůže samo od sebe přejít z tělesa studenějšího na teplejší. Lidé se snažili sestrojit stroje, které by sami pracovali, aniž bychom jim dodávali energii. Byla označena jako perpetum mobile. Základní druhy perpetum mobile: Perpetum mobile prvního druhu nelze sestrojit periodicky pracující stroj, který by vyrobil více práce než je množství energie, které přijde z okolí. Perpetum mobile druhého druhu nelze sestrojit pracující stroj, který by ochlazoval tělesa na teplotu nižší než je nejnižší teplota v okolí a přitom by konal práci. Jinými slovy je to stroj s účinnosti 100%.

1. Charakteristika tepelných strojů Tepelný stroj je zařízení, kterým se vnitřní energie pracovní látky (plynu) mění na kinetickou energii vhodného tělesa. Přitom se koná mechanická práce. Vnitřní energie soustavy je největší, když je látka v plynném stavu. Podstatnou částí vnitřní energie plynu je jeho kinetická energie neuspořádaného pohybu molekul. Vždy se snažíme molekuly dostat do tohoto stavu. 1.3 Rozdělení tepelných strojů Tepelné stroje můžeme třídit podle různých hledisek. Tepelné stroje dělíme na tyto základní kategorie: parní stroj, parní turbina, spalovací motory, proudové motory, raketové motory. 1.3.1 Parní stroj V kotli vyrábíme páru, která se přivádí potrubím do válce s pístem. Pára se rozpíná a posouvá píst na jednu nebo druhou stranu, podle toho kam jí pouští šoupátko. Pára je pod tlakem. Účinnost parního stroje je 0%. 1.3. Parní turbina Parní turbína je soukolí skládající se z několika různě velikých kol. Kola jsou osázena lopatkami. V parní turbíně se kromě tlaku využívá kinetické energie 1 páry, která proudí rychlostí 900 1500 m s. Díky tomu je parní turbína hospodárnější než parní stroj. Princip: K turbíně přivedeme horkou páru z parního kotle. Pára dopadá na lopatky nejmenšího kola, které postupně roztáčí a je to v důsledku, že pára vykonala práci. Takhle postupně roztočí celé soukolí (celou turbinu). Pára zde ztratí tlak a teplotu a pak se vrátí znova do kotle a celý cyklus se znova opakuje. Parní turbina se hodí jen tam, kde máme stálou rychlost otáčení a její výkon je obrovský ve stovkách MW. Turbíny se používají v elektrárnách na pohon elektrických generátorů, turbíny pohánějí čerpadla dmýchadla i dopravní prostředky. 1.3.3. Spalovací motory Ve spalovacích motorech se získává teplo spálením pohonné směsi v pracovním válci. Přitom vznikají spalné plyny o vysokém tlaku a vysoké teplotě. Podle způsobu zapalování směsi rozlišujeme motory: na zážehové a vznětové. Zážehové motory Podle počtu zdvihů v pracovním cyklu rozeznávám motory dvoudobé a čtyřdobé. 3

Dvoudobý zážehový motor palivo: směs benzín + olej Pracuje na dvě doby. Nemá ventily. Obsahuje pouze kanály. Chladí se vzduchem, proto nepotřebuje chladič. Nemá olejovou vanu, proto se olej na mazání přidává do benzínu a díky tomu je lehký. Pokud bychom olej nedávali do benzínu motor by se zadřel a přestal by fungovat. účinnost: do 0% Schéma a princip: Využití: motocykly, pily, trabant. Měl mít dvojnásobný výkon než motor čtyřdobý. Není to ale možné, protože nasávání i výfuk neprobíhají zcela ideálně, a proto dosahuje výkon, který je 1,6x větší. Pozor: Dnes se od těchto motorů upouští, protože jsou zcela neekologické. Olej jde do ovzduší. 4

Čtyřdobý zážehový motor palivo: benzín Schéma a princip: Kdy koná práci? Pouze v třetí době. Dochází k rozpínání a píst je tlačen dolů. Tohle byl popiš činnosti jednoho válce. Pokud máme motor čtyř válcový máme v motory válce čtyři. Nepracují však současně, ale postupně. Tzn. jejich pracovní cyklus je o jednu čtvrtinu posunut. Využití: V dnešní době je to naprosto nejpoužívanější motor. Díky technickému pokroku se prosazují i do sekaček či jiných drobných technických zázraků, kde nahrazují dvoudobý motor. Vznětové motory (Dieslovy motory) palivo: nafta Vznětový motor pracuje zpravidla na čtyři doby. Princip: Popíšeme si zde odlišnosti od čtyřdobých zážehových motorů. 4 doby: 1. doba píst jde dolů a nasává se vzduch. doba dochází k adiabatickému stlačení vzduchu na polovinu původního objemu. Vzduch se ohřeje na teplotu nad 500 C a tlak je větší ne 3 MPa. 3. doba Vstřikovací čerpadlo vstříkne naftu do horkého vzduchu a ta se vznítí a shoří. Plyny tlačí píst dolů. 4. doba otevře se výfukový ventil a plyny jdou ven. Vznětový motor v základním provedení nemá svíčku. Není potřeba. Reálně se ukázalo, že tyto motory špatně pracovaly v zimním období, proto se do nich svíčka přidává, ale používá se pouze v klimaticky špatném období v zimě. 5

1.3.4. Proudové motory palivo: petrolej, či kerosin princip a schéma: využití: Používá se jen k pohonu letadel a k dosahování velkých rychlostí. Cestovní rychlost 1 dopravního letadla je 800km h. Dále se používá k pohonu stíhaček. Tyto motory dosahují rychlosti větší než je rychlost zvuku, proto jim říkáme nadzvuková letedla. klady a zápory: Má poměrně vysokou účinnost. Dá se použít i v extrémních výškách nad 10 000 m. To je výhodné, protože je tam méně vzduchu a díky tomu je i jeho odpor menší, dále se zde neobjevuje tolik bouří a větrů. Je drahý, protože se musí konstruovat tak aby vydržel vysoké teploty a tlaky. A je neekologický, protože má velkou spotřebu paliva. 6

1.3.5. Raketové motory Máme dva druhu: na tekuté palivo a na pevné palivo. Schéma obou druhů raketových motorů: Obecný princip raketových motorů: Chemickou výbušnou reakcí ve spalovací komoře vznikají plyny (t = 3000 C) a unikají 1 dýzou rychlostí 500 m s. Ve spalovací komoře je tlak až 10 MPa, a proto se tekuté palivo a okysličovadlo vhání do komory čerpadly. Tažná síla motoru se reguluje hmotností látek přivedených do motoru. Raketa na tuhé palivo Používají se na startu a nemůžeme regulovat jejich výkon. Jak je jednou nastartujeme nic s tím již neuděláme. palivo: výbušniny smíchané s okysličovadlem, Raketa na kapalné palivo Používá se pro další fázi letu. palivo: kapalný vodík, hydrazin, líh, okysličovadla (kyslík, kyseliny např. dusičná) Použití: Využívají se k pohonu vojenských, výzkumných raket, k uvádění umělých družic Země a kosmických lodí na oběžnou dráhu. Proudové a raketové motory pracují na principu akce a reakce. 7