Tepelný stroj

Najjednoduchší model tepelného stroja je uzavretý valec s piestom. Vo valci sa nachádza plyn. Stroj pracuje medzi dvomi ďalšími zásobníkmi tepla, ktoré je možné odobrať (izolovať) a znova pripojiť.

• chladič (${\displaystyle T_{1}}$)
• ohrievač (${\displaystyle T_{2}}$)

Úlohou ohrievača je dodávať valcu s piestom teplo na úseku 1-2 (pozri obrázok), takže dochádza k expanzii náplne – plynu. Úlohou chladiča je plyn opäť ochladiť na úseku 3-4 tak, aby mohol začať nový cyklus, prebieha kompresia. Medzi úsekmi 2-3 a 4-1 je valec izolovaný a plyn koná/prijíma prácu na úkor/zisk svojej vnútornej energie.

Z energetického hľadiska môžeme cyklus rozdeliť na štyri deje a vypočítať ich energetický prínos:

• izotermická expanzia:

${\displaystyle -W_{1\to 2}=RT_{2}\ln(V_{2}/V_{1})\,\!}$

• adiabatická expanzia

${\displaystyle -W_{2\to 3}=C_{V}\cdot (T_{2}-T_{1})\,\!}$

• izotermická kompresia

${\displaystyle -W_{3\to 4}=RT_{1}\ln(V_{4}/V_{3})\,\!}$

• adiabatická kompresia

${\displaystyle -W_{4\to 1}=-C_{V}\cdot (T_{2}-T_{1})\,\!}$

Pre účinnosť (${\displaystyle \eta \,}$) stroja, t. j. pomer medzi teplom dodaným ohrievačom a vykonanou prácou platí:

${\displaystyle \eta ={\frac {-W}{Q_{2}}}={\frac {-W_{1\to 2}-W_{3\to 4}}{Q_{2}}}={\frac {R(T_{2}-T_{1})\ln(V_{2}/V_{1})}{RT_{2}\ln(V_{2}/V_{1})}}\,\!}$

a po zjednodušení:

${\displaystyle \eta ={\frac {T_{2}-T_{1}}{T_{2}}}=1-T_{1}/T_{2}\,\!}$

Zo zjednodušeného vzorca vyplýva, že ak by mala byť účinnosť stroja rovná 1 (resp. 100 %), musel by mať chladič teplotu absolútnej nuly (T₁ = 0 K). Absolútna nula je však nedosiahnuteľná (pozri tretí termodynamický zákon).

Fyzikálny portál