43. Види необоротності у реальних циклах теплових двигунів.

Перший закон термодинаміки – закон збереження енергії для теплових процесів – установлює зв'язок між кількістю теплоти Q, отриманою системою, зміною ΔU її внутрішньої енергії і роботою A, виконаною над зовнішніми тілами

 

Q = ΔU + A.

Перший закон термодинаміки не встановлює напрямку теплових процесів. Однак, як показує досвід, багато теплових процесів можуть протікати тільки в одному напрямку. Такі процеси називаються необоротними. Наприклад, при тепловому контакті двох тіл із різними температурами тепловий потік завжди спрямований від більш нагрітого тіла до менш нагрітого. Ніколи не спостерігається самочинний процес передачі тепла від тіла з низькою температурою до тіла з більш високою температурою. Отже, процес теплообміну при кінцевій різниці температур є необоротним.

Необоротними є процеси перетворення механічної роботи у внутрішню енергію тіла через наявність тертя, процеси дифузії у газах і рідинах, процеси перемішування газу при наявності початкової різниці тисків і т.д. Усі реальні процеси необоротні, але вони можуть як завгодно близько наближатися до оборотних процесів. Оборотні процеси є ідеалізацією реальних процесів.

Перший закон термодинаміки не може відрізнити оборотні процеси від необоротних. Він просто вимагає від термодинамічного процесу визначеного енергетичного балансу і нічого не говорить про те, можливий такий процес чи ні. Напрямок спонтанних процесів, які можуть протікати, встановлює другий закон термодинаміки. Він може бути сформульований у вигляді заборони на визначені види термодинамічних процесів.

Англійський фізик У. Кельвін дав у 1851 р. таке формулювання другого закону:

У тепловій машині, що діє циклічно, неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в механічну роботу всієї кількості теплоти, отриманої від єдиного теплового резервуара.

Гіпотетичну теплову машину, у якій міг би відбуватися такий процес, називають «вічним двигуном 2-го роду». У земних умовах така машина могла б відбирати теплову енергію, наприклад, у світового океану і повністю перетворювати її у механічну роботу. Маса води у світовому океані складає приблизно 10²¹ кг, і при її охолодженні на один градус виділилася б величезна кількість енергії (≈ 10²⁴ Дж), еквівалентна повному спалюванню 10¹⁷ кг вугілля. Енергія, яка щорічно виробляється на Землі приблизно в 10⁴ разів менша. Тому «вічний двигун 2-го роду» був би для людства не менш привабливий, ніж «вічний двигун 1-го роду», заборонений першим законом термодинаміки.

44. Двигуни внутрішнього згоряння

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) – це тип двигуна, теплової машини, в якій хімічна енергія палива (зазвичай застосовується рідке або газоподібне вуглеводневе паливо), що згорає в робочій зоні, перетвориться в механічну роботу. Незважаючи на те, що двигун внутрішнього згоряння є недосконалим типом теплових машин (сильний шум, токсичні викиди, малий ресурс), завдяки своїй автономності (необхідне паливо містить набагато більше енергії, ніж найкращі електричні акумулятори) ДВЗ стали дуже популярними. Основним недоліком двигуна внутрішнього згоряння є те, що він виробляє високу потужність тільки у вузькому діапазоні оборотів. Тому його невід'ємними атрибутами є трансмісія і стартер. Лише в окремих випадках (наприклад, в літаках) можна обійтися без складної трансмісії. Крім цього двигуну внутрішнього згоряння потрібні паливна система (для подачі паливної суміші) і вихлопна система (для відведення вихлопних газів).

Робочий цикл – це сувора послідовність робочих процесів (тактів), які періодично повторюються у всіх циліндрах двигуна внутрішнього згоряння. Кожен такт відбувається протягом одного ходу поршня.

Двигуни внутрішнього згоряння бувають 4-тактними і 2-тактними. В 4-тактному моторі один робочий цикл здійснюється за чотири ходи поршня, в 2-тактному – за два. У сучасних автомобілях використовується 4-тактний двигун. Що стосується 2-тактних, то вони, як правило, встановлюються на мотоциклах, мопедах, моторних човнах і т. п.

Робочий цикл 4-тактного двигуна внутрішнього згоряння включає в себе наступні такти:

• впуск;

• стиск;

• робочий хід;

• випуск.