Silniki cieplne, urządzenia zmieniające ciepło im dostarczone na energię mechaniczną w formie pracy, są to między innymi silniki spalinowe, odrzutowe rakietowe, parowe itp. W silnikach cieplnych odbywają się procesy kołowe to znaczy, że po wykonaniu pewnego cyklu przemian silnik wraca do swojego pierwotnego stanu. Substancja podlegająca tym przemianom w silniku jest nazwana substancją roboczą. Ze względu na sposób uzyskiwania energii mechanicznej, silniki cieplne można podzielić na tłokowe (Np. spalinowe) i turbinowe. W silnikach pierwszego typu ciepło powoduje wzrost ciśnienia działającego na tłok umieszczony w cylindrze, a w konsekwencji jego ruch. W silnikach drugiego typu ciepło powoduje wzrost energii kinetycznej substancji roboczej, który łatwo jest zamieniany na energię kinetyczną łopatek turbin. Ruch tłoka w cylindrze i turbiny po zastosowaniu odpowiednich przekładni jest zamieniany na innego typu pracę mechaniczną lub na inny rodzaj energii (Np. elektrycznej). Idealnym silnikiem cieplnym, o największej możliwej sprawności, jest silnik Carnota.
Silniki cieplne mają za zadanie przekształcić energię wewnętrzną w energię mechaniczną. Najczęściej ciepło pochodzące ze spalania paliwa jest dostarczane do gazu roboczego, który rozprężając się wykonuje pracę wprawiając w ruch jakiś mechanizm. Rozprężanie gazu nie może się odbywać nieograniczenie, ponieważ silnik ma skończone rozmiary. Dlatego gaz musi być z powrotem sprężony, tak, aby wszystkie części silnika wróciły do stanu wyjściowego. Po czym cykl przemian powtarza się i za każdym razem silnik wykonuje pracę. Taki proces termodynamiczny, po którym układ wraca do stanu wyjściowego, po wykonaniu szeregu pośrednich przemian, nazywamy cyklem termodynamicznym lub procesem kół. Silnik parowy, parowy silnik tłokowy, silnik cieplny. Wewnętrzna energia rozprężającej się pary wodnej przekształca się w nim w pracę mechaniczną za pośrednictwem tłoka poruszającego się ruchem posuwisto-zwrotnym w cylindrze, do którego doprowadza się z zewnątrz pod ciśnieniem parę wytworzoną w oddzielnym kotle. Istnieją silniki o działaniu jednostronnym lub dwustronnym oraz o pojedynczym albo kilkakrotnym rozprężaniu pary. Silnik spalinowy, silnik cieplny spalania wewnętrznego, w którym energia spalania mieszanki paliwowo-powietrznej zamieniana jest na ruch obrotowy wału korbowego (silnik tłokowy) lub turbiny (silnik turbinowy).
Silniki cieplne wykonują pracę dzięki przepływowi ciepła, zgodnie z drugą zasadą termodynamiki. Przepływ ciepła między ciałami jest możliwy tylko wówczas, gdy istnieje różnica temperatur między nimi. Stąd silnik cieplny musi pobierać ciepło ze źródła i oddawać jego część chłodnicy. Sprawność silnika cieplnego określa się jako iloraz pracy uzyskanej w nim dzięki pobranemu ze źródła ciepłu i wartości tego ciepła. Ponieważ substancja robocza oddaje część pobranego ciepła chłodnicy, pobrana praca jest mniejsza od ciepła pobranego, a więc sprawność silnika cieplnego nie może być całkowita (praktycznie najlepsze silniki cieple mają sprawność rzędu 30 - 40%). Sprawnością silnika cieplnego nazywamy stosunek procentowy ilości wykonanej przez silnik pracy do ilości pobranego ze źródła ciepła.
k = W/Q1 100%.
Zasada działania silników cieplnych i ich podział.
Przez silnik cieplny przepływa substancja charakteryzująca się dużymi zmianami objętości właściwej przy zmianach temperatury i ciśnienia, zwana czynnikiem pracującym. Ze względu na rodzaj czynnika pracującego silniki dzieli się na: spalinowe i parowe. Ze względu na sposób wykorzystania energii czynnika silniki dzieli się na: tłokowe, turbinowe i odrzutowe.
Jak działają silniki cieplne?
Silnik cieplny jest to urządzenie wytwarzające energię mechaniczną oraz elektryczną z energii cieplnej. Czynnikiem pracującym w silniku cieplnym jest ciecz, która charakteryzuje się dużymi zmianami objętości właściwej wraz ze zmianą temperatury i ciśnienia. W zależności od tego, jaki jest rodzaj czynnika pracującego, można rozróżnić silniki spalinowe i parowe. Różne są także sposoby przekształcania energii cieplnej na mechaniczną: tłokowe, turbinowe oraz odrzutowe.
Silnik parowy to najprostszy silnik cieplny. Czynnikiem pracującym jest para wodna, której energia zostaje przekształcona na energię mechaniczną za pomocą tłoka lub wirnika. W silnikach tłokowych para oddziałuje bezpośrednio na tłok, i przesuwając go oddaje mu swoją energię w postaci energii mechanicznej. Ruch tłoka, który jest prostoliniowy, jest przenoszony na ruch obrotowy wału za pomocą mechanizmu korbowego. W silnikach wirnikowych energia z pary przekształcana jest pośrednio: najpierw oddawana jest wirnikowi w postaci energii kinetycznej, a dopiero następnie jest ona przekształcana na pracę mechaniczną wału.
Silnik spalinowo - tłokowy to silnik, w którym energia cieplna paliwa jest przekształcana na pracę mechaniczną za pomocą posuwisto - zwrotnego ruchu tłoka. Silniki takie nazywa się silnikami suwowymi. Suwem tłoka jest przesunięcie tłoka pomiędzy dwoma kolejnymi położeniami, po których następuje zmiana ruchu. Ilość takich ruchów, czyli suwów tłoka, po których zostaje zakończony pełny cykl silnika, może być 2 (silniki dwusuwowe) lub cztery (silniki czterosuwowe). Obecnie stosowane są silniki 4 - suwowe, gdyż mają one dużo większą sprawność. Zaletą silników dwusuwowych jest jednak ich bardzo prosta konstrukcja.
Paliwo w silniku spalinowym tłokowym jest doprowadzane do cylindra. W zależności od rodzaju silnika jest to mieszanka paliwa ciekłego i powietrza (silniki gaźnikowe), mieszanka gazu i powietrza (silniki gazowe) lub czyste paliwo, wtryskiwane do cylindra ze sprężonym powietrzem (silniki wtryskowe). Paliwo jest zapalane za pomocą iskry elektrycznej (zapłon iskrowy) lub rozżarzonego elementu głowicy (głowica żarowa). W niektórych silnikach zapłon następuje samoczynnie w wyniku sprężania paliwa tak, aby jego temperatura przekroczyła temperaturę samozapłonu.
Silnik spalinowy turbinowy przekształca energię cieplną paliwa na pracę za pomocą turbin. W silniku takim występuje, co najmniej jedna turbina, zwana turbiną napędową, która wykonuje pracę użyteczną. Silniki turbinowe konstruuje się zazwyczaj tak, że spalanie odbywa się wewnątrz, w komorze spalania. Powietrze potrzebne do spalenia paliwa jest pobierane z otoczenia i sprężane za pomocą sprężarki wirnikowej. Spaliny, sprężone do odpowiedniego ciśnienia i temperatury (wyższych od temperatury otoczenia), wytwarzane są za pomocą wirnikowej lub tłokowej wytwornicy spalin. W wirnikowej wytwornicy spalin sprężone powietrze jest wstrzykiwane do komory spalania. Jednocześnie do komory jest wprowadzane za pomocą wtryskiwacza paliwo. Spaliny są rozprężane w turbinach, a następnie wydalane do otoczenia. Aby uzyskać w takim silniku dużą moc, stosuje się sprężarki oraz turbiny osiowe. Gdy wystarcza mała moc silnika, stosuje się sprężarki promieniste i turbiny osiowe (lub promieniste).
W silnikach spalinowych turbinowych cykl może odbywać się z odzyskiwaniem ciepła lub nie. Cykl z odzyskiwaniem ciepła polega na ogrzewaniu sprężonego powietrza ciepłem ze spalin, które wypływają z turbiny. Jeśli ciepło nie jest odzyskiwane, temperatura paliwa wzrasta tylko w wyniku procesu spalania w komorze.
Silniki odrzutowe to silniki o największej mocy. Służą one do napędzania samolotów oraz rakiet. W silnikach spalinowych siła reakcji strumienia spalin, wypływających z dyszy silnika, jest wykorzystywana bezpośrednio. Siłę spalin wychodzących z dyszy określa się ciągiem silnika.
Silniki odrzutowe zazwyczaj pobierają tlen potrzebny do spalenia paliwa z atmosfery (silniki przelotowe). Nie jest tak w przypadku silników do rakiet kosmicznych, gdyż w próżni nie ma tlenu. Powietrze w silnikach przelotowych jest sprężane adiabatycznie w części wlotowej silnika, za pomocą zmniejszania szybkości przepływu. Dalej powietrze może być sprężane na sprężarce (osiowej lub promienistej). Następnie przedostaje się ono do komory spalania (spalanie izobaryczne).
Carnot i jego silnik
Maszyny parowe już pracowały, gdy młody francuski inżynier Sadi Carnot opracował teorię silników cieplnych. Przedstawił zasadę działania silnika, który powinien pracować najekonomiczniej, bo wykorzystuje tylko procesy odwracalne. Ten teoretyczny model nazwany został później silnikiem Carnota, ale w żadnym wypadku nie miał to być nowy typ silnika. Carnot chciał dociec, dlaczego silniki nie zamieniają całego ciepła w pracę użyteczną. Udowodnił, że nawet wyeliminowanie wszelkich procesów nieodwracalnych (tarcie tłoka, rozpraszanie energii cieplnej) nie doprowadzi do ich 100 - procentowej sprawności. II zasada termodynamiki pozornie została złamana, przyroda dała się podejść i dlatego sprawność mniejsza niż 100% to cena, jaką nam wystawiły prawa fizyki.