1. Электрическая энергия универсальна, она может быть использова­на для самых различных целей. В частности, ее очень просто пре­вратить в тепло. Это делается, например, в электрических источни­ках света (лампочках накаливания), в технологических печах, ис­пользуемых в металлургии, в различных нагревательных и отопи­тельных устройствах. Превращение электрической энергии в меха­ническую используется в приводах электрических моторов.

2. При потреблении электрической энергии ее можно бесконечно дробить. Так, мощность электрических машин в зависимости от их назначения различна: от долей ватта в микродвигателях, при­меняемых во многих отраслях техники и в бытовых изделиях, до огромных величин, превышающих миллион киловатт, в генера­торах электростанций.

3. В производстве электрической энергии, наоборот, можно концен­трировать ее мощность, увеличивать напряжение и передавать по проводам как на малые, так и на большие расстояния любые количества электроэнергии с электростанций, где она вырабаты­вается, всем ее потребителям.

4. 2. Преобразование энергии тепловой в механическую

Рассмотрим еще одну формулировку II закона термодинамики, ко­торая указывает на существенное различие двух форм передачи энер­гии - теплоты и работы. Согласно этой формулировке:

1. Невозможен процесс, единственным результатом которого яв­ляется превращение тепла, полученного от нагревателя, в эквива­лентную ему работу. Процесс преобразования упорядоченного движе­ния тела как целого в неупорядоченное движение частиц самого тела и внешней среды является необратимым. Упорядоченное движение может переходить в неупорядоченное без каких-либо дополнительных (компен­сирующих) процессов, например, механическая энергия движения в теп­ловую при трении. В то же время, обратный переход неупорядоченного движения в упорядоченное - «переход тепла в работу» не может являться единственным результатом термодинамического процесса и всегда сопро­вождается каким-либо компенсирующим процессом.

2. Невозможен процесс, единственным результатом которого является передача энергии в форме тепла от холодного тела к горя­чему. В таком виде закон был установлен гениальным французским ученым С. Карно (1824 г.): тепло может само переходить только от бо­лее нагретого тела к менее нагретому. Если же нужно передать тепло от менее нагретого тела к более нагретому, то при этом не только не может быть получена механическая энергия, но, наоборот, ее необходимо из­расходовать. В настоящее время такой процесс используется в холодиль­ных машинах.

Тепловая машина.Термодинамикой установлено, что для непре­рывного получения механической энергии из тепловой необходимо иметь три основных элемента, в совокупности образующих тепло­вую машину (рис. 4.2):

• резервуар тепла с относительно высокой температурой (го­рячий источник, или нагреватель);

• резервуар тепла с более низкой температурой (холодный ис­точник, или холодильник);

• рабочее тело (воздух, водяной пар, газы и т. п.), непрерывно совершающее цикл, с помощью которого тепловая энергия превращается в механическую.

Т > Т*; Q>Q*

Рис. 4.2. Принцип работы тепловой машины.

КШТ тепловой машины.Экономичность процесса преобразо­вания энергии теоретически не зависит от выбора рабочего тела. Прак­тически же свойства рабочего тела весьма существенно влияют на КПД цикла. Наибольшее применение в качестве рабочего тела имеют про­дукты сгорания топлива - в двигателях внутреннего сгорания (автомо­биле, самолете, тепловозе и др.) и водяной пар - в энергетических теп­лосиловых установках. Реже используются углекислота и гелий (АЭС), фреон и аммиак (холодильные установки). Однако главным производи­телем механической энергии из тепловой является не рабочее тело, а резервуары тепла, или, как их обычно называют в термодинамике, ис­точники тепла.

Из второго закона термодинамики следует, что источники тепла обяза­тельно должны иметь различную температуру: один из них - более высо­кую (горячий источник), а второй - более низкую (холодный источник).

В каждом цикле от горячего источника передается рабочему телу оп­ределенное количество тепла Q, а от рабочего тела переходит в холодный источник определенное, но всегда меньшее количество тепла Q*. Так как рабочее тело после завершения цикла возвращается в исходное состоя­ние, то произведенная за один цикл механическая энергия обязательно должна быть равна разности двух количеств тепла: полученного от горя­чего источника и переданного холодному источнику. Так было бы, если бы отсутствовали потери на трение и др. Но на самом деле потери всегда имеются. Поэтому реально получаемая механическая энергия меньше раз­ности двух количеств тепла на величину потерь.

В этом заключается существо непрерывного производства механичес­кой энергии из тепловой в тепловой машине, определяемое выражением:

A

(4.2)

= (Q-Q*)-DQ.

КПД описанного процесса - цикла Карно зависит в первую оче­редь от температур источников тепла. Его максимальное значение неза­висимо от конструкции тепловой машины и выбора рабочего тела опре­деляется выражением:

( 4.3)

Для повышения КПД температура горячего источника Т должна быть как можно выше, а холодного Т* - как можно ниже. Что касается холодного источника тепла, то здесь выбирать не приходится. Этим ис­точником всегда является окружающая среда - вода и воздух. Иначе обстоит дело с горячим источником. Он может быть избран из числа созданных природой: энергии Солнца или тепла глубинных слоев Зем­ли. Но в настоящее время в подавляющем большинстве случаев исполь­зуются искусственные источники тепла, создаваемые в результате сжигания органического топлива или проведения экзотермической уп­равляемой ядерной реакции в атомном реакторе. В первом случае мо­жет быть достигнута температура около 3000 °С, а во втором - практи­чески неограниченно высокая.

Теоретически для повышения КПД процесса всегда выгодно уве­личивать начальную температуру. Практически же повышение началь­ной температуры имеет предел. Он определяется, во-первых, реальны­ми техническими возможностями материалов, а во-вторых - их ценой.