В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель , рабочее тело и холодильник .

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Q нагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Q хол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

A = Q нагр – |Q хол|.

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q , то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики . Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию .

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

	Изобарно-изохорный
	Изохорно-адиабатный
	Изобарно-адиабатный
	Изобарно-изохорно-изотермический
	Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя T нагр и холодильника T хол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели - устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в , карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

О паровых двигателях

Хронология этого изобретения ведёт свой отсчёт от эпохи Архимеда, придумавшего пушку, стрелявшую с помощью пара. Затем следует череда славных имён, предлагавших свои проекты. Наиболее эффективный вариант устройства принадлежит русскому изобретателю Ивану Ползунову. В отличие от своих предшественников он предложил непрерывный ход рабочего вала за счёт использования попеременной работы 2-х цилиндров.

Сгорание топлива и образование пара у паровых машин происходит вне рабочей камеры. Поэтому их называют двигателями внешнего сгорания.

По такому же принципу образуется рабочее тело в паровых и газовых турбинах. Их далеким прообразом явился шар, вращаемый паром. Автором этого механизма был учёный Герон, творивший свои машины и приборы, в древней Александрии.

О двигателях внутреннего сгорания

В конце XIX века немецким конструктором Августом Отто была предложена конструкция ДВС с карбюратором, где приготавливается топливовоздушная смесь.

Остановимся более подробно на его работе. Каждый цикл работы состоит из 4-х тактов: впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Во время первого такта горючая смесь впрыскивается в цилиндр и сжимается поршнем. Когда компрессия достигает максимума, срабатывает система электроподжига (искра от свечи). В результате этого микровзрыва температура в камере сгорания достигает 16 000 - 18 000 градусов. Образующиеся газы давят на поршень, толкают его, проворачивая соединенный с поршнем коленчатый вал. Это и есть рабочий ход, приводящий автомобиль в движение.

А охладившиеся газы через выпускной клапан выбрасываются в атмосферу. Пытаясь улучшить эффективность работы устройства, разработчики увеличивали степень сжатия горючей смеси, но тогда она самовоспламенялась «досрочно».

Немецкий инженер Дизель нашел интересный выход из этого затруднения…

В цилиндрах дизеля за счёт движения поршня сжимается чистый воздух. Это позволило в несколько раз увеличить степень сжатия. Температура в камере сгорания достигает 900 град. В конце такта сжатия туда впрыскивается солярка. Её мелкие капли, смешавшись со столь разогретым воздухом, самовоспламеняются. Образующиеся газы, расширяясь, давят на поршень, осуществляя рабочий ход.

Итак, дизельные двигатели отличаются от карбюраторных:

• По роду используемого топлива. Карбюраторные двигатели - бензиновые. Дизельные - потребляют исключительно солярку.
• Дизель на 15–20 % экономичнее карбюраторных двигателей за счёт большей степени сжатия, но его обслуживание дороже, чем у его соперника - бензинового двигателя.
• В числе минусов дизеля - в холодные российские зимы солярка загустевает, нужен её подогрев.
• Последние исследования американских учёных показали, что выбросы от дизельных двигателей по составу менее вредны, чем от их бензиновых аналогов.

Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные - на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.

Коэффициент полезного действия (КПД)

Эффективность эксплуатации любого механизма определяется его КПД. Паровой двигатель, выпускающий отработанный пар в атмосферу, имеет весьма низкий КПД от 1 до 8%, бензиновые двигатели до 30%, обычный дизельный двигатель до 40%. Безусловно, во все времена инженерная мысль не останавливалась и искала пути повышения КПД.

Талантливый французский инженер Сади Карно разработал теорию работы идеального теплового двигателя.

Его рассуждения были следующими: чтобы обеспечить повторяемость циклов, необходимо, чтобы расширение рабочего вещества при нагревании сменялось его сжатием до первоначального состояния. Этот процесс может совершаться только за счёт работы внешних сил. Причём работа этих сил должна быть меньше полезной работы самого рабочего тела. Для этого следует понизить его давление путём охлаждения в холодильнике. Тогда график всего цикла будет иметь вид замкнутого контура, он то и стал называться циклом Карно. Максимальный КПД идеального двигателя вычисляется по формуле:

Где η сам коэффициент полезного действия, T1 и T2 абсолютные температуры нагревателя и холодильника. Они вычисляются по формуле T= t+273, где t температура по Цельсию. Из формулы видно, что для увеличения КПД необходимо увеличить температуру нагревателя, что ограничено жаропрочностью материала, или понизить температуру холодильника. Максимальный КПД будет при Т= 0К, что также технически неосуществимо.

Реальный коэффициент всегда меньше КПД идеального теплового двигателя. Сравнивая реальный коэффициент с идеальным, можно определить резервы для совершенствования имеющегося двигателя.

Работая в этом направлении, конструкторы снабдили бензиновые двигатели последнего поколения инжекторными системами подачи топлива (впрыскивателями). Это позволяет с помощью электроники добиться его полного сгорания и соответственно увеличить КПД.

Изыскиваются пути уменьшения трения соприкасающихся деталей двигателя, а также улучшения качества используемого топлива.

Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе

Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.

Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.

Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.

Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.

Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.

В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.

Если это сообщение тебе пригодилось, буда рада видеть тебя

«Физика - 10 класс»

Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.

Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели - устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели .

Тепловые двигатели - это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Принцип действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Одна из основных частей двигателя - сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T 1 . Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т 1 называют температурой нагревателя .

Роль холодильника.

По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т 2 , которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника . Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара - конденсаторы . В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.

Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.

Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.

Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q 1 , совершает работу А" и передаёт холодильнику количество теплоты Q 2 < Q 1 .

Для того чтобы двигатель работал непрерывно, необходимо рабочее тело вернуть в начальное состояние, при котором температура рабочего тела равна Т 1 . Отсюда следует, что работа двигателя происходит по периодически повторяющимся замкнутым процессам, или, как говорят, по циклу.

Цикл - это ряд процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невозможность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе. Если бы тепло могло самопроизвольно возвращаться от холодильника к нагревателю, то внутренняя энергия могла бы быть полностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя. Второй закон термодинамики может быть сформулирован следующим образом:

Второй закон термодинамики:
невозможно создать вечный двигатель второго рода, который полностью превращал бы теплоту в механическую работу.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна:

А" = Q 1 - |Q 2 | , (13.15)

где Q 1 - количество теплоты, полученной от нагревателя, a Q2 - количество теплоты, отданной холодильнику.

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют отношение работы А", совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя:

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η < 1.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , а также определить пути его повышения.

Впервые максимально возможный КПД теплового двигателя вычислил французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832) в труде «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» (1824).

Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т 1 , при этом он получает количество теплоты Q 1 .

Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т 2 . После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q 2 , сжимаясь до объёма V 4 < V 1 . Затем сосуд снова теплоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V 1 и возвращается в первоначальное состояние. Для КПД этой машины было получено следующее выражение:

Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.

Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т 1 , и холодильником с температурой Т 2 , не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.

Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.

Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.

Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т 1 - 800 К и Т 2 - 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД - около 44% - имеют двигатели Дизеля.

Охрана окружающей среды.

Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.

Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.

При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.

Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.

Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.

Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.

Тепловой двигатель - это аппарат, который совершает работу за счет использования энергии топлива. Машина, работающая на таком двигателе, превращает в механическую и применяет зависимость расширения вещества от значения температуры.

Первая появилась в Римской империи. Это была турбина внешнего сгорания, работающая на пару. Но из-за низкого развития техники это изобретение не получило развития. На прогресс оно никак не повлияло и вскоре было забыто. Позже в Китае появилось пороховое орудие и пороховая ракета. Это было сравнительно простое устройство. С точки зрения механики пороховая ракета не являлась тепловым двигателем, а с точки зрения физики являлась тепловой машиной. Уже в 17 веке ученые пытались изобрести на основе порохового орудия тепловой двигатель.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели внешнего сгорания:

1. Двигатель Стирлинга - это тепловой аппарат, в котором газообразное или жидкое рабочее тело совершает движения в замкнутом пространстве. Это устройство основано на периодическом охлаждении и нагреве рабочего тела. При этом извлекается энергия, которая возникает при изменении объема рабочего тела. Двигатель Стирлинга может работать от любого источника тепла.

2. Паровые машины. Главный их плюс - это простота и отличные тяговые качества, на которые не влияет скорость работы. При этом можно обходиться без редуктора. Этим паровая машина отличается в лучшую сторону от двигателя внутреннего сгорания, выдающего на малых оборотах недостаточное количество мощности. По этой причине паровую машину удобно использовать в качестве тягового двигателя. Недостатки: низкий КПД, невысокая скорость, постоянный и топлива, большой вес. Раньше паровые машины были единственным двигателем. Но они требовали много топлива и замерзали зимой. Затем их постепенно вытеснили электродвигатели, ДВС, паровые турбины и газовые, которые обладают компактностью, более высоким КПД, универсальностью и эффективностью.

Тепловые двигатели внутреннего сгорания:

1. ДВС (расшифровывается как - это двигатель, в процессе работы которого, часть сгорающего топлива преобразуется в механическую энергию. Поршневые ДВС различаются по виду топлива (газовые и жидкостные), по рабочему циклу (двух- и четырехтактные), по способу приготовления рабочей смеси (карбюраторные, дизели), по типу преобразования энергии (турбинные, комбинированные, поршневые и реактивные). Первый ДВС был придуман и создан Э. Ленуаром в 1860 году. Рабочий цикл состоит из четырех тактов, по этой причине этот двигатель еще называют четырехтактным. В настоящее время такой двигатель чаще всего встречается на автомобилях.

2. Роторный ДВС. В качестве примера можно привести электрическую тепловую станцию, работающую в базовом и пиковом режимах. Этот вид двигателя относительно прост и может быть создан в любых размерах. Вместо поршней используется ротор, вращающийся в специальной камере. В ней расположены впускные отверстия и выпускные, а также свеча зажигания. При таком типе конструкции четырехтактный цикл осуществляется без В роторном ДВС можно использовать дешевое топливо. Также он практически не создает вибраций, дешевле и надежнее в производстве, чем поршневые тепловые двигатели.

3. Ракетные и реактивные тепловые двигатели. Суть этих устройств состоит в том, чтобы тяга создавалась не с помощью винта, а посредством отдачи двигателя. Могут создавать тягу в пространстве без воздуха. Бывают твердотопливные, гибридные и жидкостные).

И последний подвид - это турбовинтовые тепловые двигатели. Создание энергии происходит за счет винта и за счет отдачи газов выхлопных.

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте . Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

1. Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
2. Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться. Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1% — 2% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь. Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd соответствует полезной работе. Площадь фигуры V 1 abcV 2 – это работа прямого хода, площадь V 2 cdaV 1 – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

А=Q 1 — |Q 2 |

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*V k = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника T X = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается КПД=60%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.