Теплові двигуни в фізиці

Ми знаємо, що досконала над тілом роботи є один із способів зміни його внутрішньої енергії: вчинена робота як би розчиняється в тілі, переходячи в енергію безладного руху і взаємодії його частинок.
Тепловий двигун – це пристрій, який, навпаки, витягує корисну роботу з «хаотичної» внутрішньої енергії тіла. Винахід теплового двигуна радикально змінило вигляд людської цивілізації.
Принципову схему теплового двигуна можна зобразити таким чином (рис. 2.31). Давайте розбиратися, що означають елементи даної схеми.
Робоче тіло двигуна – це газ. Він розширюється, рухає поршень і здійснює тим самим корисну механічну роботу.
Але щоб змусити газ розширюватися, долаючи зовнішні сили, потрібно нагріти його до температури, яка істотно вище температури навколишнього середовища. Для цього газ приводиться в контакт з нагрівачем – згорає паливом.
У процесі згоряння палива виділяється значна енергія, частина якої йде на нагрівання газу. Газ отримує від нагрівача кількість теплоти Qi. Саме за рахунок цього тепла двигун виконує корисну роботу A.
Це все зрозуміло. Що таке холодильник і навіщо він потрібен?
При одноразовому розширенні газу ми можемо використовувати надходить тепло максимально ефективно і цілком перетворити його в роботу. Для цього треба розширювати газ ізотермічні: перший закон термодинаміки, як ми знаємо, дає нам в цьому випадку A = Qi. Але одноразове розширення нікому не потрібно. Двигун повинен працювати циклічно, забезпечуючи періодичну повторюваність рухів поршня. Отже, після закінчення розширення газ потрібно стискати, повертаючи його в початковий стан.
У процесі розширення газ здійснює деяку позитивну роботу Ai. У процесі стиснення над газом відбувається позитивна робота A2 (а сам газ здійснює негативну роботу -A2). У підсумку корисна робота газу за цикл: A = A1 – A2.
Зрозуміло, повинно бути A> 0, або A2 <A1 (інакше ніякого сенсу в двигуні немає). Стискаючи газ, ми повинні здійснити меншу роботу, чим вчинив газ при розширенні.
Як цього досягти? Відповідь: стискати газ під меншими тисками, ніж були в ході розширення. Іншими словами, на pV-діаграмі процес стиснення повинен йти нижче процесу розширення, тобто цикл повинен проходитися за годинниковою стрілкою (рис. 2.32). Наприклад, в циклі на малюнку робота газу при розширенні дорівнює площі криволінійної трапеції V11a2V2. Аналогічно, робота газу при стисненні дорівнює площі криволінійної трапеції Vi 1b2V2 зі знаком мінус. У результаті робота A газу за цикл виявляється позитивною і рівної площі циклу 1а261.
Добре, але як змусити газ повертатися в початковий стан за нижчою кривої, тобто через стану з меншими тисками? Згадаймо, що при даному обсязі тиск газу тим менше, чим нижче температура. Стало бути, при стисненні газ повинен проходити стану з меншими температурами.
Ось саме для цього і потрібен холодильник: щоб охолоджувати газ в процесі стиснення. Холодильником може служити атмосфера (для двигунів внутрішнього згоряння) або охолоджуюча проточна вода (для парових турбін).
При охолодженні газ віддає холодильника деяку кількість теплоти Q2. Сумарна кількість теплоти, отримане газом за цикл, виявляється рівним Q1 – Q2. Відповідно до першого закону термодинаміки:
Q1 – Q = A + AU,
де AU – зміна внутрішньої енергії газу за цикл. Воно дорівнює нулю: AU = 0, так як газ повернувся в початковий стан (а внутрішня енергія, як ми пам’ятаємо, є функцією стану). У результаті робота газу за цикл виходить дорівнює:
A = Q1 – Q2. (2.12)
Як бачите, A <Q1: не вдається повністю перетворити в роботу надходить від нагрівача тепло. Частина теплоти доводиться віддавати холодильника – для забезпечення циклічності процесу. Показником ефективності перетворення енергії згорає палива в механічну роботу служить коефіцієнт корисної дії теплового двигуна.

Посилання на основну публікацію