20 STRUKTURA A VLASTNOSTI PLYNNÝCH LÁTEK
Rozměry molekul jsou zanedbatelně malé ve srovnání s průměrnou vzdáleností molekul, molekuly na sebe navzájem nepůsobí silami mimo vzájemné srážky, vzájemné srážky molekul ideálního plynu s jinými molekulami jsou dokonale pružné.
Molekuly se pohybují rovnoměrným přímočarým pohybem (mimo okamžiku srážek), celková vnitřní energie je rovna kinetické energii (potenciální je nulová).
Skutečné plyny se přibližují vlastnostem ideálního plynu při vysokých teplotách a nízkých tlacích.
Střední kvadratická rychlost
– druhá mocnina střední kvadratické rychlosti je rovna průměru druhých mocnin rychlostí jednotlivých molekul.
Střední kinetická energie
Maxwellova rovnice: , kde k je Boltzmannova konst. 1,38 – 10–23 JK–1.
, kde je molární plynová konstanta 8,31 K–1.
Při stejné teplotě mají molekuly různých ideálních plynů stejnou střední kinetickou energii, ale různou střední kvadratickou rychlost.
20.1 TLAK PLYNU Z HLEDISKA MOLEKULOVÉ FYZIKY
Tlak v plynu v daném okamžiku se neustále mění a kolísá kolem hodnoty ps. Při velkém počtu molekul jsou odchylky tlaku od ps velmi malé.
Pro tlak plynu v nádobě platí:
Z Maxwellovy rovnice vyplívá:
20.1.1 Stavové rovnice
Pro daný počet částic:
Pro dané látkové množství:
Pro danou hmotnost:
Stavová rovnice:
20.2 JEDNODUCHÉ DĚJE S IDEÁLNÍM PLYNEM
20.2.1 Izotermický děj ( )
Boylův-Mariottův zákon:
Při konstantní teplotě , a proto – teplo, které přijal, je rovno práci, kterou vykonal.
20.2.2 Izochorický děj ( )
Charlesův zákon:
Při stálém objemu , a tak – přírůstek vnitřní energie je roven teplu, které přijal.
20.2.3 Izobarický děj ( )
Gay-Lussacův zákon:
20.2.4 Adiabatický děj
Při adiabatickém ději neprobíhá tepelná výměna mezi plynem a okolím: – přírůstek vnitřní energie je roven práci, kterou na něm vykonaly okolní tělesa.
Poissonův zákon: , kde – je Poissonova konstanta (cp je měrná tepelná konstanta plynu při stálém tlaku a cv při stálém objemu – ).
20.3 KRUHOVÝ DĚJ
Kruhový (cyklický) je děj, při němž je konečný stav stejný jako počáteční. Při zvětšování objemu ze stavu A do B vykoná plyn práci znázorněnou obsahem plochy pod křivkou A1B. Při přechodu plynu ze stavu B do stavu A konají okolní tělesa práci vyznačenou pod křivkou B2A. Obsah plochy uvnitř křivky zobrazuje celkovou práci vykonanou pracovní látkou během jednoho cyklu. Na kruhovém ději jsou založeny tepelné motory.
Protože je počáteční stav totožný s konečným stavem, je a z prvního termodynamického zákona – práce, kterou vykoná pracovní látka je rovna teplu, které přijme.
Účinnost: , kde Q1 je teplo, které látka přijala od ohřívače, a Q2 je teplo, které odevzdala chladiči.
Maximální účinnost:
20.4 II. TERMODYNAMICKÝ ZÁKON
Není možné sestrojit cyklicky pracující tepelný stroj, který by jen přijímal teplo od ohřívače a vykonával stejně velkou práci. Takový stroj se nazývá perpetum mobile II. druhu.
Vykonaná práce:
20.5 TEPELNÉ MOTORY
Přeměňují část vnitřní energie paliva uvolněné hořením na mechanickou energii.
20.5.1 Parní stroj
Byl sestrojen 1748 Jamesem Wattem. Účinnost je 9–15 %.
20.5.2 Zážehový motor – čtyřdobý
Sestrojil ho 1860 Lenuir – účinnost 20–33 %.
1) nasávání
2) stlačování
3) výbuch – práce
4) výfuk
20.5.3 Vznětový motor
1897 – Diesel – účinnost: 30–42 %
1) nasávání
2) adiabatické stlačení vzduchu (t=600°C)
3) vstřik paliva – výbuch
4) výfuk
20.5.4 Proudový motor
1 otvor motoru
2 kompresor
3 spalovací komora
4 palivové trysky
5 plynová turbína
6 tryska
7 uzavírací kužel
Vzduch je stlačován kompresorem do spalovacích komor, kam se tryskami přivádí palivo. Jeho hořením se vzduch zahřeje a získá vysoký tlak, prochází přes kola plynové turbíny, která pohání kompresor. Plyn proudí velkou rychlostí z trysky, uzavírací kužel reguluje množství unikajících plynů a tím i rychlost.
20.5.5 Raketový motor
Spaluje se palivo s okysličovadlem, které nese raketa s sebou. Účinnost je až 50 %
20.5.6 Plynová turbína
Do vzduchu, který se nasává a stlačuje kompresorem, se plynule vstřikuje palivo. Ve spalovací komoře palivo shoří a vzniklý plyn proudí velkou rychlostí do turbíny, která pohání kompresor. Turbíny se používají např. k pohonu elektrických generátorů nebo lodí. Účinnost je 22–37 %.
20.6 CHLADÍCÍ ZAŘÍZENÍ
Chladící zařízení je cyklicky pracující stroj. Freon se za tlaku 1,8 – 105 Pa a teplotě –15°C vypařuje ve výparníku (V). Teplo potřebné k vypařování odebírá z chladničky. Ve válci kompresoru (K) se píst posune nahoru, záklopka Z1 se otevře a Z2 je uzavřena. Pára z výparníku se nasává do válce, při posuvu pístu dolů je stlačena na tlak 7,6 – 105 Pa a zahřátá na teplotu 30°C. Pára freonu je natlačena do chladiče (S), ve kterém probíhá tepelná výměna mezi párou a okolním chladnějším vzduchem, pára přitom kapalní a je vytlačována zpět do výparníku.