Využití tepelné energie

příliš jednoduché

Možnost #1: Klasická

• Představme si obvyklý stroj (motor, tranzistor, kompresor, lednička, apod.)

• Tomuto stroji dáváme elektřinu a tento stroj • Provede práci • Navíc má ztráty

» Vyzařuje „odpadní“ teplo

Možnost #2: Utopická

• Tentýž stroj

• Dodáváme elektřinu• Provede stejnou práci jako #1• Nemá ztráty

» Nevyzařuje „odpadní“ teplo

Možnost #3: Neuvěřitelná

• Podobný stroj

• Dodáváme méně elektřiny*• Provede stejnou práci jako #1 a #2• Má zisky

» Ochlazuje okolní prostředí

*) Fráze „dodáváme méně elektřiny“ v tomto případě zastupuje tři možnosti, které mohou nastat

1. Stroji dodáváme méně elektřiny

2. Stroji nic nedodáváme ani nic neodebíráme

3. Stroji elektřinu můžeme odebírat

První možnost je však nejméně neuvěřitelná, proto byla společně s hvězdičkou vybrána pro názornost k zastupování všech tří

Neuspořádaný pohyb atomů v látce

• Každá látka je složená z atomů• Všechny atomy se pohybují• I v látce tuhého skupenství se atomy

pohybují (v rámci krystalové mřížky)• Intenzitu pohybu atomů vnímáme jako

teplotu látky• Skupenství látky se odvozuje nejen od její

teploty, ale také od toho jakou přitažlivost mají atomy z nichž je složená

Skupenství látky

• Plyn, kapalina, pevná látka• Atomy na sebe vzájemně působí přitažlivými

silami, podobně jako Země přitahuje Měsíc, či meteority

• Tyto síly způsobují např. změnu vodní páry na vodu a změnu vody na led

• Zvýšením teploty však rozpohybujeme atomy více než je schopna jejich vzájemná přitažlivost udržet, proto tají (vypaří se, rozpínají se)

Teplota

Stupnice, kterou pro měření používáme nejčastěji (Celsiova) je odvozena od chování vody za pozemského tlaku

0° je tání/tuhnutí při 1000hPa

100° je vypařování/zkapalnění při 1000hPa

absolutní nula

• Objektivnější stupnice je Kelvinova. Také je sice závislá na tlaku, ale začíná o 273,15° níž, na teplotě, kde pohyb atomů ustává.

• Této teploty se nepodařilo dosáhnout

Původ tepelné energie na Zemi

• Pro Zemi je hlavním zdrojem Slunce, které vyzařuje na Zemi v průměru 1350 Wattů na každý metr čtverečný

• Energie je přenášena fotony různých vlnových délek

• Vlnová délka 800nm a více odpovídá neviditelnému infračervenému záření, jehož množství je výraznější než viditelného světla.

• Velká část tohoto výkonu je pohlcená atomy atmosféry, přeměněna na tepelnou energii (fotony těchto „dlouhých“ vlnových délek zrychlují pohyb atomů)

Spektrum slunečního záření po průchodu atmosférou

Práce - W

• Intenzivnější pohyb atomů způsobuje rozpínání látky, tedy konání práce

• Obzvláště tento jev můžeme pozorovat u plynů– Přijetím tepla od okolí se rozpíná– Stlačením vydává teplo do okolí (stejné množství)

• Vždy vyrovnává svou energii s okolím– Nárazem na jiné atomy– Vyzářením infračerveného záření

• Teplo a práce tedy spolu souvisí tak těsně, že jde z termodynamického pohledu o jediný jev

Vliv komprese plynné látky na její vlastnosti

• Pokud plyn stlačujeme, jeho teplota se zvyšuje– Říkáme že dodáváme práci, která se přeměňuje na

teplo– V podstatě nejde o přeměnu sil, pouze o přenos:

• Píst zmenší prostor ve kterém se mohou atomy pohybovat• Zvýší tak pravděpodobnost srážky a atomy do sebe více

narážejí• Dalo by se říci, že atom je nádrží na infračervené záření:

– Když je studený (nehýbe se) a působí na něj infračervené záření, tak se rozpohybuje

– Když se pohybuje, tak nárazem do jiného atomu toto záření opět vyzařuje

» Zajímavý by byl pokus s horkým, urychleným atomem v prostoru, kde nejsou jiné atomy ani záření

Vliv expanze plynné látky na její vlastnosti

• Pokud stlačený plyn expanduje (rozpíná se) do většího prostoru, tak se ochlazuje– Dochází k menšímu počtu srážek atomů– Každý atom se tedy může pohybovat s větší

intenzitou než by mohl v těsném shluku– Může tak pohltit více záření (je snazší ho

ohřát)

intermolekulární transfer kinetické (tepelné) energie

• Představme si nemožný ilustrační případ, kdy:– jeden atom

• stojí (má rychlost 0), • tedy má i nulovou teplotu (na Kelvinově stupnici).

– Druhý atom• se pohybuje (dejme tomu rychlostí 10)• nulovou teplotu nemůže mít• narazí přímo do prvního atomu

– pak oba atomy se od sebe odrazí na opačné strany• Druhý atom předáním poloviny rychlosti prvnímu tak předal i polovinu své

tepelné energie• Nezapomeňme ani na vzájemnou přitažlivost atomů

– Elektromagnetické síly, kterými se atomy vzájemně přitahují jsou zdrojem elektromagnetického vlnění (fotonů)

– Toto vlnění si nejlépe představíme jako magnet, který přibližujeme a oddalujeme od kovového předmětu

» Když bychom to dělali opakovaně, tak tento kovový předmět můžeme roztřepat, zahřát, rozsvítit, zprůhlednit a možná i nechat zmizet

II. Praktická část

• Nyní už všichni chápeme, že žijeme mezi atomy, které se pohybují, mají tepelnou energii.– Atmosféra, oceány, pevnina– Na Zemi není jediný atom, který by se

nepohyboval, který by měl teplotu 0 Kelvinu– Tuto energii jim dodává především Slunce,

ale také zemské jádro

Spoutání atomů

• Jde nám o to, abychom tuto energii atomům vzali, čímž je zpomalili– Nechceme a ani se nemůže podařit zastavit všechny

atomy co jsou na Zemi (to by podle teorie vedlo ke zmizení Země)

– Spokojíme se s malým počtem mírně zpomalených atomů, s takovou energií, kterou potřebujeme na provoz našeho auta, počítače, mobilu, topení,…

– Nemějme však strach, že při nehospodárném využívání této tepelné energie atomů dojde k nějakému znatelnému ochlazení zeměkoule

• Prostě ze 100% záření, které ze Slunce na Zemi dopadá, by se ho více absorbovalo do zpomalených atomů a méně vyzářilo zpět do kosmu

Vsuvka: Cyklus uhlíku

Vsuvka: Globální oteplování

• Nerovnováha: Asi století lidé intenzivně spalují látky, které by bez lidské potřeby většího množství energie byly ještě „na skladě“

• Iracionálně: místo toho aby své stroje postavili do cyklu energie na stranu přímých spotřebičů, využívají lidé zásob chemicky vázané energie

Zásoby se ale rychle krátí, podobně rychle jako se zvětšuje lidská populace a podobně rychle jako se kácí pralesy.

Shrnu tedy co jsem touto vsuvkou chtěl říci

Tady prudce přibývá

Tady prudce ubývá

Tady prudce ubývá

Tady vzniká nevyužitý přebytek (ten se neztratí, pouze se vyzáří do kosmu)

Nevyrovnanost cyklu

• Z této nerovnováhy cyklu mohou do budoucna vyplynout následující východiska– Zvětší se sklad (přibude ropy, potravin a tak)– Sníží se počet elementů, které „vyskladňují

energii“ (motorů, elektráren, zvířat, lidí)

Zpět k tématu: Využití tepelné energie

• Solární panely

• Motory na stlačený vzduch (MDI)

• Motory využívající teplotu atomů okolního vzduchu

Solární panely

• Jsou schopny přeměnit energii fotonů viditelného spektra i kousek pomalejšího vlnění

• Fotony však na ně musí přímo dopadnout– Ztráty jsou tedy již průchodem atmosférou!

• Vyrábějí se z velice čistého křemíku, jsou tedy náročné a nákladné

Motory na stlačený vzduch (MDI)

• Využívají především energii komprimovaného vzduchu v nádržích– Na jeho kompresi se však použije více energie než

může vydat (při stlačování vzniká spousta odpadního tepla)

– Pouze přesune emise ze silnic ve městech na elektrárny za městem

• Částečně ale také využívá tepelnou energii okolního vzduchu (sání motoru nasává vzduch o teplotě 20°C a vypouští -30°)– Není to ovšem technologie, která by přímo byla

konstruovaná na zisk energie z ochlazení okolí

Motory využívající teplotu atomů okolního vzduchu

• Ještě je nikdo nevymyslel

• Především ale jejich funkce závisí na pohybu atomů v okolí– Když atomy atmosféry absorbují sluneční

záření nejedná se o ztráty, ale o zisky– Nefungují tedy ve vakuu

Profil zařízení, které numůže fungovat

Šroubové kompresory

-po celém obvodu

Lopatky turbíny

-na konci upevněné na náhon kompresorů

Horní pohled

Horní pohled

Schéma řezu turbíny

izolační materiál

teplo-vodivý materiál

stlačený horký vzduch

Dekomprese v turbíně

dekomprese

Pohyb energie

Ve skutečnosti ale to růžové je mnohem teplejší a uvnitř je tudíž i velký tlak

Využít toto zařízení tedy můžeme, jen pokud pro proces přeměny energie budeme potřebovat vyšší tlak, pak takový proces můžeme umístit uvnitř tohoto zařízení

Nežádoucí ztráty