Тепловой двигатель

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена и телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Эти тела называются тепловыми резервуарами.

Как следует из первого закона термодинамики, полученное газом количество теплоты Q полностью превращается в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается неизменной.

A=Q

Но такой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние.

Рис. 1

Полезная работа равна площади цикла.

Общее свойство всех круговых процессов состоит в том, что их невозможно провести, приводя рабочее тело в тепловой контакт только с одним тепловым резервуаром. Их нужно, по крайней мере, два. Тепловой резервуар с более высокой температурой называют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1>0 и отдает холодильнику количество теплоты Q2<0. Полное количество теплоты Q, полученное рабочим телом за цикл, равно:

Q=Q1+Q2=Q1-|Q2|.

При обходе цикла рабочее тело возвращается в первоначальное состояние, следовательно, изменение его внутренней энергии равно нулю. Соглавно первому закону термодинамики,

∆U=Q-A=0

Отсюда следует:

A=Q=Q1-|Q2|

Работа А, совершаемая рабочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы А к количеству теплоты Q1, полученному рабочим телом за цикл от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия.

ῃ=(Q1-|Q2|)/Q1

Рис. 2.

Цикл Карно

Рис. 3

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке 1-2 газ приводится в тепловой контакт с горячим тепловым резервуаром (нагревателем), имеющим температуру Т1. Газ изотермически расширяется, совершая работу А12, при этом к газу подводится некоторое количество теплоты Q1-A12. Далее на адиабатическом участке (2-3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие теплообмена. На этом участке газ совершает работу А23>0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения Т2. На следующем изотермическом участке (3-4) газ приводится в тепловой контакт с холодным тепловым резервуаром (холодильником) при температуре Т2<Т1. происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу А34<0 и отдает тепло Q2<0, равное произведенной работе А34. внутренняя энергия газа не изменяется. Наконец, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа повышается до значения Т1, газ совершает работу А41<0. Полная работа А, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках.

ῃ=(Т1-Т2)/Т1=1-Т2/Т1

Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с различными температурами. Любое состояние рабочего тела (газа) на цикле является квазировновесным, т.е. бесконечно близким к состоянию теплового равновесия с окружающими телами (тепловыми резервуарами или термостатами). Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Поэтому цикл Карно – наиболее эффективный круговой процесс из всех возможных при заданных температурах нагревателя и холодильника.

Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует тепловому двигателю, когда полученное рабочим телом тепло частично превращается в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некоторое количество теплоты отбирается от холодного резервуара и передается горячему резервуару за счет совершения внешней работы. Поэтому идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной.

Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

Β=|Q2|/|A|'

Т.е. эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении бета может быть и больше, и меньше единицы.

Дата добавления: 2013-12-13