Буклет на тему «Тепловые двигатели и их КПД»

Тепловой двигатель превращает часть внутренней энергии топлива в механическую работу. Его работа основана на том, что тепло переходит от более нагретого тела к менее нагретому.

• К основным тепловым двигателям относят паровую машину, паровую турбину, двигатель внутреннего сгорания, газовую турбину и реактивный двигатель.

• Устройство любого такого двигателя включает нагреватель, рабочее тело и холодильник. Рабочее тело получает тепло, расширяется и совершает работу.

• Полезная работа всегда меньше полученной теплоты, поэтому КПД теплового двигателя не бывает равен 100 %.

КПД показывает, какая часть теплоты, полученной от нагревателя, превращается в полезную работу. Для теплового двигателя его находят по формуле: КПД = работа, разделённая на количество теплоты от нагревателя.

• Чем меньше потери на трение и бесполезный нагрев деталей, тем выше КПД. Но полностью устранить потери невозможно.

• Предельный КПД задаёт цикл Карно — идеальная модель тепловой машины. Он зависит только от температур нагревателя и холодильника.

• Из этой модели следует: чем выше температура нагревателя и чем ниже температура холодильника, тем больше возможный КПД.

Первую практически пригодную паровую машину построил Томас Ньюкомен в 1712 году, но её КПД был очень низким. В 1769 году Джеймс Уатт получил патент на усовершенствованную паровую машину, которая сделала тепловые двигатели основой промышленной техники.

Паровые машины начали использовать в XVIII веке для откачки воды и привода механизмов. Позже их вытеснили более компактные и экономичные двигатели.

• Двигатель внутреннего сгорания сжигает топливо внутри цилиндра. Рабочее тело в нём — газы, образующиеся при сгорании.

• Паровые турбины и газовые турбины превращают теплоту в работу за счёт движения потока пара или газа через лопатки ротора.

• Реальные значения КПД у разных двигателей различаются: у дизельных двигателей около 40 %, у газотурбинных установок 25–30 %, у паровых турбин около 40 %.

Цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат и считается эталоном обратимой тепловой машины. Ни одна реальная машина при тех же температурах не может иметь больший КПД.

• Термическая машина всегда отдаёт часть теплоты холодильнику. Это и есть причина, по которой КПД теплового двигателя меньше единицы.

• Теорема Карно установила предел для всех тепловых машин: он не зависит от конструкции двигателя и определяется только температурами нагревателя и холодильника.

• Практически это означает, что для сравнения двигателей используют не только мощность, но и расход топлива, поскольку именно он связан с потерями энергии в рабочем цикле.