Принцип действия теплового двигателя

 1. Тепловые двигатели

Темой про­шло­го урока был пер­вый закон тер­мо­ди­на­ми­ки, ко­то­рый за­да­вал связь между неко­то­рым ко­ли­че­ством теп­ло­ты, ко­то­рое было пе­ре­да­но пор­ции газа, и ра­бо­той, со­вер­ша­е­мой этим газом при рас­ши­ре­нии. И те­перь при­шло время ска­зать, что эта фор­му­ла вы­зы­ва­ет ин­те­рес не толь­ко при неких тео­ре­ти­че­ских рас­чё­тах, но и во вполне прак­ти­че­ском при­ме­не­нии, ведь ра­бо­та газа есть не что иное как по­лез­ная ра­бо­та, какую мы из­вле­ка­ем при ис­поль­зо­ва­нии теп­ло­вых дви­га­те­лей.

Опре­де­ле­ние. Теп­ло­вой дви­га­тель – устрой­ство, в ко­то­ром внут­рен­няя энер­гия топ­ли­ва пре­об­ра­зу­ет­ся в ме­ха­ни­че­скую ра­бо­ту (рис. 1).

Рис. 1. Раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей

Как видно из ри­сун­ка, теп­ло­вы­ми дви­га­те­ля­ми яв­ля­ют­ся любые устрой­ства, ра­бо­та­ю­щие по вы­ше­ука­зан­но­му прин­ци­пу, и они ва­рьи­ру­ют­ся от неве­ро­ят­но про­стых до очень слож­ных по кон­струк­ции.

Все без ис­клю­че­ния теп­ло­вые дви­га­те­ли функ­ци­о­наль­но де­лят­ся на три со­став­ля­ю­щие (см. рис. 2):

На­гре­ва­тель

Ра­бо­чее тело

Хо­ло­диль­ник

Рис. 2. Функ­ци­о­наль­ная схема теп­ло­во­го дви­га­те­ля

 2. Работа газа в тепловых двигателях

На­гре­ва­те­лем яв­ля­ет­ся про­цесс сго­ра­ния топ­ли­ва, ко­то­рое при сго­ра­нии пе­ре­да­ёт боль­шое ко­ли­че­ство теп­ло­ты  газу, на­гре­вая тот до боль­ших тем­пе­ра­тур. Го­ря­чий газ, ко­то­рый яв­ля­ет­ся ра­бо­чим телом, вслед­ствие по­вы­ше­ния тем­пе­ра­ту­ры, а сле­до­ва­тель­но, и дав­ле­ния, рас­ши­ря­ет­ся, со­вер­шая ра­бо­ту . Ко­неч­но же, так как все­гда су­ще­ству­ет теп­ло­пе­ре­да­ча с кор­пу­сом дви­га­те­ля, окру­жа­ю­щим воз­ду­хом и т. д., ра­бо­та не будет чис­лен­но рав­нять­ся пе­ре­дан­ной теп­ло­те – часть энер­гии  ухо­дит на хо­ло­диль­ник, ко­то­рым, как пра­ви­ло, яв­ля­ет­ся окру­жа­ю­щая среда.

Проще всего можно пред­ста­вить себе про­цесс, про­ис­хо­дя­щий в про­стом ци­лин­дре под по­движ­ным порш­нем (на­при­мер, ци­линдр дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния). Есте­ствен­но, чтобы дви­га­тель ра­бо­тал и в нём был смысл, про­цесс дол­жен про­ис­хо­дить цик­ли­че­ски, а не ра­зо­во. То есть после каж­до­го рас­ши­ре­ния газ дол­жен воз­вра­щать­ся в пер­во­на­чаль­ное по­ло­же­ние (рис. 3).

Рис. 3. При­мер цик­ли­че­ской ра­бо­ты теп­ло­во­го дви­га­те­ля

Для того чтобы газ воз­вра­щал­ся в на­чаль­ное по­ло­же­ние, над ним необ­хо­ди­мо вы­пол­нить некую ра­бо­ту (ра­бо­та внеш­них сил). А так как ра­бо­та газа равна ра­бо­те над газом с про­ти­во­по­лож­ным зна­ком, для того чтобы за весь цикл газ вы­пол­нил сум­мар­но по­ло­жи­тель­ную ра­бо­ту (иначе в дви­га­те­ле не было бы смыс­ла), необ­хо­ди­мо, чтобы ра­бо­та внеш­них сил была мень­ше ра­бо­ты газа. То есть гра­фик цик­ли­че­ско­го про­цес­са в ко­ор­ди­на­тах P-V дол­жен иметь вид: за­мкну­тый кон­тур с об­хо­дом по ча­со­вой стрел­ке. При дан­ном усло­вии ра­бо­та газа (на том участ­ке гра­фи­ка, где объём рас­тёт) боль­ше ра­бо­ты над газом (на том участ­ке, где объём умень­ша­ет­ся) (рис. 4).

Рис. 4. При­мер гра­фи­ка про­цес­са, про­те­ка­ю­ще­го в теп­ло­вом дви­га­те­ле

Раз мы го­во­рим о неко­ем ме­ха­низ­ме, обя­за­тель­но нужно ска­зать, каков его КПД.

 3. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

Опре­де­ле­ние. КПД (Ко­эф­фи­ци­ент по­лез­но­го дей­ствия) теп­ло­во­го дви­га­те­ля – от­но­ше­ние по­лез­ной ра­бо­ты, вы­пол­нен­ной ра­бо­чим телом, к ко­ли­че­ству теп­ло­ты, пе­ре­дан­ной телу от на­гре­ва­те­ля.

Если же учесть со­хра­не­ние энер­гии: энер­гия, ото­шед­шая от на­гре­ва­те­ля, ни­ку­да не ис­че­за­ет - часть её от­во­дит­ся в виде ра­бо­ты, осталь­ная часть при­хо­дит на  хо­ло­диль­ник:

По­лу­ча­ем:

Это вы­ра­же­ние для КПД в ча­стях, при необ­хо­ди­мо­сти по­лу­чить зна­че­ние КПД в про­цен­тах необ­хо­ди­мо умно­жить по­лу­чен­ное число на 100. КПД в си­сте­ме из­ме­ре­ния СИ – без­раз­мер­ная ве­ли­чи­на и, как видно из фор­му­лы, не может быть боль­ше од­но­го (или 100).

Сле­ду­ет также ска­зать, что дан­ное вы­ра­же­ние на­зы­ва­ет­ся ре­аль­ным КПД или КПД ре­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны (теп­ло­во­го дви­га­те­ля). Если же пред­по­ло­жить, что нам ка­ким-то об­ра­зом удаст­ся пол­но­стью из­ба­вить­ся от недо­стат­ков кон­струк­ции дви­га­те­ля, то мы по­лу­чим иде­аль­ный дви­га­тель, и его КПД будет вы­чис­лять­ся по фор­му­ле КПД иде­аль­ной теп­ло­вой ма­ши­ны. Эту фор­му­лу по­лу­чил фран­цуз­ский ин­же­нер Сади Карно (рис. 5):

То есть КПД иде­аль­но­го дви­га­те­ля за­ви­сит толь­ко от тем­пе­ра­тур на­гре­ва­те­ля и хо­ло­диль­ни­ка.

Рис. 5. Сади Карно

Для по­ни­ма­ния того, ка­ко­го по­ряд­ка зна­че­ния КПД раз­лич­ных теп­ло­вых машин, рас­смот­рим сле­ду­ю­щую таб­ли­цу, в ко­то­рой при­ве­де­ны раз­лич­ные при­ме­ры теп­ло­вых дви­га­те­лей (рис. 6):

Рис. 6.