Теплові двигуни

Теплові двигуни

Левова частина двигунів на Землі - це теплові двигуни. І хоча винайшли їх досить давно, уявити сучасне життя без них просто неможливо. Дійсно, більшість літаків, кораблів, машин та автомобілів обладнані саме такими двигунами. Отже, що ж розуміють під тепловими двигунами?

Теплові двигуни - це пристрої, що перетворюють енергію палива в механічну енергію.

Спробуємо розглянути ці двигуни більш детально.

Принципи дії теплових двигунів.

Для того щоб двигун робив роботу, необхідна різниця тисків по обох сторонах поршня двигуна чи лопат турбіни. В усіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається при згорянні палива.

Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, що робить роботу при розширенні. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через t1.

У двигунах внутрішнього згоряння і газових турбін підвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна. Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу теплових двигунів обумовлена необоротністю процесів у природі. Якби теплота могла мимовільно повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути цілком перетворена в корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна.

Відповідно до закону збереження енергії робота, здійснювана двигуном, дорівнює:

A'=|Ql|-|Q2|

де Q1 - кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q2 -кількість теплоти, віддана холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А', здійсненої двигуном, до кількості теплоти,

отриманій від нагрівача:

ККД теплового двигуна менше одиниці. При Т1-Т2=0 двигун не може працювати.

Максимальне значення ККД теплових двигунів. Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2. Уперше це зробив французький інженер і вчений Сади Карно .

Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він одержав для ККД цієї машини наступне значення:

Як і очікувалось, ККД машини Карно прямо

пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача і холодильника.

Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2 не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини.

При температурі холодильника, рівній абсолютному нулю, η=1