Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию сгоревшего топлива в механическую энергию. Виды тепловых двигателей : 1) двигатели внутреннего сгорания: а) дизельные, б) карбюраторные; 2) паровые двигатели; 3) турбины: а) газовые, б) паровые.

Все названые тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей : нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты.

T 1 – температура нагревателя;

T 2 –температура холодильника;

Q 1 – теплота, полученная

от нагревателя;

Q 2 – теплота, отданная

холодильнику;

A" – работа, выполненная

двигателем.

Работа любого теплового двигателя состоит из повторяющихся циклических процессов – циклов. Цикл – это такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины – это отношение совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: .

Французский инженер Сади Карно рассмотрел идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он нашел оптимальный идеальный цикл теплового двигателя, состоящий из двух изотермических и двух адиабатических обратимых процессов – цикл Карно . КПД такой тепловой машины с нагревателем при температуре и холодильником при температуре : . Независимо от конструкции, выбора рабочего тела и типа процессов в тепловом двигателе его КПД не может быть больше КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, и имеющего те же, что и у данного теплового двигателя, температуру нагревателя и холодильника.

КПД тепловых двигателей невысок, поэтому важнейшей технической задачей является его повышение. Тепловые двигатели имеют два существенных недостатка. Во-первых, в большинстве тепловых двигателей используется органическое топливо, добыча которого быстро истощает ресурсы планеты. Во-вторых, в результате сгорания топлива в окружающую среду выбрасывается огромное количество вредных веществ, что создает значительные экологические проблемы.

С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин связано открытие в 1850 г. немецким физиком Р. Клазиусом второго начала термодинамики : невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

Физические величины и их единицы измерения:

Наименование величина	Обозначение	Единица измерения	Формула
Относительная молекулярная масса	M r (эм эр)	безразмерная величина
Масса одной молекулы (атома)	m 0	кг
Масса	m	кг
Молярная масса	M
Количество вещества	ν (ню)	моль (моль)	;
Число частиц	N (эн)	безразмерная величина
Давление	p (пэ)	Па (паскаль)
Концентрация	n (эн)
Объём	V (вэ)
Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекулы		Дж (джоуль)
Температура по шкале Цельсия	t	°C
Температура по шкале Кельвина	T	К (кельвин)
Средняя квадратичная скорость молекул
Поверхностное натяжение	σ (сигма)
Абсолютная влажность	ρ (ро)
Относительная влажность	φ (фи)	%
Внутренняя энергия	U (у)	Дж (джоуль)
Работа	А (а)	Дж (джоуль)
Количество теплоты	Q (ку)	Дж (джоуль)

Темы кодификатора ЕГЭ : принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов - в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Тепловые двигатели

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель - это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1 ). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя - это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем - сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически , обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть class="tex" alt="A>0"> , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2 ).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где - изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния ). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику - для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя - это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Холодильные машины

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело - ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь - «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3 ).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом . Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент - это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине - это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу - нагревателю . Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки . Площадь цикла - это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4 ).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины - охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда - в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент , равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос . Тогда её назначение - нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда - холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент , равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Тепловая машина Карно

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника .

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная - . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно , состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5 ). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой . Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это - проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Необходимые условия работы тепловых машин

Создание и развитие термодинамики было вызвано, прежде всего, необходимостью описания работы и расчёта параметров тепловых машин . Тепловые машины, или тепловые двигатели, предназначены для получения технической (полезной) работы за счёт тепла, выделяемого вследствие химических реакций (сгорание топлива), ядерных реакций или по другим причинам, например нагрева солнечной энергией.

Из рассмотрения основных принципов работы тепловых машин вне зависимости от их конструктивного исполнения следует, что непрерывное превращение тепловой энергии в механическую работу совершается в них при помощи вспомогательного тела , получившего название в термодинамике рабочего тела . Как было отмечено ранее, наиболее подходящими в качестве рабочих тел по своим физическим свойствам является газы и пары жидкостей, так как они характеризуются наибольшей способностью к изменению своих объёмов при изменении Р и Т .

Кроме того, работа этих машин возможна только при соблюдении двух непременных условий. Первое условие состоит в том, что любая тепловая машина должна работать циклично , то есть рабочее тело, совершая за определённый промежуток времени ряд процессов расширения и сжатия, должно возвращаться в исходное состояние. Этот цикл должен повторяться в течение всего периода работы машины, причём в зависимости от конструктивного исполнения тепловой машины отдельные части цикла могут осуществляться в разных её составных частях. При отсутствии цикла, например при любом процессе только расширения газа в рабочей камере (цилиндр двигателя внутреннего сгорания, каналы рабочих лопаток паровых и газовых турбин) тепловой машины, соответственно наступит момент, когда Р и Т рабочего тела станут равными с Р и Т окружающей среды, и на этом получение работы прекратится. В этом случае можно получить лишь ограниченное количество работы. Для повторного получения работы необходимо либо в процессе сжатия возвратить рабочее тело в первоначальное состояние, либо каким-то образом удалить из рабочей камеры отработанное рабочее тело и заполнить эту камеру новой порцией этого тела. С точки зрения термодинамического анализа работы тепловой машины вовсе не обязательно иметь дело с новыми порциями рабочего тела, так как для процесса преобразования тепловой энергии в механическую работу безразлично, остаётся ли в рабочей камера прежнее рабочее тело или вводится новое. Поэтому можно исходить из того, что в цилиндре тепловой машины находится одно и то же количество рабочего тела, которое, циклично проходя через ряд изменений своего состояния из начального в конечное и обратно, преобразует тепловую энергию в механическую работу.

v 2

v 1

Р 1

Р 2

q 1

q 2

Рис.6.6.1. Цикл тепловой машины

Рассмотрим круговой цикл тепловой машины, изображённый на рисунке. В процессе расширения рабочего тела по линии 1-3-2 к нему от источника тепловой энергии с температурой Т 1 , то есть от горячего источника тепла , подводится тепло в количестве q 1 . В результате имеет место дополнительное увеличение объёма рабочего тела. Таким образом, расширение рабочего тела осуществляется как за счёт снижения давления в рабочей камере, так и за счёт повышения его температуры. Однако для получения механической работы процесс расширения нагретого рабочего тела в рабочей камере должен осуществляться под определённым противодавлением со стороны подвижных поверхностей рабочей камеры. При этом получается положительная удельная механическая работа l 1 , а именно работа расширения рабочего тела, эквивалентна площади S 1-3-2-6-5-1 . При достижении точки 2 рабочее тело должно быть возвращено в первоначальное состояние, то есть в точку 1. Для этого нужно сжать рабочее тело.

Для того чтобы тепловая машина непрерывно производила механическую энергию, работа расширения рабочего тела должна быть больше работы его сжатия. Поэтому кривая сжатия 2-4-1 должна лежать ниже кривой расширения. Если процесс сжатия пойдёт по линии 2-3-1 , то никакой технической, то есть полезной, работы получено не будет, так как в этом случае будет l 1 = l 2 , где l 2 – отрицательная удельная работа сжатия рабочего тела. Поэтому для получения полезной работы необходимо в процессе расширения понизить давление рабочего тела за счёт отвода от него части тепла q 2 к источнику тепла с более низкой температурой Т 2 , то есть к холодному источнику тепла . Соответственно, l 2 эквивалентна площади S 2-4-1-5-6-2 . В результате каждый килограмм рабочего тела совершает за цикл полезную работу l ц , которая эквивалентна площади S 1-3-2-4-1 , ограниченной контуром цикла. Таким образом, для непрерывной работы тепловой машины необходим циклический процесс, в котором к рабочему телу от горячего источника подводится тепло q 1 и отводится от него к холодному источнику тепло q 2 . Наличие, по меньшей мере, двух источников тепла с разными температурами - горячего и холодного – является вторым необходимым условием работы тепловых машин .

Чрезвычайно важно подчеркнуть, что всё тепло q 1 , полученное рабочим телом от горячего источника, не может быть превращено в работу. Часть q 1 , то есть q 2 , обязательно должна быть отдана другому телу (телам) с более низкой температурой. В качестве такого тела может выступать атмосферный воздух, большой объём воды и тому подобное. Многочисленные попытки создать тепловую машину, в которой всё тепло q 1 превращалось бы в работу, то есть имело бы место равенство q 2 = 0, неизбежно оканчивались провалом. Такая машина, которая могла бы превращать всё подводимое к ней тепло в работу, получила название вечного двигателя второго рода , или перпетуум мобиле (perpetuum mobile ) второго рода . Весь накопленный наукой опытный материал говорит о том, что такой двигатель невозможен.

Ещё раз отметим, что наличие холодного источника тепла и передача ему части полученного от горячего источника тепла является обязательным, так как иначе работа тепловой машины невозможна. Действительно, для получения непрерывной механической работы необходимо наличие потока энергии, в данном случае потока тепла. Если же холодный источник будет отсутствовать, то рабочее тело неизбежно придёт в тепловое равновесие с горячим источником и поток тепла прекратится.

1-3-2 и 2-4-1 соответственно будет иметь вид:

q 1 = + Du + l 1 ;

Величины q 2 иl 2 необходимо брать по модулю, что позволит избежать путаницы со знаками у q 2 , так как уходящее из системы тепло имеет знак минус. Внутренняя энергия рабочего тела за цикл не должна изменяться, и поэтому перед Du в уравнениях проставлены прямо противоположные алгебраические знаки. Сложив эти уравнения, получим:

q 1 - |q 2 | = q ц = l 1 - ½l 2 ½ = l ц, (6.6.1)

где q ц - часть тепла горячего источника, превращаемая в цикле в работу; l ц – работа цикла 1-3-2-4-1 .

Так как в рассматриваемом случае l 1 > l 2 , то работа цикла положительна. Она, как показывает (6.6.1), равна разности подведённого и отведённого в цикле тепла.

Эффективность преобразования q 1 в l ц оценивается термическим (термодинамическим, тепловым) КПД цикла тепловой машины:

. (6.6.2)

Таким образом, термический КПД цикла тепловой машины есть отношение полученной в цикле полезной работы l ц ко всему введённому в рабочее тело теплу q 1 .

Цикл, состоящий из обратимых процессов, называется идеальным. При этом рабочее тело в таком цикле не должно подвергаться химическим изменениям. Если хотя бы один из процессов, входящих в состав цикла, будет необратимым, то цикл будет уже не идеальным. Для выполнения идеального цикла в тепловой машине (двигателе) должны полностью отсутствовать тепловые и механические потери. Такая машина получила название идеальной тепловой машины (идеального теплового двигателя).

Так как ½q 2 ½> 0, то h Т < 1,0, то есть КПД тепловой машины, даже идеальной, всегда будет меньше 1,0. Результаты исследований идеальных циклов могут быть перенесены на действительные, то есть необратимые, процессы реальных тепловых машин путём введения опытных поправочных коэффициентов.

Соотношение (6.6.2) является математическим выражением принципа эквивалентности тепловой и механической энергии. Если исключить из схемы тепловой машины холодный источник, то формально принцип эквивалентности не будет нарушен. Однако, как уже отмечалось выше, такая машина работать не будет.

Циклы, в результате которых получается положительная работа, то есть когда l 1 > l 2 , называются прямыми циклами , или циклами теплового двигателя . По этим циклам работают двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели, газовые и паровые турбины и так далее.

Если цикл, изображённый на рис.6.6.1, представить протекающим в обратном направлении, то есть по замкнутой кривой 1-4-2-3-1 (см. рис. 6.6.2), то для его осуществления необходимо уже затратить работу l ц , которая будет уже отрицательной и эквивалентной площади S 1-4-2-3-1 . Охлаждаемым телом в такой машине является холодный источник тепла, а нагреваемым - окружающая среда, то есть горячий источник тепла. Такие циклы называются циклами холодильной машины, или холодильными (обратными) циклами.

Чтобы поддержать низкую температуру охлаждаемого тела, нужно непрерывно отводить от него тепло q 2 , которое поступает в рабочее тело от холодного источника. Этот отвод в холодильном цикле осуществляется в процессе 1-4-2 расширения рабочего тела, которое это тепло воспринимает и совершает при этом положительную работу l 2 , эквивалентную площади
S 1-4-2-6-5-1 . Возврат рабочего тела в исходное состояние происходит в процессе сжатия по кривой 2-3-1 , расположенной над кривой процесса расширения, то есть в процессе, происходящем при более высоких температурных условиях. Это даёт возможность передавать отводимое от рабочего тела тепло q 1 горячему источнику тепла, в качестве которого обычно выступает окружающая среда. На сжатие затрачивается отрицательная работа l 1 определяемая на графике площадью S 2-3-1-5-6-2 .

v 2

v 1

Р 1

Р 2

q 1

q 2

Рис. 6.6.2. Цикл холодильной машины

Уравнение 1-го закона термодинамики для процессов 1-4-2 и 2-3-1 с учётом алгебраических знаков перед составляющими соответственно имеют вид:

q 2 = +Du + l 2 ; -½q 1 ½= - Du - ½l 1 ½ .

Сложение по частям обоих уравнений даёт:

q 2 - ½q 1 ½= - (½l 1 ½ - l 2) = -½l ц ½ (6.6.3)

½q 1 ½= q 2 +½l ц.½ (6.6.4)

Это выражение показывает, что тепло q 1 , передаваемое горячему источнику тепла, складывается из тепла q 2 , поступившего в рабочее тело из холодного источника тепла, и работы цикла l ц . Так как ½l 1 ½ > l 2 , то l ц < 0 и, следовательно, для непрерывной работы холодильной машины необходимо затрачивать работу. Таким способом осуществляется передача тепла с низшего температурного уровня на высший, то есть производится охлаждение некоторых частей ОС и создаётся в нужном месте температура ниже температуры самой ОС . По холодильному (обратному циклу) работают холодильные машины, тепловые насосы и так далее.

Эффективность работы холодильной машины оценивается так называемым холодильным коэффициентом e , определяемым отношением отнятой от холодного источника ограниченной ёмкости полезного тепла q 2 к затраченной работе l ц :

. (6.6.5)

Холодильный коэффициент характеризует эффективность передачи тепла от холодного источника тепла к горячему источнику тепла. Он будет тем больше, чем большее количество тепла q 2 будет взято от холодного источника тепла и передано горячему источнику тепла и чем меньше будет на это затрачено работы l ц . В отличие от термического (термодинамического,теплового) КПДh Т холодильный коэффициент 𝜺 может быть больше, меньше и равным единице.

В холодильной машине q 1 выбрасывается в окружающую среду, являющуюся источником неограниченной ёмкости . Поэтому холодильная машина может быть использована не только для охлаждения различных тел, но и для отопления помещения. Действительно, даже обычный бытовой холодильник, охлаждая помещённые в нём продукты, одновременно нагревает воздух в комнате. Принцип динамического отопления был предложен У. Томсоном и положен в основу действия современных тепловых насосов . Тепловыми насосами являются машины, основным продуктом производства которых является тепло q 1 , передаваемое в источник ограниченной ёмкости . Их эффективность оценивается отопительным коэффициентом , представляющим собой отношение переданного потребителю тепла q 1 к l ц:

В этом случае тепло q 2 отбирается от источника неограниченной ёмкости (атмосферный воздух, большие объёмы воды, породный массив).

Преимущество теплового насоса по сравнению с электрическим нагревателем заключается в том, что на нагрев помещений используется не только преобразованная в тепло электрическая энергия, но и тепло, отобранное от окружающей среды. Поэтому эффективность тепловых насосов может быть гораздо выше эффективности электрических нагревателей.

Комбинация из цикла двигателя и циклов теплового насоса или холодильной установки представляет собой цикл теплового трансформатора , который позволяет перекачивать тепло от источника с одной Т к источнику с другой Т в ходе совмещённого цикла. Назначение теплового трансформатора – изменение потенциала тепла. Если трансформатор предназначен для получения тепла с более низкой Т , чем исходная Т горячего источника, то такой трансформатор называется понижающим . Если в трансформаторе получено тепло при Т более высокой, чем исходное тепло, то такой трансформатор называется повышающим .

Таким образом, работа любой тепловой или холодильной машины возможна только при наличии двух источников тепла: горячего и холодного.

На производстве привело к появлению тепловых машин.

Устройство тепловых машин

Тепловая машина (тепловой двигатель) - устройство для преобразования внутренней энергии в механическую.

Любая тепловая машина имеет нагреватель, рабочее тело (газ или пар), которое в результате нагрева выполняет работу (приводит во вращение вал турбины, двигает поршень и так далее) и холодильник. На рисунке ниже изображена схема теплового двигателя.

Основы действия тепловых двигателей

Каждая тепловая машина функционирует благодаря двигателю. Для выполнения работы ему нужно, чтобы по ту и другую сторону поршня двигателя или лопастей турбины была разность давлений. Достигается эта разность во всех тепловых двигателях так: температура рабочего тела повышается на сотни или тысячи градусов в сравнении с температурой окружающей среды. В и в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) происходит повышение температуры за счет того, что топливо сгорает внутри самого двигателя. Холодильником может выступать атмосфера или специального назначения устройства для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Цикл Карно

Цикл (круговой процесс) - совокупность изменений состояния газа, в результате которых он возвращается в исходное состояние (может выполнять работу). В 1824 году французский физик Сади Карно показал, что выгодным является цикл тепловой машины (цикл Карно), который состоит из двух процессов - изотермического и адиабатного. На рисунке ниже изображен график цикла Карно: 1-2 и 3-4 - изотермы, 2-3 и 4-1 - адиабаты.

В соответствии с законом сохранения энергии работа тепловых машин, которую выполняет двигатель, равна:

А = Q 1 - Q 2 ,

где Q 1 - количество теплоты, которое получено от нагревателя, а Q 2 - количество теплоты, которое предано холодильнику.
КПД тепловой машины называется отношение работы А, которую выполняет двигатель, к количеству теплоты, которое получено от нагревателя:

η = А/Q =(Q 1 - Q 2)/Q 1 = 1 - Q 2 /Q 1 .

В работе «Мысли о движущей силе огня и о машинах, которые способны развивать эту силу» (1824) Карно описал тепловую машину под названием "идеальная тепловая машина с идеальным газом, который представляет собой рабочее тело". Благодаря законам термодинамики можно вычислить КПД (максимально возможный) теплового двигателя с нагревателем, который имеет температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 . Тепловая машина Карно имеет КПД:

η max = (T 1 - T 2)/T 1 = 1 - T 2 /T 1.

Сади Карно доказал, что какая угодно тепловая машина реальная, которая работает с нагревателем с температурой Т 1 и холодильником с температурой Т 2 не способна иметь КПД, который бы превышал КПД тепловой машины (идеальной).

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС)

Четырехтактный ДВС состоит из одного или нескольких цилиндров, поршня, кривошипно-шатунного механизма, впускного и выпускного клапанов, свечи.

Рабочий цикл состоит из четырех тактов:

1) засасывания - горючая смесь попадает через клапан в цилиндр;
2) сжатия - оба клапана закрыты;
3) рабочий ход - взрывное сгорание горючей смеси;
4) выхлоп - выпуск отработанных газов в атмосферу.

Паровая турбина

В паровой турбине преобразование энергии происходит за счет разницы давлений водяного пара на входе и выходе.
Мощности современных паровых турбин достигают 1300 МВт.

Некоторые технические параметры паровой турбины мощностью 1200 МВт

Давление пара (свежего) - 23,5 МПа.
Температура пара - 540 °С.
Расход пара турбиной - 3600 т/ч.
Частота вращения ротора - 3000 об/мин.
Давление пара в конденсаторе - 3,6 кПа.
Длина турбины - 47,9 м.
Масса турбины - 1900 т.

Тепловая машина состоит из воздушного компрессора, камеры сгорания и Принцип работы: воздух адиабатно засасывается в компрессор, поэтому его температура повышается до 200 °С и более. Далее попадает в камеру сгорания, куда одновременно под большим давлением поступает жидкое топливо - керосин, фотоген, мазут. При сгорании топлива воздух нагревается до температуры 1500-2000 °С, расширяется, и скорость его движения растет. Воздух движется с большой скоростью, и продукты сгорания направляются в турбину. После перехода от ступени к ступени продукты сгорания отдают лопастям турбины свою кинетическую энергию. Часть энергии, полученной турбиной, идет на вращение компрессора; оставшаяся часть расходуется на вращение ротора электрогенератора, винта самолета или морского судна, колес автомобиля.

Газовую турбину можно использовать, кроме вращения колес автомобиля и или теплохода, в качестве реактивного двигателя. Воздух и продукты сгорания с большой скоростью выбрасываются из газовой турбины, поэтому реактивная тяга, которая возникает при этом процессе, может использоваться для хода воздушных (самолет) и водных (теплоход) судов, железнодорожного транспорта. Например, турбовинтовые двигатели имеют самолеты Ан-24, Ан-124 («Руслан»), Ан-225 («Мечта»). Так, «Мечта» при скорости полета 700-850 км/ч способна перевозить 250 тонн груза на расстояние почти 15 000 км. Это крупнейший транспортный самолет в мире.

Экологические проблемы тепловых машин

Большое влияние на климат имеет состояние атмосферы, в частности наличие углекислого газа и водяного пара. Так, изменение содержания углекислого газа приводит к усилению или ослаблению парникового эффекта, при котором углекислый газ частично поглощает тепло, которое Земля излучает в космос, задерживает его в атмосфере и повышает тем самым температуру поверхности и нижних слоев атмосферы. Явление парникового эффекта играет решающую роль в смягчении климата. При его отсутствии средняя температура планеты была бы не +15 °С, а ниже на 30-40 °С.

Сейчас в мире существует более 300 млн различного вида автомобилей, которые создают более половины всех загрязнений атмосферы.

За 1 год в атмосферу из тепловых электростанций в результате сжигания топлива выделяется 150 млн тонн оксидов серы, 50 млн тонн оксида азота, 50 млн тонн золы, 200 млн тонн оксида углерода, 3 млн тонн феона.

В состав атмосферы входит озон, который защищает все живое на земле от губительного воздействия ультрафиолетовых лучей. В 1982 году Дж. Фарманом, английским исследователем, над Антарктидой была открыта озоновая дыра - временное снижение содержания озона в атмосфере. В момент максимального развития озоновой дыры 7 октября 1987 количество озона в ней уменьшилось в 2 раза. Озоновая дыра, вероятно, возникла в результате антропогенных факторов, в том числе использования в промышленности хлорсодержащих хладонов (фреонов), которые разрушают озоновый слой. Однако исследования 1990 гг. не подтвердили эту точку зрения. Скорее всего, появление озоновой дыры не связано с деятельностью человека и является естественным процессом. В 1992 году и над Арктикой была открыта озоновая дыра.

Если весь атмосферный озон собрать в слой у поверхности Земли и сгустить его к плотности воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре 0 °С, то толщина озонового щита будет всего лишь 2-3 мм! Вот и весь щит.

Немного из истории...

Июль 1769 года. В парижском парке Медоне военный инженер Н. Ж. Кюньйо на «огненной телеге», которая была оснащена двухцилиндровым паровым двигателем, проехал несколько десятков метров.
1885 год. немецкий инженер, построил первый бензиновый четырехтактный трехколесный автомобиль Motorwagen мощностью 0,66 кВт, на который 29 января 1886 года получил патент. Скорость машины достигала 15-18 км/ч.
1891 год. немецкий изобретатель, изготовил грузовую тележку с двигателем мощностью 2,9 кВт (4 лошадиные силы) от легкового автомобиля. автомобиля достигала 10 км/ч, грузоподъемность в различных моделях составляла от 2 до 5 тонн.
1899 год. Бельгиец К. Женатци на своем автомобиле «Жаме Контант» («Всегда недовольная») впервые преодолел 100-километровый рубеж скорости.

Примеры решения задач

Задача 1. Температуру нагревателя идеальная тепловая машина имеет равную 2000 К, а температуру холодильника - 100 °С. Определить КПД.

Решение :
Формула, которая определяет КПД тепловой машины (максимальный):

ŋ = Т 1 -Т 2 /Т 1.
ŋ = (2000К - 373К) / 2000 К = 0,81.

Ответ: КПД двигателя - 81 %.

Задача 2. В тепловом двигателе при сгорании топлива было получено 200 кДж теплоты, а холодильнику передано 120 кДж теплоты. Каков КПД двигателя?

Решение:
Формула для определения КПД имеет такой вид:

ŋ = Q1 - Q2 / Q1.
ŋ = (2·10 5 Дж - 1,2·10 5 Дж) / 2·10 5 Дж = 0,4.

Ответ: КПД теплового двигателя - 40 %.

Задача 3. Каков КПД тепловой машины, если рабочее тело после получения от нагревателя количества теплоты 1,6 МДж выполнило работу 400 кДж? Какое количество теплоты было передано холодильнику?

Решение:
КПД можно определить по формуле

ŋ = 0,4·10 6 Дж / 1,6·10 6 Дж = 0,25.

Переданное холодильнику количество теплоты можно определить по формуле

Q 1 - А = Q 2.
Q 2 = 1,6·10 6 Дж - 0,4·10 6 Дж = 1,2·10 6 Дж.
Ответ: тепловая машина имеет КПД 25 %; переданное холодильнику количество теплоты - 1,2·10 6 Дж.

Основные части тепловой машины. Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической работыА" за счет количества теплотыQ , полученного при сжигании топлива. Обычно в тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называетсярабочим телом. Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее тело получает количество теплоты Q, называетсянагревателем.

Упрощенная модель тепловой машины, состоит из цилиндра, заполненного воздухом, и поршня.

Поместим на поршень тело массой т, предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специальные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня). Расположим под цилиндром нагреватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем остается неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры Т2 давление не достигнет значениярг, при котором вес поршня с грузомmg и сила атмосферного давления, равнаяp 1 S , уравниваются с силой давления газа на поршеньрг S . Этому процессу соответствует изохора.

При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза на высоту h объем газа в цилиндре увеличивается от V1 доV 2, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения Тз. Этому процессу соответствует изобара. Когда поршень коснется ограничителя в верхней части цилиндра, снимем груз и прекратим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при температуре Тз до объемаV 1, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы засчет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины. Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давленииp 1 меньшемрг, и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемаяхолодильником.

Рабочий цикл тепловой машины. Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет значенияp 1 при температуреТ4. Этому процессу ответствует изохора. Для возвращения газа в исходное состояние, характеризуемое давлениемp 1, объемомV 1 и температуройТ1, необходимо продолжить его охлаждение до температурыT1. Этому процессу соответствует изобара. Процессы, в результате совершения которых газ возвращается в исходное состояние, называют круговыми илициклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, (образующих прямоугольник.).

Рабочий цикл тепловой машины и ее КПД. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю: U =0.

Согласно первому закону термодинамики  U=Q-A"=0, илиA "= Q .

Работа А", совершенная рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплотыQ. Количество теплотыQ , полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплотыQ1, полученного от нагревателя, и количества теплотыQ 2, отданного холодильнику: Q = Q 1- Q 2.

Следовательно, A"=Q1-Q2.

Коэффициент полезного действия , равный отношению полезно использованной энергии к затраченной энергии, для тепловой машины оказывается равным

 = A "/ Q1, или= (Q1-Q2) / Q1

Французский инженер Сади Карно (1796-1832)в 1824г. установил чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температурыT1 нагревателя и температурыТ2 холодильника: независимо от конструкции и выбора рабочего тела максимальное значение- КПД тепловой машины определяется выражением (max) = (Т1 –Т2) / Т1.

Любая реальная тепловая машина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение:

(Т1 –Т2) / Т1  

Выражение для максимального значения КПД тепловой машины показывает, что для повышения коэффициента полезного действия тепловых машин существует два пути -повышение температурыT1 нагревателя и понижение температурыT2 холодильника. КПД тепловой машины мог бы стать равным единице, если бы имелась возможность использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю.

Однако этот путь даже теоретически неосуществим, так как абсолютный нуль, согласно представлениям термодинамики, не может быть достигнут. Наиболее приемлемыми холодильниками для реальных тепловых машин являются атмосферный воздух или вода при температуре около 300К. Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых машин -это повышение температуры нагревателя.