Застосування теплових машин і проблеми охорони навколишнього середовища

Теплові машини широко використовуються в народному господарстві. Залізничними магістралями водять состави по­тужні тепловози, водними шляхами — теплоходи. Мільйони автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі й пасажирів. Поршневі, турбогвинтові та турбореак­тивні двигуни встановлені на літаках і вертольотах. За допо­могою ракетних двигунів здійснюються запуски штучних су­путників, космічних кораблів і станцій. Двигуни внутріш­нього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві. їх використовують на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях.

Найбільше значення має використання теплових двигунів (в основному потужних парових турбін) на теплових електро­станціях, де вони приводять в рух ротори генераторів елек­тричного струму. Понад 80 % усієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях. Теплові двигуни — парові турбіни — встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для одержання пари високої температури використовується енергія атомних ядер.

Для спалювання палива в теплових машинах витрачається велика кількість кисню. На згоряння різноманітного палива витрачається від 10 до 25 % кисню, який виробляють зелені рослини.

Теплові машини не тільки спалюють кисень, а й викидають в атмосферу еквівалентні кількості оксиду карбону (вугле­кислого газу). Згоряння палива в топках промислових підприємств і теплових електростанцій майже ніколи не буває повним, тому відбувається забруднення повітря золою, пла­стівцями сажі. Нині в усьому світі енергетичні установки ви­кидають в атмосферу щороку 200—250 млн тонн золи і близько 600 млн тонн оксиду сульфуру (S0₂). Повітря забруд­нюють і різні види транспорту, насамперед автомобільний. Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів авто­мобільних двигунів.

У всіх країнах світу з розвинутою промисловістю ведуться роботи щодо зниження і повної ліквідації забруднення повітря. На теплоцентралях і теплових електростанціях встановлюють газоочисне і пилоуловлююче обладнання, а самі станції розміщують за межами міст, між станціями і селищами ство­рюють зелені зони.

Інтенсивні роботи ведуться зі зниження забруднення повітря вихлопними газами автомобільних двигунів: на них встановлюють фільтри; опрацьовують зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів. Тепер уже не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом угарного газу (СО) у відпрацьованих газах. Найперспективнішими ішажаються електромобілі й автомобілі з двигунами на водні, продуктом згоряння яких є звичайна вода. В багатьох країнах створені і випробовуються автомобілі з електричними і водневими двигунами.

Висновки

Внутрішня енергія тіла може змінюватися внаслідок теплообміну з навколишніми тілами або під час виконання над ними механічної роботи.

Зміна внутрішньої енергії внаслідок теплообміну без вико­ті пня роботи може бути обчислена за такими формулами:

U = сm(Т₂ - Ті) — під час нагрівання або охолодження;

U = yт — у процесі плавлення чи тверднення;

U = rт — у ході пароутворення або конденсації;

U = qт — під час згоряння палива.

Зміна внутрішньої енергії дорівнює сумі наданої тілу кількості теплоти і роботи, виконаної над ним (перший закон термодинаміки).

У випадку ізобарної зміни стану ідеального газу підведена кількість теплоти частково витрачається на збільшення його внутрішньої енергії, а частково на виконання газом роботи (Q = U + А). У разі ізохорного процесу вся підведена кількість теплоти витрачається на зміну внутрішньої енергії газу (Q= U), а під час ізотермічного — тільки на виконання газом роботи ((Q = А). Адіабатний процес відбувається без тепло­обміну з навколишнім середовищем, і газ може виконувати роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок своєї вну­трішньої енергії.

Процеси, що відбуваються в природі з макроскопічними тілами, необоротні. Типові необоротні процеси такі: теплота самовільно переходить від гарячого тіла до холодного, але не навпаки; механічна енергія самовільно переходить у вну­трішню.

У результаті узагальнення дослідних даних, що стосуються необоротних процесів, сформульовано другий принцип термо­динаміки: в тепловій машині, яка діє циклічно, неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в ме­ханічну роботу всієї кількості теплоти, одержаної від джерела енергії — нагрівника.

Із законів термодинаміки випливає, що теплові двигуни можуть виконувати роботу тільки в процесі передавання теп­лоти від нагрівника до холодильника. Максимально можливе; значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна:

де Т1 - температура нагрівника, Т₂ — температура холодильника.

Підвищення ККД теплових двигунів, наближення його до максимально можливого — найважливіше технічне завдання.