Достаточно несложно получить тепловую энергию за счет работы, например достаточно потереть два предмета друг о друга и выделится тепловая энергия. Однако получить механическую работу за счет тепловой энергии гораздо труднее, и практически полезное устройство для этого было изобретено лишь около 1700 г

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

Основная идея лежащая в основе любого теплового двигателя, состоит в следующем: механическая энергия может быть получена за счет тепловой, только если дать возможность тепловой энергии переходить из области с высокой температурой в область с низкой температурой, причем в процессе этого перехода часть тепловой энергии может перейти в механическую работу

В настоящее время используется множество тепловых машин. Рассмотрим два тепловых двигателя – это паровой и внутреннего сгорания

В основном используется два паровых двигателя: возвратного типа и паровая турбина

В двигателях возвратного типа (рис.4) нагретый пар проходит через впускной клапан и затем расширяется в пространстве под поршнем, вынуждая его тем самым двигаться. Затем, когда поршень возвращается в исходное положение, он вытесняет пар через выпускной клапан

В паровых турбинах по существу происходит тоже самое. Различие состоит в том, что возвратно-поступательный поршень заменен турбиной (рис.5), напоминающей гребное колесо

Наиболее распространенным двигателем сейчас является четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания (рис.6)

На рисунке 6 буквами обозначены следующие процессы:

а. Смесь воздуха с бензином всасывается в цилиндр, при движении поршня вниз

б. Поршень движется вверх и сжимает смесь

в. Искра от свечи воспламеняет смесь. При этом температура смеси резко возрастает

г. Газы, находящиеся при высоких температуре и давлении, расширяются, перемещая при этом поршень вниз (рабочий ход двигателя)

д. Отработавшие газы выбрасываются через выпускной клапан; затем весь цикл повторяется

Вещество, которое нагревают и охлаждают (в паровых машинах – пар), называют рабочим телом

Для практической работы любого теплового двигателя необходима разность температур. Почему? Что бы ответить на этот вопрос представим себе паровую машину (как на рис.4), но без конденсатора и насоса. В таком случае пар имел бы одинаковую температуру во всей системе. Это означало бы, что давление пара при его выпуске было бы таким же, как и при впуске. Тогда работа, которую совершил пар над поршнем при своем расширении, в точности была бы равна работе, которую совершил поршень над паром при его выпуске, то есть не было бы совершено никакой результирующей работы. В реальном двигателе выпускаемый газ охлаждается до более низкой температуры и конденсируется, так что давление при выпуске меньше, чем при впуске. В таком случае работа, которую должен совершить поршень для выталкивания газа из цилиндра, будет меньше, чем работа совершаемая газом работа над цилиндром. Таким образом может быт получена результирующая работа. Аналогично и с паровой турбиной: если бы не было разности давлений по обе стороны лопаток, то турбина не стала бы вращаться

В паровых двигателях разность температур достигается за счет сжигания топлива, при этом нагревается пар. В двигателе внутреннего сгорания за счет сгорания рабочей смеси внутри цилиндра двигателя

Принцип действия холодильника или теплового насоса состоит в обращении рабочих стадий теплового двигателя

Работа обычно совершается мотором компрессора (рис.7)

В обычном холодильнике цикл состоит из нескольких стадий:

а. Пар сжимается компрессором, нагреваясь при этом

б. Нагретый пар поступает в конденсатор, образуется горячая жидкость

в. Через расширительный клапан горячая жидкость поступает в теплообменник, где испаряясь охлаждается

г. Затем пар снова поступает в компрессор и цикл повторяется

Двигатель Карно и его КПД

В начале Х I Х века процесс преобразования теплоты в механическую работу подробно изучал французский ученый Н.Л. Сади Карно (1796-1832). Он намеревался определить способы повышения КПД тепловых машин, однако исследования привели к изучению основ термодинамики

Как вспомогательное средство для своих исследований он на бумаге изобрел идеализированный тип двигателя, который теперь принято называть двигателем Карно

В этом двигателе происходят обратимые процессы, т.е. протекающие чрезвычайно медленно, так что его можно рассматривать, как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому, причем этот процесс можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты. Например, газ находящийся в цилиндре с плотно прижатым к стенке поршнем, который не имеет трения, можно сжать изотермически, если сжатие производить очень медленно. Однако если в процессе участвуют какие-либо еще факторы, например трение, то работа, совершенная в обратном направлении не будет равна совершенной при сжатии. Вполне естественно, что обратимые процессы невозможны, поскольку на их совершение потребуется бесконечно много времени. Но, тем не менее, такие процессы можно моделировать со сколь угодной точностью. Все реальные процессы необратимы, так как могут присутствовать: трение, в газах – возмущения и многие другие факторы

Двигатель Карно основан на обратимом цикле, т.е. на последовательности обратимых процессов

В двигателе Карно используется одноименный цикл (рис.8). В точке а начальное состояние системы. Сначала газ расширяется изотермически и обратимо по пути ab при заданной температуре T H , например газ приходит в контакт с термостатом, имеющим очень большую теплоемкость. Затем газ расширяется адиабатически и обратимо по пути bc , при этом передача теплоты практически не происходит и температура газа падает до более низкого значения T L

На третьей стадии цикла происходит изотермическое и обратимое сжатие газа по пути cd , здесь газ контактирует с холодным термостатом при температуре Т L . И наконец газ адиабатически и обратимо сжимается по пути da возвращаясь, таким образом, в исходное состояние

Несложно показать, что результирующая работа численно равна площади ограниченной кривыми

КПД двигателя Карно определяется также как и любого другого двигателя:

Однако можно показать, что его КПД зависит лишь от Т Н и Т L

В первом изотермическом процессе ab совершаемая газом работа равна:

W ab = nRT H ln ( V b / V a )

, где n – число молей идеального газа, используемого в качестве рабочего тела. Поскольку внутренняя энергия идеального газа не меняется, когда температура постоянна, сообщаемая газу теплота полностью переходит в работу ( в соответствии с первым началом термодинамики).

P b V b = P c V c и P d V d = P a V a

В соответствии с уравнением состояния идеального газа получаем:

Рассмотрим идеальный цикл, используемый в двигателях внутреннего сгорания, так называемый цикл Отто (рис. 9)

В этом цикле сжатие и расширение смеси происходит адиабатически, а нагревание и охлаждение осуществляется при постоянном объеме. На рисунке 9 дана диаграмма идеального цикла быстрого сгорания: 1-2 – адиабата сжатия, 2-3 -нагревание смеси при V = const (сгорание смеси), 3-4 адиабата расширения, 4-1 – охлаждение смеси при V = const (выхлоп)

КПД идеального двигателя построенного на основе цикла Отто рассчитывается аналогично. Однако, в реальных двигателях КПД всегда несколько ниже, чем КПД идеального двигателя. Этому способствуют 5 основных причин:

В действительном цикле рабочее тело изменяет свой химический состав в течение процесса сгорания

Процессы сжатия и расширения не идут адиабатически, а протекают, сопровождаясь теплообменом со стенками цилиндра. Явление теплообмена со стенками цилиндра имеет место также и в процессе сгорания

Процесс сгорания не происходит при постоянном объеме, а начинается в точке 2’ (рис. 10) и кончается после точки 3. В процессе сгорания тепло получается не извне, а за счет изменения химического состава рабочего тела. Химическая реакция сгорания не успевает закончиться полностью на линии сгорания (2-3), а продолжается в течение процесса расширения вплоть до момента выхлопа

Процесс охлаждения рабочего тела в действительности заменяется выхлопом и выталкиванием отработанных газов и последующим засасыванием рабочей смеси (линия 4’-4-5-1)

Процесс всасывания заканчивается позднее точки 1 (в точке 1’ ) так, что от точки 4’ до 1’ в цилиндре находится не постоянное количество рабочего тела

КПД тепловых двигателей и второе начало термодинамики

Невозможен такой процесс, единственным результатом, которого было бы преобразование отобранной у источника теплоты Q , при неизменной температуре, полностью в работу W , так, что W = Q .

Эта утверждение известно как формулировка второго начала термодинамики Кельвина-Планка

Существует также аналогичное утверждение относительно холодильника, высказанное Клаузисом:

Невозможно осуществить периодический процесс, единственным результатом, которого был бы отбор теплоты у одной системы при данной температуре и передача в точности такого же количества теплоты другой системе при более высокой температуре.

Уравнение Ван-дер-Ваальса

В реальных тепловых двигателях используются реальные газы. Как было замечено поведение их заметно отклоняется, например, при высоком давлении, от поведения идеального газа. Ян Д. Ван-дер-Ваальс (1837-1923) исследовал эту проблему с точки зрения МКТ и в 1873 году получил уравнение более точно описывающее поведение реальных газов. Свой анализ он основывал на МКТ, но при этом учитывал:

Все молекулы имеют конечные размеры (классическая МКТ ими пренебрегает)

Молекулы взаимодействуют друг с другом всё время, а не только во время столкновений