Тепловые двигатели

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

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

  1. Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
  2. Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться.  Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно  началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные  вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1\% — 2\% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь.  Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но  мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd  соответствует полезной работе. Площадь фигуры V1abcV2 – это работа прямого хода, площадь V2cdaV1 – соответствует работе обратного хода.

Тепловые двигатели

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

А=Q1 — |Q2|

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

formula

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии  должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*Vk = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

grafik

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

diagramma

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

formula-2

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника TX = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3\%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9\%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25\%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40\%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается  КПД=60\%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий