Organizm człowieka silnikiem cieplnym

 

              Od zarania cywilizacji człowiek potrzebował energii.

Do wykonywania różnych prac angażował siebie, zwierzęta,

niewolników… Ilość energii jaką oni dysponowali

przestawała wystarczać. Człowiek obserwował przyrodę i zaczął ją

wykorzystywać w swoich celach. Zamiast skazańców wiosłujących

na galerach zastosował żagle i w pewnym stopniu opanował wiatr.

Zdjęcie obok to rekonstrukcja okrętu wojennego epoki helleńskiej

(III w p.n.e.- I w. n.e.) a na nim 300 wioślarzy pod pokładem i

120 żołnierzy na pokładzie. (za Wikipedia)

 

             Koła wodne na małych rzekach (znane od III w.p.ne.) zaprzągł do napędu młynów                                    wodnych,  pił  tartacznych, młotów w kuźniach itp. (za Wikipedia). W nich energia                                               kinetyczna  i potencjalna grawitacji zamieniane były na energię kinetyczną obracającego                                       się koła... a tę energię można już było wykorzystywać w celach służących człowiekowi do spełnienia jego potrzeb.

 

 

              Potem zbudował wiatraki (pierwsze w IX w. w Persji) i zaprzągł je do mielenia

zboża, napędzania pomp osuszających poldery, pił tartacznych czy też rozdrabniania skał.

(za Wikipedia)

 

 

                                             

 

          Dotychczas omówione urządzenia pozwalały wykorzystać energię mechaniczną występującą naturalnie w naszym otoczeniu. Koła wodne, wiatraki zamieniały energię kinetyczną lub potencjalną grawitacji na energię kinetyczną ruchu obrotowego koła. Zatem obracaliśmy się tylko w przemianach energii mechanicznej jednego rodzaju (np. kinetycznej ruchu postępowego i potencjalnej grawitacji płynącej w rzece wody na energię kinetyczną ruchu obrotowego koła).

 

                                          I…przyszedł rok 1698.  W tym roku angielski inżynier wojskowy Thomas Savery                                             skonstruował maszynę parową do odwadniania kopalń. Szersze zastosowania miała                                               maszyna parowa zbudowana w 1712 roku, też przez Anglika Thomasa Newcomena (rys.                                       obok). (za Wikipedia). Dokonała się, na skalę przemysłową przemiana energii                                                       wewnętrznej pary na mechaniczną tłoka. Jednak za twórcę maszyny parowej uważa się                                         szkockiego inżyniera i wynalazcę Jamesa Watta, który w 1781 r. skonstruował maszynę                                         napędzającą maszyny obrotowe. I to był przełom. Potem silniki parowe napędzały statki,                                       pociągi.

 

Kolej transkontynentalna w Ameryce (z lewej) i transsyberyjska (z lewej)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

             Parowozy serii Ty 51, budowane w latach 1953-1958 w HCP, były

najcięższymi polskimi parowozami towarowymi. Przewidziano je do

prowadzenia składów o masie do 2500 ton. Ich moc była 2160 KM.

Przy małej sprawności dochodzącej do 10% otrzymywano z tych

silników ogromne moce.

 

 

 

            W silnikach parowych spalanie paliwa w postaci trocin, drewna, torfu, węgla miało miejsce na zewnątrz kotła z wodą, w którym powstawała para kierowana do cylindra z tłokiem raz z jednej jego strony, a raz z drugiej. Korbowód zamieniał ruch posuwisty tłoka na obrotowy koła zamachowego.

No i w 1860 r. nadszedł czas silników spalinowych. Pierwsze były niezbyt udane.

W następnych latach powstał pierwszy dwusuw autorstwa Carla Benza (1879) i w 1893 silnik o samoczynnym zapłonie Rudolfa Diesla. Teorię silników cieplnych opracował francuski inżynier wojskowy, matematyk i fizyk Sadi Carnot (1796-1832). Aby poznać teorię silników cieplnych obejrzyj poniższe filmy:

 

 

Energia. Co to jest?:                               https://youtu.be/j1usHk2kFKI

Energia wewnętrzna. Co to jest?:           https://youtu.be/ngd6uH-b9eg

Ciepło. Co to jest?:                                 https://youtu.be/bBHwRkBsrZA

Praca a zmiana energii. Co to jest?:       https://youtu.be/kA6JQ45MDII

Pierwsza zasada termodynamiki:           https://youtu.be/XsuSdpKhLss

Silnik cieplny. Co to jest?:                      https://youtu.be/-MEy7V5c5eQ

 

    Z powyższych filmów wynika, że silnik cieplny to urządzenie, które zamienia energię cieplną na mechaniczną. Aby taki silnik działał, to musi być różnica temperatur między źródłem i chłodnicą. Silnik pracuje cyklicznie i substancja robocza po wykonaniu pracy (po zamianie energii wewnętrznej na kinetyczną tłoka, czyli mechaniczną w 100%) musi zachować część energii mechanicznej tłoka na to by on sprężył gaz do stanu początkowego (do ponownej możliwości wykonania pracy), ale sprężanie jest związane z oddawaniem przez gaz ciepła (części energii wewnętrznej) do otoczenia, a to z kolei może odbywać się tylko przy różnicy temperatur. Podsumowując:

- czynnik roboczy wykonując pracę (zamieniając część energii wewnętrznej na mechaniczną) musi część tej pracy zachować po to, by wracający tłok mógł z powrotem czynnik doprowadzić do stanu początkowego umożliwiającego ponowne wykonanie pracy (sprężyć go),

- sprężanie czynnika roboczego (np. gazu) związane jest z oddawaniem ciepła do otoczenia – musi więc być różnica temperatur: T – źródła (np. gazu) i To – otoczenia.

 

            Sprawność każdego silnika cieplnego jest: 

 

 

 

 

 

gdzie: Q1 – to ciepło pobrane przez substancję roboczą podczas cyklu przemian,

           Q2 – to ciepło oddane do otoczenia podczas cyklu przemian,

 

        W cyklu Carnota, gdy nie uwzględniamy strat energii z powodu niedoskonałości rzeczywistego silnika, sprawność wtedy nazywamy sprawnością idealnego silnika i przedstawia ją wzór:

 

 

 

 

 

 

gdzie: T1 – temperatura czynnika roboczego,

          T2 – temperatura chłodnicy.

 

         Sprawność silnika Carnota jest większa, gdy różnica temperatur między T1-T2 jest większa. W silnikach rzeczywistych dochodzą straty energii w postaci tarcia tłoka o ścianki cylindra, przewodzenie ciepła przez ścianki cylindra do otoczenia, nieszczelność styku tłoka z cylindrem, wydalanie gorących spalin do otoczenia itp. Te przyczyny powodują, że silnik rzeczywisty nawet najbliższy silnikowi Carnota będzie miał sprawność od niego mniejszą:

 

 

,

 

 

 

             Sprawności silników cieplnych zbudowanych przez człowieka są (dane orientacyjne):

- silniki parowe ok. 10%,

- silniki spalinowe z zapłonem iskrowym 30% - 36%,

- silniki spalinowe z zapłonem wysokoprężnym (Diesla) 40% - 45%.

 

 

            Trzeba zdawać sobie sprawę z tego, że np. z zatankowanych do „benzyniaka” 50 litrów etyliny na napęd samochodu jest wykorzystywanych ok. 15 litrów benzyny a reszta to bezpowrotne straty dostarczające ciepło do otoczenia, które na pewno powodują wzrost temperatury atmosfery ziemskiej. Spalanie w silniku parowozu 100 kg węgla dostarczało do atmosfery ilość ciepła zawartą w 90 kg, a tylko 10 kg było wykorzystywane efektywnie na napęd. Konsekwencją pracy jakiegokolwiek silnika cieplnego jest wzrost temperatury otoczenia.

No to teraz możemy sobie opowiedzieć o organizmie człowieka, który jest przykładem silnika cieplnego. Natura wyposażyła nas w temperaturę T1=309,6K (36,6oC) - nie wiemy dlaczego, ale tak jest. Otoczenie ma niższe temperatury, chociaż w warunkach ekstremalnych może to być różnie i w temperaturach zbliżonych do 36,6oC czujemy się fatalnie – nic nam się nie chce, a do wysiłku trzeba się zmuszać. W temperaturze organizmu 36,6oC i otoczenia mniejszej, np. T2=273K (0oC) funkcjonujemy normalnie. Jest to zgodne z tym co powiedział Sadi Carnot: musi być różnica temperatur substancji roboczej silnika i otoczenia, aby mógł on zamieniać energię cieplną na mechaniczną. Jeśli ta różnica jest większa to i sprawność silnika cieplnego jest większa, a gdy otoczenie ma taką samą temperaturę jak substancja robocza w silniku to jego sprawność jest równa zero.

           Sprawność organizmu człowieka przy temperaturze otoczenia 0oC (273K) i jego temperaturze 36,6oC (309,6K) jest następująca:

 

 

 

 

 

 

 

 

                           Uwzględnić musimy jeszcze straty ciepła naszego organizmu: pocimy się, wdychając powietrze ogrzewamy je i potem wydychamy, dużo ciepła tracimy przebywając w łazience i załatwiając swoje potrzeby fizjologiczne. Zatem sprawność naszego organizmu jako silnika cieplnego jest mniejsza niż 10% co jest porównywalne ze sprawnością silnika parowego. Gdy temperatura otoczenia wzrośnie np. do 25oC (298K) wtedy nasza sprawność jest mniejsza niż 3,8%. Wydaje się, że natura mogła się bardziej postarać i zaprogramować nasz organizm o większej sprawności. No, ale wtedy więcej konsumowalibyśmy jedzenia, a przy dzisiejszej liczbie ludności na Ziemi byłoby to kłopotliwe – skąd ją wziąć?

         Zastanówmy się nad tym jak wygląda gospodarka energią w organizmie człowieka. Żyjemy i funkcjonujemy tylko dlatego, że istnieje Słońce, które dostarcza nam energii niezbędnej do naszej egzystencji. Tę energię dostarcza nam ono w postaci fotonów promieniowania elektromagnetycznego, z których każdy niesie kwant energii E=h(h=6,67·10-27Js, to stała Plancka, n - to częstotliwość promieniowania słonecznego - od ultrafioletu, który nas na plaży opala po podczerwień, którą wykorzystujemy np. w noktowizorach). Człowiek potrzebuje energii chemicznej zgromadzonej w organizmach roślinnych lub zwierzęcych. Człowiek nie umie wykorzystać energii słonecznej. Nasz organizm nie umie zamienić jej na energię chemiczną, a tej na cieplną tak, by silnik cieplny, jakim jesteśmy zadziałał. Organizm ludzki musi do życia otrzymać pożywienie bogate w energię chemiczną, którą on umie zamienić na cieplną organizmu, a tę dopiero na mechaniczną otoczenia.

 

        Ale są rośliny, są algi… One to potrafią. Fotosynteza to proces wytwarzania związków organicznych z materii nieorganicznej, który zachodzi w komórkach zawierających chlorofil przy udziale światła. Przedstawia to ilustracja obok. Liść zawierający chlorofil czerpie dwutlenek

węgla z powietrza, wodę z gleby i energię z promieni 

słonecznych, aby zamienić te produkty na cukier (glukozę) i tlen –

tak przecież potrzebny nam do życia. Reakcję chemiczną w skrócie

opisuje równanie:

 

 

 

                   6H2O +6CO2 + hν → C6H12O6 + 6O2

 

 

 

 

 

 

          Należy zaznaczyć, że na energię chemiczną jest zamieniana wtedy tylko część energii słonecznej. No, a jak jest glukoza, w której jest zmagazynowana energia chemiczna, to cukier ten jest przekształcany w roślinach w inne związki organiczne, m.in. w skrobię, celulozę, tłuszcze i białka – a o to chodzi organizmom. Dzięki tym związkom żyją. Dzięki temu co się dzieje w wyniku fotosyntezy krowa zjadając trawę zdobywa w łatwy sposób glukozę niezbędną do jej egzystencji. Energia chemiczna, przyswojona przez łaciatą z glukozy, zamieniana jest na energię cieplną jej atomów i cząsteczek, a ta już może być zamieniana na energię mechaniczną np. ruchu kończyn czy powieki. Jak dokładnie wygląda ten ostatni proces sam nie wiem. Ale tak to wynika z zasady zachowania energii. Wiemy, że na energię mechaniczną można zamienić energię wewnętrzną (energię cieplną, czyli energię ruchu atomów i cząsteczek).  Nasze życie zależy od roślin – to one produkują glukozę. Nasz organizm tego nie potrafi. Gdy ich zabraknie to zniknie życie na Ziemi. Wszystko powinniśmy zrobić, aby uchronić dewastację przyrody np. w postaci wycinania lasów tropikalnych, co ma miejsce w wielu miejscach na Ziemi. Jeśli tego nie zrobimy, to sami sobie zgotujemy niezbyt ciekawy los.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Główna

Napisz

Przemiany energii wewnętrznej. Zadania z fizyki z rozwiązaniami