теплові двигуни

Тепловим двигуном називається пристрій, здатний перетворювати отриману кількість теплоти в механічну роботу. Механічна робота в теплових двигунах виробляється в процесі розширення деякого речовини, яке називається робочим тілом. Як робоче тіло зазвичай використовуються газоподібні речовини (пари бензину, повітря, водяна пара). Робоче тіло отримує (або віддає) теплову енергію в процесі теплообміну з тілами, що мають великий запас внутрішньої енергії. Ці тіла називаються тепловими резервуарами.

Як випливає з першого закону термодинаміки, отримане газом кількість теплоти Q повністю перетворюється в роботу A при ізотермічному процесі, при якому внутрішня енергія залишається незмінною (δU = 0):

Але такий одноразовий акт перетворення теплоти в роботу не представляє інтересу для техніки. Реально існуючі теплові двигуни (парові машини, двигуни внутрішнього згоряння і т. Д.) Працюють циклічно. Процес теплопередачі і перетворення отриманої кількості теплоти в роботу періодично повторюється. Для цього робоче тіло повинне здійснювати круговий процес або термодинамічний цикл. при якому періодично відновлюється початковий стан. Кругові процеси зображуються на діаграмі (p. V) газоподібного робочого тіла за допомогою замкнутих кривих (рис. 3.11.1). При розширенні газ здійснює позитивну роботу A1. рівну площі під кривою abc. при стисненні газ робить негативну роботу A2. рівну по модулю площі під кривою cda. Повна робота за цикл A = A1 + A2 на діаграмі (p. V) дорівнює площі циклу. Робота A позитивна, якщо цикл обходиться за годинниковою стрілкою, і A негативна, якщо цикл обходиться в протилежному напрямку.

Круговий процес на діаграмі (p. V). abc - крива розширення, cda - крива стиснення. Робота A в круговому процесі дорівнює площі фігури abcd

Загальна властивість всіх кругових процесів полягає в тому, що їх неможливо провести, приводячи робоче тіло в тепловий контакт тільки з одним тепловим резервуаром. Їх потрібно, принаймні, два. Тепловий резервуар з більш високою температурою називають нагрівачем. а з більш низькою - холодильником. Здійснюючи круговий процес, робоче тіло отримує від нагрівача деяку кількість теплоти Q1> 0 і віддає холодильнику кількість теплоти Q2 <0. Полное количество теплоты Q. полученное рабочим телом за цикл, равно

При обході циклу робоче тіло повертається в первісний стан, отже, зміна його внутрішньої енергії дорівнює нулю (δU = 0). Відповідно до першого закону термодинаміки,

Цикл Карно робить газ, що знаходиться в циліндрі під поршнем. На ізотермічному ділянці (1-2) газ приводиться в тепловий контакт з гарячим тепловим резервуаром (нагрівачем), що має температуру T1. Газ ізотермічні розширюється, здійснюючи роботу A12. при цьому до газу підводиться деяку кількість теплоти Q1 = A12. Далі на адіабатичному ділянці (2-3) газ поміщається в адіабатичну оболонку і продовжує розширюватися за відсутності теплообміну. На цій ділянці газ здійснює роботу A23> 0. Температура газу при адіабатичному розширенні падає до значення T2. На наступному ізотермічному ділянці (3-4) газ приводиться в тепловий контакт з холодним тепловим резервуаром (холодильником) при температурі T2

На діаграмі (p. V) ця робота дорівнює площі циклу.

Процеси на всіх ділянках циклу Карно передбачаються квазістатичного. Зокрема, обидва ізотермічних ділянки (1-2 і 3-4) проводяться при нескінченно малій різниці температур між робочим тілом (газом) і тепловим резервуаром (нагрівачем або холодильником).

Як випливає з першого закону термодинаміки, робота газу при адіабатичному розширенні (або стисненні) дорівнює убутку δU його внутрішньої енергії. Для 1 моля газу

де T1 і T2 - початкова і кінцева температури газу.

Звідси випливає, що роботи, вчинені газом на двох адіабатичних ділянках циклу Карно, однакові по модулю і протилежні за знаками

Цикл Карно чудовий тим, що на всіх його ділянках відсутнє зіткнення тіл з різними температурами. Будь-яке стан робочого тіла (газу) на циклі є квазірівноважної. т. е. нескінченно близьким до стану теплового рівноваги з навколишніми тілами (тепловими резервуарами або термостатами). Цикл Карно виключає теплообмін при кінцевій різниці температур робочого тіла і навколишнього середовища (термостатів), коли тепло може передаватися без здійснення роботи. Тому цикл Карно - найбільш ефективний круговий процес з усіх можливих при заданих температурах нагрівача і холодильника:

Будь-яка ділянка циклу Карно і весь цикл в цілому може бути пройдений в обох напрямках. Обхід циклу за годинниковою стрілкою відповідає тепловому двигуну, коли отримане робочим тілом тепло частково перетворюється в корисну роботу. Обхід проти годинникової стрілки відповідає холодильній машині. коли деяку кількість теплоти відбирається від холодного резервуара і передається гарячому резервуару за рахунок здійснення зовнішньої роботи. Тому ідеальний пристрій, що працює за циклом Карно, називають оборотною тепловою машиною.

У реальних холодильних машинах використовуються різні циклічні процеси. Всі холодильні цикли на діаграмі (p. V) обходяться проти годинникової стрілки. Енергетична схема холодильної машини представлена ​​на рис. 3.11.5.

Пристрій, що працює по холодильному циклу, може мати двояке призначення. Якщо корисним ефектом є відбір деякої кількості тепла | Q2 | від охолоджуваних тел (наприклад, від продуктів в камері холодильника), то такий пристрій є звичайним холодильником. Ефективність роботи холодильника можна охарактеризувати ставленням

т. е. ефективність роботи холодильника - це кількість тепла, що відбирається від охолоджуваних тел на 1 джоуль витраченої роботи. При такому визначенні βх може бути і більше, і менше одиниці. Для зверненого циклу Карно

Якщо корисним ефектом є передача певної кількості тепла | Q1 | нагрівається тіл (наприклад, повітрю в приміщенні), то такий пристрій називається тепловим насосом. Ефективність βТ теплового насоса може бути визначена як відношення

т. е. кількістю теплоти, що передається більш теплим тіл на 1 джоуль витраченої роботи. З першого закону термодинаміки випливає: