Teplo a mechanická práca
Skutočnosť, že trením sa mechanická energia mení na energiu tepelnú, potvrdzuje zákon o zachovaní energie, podľa ktorého sa celková energia nestráca. Obdobne i tepelná energia sa môže premieňať na iné druhy energie a pre tieto premeny platí prvá hlavná veta termodynamiky, ktorá vyslovuje zákon o zachovaní energie;
Celková energia izolovanej sústavy sa nemení, hoci sa v sústave konajú akékoľvek zmeny.
Zväčšenie jedného druhu energie v izolovanej sústave môže byť uskutočnené len za cenu zmenšenia iných druhov energie.
Druhá hlavná veta termodynamiky obmedzuje možnosť premeny tepelnej energie na energiu mechanickú. Podľa nej sa môže prechod tepla pri styku dvoch látok uskutočniť len z telesa s vyššou teplotou na teleso s nižšou teplotou.
Vnútorná energia U je súhrnom niekoľkých druhov energií (kinetickej, jadrovej, väzbovej atď.). V každej látke je nahromadené určité množstvo energie, ktorá sa dá premeniť na prácu. Absolútne množstvo vnútornej energie látky nevieme zistiť, ale môžeme sledovať jej zmeny. Privedené teplo zmení vnútornú energiu o:
D U = U2 - U1
Vnútorná energia závisí od stavu daného množstva látky a je funkciou stavových veličín (p, V, T). Pre ideálny plyn je však len funkciou teploty a je rovná teplu privedenému za stáleho objemu. Pre jednotku hmotnosti je Du = cv. DT, pre hmotnosť m je DU = m.cv.D.T. Podľa prvej termodynamickej vety je prírastok vnútornej energie DU telesa alebo celej sústavy rovný prijatému teplu, ktoré je zmenšené o vydanú mechanickú prácu
DU = Qp - Av.
kde Qp je prijaté teplo,
Av - vydaná mechanická práca.
Hlavnou jednotkou vnútornej energie je joule.
Entalpia
Ak sa zohrieva ideálny plyn hmotnosti m z teploty To (O K) na teplotu T vo valci s pohyblivým piestom, bude sa plyn za stáleho tlaku rozpínať. Objem vzrastie z Vo na objem V, piest sa posunie a vykoná mechanickú prácu:
A = p . v.
Entalpia H je teda teplo privedené plynu za stáleho tlaku a je rovná súčtu vnútornej energie a súčinu tlaku s objemom daného množstva látky:
H = U + p . v.
Entalpia vzťahujúca sa na jednotku hmotnosti sa označuje h; jej jednotka je J.kg-1.
Entropia
Čím bude vyššia hladina tepelnej energie, tým ľahšia a s väčšou účinnosťou sa dá využiť tepelná energia. Množstvo tepla je potom tým hodnotnejšie, čím vyššia bude teplota. Teplo, ktoré je na hladine bežnej teploty, je pre tepelné stroje neužitočné.
Entropia S je funkcia stavu sústavy a jej prírastok pri vratnom deji sa rovná podielu prijatého tepla a príslušnej termodynamickej teploty:
Entropia vyjadruje druhú termodynamickú vetu. Je umelým matematickým pojmom, ktorý sa v prírode nevyskytuje. V termodynamike sa v diagramoch T - s pomocou entropie vyjadruje graficky veľkosť odovzdávaného tepla, čo umožňuje názorne sledovať priebeh tepelnej zmeny.
Entropia vzťahujúca sa na jednotku hmotnosti sa označuje s, jej jednotka je J.kg-1.K-1.
8.2. Horenie
Je to oxidácia horľavých látok obsiahnutých v palivách kyslíkom zo vzduchu. Môže nastať len pri určitej teplote.
8.2.1. Výhrevnosť a spalné teplo
Spalné teplo je množstvo tepla, ktoré sa získa dokonalým spálením jednotkového množstva paliva. STN označuje spalné teplo qv a výhrevnosť qn jednotkami J.kg-1.
Výhrevnosť je v podstate spalné teplo zmenšené o kondenzačné teplo vodnej pary.
8.2.2. Priebeh horenie
Uhlík, vodík, síra a oxid uhoľnatý sú horľavými zložkami väčšiny palív. Oxidáciou, t.j. horením sa spaľujú na konečné produkty - oxid uhličitý, vodnú paru a oxid siričitý.
Dokonalé spaľovanie je proces, kde v spalinách sú len konečné produkty horenia a popol neobsahuje nespálené palivo. V opačnom prípade, keď dochádza k nedokonalému spaľovaniu, vzniká oxid uhoľnatý a sadze. Nedokonalé spaľovanie prebieha obyčajne za nízkych teplôt alebo pri nedostatočnom množstve vzduchu. Skutočné spaľovanie nebýva dokonalé a je príčinou veľkých národohospodárskych strát. Najdôležitejšie je sledovanie obsahu oxidu uhoľnatého v dymových plynoch s modernou automatickou reguláciou.
Na dokonalé spálenie jednotkového množstva tuhého alebo plynného paliva treba tzv. teoretické množstvo vzduchu, ktoré je priamo úmerné výhrevnosti paliva. Horenie sa podporuje prívodom určitého prebytku vzduchu. Pre plynné palivá sa volí menší prebytok vzduchu ako pre tuhé palivá.
Činnosť tepelných a chladiacich zariadení je založená na šírení tepla, t.j. na odovzdávaní, či šírení tepla z telies teplejších na chladnejšie. Šírenie tepla prebieha sálaním, vedením a prúdením, najčastejšie ich kombináciou.
Telesá vyžarujú i pohlcujú tepelnú energiu šíriacu sa ako elektromagnetické žiarenie. Vysálané množstvo tepla podľa vyžarovacieho zákona rastie so štvrtou mocninou termodynamickej teploty telesa.
Teleso, ktoré by teoreticky pohlcovalo všetko sálavé teplo, žiadne neodrážalo a bolo schopné zo všetkých telies najviac tepla vysálať, je tzv. absolútne čierne teleso. Skutočné telesá nemajú vlastnosť absolútne čierneho telesa a sú sivé. Príkladom sálavého tepla je i slnečné žiarenie.
Na obr. 8.1 je prestup tepla stenou, ktorá oddeľuje dve prostredia o rôznych teplotách. Teplo prechádza z teplejšieho do chladnejšieho prostredia.
Prestup tepla sa skladá z troch fáz. V prvej dochádza k prestupu tepla z prvej látky do steny, v druhej fáze z vedenia tepla stenou a poslednej fáze je prestup tepla zo steny do druhej látky. Pre dobrý prestup tepla sa z povrchu stien odstraňujú usadeniny s malou tepelnou vodivosťou (sadze, popolček, olejové povlaky atď.) Prestup tepla býva často sprevádzaný prúdením látok pozdĺž stien, ktoré zvyšuje súčiniteľ prestupu tepla. Všetky tepelné výpočty sa robia za určitých zjednodušujúcich predpokladov, ktoré sa overujú skutočným meraním a tepelná sústava sa nastaví na optimálne podmienky.
Látky delíme na dobré a zlé vodiče tepla. Kovy vplyvom voľných elektrónov sú dobré vodiče tepla i elektrického prúdu. Iné tuhé látky okrem tuhy sú zlými vodičmi tepla a používajú sa ako tepelné izolanty. najmenšiu vodivosť tepla majú plyny. Materiály, ktoré obsahujú v malých dutinách vzduch, sú najlepšími tepelnými izolantmi (sklená vata, trosková vlna, penový betón, špeciálne stavebné materiály).
Obr. 8.1 Prestup tepla stenou
Na zariadeniach slúžiacich na výmenu tepla, t.j. výmenníkov tepla (napr. chladiče, ohrievače) sa mení teplota látok prúdiacich pozdĺž stien. Podľa smeru prúdenia rozlišujeme usporiadanie súprúdové a protiprúdové. Pri súprúdovom usporiadní prúdia obe látky rovnakým smerom, pri protiprúdovom prúdia proti sebe. Pokiaľ sa jedna látka varí alebo kondenzuje, je ich teplota stála a nie je podstatný rozdiel medzi oboma spôsobmi.
Ak nie je splnená podmienka rovnakej teploty jednej látky, je výhodnejšie usporiadanie protiprúdové, pritom je väčší teplotný spád.