Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Тепловые машины» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
08.04.2023

Тепловая машина — что это, определение и ответ

Основной источник энергии, используемый человечеством — это внутренняя энергия топлива. Как Вы уже знаете, горение топлива сопровождается выделением теплоты. Преобразование теплоты в механическую энергию осуществляется при помощи специальных устройств — тепловых двигателей. Все известные тепловые машины можно разделить на два класса: тепловые машины и холодильные машины.

Тепловая машина преобразует теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

Например, автомобильный двигатель внутреннего сгорания. В нём происходит преобразование тепла, выделяющегося при сгорании топлива, в механическую энергию автомобиля.

Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Например, бытовой холодильник служит примером холодильной машины. В нём тепло отводится от холодильной камеры и передаётся в окружающее пространство.

Первая тепловая машина — это поршневой двигатель.

Такой двигатель состоит из внутреннего цилиндра 1, поршня 2, соединенного с коленчатым валом 3 с помощью шатуна 4. На коленчатом валу закреплен массивный маховик 5. В крышке цилиндра находятся два клапана: впускной 6 и выпускной 7. Здесь же установлена электрическая свеча 8. Также внутри находится горючая смесь:

Для запуска двигателя необходимо тем или иным способом привести во вращение его коленчатый вал, в результате чего поршень будет перемещаться то вверх, то вниз. Каждый ход поршня вверх или вниз называют тактом работы двигателя. Такой двигатель работает по четырехтактной схеме. Во время первого такта (впуск) поршень из крайнего верхнего положения (верхней мертвой точки) начинает опускаться вниз (рисунок а). При этом открывается впускной клапан, и горючая смесь поступает в цилиндр. После того как поршень достигает крайнего нижнего положения (нижней мертвой точки), впускной клапан закрывается, и начинается второй такт — сжатие. Во время второго такта (рисунок б) оба клапана закрыты. Поршень двигается вверх, сжимая горючую смесь. При этом смесь нагревается до 300 – 500\(℃\), так как над ней производится работа. Как только поршень достигает верхней мертвой точки, начинается третий такт — рабочий ход. В начале этого такта (рисунок в) в свече зажигания проскакивает искра. Горючая смесь быстро сгорает за 1 – 2 мс, и температура газов повышается до 1600 – 2000\(℃\), а давление возрастает до 2 – 4 Мпа. Под действием этого давления поршень движется вниз, толкая через шатун коленчатый вал. При этом продукты горения совершают механическую работу и охлаждаются до температуры 600 – 1000 \(℃\) как за счет совершения работы, так и за счет теплопередачи деталями двигателя. Когда поршень достигает нижней мертвой точки, давление в цилиндре падает до 0,3 – 0,5 Мпа, и начинается четвертый такт — выпуск. Во время этого такта (рисунок г) поднимающийся вверх поршень через открытый выпускной клапан выталкивает продукты сгорания в атмосферу и возвращается в мертвую точку. После этого начинается новый цикл работы двигателя:

Внутренняя энергия сгорающего топлива при работе поршневого двигателя внутреннего сгорания расходуется на совершение работы газа и нагрев двигателя.

Все тепловые двигатели имеют разную конструкцию, но состоят из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. В качестве рабочего тела выступает топливо или газ. Нагреватель обеспечивает поступление теплоты в двигатель. Рабочее тело превращает часть полученной теплоты в механическую работу. Холодильник забирает от рабочего тела часть теплоты. Теплота, полученная за счет сжигания топлива, от нагревателя в результате теплообмена самопроизвольно передается рабочему веществу. Это возможно в том случае, если температура нагревателя \(T_{н}\) превышает исходную температуру рабочего вещества. Рабочее вещество получает от нагревателя количество теплоты \(Q_{н}\). В результате оно нагревается и расширяется. Во время рабочего хода вещество совершает механическую работу. После этого его обычно удаляют, а двигатель возвращается в исходное состояние. Таким образом, часть энергии затрачивается на возращение двигателя в исходное состояние, а также на преодоление сил трения в самом двигателе. Поэтому только часть количества теплоты \(Q_{н}\) превращается в полезную работу F, которую совершает двигатель. При этом полезная механическая работа А, совершаемая тепловым двигателем, всегда меньше работы, которую совершает рабочее вещество при расширении. При возвращении двигателя в исходное состояние часть энергии передается холодильнику, имеющему температуру \(T_{х}\), меньшую исходной температуры рабочего тела. Эту часть называет количеством теплоты \(Q_{х}\), переданным холодильнику. Таким образом, только часть энергии, получаемой рабочим веществом, превращается в полезную механическую работу. В идеальном случае полезная механическая работа равна разности количества теплоты, полученного рабочим телом от нагревателя, и количества теплоты, отданного холодильнику А = \(Q_{н} — Q_{х}\). И таким образом двигатель совершает один цикл. Давайте нарисуем схему преобразования внутренней энергии топлива в механическую работу:

Коэффициент полезного действия (КПД) — отношение полезно использованной энергии газа, ко всей полученной энергии:

\(\eta = \frac{A_{П}}{Q_{H}} \cdot 100\%\ = \frac{Q_{H} — Q_{x}}{Q_{H}} \cdot 100\%\) , где

η — коэффициент полезного действия, КПД,

Q_H — количество теплоты, полученное от нагревателя [Дж],

Q_X — количество теплоты, отданное холодильнику [Дж].

А_п — полезная работа газа, равная А_п = Q_H – Q_X [Дж]

Адиабатический процесс — термодинамический процесс, при котором система не обменивается теплотой с окружающим пространством.

Адиабатическими могут считаться либо очень быстрые процессы, либо процессы в теплоизолированной среде.

В первом начале термодинамики при адиабатическом процессе необходимо положить Q = 0.

К адиабатическим часто относят процессы, которые происходят либо с большой скоростью, либо в теплоизолированном сосуде. Адиабатические процессы используют, например, в двигателях внутреннего сгорания, в холодильных приборах.

Во всех реальных тепловых машинах происходят те или иные потери энергии. Если в машине отсутствуют потери на теплопроводность, трение и т.д., т.е. нет необратимых потерь, то тепловая машина называется идеальной. Термодинамический процесс в идеальной тепловой машине должен протекать настолько медленно, чтобы его можно было рассматривать как последовательный переход от одного равновесного состояния к другому. Предполагается, что этот процесс является обратимым, то есть его можно провести в обратном направлении без изменения совершенной работы и переданного количества теплоты. Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно в 1824 г. нашел, что найвыгоднейшим, с точки зрения КПД, является обратимый круговой процесс, состоящий из изотермических и адиабатных процессов. Прямой круговой процесс, состоящий из двух изотермических процессов и двух адиабатических, называется циклом Карно.

КПД цикла Карно — максимально возможный КПД любой тепловой машины.

КПД цикла Карно определяется температурами нагревателя и холодильника.

η = \(\frac{T_{H} — T_{x}}{T_{H}}\) , где:

η — коэффициент полезного действия , КПД,

Т_Н — температура нагревателя [К],

Т_Х — температура холодильника [К].

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Диаграммы давления-объема (PV) являются основным инструментом визуализации для изучение тепловых двигателей. Поскольку двигатели обычно используют газ в качестве рабочего вещества, закон идеального газа связывает диаграмму PV с температуры, так что три существенные переменные состояния газа можно проследить по циклу двигателя. Так как работа совершается только тогда, когда объем газа изменяется, диаграмма дает наглядную интерпретацию работа выполнена. Поскольку внутренняя энергия идеального газа зависит от его температура, диаграмма PV вместе с температурами, рассчитанными по закону идеального газа, определяют изменения внутренней энергии газа так что количество подведенного тепла можно оценить из первого закона термодинамики. Таким образом, диаграмма PV обеспечивает основу для анализа любой тепловой машины, которая использует газ в качестве рабочего тела. Для циклического процесса тепловой машины PV-диаграмма будет замкнутой. Площадь внутри цикла представляет собой представление объема работы, выполненной за цикл. Некоторое представление об относительной эффективности цикла двигателя можно получить, сравнив его диаграмму PV с диаграммой цикла Карно, наиболее эффективного вида цикла тепловой машины.

Индекс Концепции фотоэлектрических диаграмм Концепции тепловых двигателей

Гиперфизика***** Термодинамика R Ступица

Назад