William John Macquorn Rankine

William John Macquorn Rankine

5. 7. 1820–24. 12. 1872

Skotský fyzik, inženýr a jeden ze zakladatelů klasické termodynamiky. Je spojován s Rankinovým cyklem parních strojů, Rankinovou teplotní stupnicí a s moderním rozlišením potenciální a kinetické energie.

William Rankine – inženýr a fyzik

William John Macquorn Rankine patří spolu s Rudolfem Clausiem a Williamem Thomsonem, lordem Kelvinem k hlavním osobnostem, které v polovině 19. století proměnily nauku o teple v matematicky formulovanou termodynamiku. Vycházel z praktických problémů parních strojů, železnic, stavitelství a strojního inženýrství, ale dokázal je spojit s obecnými fyzikálními principy.

V článku On the General Law of the Transformation of Energy z roku 1853 zavedl do fyzikální terminologie pojem potenciální energie jako protiklad k tehdejší „skutečné energii“. Později se pro pohybovou složku ustálil název kinetická energie. Rankinovo rozlišení obou forem energie se stalo běžnou součástí fyziky, mechaniky i technického výpočtu.

V technické praxi je Rankine známý především díky Rankinovu cyklu, který slouží jako standardní model parních tepelných okruhů, a díky Rankinově teplotní stupnici, absolutní stupnici se stupněm stejně velkým jako stupeň Fahrenheita.

Život

Rankine se narodil 5. července 1820 v Edinburgu jako syn civilního inženýra Davida Rankina a Barbary Grahamové. Kvůli křehkému zdraví byl v dětství vyučován převážně doma; krátce navštěvoval Ayr Academy a Glasgow High School. V roce 1834 nastoupil na Scottish Naval and Military Academy v Edinburgu, kde se výrazně věnoval matematice.

Od roku 1836 studoval na edinburské univerzitě přírodopis u Roberta Jamesona a přírodní filozofii u Jamese D. Forbese. Získal univerzitní ceny za eseje o vlnové teorii světla a o metodách fyzikálního zkoumání, studium však roku 1838 opustil bez titulu, aby pomohl otci se železničními projekty.

Praktické inženýrské zkušenosti získal v Irsku jako žák sira Johna Benjamina MacNeilla. Pracoval na železniční trase Dublin – Drogheda a na vodárenských projektech. Při těchto pracích vyvinul Rankinovu metodu vytyčování železničních oblouků s využitím teodolitu. V letech 1844–1848 pracoval pro Caledonian Railway Co. ve Skotsku.

Rankinův podpis
Podpis Williama Rankina

Kolem roku 1848 se Rankine začal soustředit na molekulární fyziku a termodynamiku. Roku 1853 byl zvolen členem londýnské Royal Society a roku 1854 obdržel Keithovu medaili Royal Society of Edinburgh za výzkum v oblasti termodynamiky. V akademickém roce 1854/1855 zastupoval na univerzitě v Glasgow profesora Lewise Gordona a v listopadu 1855 byl jmenován Regius Professor of Civil Engineering and Mechanics. Tuto profesuru zastával 17 let až do své smrti.

V roce 1857 byl spoluzakladatelem a prvním prezidentem Institution of Engineers and Shipbuilders in Scotland. Vedle vědecké práce se věnoval také hudbě a psal písně a básně. Zemřel 24. prosince 1872 v Glasgow ve věku 52 let. Zůstal svobodný a bez potomků; pohřben je na hřbitově Sighthill v Glasgow.

Rankinův cyklus

Rankinův cyklus je idealizovaný termodynamický cyklus pro stroje s kondenzovatelnou pracovní látkou, nejčastěji vodou a vodní párou. Slouží jako srovnávací model parních tepelných okruhů v elektrárnách, lodních pohonech, průmyslových parních zařízeních a v organických Rankinových cyklech (ORC).

Cyklus souvisí s Rankinovou teorií parního stroje a s jeho knihou A Manual of the Steam Engine and Other Prime Movers z roku 1859. V ideálním tvaru popisuje čtyři děje:

  1. Izoentropická komprese kapalné vody v čerpadle.
  2. Izobarický přívod tepla v kotli, tedy ohřev, vypaření a případné přehřátí páry.
  3. Izoentropická expanze páry v turbíně nebo parním stroji.
  4. Izobarický odvod tepla v kondenzátoru, kde pára zkapalní.

Tepelná účinnost ideálního cyklu se často vyjadřuje bilančním vztahem

η = (wturb − wpump) / qin

kde wturb je práce získaná v turbíně, wpump práce dodaná čerpadlu a qin teplo přivedené v kotli. Skutečná účinnost závisí na teplotě a tlaku páry, kondenzátoru, účinnosti turbíny a na ztrátách v celém zařízení. V praxi se používá přihřívání páry, regenerace napájecí vody a další úpravy, které zvyšují účinnost oproti jednoduchému ideálnímu cyklu.

Rankinova teplotní stupnice

Rankine navrhl také absolutní teplotní stupnici, která dnes nese jeho jméno. Nula Rankinovy stupnice odpovídá absolutní nule, stejně jako u Kelvinovy stupnice. Velikost jednoho stupně je však shodná se stupněm Fahrenheita. Proto se Rankinova stupnice chová vůči Fahrenheitově stupnici podobně jako Kelvinova stupnice vůči Celsiově stupnici.

T [°R] = t [°F] + 459,67
T [°R] = 1,8 · T [K]

Pro odlišení od jiných teplotních stupnic se někdy používá značka °Ra, zatímco v angloamerické technické literatuře je běžná také značka °R. Bod tání vody při normálním tlaku odpovídá přibližně 491,67 °R, bod varu 671,67 °R. Rankinova stupnice se dnes používá hlavně v americké technické termodynamice, letectví a chemickém inženýrství tam, kde výpočty navazují na Fahrenheitovu stupnici.

Rankine v praxi

Rankinovo jméno se v technice objevuje ve více oborech. V energetice pomáhá Rankinův cyklus odhadovat, jak zlepšení parametrů páry, snížení kondenzační teploty nebo přidání regenerace ovlivní účinnost elektrárny. V chemickém a procesním inženýrství se Rankinův cyklus používá také pro nízkoteplotní zdroje tepla, například v organických Rankinových cyklech.

Rankinova stupnice je užitečná při výpočtech, ve kterých musí být teplota vyjádřena jako absolutní veličina, ale ostatní údaje zůstávají v imperiálních jednotkách. Ve stavebním a geotechnickém inženýrství se s Rankinovým jménem setkáme u teorie zemních tlaků, která se používá při návrhu opěrných zdí, pažení a zemních konstrukcí.

Další přínosy

Rankine autor

Během sedmnácti let na glasgowské profesuře publikoval Rankine více než sto vědeckých prací a vydal učebnice, které na dlouhou dobu ovlivnily inženýrské vzdělávání. Jeho styl spojoval matematický výklad s praktickými potřebami techniků.

Ocenění a uznání

Rankine dokázal propojit fyziku, matematiku a inženýrskou praxi. Jeho práce dala tepelným strojům přesnější teoretický rámec a současně ovlivnila stavební mechaniku, hydrauliku, strojnictví i geotechniku.

Časté otázky

Co je Rankinův cyklus?
Idealizovaný cyklus tepelného stroje s kondenzovatelnou pracovní látkou. V nejběžnější podobě popisuje čerpadlo, kotel, turbínu a kondenzátor parní elektrárny.
Čím se Rankinův cyklus liší od Carnotova cyklu?
Carnotův cyklus je obecný ideální limit s maximální teoretickou účinností mezi dvěma teplotami. Rankinův cyklus je praktičtější model parního zařízení, protože zahrnuje kondenzaci páry a čerpání kapaliny.
Co znamená stupeň Rankina?
Stupeň Rankina je jednotka absolutní teplotní stupnice používané hlavně v angloamerické technice. Platí 0 °R = 0 K a 1 °R = 5/9 K.
Je značka Rankinovy stupnice °R nebo °Ra?
V anglické technické literatuře je běžná značka °R. Značka °Ra se používá tam, kde je potřeba jasně odlišit Rankinovu stupnici od jiných stupnic označovaných písmenem R.
Proč je Rankine důležitý pro termodynamiku?
Rankine pomohl převést poznatky o tepelných strojích do systematické matematické teorie. Patří k autorům, kteří formulovali zákony přeměny energie a spojili je s praktickým návrhem strojů.

Pojmenováno po Rankinovi

Související

Další informace