Принцип роботи теплових машин

З найдавніших часів люди користувалися енергією палива для приготування їжі, обігріву житла та обробки металів. Але після появи теплових двигунів особливе значення набуло застосування енергії палива для приведення в рух різних механізмів. Зрозуміло тому, наскільки важливо знати способи найбільш ефективного використання палива для здійснення роботи.
Для використання внутрішньої енергії тіла потрібно її “відняти” у тіла. Це можна здійснити двома способами – в процесі теплопередачі, коли тіло віддає деякий кількості теплоти, або при скоєнні тілом роботи.
Теплопередачей користуються, наприклад, у ряді технологічних процесів, пов’язаних з нагріванням тіл, а також для обігріву приміщень за рахунок внутрішньої енергії гарячої пари або води. Але найбільше значення має використання внутрішньої енергії тіл для здійснення роботи.
Механічна робота здійснюється лише тоді, коли відбувається впорядкований рух – переміщення тіла. Внутрішня ж енергія – це енергія безладно рухаються молекул. Отже, для того щоб за рахунок внутрішньої енергії відбувалася робота, необхідно знайти спосіб, що дозволяє перетворити хаотичний рух молекул в впорядкований рух будь-якого макроскопічного тіла. І завдання це досить непроста. Будь-яке впорядкований рух тіл в реальних умовах (при наявності тертя) частково “перетворюється” в безладний рух молекул (тіла нагріваються). Зворотне ж перетворення хаотичного руху молекул в упорядковане потребує спеціальних умов.
Такі умови можуть бути створені, наприклад, при використанні циліндра з поршнем. Безладне переміщення молекул газу в циліндрі викликає переміщення поршня. Циліндр з поршнем становить головну частину вогнепальної зброї. За рахунок внутрішньої енергії газів, що виникають при згорянні палива (пороху) в стовбурі (циліндрі) вчиняється механічна робота по переміщенню снаряда. Вогнепальна зброя, таким чином, є своєрідним тепловим двигуном. Але це не є двигун безперервної дії. Теплова машина, для того щоб бути періодично чинним пристроєм, повинна здійснювати замкнутий процес або цикл.

Механічна робота здійснюється при розширенні газу в циліндрі, при якому газ проходить через ряд станів уздовж деякої кривої а (рис. 4.11). Для того щоб газ повернувся в первісний стан 1, його потрібно стиснути, для чого над ним доведеться зробити роботу. Але ця робота обов’язково повинна бути менше, ніж робота, здійснена газом при його розширенні. Нагадаємо, що робота газу при розширенні на PV-діаграмі чисельно дорівнює площі криволінійної трапеції під кривою а. Щоб при стисненні газу відбувалася менша робота, крива стиснення b повинна лежати нижче кривої а. При постійному обсязі V тиск вище там, де вище температура (Pa> Pb). Отже, розширюватися газ повинен нагрітим, а стискуватися – холодним. Різниця площ під кривими а й b, тобто площа, обмежена замкнутою кривою 1а2b1, дорівнює роботі А, яку здійснюють за цикл. Газ повернувся в початковий стан, отже, його внутрішня енергія не змінилася, тобто ΔU = 0.

Розглянувши принцип роботи теплової машини, можна уявити її принципову схему, відволікаючись при цьому від конструктивних особливостей (рис. 4.12).
Обов’язковими складовими теплової машини є два теплових резервуара: нагрівач з температурою Т1 і холодильник з температурою Т2 <T1. Якщо просто привести нагрівач у тепловий контакт з холодильником, то внутрішня енергія нагрівача передаватиметься холодильника шляхом теплопередачі без здійснення роботи. Для здійснення механічної роботи обов’язково повинно бути проміжна ланка – так зване робоче тіло, в якості якого, наприклад, може бути використаний газ в циліндрі.
Відзначимо ще, що на перших порах охолодження газу перед стисненням досягалося шляхом приведення його у контакт з тілами більш низької температури. Але в цьому випадку енергія хаотичного руху молекул газу перетворюється також в енергію хаотичного руху молекул інших тіл, і для здійснення роботи вона буде втрачена. Ось чому перші теплові двигуни мали дуже низький к.к.д. (~ 5%). Очевидно, потрібно було знайти інший спосіб охолодження газу.
Отже, внутрішня енергія, забране у нагрітого тіла при зіткненні його з більш холодним тілом, абсолютно марна для здійснення роботи. Тому, якщо ми хочемо отримати максимальну роботу при розширенні газу, треба щоб газ в цьому процесі не стикався з тілами, що мають більш низьку температуру.
Виключити контакт робочого тіла з більш холодними тілами можна двома способами: помістити газ в посудину, стінки якого зроблені з теплоізолюючого матеріалу, або підтримувати постійний контакт газу з тілами, що мають ту ж температуру, що і він сам. Очевидно, що в першому випадку стан газу змінюється в умовах адіабатичного процесу (рис. 4.13а), у другому – при ізотермічному процесі (рис. 4.13б).
Нагадаємо, що при адіабатні розширенні газу його внутрішня енергія зменшується якраз на величину досконалої роботи. При цьому відбувається зниження температури. Навпаки, при адіабатні стисненні газу його внутрішня енергія збільшується за рахунок роботи, зробленої над газом, внаслідок чого температура газу підвищується.
Розглянемо зміну стану газу в ході ізотермічного процесу за умови, що циліндр, в якому знаходиться газ, стикається теплопроводящим дном з тілами такий же, як у нього, температури, яка підтримується постійною. Надамо газу можливість розширюватися і здійснювати роботу. Так як робота здійснюється газом за рахунок внутрішньої енергії, його температура почне знижуватися. Але тоді температура джерела тепла виявиться трохи вище, ніж температура газу, і негайно ж від джерела до газу буде передаватися така кількість теплоти, яке призведе до вирівнювання температур газу і джерела. Віддавати ж яке-небудь кількість теплоти газ не може, так як він не стикається з тілами більш низької температури. Таким чином, температура газу практично завжди залишатиметься сталою, постійною буде і внутрішня енергія (для ідеального газу вона є тільки функція його температури). Тоді з першого закону термодинаміки випливає, що Q = A. Чи не становить труднощів розглянути процес ізотермічного стиснення газу, в ході якого за рахунок роботи зовнішніх сил внутрішня енергія і температура газу повинні підвищуватися, що призведе до передачі деякої кількості енергії від робочого тіла термостата.
Отже, в адіабатні і ізотермічному процесах найбільш повно використовується внутрішня енергія для здійснення роботи. У цих процесах газ віддає енергію тільки для здійснення роботи. Очевидно, що для отримання максимальної роботи цикл теплової машини повинен складатися з адіабатичного і ізотермічного процесів, оскільки тільки ці процеси дозволяють виключити контакт гарячого тіла з холодним, тобто виключити зменшення енергії без здійснення роботи

Посилання на основну публікацію