Silnik cieplny

Silnik cieplny lub maszyna cieplna to urządzenie, które stale wykonuje pracę mechaniczną kosztem ciągle dostarczanego ciepła.

Najczęściej silniki cieplne mają postać cylindra z tłokiem. Wewnątrz znajduje się gaz, który jest sprężany i rozprężany, ulega więc przemianom. W silniku cieplnym przemiany gazowe powinny stanowić obieg zamknięty.

Schemat działania maszyny cieplnej przedstawia ilustracja i można go opisać następująco: silnik o sprawności η pobiera ze źródła ciepła pewną ilość ciepła Q_p i część tego ciepła zamienia na pracę W, a część Q_o oddaje do otoczenia (odprowadza do chłodnicy).

Sprawność silnika cieplnego

Ważny parametr każdego silnika cieplnego to tak zwana sprawność silnika cieplnego η (czytaj: eta). Jest to iloraz pracy wykonanej przez silnik i ciepła pobranego z otoczenia.

$\eta=\frac{W}{Q_{p}}$

gdzie:

η - sprawność silnika,
W -praca wykonana przez silnik,
Q_p - ciepło pobrana ze źródła ciepła.

Sprawność silnika cieplnego jest wielkością bezwymiarową (nie posiada jednostki). Może być wyrażana w liczbie dziesiętnej lub w procentach (tak jest najczęściej).

Silnik termodynamiczny nie może zamieniać na pracę całej ilości dostarczonego mu ciepła. Wynika to wprost z II zasady termodynamiki. Oznacza to także, że sprawność silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż 100%.

W rzeczywistości sprawność silników jest bardzo mała, najczęściej około 30%. Reszta energii uchodzi do otoczenia bezpowrotnie w postaci ciepła. Jeżeli więc wydasz na paliwo 100 zł, to praca wykonana przez twój silnik samochodu jest warta 30 zł. Pozostałe 70 zł to czysta strata.

Jaką zatem pracę wykonuje silnik? Jeżeli przez Q_o oznaczymy ciepło oddane do otoczenia (do chłodnicy), to wprost z zasady zachowania energii wynika, że:

W=Q_p-|Q_o|

Oznaczenia:

W - praca wykonana przez silnik,
Q_p - ciepło pobrane przez silnik ze źródła ciepła,
Q_o - ciepło oddane przez silnik do chłodnicy (otoczenia). Wartość bezwzględna pojawia się dlatego, że ciepło oddane zwyczajowo jest ujemne.

Wzór na sprawność silnika przyjmuje wówczas postać:

$\eta=\frac{Q_{p}-|Q_{o}|}{Q_{p}}$

Cykl Carnota

Cykl Carnota to termodynamiczny cykl następujących po sobie przemian gazu doskonałego: przemiany izotermicznej, następnie adiabatycznej, izotermicznej i znów adiabatycznej. To cykl zamknięty.