Устройства, преобразующие часть внутренней энергии тел в механическую энергию, называют тепловыми двигателями

Считается, что первым тепловым двигателем была игрушка, изобретённая около 2000 лет тому назад древнегреческим учёным Героном Александрийским, состоявшая из полой сферы с двумя загнутыми трубками, из которых вырывался разогретый пар, в результате чего сфера вращалась (рис. 31а). Пар подавался через специальные трубки в сферу из находящегося под ней сосуда, где кипела вода. Работу по вращению сферы производил пар, расширяясь и остывая.

Атмосфера - самый крупный тепловой двигатель на Земле. Солнце неодинаково нагревает различные участки поверхности Земли, и поэтому температура воздуха у земли тоже разная, в результате чего в атмосфере образуются зоны высокого и низкого давления, между которыми дуют ветра. Таким образом, ветер возникает из-за того, что часть количества теплоты, которую остывающая земля отдаёт воздуху, преобразуется в механическую энергию его движения.

Самыми распространёнными тепловыми двигателями являются бензиновые двигатели внутреннего сгорания (ДВС), работа которых представляет собой повторяющийся процесс (цикл), состоящий из четырёх более коротких процессов, или тактов (рис. 31б). Во время одного из тактов (№3) горючая смесь паров бензина и воздуха, сжатая в цилиндре, воспламеняется электрической искрой, в результате чего температура и давление газовой смеси над поршнем возрастают, поршень начинает двигаться вниз, а газ, расширяясь, совершает работу, раскручивая массивное колесо маховика коленчатого вала. Во время следующего такта (№4) вращающийся по инерции маховик через кривошипно-шатунный механизм двигает поршень вверх, выталкивая продукты сгорания через выхлопной клапан. Энергии маховика хватает и на два следующих такта (№1 и №2), когда поршень сначала, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр очередную порцию горючей смеси, а потом сжимает её, после чего она воспламеняется, и цикл повторяется вновь.

Бензиновый ДВС, изобретённый Н. Отто, оказался недостаточно мощным, и в 1892 году Р. Дизель разработал двигатель, работающий на смеси нефтяных масел и воздуха, обладающий большей мощностью, который впоследствии был назван его именем. Работа дизельного ДВС отличается от бензинового только тем, что воспламенение смеси дизельного топлива и воздуха происходит без электрической искры, а в результате повышения температуры горючей смеси при сжатии. Количество теплоты, выделяющееся при горении дизельного топлива, больше, чем при горении такого же объёма бензина, а цена меньше. Поэтому наиболее мощные ДВС работают на дизельном горючем. Однако продукты горения дизельного топлива содержат гораздо больше экологически вредных веществ.

Работа тепловых двигателей содержит следующие общие для всех них черты:

(1) чтобы двигатель совершил цикл своей работы, ему надо передать некоторое количество теплоты, Q1,

(2) внутри двигателя расширяется газ, совершающий работу A1; этот газ называют рабочим телом,

(3) чтобы рабочее тело стало расширяться, его необходимо нагреть до температуры, которую называют температурой нагревателя, Т1,

(4) рабочее тело, расширяясь, охлаждается до температуры, которую называют температурой холодильника, Т₂ (Т₂<Т₁); охлаждаясь до температуры холодильника, рабочее тело отдаёт ему количество теплоты Q2 (Q₂<Q₁).

Завершая каждый цикл работы, рабочее тело двигателя возвращается в исходное состояние, получив от нагревателя количество теплоты Q₁, отдав холодильнику - Q₂ и совершив работу A₁. Так как внутренняя энергия рабочего тела в исходных состояниях одна и та же, то согласно первому закону термодинамики (30.2)

A₁ = Q₁ - Q₂. (31.1)

Таким образом, тепловой двигатель преобразует в работу только часть теплоты, полученной от нагревателя. Отношение работы, совершённой двигателем к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД), h. Французский физик С. Карно доказал, что

где в правой части стоит КПД идеального теплового двигателя.

Вопросы для повторения:

· Какие двигатели называют тепловыми?

· Опишите работу ДВС.

· Что такое КПД, и какова его максимальная величина?

Рис. 31. (а) – паровая машина Герона Александрийского; (б) – схематическое изображение четырёх тактов работы бензинового ДВС.

§ 32. НЕОБРАТИМОСТЬ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ. ВТОРОЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ.

Дата добавления: 2014-10-15