8.3.8. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель  это устройство, преобразующее тепловую энергию в иные формы энергии (например, в механическую). Тепловой двигатель состоит из таких основных компонентов:

1) рабочего тела (пара, газа), которое нагреваясь во время сгорания топлива и расширяясь, способно выполнять работу;

2) нагревателя – тела или среды с температурой большею, чем та, которую имеет рабочее тело;

3) холодильника  тела или среды с температурой меньшею, чем у рабочего тела. Необходимым условием работы теплового двигателя является использование кругового процесса (цикла), то-есть замкнутого термодинамического процесса, в результате которого система возвращается в исходное состояние. Схема теплового двигателя представлена на рис. 8.11.

Рис. 8.11. Схема теплового двигателя

Эффективность работы теплового двигателя характеризуется его коэффициентом полезного действия (КПД), который равен отношению количества теплоты, преобразованной двигателем в механическую работу А, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

 = , (8.35)

где Q₂  количество теплоты, которую рабочее тело отдает холодильнику (Q₂  0).

На практике, все тепловые двигатели преобразуют лишь незначительную часть поглощенной энергии в механическую работу. Так, КПД двигателя внутреннего сгорания составляет около 25%, дизельного двигателя  от 35 до 40%.

8.3.9. Цикл Карно

Обратимым называют процесс перехода термодинамической системы из одного состояния в другое, который допускает возможность возвращения системы к начальному состоянию через ту же последовательность промежуточных состояний, что и при прямом процессе, но которые проходят в обратном порядке (рис. 8.12). Если после завершения обратимого процесса система возвращается к начальному состоянию, в окружающей среде не происходит никаких изменений.

Рис. 8.12. Графики обратимого и необратимого процессов

Необратимым называют процесс, который не удовлетворяет этим условиям. После осуществления прямого и обратного процессов система возвращается к начальному состоянию, а в окружающей среде происходят изменения. К необратимым процессам можно отнести диффузию, теплопроводность, вязкое течение и т.д., то-есть процессы, при которых осуществляется направленный пространственный перенос вещества, теплоты, импульса. Все необратимые процессы являются неравновесными. Если в термодинамической системе существуют градиенты концентраций, температуры или скоростей, то неравновесные процессы будут способствовать установлению равновесия.

Все реальные процессы в природе сопровождаются затратами энергии и являются обратимыми. Процесс теплообмена вследствие конечной разницы температур также необратимый. Термодинамические функции состояния системы (такие как внутренняя энергия U, энтальпия H, энтропия S и т.д.) вследствие круговых процессов вновь принимают первоначальные значения; следовательно, их изменения во время круговых процессов равны (U = 0, H = 0, S = 0 и т.д.).

Рассмотрим изотермический процесс (рис. 8.13, а). Работа А, которая выполняется системой во время ее расширения при постоянной температуре Т₁ (процесс АВ), определяется площадью фигуры ABCDA. Для возвращения системы к исходному состоянию (если, например, сжимать ее изотермично при той же температуре) необходимо затратить работу (А), которая равна работе А в процессе расширения (процесс ВА). Работа А, которая выполняется системой во время сжатия системы при постоянной температуре Т₁, определяется той же самой площадью фигуры ABCDA (рис. 8.13, б). Суммарная работа во время прямого (АВ) и обратного (ВА) термодинамических процессов равна нулю. Для того, чтобы получить полезную работу, необходимо “сойти” с изотермы АВ. Это можно выполнить при адиабатическом процессе ВК путем перехода на другую изотерму Т₂ (рис. 8.13, в). Работа, выполняемая системой во время прямого процесса (АВК), которые состоит из изотермического и адиабатического расширений системы, определяется площадью фигуры ABKMNA; работа, выполняемая над системой во время обратного процесса (KLA), определяется площадью фигуры ALKMNA (рис. 8.13, г).

Круговым (или циклическим) называется процесс, во время которого система после прохождения некоторых состояний возвращается к начальному состоянию. В рассмотренном на рис. 8.13 примере круговой процесс состоит из двух изотермических и двух адиабатических процессов; такой процесс, в котором осуществляется преобразование теплоты в работу, называется циклом Карно(рис. 8.13, д). Полезная работа, выполняемая на протяжении цикла, графически изображается площадью фигуры ABKLA (рис. 8.13, д).

Рис. 8.13. Изотермический процесс: а – работа А, выполняемая системой во время ее расширения при постоянной температуре Т1 (процесс АВ), определяется площадью фигуры ABCDA; б – для возвращения системы в исходное состояние (если, например, сжимать ее при той же температуре) необходимо затратить работу (-А), которая равна работе А во время ее расширения (процесс ВА); в – адиабатический процесс ВК путем перехода на другую изотерму Т2; работа, выполняемая системой во время прямого процесса (АВК), которые состоит из изотермического и адиабатического расширений системы, определяется площадью фигуры ABKMNA; работа, выполняемая системой во время обратного процесса (KLA), определяется площадью фигуры ALKMNA (г)

Во время кругового процесса система может получить теплоту (Q₁) и отдать ее (Q₂); с учетом этого вводят понятие коэффициента полезного действия цикла Карно идеального обратимого теплового двигателя:

_K = = 1  . (8.36)

С другой стороны, коэффициент полезного действия можно определить в терминах абсолютной температуры, а именно температуры Т₁ нагревателя и температуры Т₂ холодильника:

_K = . (8.37)

Для идеального обратимого теплового двигателя, который поглощает теплоту Q₁ от нагревателя при абсолютной температуре Т₁ и отдает теплоту Q₂ холодильнику при абсолютной температуре Т₂, можно записать такое уравнение:

. (8.38)

Для реального теплового двигателя, работа которого сопровождается неминуемыми потерями энергии, коэффициент полезного действия определяется как:

= 1 – Q₂/Q₁  1 – T₂/T₁. (8.39)

Если обратимый цикл идеального двигателя характеризуется уравнением (8.38), то необратимому циклу реального двигателя присуще неравенство:

 . (8.40)

Сади КАРНО (17961832) Французский физик, который первым установил количественные соотношения между работой и теплотой. Рассмотрел термодинамический цикл и доказал теорему, названную в дальнейшем его именем. Один из основоположников термодинамики.