Необхідні умови роботи теплових машин

Створення та розвиток термодинаміки було викликано, перш за все, необхідністю опису роботи та розрахунку параметрів теплових машин . Теплові машини, або теплові двигуни, призначені для отримання технічної (корисної) роботи за рахунок тепла, що виділяється внаслідок хімічних реакцій (згоряння палива), ядерних реакцій або інших причин, наприклад нагрівання сонячною енергією.

З розгляду основних принципів роботи теплових машин незалежно від їх конструктивного виконання випливає, що безперервне перетворення теплової енергії на механічну роботувідбувається в них за допомогою допоміжного тіла , який отримав назву в термодинаміці робочого тіла . Як було зазначено раніше, найбільш підходять як робочі тіла за своїми фізичним властивостямє гази та пари рідин, оскільки вони характеризуються найбільшою здатністю до зміни своїх об'ємів при зміні Р і Т .

Крім того, робота цих машин можлива лише за дотримання двох неодмінних умов. Перша умова полягає в тому що будь-яка теплова машина повинна працювати циклічно, тобто робоче тіло, здійснюючи за певний проміжок часу ряд процесів розширення та стиснення, має повертатися у вихідний стан. Цей цикл повинен повторюватися протягом усього періоду роботи машини, причому залежно від конструктивного виконання теплової машини окремі частини циклу можуть здійснюватися в різних її складових частинах. При відсутності циклу, наприклад, при будь-якому процесі тільки розширення газу в робочій камері (циліндр двигуна внутрішнього згоряння, канали робочих лопаток парових і газових турбін) теплової машини, відповідно настане момент, коли Р і Т робочого тіла стануть рівними з Р і Т довкілля, і у цьому отримання роботи припиниться. І тут можна отримати лише обмежену кількість роботи. Для повторного отримання роботи необхідно або в процесі стиснення повернути робоче тіло в початковий стан, або якимось чином видалити з робочої камери відпрацьоване робоче тіло і заповнити камеру новою порцією цього тіла. З точки зору термодинамічного аналізу роботи теплової машини зовсім не обов'язково мати справу з новими порціями робочого тіла, так як для процесу перетворення теплової енергії в механічну роботу байдуже, чи залишається в робочій камері колишнє робоче тіло або вводиться нове. Тому можна виходити з того, що в циліндрі теплової машини знаходиться те саме кількість робочого тіла, яке, циклічно проходячи через ряд змін свого стану з початкового в кінцеве і назад, перетворює теплову енергію в механічну роботу.

v

P

v 2

v 1

Р 1

Р 2

q 1

q 2

Рис.6.6.1. Цикл теплової машини

Розглянемо круговий цикл теплової машини, зображений малюнку. У процесі розширення робочого тіла лінією 1-3-2 до нього від джерела теплової енергії з температурою Т 1 , тобто від гарячого джерела тепла , підводиться тепло у кількості q 1 . В результаті має місце додаткове збільшення обсягу робочого тіла. Таким чином, розширення робочого тіла здійснюється як рахунок зниження тиску в робочій камері, так і за рахунок підвищення його температури. Однак для отримання механічної роботи процес розширення нагрітого робочого тіла у робочій камері повинен здійснюватися під певним протитиском з боку рухомих поверхонь робочої камери. При цьому виходить позитивна питома механічна робота l 1 , а саме робота розширення робочого тіла, еквівалентна площі S 1-3-2-6-5-1 . При досягненні точки 2 робоче тіло має бути повернене в початковий стан, тобто у точку 1. Для цього потрібно стиснути робоче тіло.

Для того щоб теплова машина безперервно виробляла механічну енергію, робота розширення робочого тіла має бути більше роботийого стискування. Тому крива стиску 2-4-1 має лежати нижче кривої розширення. Якщо процес стиснення піде по лінії 2-3-1 , то ніякої технічної, тобто корисної роботи отримано не буде, так як в цьому випадку буде l 1 = l 2 , де l 2 - Негативна питома робота стиснення робочого тіла. Тому для отримання корисної роботи необхідно в процесі розширення зменшити тиск робочого тіла за рахунок відведення від нього частини тепла q 2 до джерела тепла з нижчою температурою Т 2 , тобто до холодного джерела тепла . Відповідно, l 2 еквівалентна площі S 2-4-1-5-6-2 . В результаті кожен кілограм робочого тіла робить за цикл корисну роботу lц, яка еквівалентна площі S 1-3-2-4-1 обмеженою контуром циклу. Таким чином, для безперервної роботитеплової машини необхідний циклічний процес, у якому до робочого тіла від гарячого джерела підводиться тепло q 1 і відводиться від нього до холодного джерела тепло q 2 . Наявність щонайменше двох джерел тепла з різними температурами - гарячого та холодного - є другою необхідною умовою роботи теплових машин .

Надзвичайно важливо наголосити, що все тепло q 1 , отримане робочим тілом від гарячого джерела, може бути перетворено на роботу. Частина q 1 , тобто q 2 , обов'язково має бути віддана іншому тілу (тілам) з нижчою температурою. Як таке тіло може виступати атмосферне повітря, великий обсягводи тощо. Численні спроби створити теплову машину, в якій все тепло q 1 перетворювалося б на роботу, тобто мала б місце рівність q 2 = 0, неминуче закінчувалися провалом. Така машина, яка могла б перетворювати все тепло, що підводиться до неї, на роботу, отримала назву вічного двигуна другого роду , або перпетуум мобіле (perpetuum mobile) другого роду . Весь накопичений наукою досвідчений матеріал свідчить, що такий двигун неможливий.

Ще раз відзначимо, що наявність холодного джерела тепла і передача йому частини отриманого від гарячого джерела тепла є обов'язковою, оскільки робота теплової машини неможлива. Дійсно, для отримання безперервної механічної роботи необхідна наявність потоку енергії, даному випадкупотоку тепла. Якщо холодне джерело буде відсутнє, то робоче тіло неминуче прийде в теплову рівновагу з гарячим джерелом і потік тепла припиниться.

1-3-2 і 2-4-1 відповідно матиме вигляд:

q 1 = + Du+ l 1 ;

Величини q 2 і l 2 необхідно брати по модулю, що дозволить уникнути плутанини зі знаками у q 2 , так як тепло, що йде з системи, має знак мінус. Внутрішня енергія робочого тіла за цикл не повинна змінюватися, і тому перед Du в рівняннях проставлені прямо протилежні знаки алгебри. Склавши ці рівняння, отримаємо:

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

де q ц - частина тепла гарячого джерела, що перетворюється на циклі на роботу; l ц – робота циклу 1-3-2-4-1 .

Оскільки в даному випадку l 1 > l 2 , То робота циклу позитивна. Вона, як показує (6.6.1), дорівнює різниці підведеного та відведеного у циклі тепла.

Ефективність перетворення q 1 в lцоцінюється термічним (термодинамічним, тепловим) ККД циклу теплової машини:

. (6.6.2)

Таким чином, термічний ККД циклу теплової машини є відношенням отриманої в циклі корисної роботи. lцдо всього введеного в робоче тіло тепла q 1 .

Цикл, що складається із оборотних процесів, називається ідеальним. При цьому робоче тіло в такому циклі не повинно зазнавати хімічних змін. Якщо хоча б один із процесів, що входять до складу циклу, буде незворотним, то цикл буде вже не ідеальним. Для виконання ідеального циклу в тепловій машині (двигуні) повинні бути повністю відсутні теплові та механічні втрати. Така машина отримала назву ідеальної теплової машини (ідеального теплового двигуна).

Так як ½ q 2 ½> 0, то h Т< 1,0, тобто ККД теплової машини, навіть ідеальної, завжди буде менше 1,0. Результати досліджень ідеальних циклів можуть бути перенесені на дійсні, тобто незворотні процеси реальних теплових машин шляхом введення досвідчених поправочних коефіцієнтів.

Співвідношення (6.6.2) є математичним виразом принципу еквівалентності теплової та механічної енергії. Якщо виключити із схеми теплової машини холодне джерело, то формально принцип еквівалентності не буде порушено. Однак, як уже зазначалося вище, така машина не працюватиме.

Цикли, в результаті яких виходить позитивна робота, тобто коли l 1 > l 2 , називаються прямими циклами , або циклами теплового двигуна . За цими циклами працюють двигуни внутрішнього згоряння, реактивні двигуни, газові та парові турбіни і так далі.

Якщо цикл, зображений на рис.6.6.1, уявити протікаючим у зворотному напрямку, тобто по замкнутій кривій 1-4-2-3-1 (див. рис. 6.6.2), то для його здійснення необхідно вже витратити роботу lц, яка буде вже негативною та еквівалентною площі S 1-4-2-3-1 . Тілом, що охолоджується, в такій машині є холодне джерело тепла, а нагрівається - навколишнє середовище, тобто гаряче джерело тепла. Такі цикли називаються циклами холодильної машини,або холодильними (зворотними) циклами.

Щоб підтримати низьку температуруохолоджуваного тіла, потрібно безперервно відводити від нього тепло q 2 що надходить у робоче тіло від холодного джерела. Цей відвід у холодильному циклі здійснюється у процесі 1-4-2 розширення робочого тіла, яке це тепло сприймає та здійснює при цьому позитивну роботу l 2 , еквівалентну площі
S 1-4-2-6-5-1 . Повернення робочого тіла у вихідний стан відбувається в процесі стиснення по кривій 2-3-1 , розташованої над кривою процесу розширення, тобто в процесі, що відбувається за вищих температурних умов. Це дає можливість передавати тепло, що відводиться від робочого тіла. q 1 гарячого джерела тепла, якою зазвичай виступає навколишнє середовище. На стиск витрачається негативна робота l 1 визначається на графіку площею S 2-3-1-5-6-2 .

v

P

v 2

v 1

Р 1

Р 2

q 1

q 2

Мал. 6.6.2. Цикл холодильної машини

Рівняння 1-го закону термодинаміки для процесів 1-4-2 і 2-3-1 з урахуванням алгебраїчних знаків перед складовими відповідно мають вигляд:

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

Додавання по частинах обох рівнянь дає:

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

½ q 1 ½= q 2+½ lц.½ (6.6.4)

Цей вираз показує, що тепло q 1 , що передається гарячому джерелу тепла, складається з тепла q 2 , що надійшов у робоче тіло з холодного джерела тепла, та роботи циклу lц. Так як ½ l 1 ½ > l 2 , то lц < 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 і створюється в потрібному місцітемпература нижче температури самої ОС . По холодильному (зворотному циклі) працюють холодильні машини, теплові насоси тощо.

Ефективність роботи холодильної машини оцінюється так званим холодильним коефіцієнтом e, визначеним ставленням відібраної від холодного джерела обмеженої ємності корисного тепла q 2 до витраченої роботи lц:

. (6.6.5)

Холодильний коефіцієнт характеризує ефективність передачі тепла холодного джерела тепла до гарячого джерела тепла. Він буде тим більшим, чим більша кількість тепла q 2 буде взято від холодного джерела тепла і передано гарячому джерелу тепла і чим менше буде витрачено на це роботи lц. На відміну від термічного (термодинамічного, теплового) КПДh Т холодильний коефіцієнт 𝜺 може бути більшим, меншим і рівним одиниці.

У холодильній машині q 1 викидається в навколишнє середовище, що є джерелом необмеженої ємності . Тому холодильна машина може бути використана не тільки для охолодження різних тіл, а й для опалення приміщення. Дійсно, навіть звичайний побутовий холодильник, охолоджуючи вміщені в ньому продукти, одночасно нагріває повітря в кімнаті. Принцип динамічного опалення було запропоновано У. Томсоном і покладено основою дії сучасних теплових насосів . Тепловими насосами є машини, основним продуктом виробництва яких є тепло q 1 , що передається джерело обмеженої ємності . Їхня ефективність оцінюється опалювальним коефіцієнтом , що є відношенням переданого споживачеві тепла q 1 до lц:

У цьому випадку тепло q 2 відбирається від джерела необмежену ємність (атмосферне повітря, великі обсяги води, породний масив).

Перевага теплового насоса в порівнянні з електричним нагрівачемполягає в тому, що на нагрівання приміщень використовується не тільки перетворена на тепло електрична енергія, а й тепло, відібране від навколишнього середовища. Тому ефективність теплових насосів може бути набагато вищою за ефективність електричних нагрівачів.

Комбінація з циклу двигуна та циклів теплового насоса або холодильної установки є циклом теплового трансформатора , який дозволяє перекачувати тепло від джерела з одного Т до джерела з іншого Т у ході суміщеного циклу. Призначення теплового трансформатора - Зміна потенціалу тепла. Якщо трансформатор призначений для отримання тепла з нижчою Т, чим вихідна Т гарячого джерела, то такий трансформатор називається знижуючим . Якщо в трансформаторі отримано тепло при Т вищою, ніж вихідне тепло, такий трансформатор називається підвищуючим .

Таким чином, робота будь-якої теплової або холодильної машини можлива лише за наявності двох джерел тепла: гарячого та холодного.

Машини, в яких внутрішня енергія палива перетворюється на механічну, називаються тепловими двигунами.До них відносяться: двигуни внутрішнього згоряння, парова та газова турбіни, реактивні двигуни. З'ясуємо, які необхідні умови для того, щоб у тепловому двигуні внутрішня енергія палива перетворювалася на механічну енергію робочого валу двигуна.

Речовина, яка здійснює роботу в тепловому двигуні, називається робочим тілом.У парових двигунах такою є пара, а в двигуні внутрішнього згоряння, реактивному двигуні та в газовій турбіні - газ. Як показує теорія теплових двигунів, щоб робоче тіло безперервно робило в них роботу, необхідна наявність у двигуні нагрівача та холодильника. Пристрій, в якому робоче тіло нагрівається за рахунок енергії палива, називається нагрівачем(паровий котел, циліндр). Пристрій, в якому робоче тіло після виконання роботи охолоджується, називається холодильником(атмосфера, конденсатор, в якому пара, що відпрацювала, охолоджується проточною водою і перетворюється на воду).

Зробимо наступний досвід (рис. 30). Візьмемо U-подібну трубку із водою. Одне коліно трубки з'єднане з теплоприймачем (в якому знаходиться робоче тіло - газ), в іншому коліні є поплавок А. Поперемінно теплоприймач нагріватимемо спиртовкою і опускати в холодну воду. Спиртування виконує роль нагрівача робочого тіла, холодна вода - роль холодильника. Робота такої моделі теплового двигуна полягає в повторюваному процесі - піднятті та опусканні води разом із поплавком. Це відбувається так: робоче тіло (газ), нагріваючись у нагрівачі та розширюючись, здійснює роботу з підняття води з поплавком; щоб робоче тіло знову могло зробити роботу, його охолоджують у холодильнику, а потім знову нагрівають. Поки що цей процес повторюватиметься - модель такого двигуна діятиме.

Тепловий двигун працює безперервно. Так відбувається тому, що в ньому процеси, що відбуваються з робочим тілом, періодично повторюються: воно нагрівається, розширюючись, виконує роботу, охолоджується, знову нагрівається і т. д. (Прослідкуйте це в роботі двигуна внутрішнього згоряння. Значить, для роботи теплового двигуна необхідно мати: нагрівач, робоче тіло та холодильник.

Для періодично повторюваних процесів було відкрито закон, яким неможливо здійснити такий періодично повторюваний процес, єдиним і кінцевим результатомякого було б повне перетворення кількості теплоти, отриманої від нагрівача, на роботу.Стосовно теплового двигуна це означає: кількість теплоти, отримана робочим тілом від нагрівача, не може бути повністю використана для роботи, оскільки неможливий процес повного переходу внутрішньої енергії безладного руху великої кількості молекул в механічну енергію руху тіла (поршня двигуна, робочого колеса турбіни ).

Щоб у реальних теплових двигунах робоче тіло знову і знову здійснювало роботу, порцію робочого тіла, що відпрацювала, видаляють з двигуна в холодильник, тобто в атмосферу, або в конденсатор для підігріву води, або для опалення (рис. 31). При цьому, щоб на видалення була виконана якнайменша робота, в холодильнику температура і тиск завжди менше, ніж у робочій камері двигуна. Завдяки різниці роботи пари та роботи з її видалення двигун і здійснює корисну роботу. З енергетичної точки зору процес, що відбувається в теплових двигунах, зводиться до наступного (рис. 32): робоче тіло отримує від нагрівача кількість теплоти Q н, частина якого віддає холодильнику Q x ,а за рахунок частини, що залишилася, здійснює роботу А = Q н - Q x .

Різноманітне застосування теплових двигунів. Карбюраторні двигунинаприклад, застосовуються в автомобілях, мотоциклах; дизелі - у тракторах, автомобілях великої вантажопідйомності, тепловозах, теплоходах, морських судах; парові турбіни – на електростанціях; газові турбіни - на електростанціях, газотурбовозах, у доменних печах для приведення в дію повітродувок, є частиною одного з типів реактивного двигуна; реактивні двигуни - в авіації, ракетах.

Теплова машина перетворює тепло на роботу, інакше кажучи, забирає тепло від одних тіл і передає його іншим тілам у формі механічної роботи. Для того щоб здійснити це перетворення, треба розташовувати двома нагрітими тілами, між якими можливий теплообмін. Для стислості будемо називати гарячіше тіло нагрівачем, а холодніше - холодильником. За наявності таких двох тіл процес перетворення тепла на роботу малюється наступним чином: здатне розширитися тіло (робоче тіло) приводиться в контакт з нагрівачем. Тепло відбирається від нагрівача і витрачається на роботу розширення, що віддається оточуючим тілам. Далі робоче тіло приводиться в контакт з холодильником, якому воно віддає тепло

за рахунок роботи, що здійснюється зовнішніми силами над робочим тілом.

Щоб отримати теплову машину, що безперервно діє, необхідно закінчити такт стиснення в тій точці, в якій почався такт розширення; коротше, процес має бути циклічним. Робоче тілопісля проведення кожного циклу повертається у вихідний стан. Закон збереження енергії вимагає, щоб енергія, отримана від навколишніх тіл, дорівнювала енергії, переданої оточуючим тілам. Від середовища отримано: тепло при розширенні та робота А2 при стисканні робочого тіла. Середовищі віддано: робота А! при розширенні тіла та тепло при стисканні. Отже, або При проведенні циклу за годинниковою стрілкою робота стиснення менше роботирозширення. Тому остання рівність висловлює той простий факт, що чиста робота, передана робочим тілом зовнішньому середовищі, дорівнює різниці теплот, отриманої від нагрівача та відданої холодильнику. Відповідно коефіцієнт корисної діїциклу, а значить, і всієї машини, дорівнюватиме

Описаний процес дії теплової машини є, ясна річ, абстрактною схемою. Однак найістотніші риси кожного теплового двигуна передаються цією схемою. Робочим тілом є газ або пара, що розширюється і стискається, роль холодильника грає навколишнє середовище. Нагрівачем служить паровий котел або, у двигунах внутрішнього згоряння, горюча суміш.

Ті ж три системи є необхідними і для холодильної машини, в якій цикл протікає в зворотний бік. Принцип роботи цієї машини полягає в наступному: розширення робочого тіла провадиться тоді, коли воно знаходиться в контакті з холодильником. Цим холодне тіло охолоджується ще більше, що є завданням холодильної машини. Далі, щоб цикл став можливим, потрібно зробити стиск робочого тіла та передати тепло, отримане від холодильника. Це виконується при контакті робочого тіла із нагрівачем. Таким чином, гаряче тіло нагрівається ще більше. «Протиприродний» перехід тепла від тіла менш нагрітого до тіла нагрітішому «оплачується» роботою. Дійсно, при скоєнні циклу проти годинникової стрілки рівність енергії, переданої середовищу, і енергії, відібраної від середовища (тобто або де ми як і раніше індекс 1 відносимо до частини процесу, що протікає при контакті з гарячішим тілом), має наступний сенс : кількість тепла, відібрана від системи, повинна бути компенсована рівною кількістю механічної роботи.

Другий початок термодинаміки накладає певну умову на дію теплової машини. Якщо припускати процес оборотним, то зміна ентропії робочого тіла після проходження циклу має дорівнювати нулю. Можна сказати й інакше: зміна

ентропії у процесі розширення має дорівнювати (зі зворотним знаком) зміни ентропії при стисканні, тобто.

У разі незворотного процесу ентропія замкнутої системи, що складається з нагрівача, холодильника та робочого тіла, зросте і тому

(Нагадуємо, що є величина алгебри. Тепло, що надійшло в систему, вважається позитивним.) Підраховуючи значення цих інтегралів для конкретних процесів, можна в ряді випадків досить просто знайти значення максимального коефіцієнта корисної дії того або іншого циклу теплової машини.

« Фізика – 10 клас»

Що таке термодинамічна система та якими параметрами характеризується її стан.
Сформулюйте перший та другий закони термодинаміки.

Саме створення теорії теплових двигунів і призвело до формулювання другого закону термодинаміки.

Запаси внутрішньої енергії у земній корі та океанах можна вважати практично необмеженими. Але для вирішення практичних завдань мати запаси енергії ще недостатньо. Необхідно так само вміти за рахунок енергії рухати верстати на фабриках і заводах, засоби транспорту, трактори та інші машини, обертати ротори генераторів електричного струмуі т. д. Людству потрібні двигуни - пристрої, здатні виконувати роботу. Більшість двигунів на Землі - це теплові двигуни.

Теплові двигуни - це пристрої, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну роботу.

Принцип дії теплових двигунів

Для того, щоб двигун виконував роботу, необхідна різниця тисків по обидва боки поршня двигуна або лопаті турбіни. У всіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури. робочого тіла(газу) на сотні чи тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається за згоряння палива.

Одна з основних частин двигуна - посудина, наповнена газом, з рухомим поршнем. Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, який здійснює роботу під час розширення. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через T 1 . Цю температуру в парових турбінахабо машинах набуває пар у паровому казані. У двигунах внутрішнього згоряння та газових турбінахпідвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.

Роль холодильника.

У міру виконання роботи газ втрачає енергію і неминуче охолоджується до деякої температури Т 2 яка зазвичай дещо вище температури навколишнього середовища. Її називають температурою холодильника. Холодильником є ​​атмосфера або спеціальні пристроїдля охолодження та конденсації відпрацьованої пари - конденсатори. В останньому випадку температура холодильника може бути трохи нижче температури навколишнього повітря.

Таким чином, у двигуні робоче тіло при розширенні не може віддати всю свою внутрішню енергію на виконання роботи. Частина тепла неминуче передається холодильнику (атмосфері) разом із відпрацьованою парою або вихлопними газамидвигунів внутрішнього згоряння та газових турбін.

Ця частина внутрішньої енергії палива втрачається. Тепловий двигун здійснює роботу рахунок внутрішньої енергії робочого тіла. Причому в цьому процесі відбувається передача теплоти від гарячих тіл (нагрівача) до холодніших (холодильнику). Принципова схематеплового двигуна зображено малюнку 13.13.

Робоче тіло двигуна отримує від нагрівача при згоранні палива кількість теплоти Q 1 , здійснює роботу А і передає холодильнику кількість теплоти Q 2< Q 1 .

Для того, щоб двигун працював безперервно, необхідно робоче тіло повернути в початковий стан, при якому температура робочого тіла дорівнює Т 1 . Звідси випливає, що робота двигуна відбувається за замкненими процесами, що періодично повторюються, або, як кажуть, по циклу.

Цикл- це низка процесів, у яких система повертається у початковий стан.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.

Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу на роботу теплових двигунів обумовлена ​​незворотністю процесів у природі. Якщо тепло могло мимоволі повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути повністю перетворена на корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна. Другий закон термодинаміки може бути сформульований так:

Другий закон термодинаміки:
неможливо створити вічний двигундругого роду, який повністю перетворював би теплоту на механічну роботу.

Відповідно до закону збереження енергії робота, що здійснюється двигуном, дорівнює:

А" = Q 1 - | Q 2 |, (13.15)

де Q 1 - кількість теплоти, отриманої від нагрівача, Q2 - кількість теплоти, відданої холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна називають відношення роботи А", що здійснюється двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Так як у всіх двигунів кілька теплоти передається холодильнику, то η< 1.

максимальне значення ККДтеплові двигуни.

Закони термодинаміки дозволяють вирахувати максимально можливий ККД тепловогодвигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 а також визначити шляхи його підвищення.

Вперше максимально можливий ККД теплового двигуна обчислив французький інженер і вчений Саді Карно (1796-1832) у праці "Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу" (1824).

Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газомяк робоче тіло. Ідеальна теплова машина Карно працює за циклом, що складається з двох ізотерм та двох адіабат, причому ці процеси вважаються оборотними (рис. 13.14). Спочатку посудину з газом приводять в контакт з нагрівачем, газ ізотермічно розширюється, роблячи позитивну роботу, при температурі Т 1 при цьому він отримує кількість теплоти Q 1 .

Потім посудину теплоізолюють, газ продовжує розширюватися вже адіабатно, при цьому температура знижується до температури холодильника Т 2 . Після цього газ приводять у контакт з холодильником, при ізотермічному стисканні він віддає холодильнику кількість теплоти Q 2 стискаючись до об'єму 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:

Як випливає з формули (13.17), ККД машиниКарно прямо пропорційний різниці абсолютних температурнагрівача та холодильника.

Головне значення цієї формули полягає в тому, що в ній вказано шлях збільшення ККД, для цього треба підвищувати температуру нагрівача або знижувати температуру холодильника.

Будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т 1 і холодильником з температурою Т 2 , не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини: Процеси, у тому числі складається цикл реальної теплової машини, є оборотними.

Формула (13.17) дає теоретичну межу максимального значення ККД теплових двигунів. Вона показує, що тепловий двигун тим ефективніший, чим більша різниця температур нагрівача та холодильника.

Лише за температури холодильника, що дорівнює абсолютному нулю, η = 1. Крім цього доведено, що ККД, розрахований за формулою (13.17), не залежить від робочої речовини.

Але температура холодильника, роль якого зазвичай грає атмосфера, практично не може бути нижчою за температуру навколишнього повітря. Підвищувати температуру нагрівача можна. Однак будь-який матеріал (тверде тіло) має обмежену теплостійкість або жароміцність. При нагріванні він поступово втрачає свої пружні властивості, а за достатньо високій температуріплавиться.

Наразі основні зусилля інженерів спрямовані на підвищення ККД двигуніврахунок зменшення тертя їх частин, втрат палива внаслідок його неповного згоряння тощо.

Для парової турбінипочаткові і кінцеві температури пари приблизно такі: Т 1 - 800 К і Т 2 - 300 К. При цих температурах максимальне значення коефіцієнта корисної дії дорівнює 62% (зазначимо, що ККД вимірюють у відсотках). Справжнє значення ККД через різноманітних енергетичних втрат приблизно дорівнює 40 %. Максимальний ККД – близько 44% – мають двигуни Дизеля.

Охорона навколишнього середовища.

Важко уявити сучасний світбез теплових двигунів Саме вони забезпечують нам комфортне життя. Теплові двигуни надають руху транспорту. Близько 80% електроенергії, незважаючи на наявність атомних станцій, виробляється за допомогою теплових двигунів.

Однак під час роботи теплових двигунів відбувається неминуче забруднення довкілля. У цьому полягає протиріччя: з одного боку, людству з кожним роком необхідно дедалі більше енергії, переважна більшість якої виходить рахунок згоряння палива, з іншого боку, процеси згоряння неминуче супроводжуються забрудненням довкілля.

При згорянні палива відбувається зменшення вмісту кисню у атмосфері. Окрім цього, самі продукти згоряння утворюють хімічні сполукишкідливі для живих організмів. Забруднення відбувається не тільки на землі, а й у повітрі, тому що будь-який політ літака супроводжується викидами шкідливих домішок в атмосферу.

Одним із наслідків роботи двигунів є утворення вуглекислого газу, який поглинає інфрачервоне випромінювання Землі, що призводить до підвищення температури атмосфери. Це так званий парниковий ефект. Вимірювання показують, що температура атмосфери протягом року підвищується на 0,05 °З. Таке безперервне підвищення температури може викликати танення льодів, що, своєю чергою, призведе до зміни рівня води у океанах, т. е. до затоплення материків.

Зазначимо ще один негативний моментпід час використання теплових двигунів. Так, іноді для охолодження двигунів використовується вода з річок та озер. Нагріта вода потім повертається назад. Зростання температури у водоймах порушує природну рівновагу, це явище називають тепловим забрудненням.

Для охорони навколишнього середовища широко використовуються різні очисні фільтри, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, удосконалюються конструкції двигунів Йде безперервне вдосконалення палива, що дає при згорянні менше шкідливих речовин, а також технології його спалювання. Активно розробляються альтернативні джерелаенергії, що використовують вітер, сонячне випромінювання, енергію ядра. Вже випускаються електромобілі та автомобілі, що працюють на сонячній енергії.

Тепловий двигун – пристрій, що перетворює внутрішню енергію згорілого палива на механічну енергію. Види теплових двигунів : 1) двигуни внутрішнього згоряння: а) дизельні; б) карбюраторні; 2) парові двигуни; 3) турбіни: а) газові; б) парові.

Всі названі теплові двигуни мають різну конструкцію, але складаються з трьох основних частин : нагрівача, робочого тіла та холодильника. Нагрівач забезпечує надходження теплоти у двигун. Робоче тіло перетворює частину отриманої теплоти на механічну роботу. Холодильникзабирає від робочого тіла частину теплоти.

T 1- Температура нагрівача;

T 2-температура холодильника;

Q 1– теплота, отримана

від нагрівача;

Q 2- Тепло, віддана

холодильнику;

A"– робота, виконана

двигуном.

Робота будь-якого теплового двигуна складається з циклічних процесів, що повторюються - циклів. Цикл – це така послідовність термодинамічних процесів, у яких система повертається у початковий стан.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплової машини - це відношення досконалої двигуном роботи до кількості теплоти, отриманої від нагрівача: .

Французький інженер Саді Карно розглянув ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він знайшов оптимальний ідеальний циклтеплового двигуна, що складається з двох ізотермічних та двох адіабатичних оборотних процесів – цикл Карно . ККД такої теплової машини з нагрівачем при температурі та холодильником при температурі: . Незалежно від конструкції, вибору робочого тіла і типу процесів в тепловому двигуні його ККД не може бути більшим за ККД теплового двигуна, що працює за циклом Карно, і має ті ж, що і у даного теплового двигуна, температуру нагрівача і холодильника.

ККД теплових двигунів невисокий, тому найважливішим технічним завданням є його підвищення. Теплові двигуни мають два істотних недоліків. По-перше, у більшості теплових двигунів використовується органічне паливо, Видобуток якого швидко виснажує ресурси планети. По-друге, внаслідок згоряння палива в довкілля викидається величезна кількість шкідливих речовин, що створює значні екологічні проблеми.

З вивченням питання про максимальний ККД теплових машин пов'язане відкриття 1850 р. німецьким фізиком Р. Клазіусом другого початку термодинаміки : неможливий такий процес, при якому теплота мимоволі переходила б від холодніших тіл до гарячіших тіл.

Фізичні величини та їх одиниці виміру:

Назва величина	Позначення	Одиниця виміру	Формула
Відносна молекулярна маса	M r(Ем ер)	безрозмірна величина
Маса однієї молекули (атома)	m 0	кг
Маса	m	кг
Молярна маса	M
Кількість речовини	ν (ню)	моль(моль)	;
Число частинок	N(Ен)	безрозмірна величина
Тиск	p(Пе)	Па(паскаль)
Концентрація	n(Ен)
Об `єм	V(Ве)
Середня кінетична енергія поступального рухумолекули		Дж(джоуль)
Температура за шкалою Цельсія	t	°C
Температура за шкалою Кельвіна	T	До(кельвін)
Середня квадратична швидкість молекул
Поверхневий натяг	σ (Сігма)
Абсолютна вологість	ρ (ро)
Відносна вологість	φ (фі)	%
Внутрішня енергія	U(у)	Дж(джоуль)
Робота	А(а)	Дж(джоуль)
Кількість теплоти	Q(ку)	Дж(джоуль)