Принцип действия тепловых двигателей

Устройства, в которых происходят превращение внутренней энергии в механическую, называются тепловыми двигателями или тепловыми машинами. К ним относятся паровая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания (бензиновый и дизельный), а также различные виды реактивных двигателей. В паровой машине и двигателях внутреннего сгорания превращение внутренней энергии в механическую достигается при использовании периодического расширения рабочего тела.

Так, в паровой машине рабочим телом является горячий водяной пар, который предварительно получается в паровом котле, а затем поступает в цилиндр. Оказывая на поршень большое давление, пар вызывает его перемещение. Внутренняя энергия пара понижается, температура соответственно уменьшается от начального значения Tj до конечного Т₂ (Т|>Т₂). Приобретаемая поршнем механическая энергия передается уже другим телам, например колесам паровоза.

Отработанный пар выпускается из цилиндра в атмосферу или в специальный резервуар для охлаждения и конденсации. Начальная температура Tj горячего пара называется температурой нагревателя, а температура пара Т2 при выпуске его в резервуар или атмосферу называется температурой холодильника.

В двигателе внутреннего сгорания рабочим телом является горячий газ с начальной температурой Т| в несколько сот градусов, образующийся в камере сгорания при сжигании топлива. Совершив работу по перемещению поршня в цилиндре за счет своей внутренней энергии, газ переходит в новое состояние с более низкой температурой Тг и выпускается в атмосферу, где температура обычно меньше Т₂. Атмосфера играет роль холодильника, температуру которого считают равной Т₂.

Таким образом, в тепловом двигателе при каждом акте расширения рабочего тела часть его внутренней энергии, заимствованной от нагревателя, переходит в механическую энергию, а часть неизбежно передается холодильнику.

Обозначим количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя символом Q|, количество работы газа — символом А, а переданное рабочим телом холодильнику количество теплоты Q₂. Тогда в соответствии с законом сохранения энергии и, учитывая, что значения Q|, A, Q₂, являются количественными мерами энергии, можно записать:

A=Q1-Q2 (67).

Сопоставляя значение работы А и теплоты Q, можно установить, какая часть получаемой рабочим телом внутренней энергии (Q_t) преобразуется в механическую энергию (А) за каждый акт расширения рабочего тела в цилиндре. Эта величина, называемая коэффициентом полезного действия (сокращенно КПД) тепловой машины и обозначаемая символом 7 (эта), равна:

)

Понятно, что значение rj меньше единицы, так как Q₂ >0.

Расчеты, выходящие за рамки данного курса, позволяют вычислить максимально возможное значение КПД:

Эта формула непосредственно связана с соотношением (68), поскольку Q| и Q₂ пропорциональны соответственно значениям Ti и Т₂.

Вследствие тепловых потерь при теплообмене, преодоления сил трения КПД реальных машин существенно меньше максимального значения КПД.

Следует, подчеркнуть, что формула (69) имеет большое теоретическое значение при проектировании тепловых машин, указывая пути повышения КПД. Как видим, для этого необходимо увеличивать температуру нагревателя Ti и снижать температуру холодильника Т₂. Поскольку температуру холодильника Т₂ в большинстве случаев невозможно снизить, то необходимо повышать температуру нагревателя. С этой целью для паросиловых установок (машин, турбин) разработаны котлы с получением пара при температуре 500 °C и выше с давлением пара до 130 атм и больше (температура кипения воды возрастает с увеличением давления на поверхность жидкости).

Реальные значения КПД составляют: для стационарных паровых машин до 15%; для паровых турбин до 40%; для двигателей внутреннего сгорания до 25% (бензиновых) и 40% (дизельных).