Digitální učební materiál Autor: Ing. Bc. Pavel Kolář Předmět/vzdělávací oblast: Základy přírodních věd - Fyzika Tematická oblast: Termika Téma: Tepelné motory Ročník: 2. Datum vytvoření: prosinec 2013 Název: VY_32_INOVACE_08.2.15.FYZ Anotace: Učební materiál se zaměřuje na tepelné motory. Je provedeno rozdělení tepelných motorů, vysvětlen princip činnosti, zmíněna účinnost. Metodický pokyn: Prezentace je primárně určena ke zkvalitnění výuky v hodinách fyziky, ale může být využita i k samostudiu nebo pro distanční formu vzdělávání. Otázky na konci tématu ověří u žáků pochopení probíraného učiva. Materiál vyžaduje použití multimediálních prostředků (PC a dataprojektoru).

Tepelné motory

Obrázek 15.1. Schéma tepelného stroje Tepelný stroj Tepelný stroj je zařízení, ve kterém se s pracovní látkou (plyn, pára) uskutečňuje kruhový děj; Během kruhového děje přijme pracovní látka od ohřívače teplo Q1, část tepla využije na konání práce W´ a zbytek, teplo Q2, odevzdá chladiči; Obrázek 15.1. Schéma tepelného stroje

Tepelný stroj Účinnost  tepelného stroje je dána vztahem: Protože teplo Q1 přijaté z ohřívače je vždy větší než teplo Q2 odevzdané chladiči (Q1  Q2), bude účinnost tepelného stroje menší než 1 (  1); max je maximální účinnost tepelného stroje; Účinnost tepelného stroje je tím vyšší, čím vyšší je teplota T1 ohřívače a čím nižší je teplota T2 chladiče.

Obrázek 15.2. Perpetuum mobile 2. druhu Tepelný stroj Druhý termodynamický zákon vyjadřuje poznatek, že: Není možné sestrojit periodicky pracující tepelný stroj, který by teplo přijaté z ohřívače Q1, bezezbytku přeměnil na užitečnou práci W´; Obrázek 15.2. Perpetuum mobile 2. druhu

Tepelné motory Tepelné motory jsou tepelné hnací stroje, ve kterých se část vnitřní energie paliva přeměňuje na energii pohybovou; Rozdělení tepelných motorů (podle pracovní látky): Parní motory: Spalovací motory: Reaktivní motory: Parní stroj; Parní turbína. Zážehový motor; Vznětový motor; Plynová turbína. Proudový motor; Raketový motor.

Tepelné motory Parní stroj Princip: Vodní pára získaná v parním kotli se přivádí do pracovního válce, kde uvádí do pohybu píst. Využití: Parní lokomotivy, pohon strojů. Účinnost: Maximálně 15 %. Obrázek 15.3. Parní lokomotiva

Tepelné motory Parní turbína Princip: Vodní pára o vysokém tlaku a teplotě působí na soustavu oběžných kol s lopatkami. Vnitřní energie vodní páry se mění na mechanickou energii (rotace turbíny). Využití: Pohon generátorů v elektrárnách. Účinnost: Maximálně 35 %. Obrázek 15.4. Parní turbína

Obrázek 15.5. Plynová turbína (lodní pohon) Tepelné motory Plynová turbína Princip: Pracovní látkou jsou plyny vzniklé hořením paliva. Plyny působí velkou rychlostí na lopatky turbínových kol, která roztáčí. Využití: Pohon automobilů, lodí, elektrických generátorů. Je součástí proudových motorů. Účinnost: Maximálně 37 %. Obrázek 15.5. Plynová turbína (lodní pohon)

Tepelné motory Zážehový motor Princip: Ve válci uzavřeném pohyblivým pístem se elektrickou jiskrou zapaluje pohonná směs. Hořením vznikají plyny, které posouvají pístem. Posuvný pohyb se mění klikovým mechanizmem na pohyb otáčivý. Využití: Pohon vozidel a strojů. Účinnost: Maximálně 33 %. Obrázek 15.6. Ford Mustang (motor)

Tepelné motory Vznětový motor Princip: Ve válci se adiabatickým stlačením zahřeje nasátý vzduch na teplotu asi 600 °C. Do horkého vzduchu se vstříkne nafta, ta se samovolně vznítí a postupně spaluje. Vznětový motor nemá zapalovací svíčku. Využití: Pohon vozidel a strojů. Účinnost: Maximálně 42 %. Obrázek 15.7. Tatra 148 (motor)

Obrázek 15.8. Proudový motor Tepelné motory Proudový motor Princip: Může fungovat pouze v zemské atmosféře, protože ke své činnosti potřebuje kyslík. Skládá se z generátoru plynu a výstupní trysky. Spalováním paliva vzni- kají plyny, které unikají tryskou a vyvozují tah motoru. Využití: Pohon letadel. Účinnost: Maximálně 37 %. Obrázek 15.8. Proudový motor

Obrázek 15.9. Raketový motor na kapalná paliva Tepelné motory Raketový motor Princip: Hořením pevného nebo kapalného paliva vznikají horké plyny, které unikají tryskou a uvádí raketu do pohybu. Okysličovadlo si raketa veze s sebou, proto může létat i mimo zemskou atmosféru. Využití: Pohonná jednotka raket. Účinnost: Maximálně 50 %. Obrázek 15.9. Raketový motor na kapalná paliva

Shrnutí nejdůležitějších poznatků Tepelný stroj je zařízení, ve kterém se s pracovní látkou uskutečňuje kruhový děj; Účinnost tepelného stroje je tím vyšší, čím vyšší je teplota T1 ohřívače a čím nižší je teplota T2 chladiče; max je maximální účinnost tepelného stroje; Tepelné motory jsou tepelné hnací stroje, ve kterých se část vnitřní energie paliva přeměňuje na energii pohybovou; Tepelné motory dělíme na motory parní, spalovací a reaktivní.

Otázky a úkoly Co je to tepelný motor? Jak funguje? Jedná se o tepelný hnací stroj, ve kterém se část vnitřní energie uvolněné hořením paliva přemění na mechanickou energii. O čem pojednává druhý termodynamický zákon? Není možné sestrojit tepelný stroj, který by všechnu dodanou energii přeměnil bezezbytku na užitečnou práci. Rozdělte tepelné motory podle způsobu využití pracovní látky. Parní (parní stroj, parní turbína), spalovací (zážehový motor, vznětový motor, plynová turbína), reaktivní (proudový motor, raketový motor). Uveďte praktické příklady využití tepelných motorů. Například spalovací motor automobilu, parní turbína v elektrárně nebo proudový motor letadla.

Použité zdroje LEPIL, Oldřich, BEDNAŘÍK, Milan, HÝBLOVÁ, Radmila. Fyzika pro střední školy I. 4. vyd. Praha: Prometheus, 2004, 266 s. Učebnice pro střední školy. ISBN 80-7196-184-1. BEDNAŘÍK, Milan, KUNZOVÁ, Vlasta, SVOBODA, Emanuel. Fyzika II pro studijní obory SOU. 1. vyd. Praha: SPN, 1986, 216 s. Učebnice pro střední školy. MIKLASOVÁ, Věra. Sbírka úloh z fyziky pro SOŠ a SOU. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2005, 298 s. Učebnice pro střední školy. ISBN 80-7196-135-3. Autorem obrázků, pokud není uvedeno jinak, je autor výukového materiálu.

Použité zdroje Obrázek 15.4.: MAN SE. Commons.wikimedia.org: SteamTurbine.jpg online. cit. 2013-12-28. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ASteamTurbine.jpg Obrázek 15.5.: MOBLEY, Christopher. Commons.wikimedia.org: 000126-N-6939M-003 Propulsion Maintenance .jpg online. 2000-01-26 cit. 2013-12-28. Dostupný pod licencí Public domain na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3A000126-N-6939M-003_Propulsion_Maintenance_.jpg Obrázek 15.8.: ANDYWEBBY. Commons.wikimedia.org: Pratt & Whitney J58 Turbojet.jpg online. 2011-02-10 cit. 2013-12-28. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3APratt_%26_Whitney_J58_Turbojet.jpg Obrázek 15.9.: KAMUI. Commons.wikimedia.org: LE-7 rocket engine.jpg online. 2006-06-29 cit. 2013-12-28. Dostupný pod licencí Creative Commons na WWW: http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ALE-7_rocket_engine.jpg