✅Теплові машини

Створення та розвиток термодинаміки був викликаний, насамперед, необхідністю опису роботи і розрахунку теплових машин. Першими тепловими машинами були парові двигуни, замкнутий термодинамічний цикл яких вперше був описаний в 1690 році Дені Папіним (1647-1712).

Перші теплові двигуни призначалися для підйому води з шахт і були винайдені англійськими інженерами в 1698 році Томасом Севери (1650 – 1715) і в 1712 році Томасом Ньюкоменом (1663 – 1715). Якщо в насосі Севери використовувався пар в якості тіла, безпосередньо толкающего воду, то машина Ньюкомена була першою поршневою паровою машиною. Відзначимо, що ідея використання поршня належить Папіну.

Широке застосування парових машин в промисловості почалося після винаходу в 1774 році Джеймсом Уаттом (1736 – 1819) парової машини, в якій робота відбувалася без використання атмосферного тиску, що значно скоротило витрату палива. Уатт доповнив свої машини найважливішими механічними винаходами, такими як:

  • перетворювач поступального руху в обертальний;
  • відцентровий регулятор;
  • махове колесо і т. д.

У 1784 році Уатт запатентував універсальну парову машину подвійної дії, в якій пар здійснював роботу по обидві сторони поршня.

Зараз розроблено велику кількість різноманітних теплових машин, в яких реалізовані різні термодинамічні цикли. Тепловими машинами є:

  • двигуни внутрішнього згоряння;
  • реактивні двигуни;
  • різні теплові турбіни і т. д.

Теплові машини або теплові двигуни призначені для отримання корисної роботи за рахунок теплоти, що виділяється внаслідок хімічних реакцій (згоряння палива), ядерних перетворень або з інших причин (наприклад, внаслідок нагріву сонячними променями)

Для функціонування теплової машини обов’язково необхідні наступні складові: нагрівач, холодильник і робоче тіло. При цьому, якщо обов’язковість наявності нагрівача і робочого тіла зазвичай не викликає сумнівів, то холодильник в конструкції теплової машини часто відсутній. В якості холодильника виступає навколишнє середовище.

Принцип дії теплових машин полягає в наступному:

  • нагрівач передає робочому тілу теплоту, викликаючи підвищення його температури;
  • робоче тіло здійснює роботу над яким-небудь механічним пристроєм, наприклад, приводить в обертання турбіну, і далі віддає холодильнику теплоту;
  • величина являє собою кількість теплоти, передана холодильником робочому тілу, і має значення менше нуля.

Відзначимо, що передача частини отриманої від нагрівача теплоти холодильника є обов’язковим процесом, тому що інакше робота теплової машини неможлива.

Тепловий коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу будь-якої теплової машини можна розрахувати як відношення корисної роботи до кількості теплоти, переданої від нагрівача.

ККД будь-якої теплової машини завжди менше одиниці, тому що частина отриманої від нагрівача теплоти повинна передаватися холодильнику.

Термодинамічний цикл, який здійснюється у зворотному напрямку, може бути використаний для роботи холодильної машини.

Холодильна машина може бути використана не тільки для охолодження різних тіл, але і для опалення приміщення. Дійсно навіть звичайний побутовий холодильник, охолоджуючи вміщені в ньому продукти, одночасно нагріває повітря в кімнаті.

Принцип динамічного опалення був запропонований англійським фізиком Вільямом Томсоном (лордом Кельвіном) (1824 – 1907) і покладений в основу дії сучасних теплових насосів. Цей принцип полягає у використанні зверненого циклу теплової машини для перекачування теплоти з навколишнього середовища в приміщення.

Враховуючи те, що відведена від навколишнього середовища теплота завжди відмінна від нуля, ККД теплового насоса обов’язково повинен бути більше одиниці.

Причому, ККД теплового насоса тим вище, чим більше теплоти відводиться від навколишнього середовища. Зазначений результат не суперечить законам термодинаміки, оскільки в даному випадку робота використовується для перекачування теплоти від менш нагрітого навколишнього середовища до більш нагрітого повітря в приміщенні.

Перевага теплового насоса в порівнянні з електронагрівачем полягає в тому, що на нагрів приміщень використовується не тільки перетворена в тепло електроенергія, але і відведене від навколишнього середовища тепло.

З цієї причини ефективність теплових насосів може бути набагато вище звичайних електронагрівачів, що визначає їх потенційні можливості для широкого використання.

Посилання на основну публікацію