TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Vývoj parního stroje Kateřina Balcarová
Centrum talentů M&F&I, Univerzita Hradec Králové, 2010
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Parní stroj Tématika parních strojů názorně ukazuje, jak technická praxe svými podněty přispěla k vytváření teorie, která byla následně využívána v dalších oblastech, a s její aplikací se setkáme i v současné době. Všimněme si také, že není příliš šťastné hledat, kdo objevil parní stroj. Ukážeme si, že parní stroj byl postupně vyvíjen a že se na jeho vzniku podílelo více autorů. Každý přispěl k vývoji svou myšlenkou.
Denis Papin (1647 – 1721) Denis Papin stál u zrodu parního stroje. My ho však známe více ve spojitosti s tlakovým hrncem zvaným Papinův hrnec, nebo také „papiňák“. Tlakový hrnec má velmi těsně přiléhající pokličku, díky níž se uvnitř hrnce dá vytvořit vyšší tlak. Voda se vaří při vyšší teplotě, než za atmosférického tlaku a tím se urychlí příprava pokrmů. Obr. 1: Denis Papin [12]
Úloha: Papinův tlakový hrnec Při předvedení tlakového hrnce byla společnost nadšena. I dnes je „papiňák“ součástí mnoha domácností a urychluje přípravu pokrmů. Může se ale stát, že se ventil ucpe a potom je tlakový hrnec nebezpečný, protože hrozí jeho exploze. V tlakovém hrnci se pokrmy vaří při teplotě až 130°C. Jaký je při této teplotě v hrnci tlak? K určení hodnoty tlaku využijte uvedenou křivku syté vodní páry. Řešení: Hodnotu tlaku vyčteme z grafu. Bodu varu vody při teplotě 130°C odpovídá hodnota tlaku 0,27 MPa.
Obr. 2: Křivka syté páry
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Při pohledu na tlakový hrnec si Papin uvědomil, že pára tlačí na pokličku a snaží se ji nadzvednout. Napadlo ho, že by se toho dalo využít k pohonu pístu ve válci, a tak sestrojil parní stroj. Papinův parní stroj se skládal z mosazné válcové trubice, která byla naplněna z části vodou. K hladině vody doléhal píst, který se po zahřátí vody zvedal díky tlačící páře. Píst se navrátil do původní polohy, když se pára opět ochladila. Proces se mohl opakovat. Obr.3: Tlakový hrnec [7]
Thomas Savery (1650 – 1715) Papinův parní stroj vylepšil tím, že páru chladil vstříknutím studené vody do válce s párou. Došlo k rychlému ochlazení a k následné kondenzaci páry. Proces byl rychlejší, než když se pára nechávala chladnout samovolně.
Obr. 4 Thomas Savery [20]
Thomas Newcomen (1664 – 1729) Zdokonalil parní stroj tím, že oddělil od stroje kotel. Newcomenův tepelný stroj se využíval v Anglii na odčerpávání vody z dolů. Tento stroj byl velice nedokonalý a ke svému provozu spotřebovával velké množství uhlí. I přes svou nedokonalost zajistil práci v dolech nezávislou na větru. Tepelný stroj fungoval podle [2] takto: „V tomto stroji se vyráběla pára v primitivním kotlíku, z něhož se vpouštěla do válce pod píst a píst zdvíhala. Když se dostal píst do nejvyšší polohy, vstříkla se do válce dosud naplněného parou studená voda, která způsobila zkapalnění páry a vytvoření vzduchoprázdnoty. Píst se potom pohyboval tlakem atmosférického vzduchu dolů a táhl s sebou jeden konec dvouramenné páky, ke kterému byl připevněn. Na druhém konci páky byla řetězem připevněna pístní tyč pumpy. Tento parní stroj byl stojatý a nad ním byla v kamenném zdivu otočně upravena již zmíněná dvouramenná páka.“ Obr. 5: Newcomenův parní stroj [3]
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Funkce Newcomenova parního stroje:
Obr. 6 [7]
Obr. 7 [7]
Obr. 8 [7]
Obr. 6: Pára působí tlakem na píst a vytlačí ho do krajní polohy. Obr. 7: Do válce je vstříknuta studená voda a dojde ke snížení teploty a tlaku páry a k její kondenzaci. Obr. 8: Poklesem tlaku ve válci dojde k poklesu pístu.
James Watt (1736 – 1819) Skotský rodák James Watt je nerozlučitelně spojen s parním strojem, který měl velký význam pro rozvoj průmyslu a rozpoutal tak průmyslovou revoluci. Úloha: Ze života Jamese Watta Když bylo Wattovi 17 let, zemřela mu jeho milovaná matka a v té době se začal rozhodovat o svém budoucím povolání. Rozhodl se tedy, že se bude v Glasgowě učit mechanikem. Po roce odchází do Londýna. V knížce popisující život a práci Jamese Watta od Obr. 9 James Watt [8] Stanislava Kozla z roku 1946 se dočteme: „Tuto cestu vykonal se svým vzdáleným příbuzným lodním kapitánem Marrem koňmo za 12 dní. Dnes však dojedeme z Glasgowa do Londýna za necelých 8 hodin – dík Wattovu vynálezu!“ Kolikrát byla vyšší průměrná rychlost dopravního prostředku používaného v autorově době, než průměrná rychlost dopravního prostředku užitého Jamesem Wattem? Uvažujme, že cesta Wattovi trvala uvedených 12 dní a doba uvažovaná autorem byla celých 8 hodin.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Řešení: Velikost průměrných rychlostí dáme do poměru. Průměrná rychlost se zvýšila 36-krát Jak se vlastně Watt dostal k parnímu stroji? Na univerzitě v Glasgowě mu byl přidělen úkol opravit model Newcomenova parního stroje. Watt opravu provedl a sám se poté rozhodl stroj zlepšit. Stroj měl velice nízkou účinnost a vytvořená pára nebyla dostatečně dobře využita. Watt provedl několik zásadních úprav. Doplnil stroj o kondenzátor. Oddělil tak v parním stroji místa, kde byla pára ochlazována a ohřívána. Válec byl stále horký a kondenzátor stále studený. Tím se docílilo velké úspory energie. Dále Watt doplnil parní stroj o Obr. 10: Schéma Wattova parního čerpadlo, válec uzavřel na obou stranách a vytvořil tak stroje [17] dvojčinný parní stroj, kde pára pracuje na obou stranách. V parním stroji se zasloužil o mnoho technických součástí. Např. odstředivý regulátor, setrvačník parního stroje, dvojcestný ventil, utěsnění pístu nebo planetové soukolí. Wattův regulátor Watt je vynálezcem technického zařízení, které vhodným způsobem přivírá nebo otvírá např. ventil. Dvě stejně hmotné koule visí na koncích dvou stejně dlouhých tyčí tak, že mohou na tomto sloupci ve svislé rovině volně stoupat a klesat při rotačním pohybu kolem osy sloupce. Výška výstupu koulí závisí na frekvenci otáčení. Tyče jsou souměrně spojeny kloubem na kroužku, který posunuje po sloupci nahoru a dolů. S tímto kroužkem je spojeno regulační zařízení.
se Obr. 11: Wattův regulátor [9]
Úloha: Wattův regulátor Vypočtěte, při jaké frekvenci svírá tyč, na níž je upevněná koule, se sloupcem úhel 45°, jestliže uvažujeme délku tyče 0,5 m. Řešení: Velikost úhlu, který svírá tyč se sloupcem je rovna velikosti úhlu, který svírá vektor tíhové a odstředivé síly. r
r
2
Pro velikosti sil platí: FG = mg , FO = m v = mω 2 r = m(2πf )2 r = m(2πf )2 l sin ϕ r
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Velikost úhlu, který svírá tyč se sloupcem, dostaneme z rovnosti: tgϕ = FO FG
Planetové soukolí Pro další využití parního stroje bylo třeba převést přímočarý pohyb na otáčivý. Ve Wattově době byl znám nejjednodušší způsob – klika naklínovaná na hřídel stroje. Tuto myšlenku si nechal již roku 1780 patentovat Pickard, a proto ji nemohl Watt využít. Našel nový způsob tzv. planetové soukolí. Jedná se o dvě ozubená kola – „sluneční kolo“ a „planetové kolo“. Sluneční kolo je na hřídeli a planetové kolo je nasazeno na konci ojnice, která vede z konce vahadla stroje. Při pohybu ojnice obíhá planetové kolo sluneční kolo. Díky ozubení obou kol je sluneční kolo uváděno do pohybu s a ním také hřídel, na které je připevněno. Úloha: Planetové soukolí Planetové soukolí je tvořeno slunečním a planetovým kolem o stejných průměrech 20 cm. Jakou obvodovou rychlostí se pohybuje střed planetového kola, jestliže sluneční kolo se otáčí úhlovou rychlostí 3 rad·s-1. Řešení: Použijeme vztah pro obvodovou rychlost v = ωr, v = 0,6 m·s-1.
Obr. 12: Planetové soukolí
Obr. 13: Wattův parní stroj opatřený planetovým soukolím [4]
Konstrukce parního stroje vyžadovala velice přesně vyrobené součástky. To bylo zpočátku problematické a Watt se tak potýkal s mnohými neúspěchy. Po čase se podařilo sestrojit funkční kusy. Wattův parní stroj nahradil Newcomenovy stroje na čerpání vody z dolů. Dále našel využití v mnoha dalších průmyslových odvětvích jako např. textilní průmysl, zemědělství ale také v dopravě.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Úloha: Jednotka výkonu V technické literatuře se ještě občas vyskytne stará jednotka pro výkon „koňská síla“. Tuto jednotku zavedl James Watt, protože potřeboval pro zákazníky vytvořit srovnání výkonu svých strojů s výkonem v té době běžně využívaných zvířat. Jednotku zavedl podle [9] takto: “Jedna koňská síla je rovna výkonu, který podává soustavně pracující kůň, který zapřažený v žentouru zdvíhá náklad 180 liber a ujde při tom za hodinu 144 koleček o poloměru 12 stop“. V současné době je jednotkou výkonu watt. Kolik je 1 koňská síla wattů? Uvažujme, platí: 1 libra = 0,45 kg, 1 stopa = 0,3 m. Řešení: W mgs 180 ⋅ 0,45 ⋅ 10 ⋅ 2π ⋅ 12 ⋅ 0,3 ⋅ 144 P= = = = 732 W t t 3600 Tedy 1 koňská síla = 732 W.
Podívejme se nyní na pokusy vytvořit vozy poháněné párou.
Nicolas Joseph Cugnot (1725 – 1804) První vozidlo poháněné párou předvedl v Paříži roku 1769 N. J Cugnot. Topilo se pod kotlem v přední části automobilu. Přední kolo bylo poháněno klikovým pohonem. Automobil se pohyboObr. 14: Cugnotův parovůz [10] val rychlostí 4 km/h po dobu 12 minut. Poté byla všechna pára vypuštěna do vzduchu a vůz se zastavil. Bylo nutné doplnit v kotlíku vodu a zatopit pod ním. Když se vytvořilo dostatek páry, dal se vozík opět na 12 minut do pohybu. Vůz byl řiditelný, ale nedal se regulovat jeho výkon. To vedlo při předvádění k nárazu do zdi, který je označován jako první automobilová nehoda. Cugnot poté vůz po první předváděčce ještě zdokonalil. Tento automobil měl veliké rozměry.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Úloha: Cugnotův parovůz o hmotnosti 2,5 t se po jednom zatopení a doplnění vody pohyboval rychlostí 4 km·h-1 po dobu 12 minut. Poté se zastavil a bylo nutné opět doplnit kotlík vodou a zatopit. Vše se znovu opakovalo. a) Jakou dráhu parovůz urazil během doby od zatopení pod kotlem po zastavení, jestliže uvažujeme, že se vůz pohyboval po celou dobu rovnoměrným pohybem o uvedené velikosti rychlosti? b) Jaká byla kinetická energie parovozu těsně před nárazem do zdi, jestliže uvažujeme, že se v onu chvíli pohyboval rychlostí 4 km·h-1? Řešení: a) s = vt = 4·0,2 = 0,8 km = 800m 1 1 b) E k = mv 2 = ⋅ 2500 ⋅ 1,12 J = 1512,5 J 2 2
Josef Božek (1782 – 1835)
Obr. 15: Josef Božek [6]
Obr. 16: Replika Božkova parovozu [20]
Josef Božek byl významným českým mechanikem. Značně zasáhl do oboru hodinářství, ale zabýval se také parními stroji. Sestrojil svůj první miniaturní parní stroj a dále pracoval na stavbě parního vozu, který se stal druhým parním vozem po Cugnotovi. Předvedl ho roku 1815 ve Stromovce. Lidé byli novým vozem nadšeni a vybrané peníze na vstupném stačily pokrýt náklady na výrobu parovozu. Božek se proto začal věnovat konstrukci lodi opatřené parním pohonem. Sestrojil malou lodičku s parním pohonem a kolesem, kterou předvedl na rybníku Valdštejnského paláce. Koleso bylo kolo opatřené lopatkami. Při další prezentaci parovozu a parolodi mu byla odcizena kasa s vybraným vstupným, což dovedlo zadluženého konstruktéra k zničení parního stroje a ke konci jeho snahy o využití parního stroje v dopravě.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Jsou parní vozy perspektivní?
Richard Trevithick (1771 – 1833)
Obr. 17: Richard Trevithick [19]
Obr. 18: Parovůz Richarda Trevithicka [16]
Roku 1801 sestrojil také Richard Trevithick parní vůz, který se pohyboval se rychlostí spěchajícího chodce. Avšak parní automobily nebyly pro přepravu po silnicích příliš úspěšné. Neúspěšnost byla způsobena i nekvalitními cestami a problémy s tím spojenými. V pozměněné podobě našly uplatnění v zemědělství. V dopravě se pozornost začala soustředit na železnice. První parní lokomotivu sestrojil právě Richard Trevithick. Lokomotiva byla velice těžká, a proto se při jejím pohybu trhaly kolejnice, které nebyly kvalitně zpracovány.
Na obr. 19 první parní lokomotivy si můžeme všimnout velkého setrvačníku, který udržoval lokomotivu v provozu. Obr. 19: Trevithickova lokomotiva
George Stephenson (1781 – 1848) Do vývoje parních lokomotiv velice zasáhl George Stephenson. Od něho také pochází slovo lokomotiva – pojmenoval svou lokomotivu Locomotion. Významným mezníkem ve vývoji parních lokomotiv je lokomotiva Rocket. Tato lokomotiva měla horizontálně umístěný Obr. 20: George Stephenson [19]
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
válec před kotlem, za kotlem bylo topeniště a tendr. Tendr je speciální vůz sloužící k uskladnění vody a paliva. Úloha: Lokomotiva Rocket Lokomotiva Rocket měla hmotnost 40 t a byla schopna pohybovat se rychlostí až 46 km·h-1. Jaká byla její kinetická energie ve chvíli, kdy se pohybovala maximální rychlostí? Řešení: K výpočtu použijeme vztah pro výpočet kinetické energie 1 1 Ek = mv 2 = ⋅ 40000 ⋅ 12,8 2 = 3265432 J = 3,2 MJ 2 2
Obr. 21: Lokomotiva Rocket [15]
Parní lokomotivy se ukázaly být velice užitečné pro železniční dopravu. Jejich výkon postupným vývojem rostl, ale základní princip zůstal stejný, jako byl u lokomotivy Rocket. Nahrazování parních lokomotiv začalo ve 30. letech 20. století elektrickými lokomotivami, nebo motorovými lokomotivami s dieselovými motory. Tyto lokomotivy byly rychlejší. Současně také probíhal vývoj kolejnic. Ukázalo se, že lepší než litinové jsou kolejnice z tepaného železa, které tak často nepraskaly. První parní vlak projel naším územím před 170 lety dne 6. června 1839 z Vídně do Břeclavi. Dále následoval pravidelný provoz mezi Vídní a Brnem.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Parní stroj našel uplatnění také v lodní dopravě, kam se podíváme nyní. Úspěšným parníkům předcházely pokusy s prvotními parníky. V Británii experimentoval s parními loděmi William Symington (1764 – 1831) Jednalo se o první parní loď, přesněji řečeno spíše člun, s lopatkovým kolesem na zádi. První parníky se nazývaly tzv. kolesové parníky, neboť byly poháněné kolem opatřeným lopatkami, které se nazývalo koleso. Autorem nejvýznamnějšího parníku byl
Robert Fulton (1765 – 1815) Roku 1807 sestrojil nejvýznamnější parník Clermont. Tento parník se stal první parolodí, která zajišťovala pravidelnou dopravu.
Obr. 22: Robert Fulton [19]
Obr. 23: Parník Clermont [18]
Úloha: Z New Yorku do Albany Parník Clermont urazil 240 km z New Yorku do Albany proti proudu řeky Hudson za 32 hodin. Rychlost proudu řeky mohla být 2 m·s-1. a) Jaká byla průměrná rychlost parníku při plavbě z New Yorku do Albany? b) Za jak dlouho by parník urazil cestu zpět, kdyby se rychlost proudu řeky nezměnila a výkon parního stroje by zůstal stejný? s 240 = = 7,5 km ⋅ h −1 = 2,08 m ⋅ s -1 t 32 b) Výsledná rychlost parníku je dána vektorovým součtem rychlosti parníku a proudu řeky v p = v − vř → rychlost parníku bez vlivu proudu: v = v p + vř = (2,08 + 2 ) m ⋅ s -1 = 4,08 m ⋅ s -1 .
Řešení: a) v p =
Popluje-li parník zpět po proudu, bude jeho výsledná rychlost:
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
v z = v + vř = (4,08 + 2 ) m ⋅ s -1 = 6,08 m ⋅ s -1 Cestu zpět urazí parník za dobu: t =
s 240000 = = 39474 s = 11 h v 6,08
První parníky sloužily jako poštovní nebo převoznické. Jejich rozměry byly malé. Lidé se domnívali, že nejsou vhodné na dlouhé plavby, protože by na palubě muselo být naloženo velké množství paliva. Dále se také parníky nepoužívaly k převozu těžkých nákladů, protože v kombinaci se zásobou paliva by byla loď přetížená. Tyto problémy pozastavily vývoj parníků, který se opět po několika letech obnovil. Ukázalo se, že tyto obavy jsou zbytečné. Velký vliv na další rozvoj parníků měl I. K. Brunel.
Parní stroje měly velký vliv, jak bylo ukázáno, na rozvoj dopravy. Podívejme se nyní i na další průmyslová odvětví, kde měl parní stroj také nezastupitelnou roli. Textilní průmysl Továrny textilního průmyslu byly závislé na pohonu vodního kola. Díky zavedení parního stroje se mohly textilky rozvíjet i v oblastech, kde se nevyskytují řeky. Průmyslová revoluce v textilní výrobě začala v Anglii v první polovině 18. století. V českých zemích začala o 30 až 40 let později. První parní stroj v textilní výrobě v českých zemích byl nainstalován roku 1830 v Mladé Boleslavi. Zemědělství Parní stroj nalezl uplatnění i zde např. v přístrojích na mlácení obilí, či na mletí zrní. Strojírenství Parní stroj se na počátku svého vývoje setkal s neúspěšnými pokusy modelů, protože jeho součástky vyráběli dělníci ručně. Stačila malá nepřesnost a stroj nefungoval, jak se předpokládalo. U parního stroje byla velice důležitá těsnost jednotlivých částí. Aplikace parního stroje do průmyslových oblastí kladla za nutnost vyrábět používané stroje přesných rozměrů z kovu. Např. v textilní výrobě byly stroje nejprve sestaveny z ručně opracovaných dřevěných částí. Ty s příchodem parního stoje nemohly obstát. Začalo se tedy s konstrukcí soustruhů, vrtaček a jiných strojů, což je pokládáno za vznik strojírenství.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Vybudování teorie, vznik termodynamiky Parní stroje se rozšířily do mnoha průmyslových odvětví. Nastala potřeba lépe jim porozumět a vytvořit novou teorii, díky níž by bylo možné zvýšit výkon tehdejších strojů, či konstruovat nové typy strojů. Za zakladatele termodynamiky je považován
Sadi Nicolas Léonard Carnot (1796 – 1832) Tento Francouz za svůj krátký život sepsal jediný významný spis Úvahy o hybné síle ohně a o strojích vhodných k rozvíjení této síly. V tomto díle se zabývá dvěma základními otázkami. První otázkou bylo, zda dosažitelná síla a výkon tepelného stroje jsou nějakým způsobem omezeny. Druhou otázkou bylo, zda účinnost závisí na volbě pracovní látky. Od něho pochází slovní spojení: ideální reverzibilní tepelný stroj. Jedná se o stroj, v němž může proces vzájemných přeměn tepla a práce probíhat oběma směry a cyklicky se opakovat. To znamená, že se systém po proběhnutí cyklu nachází opět v původním stavu. Obr. 24: S. N. L. Carnot [14]
Zkoumal ideální pracovní cyklus, který je po svém autorovi nazván:
Carnotův cyklus Tento cyklus se skládá z izotermické expanze, adiabatické expanze, izotermické komprese a adiabatické komprese.
Obr. 25: Carnotův cyklus [1]
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
izotermická expanze: dochází k rozpínání plynu, přičemž plyn odebírá teplo ze zásobníku V W1´= nRT1 ln 2 = Q1 . V1 kde Q1 je teplo, které tepelný stroj přijme z ohřívače adiabatická expanze: nedochází k tepelné výměně W2 ´= CV (T1 − T2 ) T1V2κ −1 = T2V3κ −1
izotermická komprese: dochází ke stlačení plynu, přičemž plyn předává teplo chladiči V W3 = nRT2 ln 3 V4 adiabatická komprese: nedochází k tepelné výměně W4 = CV (T1 − T2 ) T2V4κ −1 = T1V1κ −1
W ´= W1´+W2 ´−W3 − W4 W ´= nRT1 ln
V2 V + CV (T1 − T2 ) − nRT2 ln 3 − CV (T1 − T2 ) V1 V4
W ´= nRT1 ln
V V2 − nRT2 ln 3 V1 V4
(1)
Zároveň platí:
T1V2κ −1 T2V3κ −1 = T1V1κ −1 T2V4κ −1
V2 V3 = V1 V4 Tedy po dosazení (2) do (1) obdržíme vztah: W ´= nR ln Pro účinnost Carnotova cyklu platí: W´ η= Q1
V2 (T1 − T2 ) V1 V nRT1 ln 2 V1
nR ln
η=
(2)
V2 (T1 − T2 ) V1
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
η=
T1 − T2 T1
Carnot tedy odvodil, že účinnost libovolného tepelného stroje závisí pouze na teplotě T1 ohřívače a na teplotě T2 chladiče. Carnotův cyklus je kruhový cyklus s nejvyšší účinností. Žádný jiný kruhový děj nemá vyšší účinnost. Jak již bylo uvedeno, v reverzibilním stroji může cyklus probíhat oběma směry. Bude-li v tomto případě cyklus probíhat v pořadí 1→2→3→4→1, bude stroj odebírat teplo ohřívači a předávat chladiči. Stroj koná práci. Bude-li cyklus probíhat opačným směrem, tedy 1→4→3→2→1, bude stroj odebírat teplo chladiči a předávat teplo ohřívači. V tomto případě se chová jako chladící zařízení. Musí mu být dodávána práce z vnějšku.
TENTO PROJEKT JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY
Seznam použité literatury [1]
ECKERTOVÁ, L. Cesty poznávání ve fyzice. Praha: Prométheus, 2004. 195 s. ISBN 80-7196293-7. [2] KOZEL, S. James Watt. Praha: Orbis, 1946. 31 s. [3] KRAUS, I. Dějiny technických věd a vynálezů v českých zemích. Praha: Academia, 2004, 270 s. ISBN 80-200-1196-X. [4] KRUŽÍK, M. Technické prvky ve vyučování fyzice na gymnáziu. Praha: SPN, 1977, 166 s. 14680-77. [5] SMRČEK, O. Stručné dějiny oborů, Strojírenství. Praha: Scientia, 2001. 27 s. ISBN 80-7183247-2. [6] ŠTOLL, I. Dějiny fyziky. Praha: Prométheus, 2009. 582 s. ISBN 978-80-7196-375-2. [7] www.feudal.cz [8] www.jcmf.cz [9] www.wikipedia.org [10] www.fdhs.cz Zdroje obrázků [1] ECKERTOVÁ, L. Cesty poznávání ve fyzice. Praha: Prométheus, 2004. 195 s. ISBN 80-7196293-7. [2] www.answers.com [3] www.bbc.co.uk [4] www.converter.cz [5] www.cs.wikipedia.org [6] www.cvut.cz [7] www.eee.uci.edu [8] www.famous-people.info [9] www.fdhs.cz [10] img.photobucket.com [11] www.johno.myiglou.com [12] www.quido.cz [13] www.maruko.cz [14] www.nhn.ou.edu [15] www.sdrm.org [16] www.ssplprints.com [17] www.stare stroje.cz [18] www.ulster.net [19] upload.wikimedia.org [20] vlastenci.cz [21] www.wikipedia.org