Silnik cieplny

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Schemat energetyczny silnika cieplnego

Silnik cieplny – urządzenie (maszyna cieplna), które zamienia energię termiczną (cieplną) w energię mechaniczną (praca)[1][2][3][4][5] lub elektryczną[6].

Idealizacją silnika cieplnego jest silnik pracujący w cyklu Carnota. Silnik taki ma największą teoretyczną sprawność dla danych temperatur źródeł ciepła górnegodolnego. Sprawność rzeczywistych silników jest także zależna od temperatury dolnego i górnego źródła ciepła ale mniejsza od sprawności cyklu Carnota. Stosunek sprawności silnika do sprawności obiegu Carnota to sprawność egzergetyczna.

Silniki cieplne dzielą się na silniki:

Inny podział ze względu na sposób generowania mocy:

Najczęściej spotykanymi w technice silnikami cieplnymi są silniki tłokowe, służące powszechnie do napędu samochodów. Nieco rzadsze zastosowanie ma silnik turbinowy, będący podstawowym źródłem mocy mechanicznej w transporcie lotniczym.

Sprawność[edytuj | edytuj kod]

Sprawność silnika odnosi się do ilości pracy użytecznej jaką możemy uzyskać z określonej ilości dostarczonego ciepła.

Z praw termodynamiki mamy:

 dW \ =  \ dQ_c \ - \  (-dQ_h)
gdzie
 dW = -PdV jest pracą odbieraną od silnika. (Jest to wielkość ujemna, kiedy praca jest wykonana przez silnik)
 dQ_h = T_hdS_h jest ciepłem pobranym z górnego źródła ciepła, stąd (-dQ_h) jest dodatnie.
 dQ_c = T_cdS_c jest ciepłem oddanym do chłodnicy. (Jest to wielkość dodatnia jeśli ciepło jest przekazywane do chłodnicy)

Innymi słowy, silnik cieplny pobiera ciepło ze zbiornika ciepła o wysokiej temperaturze, przekształca jego część w użyteczną pracę, a resztę oddaje do chłodnicy.

Ogólnie, sprawność danego procesu przepływu ciepła (niezależnie, czy będzie to chłodziarka, pompa ciepła lub silnik) jest definiowana nieformalnie jako "to co otrzymujesz" do tego "co dostarczasz".

W przypadku silnika, kiedy otrzymujemy pracę mechaniczną, a dostarczamy ciepło

\eta = \frac{-dW}{-dQ_h} = \frac{-dQ_h - dQ_c}{-dQ_h} = 1 - \frac{dQ_c}{-dQ_h}

Teoretyczne maksimum sprawności danego silnika cieplnego zależy tylko od temperatur, pomiędzy którymi on pracuje. Sprawność ta jest zwykle obliczana dla idealnego silnika Carnota, jednakże silniki pracujące według innych cykli osiągają także określoną dla danego cyklu maksymalną sprawność zależną od temperatur źródła ciepła i chłodnicy. Maksymalna sprawność danego cyklu osiąga przy odwracalnych przemianach termodynamicznych, kiedy zmiana entropii chłodnicy ma przeciwny znak do zmiany entropii źródła ciepła (tj., dS_c = -dS_h), a łączna entropia układu nie zmienia się. W takim przypadku:

\eta_\text{max} = 1 - \frac{T_cdS_c}{-T_hdS_h} = 1 - \frac{T_c}{T_h}

gdzie T_h jest temperaturą bezwzględną źródła ciepła; T_c temperaturą bezwzględną chłodnicy. dS_c jest dodatnie, kiedy dS_h jest ujemne; w każdym odwracalnym procesie wykonywania pracy entropia cyklu nie wzrasta, ale wysoka entropia źródła ciepła maleje, a rośnie entropia otoczenia (chłodnicy) gdzie oddawane jest ciepło.

Inne definicje[edytuj | edytuj kod]

Poniżej podane są mniej powszechne definicje silnika cieplnego.

  • 1964 - polski termodynamik Stanisław Ochęduszko zdefiniował silnik cieplny jako "maszyna, która część dostarczonego ciepła zamienia na pracę mechaniczną i może to czynić bez przerwy"[7].
  • 2001 - definicja Univerystetu Bluffton to "urządzenie zmieniające ciepło w inną formę energii"[8].

Przypisy

  1. Douglas C. Giancoli: Physics- Principles with Applications (6th. Ed.). New Jersey, USA: Pearson Education, Inc., 2005, s. 416. ISBN 0130606200.
  2. IMB Innovation: Silniki cieplne (pol.). [dostęp 19 marca 2008].
  3. Departament Fizyki Uniwersytetu Rutgers, New Jersey: O silniku cieplnym (ang.). [dostęp 10 marca 2008].
  4. Departament Fizyki Uniwersytetu George Mason, Wirginia: Eksperyment z Silnikiem Cieplnym (ang.). [dostęp 10 marca 2008].
  5. Departament Fizyki Uniwersytetu Ohio State, Ohio: Aplikacje praw Termodynamiki (ang.). [dostęp 10 marca 2008].
  6. Departament Fizyki Uniwersytetu Toledo, Ohio: Termodynamika (ang.). [dostęp 10 marca 2008].
  7. Stanisław Ochęduszko, Termodynamika stosowana, rozdział: D. Druga zasada termodynamiki, XIV Obiegi termodynamiczne, Warszawa, Wyd. Naukowo-Techniczne, ss. 127-128, 1974
  8. Daniel J. Berger,Uniwersytet Bluffton, Ohio: Silniki cieplne i wydajność. (ang.). [dostęp 10 marca 2008].

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]