11.1. Умови роботи теплових машин

Тепловою машиною називається безперервно діюча система, що здійснює круговий цикл, що забезпечує перетворення теплоти в роботу ( машина-двигун) або передачу теплоти від холодного тіла к гарячому (холодильна машина) при витраті механічної роботи.

Робоче тіло. Для того, щоб безупинно робити роботу, потрібно мати щонайменше два тіла з різними температурами, тобто два джерела теплоти. Однак наявність різниці температур сама по собі ще недостатня для здійснення процесу перетворення теплоти в роботу; так, наприклад, якщо два тіла з різними температурами просто привести в дотик, то теплота перейде від гарячого тіла до холодного без здійснення якої-небудь корисної зовнішньої роботи. Щоб здійснити тепловий двигун, що безупинно виробляє роботу, потрібно між тілами різної температури провадити деякий замкнутий процес або цикл, для чого буде потрібно ще одне тіло. Це допоміжне тіло, що робить під час роботи теплового двигуна багаторазово повторюваний круговий процес (який складається у випадку двох джерел теплоти із почергово здійснюваних ізотермічних і адіабатичних процесів) називається робочим тілом.

На одній з ділянок кругового процесу робоче тіло розширюється, виробляючи при цьому позитивну роботу L_расш за рахунок теплоти, отриманої від більш нагрітого тіла, і частково за рахунок своєї внутрішньої енергії. На іншій ділянці робоче тіло вертається у вихідний стан, зумовлюючи тим самим безперервність дії двигуна. Для повернення робочого тіла у вихідний стан над ним повинна бути здійснена робота стиснення L_сж, одна частина якої передається робочим тілом менш нагрітому тілу у вигляді теплоти, а інша йде на відновлення початкового значення внутрішньої енергії робочого тіла. Робота на цій ділянці кругового процесу відбувається за рахунок деякої частки позитивної роботи, отриманої на першій ділянці. Різниця роботи розширення L_расш і роботи стиснення L_сж дорівнює роботі зміни об'єму робочого тіла за цикл, а оскільки , то різниця L_расш – L_сж становить позитивну корисну роботу двигуна за один цикл, передану за допомогою спеціального механізму зовнішньому об'єкту роботи:

Для того, щоб корисна робота за цикл була по можливості більшою, у якості робочого тіла доцільно, у всякому разі, на стадії розширення, застосовувати гази або пари, що володіють здатністю значного збільшенні свого об'єму, а отже, і найбільшої в даних умовах роботою розширення.

Абсолютна величина роботи, виробленої тепловим двигуном за один цикл, відповідно до першого начала термодинаміки [див. рівняння (2.7) (2.8)] буде незалежно від того, оборотні або необоротні процеси відбуваються у двигуні, дорівнює різниці між абсолютним значенням кількості теп- лоти | Q₁ |, відданої робочому тілу більш нагрітими тілами, і абсолютним значенням кількості теплоти | Q₂ |, отриманої від робочого тіла менш на- грітими.

У розглянутій схемі безперервно діючого теплового двигуна те саме робоче тіло періодично повторює той же самий круговий процес. У циклах реальних двигунів робоча речовина часто періодично оновлюється, тобто замінюється рівною кількістю «свіжої» речовини, що перебуває в тому же стані. З термодинамічної точки зору заміна робочої речовини може розглядатися як повернення речовини, що відпрацювала у двигуні, у вихідний стан. Тому цикл із заміною робочої речовини принципово нічим не відрізняється від циклу з тим самим робочим тілом, і при аналізі різних теплових двигунів відновлення робочої речовини можна не брати до уваги.

Таким чином, для того щоб від теплової машини можна було одержати корисну роботу, необхідно виконати наступні умови.

1. Необхідна наявність щонайменше двох джерел теплоти з різними температурами - верхнє (вище) джерело теплоти (ВДТ) або нагрівач (тепловіддавач) і нижнє (нижче) джерело теплоти (НДТ) або холодильник (теплоприймач).

2. Необхідно мати робоче тіло - це тіло, за допомогою якого здійснюється взаємне перетворення теплоти й роботи.

3. Робота теплової машини повинна бути циклічною, тобто робоче тіло, провадячи ряд процесів, повинне вертатися у вихідний стан.