Účinnost (koeficient užitečného účinku) je jedním z hlavních ukazatelů účinnosti tepelných strojů. Určuje, která část příchozího tepla se přeměňuje na užitečnou práci a která část se ztrácí ve formě zbytečných ztrát. Existuje mnoho různých tepelných strojů, z nichž každý má svou jedinečnou účinnost.
Jedním z nejúčinnějších procesů, v rámci kterých funguje ideální tepelný stroj, je karnauův cyklus. Karnův cyklus se skládá ze dvou izotermických procesů a dvou adiabatických procesů. Ideální tepelný stroj pracující na Karno cyklu umožňuje dosáhnout maximální možné účinnosti pro dané pracovní prostředí a dané teplotní hranice.
Zajímavé je, že účinnost ideálního tepelného stroje v cyklu Carno závisí pouze na teplotě ohřívače a teplotě chladiče. Absolutní rozdíl mezi teplotou ohřívače a teplotou chladiče ovlivňuje úměrně účinnost tepelného stroje. Například, pokud se teplotní rozdíl zvýší 80krát, účinnost se změní přesně 80krát!
Účinnost ideálního tepelného stroje
Ideální tepelný stroj reprezentovaný carno cyklem je teoretický model, který má nejvyšší účinnost ze všech možných tepelných strojů. Její účinnost je vyjádřena absolutním rozdílem teplot v pracovním těle uvnitř stroje. Čím větší je tento rozdíl, tím méně energie se ztrácí a tím vyšší je účinnost.
Ve skutečnosti však ideální tepelný stroj není možný. Nedokonalosti v konstrukci a procesu práce vedou k nevyhnutelným ztrátám energie. V důsledku toho je účinnost skutečných tepelných strojů výrazně nižší než u ideálního modelu.
Carnotův cyklus však zůstává důležitým nástrojem pro studium tepelných strojů a stanovení maximální účinnosti. Zlepšení technologie a použití účinnějších materiálů umožňuje přiblížit se ideálnímu tepelnému stroji a zvýšit jeho účinnost.
Carnotův cyklus: absolutní rozdíl 80krát
Hlavní myšlenkou karnauova cyklu je použití dvou zdrojů tepla různé teploty k pohybu určité pracovní látky a získání práce.
Účinnost ideálního tepelného stroje podle Karnauova cyklu lze vypočítat podle vzorce:
kde Tn - teplota nízkoteplotní nádrže a Tx - teplota vysokoteplotní nádrže.
Je zajímavé poznamenat, že v ideálním případě carno cyklus dosahuje maximální možné účinnosti. Navíc absolutní rozdíl v účinnosti ideálního tepelného stroje v cyklu Carno může dosáhnout působivých 80krát!
To naznačuje, že účinnost využití tepla v dokonalém tepelném stroji v cyklu Carno výrazně převyšuje ostatní cykly. K dosažení takové účinnosti je však nutné použít nádrže s velmi nízkými a velmi vysokými teplotami, což může být v reálných podmínkách obtížné.
Definice účinnosti
V kontextu karnauova cyklu lze účinnost ideálního tepelného stroje definovat jako podíl užitečné práce provedené v cyklu, pokud jde o veškerou dodávanou energii. To umožňuje posoudit účinnost stroje a porovnat jej s jinými tepelnými stroji.
Je důležité poznamenat, že účinnost ideálního tepelného stroje v cyklu Karno je jen malý zlomek absolutního rozdílu v účinnosti. Osmdesátinásobný rozdíl ukazuje, že skutečné tepelné stroje jsou výrazně méně účinné než ideální stroj na karnauův cyklus.
Ideální tepelný stroj
Jedním z nejúčinnějších idealizovaných cyklů v termodynamice je Carnotův cyklus. Je to sekvence procesů prováděných v dokonalém tepelném stroji.
Karnův cyklus se skládá ze dvou izotermických a dvou adiabatických procesů. V procesu izotermické expanze se plyn ochlazuje při konstantní teplotě a v procesu izotermické komprese se zahřívá při konstantní teplotě.
Ideální tepelný stroj pracující na cyklu Carno se vyznačuje maximální možnou účinností mezi všemi možnými tepelnými stroji. Účinnost ideálního tepelného stroje v cyklu Carno je:
- ÚČINNOST = 1- (Tn/Tx) pokud má horká nádrž teplotu tx a studená nádrž má teplotu tn
- ÚČINNOST = 1 - (Qn/Qx), pokud horká nádrž dodává množství tepla Qx a studená nádrž absorbuje množství tepla Qn
Rozdíl mezi účinností ideálního tepelného stroje v cyklu Karno od ostatních tepelných strojů je v jeho maximálních hodnotách. Pokud je například rozdíl mezi teplotami horkých a studených nádrží 80 stupňů, pak účinnost ideálního stroje v cyklu Karno bude 80krát vyšší než účinnost jiných tepelných strojů.