Топлотни мотори и расхладни уређаји

Термодинамика се развила из потребе за проучавањем топлотних машина, које у данашње време имају велику примену.

Топлотни мотор је уређај у којем се топлота претвара у механички рад.

Основни делови топлотних мотора су: радно тело, грејач и хладњак. Радно тело је најчешће гас који врши рад.

Да би топлотна машина могла да ради, потребно је да постоји тело више температуре (грејач), које ће давати машини топлоту и тело ниже температуре (хладњак) које ће одводити топлоту.

Основна идеја рада топлотне машине јесте да се механички рад добија када топлота преко радног тела прелази са тела више температуре на тело ниже температуре.

Сви топлотни мотори се могу поделити на две основне врсте и то су:

мотори са спољашњим сагоревањем (ССС – мотори)
мотори са унутрашњим сагоревањем (СУС – мотори)

Задатак грејача је да предаје радном телу количину топлоте Q₁. Са делом ове примљене количине топлоте Q₁ радно тело врши рад А. Преосталу енергију радно тело предаје хладњаку, у виду количине топлоте Q₂.

Значи, на основу Првог принципа термодинамике:

$Q_{1}=A+Q_{2}$

$A=Q_{1}-Q_{2}$

Најпознатији мотор са спољашњим сагоревањем је – парна машина.

Парна машина има горионик у коме сагорева, најчешће, неко чврсто гориво – угаљ, дрво итд. Горионик има улогу грејача. Изнад њега се налази парни котао у коме кључа вода, а тако настала водена пара, под великим притиском, представља радно тело. Ова водена пара се кроз цеви усмерава на лопатице ротора и окрећући их врши рад. Вишак топлоте парни котао предаје околној средини – која преузима улогу хладњака. Парни котао има сигурносне вентиле који испуштају опасан вишак водене паре – па се и они могу сматрати делом система који чини хладњак.

Мотори са унутрашњим сагоревањем се састоје од истих делова, али су грејач и радно тело уједињени у једно исто тело. То су бензински и дизел мотори. То су мотори у аутомобилима.

Узмимо као пример бензински аутомобилски мотор. У његов цилиндар се убризгава, из карбуратора, бензин у виду ситних капљица измешан са свежим ваздухом. Када је ова смеша максимално сабијена свећица избацује у њу електричну варницу, смеша се упали и експлодира. Дакле, оваква смеша је грејач, али је занимљиво да је врела пара настала овом експлозијом у цилиндру сада радно тело, тј. та пара потискује клип дајући му кинетичку енергију и на тај начин врши рад. Хладњак је обично водени, али се код неких типова аутомобила може наћи и ваздушно хлађење.

Дизел мотори се разликују по томе што немају свећице, па се паљење смеше дизел горива и ваздуха не врши варницом већ адијабатским сабијањем смеше, што доведе гориво до температуре више од тачке паљења, па се гориво упали и експлодира…

Овакви мотори имају назив са унутрашњим сагоревањем зато што се сагоревање, које ствара количину топлоте Q₁, врши унутар радног тела.

Сваки мотор ради у циклусима. Да би мотор могао да настави рад, потребно је да се клип стално враћа у почетни положај, како би гас могао више пута да се шири у цилиндру.

Важна физичка величина која карактерише рад топлотних машина је коефицијент корисног дејства. Коефицијент корисног дејства мотора једнак је количнику извршеног рада у једном циклусу и количине топлоте која се добија од грејача.

$\eta =\frac{A}{Q_{1}}$

Дакле, вредност коефицијента корисног дејства показује колики део топлоте, оне коју добија из грејача, радно тело искористи за вршење рада. Како је рад увек мањи од уложене количине топлоте Q₁, вредност коефицијента је увек мања од јединице:

$A<Q_{1} \Rightarrow \eta < 1$

Како је:

$A=Q_{1}-Q_{2} \Rightarrow \eta =\frac{Q_{1}-Q_{2}}{Q_{1}}$

Коефицијент корисног дејства се може исказати и у процентима.

Реалне вредности коефицијента корисног дејства су следеће:

парна машина од 1% до 50% (модерне парне турбине)
бензински СУС мотор око 20 %
дизел СУС мотор 40 %.

Уређаји за хлађење имају улогу да у хладној комори одржавају нижу температуру од температуре околине. Раде на сличном принципу као топлотни мотори, само што се сви процеси одвијају у супротном смеру. Према другом принципу термодинамике, није могућ спонтани процес при коме би се топлота преносила са хладнијег на топлије тело. Машине за хлађење врше рад и остварују пренос топлоте са хладнијег на топлије тело.

Рад врши нека спољашња сила (енергија споља). Радно тело прима топлоту Q₂ од хладњака и предаје топлоту Q₁ грејачу. Као радно тело обично се користи нека лако испарљива течност (фреон, амонијак…), а рад се добија на рачун електричне енергије.

Први принцип термодинамике за један циклус:

$Q_{2}-Q_{1}=-A$