Тепловые двигатели

Тепловой двигатель – это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу.

Иногда дается такое определение:

Тепловой двигатель преобразует внутреннюю энергию рабочего тела в механическую.

Итак, для теплового двигателя необходимо рабочее тело (газ или пар), нагреватель. Кроме того, в системе должна быть разница температур, чтобы рабочее тело, после совершения работы, могло отдать теплоту; то есть кроме нагревателя, нужен холодильник.

Классификация тепловых двигателей

Различие между теплотой и внутренней энергией условно, оно принято в термодинамике, отражает специфику рассматриваемых этой наукой объектов. Если пар в котле нагревается внешним источником, или система охлаждается, отдавая тепло в окружающую среду, то говорят о поступающей извне или отдаваемой в окружающую среду теплоте. Если в цилиндре воспламеняется бензин, и расширяющийся газ толкает поршень, то говорят о преобразовании внутренней энергии рабочего тела.

В связи с этим термодинамике принята классификация устройств:

1. Двигатели внешнего сгорания, преобразующие внешнюю теплоту (паровая машина, паровая турбина)
2. Двигатели внутреннего сгорания, преобразующие внутреннюю энергию топлива (ДВС, реактивный двигатель)

Первый двигатель внешнего сгорания был изобретен в древнем Риме. Пар, направленный по изогнутым трубам из сферы с кипящей водой, заставлял ее вращаться. Это был просто эффектный эксперимент, игрушка, ее не использовали для работы. Производство машин и применение их в промышленности не было актуально при рабовладении, оно началось тогда, когда стало экономически выгодным.
Отметим, что к тепловым двигателям относятся устройства с принципиальными различиями в конструкции и логике работы: турбина, реактивный двигатель и циклические двигатели.

Термодинамика, как наука, сформировалась в процессе работы над цикличными двигателями. В следующем разделе пойдет речь о цикличных двигателях, их КПД, а также о втором начале термодинамики.

Преобразование энергии в тепловых двигателях

Создание парового двигателя ознаменовало начало научно-технической революции, но сами паровые двигатели поначалу были несовершенны. Они развивали большую мощность, но потребляли слишком много топлива.

Если сравнить работу первых двигателей с тягловой силой лошади, то окажется, что лошадь гораздо эффективнее использует «горючее» — овес и сено. Ученые отмечали, что организм «сжигает» еду: ведь человек и животные вдыхают кислород, а выдыхают углекислый газ и водяной пар; так же поступает топка с горящими дровами.

Именно тогда научились считать калории. Энергию пищи оценили по тому количеству теплоты, которая выделится при ее сжигании. По шкале «калорийности» можно сравнивать овес, уголь и бензин. И по этой шкале первые паровые двигатели были крайне неэффективны: только 1\% — 2\% сгоревших калорий превращались в полезную работу.

Делались попытки усовершенствовать машины, иногда они давали лучший эффект, иногда худший; требовалась теоретическая база для того, чтобы добиться наилучшего варианта.

Основоположники термодинамики прежде всего решали вопрос: может ли вся теплота, передаваемая паровой машине, преобразоваться в работу? В механике преобразование потенциальной энергии в кинетическую может происходить с очень малыми потерями. В основном мешает трение, но во многих задачах трением можно пренебречь. Представим, что мы так же сведем к нулю трение поршня о цилиндр, непроизводительные потери тепловой энергии. Можно ли представить себе идеальный циклический двигатель, в котором вся теплота переходит в работу?

По первому началу термодинамики, теплота расходуется на работу и увеличение внутренней энергии:

Q = A + DU

Пусть DU = 0. Теплота заставила пар расширяться, пар привел в движение поршень, тот совершил работу. При этом температура пара и его внутренняя энергия не изменилась, Пренебрежем потерями и допустим, что вся теплота перешла в механическую работу: Q = A

Но мы рассматриваем цикличный двигатель. Поршень переместился, совершив работу; теперь его нужно вернуть в исходное состояние.

Если перемещать поршень, сжимая пар, то придется совершить работу не меньшую, чем А. Но это значит, что никого выигрыша не произошло, и коэффициент полезного действия нулевой, даже при отсутствии потерь!

Чтобы уменьшить работу по обратному перемещению поршня, разрешим внутренней энергии меняться. Если пар охладить, его давление уменьшится, и работа по перемещению поршня будет меньше, чем совершенная в рабочем цикле.

Вот эта разность работ и будет полезной отдачей двигателя.

На графике p(v) прямой и обратный ход поршня показан линиями abc и cda, образующими замкнутую фигуру. Площадь замкнутой фигуры abcd соответствует полезной работе. Площадь фигуры V₁abcV₂ – это работа прямого хода, площадь V₂cdaV₁ – соответствует работе обратного хода.

Таким образом, тепловому двигателю нужен не только нагреватель, но и холодильник; чаще всего в роли холодильника выступает окружающая среда, которой передаются остатки тепла

В идеальном случае совершенная за цикл работа соответствует разнице между теплотой, которое имело нагретое рабочее тело, и той теплотой, которая осталась у рабочего тела после охлаждения:

Коэффициент полезного действия идеального двигателя равен отношению работы к полученной от нагревателя теплоте:

Эта формула показывает предел КПД, который не может быть превышен тепловым двигателем при определенных параметрах нагревателя и холодильника. Реальный КПД двигателя зависит от его конструкции, и он всегда меньше идеального значения.

Итак, КПД двигателя всегда меньше единицы, поскольку часть тепловой энергии должна отдаваться холодильнику. Это является отражением второго начала термодинамики

Одна из формулировок второго начала термодинамики:

Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счёт охлаждения теплового резервуара. (Такой процесс называется процессом Томсона).

Адиабатный процесс и цикл Карно

При конструировании теплового двигателя важную роль сыграло понимание адиабатного процесса.

Адиабатный процесс в идеальном газе происходит без обмена теплотой с окружающей средой.

Математическая формула адиабатного процесса:

p*V k = const

где p – давление, V – объем, k – показатель адиабаты, равный отношению теплоемкости газа при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Рассмотрим, как применяется адиабатный процесс в термодинамике.

Задача конструкторов при разработке двигателя – приблизиться к идеальному значению КПД. Для этого нужно определить наилучший термический цикл тепловой машины и конструкцию, соответствующую двигателю с таким циклом.

Правило для тепловых машин сформулировал в 1824 году Санди Карно, французский ученый. В своей теоретической модели он использовал свойства идеального газа.

Его идея заключалась в том, чтобы расширение газа при прямом ходе шло изотермически, без изменения температуры, и так же изотермически, но при пониженной температуре, происходило сжатие газа при обратном ходе.

Для перехода между верхней и нижней изотермами Карно предложил использовать адиабатическое расширение и адиабатическое сжатие.

Наиболее наглядно цикл Карно изображается на TS диаграмме, по которой можно оценить изменение энтропии системы и ее температуры:

Изменение объема и давления при цикле Карно можно видеть на PS диаграмме:

Изображение цикла на TS диаграмме показывает зависимость КПД от абсолютных значений температуры нагревателя и холодильника:

Последняя формула позволяет сделать важный вывод: КПД двигателя зависит от абсолютной температуры холодильника, и наибольший КПД=1 может быть достигнут только при температуре холодильника T_X = 0°K, или t= -273°C.

Реальный тепловой двигатель имеет меньший КПД, чем идеальный двигатель Карно, поскольку обеспечить полностью адиабатный процесс, без теплообмена с окружающей средой, невозможно. Кроме того, изотермическое расширение и сжатие реального газа возможно только при достаточно медленных процессах, а их ускорение приводит к изменению температуры.

Теория и практика

Как отразились работы теоретиков на качестве паровых двигателей? Начался быстрый процесс совершенствования этой техники. В семидесятые годы девятнадцатого века паровозы отчаянно дымили и имели КПД = 3\%, а в 1910 году паровозы дымили не меньше, но имели КПД = 7-9\%. Это большой прогресс, но подняться выше при разработке паровых машин не удалось.

На смену паровозам пришли двигатели внутреннего сгорания: их КПД сразу же превысил паровые двигатели, составил 25\%. Современные дизельные двигатели, с электронной системой управления, имеют КПД=40\%.

Является ли это пределом? Для двигателей внутреннего сгорания, пожалуй, является. Но есть более производительные тепловые машины: это турбины. Нагретый газ, непрерывной струей вырываясь из сопла, вращает турбину; это не цикличный, а постоянный процесс, и при его реализации без особого труда достигается КПД=60\%. Недаром сейчас активно разрабатываются турбодвигатели.

Тепловой двигатель

Большая советская энциклопедия. — М.: Советская энциклопедия . 1969—1978 .

Смотреть что такое «Тепловой двигатель» в других словарях:

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — двигатель, работающий на принципе преобразования тепловой энергии в механическую. К Т. Д. относятся все паровые двигатели и двигатели внутреннего сгорания. Самойлов К. И. Морской словарь. М. Л.: Государственное Военно морское Издательство НКВМФ… … Морской словарь

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ, любой двигатель, который превращает тепловую энергию (обычно сжигаемого топлива) в полезную механическую энергию. Таким образом, все ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ являются тепловыми двигателями … Научно-технический энциклопедический словарь

тепловой двигатель — — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN thermal machine … Справочник технического переводчика

Тепловой двигатель — Тепловой двигатель устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии топлива, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует зависимость теплового расширения вещества от температуры. (Возможно… … Википедия

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ — двигатель, в к ром тепловая энергия преобразуется в механич. работу. Т. д. используют природные энергетич. ресурсы в виде хим. или ядерного топлива. Т. д. подразделяются на поршневые двигатели (см. Поршневая машина), роторные двигатели и… … Большой энциклопедический политехнический словарь

ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ — тепловой двигатель, внутри к рого происходит сжигание топлива и преобразование части выделившейся теплоты в механич. работу. Различают Д. в. с. поршневые, в к рых весь рабочий процесс осуществляется полностью в цилиндрах; газотурбинные, в к рых… … Большой энциклопедический политехнический словарь

Двигатель внутреннего сгорания — Тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. Первый практически пригодный газовый Д. в. с. был сконструирован французским механиком Э. Ленуаром… … Большая советская энциклопедия

Двигатель авиационный — тепловой двигатель для приведения в движение летательных аппаратов (самолётов, вертолётов, дирижаблей и пр.). С момента зарождения авиации и до конца Второй мировой войны единственным практически используемым Д.а. был поршневой двигатель… … Энциклопедия техники

ТЕПЛОВОЙ — ТЕПЛОВОЙ, тепловая, тепловое (физ.). прил. к тепло1 в 1 знач., к теплота в 3 знач. и к тепловая энергия (см. ниже). Тепловой луч. Тепловой двигатель (преобразующий тепловую энергию в механическую). Тепловой прибор. Тепловое хозяйство Москвы. ❖… … Толковый словарь Ушакова

ДВИГАТЕЛЬ — устройство, преобразующее один вид энергии в др. вид или механическую работу; (1) Д. внутреннего сгорания тепловой двигатель, внутри которого происходит сжигание топлива и часть выделившейся при этом теплоты преобразуется в механическую работу.… … Большая политехническая энциклопедия

Технология (девочки). 7 класс

Ключевые слова: Двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель, ракетный двигатель

Основные понятия: Тепловой двигатель внутреннего сгорания – это устройство, предназначенное для преобразования тепловой энергии от сгорания топлива в механическую работу. Реактивный двигатель – это устройство, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Ракетный двигатель – это вид реактивного двигателя, создающее необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Пояснения: В тепловых двигателях внутреннего сгорания рабочим телом является горячий газ под высоким давлением. Основными видами тепловых ДВС являются бензиновый и дизельный ДВС и газовая турбина. Ракетный двигатель в отличии от воздушно-реактивного двигателя не нуждается в кислороде для сгорания топлива. Литература: Технология. 7 класс : учеб. для общеобразоват. организаций / [В. М. Казакевич, Г. В. Пичугина, Г. Ю. Семенова и др.]; под ред. В. М. Казакевича. — М.:
Просвещение, 2017.

НАШИ ПАРТНЁРЫ

© Государственная образовательная платформа «Российская электронная школа»

Тепловой двигатель. Второй закон термодинамики.

Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель (машина) – это устройство, которое совершает механическую работу циклически за счет энергии, поступающей к нему в ходе теплопередачи.

Источником поступающего количества теплоты в реальных двигателях могут быть сгорающее органическое топливо, разогретый Солнцем котел, ядерный реактор, геотермальные воды и т.д.

В настоящее время наиболее распространены два типа двигателей: поршневой двигатель внутреннего сгорания (сухопутный и водный транспорт) и паровая или газовая турбина (энергетика).

Первые тепловые двигатели, широко распространившиеся в промышленности, назывались паровыми машинами. К современным тепловым двигателям можно отнести ракетные и авиационные двигатели.

Модель теплового двигателя и ее составные части

В теоретической модели теплового двигателя рассматриваются три тела: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Нагреватель – тепловой резервуар (большое тело), температура которого постоянна.

В каждом цикле работы двигателя рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя, расширяется и совершает механическую работу. Передача части энергии, полученной от нагревателя, холодильнику необходима для возвращения рабочего тела в исходное состояние.

Так как в модели предполагается, что температура нагревателя и холодильника не меняется в ходе работы теплового двигателя, то при завершении цикла: нагревание-расширение-остывание-сжатие рабочего тела считается, что машина возвращается в исходное состояние.

Для каждого цикла на основании первого закона термодинамики можно записать, что количество теплоты Qнагр, полученное от нагревателя, количество теплоты |Qхол|, отданное холодильнику, и совершенная рабочим телом работа А связаны между собой соотношением:

В реальных технических устройствах, которые называются тепловыми машинами, рабочее тело нагревается за счет тепла, выделяющегося при сгорании топлива. Так, в паровой турбине электростанции нагревателем является топка с горячим углем. В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) продукты сгорания можно считать нагревателем, а избыток воздуха – рабочим телом. В качестве холодильника в них используется воздух атмосферы или вода природных источников.

КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя (КПД) называется отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

Коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД определяют по экспериментальной механической мощности N двигателя и сжигаемому за единицу времени количеству топлива. Так, если за время t сожжено топливо массой m и удельной теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной характеристикой часто является объем V сжигаемого топлива на пути s при механической мощности двигателя N и при скорости . В этом случае, учитывая плотность r топлива, можно записать формулу для расчета КПД:

Второй закон термодинамики

Существует несколько формулировок второго закона термодинамики. Одна из них гласит, что невозможен тепловой двигатель, который совершал бы работу только за счет источника теплоты, т.е. без холодильника. Мировой океан мог бы служить для него, практически, неисчерпаемым источником внутренней энергии (Вильгельм Фридрих Оствальд, 1901).

Другие формулировки второго закона термодинамики эквивалентны данной.

Формулировка Клаузиуса (1850): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходило бы от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Формулировка Томсона (1851): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Формулировка Клаузиуса (1865): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Формулировка Больцмана (1877): замкнутая система многих частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное. Невозможен самопроизвольный выход системы из положения равновесия. Больцман ввел количественную меру беспорядка в системе, состоящей из многих тел – энтропию.

КПД теплового двигателя с идеальным газом в качестве рабочего тела

Если задана модель рабочего тела в тепловом двигателе (например, идеальный газ), то можно рассчитать изменение термодинамических параметров рабочего тела в ходе расширения и сжатия. Это позволяет вычислить КПД теплового двигателя на основании законов термодинамики.

На рисунке показаны циклы, для которых можно рассчитать КПД, если рабочим телом является идеальный газ и заданы параметры в точках перехода одного термодинамического процесса в другой.

Изобарно-изохорный

Изохорно-адиабатный

Изобарно-адиабатный

Изобарно-изохорно-изотермический

Изобарно-изохорно-линейный

Цикл Карно. КПД идеального теплового двигателя

Наибольшим КПД при заданных температурах нагревателя Tнагр и холодильника Tхол обладает тепловой двигатель, где рабочее тело расширяется и сжимается по циклу Карно (рис. 2), график которого состоит из двух изотерм (2–3 и 4–1) и двух адиабат (3–4 и 1–2).

Теорема Карно доказывает, что КПД такого двигателя не зависит от используемого рабочего тела, поэтому его можно вычислить, используя соотношения термодинамики для идеального газа:

Экологические последствия работы тепловых двигателей

Интенсивное использование тепловых машин на транспорте и в энергетике (тепловые и атомные электростанции) ощутимо влияет на биосферу Земли. Хотя о механизмах влияния жизнедеятельности человека на климат Земли идут научные споры, многие ученые отмечают факторы, благодаря которым может происходить такое влияние:

1. Парниковый эффект – повышение концентрации углекислого газа (продукт сгорания в нагревателях тепловых машин) в атмосфере. Углекислый газ пропускает видимое и ультрафиолетовое излучение Солнца, но поглощает инфракрасное излучение, идущее в космос от Земли. Это приводит к повышению температуры нижних слоев атмосферы, усилению ураганных ветров и глобальному таянию льдов.
2. Прямое влияние ядовитых выхлопных газов на живую природу (канцерогены, смог, кислотные дожди от побочных продуктов сгорания).
3. Разрушение озонового слоя при полетах самолетов и запусках ракет. Озон верхних слоев атмосферы защищает все живое на Земле от избыточного ультрафиолетового излучения Солнца.

Выход из создающегося экологического кризиса лежит в повышении КПД тепловых двигателей (КПД современных тепловых машин редко превышает 30%); использовании исправных двигателей и нейтрализаторов вредных выхлопных газов; использовании альтернативных источников энергии (солнечные батареи и обогреватели) и альтернативных средств транспорта (велосипеды и др.).