1. Теоретические основы работы тепловых двигателей

1.1. Преобразование энергии в тепловых двигателях. Рабочее тело

Рассмотрим в общих чертах процесс преобразования тепловой энергии в механическую в основных типах тепловых двигателей – паротурбинных установках (ПТУ) и двигателях внутреннего сгорания (ДВС).

В любой паротурбинной установке теплота от продуктов сгорания передается кипящей воде, которая превращается в пар, перегревается в пароперегревателе и поступает на рабочую часть турбины. Температура и давление пара перед турбиной гораздо выше, чем эти параметры окружающей среды, поэтому пар способен совершить работу, которую он и совершает в процессе адиабатного расширения на проточной части турбины. При этом давление и температура пара понижается и отработавший пар поступает в конденсатор, где он конденсируется, отдавая свою теплоту парообразования. Образованный конденсат насосом подается в котел, цикл рабочего тела замыкается. Трансформация тепловой энергии продуктов сгорания в механическую энергию вращения ротора осуществляется в процессе изменения теплового и агрегатного состояния рабочего тела.

При работе ДВС рабочее тело получается в результате горения топливной смеси, подаваемой в пространство цилиндра между его крышкой и поршнем. Т.к. температура и давление рабочего тела больше температуры и давления окружающей среды, оно способно совершить работу, поэтому рабочее тело расширяется, передвигая поршень. Эта энергия непосредственно используется для совершения работы и обратного движения поршня, которое происходит за счет части энергии, переданной через кривошипно-шатунный механизм маховику.

В обоих примерах рабочим телом служит газ или пар. В качестве рабочего тела можно использовать твердое, жидкое или газообразное вещество, но наиболее эффективно теплота переходит в работу в телах, резко меняющих свой объем при изменении температуры.

Такое изменение объема (и давления) при изменении температуры называется процессом, ход которого контролируется по параметрам состояния рабочего тела. К ним относятся в первую очередь давление (p), температура (t) и удельный объем (v).

Рабочим телом в термодинамике называют некоторое промежуточное тело, при помощи которого осуществляется трансформация тепловой энергии в механическую в тепловых двигателях.

1.2. Законы термодинамики

Из анализа процесса преобразования тепловой энергии (q) в механическую (ℓ) следует, что необходим подвод теплоты (q₁) и ее отвод (q₂). Подвод теплоты осуществляется в процессе приготовления рабочего тела (перегретого пара в ПТУ и продуктов сгорания в ДВС), а отвод теплоты в первом случае обеспечивается при конденсации отработавшего пара, а во-втором – путем удаления продуктов сгорания (выхлопа) из двигателя. Кроме того в ДВС, из-за их конструктивных особенностей, часть теплоты отводится дополнительно с охлаждающей водой.

Изложенное позволяет сформулировать два основных закона термодинамики:

I закон: “для обеспечения работы теплового двигателя необходимо подводить теплоту”;

II закон термодинамики: “для обеспечения работы теплового двигателя необходимо отводить теплоту”.

Разница между подведенной и отведенной теплотой и представляет собой результат функционирования теплового двигателя – работу ℓ  = q₁ – q_2.. Отсюда, зная, что любой коэффициент полезного действия (КПД) – это отношение полученного к затратам, запишем выражение для определения теоретического КПД теплового двигателя (η_t)

. (1)