Co je to tepelný motor?

Tepelný motor je zařízení používané k přeměně tepelné energie nebo tepla na mechanickou práci. To se provádí, když teplo pocházející z horkého zdroje prochází samotným motorem a do chladicího dřezu. Chladič je část termodynamického cyklu s nižší teplotou, jako je kondenzační jednotka nalezená v Rankinově nebo parním cyklu. Existuje mnoho různých typů tepelných motorů, z nichž každý má svůj vlastní specifický cyklus. Mezi příklady tepelných motorů patří parní a spalovací motory, Stirlingovy motory a plynové turbíny.

Tepelný motor bude obvykle zaměňován s termodynamickým cyklem probíhajícím uvnitř samotného motoru. Je to hlavně proto, že tepelné motory jsou často klasifikovány podle svých specifických termodynamických cyklů. Samotné zařízení, které přeměňuje tepelnou energii na práci, je známé jako „motor“, zatímco termodynamický model aplikovaný na motor je „cyklus“. Z tohoto důvodu nejsou parní motory označovány jako Rankine motory.

Účinný tepelný motor se bude snažit co nejvíce napodobovat příslušný cyklus. Čím vyšší je teplotní rozdíl mezi horkým zdrojem a chladičem v cyklu, tím účinnější je motor. Například efektivní parní stroj vyžaduje jak vysokoteplotní zdroj tepla, tak nízkoteplotní chladič. V Rankinově cyklu kotel využívá vysokoteplotní hořák k přeměně vody na páru. Tato pára prochází motorem a kondenzuje se zpět do vody pomocí nízkoteplotního kondenzátoru.

Čím chladnější je kondenzátor, tím více páry bude kondenzováno zpět do vody. Je to proto, že kondenzátory jsou vyráběny tak, aby účinně zvrátily proces nasycení prováděný kotlem. Pokud tak učiníte, pomůže vám dosáhnout vyšší rychlosti kondenzace; čím vyšší je rychlost, tím více vody bude vráceno. To pomáhá zvýšit celkovou účinnost parního cyklu.

Přestože účinnost tepelného motoru může být vysoce optimalizována díky velkému rozdílu teplot mezi horkým zdrojem a chladičem, je stále omezená. Je tomu tak proto, že teplota chladicího dřezu závisí na okolní teplotě, kterou v některých situacích nelze ochladit na ideální podmínky. Z tohoto důvodu je účinnost tepelného motoru omezena na teplotní limity chladicí jímky. Běžným řešením je zvýšení teploty zdroje tepla; přesto to je omezeno na nedostatek pevnosti materiálu při vysokých teplotách.

Účinnost tepelného motoru se liší v závislosti na konkrétním motoru a cyklu. Tepelná účinnost se pohybuje kdekoli od 3% do přibližně 70%, přičemž motory automobilů dosahují tepelné účinnosti někde kolem 25%. Účinnější tepelné motory se nacházejí ve velkých elektrárnách, kde se k výrobě elektřiny používají plynové i parní turbíny.