Tepelné motory přeměňují tepelnou energii neboli teplo Qin na mechanickou energii neboli práci Wout. Tento úkol nemohou plnit dokonale, takže část vstupní tepelné energie se na práci nepřemění, ale odvede se jako odpadní teplo Qout do okolí
Q i n = W o u t + Q o u t {\displaystyle Q_{in}=W_{\rm {out}}+Q_{\rm {out}}},}
Tepelná účinnost tepelného motoru je procento tepelné energie, které se přemění na práci. Tepelná účinnost je definována jako
η t h ≡ W o u t Q i n = Q i n – Q o u t Q i n = 1 – Q o u t Q i n {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\equiv {\frac {W_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}={\frac {{Q_{\rm {in}}}-.Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}=1-{\frac {Q_{\rm {out}}}{Q_{\rm {in}}}}}
Účinnost i těch nejlepších tepelných motorů je nízká; obvykle nižší než 50 % a často mnohem nižší. Energie, kterou tepelné motory ztrácejí do životního prostředí, je tedy velkým plýtváním energetickými zdroji. Vzhledem k tomu, že velká část celosvětově vyrobených paliv jde na pohon tepelných motorů, je možná až polovina celosvětově vyrobené užitečné energie promarněna neúčinností motorů, i když moderní systémy kogenerace, kombinovaného cyklu a recyklace energie začínají toto teplo využívat k jiným účelům. Tuto neefektivitu lze přičíst třem příčinám. Existuje celkový teoretický limit účinnosti každého tepelného motoru, který je dán teplotou a nazývá se Carnotova účinnost. Zadruhé, specifické typy motorů mají nižší limity účinnosti z důvodu inherentní nevratnosti cyklu motoru, který používají. Za třetí, neideální chování skutečných motorů, jako je mechanické tření a ztráty ve spalovacím procesu, způsobuje další ztráty účinnosti.
Carnotova účinnostEdit
Druhý termodynamický zákon stanoví základní omezení tepelné účinnosti všech tepelných motorů. Ani ideální motor bez tření nemůže přeměnit téměř 100 % vstupního tepla na práci. Limitujícími faktory jsou teplota, při které teplo vstupuje do motoru, T H {\displaystyle T_{\rm {H}}},}
, a teplota prostředí, do kterého motor vypouští odpadní teplo, T C {\displaystyle T_{\rm {C}},}
, měřená v absolutní stupnici, jako je Kelvinova nebo Rankinova stupnice. Z Carnotovy věty vyplývá, že pro jakýkoli motor pracující mezi těmito dvěma teplotami: η t h ≤ 1 – T C T H {\displaystyle \eta _{\rm {th}}leq 1-{\frac {T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}\,}
Tato mezní hodnota se nazývá účinnost Carnotova cyklu, protože je to účinnost nedosažitelného, ideálního, reverzibilního motorového cyklu zvaného Carnotův cyklus. Žádné zařízení přeměňující teplo na mechanickou energii, bez ohledu na jeho konstrukci, nemůže tuto účinnost překročit.
Příkladem T H {\displaystyle T_{\rm {H}}},}
je teplota horké páry vstupující do turbíny parní elektrárny nebo teplota, při které hoří palivo ve spalovacím motoru. T C {\displaystyle T_{\rm {C}}},}
je obvykle teplota okolí v místě, kde se motor nachází, nebo teplota jezera či řeky, do které se vypouští odpadní teplo. Například pokud automobilový motor spaluje benzín při teplotě T H = 816 ∘ C = 1500 ∘ F = 1089 K {\displaystyle T_{\rm {H}}=816^{\circ }{\text{C}}=1500^{\circ }{\text{F}}=1089{\text{K}},}
a teplota okolí je T C = 21 ∘ C = 70 ∘ F = 294 K {\displaystyle T_{\rm {C}}=21^{\circ }{\text{C}}=70^{\circ }{\text{F}}=294{\text{K}},}
, pak jeho maximální možná účinnost je: η t h ≤ ( 1 – 294 K 1089 K ) 100 % = 73.0 % {\displaystyle \eta _{\rm {th}}\leq \left(1-{\frac {294K}{1089K}}\right)100\%=73,0\%}
Je vidět, že protože T C {\displaystyle T_{\rm {C}},}
je fixováno prostředím, jediný způsob, jak může konstruktér zvýšit Carnotovu účinnost motoru, je zvýšit T H {\displaystyle T_{\rm {H}},}
, teplotu, při které se do motoru přidává teplo. Účinnost běžných tepelných motorů také obecně roste s provozní teplotou a pokročilé konstrukční materiály, které umožňují provoz motorů při vyšších teplotách, jsou aktivní oblastí výzkumu.
Vzhledem k dalším příčinám podrobně popsaným níže mají praktické motory účinnost hluboko pod Carnotovou mezí. Například průměrný automobilový motor má účinnost nižší než 35 %.
Carnotova věta platí pro termodynamické cykly, v nichž se tepelná energie přeměňuje na mechanickou práci. Zařízení, která přeměňují chemickou energii paliva přímo na elektrickou práci, jako jsou palivové články, mohou Carnotovu účinnost překročit.
Účinnost motorového cykluEdit
Carnotův cyklus je vratný, a představuje tak horní mez účinnosti motorového cyklu. Praktické motorové cykly jsou nevratné, a proto mají při provozu mezi stejnými teplotami T H {\displaystyle T_{\rm {H}}} ze své podstaty nižší účinnost než Carnotova účinnost,}
a T C {\displaystyle T_{\rm {C}},}
. Jedním z faktorů určujících účinnost je způsob, jakým je teplo do pracovní kapaliny v cyklu přidáváno a jak je z ní odváděno. Carnotův cyklus dosahuje maximální účinnosti, protože veškeré teplo je pracovní kapalině dodáno při maximální teplotě T H {\displaystyle T_{\rm {H}}},}
, a odstraněny při minimální teplotě T C {\displaystyle T_{\rm {C}},}
. Naproti tomu ve spalovacím motoru se teplota směsi paliva a vzduchu ve válci neblíží vrcholové teplotě v okamžiku, kdy palivo začíná hořet, a vrcholové teploty dosahuje až v okamžiku, kdy je veškeré palivo spotřebováno, takže průměrná teplota, při které se teplo dodává, je nižší, což snižuje účinnost.
Důležitým parametrem účinnosti spalovacích motorů je měrný tepelný poměr směsi vzduchu a paliva, γ. Ten se poněkud liší podle druhu paliva, ale obecně se blíží hodnotě 1,4 pro vzduch. Tato standardní hodnota se obvykle používá v níže uvedených rovnicích motorového cyklu a při tomto přiblížení se cyklus nazývá vzduchový standardní cyklus.
- Ottův cyklus: automobily Ottův cyklus je název pro cyklus používaný v zážehových spalovacích motorech, jako jsou benzinové a vodíkové automobilové motory. Jeho teoretická účinnost závisí na kompresním poměru r motoru a měrném tepelném poměru γ plynu ve spalovací komoře.:558
η t h = 1 – 1 r γ – 1 {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {1}{r^{\gamma -1}}}},}
Účinnost tedy roste s kompresním poměrem. Kompresní poměr motorů s Ottovým cyklem je však omezen nutností zabránit nekontrolovanému spalování známému jako klepání. Moderní motory mají kompresní poměry v rozmezí 8 až 11, což vede k účinnosti ideálního cyklu 56 % až 61 %.
- Dieselův cyklus: nákladní automobily a vlaky V dieselovém cyklu používaném v dieselových motorech nákladních automobilů a vlaků se palivo zapaluje kompresí ve válci. Účinnost Dieselova cyklu závisí stejně jako u Ottova cyklu na hodnotách r a γ a také na mezním poměru rc, což je poměr objemu válce na začátku a na konci spalovacího procesu:
η t h = 1 – r 1 – γ ( r c γ – 1 ) γ ( r c – 1 ) {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\frac {r^{1-\gamma }(r_{\rm {c}}^{\gamma }-1)}{\gamma (r_{\rm {c}}-1)}}},}
Dieselův cyklus je při použití stejného kompresního poměru méně účinný než Ottův cyklus. Praktické vznětové motory jsou však o 30-35 % účinnější než zážehové motory. Je to proto, že vzhledem k tomu, že palivo je do spalovacího prostoru přiváděno až v okamžiku, kdy je potřeba ho zapálit, není kompresní poměr omezen nutností zabránit klepání, takže se používají vyšší kompresní poměry než u zážehových motorů.
- Rankinův cyklus: parní elektrárny Rankinův cyklus je cyklus používaný v elektrárnách s parní turbínou. Převážná většina světové elektrické energie se vyrábí pomocí tohoto cyklu. Protože pracovní kapalina cyklu, voda, se během cyklu mění z kapaliny na páru a zpět, závisí jejich účinnost na termodynamických vlastnostech vody. Tepelná účinnost moderních parních turbín s přehřívacími cykly může dosahovat 47 % a v kombinovaných cyklech, v nichž je parní turbína poháněna teplem z plynové turbíny, se může blížit 60 %.
- Braytonův cyklus: plynové turbíny a proudové motory Braytonův cyklus je cyklus používaný v plynových turbínách a proudových motorech. Skládá se z kompresoru, který zvyšuje tlak přiváděného vzduchu, poté se do proudu plynule přidává palivo, které se spaluje, a horké výfukové plyny se expandují v turbíně. Účinnost do značné míry závisí na poměru tlaku uvnitř spalovací komory p2 a tlaku vně p1
η t h = 1 – ( p 2 p 1 ) 1 – γ γ {\displaystyle \eta _{\rm {th}}=1-{\bigg (}{\frac {p_{2}}{p_{1}}}{\bigg )}^{\frac {1-\gamma }{\gamma }},}
Další neúčinnostiEdit
Někdo by neměl zaměňovat tepelnou účinnost s dalšími účinnostmi, které se používají při diskusi o motorech. Výše uvedené vzorce účinnosti vycházejí z jednoduchých idealizovaných matematických modelů motorů bez tření a s pracovními kapalinami, které se řídí jednoduchými termodynamickými pravidly zvanými zákon ideálního plynu. Reálné motory mají mnoho odchylek od ideálního chování, které způsobují ztráty energie a snižují skutečnou účinnost pod výše uvedené teoretické hodnoty. Příklady jsou:
- tření pohyblivých částí
- neúčinné spalování
- tepelné ztráty ze spalovací komory
- odchýlení pracovní kapaliny od termodynamických vlastností ideálního plynu
- aerodynamický odpor vzduchu pohybujícího se motorem
- energie spotřebovaná pomocnými zařízeními, jako jsou olejová a vodní čerpadla.
- inefficient compressors and turbines
- imperfect valve timing
These factors may be accounted when analyzing thermodynamic cycles, however discussion of how to do so is outside the scope of this article.