Tepelné stroje v termodynamice se jedná o periodicky pracující tepelné motory a chladicí stroje (termokompresory). Typ chladicího stroje je tepelné čerpadlo.

Nazývají se zařízení, která provádějí mechanickou práci využívající vnitřní energii paliva tepelné motory (tepelné motory). Pro provoz tepelného motoru jsou zapotřebí tyto součásti: 1) zdroj tepla s vyšší teplotní hladinou t1, 2) zdroj tepla s nižší teplotní hladinou t2, 3) pracovní kapalina. Jinými slovy: jakékoli tepelné motory (tepelné stroje) se skládají z ohřívač, lednička a pracovní kapalina.

tepelné motory

Vzhledem k tomu, pracovní kapalina používá se plyn nebo pára, protože jsou dobře stlačeny a v závislosti na typu motoru může být palivo (benzín, petrolej), vodní pára atd. Ohřívač předává určité množství tepla (Q1) pracovní kapalině , a jeho vnitřní energie se díky této vnitřní energii zvýší, je vykonána mechanická práce (A), poté pracovní tekutina odevzdá určité množství tepla do chladničky (Q2) a ochladí se na počáteční teplotu. Popsaný diagram představuje pracovní cyklus motoru a je obecný, v reálných motorech mohou roli ohřívače a chladničky plnit různá zařízení. Prostředí může sloužit jako lednička.

Vzhledem k tomu, že v motoru je část energie pracovní tekutiny přenášena do chladničky, je zřejmé, že ne veškerá energie, kterou přijímá z ohřívače, je použita k výkonu práce. resp. koeficient účinnosti motoru (účinnost) se rovná poměru vykonané práce (A) k množství tepla, které obdrží od topení (Q1):

Spalovací motor (ICE)

Existují dva typy spalovacích motorů (ICE): karburátor и motorová nafta. U karburátorového motoru se pracovní směs (směs paliva a vzduchu) připravuje mimo motor ve speciálním zařízení a z ní se dostává do motoru. U vznětového motoru se palivová směs připravuje v motoru samotném.

spalovací motor

ICE se skládá z válec, ve kterém se pohybuje píst; jsou ve válci dva ventily, kterým se jedním vpouští hořlavá směs do válce a druhým jsou výfukové plyny odváděny z válce. Použití pístu klikový mechanismus spojuje s klikový hřídel, který se začne otáčet s translačním pohybem pístu. Válec je uzavřen víkem.

Provozní cyklus spalovacího motoru zahrnuje čtyři bary: sání, komprese, zdvih, výfuk. Při sání se píst pohybuje dolů, tlak ve válci klesá a ventilem se do něj dostává hořlavá směs (u karburátorového motoru) nebo vzduch (u vznětového motoru). Ventil je v tomto okamžiku uzavřen. Na konci nasávání hořlavé směsi se ventil uzavře.

ČTĚTE VÍCE
Jaká zařízení se používají k biochemickému čištění odpadních vod?

Při druhém zdvihu se píst posune nahoru, ventily se uzavřou a pracovní směs nebo vzduch se stlačí. Současně se zvyšuje teplota plynu: hořlavá směs v karburátorovém motoru se zahřeje na 300-350 °C a vzduch ve vznětovém motoru – na 500-600 °C. Na konci kompresního zdvihu přeskočí v karburátorovém motoru jiskra a hořlavá směs se vznítí. U vznětového motoru se palivo vstřikuje do válce a výsledná směs se samovolně vznítí.

Při spalování hořlavé směsi plyn expanduje a tlačí píst a klikový hřídel s ním spojený, přičemž vykonává mechanickou práci. To způsobí ochlazení plynu.

Když píst dosáhne nejnižšího bodu, tlak v něm se sníží. Když se píst pohybuje nahoru, ventil se otevře a výfukové plyny se uvolní. Na konci tohoto zdvihu se ventil uzavře.

Spalovací motor s Ottovým cyklem

Parní turbína

Parní turbína Jedná se o disk nasazený na hřídeli, na které jsou nasazeny lopatky. Pára vstupuje do lopatek. Pára ohřátá na 600 °C je směrována do trysky a expanduje v ní. Při expanzi páry se její vnitřní energie přeměňuje na kinetickou energii usměrněného pohybu parního paprsku. Proud páry vychází z trysky na lopatky turbíny a předává jim část své kinetické energie, čímž způsobuje otáčení turbíny. Turbíny mají obvykle několik disků, z nichž každý přenáší část energie páry. Rotace disku se přenáší na hřídel, ke které je připojen generátor elektrického proudu.

Měrná výhřevnost paliva

Při spalování různých paliv stejné hmotnosti se uvolňuje různé množství tepla. Je například dobře známo, že zemní plyn je energeticky účinnější palivo než dřevo. To znamená, že pro získání stejného množství tepla musí být hmota dřeva, kterou je třeba spálit, výrazně větší než hmota zemního plynu. Následně jsou různé druhy paliv z energetického hlediska charakterizovány veličinou tzv měrné spalné teplo paliva .

Měrná výhřevnost paliva – fyzikální veličina udávající, kolik tepla se uvolní při úplném spálení paliva o hmotnosti 1 kg.

specifické spalné teplo

Měrné spalné teplo je označeno písmenem q, jeho jednotkou je 1 J/kg.

Měrné teplo se určuje experimentálně. Má nejvyšší měrné spalné teplo vodík, nejmenší – prášek.

Měrné spalné teplo oleje je 4,4*10 J/kg. To znamená, že při úplném spálení 7 kg oleje je množství uvolněného tepla 1 * 4,4 10 J. V obecném případě, pokud je hmotnost paliva rovna m, pak se množství tepla Q uvolněné při jeho úplném spálení rovná součinu měrného spalného tepla paliva q ke své hmotě:

ČTĚTE VÍCE
Proč se na zadní stěně chladničky tvoří led?

Q = qm.

tepelné motory

Poznámky k hodině fyziky v 8. třídě „Tepelné motory. LED. Specifické spalné teplo“.

V procesu evoluce se člověk naučil získávat tepelnou energii v důsledku spalování různých hořlavých látek. Ukázalo se, že stejná hmotnost různých kategorií paliva produkuje různé množství energie. Například spalováním zemního plynu vzniká více tepla než spalováním dřeva. Fyzikální veličina, která odráží množství tepla vzniklého při spalování paliva o hmotnosti 1 kg, se nazývá měrné spalné teplo. Jeho vzorec: q = Q/m.

  • Přijímané symboly a měrné jednotky
  • Měření množství spalného tepla
  • Tabulkové údaje
  • Řešení problému

Měrné spalné teplo vzorce paliva

Přijímané symboly a měrné jednotky

Měrné spalné teplo se značí malým písmenem q a množství tepla velkým Q.

Mezinárodní jednotkou měření je J/kg, ale častěji se používají megajouly (mJ/kg).

Vzorec pro měrné spalné teplo plynů:

q = Q/V, kde V je objem plynu.

Mezinárodní jednotka měření je J/m³.

Měření množství spalného tepla

Čím vyšší je měrná tepelná kapacita hořlavého materiálu, tím je jeho spotřeba ekonomičtější. Množství tepla, které vzniká při spalování paliva, je lze vypočítat následujícími způsoby.

Vzorec měrného spalného tepla

  1. Teoretická metoda. Když víme, jaké je měrné spalné teplo paliva a jeho vzorec, můžeme odvodit vzorec pro zjištění množství tepla. Pokud tedy q = Q/m, pak Q = q * m.
  2. Praktický způsob. V praxi se množství tepla vzniklého v důsledku spalovací reakce měří pomocí speciálních nádob – kalorimetrů. Kalorimetr ukazuje množství energie, které se uvolní v důsledku úplného spálení určitého vzorku látky v nádobě umístěné ve vodě. Na základě rozdílu naměřených teplot vody se určí množství uvolněné energie.

Tabulkové údaje

Dosud bylo měřeno q všech známých látek. Tabulka ukazuje hodnoty q pro nejběžnější hořlavé materiály:

Typ paliva q v mJ/kg
Metan 50,1
Zemní plyn 46,1
benzín 43,6
Olej 41
Mazut 39,2
Alkohol 27
Dřevěné uhlí 31
Uhlí 29,3
Methanol 22,7
Suché palivové dříví 15
Rašelina 8,1
Střelný prach 3,8

Skutečné množství tepla uvolněného v důsledku spalování je se mohou lišit od údajů v tabulce v závislosti na následujících faktorech:

  • vlhkost – přítomnost vlhkosti v palivu snižuje jeho spalné teplo, protože se zvyšují náklady na energii na odpařování přebytečné vody;
  • obsah popela – obsah minerálních nečistot v palivu snižuje procento hořlavých látek ve vzorku;
  • obsah síry – při spalování hořlavého materiálu obsahujícího nečistoty sirných sloučenin vzniká oxid siřičitý, který snižuje koncentraci kyslíku nutnou pro podporu spalovacího procesu.
ČTĚTE VÍCE
Jaké materiály se používají k výrobě cihel?

Řešení problému

Řešením typických úloh na téma „Množství tepla při spalování paliva“ (fyzika, ročník 7) je stanovení energie spalování látek a požadované hmotnosti (objemu) paliva. V tomto případě se použijí tabulková data q.

Kolik energie se uvolní při spálení 100 kg rašeliny?

řešení:

Měrné spalné teplo

Q = 8,1 * 10 6 J/kg * 100 kg = 810 * 10 6 J = 8,1 * 10 8 J

Odpověď: 8,1 * 10 8 J.

Zjistěte, kolik zemního plynu bylo spáleno, pokud je známo, že se uvolnilo 23 mJ tepla.

Když víme, že vzorec pro množství tepla uvolněného při spalování paliva: Q = q * V, zjistíme V = Q/q

V = 23 * mJ/46,1 * mJ/m³ = 0.5 m³.

O kolik kilogramů uhlí se musí spotřebovat více než dřevěného uhlí, aby se získalo stejné množství tepla 62 mJ?

řešení:

Měrná výhřevnost paliva

Q = q * m, tedy m = Q/q

m d.u. = 62 mJ/31 mJ/m³ = 2 kg

m k.u. = 62 mJ/29,3 mJ/m³ = 2,11 kg

2,11 kg – 2 kg = 0,11 kg.

V průmyslu se při porovnání energetické hodnoty různých kategorií hořlavých materiálů vybírají ty ekonomicky nejvýnosnější. Potenciální výběr paliva však není omezen na jeho účinnost, ale závisí na technických možnostech podniku.