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

P

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

P

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.

Условия, необходимые для работы теплового двигателя

Тепловым двигателем называется машина, в которой происходит превращение энергии, полученной при сгорании топлива, в механическую энергию.

Вещество, производящее работу в тепловых двигателях, называется рабочим телом или рабочим веществом . В паровых двигателях таким рабочим веществом является пар, а в двигателях внутреннего сгорания – газ.

Установим общие условия (относящиеся ко всем тепловым двигателям), которые необходимы, чтобы преобразовать энергию топлива в энергию движения машин и механизмов. Эти условия мы выясним на примере работы паросиловой установки, схема которой изображена на рисунке.

Одна из частей паросиловой установки – топка с паровым котлом С. В котле образуется пар, который под давлением направляется по трубе М в цилиндр паровой машины Е. Здесь пар расширяется и, двигая поршень, совершает работу. Посредством передающего механизма А возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение маховика, который приводит в движение рабочие части станков, сельскохозяйственных машин, генераторов тока и т. д.

Реактивные двигатели

Развитие авиации сводится в основном к увеличению скорости, высоты, грузоподъёмности, дальности, надёжности полёта самолётов, что в значительной степени зависит от возможностей совершенствования двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания с винтами-пропеллерами уже не обеспечивают увеличения скорости и высоты полёта самолётов. Причина этого заключается в следующем.

В самолёте с воздушным винтом последний, вращаясь, отбрасывает воздух, заставляя его двигаться ускоренно. По третьему закону Ньютона , отбрасываемая масса воздуха действует на винт, толкает его вперёд, создавая этим тягу, движущую весь самолёт. Тяга получается, таким образом, как результат ответного воздействия (реакции) воздуха, отбрасываемого винтом. Винт служит посредником, который за счёт энергии топлива совершает работу по передвижению самолёта.

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

При устройстве тепловых двигателей важно прежде всего добиться, чтобы как можно большее количество энергии сгораемого топлива превратилось в механическую энергию, иначе говоря, при минимальной затрате топлива получилась максимальная работа. Тогда двигатель будет экономичным. Зная количество теплоты Q 1 , переданное рабочему телу от нагревателя, и количество теплоты Q 1 – Q 2 , превращенное в механическую энергию, можно оценить степень экономичности этого процесса превращения.

Отношение количества теплоты, превращенной машиной о механическую энергию, к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины (к. п. д.).

К. п. д. машины принято обозначать буквой η (греч. «эта»):

η = (Q 1 – Q 2) : Q 1

Изучая условия получения работе за счёт внутренней энергии пара в паровых машинах, Карнов 1824 г. установил, что коэффициент полезного действия любого реального теплового двигателя не может превышать величины (Т 1 – Т 2) : T 1 , где Т 1 – абсолютная температура нагреватели, а Т 2 – абсолютная температура холодильника. Чем ближе к. п. д. двигателя к этой величине, тем двигатель совершеннее. Этот вывод хорошо оправдывается на практике.

Работа при расширении газа

Представим себе, что в цилиндре под поршнем, площадь которого S, находится какой-нибудь газ, давление которого равно р. Сила, с которой газ давит на поршень, определяется по формуле F = pS. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он расширится и поршень переместится на некоторое расстояние h.

Газ при этом совершит работу А = pSh. Но Sh = V 2 – V 1 есть увеличение объёма газа, следовательно:

A = p · (V 2 – V 1)

Работа газа при изобарном расширении равна произведению давления газа на увеличение его объёма.

Дизельный двигатель

От чего зависит коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания? Как и во всякой тепловой машине, в этом двигателе имеется источник энергии – нагреватель (таким источником является сгорающее топливо) и холодильник – атмосферный воздух. Чем выше разность температур между ними, тем выше к. п. д. двигателя.

Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси, велика (порядка 1600–1800 о С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания значительно выше к. п. д. паровых машин. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания достигает 20–30%.

Как можно ещё повысить к. п. д. этого двигателя? Опыт и расчёты показывают, что для этого нужно добиться большей степени сжатия смеси. Однако в двигателях карбюраторного типа очень сильно сжимать горючую смесь нельзя, так как она, сильно нагреваясь, будет преждевременно самовоспламенятся.

Немецкий инженер Дизель изобрёл двигатель, названный его именем, работающий по такому циклу, который позволяет избежать указанных выше затруднений и значительно повысить к. п. д.

Паровые турбины

Среди тепловых двигателей важное место занимают паровые турбины. В отличие от поршневых паровых двигателей в паровых турбинах используется не энергия упругости пара, а кинетическая энергия струн пара.

Предположим, что давление пара в котле равно р 1 . Предоставим пару возможность свободно вытекать из котла через какое-либо отверстие или через насадку – сопло. При истечении через сопло давление пара будет падать, и в устье сопла оно окажется равным некоторому давлению р 2 . Вначале скорость пара равна нулю, при выходе же из сопла она увеличивается; при этом давление пара в сопле падает.

Потенциальная энергия пара при падении его давления уменьшается; соответственно увеличивается кинетическая энергия пара (по закону сохранения и превращения энергии). Вытекающий из сопла пар попадает на лопатки рабочего колеса и приводит его во вращение.

Схема действия одного из типов турбин представлена на рисунке. На валу А насажен диск В, по ободу которого закреплены лопатки L. Против лопаток расположены сопла С, в которые пар поступает из котла. В соплах пар расширяется и, выходя из их устьев с большой скоростью, попадает в каналы, образуемые лопатками, где теряет часть своей кинетической энергии, которая идёт на приведение диска В вместе с валом во вращательное движение. Па рисунке изображено колесо однодисковой турбины Лаваля (без кожуха).

Двигатель внутреннего сгорания

В паровых машинах и паровых турбинах для преобразования энергии топлива в механическую энергию используют водяной пар, который получается в паровых котлах. Наряду с этим существуют тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения при этом энергии и совершения за счёт части её механической работы; такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания . В этих двигателях используется жидкое или газообразное топливо. Жидкое топливо перед сжиганием испаряется или распыляется в воздухе.

Рассмотрим устройство четырёхтактного карбюраторного автомобильного двигателя. Принцип действия двигателей, применяемых на тракторах и самолётах, сходен с автомобильным.

Схема четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и диаграмма работы такого двигателя изображены на рисунке.

Из схемы видно, что внутри цилиндра А может свободно перемещаться поршень В. В верхней части цилиндра имеются два клапана. Через клапан Д производится впуск так называемой горючей смеси, состоящей из воздуха и мельчайших частиц жидкого или газообразного топлива. Клапан Е служит для удаления из цилиндра отработавших газов; С – запальник (свеча), назначение которого – воспламенять находящуюся над поршнем смесь.

Паровые котлы

Одна и основных частей паросиловой установки – котёл. Каждый паровой котел состоит из топки для сжигания топлива, топочного пространства, барабана котла с водяным и паровым пространством, герметически закрытым. Всякий котёл обладает определенной производительностью, измеряемой количеством воды, которую он способен испарить в течение часа при определенных температуре и давлении. Часть котла, которая во время топки приходит в соприкосновение с пламенем, называется поверхностью нагрева .

На рисунке изображен дымогарный котёл. Внутри этого котла помещён ряд трубок А, по которым продукты горения проходят в дымовую коробку В, откуда попадают в дымовую трубу. Такие котлы устанавливают на локомобилях и на паровозах. Многочисленные дымогарные трубки дают огромную поверхность нагрева, с помощью которой в большей степени полезно используется энергия, получающаяся при сгорании топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.

Можно сделать котлы иначе: по трубкам пустить воду, а между трубками пламя. Такие котлы называются водотрубными .

Виды реактивных двигателей

Все разнообразные виды реактивных двигателей состоят из следующих основных частей: 1) бака с топливом, 2) камеры, где это топливо сгорает, 3) устройств, обеспечивающих подачу топлива в камеру сгорания и истечение продуктов сгорания. В зависимости от вида используемого топлива реактивные двигатели разделяются на две большие группы: двигатели на твёрдом топливе, двигатели на жидком топливе.

Простейшим примером двигателя на твёрдом топливе служит пороховая ракета. В ракете при сгорании пороха образуются газы, которые выбрасываются из тела ракеты, создавая реактивную тягу.

В жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) сгорают жидкие горючие вещества (нефтепродукты, спирт и т. д.). Жидкостные реактивные двигатели применялись в конце второй мировой войны для самолётов–снарядов дальнего действия. Скорость самолётов-снарядов достигала 5400 км/ч при дальности полёта 290-300 км и высоте траектории 100 км.

К этому же роду двигателей относится ракетный двигатель для межпланетных сообщений, изобретённый К. Э. Циолковским.

Паровая машина

В паровой машине энергия пара непосредственно преобразуется в энергию движения поршня.

На рисунке изображена схема устройства одноцилиндровой паровой машины. Пар из парового котла по трубе А поступает в парораспределительную коробку В, а оттуда в рабочий цилиндр С – попеременно то с одной, то с другой стороны поршня. Распределение пара производится с помощью золотника Z.

Когда пар поступает в правую часть цилиндра, то он толкает поршень влево, а отработавший пар вытесняется и выходит через выводную трубу (на рисунке эта труба не показана). Затем, наоборот, пар поступает в левую часть цилиндра и толкает поршень вправо.

При помощи штока Е, шатуна F и кривошипа К возвратно-поступательное движение поршня превращается во вращательное движение вала машины и махового колеса. В свою очередь маховое колесо через передающий механизм L и М перемещает золотник, который поочерёдно впускает пар то с правой, то с левой стороны поршня.

Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую, называются тепловыми двигателями. К ним относятся: двигатели внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивные двигатели. Выясним, какие необходимы условия для того, чтобы в тепловом двигателе внутренняя энергия топлива превращалась в механическую энергию рабочего вала двигателя.

Вещество, которое совершает работу в тепловом двигателе, называется рабочим телом. В паровых двигателях таковым является пар, а в двигателе внутреннего сгорания, реактивном двигателе и в газовой турбине - газ. Как показывает теория тепловых двигателей, чтобы рабочее тело непрерывно совершало в них работу, необходимо наличие в двигателе нагревателя и холодильника. Устройство, в котором рабочее тело нагревается за счет энергии топлива, называется нагревателем (паровой котел, цилиндр). Устройство, в котором рабочее тело после совершения работы охлаждается, называется холодильником (атмосфера, конденсатор, в котором отработавший пар охлаждается проточной водой и превращается в воду).

Проделаем следующий опыт (рис. 30). Возьмем U-образную трубку с водой. Одно колено трубки соединено с теплоприемником (в котором находится рабочее тело - газ), в другом колене имеется поплавок А. Попеременно теплоприемник будем нагревать спиртовкой и опускать в холодную воду. Спиртовка выполняет роль нагревателя рабочего тела, холодная вода - роль холодильника. Работа такой модели теплового двигателя заключается в повторяющемся процессе - поднятии и опускании воды вместе с поплавком. Это происходит так: рабочее тело (газ), нагреваясь в нагревателе и расширяясь, совершает работу по поднятию воды с поплавком; для того чтобы рабочее тело снова могло совершить работу, его охлаждают в холодильнике, а затем опять нагревают. Пока этот процесс будет повторяться - модель такого двигателя будет действовать.

Тепловой двигатель работает непрерывно. Так происходит, потому, что в нем процессы, происходящие с рабочим телом, периодически повторяются: оно нагревается, расширяясь, совершает работу, охлаждается, снова нагревается и т. д. (Проследите это в работе двигателя внутреннего сгорания. Значит, для работы теплового двигателя необходимо иметь: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Для периодически повторяющихся процессов был открыт закон, по которому невозможно осуществить такой периодически повторяющийся процесс, единственным и конечным результатом которого было бы полное превращение количества теплоты, полученного от нагревателя, в работу. Применительно к тепловому двигателю это означает: количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, не может быть полностью использовано для совершения работы, так как невозможен процесс полного перехода внутренней энергии беспорядочного движения большого числа молекул в механическую энергию движения тела (поршня двигателя, рабочего колеса турбины).

Чтобы в реальных тепловых двигателях рабочее тело снова и снова совершало работу, отработавшую порцию рабочего тела удаляют из двигателя в холодильник, т. е. в атмосферу, или в конденсатор для подогрева воды, или для отопления (рис. 31). При этом, чтобы на удаление была совершена как можно меньшая работа, в холодильнике температура и давление всегда меньше, чем в рабочей камере двигателя. Благодаря разнице работы пара и работы по его удалению двигатель и совершает полезную работу. С энергетической точки зрения процесс, происходящий в тепловых двигателях, сводится к следующему (рис. 32): рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q н , часть которого отдает холодильнику Q x , а за счет оставшейся части совершает работу А = Q н - Q x .

Многообразно применение тепловых двигателей. Карбюраторные двигатели, например, применяются в автомобилях, мотоциклах; дизели - в тракторах, автомобилях большой грузоподъемности, тепловозах, теплоходах, морских судах; паровые турбины - на электростанциях; газовые турбины - на электростанциях, газотурбовозах, в доменных печах для приведения в действие воздуходувок, являются частью одного из типов реактивного двигателя; реактивные двигатели - в авиации, в ракетах.

Лекция: Принципы действия тепловых машин

Тепловая машина

Тепловая машина - это система, которая может превратить тепло в работу или же наоборот, совершает работу для получения тепла.

Существует два основных вида тепловых машин:

1. Системы, способные превращать тепло в работу. Такие системы называются тепловыми двигателями . Данные тепловые машины лежат в основе двигателей на автомобилях. Чтобы машина ехала, двигатель должен совершать работу. Для совершения данной работы происходит сгорание топлива.

2. Системы, способные охлаждать тела, за счет совершения работы внешних сил. Такие системы называются холодильными машинами. В основе нашего домашнего холодильника лежит принцип холодильной машины. Любое тепло, которое подводится к ней, выводиться за пределы машины за счет совершения работы внешними силами.

Любая тепловая машина состоит из тела, которое совершает работу, холодильника и нагревателя.

Тепловые двигатели

В основе данной машины лежит принцип извлечения работы из беспрерывного движения структурных единиц вещества. Данное изобретение открыло двери в эру нового технического прогресса.

Рабочим телом для данной машины является газ. Во время его нагревания поршень двигателя передвигается и тем самым совершает работу. Чтобы газ расширился, к нему подводят нагреватель. Расширение будет происходить только в том случае, когда температура газа будет больше, чем температура окружающей среды.

Во время сгорания топлива выделяется достаточная энергия, большая часть которой идет на совершение работы, поэтому

Q1 = A1

Теперь давайте разберемся, какую роль играет холодильник в тепловой машине. Для того, чтобы машина постоянно работала, необходимо, чтобы газ расширялся и сужался - в таком случае поршень будет периодически возвращаться в исходное положение. Поэтому холодильник охлаждает газ, передавая ему теплоту: Q2 = A2

В данном случае полезная работа будет равна: A = A1 − A2

Чтобы работа охлаждения была меньше, её следует совершать при меньшем давлении, как показано на графике.

Где Q1 - Q2 = А, А - полезная работа.

Стоит отметить, что КПД всегда меньше единицы. Более того, зачастую нами используются тепловые двигатели, КПД которых меньше 50%.

Холодильные машины

Как было сказано в предыдущих разделах, нельзя заставить некоторую систему самопроизвольно передавать тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Однако ключевое слово здесь - самопроизвольно. С помощью внешнего источника работы это все-таки возможно. Холодильная машина производит именно такие процессы.

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.