Тепловые двигатели и их КПД - принцип действия, цикл Карно, формулы и определения с примерами

Содержание:

Принцип действия тепловых двигателей и их КПД:

Люди давно научились использовать изменение внутренней энергии тела, происходящее при совершении механической работы. Например, можно согреть руки, потерев ладони друг о друга, или добыть огонь трением одного куска дерева о другой. Гораздо больше времени понадобилось человечеству в процессе своего развития, чтобы научиться использовать механическую работу, получаемую путём передачи телу некоторого количества теплоты. Только в 1765 г., сравнительно недавно по историческим меркам, русскому изобретателю И. И. Ползунову удалось создать первое практически полезное универсальное устройство для осуществления этой цели — паровую машину. Изобретение паровой машины, а впоследствии и двигателя внутреннего сгорания французским инженером Э. Лену аром в 1860 г. имело исключительно важное значение. Сейчас трудно представить нашу жизнь без автомобилей, самолётов, кораблей и других устройств, в которых внутренняя энергия сжигаемого топлива и его окислителя частично преобразуется в механическую работу.

Необратимость процессов в природе:

Первый закон термодинамики не позволяет определить, в каком направлении может происходить термодинамический процесс. Первый закон термодинамики допускает самопроизвольный переход энергии как от более нагретого тела к менее нагретому, так и наоборот. Важно только то, чтобы уменьшение внутренней энергии одного тела было равно увеличению внутренней энергии другого тела. На самом же деле самопроизвольный переход энергии от менее нагретого к более нагретому телу в природе не происходит. Например, невозможно наблюдать, чтобы при опускании холодной ложки в горячий чай ложка охлаждалась ещё больше, передавая некоторое количество теплоты горячему чаю. На самом деле всегда некоторое количество теплоты самопроизвольно переходит от горячего чая к холодной ложке, пока в системе «чай—ложка» не установится тепловое равновесие с одинаковой температурой всей системы.

Утверждение, высказанное Р. Клаузиусом в 1850 г. о том, что невозможна самопроизвольная передача количества теплоты от менее нагретого тела к более нагретому, носит название второго закона термодинамики.

Таким образом, второй закон термодинамики констатирует тот факт, что количество теплоты самопроизвольно может переходить только от более нагретых тел к менее нагретым. Этот научный факт и определяет единственно возможное направление самопроизвольного протекания тепловых процессов — они идут в направлении к состоянию теплового равновесия.

Этот же закон в 1851 г. сформулировал и У. Томсон: «Невозможно при помощи неодушевлённого материального деятеля получить от какой-либо массы вещества механическое действие путем охлаждения её ниже температуры самого холодного из окружающих предметов».

Отметим, что в холодильных установках процесс теплопередачи идёт от более холодного тела к менее холодному. У охлаждаемого продукта уменьшается внутренняя энергия, а значит, и его температура, и убыль внутренней энергии в виде количества теплоты передаётся в окружающую среду (с более высокой, чем у продукта, температурой). Но этот процесс передачи количества теплоты не самопроизвольный, он происходит за счёт работы двигателя компрессора холодильника.

Тепловые двигатели

В адиабатном процессе сила давления газа совершает работу за счёт изменения его внутренней энергии, а в изотермическом процессе — за счёт теплопередачи между термостатом и газом. Адиабатный и изотермический процессы расширения газа позволяют использовать часть внутренней энергии сжигаемого топлива для совершения механической работы. Двигатели, в которых происходит превращение части внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя (например, кислорода из воздуха) в механическую работу, называют тепловыми двигателями.

В качестве упрощённой модели теплового двигателя рассмотрим цилиндрический сосуд, в котором находится газ (воздух) под поршнем. Поместим на поршень тело массой m и будем нагревать газ в цилиндре (рис. 72, а). Давление газа начинает увеличиваться, поршень приходит в движение и поднимает тело на некоторую высоту

Для возвращения поршня в исходное положение газ необходимо сжать до первоначального объёма. При этом внешняя сила совершает работу сжатия. Но если сжатие будет происходить при той же температуре, что и расширение газа, то работа внешних сил будет равна работе силы давления газа при его расширении. В результате полная работа газа за один цикл (расширение— сжатие) окажется равной нулю. Отсюда вытекает второй принцип действия тепловых двигателей — сжатие газа должно происходить при более низкой температуре , чем его расширение (рис. 73). Из рисунка видно, что в этом случае полная работа газа за цикл положительная (A>0) и численно равна площади фигуры ABCD:

Таким образом, перед сжатием рабочее тело необходимо охладить. Это осуществляется путём передачи количества теплоты третьему телу — холодильнику. Из сказанного следует, что для работы циклического теплового двигателя кроме нагревателя и рабочего тела необходимо наличие холодильника.

Схема теплового двигателя приведена на риcунке 74. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (атмосфера или вода при температуре окружающей среды — около 300 К). Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу (газу) путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. Некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику.

Эффективнее всего охладить рабочее тело перед сжатием можно путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника . Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаёт холодильнику количество теплоты Завершать цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до температуры

Таким образом, при работе рассматриваемого теплового двигателя происходят следующие процессы (рис. 75): 1) изотермическое расширение газа (при этом газ получает некоторое количество теплоты от первого термостата с температурой — нагревателя); 2) адиабатное расширение газа (температура газа понижается до температуры )); 3) изотермическое сжатие при температуре газ приводят в соприкосновение со вторым термостатом — холодильником, температура которого при сжатии некоторое количество теплоты передаётся от газа холодильнику); 4) адиабатное сжатие газа до первоначального объёма (температура газа увеличивается до ).

Цикл работы теплового двигателя, соответствующий изображённому на рисунке 75, называют циклом Карно (в честь французского физика и инженера С. Карно (1796—1832)). Причём Карно рассмотрел идеальный цикл, в котором не учитывал потери энергии, обусловленные неполным сгоранием топлива и трением (в том числе и вязким в потоках газа), а также неизотермичность и неадиабатность процессов сжатия и расширения в реальных тепловых двигателях.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — отношение полезно используемой энергии к общему количеству энергии Е, получаемому системой:

Определяемый таким образом КПД тепловых двигателей называют эффективным КПД. При этомгде — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании топлива.

Степень совершенства преобразования определённой части внутренней энергии нагревателей в механическую работу, происходящего в цилиндрах теплового двигателя, характеризуют термическим (термодинамическим) коэффициентом полезного действия где — работа, совершаемая рабочим телом за цикл, — количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя за цикл. Если — количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику (). т0 и
(12.1)

Из формулы (12.1) следует, что термический КПД теплового двигателя зависит от процессов, в которых участвует рабочее тело, и всегда меньше единицы. Реальные тепловые двигатели имеют следующие средние значения термического КПД: дизельный двигатель — 40 %; газотурбинные установки — 25—30 %; паровая турбина — 40 %.

В 1824 г. Карно доказал, что коэффициент полезного действия всех обратимых машин, работающих в идентичных условиях (т. е. при одинаковых температурах нагревателя и холодильника ), определяется только температурами нагревателя и холодильника и не зависит от рода вещества рабочего тела. КПД идеального цикла Карно является максимально возможным при заданных
(12.2)
Таким образом, КПД любого реального теплового двигателя не может превышать КПД идеального цикла Карно:

Анализ последнего неравенства позволяет выявить возможные пути увеличения КПД тепловых двигателей: повышение температуры нагревателя и понижение температуры холодильника

КПД идеального теплового двигателя мог бы быть равен единице, если бы было возможно использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю (). В этом случае Но, как известно, это невозможно даже теоретически, потому что абсолютного нуля температуры достичь нельзя. Основным направлением увеличения КПД тепловых двигателей является повышение разности температур — нагревателя и холодильника.

В автомобильных двигателях внутреннего сгорания эффективный коэффициент полезного действия определяют по экспериментальной механической мощности Р двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за промежуток времени t сожжено топливо массой m, имеющее удельную теплоту сгорания q, то

Из сформулированного можно сделать вывод, что

Значение тепловых двигателей и экологические проблемы их использования

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте. Тепловые двигатели — паровые турбины — устанавливают на тепловых и атомных электростанциях, где энергия пара превращается в механическую энергию роторов генераторов электрического тока. В первом случае пар высокой температуры получают за счёт сгорания топлива, а во втором — за счёт энергии, выделяющейся в ходе ядерных реакций.

Изобретение двигателя внутреннего сгорания сыграло огромную роль в автомобилестроении, в усовершенствовании сельскохозяйственной и строительной техники. Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на автомобилях, мотоциклах, вертолётах и самолётах, дизельные — на теплоходах, тепловозах, тракторах, тяжёлых автомобилях. Создание реактивного двигателя позволило поднять самолёты на большую высоту, увеличить скорость и дальность их полётов.

Однако интенсивное использование тепловых двигателей в энергетике и на транспорте отрицательно влияет на окружающую среду.

При работе тепловые двигатели выбрасывают в атмосферу огромное количество горячего пара или газа, что приводит к тепловому загрязнению атмосферы. Широкое использование различных видов топлива влечёт за собой увеличение в атмосфере углекислого газа (диоксид углерода ). Соединяясь с водяными парами в атмосфере, углекислый газ образует угольную кислоту, которая даже при малых концентрациях, выпадая в виде кислотного дождя, за столетия разъедает кирпич, металл, мрамор.

Сжигание топлива на тепловых электростанциях ведёт к накоплению в атмосфере угарного газа (оксид углерода СО), являющегося ядом для живых организмов. Например, при сгорании 1 т бензина образуется 60 кг оксида углерода. При работе автотранспорта наряду с оксидом углерода в атмосферу попадают соединения свинца. При горении топливо использует кислород из атмосферы, что приводит к постепенному уменьшению его концентрации в воздухе и, кроме того, образованию оксидов азота (). Растворяясь в дождевой воде, они становятся азотной кислотой, а реагируя с содержащимися в воздухе разнообразными примесями, образуют токсичные соединения, которые выпадают на поверхность воды и суши с кислотными дождями. Это приводит к засолению почв, открытых и подземных водоёмов, гибели лесов, нарушению химического состава в экосистемах. Кроме того, в «кислой» воде лучше растворяются такие ядовитые вещества, как кадмий, ртуть, свинец, содержащиеся в почве и донных отложениях, что влияет на чистоту воды, потребляемой людьми и животными.

При полётах самолётов и запусках ракет происходит разрушение озонового слоя атмосферы, который защищает всё живое на Земле от избыточности ультрафиолетового излучения Солнца.

Решение проблем, возникающих при сжигании топлива работающими тепловыми двигателями, учёные и конструкторы видят в:

• а)    экологизации технологических процессов (создании безотходных и малоотходных технологий, исключающих попадание в атмосферу вредных веществ); очистке газовых выбросов в атмосферу (улавливании и переработке углекислого газа, оксидов азота и других токсичных веществ);
• б)    увеличении коэффициента полезного действия тепловых двигателей, в частности, путём создания условий для наиболее полного сгорания топлива;
• в)    замене тепловых двигателей на более экологически чистые двигатели, например, электрические.

В дополнение к перечисленному во многих странах мира в законодательном порядке приняты предельно допустимые нормы содержания токсичных компонентов в выхлопных газах. В Республике Беларусь правилами дорожного движения запрещена эксплуатация автомобилей, содержание оксида углерода в отработанных газах которых превышает 1,5%. Для выявления таких транспортных средств введена система инструментального контроля при прохождении государственного технического осмотра.

Рациональная организация автомобильного движения в городах (строительство скоростных магистралей, дополнительных развязок и эстакад, способствующее уменьшению числа светофоров и «пробок») также позволит уменьшить вредные выбросы в атмосферу при эксплуатации транспортных средств.

1. Протекающие в природе процессы с макроскопическими телами необратимы: невозможен самопроизвольный процесс, который сопровождается передачей некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.

2.    Двигатели, в которых происходит превращение части внутренней энергии сжигаемого топлива и его окислителя в механическую работу, называют тепловыми двигателями.

3.    Термическим коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы, совершаемой рабочим телом за цикл, к количеству теплоты, полученному за цикл рабочим телом от нагревателя:

4.    Максимально возможное значение термического коэффициента полезного действия идеального теплового двигателя:

Пример №1

Термический коэффициент полезного действия теплового двигателя = 20%. Определите работу, совершённую им за цикл, если количество теплоты, переданное холодильнику, = —1,2 кДж.

Дано:

Решение. Термический коэффициент полезного действия теплового двигателя где — количество теплоты, полученное рабочим

телом от нагревателя. ТогдаТаким образом,

Ответ: A = 0,30 кДж.
 

Пример №2

Каждый из четырёх двигателей реактивного самолёта на пути км развивает среднюю силу тяги= 0,11 МН. Определите объём керосина, израсходованного на этом пути, если эффективный коэффициент полезного действия двигателя =24%. Плотность и удельная теплота сгорания керосина соответственно
Дано:

V — ?
Решение. По определению эффективный коэффициент полезного действия где — полезная работа, совершённая всеми четырьмя двигателями самолёта,  — количество теплоты, выделяемое при полном сгорании керосина на пути s. Тогда
, откуда

Ответ:

Значение тепловых двигателей в жизни человека

К тепловым двигателям относятся паровая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель.
 

Паровая машина

В паровой машине и паровой турбине функцию нагревателя выполняет паровой котел, функцию рабочего вещества играет пар, функцию охладителя выполняет атмосфера или оборудование для охлаждения использованного пара – конденсатор.
 

Двигатель внутреннего сгорания

В двигателе внутреннего сгорания функцию нагревателя и рабочего вещества выполняет горючее, а функцию охладителя выполняет атмосфера.
Обычно в качестве горючего используют бензин, спирт, керосин или дизельное топливо. С помощью специального оборудования (например, карбюратор в бензиновых двигателях) горючее и воздух смешиваются и подаются в цилиндр. В цилиндре эта смесь сгорает. Продукты горения выбрасываются в атмосферу. Теперь остановимся подробно на некоторых видах двигателей.
 

Карбюраторный двигатель

Рассмотрим принцип работы и рабочие диаграммы четырехтактного карбюраторного двигателя (рис. 6.6.). При движении поршня вниз под воздействием внешних сил (рис. 6.6а) открывается входной клапан и рабочее вещество попадает в цилиндр.

Процесс происходит под воздействием атмосферного давления изобарическим образом. Когда поршень доходит до самого нижнего положения, входной клапан закрывается и завершается первый такт (такт подсоса): на графике процесс показан прямой линией 0–1. Второй такт (сжатие) тоже происходит под воздействием внешних сил (рис. 6.6б).

Оба клапана закрыты и газ нагревается адиабатическим образом (на графике линия 1–2). В рабочем процессе третий такт – это горение со вспышкой (рис. 6.6в). Когда поршень доходит до верхнего уровня, свечи искрой поджигают горючую смесь и давление газа резко возрастает. На графике это соответствует изохорическому процессу 2–3. При закрытом клапане поршень двигается вниз, т.е. газ адиабатически расширяется. Линия 3-4 соответствует такту рабочего пути (рис. 6.6в). Как видно, в этом такте давление газа падает, объем увеличивается, температура понижается. В этом случае выполненная работа является положительной, она выполняется за счет уменьшения внутренней энергии газа. Четвертый такт выпуска изображен на рисунке 6.6г. Когда поршень опускается до самого нижнего положения, открывается клапан и продукты горения через выхлопное приспособление выбрасываются в окружающую среду. Понижается давление газа, в конце такта оно равно давлению атмосферы. На графике этот изохорический процесс показан линией 4–1. За счет энергии маховика поршень возвращается в верхнее положение и такт завершается. 

Выполненная работа в рассмотренном закрытом процессе выделена линиями рабочих процессов и равна заштрихованной площади. Анализ графика показал, что расширение в части 3–4 по сравнению со сжатием части 1–2 происходит при относительно высоком давлении. В результате именно этого двигатель выполняет полезную работу. В изохорических процессах 3–2 и 4–1 (V=const) работа равна нулю и, как было отмечено, полезная работа определяется разницей адиабатического расширения и сжатия.

На практике КПД двигателей внутреннего сгорания составляет 20–30%. Для увеличения КПД горючую смесь нужно сильнее сжимать. Однако в двигателях внутреннего сгорания горючую смесь нельзя сжимать слишком сильно, так как сжатое горючее может нагреться и само по себе загореться. Это нарушит принцип работы двигателя.
 

Дизель

Немецкий инженер Дизель, приняв во внимание описанные выше недостатки, создал двигатель с относительно высоким КПД. В дизелях степень сжатия топлива намного выше, в итоге температура воздуха достаточно высока, чтобы горючее сгорало само по себе. Горючее сгорает не сразу, как в карбюраторных двигателях, а постепенно, в течение определенной части движения поршня. Процесс горения горючего происходит в ходе увеличения объема рабочего пространства. Поэтому давление газа в ходе работы остается без изменения. Таким образом, в дизеле процесс горения смеси происходит при неизменном давлении. В карбюраторных двигателях этот процесс происходит при неизменном объеме. Дизель считается более экономичным по сравнению с карбюраторными двигателями, его КПД намного выше, и составляет примерно 40%. Его мощность тоже может быть намного выше, при этом дизельный двигатель работает на более дешевом топливе. Дизели широко используются в стационарном оборудовании, в железнодорожном, воздушном и водном транспорте. В настоящее время маломощные дизельные двигатели часто применяются в автомашинах и тракторах.
 

Реактивный двигатель

На рисунке 6.7 показано схематическое устройство реактивного двигателя. Принцип его работы следующий. Когда самолет летит, встречный поток воздуха проходит через сопло, смешивается с топливом, которое разбрызгивается форсункой и создает рабочую смесь. Затем смесь попадает в камеру сгорания, где происходит возгорание с помощью свечи зажигания. Газы, образованные в результате горения рабочего топлива, с большой скоростью выбрасываются через выходную щель – сопло. Горение смеси приводит к резкому повышению
давления и в результате скорость выхода газа через сопло будет намного выше, чем скорость газа, входящего в двигатель. Именно в результате разницы этих скоростей, согласно закону сохранения импульса, появляется реактивная сила тяги.

КПД современных тепловых машин составляет от 40% (двигатели внутреннего сгорания) до 60% (реактивные двигатели). Поэтому ученые ведут постоянную исследовательскую работу по усовершенствованию существующих двигателей. Однако неуклонный рост количества двигателей внутреннего сгорания создает большую опасность для природы и окружающей среды. Одной из самых актуальных проблем сегодняшнего дня является создание экологически чистых двигателей. 
 

Охрана природы

Высшее творение природы – человек, а также животный и растительный мир тоже являются частью этой природы. Для их существования и развития необходимы чистый воздух, чистая вода и чистые продукты. Вдыхаемый нами воздух является смесью газов, составляющих атмосферу Земли. В его составе имеются кислород, азот, водород, пыль, дым, состоящий из других природных газов, соли и другие смеси. Кроме этого в составе воздуха имеются также промышленные отходы.

Использование в больших количествах тепловых двигателей отрицательно влияет на окружающую среду. По статистике на земном шаре ежегодно сжигают 2 миллиарда тонн угля и 1 миллиард тонн нефти. Это может привести к повышению температуры на Земле, что приведет к таянию ледников и повыщению уровня воды в океанах. Кроме этого, в атмосферу выбрасывается 120 миллион тонн золы и 60 миллионов тонн ядовитых газов.
Больше 200 миллионов автомобилей во всем мире ежедневно отравляют атмосферу углекислым газом, азотом и углеводородом. С увеличением мощностей тепловых и атомных электростанций увеличивается потребность в воде. Поэтому сейчас пользуются непосредственными и косвенными методами предохранения от загрязнения воздушных и водных бассейнов. Непосредственный метод – это фильтрация различных дымов и газов при выпуске в атмосферу; использование менее загрязняющего атмосферу топлива – природного газа, нефти без серы и др.; создание автомобильных двигателей, работающих без бензина и т .д.

Косвенные методы приводят к резкому уменьшению концентрации ядовитых газов в нижних слоях атмосферы. К ним относятся увеличение высоты источников отходов, использование различных способов, способствующих рассеянию газовых смесей в воздухе с учетом метеорологических условий и т.д.

Пример №3

Определите работу, выполненную при изотермическом сжатии газа, если в цикле Карно при изотермическом расширении газа выполнена работа, равная 8 Дж, а коэффициент полезного действия составляет 0,4.
Дано:

Найти:

Формула и решения:
Составим – диаграмму цикла ; переход 1–2 показывает изотермическое расширение; переход газа 3–4 показывает изотермическое сжатие
КПД цикла Карно определяется следующим образом:

здесь  – количество тепла, полученное газом от нагревателя,  – количество тепла, переданное газом охладителю. Выполненная работа при изотермическом расширении равняется количеству тепла, полученного газом от нагревателя . Работа, выполненная при изотермическом сжатии , равняется количеству тепла, отданного газом охладителю, т.е. .
Тогда КПД цикла приобретает следующий вид:

Находим и вычисляем, поставляя данные:

Ответ:

Основные понятия, правила и законы

Термодинамическая система	Комплекс веществ и тел, которые взаимодействуют между собой и внешними телами и обмениваются энергиями.
Температура	Физическая величина, характеризующая термодинамическое равновесное состояние макроскопической системы.
Макроскопическая система	Система, состоящая из многочисленных атомов и молекул.
Термодинамическое равновесие	Процесс, при котором макроскопические пара- метры системы долгое время остаются без изменения.
Термодинамический процесс	Изменение хотя бы одного параметра термодинамической системы.
Обратимый процесс	Процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении через одинаковые промежуточные состояния без изменений в окружающей среде.
Необратимый процесс	Процесс, который подвержен сопротивлению либо происходит с передачей теплоты от теплого тела хододному.
Внутренняя энергия	Сумма кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул вещества и потенциальных энергий их взаимодействия.
Первый закон термодинамики	– количество тепла; – изменение внутренней энергии; – выполненная работа
Второй закон термодинамики	Тепло само по себе не переходит от тела с низкой температурой к телу с высокой температурой
Адиабатический процесс	Процесс, происходящий без обмена количеством тепла с окружающей средой.
Тепловая машина	Машины, которые превращают внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Круговой процесс или цикл	Процесс, который, переходя через несколько состояний системы, возвращается в свое первоначальное состояние.
Цикл Карно	Возвратный круговой тепловой процесс, состоящий из взаимно меняющихся по очереди двух изотермических и двух адиабатических процессов.
Коэффициент полезного действия тепловых машин	– количество тепла, полученное от нагревателя, – количество тепла, переданное охладителю.

Принцип действия тепловых двигателей и КПД теплового двигателя

Физически развитый человек может за сутки выполнить работу, равную примерно 1 млн джоулей. Среднесуточное потребление энергии одним жителем Земли больше в сотни раз. Из всей энергии, потребляемой человеком, около 90 % — энергия топлива. На обогрев помещений и приготовление пищи идет только незначительная часть этой энергии — в основном люди используют энергию топлива, превращая ее в механическую. Как это происходит и при каких условиях возможно такое превращение?

Проведем опыт. Плотно закупорим носик чайника и поставим чайник с водой на горелку газовой плиты. Через некоторое время крышка чайника начнет подпрыгивать. Выясним почему.

Вода в чайнике закипает, и давление пара под крышкой увеличивается. Наконец наступает момент, когда сила давления пара, действующая на крышку, становится больше силы тяжести, и крышка подпрыгивает. В этот момент часть пара выходит наружу, давление пара под крышкой уменьшается и сила тяжести возвращает ее на место (рис. 16.1). Если нагревание продолжить, процесс повторится.

Рис. 16.1. На крышку чайника действуют сила тяжести и сила давления пара. Если крышка подпрыгивает; если крышка возвращается на место

В описанной системе, состоящей из газовой горелки, чайника с крышкой и кипящей воды, за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, выполняется механическая работа, при этом часть энергии отдается окружающей среде.

Если с крышкой чайника соединить какой нибудь механизм, получим простейшую модель теплового двигателя.

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Кроме тепловых двигателей существуют другие виды тепловых машин (подробнее об этом вы узнаете в старших классах). Выясним на примере с чайником, из каких основных частей должна состоять тепловая машина.

Во-первых, в данной системе механическую работу выполняет пар, который нагревается и, расширяясь, поднимает крышку. Газ, выполняющий работу во время своего расширения, называют рабочим телом.

Во-вторых, пар под крышкой чайника расширяется в результате получения энергии от газовой горелки. Устройство, от которого рабочее тело получает теплоту, называют нагревателем.

В-третьих, во время опыта водяной пар периодически отдает часть энергии окружающей среде (если бы этого не происходило, «двигатель» не смог бы работать циклично — крышка не возвращалась бы в исходное положение и процесс не повторялся бы). Объект, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, эта теплота частично преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу A), а частично передается холодильнику

Определяем КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе на выполнение работы расходуется только часть энергии, «запасенной» в топливе. Часть выделившейся энергии передается окружающей среде (теряется), кроме того, топливо сгорает не полностью. При этом потери энергии в тепловых двигателях не ограничиваются тепловыми потерями. Часть энергии также расходуется на выполнение работы против сил трения частей и механизмов двигателя. Такие потери энергии называют механическими.

Очевидно: чем меньше тепловые и механические потери в двигателе, тем меньше топлива нужно израсходовать, чтобы выполнить ту же самую полезную работу, и тем экономичнее двигатель.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность теплового двигателя и показывающая, какая часть всей энергии, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу. Коэффициент полезного действия двигателя η вычисляют по формуле:

где — полезная работа; — количество теплоты, которое может выделиться в процессе полного сгорания топлива. Полезная работа всегда меньше количества теплоты, выделяющегося в процессе полного сгорания топлива, поэтому КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %. Обычно КПД тепловых двигателей составляет 20–40 % (рис. 16.3).

Рис. 16.3. КПД паровых тепловых двигателей и схема потерь энергии

Итоги:

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника.

Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя; часть этой теплоты преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу), а часть отдается холодильнику.

Коэффициент полезного действия η теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность двигателя и показывающая, какая часть всей энергии «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу КПД теплового двигателя вычисля­ют по формуле:

Некоторые виды тепловых двигателей

История промышленного применения тепловых двигателей начинается с паровой машины, созданной английским ученым Джеймсом Уаттом в 1768 г. (рис. 17.1). С 1776 г. усовершенствованные машины Уатта начали широко применяться на шахтах и металлургических заводах Англии. В XX в. на смену первым паровым машинам пришли современные двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели.

Рис. 17.1. Паровая машина Уатта

Устройство и принцип действия паровой турбины

Паровая турбина (от латин. turbo — вихрь, быстрое вращение) — один из примеров паровых тепловых двигателей.

В паровых двигателях энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, идет на образование водяного пара и его нагревание, а уже затем нагретый пар, расширяясь, выполняет механическую работу.

Таким образом, рабочим телом паровой турбины служит пар. Его получают из воды и в специальных паровых котлах нагревают до температуры около 600 °С. Из котла пар под высоким давлением поступает в турбину.

Рис. 17.2. Схема устройства простейшей паровой турбины: 1 — сопла; 2 — лопатки; 3 — диск; 4 — вал. Стрелками показано направление движения пара

Рассмотрим устройство и принцип действия простейшей паровой турбины (рис. 17.2). Струи пара, вырываясь из сопел (1), падают на лопатки (2), расположенные на диске (3). Сам диск неподвижно закреплен на валу (4) турбины. Под давлением пара диск турбины, а значит, и вал вращаются, — пар выполняет работу (рис. 17.3).

Рис. 17.3. В современных турбинах для максимального использования энергии пара применяют несколько дисков с лопатками, насаженных на один общий вал

Паровые турбины широко используют на электростанциях, где механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую. На транспорте паровые турбины не получили широкого применения в основном из-за больших габаритов.

Устройство двигателя внутреннего сгорания

Один из самых распространенных тепловых двигателей, используемых в транспортных средствах, — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный немецким изобретателем Николаусом Отто (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Николаус Август Отто (1832–1891), немецкий конструктор, изобретатель четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим зажиганием

При работе двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри его цилиндров, отсюда и название двигателя. Эти двигатели работают на газе или жидком топливе.

Рис. 17.5. Схема устройства простейшего двигателя внутреннего сгорания: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — коленчатый вал; 5 — клапаны; 6 — свеча зажигания. Стрелкой показано направление вращения вала

Двигатель внутреннего сгорания (рис. 17.5) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (2). Внутри поршня шарнирно закреплен шатун (3). Шатун, в свою очередь, соединен с коленчатым валом (4), который, вращаясь, обеспечивает вращение тяговых колес транспортного средства.

В верхней части цилиндра имеются два канала, закрытых клапанами (5). Горючая смесь (смесь воздуха с бензином или газом) через впускной клапан поступает в цилиндр; через выпускной клапан выбрасываются отработанные газы. У некоторых двигателей в верхней части цилиндра размещена также свеча зажигания (6) — устройство для зажигания горючей смеси с помощью электрической искры.

Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим зажиганием состоит соответственно из четырех тактов (рис. 17.6).

Рис. 17.6. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания: а — всасывание; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск

• I такт — всасывание (рис. 17.6, а). Поршень движется вниз, и в цилиндре падает давление. В это время открывается впускной клапан и горючая смесь всасывается в цилиндр. В конце I такта впускной клапан закрывается.
• II такт — сжатие (рис. 17.6, б). Поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Когда поршень достигает крайнего верхнего положения, проскакивает искра и горючая смесь воспламеняется. Оба клапана закрыты.
• III такт — рабочий ход (рис. 17.6, в). Топливо горит, и раскаленные газы толкают поршень вниз. Движение поршня передается шатуну, который толкает коленчатый вал и заставляет его вращаться, — двигатель выполняет полезную работу. В конце III такта открывается выпускной клапан.
• IV такт — выпуск (рис. 17.6, г). Поршень движется вверх и через выхлопную трубу выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце IV такта выпускной клапан закрывается. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей некоторого количества теплоты окружающей среде.

Как и в любом тепловом двигателе, в двигателе внутреннего сгорания есть нагреватель (горящая горючая смесь), рабочее тело (раскаленные газы), холодильник (окружающая среда).

За цикл газы толкают поршень только один раз, поэтому для равномерной работы двигателей ставят четыре, шесть и более цилиндров.

В последнее время все чаще применяют дизельные двигатели, названные так в честь немецкого инженера Рудольфа Дизеля (рис. 17.7).

Рис. 17.7. Рудольф Дизель (1858–1913) — немецкий инженер. Создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия горючей смеси

Эти двигатели, в частности, не имеют свечей зажигания (топливо воспламеняется от горячего воздуха, нагретого в результате сжатия), могут быть и двухтактными, их КПД выше. У двигателей, описанных выше, КПД составляет 20–25 %, у дизельных — 40 %.

Плюсы и минусы использования тепловых двигателей

Если посмотреть на соединения, образующиеся в результате химических реакций горения топлива (см., например, рис. 15.1), создается впечатление, что тепловые машины совершенны, ведь продукты реакции — «обычные» соединения. Действительно, углекислый газ входит в состав воздуха, а вода есть везде вокруг нас. Эти вещества являются экологически чистыми, то есть не загрязняют природу. Однако не следует делать поспешных выводов.

• Во-первых, практически все виды топлива содержат небольшое количество Сульфура, который со временем превращается в ядовитую сульфатную кислоту.
• Во-вторых, на тепловых станциях при сгорании угля образуется пепел, часть которого разлетается, загрязняя окружающую среду.
• В-третьих, в автомобильных двигателях топливо не всегда сгорает полностью, поэтому в выхлопных газах содержится ядовитый угарный газ (СО). И это далеко не исчерпывающий перечень!

Загрязнение атмосферы стало проблемой для всего человечества. Как бороться с негативными последствиями использования тепловых двигателей? Существует несколько основных направлений:

1. уменьшение (или по крайней мере сохранение на стабильном уровне) суммарной мощности тепловых машин. Иными словами, потребители энергии (телевизоры, холодильники, лампы и т. д.) должны использовать меньше энергии;
2. уменьшение вредных выбросов тепловых электростанций. Для этого применяют, в частности, специальные фильтры;
3. использование альтернативных источников энергии.

Итоги:

Самым давним из применяемых в современной технике тепловых двигателей является паровая турбина. Работу в ней выполняет нагретый пар, который направляется на лопатки турбины и вращает ее.

Еще один пример теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. В нем топливо сгорает внутри цилиндров, а нагретый воздух, расширяясь, выполняет работу. Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания имеет соответственно четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск.

В последнее время остро стоит проблема загрязнения окружающей среды из-за работы тепловых машин.

Теплоэнергетика. Способы сохранения энергетических ресурсов

Человек нуждается в энергии буквально на каждом шагу. К сожалению, энергии обычно не хватает, поэтому на протяжении всего своего существования человечество ищет способы ее получения и экономии. Особенно это актуально сейчас, когда стало заметным «дно» мировых запасов органического топлива (ископаемых ресурсов). Были сформулированы некоторые общие принципы энергосбережения и разработаны технологии их воплощения в жизнь с помощью новейшего оборудования.

На протяжении многих столетий практически единственным источником энергии для человечества было топливо, другие источники (ветер и вода) занимали незначительное место.

В XX в. заметную роль в энергетике стали играть альтернативные источники энергии. Примерами таких источников являются гидроэлектростанции, атомные электростанции, ветрогенераторы, солнечные батареи (рис. 18.1–18.4).

Альтернативные источники энергии, разработка и создание которых требуют значительных затрат, появились «не от хорошей жизни». Ведь именно в XX в. резко возросло использование тепловых машин — устройств, преобразующих энергию топлива в другие виды энергии (электрическую, механическую). Речь идет прежде всего об автомобилях и других транспортных средствах, использующих в качестве источника энергии продукты переработки нефти (бензин и дизельное топливо). Кроме того, практически везде для обогрева жилья и приготовления пищи применяют устройства, сжигающие природный газ. Этот газ в значительном количестве используют также в производственных процессах (металлургия, химический синтез). Газ, нефть, уголь используют для производства электроэнергии на тепловых электростанциях.

Вы уже знаете, что указанные виды топлива являются ископаемыми ресурсами и что их запасы ограничены. Примерно за 100 лет миллионы автомобилей «съели» значительную часть мировых запасов нефти. Существует мнение, что запасы природного газа исчерпаются примерно через 40 лет; разведанных запасов угля хватит на несколько сотен лет. К тому же при сжигании угля, нефти и газа расходуется большое количество кислорода. Так, для сжигания 1 кг угля необходимо 2,7 кг кислорода, 1 кг нефти — 3,4 кг кислорода, 1 кг природного газа (метана) — 4 кг кислорода.

Приведенные данные свидетельствуют о том, что через несколько десятков лет привычные сейчас виды топлива окажутся на грани исчезновения. Что же делать? На сегодня предлагаются три основных направления решения проблемы будущего «энергетического голода».

1. Экономия имеющихся ископаемых ресурсов. Речь идет об использовании новых технических решений — энергосберегающих технологиях.
2. Постепенная замена топлива из ископаемых ресурсов на топливо, получаемое из растений. Сейчас уже используются два типа технологий производства растительного топлива: добыча заменителей бензина из растений, содержащих сахар, и переработка в дизельное топливо масла, получаемого из некоторых растений (например, рапса).
3. Использование альтернативных источников энергии. Прежде всего речь идет о ядерной и термоядерной энергиях. Ископаемых запасов урана — топлива для атомных станций — хватит на несколько сотен лет.

Неисчерпаемым источником может стать термоядерная энергия (рис. 18.5). Запасов тяжелого водорода — топлива для термоядерного синтеза — в Мировом океане хватит на много тысячелетий.

Рис. 18.1. Гидроэлектростанция (ДнепроГЭС)

Рис. 18.2. Общий вид атомной электростанции (Запорожская АЭС)

Рис. 18.3. Ветрогенератор

Рис. 18.4. Панель солнечных батарей

Современные принципы энергосбережения заключаются не только в применении новинок, пусть и уникальных. Принципиальной является задача комплексного использования нескольких технологий.

Рассмотрим, например, обычную квартиру. Наибольшее количество энергии, поступающей в нее, — это энергия, необходимая для обогрева. Замена традиционных окон на стеклопакеты, утепление дверей, нанесение специального теплозащитного покрытия на внешние стены дома позволят сэкономить значительное количество тепла, которое обычно идет на «обогрев окружающей среды».

Горячая вода часто поступает в дома из котельных, расположенных на расстоянии в несколько километров. Такой длинный путь теплоснабжения связан с большими потерями энергии. Если же обогреватель (электрический или газовый котел) установить в квартире, то этот путь будет в сотни раз короче, — очевидно, что в сотни раз уменьшатся и потери тепла. Более того, котел не только нагревает батареи отопления, но и обеспечивает горячей водой кухню и ванную комнату.

Для экономии электрической энергии следует применять энергосберегающие лампы и электроприборы с небольшим потреблением энергии.

Мы привели простой пример комплексного подхода к энергосбережению в помещениях. Аналогичные принципы, только со значительно большим количественным эффектом, успешно применяют и в производственных процессах.

Как теплоэнергетика влияет на природу

Пока тепловые станции не имели большой мощности, а автомобилей было немного, негативные последствия работы тепловых машин не очень беспокоили человечество. Соответствующие проблемы стали актуальными сравнительно недавно, во второй половине XХ в., когда начали выпадать кислотные дожди, вызванные выбросами электростанций, когда люди начали задыхаться в автомобильных пробках, вдыхая вместе с воздухом ядовитый угарный газ, и т. д.

Рис. 18.5. Общий вид экспериментальной термоядерной установки

Рис. 18.6. Внешне электрические автомобили совсем не отличаются от своих бензиновых «братьев»

Ученые предлагают различные технические решения этих проблем. В качестве примера приведем ряд решений по уменьшению выбросов бензиновых двигателей:

• — удаление из состава бензина ядовитых соединений свинца;
• — «досжигание» с помощью специальных устройств угарного газа до менее вредного углекислого газа;
• — создание экологически чистых электромобилей (рис. 18.6). Электромобили практически не загрязняют окружающую среду: в них используют электрический двигатель, который питается от аккумуляторов;
• — использование «гибридных» автомобилей, оснащенных двумя двигателями — электрическим и бензиновым: экологически чистый электрический двигатель целесообразно использовать в городе (где много автомобилей), а бензиновый — за городом (где загрязнение воздуха не столь опасно).

В настоящее время у человечества есть еще одна большая проблема. Дело в том, что во время работы тепловых машин выделяется углекислый газ который в большом количестве становится очень опасным. По оценкам ученых, за 200 лет интенсивной работы тепловых машин в атмосферу было выброшено около одного триллиона тонн Это огромное количество углекислого газа вызвало так называемый парниковый эффект — повышение температуры поверхности Земли. Почему это произошло?

Солнце, как вы знаете, не только освещает, но и обогревает Землю. Еще сто лет назад получаемое Землей тепло практически полностью излучалось (возвращалось) в космос. После того как в верхних слоях атмосферы накопилось значительное количество углекислого газа, этот газ стал своеобразным «зеркалом» для излучения с поверхности Земли. В результате часть энергии задерживается в атмосфере и нагревает ее.

Из-за парникового эффекта средняя температура поверхности Земли повысилась на 0,6 °С. Но даже это небольшое нагревание уже привело, по мнению многих ученых, к изменениям климата. Если же средняя температура поверхности Земли повысится на 2 °С, то неминуемыми станут глобальные катаклизмы: таяние ледников, подъем уровня Мирового океана, затопление портовых городов и др.

Чтобы избежать таких катастрофических последствий, в 1997 г. в г. Киото (Япония) правительства многих стран подписали так называемый Киотский протокол. Согласно этому документу, для каждой страны мира определен максимальный объем выбросов (речь идет и о промышленных, и о бытовых источниках). Если этот объем превышен, то страна-нарушитель платит определенную сумму штрафа, которую затем используют для снижения уровня выбросов.

В 2015 г. Киотский протокол был дополнен Парижским соглашением, в котором описаны дальнейшие перспективы ограничения выбросов.

Итоги:

Нефть, природный газ и уголь — это ископаемые ресурсы, запасы которых ограничены.

Основные направления преодоления энергетического кризиса:

• — экономия имеющихся ископаемых ресурсов;
• — внедрение новейших технологий с целью уменьшения использования топлива из невозобновляемых ресурсов;
• — использование альтернативных источников энергии, прежде всего ядерной и термоядерной энергий.

Использование новейших технологий позволяет уменьшить потребление тепловой энергии в несколько раз.

Итоги:

При изучении вы ознакомились с некоторыми тепловыми процессами, физическими величинами, характеризующими эти процессы, а также с такими фундаментальными понятиями физики, как температура и внутренняя энергия.

1. Вы узнали, что внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

2. Вы узнали, что изменение внутренней энергии в процессе теплопередачи характеризует физическая величина — количество теплоты Q. Как и энергия, количество теплоты в СИ измеряется в джоулях.

3. Вы узнали об уравнении теплового баланса, отражающем закон превращения и сохранения энергии при теплообмене.

Уравнение теплового баланса

В изолированной системе тел, в которой внутренняя энергия тел изменяется только в результате теплопередачи, суммарное количество теплоты, отданное одними телами системы, равно суммарному количеству теплоты, полученному другими телами этой системы:

4. Вы вспомнили, что существуют три состояния вещества.

5. Вы узнали о физических величинах, характеризующих тепловые свойства веществ.

6. Вы убедились, что в процессе сгорания топлива выделяется энергия, и узнали, что эту энергию используют в работе различных нагревательных устройств и тепловых двигателей.

Принцип действия тепловых машин

7. Вы узнали о физических величинах, характеризующих топливо, нагревательные устройства, тепловые двигатели.

Что такое тепловые трубки

Вы уже знаете, что лучшие проводники тепла — металлы, а «рекордсменами» среди них являются медь, серебро, алюминий. И когда у вас спросят: «Как быстрее всего передать тепло от одного участка к другому?» — вы, безусловно, вспомните, что если один конец медного (или алюминиевого, или серебряного) стержня расположить в горячем месте, то другой его конец быстро нагреется. А можно ли передать тепло быстрее, чем с помощью этих металлов? Казалось бы, нет, ведь эти металлы не зря называют рекордсменами. Однако инженеры решили и такую задачу, а изобретенное устройство назвали тепловой трубкой.

Объясним принцип ее действия (рис. 1). Возьмем запаянную трубку с небольшим количеством воды внутри. Верхний конец трубки поместим в горячее место. Капельки воды, оставшиеся на внутренней поверхности этой части трубки, начнут превращаться в пар. Молекулы пара «полетят» во все стороны, в том числе вниз, где и сконденсируются на участке холодного конца трубки. Теплота, поглощаемая при испарении воды, очень велика, поэтому передача тепла в трубке происходит чрезвычайно эффективно.

К сожалению, данная конструкция имеет существенный недостаток — «одноразовость»: капельки воды испаряются, и процесс передачи тепла прекращается. Для решения этой проблемы инженеры воспользовались так называемым капиллярным эффектом. (Вспомните: если край рубашки или платья попадет в воду, то мокрой становится и ткань вокруг.) Капиллярные структуры разместили вдоль внутренних стенок тепловой трубки (красная полоса на рис. 1), и трубка стала «многоразовой». В таком устройстве вода движется «по кругу»: на горячем конце трубки (вверху) вода испаряется, пар переносится вниз и конденсируется в холодной части трубки; образовавшаяся вода по капиллярам поступает вверх, снова испаряется и т. д.

Для решения конкретных задач трубки изготовляют из металла, а капилляры делают в виде или проволочного жгута (рис. 2), или напыленных микрочастиц (рис. 3).

Тепловые трубки очень распространены. Так, тепловую трубку, подобную приведенной на рис. 2, применяют для охлаждения персональных компьютеров.

Неожиданное применение тепловым трубкам нашли на Аляске. На рис. 4 показан участок газопровода, построенного в районе вечной мерзлоты. При перекачивании газа он разогревается, тепло передается трубе, а часть этого тепла нагревает опоры и идет в землю. Если тепла передается много, то участок вечной мерзлоты вокруг опоры растает и возникнет риск аварии. Конструкторы решили проблему, оснастив каждую опору тепловыми трубками (белые стержни на рис. 4), благодаря которым избыточное тепло уходит вверх, в атмосферу.

Эффект «памяти формы»

В XX в. физики обнаружили чрезвычайно интересное явление, которое со временем получило широкое применение. Речь идет о так называемом эффекте «памяти формы». В чем его суть?

Воспользуемся простым примером. Эффект «памяти формы» присущ некоторым сплавам, самым известным из которых является нитинол — сплав никеля и титана. Возьмем длинный стержень, изготовленный из нитинола, нагреем и в горячем состоянии придадим ему любую форму, например свернем в виде кольца. Потом дадим стержню остыть до комнатной температуры и придадим ему другую форму, например распрямим или свернем в виде любой другой фигуры. Если же теперь снова нагреть стержень, то он, будто живое существо, «вспомнит» свою историю и сам приобретет начальную форму, то есть в данном случае согнется в кольцо. Более того, стержень надолго «сохраняет память» о своей начальной форме и может приобретать ее при определенных условиях много раз. Именно это явление и называют эффектом «памяти формы». Его широко применяют в технике. Например, на рис. 5 вы видите конечность робота. «Пальцы», изготовленные из сплава, которому присущ эффект «памяти формы», были согнуты в горячем состоянии. «Суставы пальцев» представляют собой электрические нагреватели, и если пропустить через них ток, то «суставы» нагреются и «кисть» сожмется в кулак.

Принцип действия тепловых двигателей

На протяжении тысячелетий механизмы существенно облегчали физические нагрузки на человека. однако до конца XVIII в. огромный запас энергии, содержащийся внутри различных видов топлива, был практически не востребован. и только благодаря открытиям в термодинамике появились тепловые машины — устройства, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу.

Необратимость процессов в природе

Представьте: вы внесли в дом комочек снега, положили его на стол и, естественно, через некоторое время вместо снега обнаружили лужицу воды. И вдруг на ваших глазах в воде появляется льдинка, которая постепенно увеличивается, — и вскоре вместо лужицы вы видите горку пушистого снега. «Это невозможно!», — скажете вы и будете правы, поскольку знаете, что в теплой комнате снег всегда превращается в воду, но вода никогда самопроизвольно не превратится в снег.

Другой пример. Поднимаясь на гору, вы наступаете на камень, он срывается, катится по склону и, прокатившись какое-то расстояние, останавливается. При этом механическая энергия камня превращается во внутреннюю энергию самого камня, склона и окружающего воздуха. С точки зрения закона сохранения энергии возможен и обратный процесс, когда камень катится вверх за счет накопленной в нем и окружающей среде внутренней энергии. Однако на практике такой процесс не наблюдается.

Эти примеры и множество других убеждают: в природе все макроскопические процессы имеют определенное направление, и в обратном направлении они самопроизвольно происходить не могут.

Процессы, которые могут самопроизвольно происходить только в одном направлении, называют необратимыми процессами.

Необратимость процессов в природе отражает второй закон (начало) термодинамики, который имеет несколько эквивалентных формулировок. Например, в формулировке немецкого физика и математика Рудольфа Клаузиуса он звучит так:

Невозможен процесс, единственный результат которого — передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (рис. 39.1, а).

Обратите внимание на слова «единственный результат». Тепло самопроизвольно передается только от более нагретого тела к менее нагретому, при этом с другими телами никаких изменений не происходит. Обратный процесс тоже возможен, но результат не будет единственным. Например, в холодильной установке тепло передается от менее нагретой холодильной камеры более теплому окружающему воздуху, но при этом расходуется электрическая энергия.

Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона (начала) термодинамики:

Невозможен периодический процесс, единственный результат которого — совершение телом механической работы за счет уменьшения его внутренней энергии.

Если бы такой процесс был возможен, то мы получили бы вечный двигатель второго рода (рис. 39.1, б). Такая машина, например, могла бы отбирать тепловую энергию у Мирового океана и полностью превращать ее в работу.

Рис. 39.1. Циклические процессы, «разрешенные» первым законом термодинамики, но «запрещенные» вторым законом: а — идеальная холодильная машина; б — вечный двигатель второго рода

Как работает тепловой двигатель

Процессы, не противоречащие ни первому, ни второму законам термодинамики, происходят в тепловых машинах. В качестве примера рассмотрим работу теплового двигателя.

Тепловой двигатель — тепловая машина циклического действия, которая энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, преобразует в механическую работу.

Работу в двигателе совершает газ, который, расширяясь, давит на поршень. Газ, совершающий механическую работу в процессе своего расширения, называют рабочим телом.

Чтобы газ мог толкать поршень, необходимо, чтобы давление под поршнем было больше внешнего давления. Такое повышение давления достигается за счет увеличения температуры рабочего тела. Устройство, в контакте с которым рабочее тело получает определенное количество теплоты, называют нагревателем.

Рабочее тело не может бесконечно расширяться. Для непрерывной работы двигателя необходимо, чтобы поршень возвращался в исходное положение. Газ при этом будет сжиматься, совершая отрицательную работу. Чтобы в целом за цикл работа газа была положительной, давление, а значит, и температура газа при сжатии должны быть меньше, чем его давление и температура во время расширения (рис. 39.2), то есть газ нужно охлаждать. Объект, в контакте с которым от рабочего тела забирается некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Рис. 39.2. Если расширение газа (участок 1а2) происходит при большем давлении, чем сжатие (участок 2б1), то работа за цикл положительна (эта работа соответствует площади фигуры 1а2б1)

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 39.3). В тепловом двигателе осуществляется циклический периодический процесс, в результате которого за счет уменьшения внутренней энергии нагревателя совершается механическая работа. Однако этот результат не единственный, так как часть энергии передается холодильнику.

Рис. 39.3. Принцип работы тепловых двигателей: рабочее тело, получая определенное количество теплоты от нагревателя, совершает механическую работу A и передает некоторое количество теплоты холодильнику

Может ли КПД тепловой машины быть равным 100 %

Внутренняя энергия рабочего тела за цикл не изменяется (внутренняя энергия — функция состояния, а после окончания цикла газ возвращается в исходное состояние), поэтому согласно первому закону термодинамики работа A, совершаемая газом за цикл, равна: A= −, где — количество теплоты, полученное от нагревателя; — количество теплоты, отданное холодильнику. Чем меньше тепла отдается холодильнику (теряется), тем больше КПД теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия η двигателя — физическая величина, которая характеризует экономичность теплового двигателя и равна отношению работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, получаемому от нагревателя:

Обратите внимание!

1. Если в тепловом двигателе сгорает топливо, то =qm, где q — удельная теплота сгорания топлива; m — масса топлива.
2. КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно (1796–1832) пришел к выводу, что наиболее эффективен (с максимально возможным КПД ) так называемый идеальный тепловой двигатель, работающий по циклу, состоящему из двух изотермических и двух адиабатных процессов (рис. 39.4); КПД такого двигателя равен:

где — температура нагревателя; — температура холодильника.

Второй закон (начало) термодинамики в формулировке С. Карно:

Любая реальная тепловая машина, которая работает с нагревателем, имеющим температуру , и холодильником с температурой не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Получается, что для увеличения КПД теплового двигателя нужно уменьшить температуру холодильника и (или) увеличить температуру нагревателя. Однако температуру холодильника нельзя уменьшить до температуры ниже, чем температура окружающей среды, а температура нагревателя ограничена жаростойкостью материалов, из которых изготовлены поршень и цилиндр двигателя. Поэтому максимальный КПД не может превышать 60–70 %. Сейчас усилия инженеров направлены на увеличение КПД за счет уменьшения потерь энергии при трении и потерь топлива вследствие его неполного сгорания.

Как работают дизельные двигатели

Современную цивилизацию невозможно представить без тепловых двигателей. Наиболее широко они используются в тепловых и атомных электростанциях, где мощные паровые турбины вращают роторы генераторов электрического тока, а также в большинстве видов транспорта. На мощных самолетах и ракетах устанавливают турбореактивные и реактивные двигатели, на легких самолетах — поршневые. Водные суда могут быть оснащены как дизельными двигателями, так и турбинами.

Карбюраторные и дизельные двигатели приводят в движение большинство автомобилей. В курсе физики 8 класса вы ознакомились с работой карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрим, как работает дизельный двигатель.

В отличие от карбюраторного двигателя (в котором горючая смесь образуется вне цилиндра и воспламеняется от электрической искры), в дизельных двигателях горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра, а зажигается в результате повышения температуры воздуха при сжатии (рис. 39.5).

Рис. 39.5. График цикла и принцип работы четырехтактного дизельного двигателя

Несмотря на удобство и пользу, тепловые двигатели загрязняют окружающую среду (выбросы вредных веществ, тепловое загрязнение и т. д.). К сожалению, сейчас человечество не может отказаться от использования тепловых двигателей, поэтому связанные с этим экологические проблемы нужно решать.

Как работает холодильная установка

Холодильная установка — это устройство циклического действия, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем температура окружающей среды.

Принцип работы холодильной установки показан на рис. 39.6. Рабочим телом в холодильной установке служит хладагент — пар легкоиспаряющейся жидкости. При сжатии хладагент конденсируется, выделяя большое количество теплоты которое через теплообменник передается окружающей среде. Сжатие газа осуществляется компрессором, который совершает механическую работу A′ за счет электроэнергии.

Рис. 39.6. Устройство (а) и принцип работы (б) холодильной установки: рабочее тело расширяется и совершает работу, получая количество теплоты от холодильной камеры. За счет работы A′ внешних сил рабочее тело сжимается, при этом окружающей среде передается количество теплоты

В испарителе хладагент испаряется, поглощая при этом количество теплоты .

Поскольку сжатие газа происходит при более высоком давлении, чем расширение, то работа газа за цикл отрицательна и равна: .

Внешние силы за цикл совершают положительную работу:

Физическая величина, которая характеризует эффективность работы холодильной установки и равна отношению количества теплоты, полученного от холодильной камеры, к работе внешних сил, называется холодильным коэффициентом:

Из второго закона термодинамики следует, что максимальный холодильный коэффициент равен:

Обратите внимание: холодильный коэффициент может быть больше единицы.

Если трубки теплообменника вынести за пределы помещения, а холодильную камеру оставить открытой, то холодильная установка будет забирать тепло из помещения и отдавать его окружающей среде. Так работает кондиционер — электрическое устройство, предназначенное для охлаждения воздуха в помещении.

Если трубки теплообменника оставить в помещении, а открытую холодильную камеру вынести за его пределы, то холодильная установка будет забирать тепло из окружающей среды и отдавать его помещению. Так работает тепловой насос — устройство для обогрева помещения. Интересно, что тепловой насос работает эффективнее обычного электрического обогревателя: при работе теплового насоса переданное помещению количество теплоты () больше работы A′ электрического тока. Современные кондиционеры имеют два режима работы: летом они работают как кондиционеры, зимой — как тепловые насосы.

Выводы:

• Все макроскопические процессы в природе необратимы — они могут самопроизвольно происходить только в одном направлении. Необратимость процессов в природе отражает второй закон термодинамики, который можно сформулировать так: невозможен периодический процесс, единственный результат которого — совершение телом механической работы за счет уменьшения его внутренней энергии.
• Тепловой двигатель — тепловая машина циклического действия, которая энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, преобразует в механическую работу. Любой тепловой двигатель состоит из трех частей: нагреватель, рабочее тело, холодильник. КПД теплового двигателя определяют по формуле , он не может превышать КПД цикла Карно:
• Холодильная установка — устройство циклического действия, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем температура окружающей среды.