Принципы действия тепловых двигателей

Принципы  действия тепловых двигателей

 

Потребление энергии  
Основные части тепловой машины  
Рабочий цикл тепловой машины  
Работа тепловой машины за цикл  
КПД тепловой машины  
Необратимость тепловых процессов  
Вечный двигатель второго рода  
Второй закон термодинамики  
Холодильник  
Рабочий цикл холодильной машины  

Потребление энергии. Основным источником энергии, используемой различными машинами в промышленности, сельском хозяйстве, на транспорте и в быту, в настоящее время являются различные виды химического горючего. Из всей энергии, потребляемой человечеством в год, около 90% получается за счет сжигания угля, нефти и газа.   

Производство  и потребление энергии на душу населения является одним из наиболее важных показателей уровня экономического и технического развития страны. Среднее  потребление энергии на одного жителя Земли составляет около 170 млн. Дж в сутки, а в СССР на одного человека приходится примерно в 4 раза большее количество энергии — около 700 млн. Дж в сутки.   

Физически развитый человек может совершить за рабочий  день полезную работу около 1 миллиона джоулей. Следовательно, в нашей стране человек в среднем потребляет количество энергии, примерно в 700 раз большее полезной работы, которую он может совершить.   

Тепловые  машины освободили человека от тяжелого физического труда в промышленности и сельскохозяйственном производстве. Они выполняют работу в сотни и тысячи раз больше той, которую мог бы выполнить человек без машин, способствуя повышению материального благосостояния человека.    

Основное  назначение большинства применяемых  в современной технике тепловых машин заключается в превращении внутренней энергии топлива в механическую энергию. Механическая энергия далее может превращаться в электрическую энергию и любые другие виды энергии.

Основные части тепловой машины. Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической работы A' за счет количества теплоты Q, полученного при сжигании топлива.   

Обычно в  тепловых машинах механическая работа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении, называется рабочим телом. Рабочим телом часто служит воздух или водяные пары.   

Расширение  газа происходит в результате повышения  его температуры и давления при  нагревании. Устройство, от которого рабочее  тело получает количество теплоты Q, называется нагревателем.   

Рассмотрим  упрощенную модель тепловой машины, состоящую  из цилиндра, заполненного воздухом, и  поршня (рис. 112).

Поместим  на поршень тело массой m, предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специальные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня).   

Расположим  под цилиндром на греватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем остается неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры T₂ давление не достигнет значения p₂, при котором вес поршня с грузом mg и сила атмосферного давления, равная p₁S, уравниваются с силой давления газа на поршень p₂S. Этому процессу на диаграмме p, V соответствует изохора АВ (рис. 113).

При дальнейшем нагревании газа поршень придет в  движение. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъеме груза на высоту h объем газа в цилиндре увеличивается от V₁ до V₂, температура в конце изобарного процесса расширения газа достигает значения T₃. Этому процессу на диаграмме p, V соответствует изобара ВС.   

Когда поршень  коснется ограничителя в верхней  части цилиндра, снимем груз и прекратим  нагревание.   

Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одноразового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, необходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжимать газ при температуре T₃ до объема V₁, то работа, совершаемая при сжатии газа, окажется больше работы, совершенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы за счет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины.   

Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давлении p₁, меньшем p₂, и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемая холодильником.

Рабочий цикл тепловой машины. Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет значения p₁ при температуре T₄. Этому процессу на диаграмме соответствует изохора CD.   

Для возвращения  газа в исходное состояние, характеризуемое  давлением p₁, объемомV₁ и температурой T₁, необходимо продолжить его охлаждение до температуры T₁. Этому процессу соответствует изобара DA.    

Процессы, в  результате совершения которых газ  возвращается в исходное состояние, называют круговыми или циклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, образующих на диаграмме p, V прямоугольник ABCD.

Работа тепловой машины за цикл. Покажем, что полезная работа, произведенная машиной в результате совершения рабочего цикла, пропорциональна площади цикла на диаграмме p, V.     

Если при  работе тепловой машины изменение состояния  рабочего тела происходит по замкнутому циклу, то полезную работу за один цикл можно найти как сумму работ при расширении и при сжатии газа. Пусть изменение состояния газа за цикл представлено диаграммой в координатных осях p, V (рис. 114). Работа газа при расширении положительна и пропорциональна площади фигуры ABCDE. Работа газа при сжатии отрицательна и пропорциональна площади фигуры ABC'DE. Поэтому полная работа газа, равная сумме работ при расширении и сжатии, оказывается пропорциональной площади фигуры BCDC'B цикла на диаграмме в координатных осях p, V.

Рабочий цикл тепловой машины и ее КПД. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное состояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное значение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии рабочего тела равно нулю:

 .

Согласно первому закону термодинамики

,

или A' = Q.   

Работа A', совершенная рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплоты Q₁, полученного от нагревателя, и количества теплоты Q₂, отданного холодильнику:

Q = Q₁ - Q₂.

Следовательно,

A' = Q₁ - Q₂.

Коэффициет  полезного действия  , равный отношению полезно использованной энергии к затраченной энергии, для тепловой машины оказывается равным

   или    . (34.1)

Французский инженер Сади Карно (1796—1832) в 1824 г. установил  чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температуры T₁ нагревателя и температуры T₂ холодильника: независимо от конструкции и выбора рабочего тела максимальное значение КПД тепловой машины определяется выражением  

 (34.2)

Любая реальная тепловая машина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение:

 (34.3)

Выражение для  максимального значения КПД тепловой машины показывает, что для повышения коэффициента полезного действия тепловых машин существует два пути — повышение температуры T₁ нагревателя и понижение температуры T₂ холодильника. КПД тепловой машины мог бы стать равным единице, если бы имелась возможность использовать холодильник с температурой, равной абсолютному нулю.   

Однако этот путь даже теоретически неосуществим, так как абсолютный нуль, согласно представлениям термодинамики, не может  быть достигнут.   

Наиболее приемлемыми холодильниками для реальных тепловых машин являются атмосферный воздух или вода при температуре около 300 К.   

Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых машин — это повышение температуры  нагревателя.

Необратимость тепловых процессов. При соприкосновении тел процесс теплопередачи происходит самопроизвольно от горячего тела к холодному до тех пор, пока оба тела не будут иметь одинаковые температуры. Все наблюдали, как налитый в чашку горячий чай постепенно остывает, нагревая окружающий воздух. Но никто не видел, чтобы теплый чай в чашке вдруг закипел за счет охлаждения окружающего его воздуха.   

Процессы  теплопередачи самопроизвольно  осуществляются только в одном направлении, поэтому их называют необратимыми процессами.    

Всегда осуществляется теплопередача тепла от горячего тела к холодному, потому что равномерное распределение быстрых и медленных молекул в двух соприкасающихся телах является более вероятным, чем такое распределение, при котором в одном теле будут только «быстрые» молекулы, а в другом — только «медленные».   

Системы, состоящие  из большого числа частиц, будучи предоставленные  самим себе, самопроизвольно переходят  из состояний менее вероятных  в состояния более вероятные.

«Вечный двигатель второго рода». Для работы обычного теплового двигателя необходимо иметь нагреватель и холодильник. Очень заманчивой кажется задача создания тепловой машины, которая могла бы совершить механическую работу с использованием нагревателя.    

Можно подсчитать, что при охлаждении Мирового океана только на 1 К можно получить энергию, достаточную для обеспечения всех потребностей человечества при современном уровне ее потребления на 14000 лет.   

Возможность создания такой машины, называемой «вечным двигателем второго рода», не противоречит первому закону термодинамики. Однако все известные на сегодня результаты опытов свидетельствуют о том, что создание «вечного двигателя второго рода» является столь же неразрешимой задачей, как и изготовление «вечного двигателя первого рода». Этот опытный факт принят в термодинамике в качестве второго основного постулата — второго закона термодинамики.   

Теплопередача самопроизвольно происходит только в одном направлении — от горячего тела к холодному. Значит, чтобы энергия  теплового движения молекул воды Мирового океана превратилась в механическую энергию, необходимо иметь рабочее тело, температура которого ниже температуры воды в океане.    

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики имеет несколько эквивалентных по своему физическому содержанию формулировок. Приведем две из них.   

Неосуществим термодинамический процесс, в результате которого происходила бы передача тепла от одного тела к другому, более горячему, без каких-либо других изменений в природе.    

Невозможно  построить периодически действующую машину, которая непрерывно превращала бы теплоту в работу только за счет охлаждения одного тела, без того чтобы в окружающих телах не произошло одновременно каких-либо изменений.