je teplota vycházející páry nebo plynů. Účinnost tepelného motoru je tím vyšší, čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladiče

Škola: DUM:

Masarykovo gymnázium Vsetín Mgr. Dagmar Horká MGV_F_SS_1S3_D11_Z_MOLFYZ_Tepelne_motory_PL

Vzdělávací obor: Tematický okruh: Téma:

Člověk a příroda – Fyzika Molekulová fyzika a termika – Kruhový děj s ideálním plynem Tepelné motory

Autor:

TEPELNÉ MOTORY Tepelné motory jsou stroje, které přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněné hořením na energii mechanickou. [01] Tepelné motory se liší principem činnosti i konstrukcí. Rozdělíme je do skupin podle jejich pracovní látky: 1) Parní motory: parní stroj, parní turbína (pracovní látkou je vodní pára) 2) Spalovací motory: plynová turbína, zážehové motory, vznětové motory, proudové motory, raketové motory (pracovní látkou je plyn vznikající hořením paliva uvnitř motoru) Francouzský inženýr N. L. S. Carnot (1796 – 1832) v roce 1824 dokázal, že pro účinnost η tepelného motoru platí:

η ≤ η max =

T1 − T2 T = 1 − 2 , kde T1 je teplota ohřívače, T2 je teplota chladiče. Např. u parních motorů: T1 je teplota T1 T1

páry vstupující do motoru, T2 je teplota vycházející páry nebo plynů. Účinnost tepelného motoru je tím vyšší, čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladiče. [01]

PARNÍ STROJ První mechanický stroj poháněný parou sestrojil Hérón Alexandrijský v 1. století našeho letopočtu. Považoval jej ale jen za hračku a na praktické využití nedošlo. Dnes je vynález parního stroje obvykle připisován Jamesi Wattovi, který ho vynalezl v roce 1765. Ve skutečnosti Watt „pouze“ významně zdokonalil stroje Thomase Saveryho a Thomase Newcomena. Wattův parní stroj měl již střídavý rozvod páry na obě stran pístu, odstředivý regulátor k řízení přívodu páry a setrvačné kolo k zajištění rovnoměrného chodu stroje. V 19. století se parní stroj stal nejvýznamnějším zdrojem energie jak v průmyslu, tak v dopravě. Proto se tomuto století také říká století páry. Dopravě kralovaly vlaky tažené parními lokomotivami, vody brázdily parníky, průmyslové podniky měly stroje poháněné transmisemi od centrálního parního stroje, na polích se objevily parní oračky, parní mlátičky a parní lokomobily. Povrch silnic pak upravovaly parní válcovačky resp. parní válce. Ve 20. století význam parního stroje postupně upadá. Z dopravy byl vytlačen spalovacím motorem a z průmyslu elektrickými stroji a parní turbínou. Nejdéle sloužily těžní parní stroje, které v některých dolech vydržely až do devadesátých let 20. století (viz Muzeum Krásno). Na letadlových lodích se dodnes využívá parní katapult, což je vlastně speciální parní stroj s několika desítkami metrů dlouhým válcem. Jinak je možné se s provozem parních strojů setkat především u nostalgických jízd parních lokomotiv. Účinnost parního stroje mezi 5 % – 15 %., to je proti spalovacím motorům málo. Nespornou výhodou parního stroje je, že mu nevadí přetížení, a nedojde k jeho poškození, ani když se přetížením zcela zastaví. [02] 1 - Píst 2 - Pístní tyč 3 - Křižák 4 - Ojnice 5 - Klika čepu ojnice 6 - Excentrický mechanismus (jednoduchý vnější rozvod) 7 - Setrvačník 8 - Šoupátko 9 - Wattův odstředivý regulátor. Obrázek 1: Jednoválcový parní stroj Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

1/8

PARNÍ TURBÍNA V parních turbínách se kromě tlaku využívá i kinetická energie páry. Těleso vícestupňové se skládá z pevné části (statoru) a z pohyblivé části (rotoru). Ve statoru je přívod páry, soustava rozvádějících kol a kanály pro odvod páry, která již vykonala práci. Na rotoru je upevněna soustav oběžných kol, která zapadají mezi kola rozváděcí. Pára usměrněná lopatkami rozváděcího kola proudí rychlostí 400 − 1500m.s −1 , naráží na lopatky oběžného kola, mění svůj směr a přichází opět do dalšího rozváděcího kola. Protože při průchodu páry turbínou klesá její tlak, a tím se zvětšuje její objem, narůstá postupně průměr kol turbíny. Parní moderní turbínu vynalezl Sir Charles Parsons v roce 1884. Postupně byla zdokonalována a spolu se spalovacím motorem ve dvacátém století postupně nahradila parní stroj. Účinnost parní turbíny dosahuje až 35%. Parní turbína se nepoužívá k přímému pohonu výrobních strojů, ale používá se pro pohon alternátorů (tepelná elektrárna, jaderná elektrárna), se kterým bývá mechanicky spojena společným hřídelem. Parní turbína se ale užívá i jako lodní pohon (parník, bitevní loď, jaderná ponorka). [03]

Obrázek 2: Rotor turbíny

Parsons z polského torpédoborce ORP Wicher

PLYNOVÁ TURBÍNA Plynová turbína pracuje obdobným způsobem jako parní turbína. Pracovní látkou však není vodní pára, ale plyn, který vzniká hořením paliva, obvykle zemního plynu. Plynové turbíny se používají v energetice a jejich předností je, že mohou být uvedeny v krátké době do chodu, např. při zvýšené spotřebě elektrické energie.

ZÁŽEHOVÝ MOTOR Čtyřdobý zážehový motor Zážehový motor je spalovací motor, u něhož je směs paliva a vzduchu ve válci zapálena elektrickou jiskrou, kterou obvykle vytvoří zapalovací svíčka. Pracovní fáze zážehového motoru 1. Sání – píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasávána pohonná směs. Pokud jde o přímé vstřikování, nasává se pouze vzduch a benzín je vstřikován tryskou umístěnou v hlavě válce 2. Komprese – píst se pohybuje směrem do horní úvrati (HÚ). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátá směs zmenšuje svůj objem, zvětšuje tlak i teplotu. Těsně před horní úvratí je směs zapálená elektrickou jiskrou 3. Expanze – oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená elektrickou jiskrou shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci. 4. Výfuk – píst se pohybuje směrem do HÚ. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí. Pracovní zdvih je vždy jen jeden, proto chod motoru by byl nerovnoměrný. Rovnoměrnost chodu se dosáhne setrvačníkem a konstrukcí motoru s více válci, ve kterých se pracovní zdvih střídá. Motor se spouští pomocným elektromotorem (startérem). Protože ve válci vzniká při hoření vysoká teplota (1500°C až 2000°C), je nutno motor chladit vodou nebo vzduchem. První čtyřdobý spalovací motor, který využíval benzín, sestrojil v roce 1876 německý inženýr Nicolaus Otto. Ve srovnání s, v té době dominujícím parním strojem, byl menší, lehčí a postupem času i tišší, čistší a především účinnější. [04]

Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

2/8

Obrázek 3: Čtyřdobý zážehový motor

Dvoudobý zážehový motor Tento motor má každý druhý zdvih pracovní. Je konstrukčně jednodušší a lehčí než čtyřdobý, nemá ventily. Přívod paliva a výfuk spálených plynů řídí sám píst svým pohybem. Pohonná směs přichází sacím kanálem do prostoru klikové skříně. Odtud přechází přepouštěcím kanálem do prostoru válce. Dalším kanálem je výfukový kanál, kterým unikají spálené plyny. Pracovní fáze dvoudobého zážehového motoru 1. Sání a komprese – Píst se pohybuje od dolní úvratě směrem k horní úvrati. V klikové skříni vzniká podtlak a tím se nasaje sacím kanálem do klikové skříně zápalná směs. Během pohybu pístu nahoru se uzavírá výfukový a přepouštěcí kanál. Směs v prostoru nad pístem se stlačuje, nastává komprese a pod pístem probíhá důsledkem podtlaku sání. 2. Expanze a výfuk – Těsně před horní úvratí přeskočí jiskra, nastává zážeh a expanze. Expanzí je píst tlačen z horní úvratě do úvratě dolní. Spodní hrana pístu uzavírá sací kanál. Směs v klikové skříni se pohybem pístu stlačuje. Při dalším pohybu pístu otevírá hrana pístu výfukový kanál a vzápětí na to otevírá hrana pístu i přepouštěcí kanál a stlačená směs začne vytlačovat zbytky zplodin a dostává se do prostoru nad píst. Použití dvoudobého zážehového motoru: lehké, převážně benzínové motory relativně malých výkonů (mopedy, skútry, klasické motocykly a některé závodní stroje), starší automobily (Trabant, Wartburg), motorové pily, křovinořezy, sekačky na trávu a podobná technika. [05]

Obrázek 4: Dvoudobý zážehový motor

Wankelův motor Ve 20. století byl pod vedením Felixe Wankela vyvinut motor s rotujícím pístem. Píst má trojúhelníkový tvar a vykonává složitý otáčivý pohyb v pístní skříni. Otáčející se píst vytváří v každém okamžiku tři samostatné pracovní prostory, ale v pístní skříni probíhá pracovní cyklus čtyřdobý. Píst otevře nejprve sací kanálek a při otáčení se prostor zvětšuje a nasává se do něj směs, Při postupujícím otáčení oddělí se prostor od sacího kanálku a směs se začne stlačovat (komprese). Až je směs stlačena na nejmenší objem,


3/8

přeskočí ve svíčce jiskra. Hořící plyny tlačí na píst a konají práci. Konečně píst otevře výfukový kanálek a vytlačí spálené plyny. V tomto motoru jsou vystaveny značnému namáhání těsnění pístu a svíčky. Výhodou motoru je konstrukční jednoduchost a to, že rozměry motoru jsou při stejném výkonu mnohem menší než u motorů pístových. Wankelův motor vyvíjelo pro použití ve svých automobilech mnoho automobilek. NSU a Citroen pro jejich výrobu založily i společný podnik pod názvem Comotor v Luxemburku. Po růstu cen ropy v roce 1973 a zjištění karcinogenity spalovaného oleje pak firmy, které také vsadily na Wankelův motor (NSU a Citroen) krachovaly. Ve světě si výrobu Wankelova motoru pro automobily udržela japonská Mazda a ruská Lada. Mazda ho používá ve sportovních automobilech (momentálně Mazda RX8) a Lada ve vozidlech ozbrojených složek Ruska. Ve sportovních automobilech vyšší spotřeba nehraje takovou roli a Rusko nemělo nikdy nedostatek ropy. [06]

Obrázek 5: Wankelův motor

VZNĚTOVÝ MOTOR (DIESELŮV) Pracuje obdobně jako zážehový čtyřdobý motor a má také podobnou konstrukci. Stěny válce jsou však tlustší, motor nemá svíčku. Palivo (nafta) se do válce vstřikuje tryskou. Potřebný tlak k tomu získává v palivovém čerpadle. Pracovní fáze vznětového motoru 1. Sání – píst se pohybuje směrem do dolní úvrati (DÚ), přes sací ventil je nasáván vzduch. 2. Komprese – píst se pohybuje směrem do horní úvrati (HÚ). Oba ventily jsou uzavřené. Nasátý vzduch zmenšuje svůj objem adiabatická komprese), zvětšuje tlak a teplotu (nad 600°C). Těsně před horní úvratí je do válce vstříknuto palivo. 3. Expanze – oba ventily jsou uzavřené. Směs paliva a vzduchu zapálená samovznícením shoří. V pracovním prostoru válce se prudce zvýší teplota i tlak vzniklých plynů. Ty expandují a během pohybu pístu směrem dolů konají práci. 4. Výfuk – píst se pohybuje směrem do horní úvrati. Výfukový ventil je otevřený. Spaliny z pracovního prostoru válce jsou vytlačovány do výfukového potrubí. Výfuk je rozdělen na dvě části. Výfuk volný – následuje ještě pře DÚ a výfuk nucený - vzniklý následkem vytlačování spalin pístem. [04] Při spouštění motoru se prostor válce vyhřívá elektricky. Nevýhodou vznětových motorů je obtížnější uvádění do provozu, zvláště v zimě, kdy při nízké teplotě nedojde ke vznícení nafty ve válci. Nepříjemná je také větší hlučnost vznětových motorů. Vznětový motor má při stejném výkonu větší hmotnost než zážehový. Je vhodný pro velké výkony, např. nákladní automobily, lokomotivy, lodě. Protože palivo prohořívá volněji, spaluje se dokonaleji, a tím dosahuje vznětový motor vyšší účinnosti, až 40%. Také palivo může být méně kvalitní (nafta).

PROUDOVÝ MOTOR Zpravidla je konstruován jako turbokompresorový. Vstupním otvorem přichází vzduch (motory mohou pracovat jen v atmosféře)a je stlačován rotačním kompresorem. Přitom se zahřeje na vysokou teplotu. Do horkého vzduchu je ve spalovacích komorách vstřikováno rozprášené palivo. Horké plyny procházejí plynovou turbínou, která je na společné hřídeli s rotačním kompresorem. Část energie proudících plynů se tedy využije k pohonu kompresoru. Plyny pak velkou rychlostí proudí tryskou ven. Množství unikajících plynů, a tím i rychlost motoru, se reguluje kuželovitou jehlou, kterou je možno zasunout do výstupního otvoru. Projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

4/8

Letadla poháněná proudovým motorem dosahují i nadzvukových rychlostí ( 1200km.h −1 ). Při malých rychlostech účinnost proudového motoru rychle klesá. Aby se i při malých rychlostech využilo výkonu motoru, montují se na společný hřídel turbokompresoru vrtule. Letadla poháněná takovými motory se pak nazývají turbovrtulová. Při menších rychlostech se u nich uplatní především tah vrtule, při větších rychlostech reaktivní síla. Aby se zmenšil odpor vzduchu, létají dopravní proudová letadla ve výškách kolem 10km . Jejich průměrná cestovní rychlost se pohybuje kolem 1000km.h −1 . Proudové motory se využívají především v letectví, zejména ve vojenských nadzvukových letadlech a v dopravních letadlech, ale i u některých závodních automobilů, člunů a vlaků. Proudové motory se začaly vyrábět během druhé světové války.

Obrázek 6: Proudový motor

RAKETOVÝ MOTOR V motoru se ve spalovací komoře spaluje palivo s okysličovadlem, které nese raketa v oddělených nádržích. Není tedy odkázána na vzdušný kyslík a může pracovat i v meziplanetárním prostoru. Palivo i okysličovadlo mohou být ve stavu tuhém nebo kapalném. Tuhé pohonné látky se užívají zpravidla tam, kde není třeba regulovat chod motoru. Tekutá paliva jsou čerpána v nejvhodnějším poměru do spalovací komory čerpadla. Vzniklé plyny mají teplotu až 3500°C a tlak až 10MPa. Z trysky unikají plyny velkou rychlostí a udělují motoru velkou tahovou sílu Raketové motory se užívají u výzkumných raket (rakety meteorologické), u vojenských raket (raketové dělostřelectvo), k pohonu nejrychlejších letadel a k vysílání umělých družic Země a kosmických lodí do vesmíru. K vynášení umělých družic a kosmických lodí se užívají vícestupňové rakety. Nejprve se zapálí první stupeň (je největší) a po jeho vyhoření a oddělení druhý stupeň, popř. třetí stupeň, až nakonec se kosmické těleso dostane na stanovenou dráhu. Znalost raket je velmi stará. Již ve 13. století Číňané užívali v boji proti Mongolům šípy poháněné raketovým motorkem na střelný prach nebo při ohňostrojích.

Obrázek 7: Raketový motor použitý v raketě V-2


5/8

BONUS http://www.youtube.com/watch?v=QXLsna21FWo http://www.youtube.com/watch?v=V-z-R8Mv_HM&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=G5TcWg0TMc&feature=PlayList&p=9C5C2CA23640D4B3&playnext=1&playnext_from=P http://www.youtube.com/watch?v=lQgDxjXy7SQ&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=MW1jixDvUSY http://www.youtube.com/watch?v=LuCUmQ9FxMU http://www.youtube.com/watch?v=6BCgl2uumlI

KONTROLNÍ OTÁZKY 1) 2) 3) 4) 5) 6)

Se kterými tepelnými motory se setkáváme v praxi? Na čem závisí účinnost tepelného motoru? Jak pracuje parní stroj, parní a plynová turbína? Čím se vzájemně liší parní a plynová turbína? Jak pracuje čtyřdobý zážehový, dvoudobý zážehový motor, Wankelův motor? Jaké rozdílné části mají čtyřdobé a dvoudobé zážehové motory? Které jsou výhodnější s ohledem na využití benzínu? 7) V čem se liší čtyřdobý zážehový motor a Dieslův motor? 8) Jaký je základní rozdíl mezi proudovým a raketovým motorem?

PROCVIČOVÁNÍ 1) Učebnice [01] – kapitola 4.4 Tepelné motory, úloha 2, 3, 5, 6

DOMÁCÍ ÚKOL 2) Učebnice [01] – kapitola 4.4 Tepelné motory, přečíst si historickou poznámku 3) Doplnit tabulku: Tepelný motor η max T1 T2

K

K

%

η %

Parní stroj lokomotivy Parní turbína Plynová turbína Čtyřdobý zážehový motor Vznětový motor Raketový motor


6/8

SEZNAM ZDROJŮ [01] RNDr. BARTUŠKA Karel, prof. RNDr. SVOBODA Emanuel, CSc. Fyzika pro gymnázia – Molekulová fyziky a termika. Dotisk 4. vydání. Praha: Prometheus, 2006. 244 s. ISBN 80-7196-200-7 [02] Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Parní stroj [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Parn%C3%AD_stroj&oldid=9008155 [03] Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Parní turbína [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Parn%C3%AD_turb%C3%ADna&oldid=8738498 [04] Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Čtyřdobý spalovací motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=%C4%8Cty%C5%99dob%C3%BD_spalovac%C3%AD_motor&oldid=8 899368 [05] Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Dvoudobý spalovací motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Dvoudob%C3%BD_spalovac%C3%AD_motor&oldid=8141680 [06] Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Wankelův motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Wankel%C5%AFv_motor&oldid=8790233

SEZNAM OBRÁZKŮ Obrázek č. 1: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Parní stroj [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Parn%C3%AD_stroj&oldid=9008155 Obrázek č. 2: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Parní turbína [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Parn%C3%AD_turb%C3%ADna&oldid=8738498 Obrázek č. 3: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Čtyřdobý spalovací motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=%C4%8Cty%C5%99dob%C3%BD_spalovac%C3%AD_motor&oldid=889936 8 Obrázek č. 4: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Dvoudobý spalovací motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Dvoudob%C3%BD_spalovac%C3%AD_motor&oldid=8141680 Obrázek č. 5: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Wankelův motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Wankel%C5%AFv_motor&oldid=8790233 Obrázek č. 6: Wikipedie: Otevřená encyklopedie: Proudový motor [online]. c2012 [citováno 14. 10. 2012]. Dostupný z WWW: http://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Proudov%C3%BD_motor&oldid=8831406


7/8

METODICKÝ LIST Název školy Číslo projektu Autor Název šablony Název DUMu Stupeň a typ vzdělávání Vzdělávací oblast Vzdělávací obor Tematický okruh Druh učebního materiálu Cílová skupina Anotace

Vybavení, pomůcky Klíčová slova

Datum

Masarykovo gymnázium Vsetín CZ.1.07/1.5.00/34.0487 Mgr. Dagmar Horká III/2 – Inovace a zkvalitnění výuky prostřednictvím ICT MGV_F_SS_1S3_D11_Z_MOLFYZ_Tepelne_motory_PL Gymnaziální vzdělávání Člověk a příroda Fyzika Molekulová fyzika a termika – Kruhový děj s ideálním plynem Pracovní list - žák Žák, 15 – 19 let Pracovní list určen do výuky studentům, podklad pro vlastní poznámky/sešit, náplň: tepelné motory, účinnost tepelných motorů, parní stroj, parní turbína, plynová turbína, zážehový motor čtyřdobý a dvoudobý, Wankelův motor, vznětový čtyřdobý motor, proudový motor, raketový motor Modely motorůMolekulová fyzika a termika, tepelné motory, účinnost tepelných motorů, parní stroj, parní turbína, plynová turbína, zážehový motor čtyřdobý a dvoudobý, Wankelův motor, vznětový čtyřdobý motor, proudový motor, raketový motor 24.10.2012


8/8

je teplota vycházející páry nebo plynů. Účinnost tepelného motoru je tím vyšší, čím vyšší je teplota ohřívače a čím nižší je teplota chladiče

Recommend Documents