Издревле люди пытались преобразовать энергию в механическую работу. Они преобразовывали кинетическую энергию ветра, потенциальную энергию воды и т.д. Начиная, с 18 века начали появляться машины, преобразовывающие внутреннею энергию топлива в работу. Подобные машины работали, благодаря тепловым двигателям.
Тепловой двигатель – прибор, преобразующий тепловую энергию в механическую работу, за счет расширения (чаще всего газов) от высокой температуры.
Любые тепловые двигатели имеют составные части:
- Нагревательный элемент . Тело с высокой температурой относительно окружающей среды.
- Рабочее тело. Поскольку работу обеспечивает расширение, данный элемент должен хорошо расширяться. Как правило, используется газ или пар.
- Охладитель . Тело с низкой температурой.
Рабочее тело получает тепловую энергию от нагревателя. В следствии, оно начинает расширяться и совершать работу. Чтобы система могла вновь совершить работу, её нужно вернуть в исходное состояние. Поэтому рабочее тело охлаждается, то есть излишняя тепловая энергия, как бы сбрасывается в охлаждающий элемент. И система приходит в изначальное состояние, далее процесс повторяется снова.
Вычисление КПД
Для расчета КПД, введем следующие обозначения:
Q 1 –Количество теплоты получаемое от нагревательного элемента
A’– Работа совершаемая рабочим телом
Q 2 –Количество теплоты полученной рабочим телом от охладителя
В процессе охлаждения, тело передает теплоту, поэтому Q 2 < 0.
Работа такого устройства это циклический процесс. Это означает, что после совершения полного цикла, внутренняя энергия вернется в исходное состояние. Тогда, по первому закону термодинамики, работа совершаемая рабочим телом будет равна, разности количества теплоты полученного от нагревателя и теплоты полученного от охладителя:
Q 2 – отрицательная величина, поэтому она берется по модулю
КПД выражается как отношение полезной работы к полной работе, которая выполнила система. В данном случае, полная работа будет равно количеству теплоты, которое израсходовано на нагревание рабочего тела. Вся затраченная энергия выражается через Q 1 .
«Физика - 10 класс»
Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели .
Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
Принцип действия тепловых двигателей.
Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя - сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя .
Роль холодильника.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.
Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А" и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 < Q 1 .
Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.
Цикл - это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.
Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.
Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:
Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:
А" = Q 1 - |Q 2 | , (13.15)
где Q 1 - количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 - количество теплоты, отданной холодильнику.
Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А", совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.
Максимальное значение КПД тепловых двигателей.
Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.
Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .
Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма V 4 < V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:
Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.
Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: 
Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.
Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.
Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.
Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.
Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.
Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 - 800 К и Т 2 - 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели Дизеля.
Охрана окружающей среды.
Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.
Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.
При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.
Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.
Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.
Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.
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) |
Работу многих видов машин характеризует такой важный показатель, как КПД теплового двигателя. Инженеры с каждым годом стремятся создавать более совершенную технику, которая при меньших давала бы максимальный результат от его использования.
Устройство теплового двигателя
Прежде чем разбираться в том, что такое необходимо понять, как же работает этот механизм. Без знания принципов его действия нельзя выяснить сущность этого показателя. Тепловым двигателем называют устройство, которое совершает работу благодаря использованию внутренней энергии. Любая тепловая машина, превращающая в механическую, использует тепловое расширение веществ при повышении температуры. В твердотельных двигателях возможно не только изменение объема вещества, но и формы тела. Действие такого двигателя подчинено законам термодинамики.
Принцип функционирования
Для того чтобы понять, как же работает тепловой двигатель, необходимо рассмотреть основы его конструкции. Для функционирования прибора необходимы два тела: горячее (нагреватель) и холодное (холодильник, охладитель). Принцип действия тепловых двигателей (КПД тепловых двигателей) зависит от их вида. Зачастую холодильником выступает конденсатор пара, а нагревателем — любой вид топлива, сгорающий в топке. КПД идеального теплового двигателя находится по такой формуле:
КПД = (Тнагрев. - Тхолод.)/ Тнагрев. х 100%.
При этом КПД реального двигателя никогда не сможет превысить значения, полученного согласно этой формуле. Также этот показатель никогда не превысит вышеупомянутого значения. Чтобы повысить КПД, чаще всего увеличивают температуру нагревателя и уменьшают температуру холодильника. Оба эти процесса будут ограничены реальными условиями работы оборудования.
При функционировании теплового двигателя совершается работа, по мере которой газ начинает терять энергию и охлаждается до некой температуры. Последняя, как правило, на несколько градусов выше окружающей атмосферы. Это температура холодильника. Такое специальное устройство предназначено для охлаждения с последующей конденсацией отработанного пара. Там, где имеются конденсаторы, температура холодильника иногда ниже температуры окружающей среды.
В тепловом двигателе тело при нагревании и расширении не способно отдать всю свою внутреннюю энергию для совершения работы. Какая-то часть теплоты будет передана холодильнику вместе с или паром. Эта часть тепловой неизбежно теряется. Рабочее тело при сгорании топлива получает от нагревателя определенное количество теплоты Q 1 . При этом оно еще совершает работу A, в ходе которой передает холодильнику часть тепловой энергии: Q 2 КПД характеризует эффективность двигателя в сфере преобразования и передачи энергии. Этот показатель часто измеряется в процентах. Формула КПД: η*A/Qx100 %, где Q — затраченная энергия, А — полезная работа. Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что КПД будет всегда меньше единицы. Другими словами, полезной работы никогда не будет больше, чем на нее затрачено энергии. КПД двигателя — это отношение полезной работы к энергии, сообщенной нагревателем. Его можно представить в виде такой формулы: η = (Q 1 -Q 2)/ Q 1 , где Q 1 — теплота, полученная от нагревателя, а Q 2 — отданная холодильнику. Работа, совершаемая тепловым двигателем, рассчитывается по такой формуле: A = |Q H | - |Q X |, где А — работа, Q H — количество теплоты, получаемое от нагревателя, Q X — количество теплоты, отдаваемое охладителю. |Q H | - |Q X |)/|Q H | = 1 - |Q X |/|Q H | Он равняется отношению работы, которую совершает двигатель, к количеству полученной теплоты. Часть тепловой энергии при этой передаче теряется. Максимальное КПД теплового двигателя отмечается у прибора Карно. Это обусловлено тем, что в указанной системе он зависит только лишь от абсолютной температуры нагревателя (Тн) и охладителя (Тх). КПД теплового двигателя, работающего по определяется по следующей формуле: (Тн - Тх)/ Тн = - Тх - Тн. Законы термодинамики позволили высчитать максимальный КПД, который возможен. Впервые этот показатель вычислил французский ученый и инженер Сади Карно. Он придумал тепловую машину, которая функционировала на идеальном газу. Она работает по циклу из 2 изотерм и 2 адиабат. Принцип ее работы довольно прост: к сосуду с газом подводят контакт нагревателя, вследствие чего рабочее тело расширяется изотермически. При этом оно функционирует и получает определенное количество теплоты. После сосуд теплоизолируют. Несмотря на это, газ продолжает расширяться, но уже адиабатно (без теплообмена с окружающей средой). В это время его температура снижается до показателей холодильника. В этот момент газ контактирует с холодильником, вследствие чего отдает ему определенное количество теплоты при изометрическом сжатии. Потом сосуд снова теплоизолируют. При этом газ адиабатно сжимается до первоначального объема и состояния. В наше время существует много типов тепловых двигателей, которые работают по разным принципам и на различном топливе. У всех у них свой КПД. К ним относятся следующие: Двигатель внутреннего сгорания (поршневой), представляющий собой механизм, где часть химической энергии сгорающего топлива переходит в механическую энергию. Такие приборы могут быть газовыми и жидкостными. Различают 2- и 4-тактные двигатели. У них может быть рабочий цикл непрерывного действия. По методу приготовления смеси топлива такие двигатели бывают карбюраторными (с внешним смесеобразованием) и дизельными (с внутренним). По видам преобразователя энергии их разделяют на поршневые, реактивные, турбинные, комбинированные. КПД таких машин не превышает показателя в 0,5. Двигатель Стирлинга — прибор, в котором рабочее тело находится в замкнутом пространстве. Он является разновидностью двигателя внешнего сгорания. Принцип его действия основан на периодическом охлаждении/нагреве тела с получением энергии вследствие изменения его объема. Это один из самых эффективных двигателей. Турбинный (роторный) двигатель с внешним сгоранием топлива. Такие установки чаще всего встречаются на тепловых электрических станциях. Турбинный (роторный) ДВС используется на тепловых электрических станциях в пиковом режиме. Не так сильно распространен, как другие. Турбиновинтовой двигатель за счет винта создает некоторую часть тяги. Остальное он получает за счет выхлопных газов. Его конструкция представляет собой роторный двигатель на вал которого насаживают воздушный винт. Ракетные, турбореактивные и которые получают тягу за счет отдачи выхлопных газов. Твердотельные двигатели используют в качестве топлива твердое тело. При работе изменяется не его объем, а форма. При эксплуатации оборудования используется предельно малый перепад температуры. Возможно ли повышение КПД теплового двигателя? Ответ нужно искать в термодинамике. Она изучает взаимные превращения разных видов энергии. Установлено, что нельзя всю имеющуюся механическую и т. п. При этом преобразование их в тепловую происходит без каких-либо ограничений. Это возможно из-за того, что природа тепловой энергии основана на неупорядоченном (хаотичном) движении частиц. Чем сильнее разогревается тело, тем быстрее будут двигаться составляющие его молекулы. Движение частиц станет еще более беспорядочным. Наряду с этим все знают, что порядок можно легко превратить в хаос, который очень трудно упорядочить.Работа теплового двигателя
Двигатель Карно
Разновидности
Другие виды тепловых двигателей
Как можно повысить КПД
