Буклет на тему «Тепловые двигатели и их КПД»

Тепловой двигатель — устройство, которое превращает часть внутренней энергии топлива в механическую работу. В нём всегда есть нагреватель, рабочее тело и холодильник.

• КПД теплового двигателя равен отношению полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

• Для реальных двигателей КПД меньше 100 %, потому что часть энергии неизбежно уходит с отходящим теплом.

• На практике КПД выражают в процентах: чем он выше, тем меньшая доля энергии теряется.

Тепловые двигатели делят по способу подведения теплоты. У двигателей внутреннего сгорания топливо сгорает в цилиндре, у паровых машин и турбин теплота подводится извне.

• В XIX веке паровые машины стали основой промышленности и транспорта. Позже их вытеснили более компактные и экономичные двигатели внутреннего сгорания.

• Классические примеры тепловых двигателей — паровая машина, паровая турбина, бензиновый и дизельный двигатели.

• Во всех случаях рабочее тело расширяется, совершает работу и затем отдаёт часть энергии холодильнику.

Французский инженер Сади Карно в 1824 году показал, что существует предельный КПД тепловой машины, который зависит только от температур нагревателя и холодильника. Его идеальный цикл стал эталоном, недостижимым для реального двигателя.

Максимальный КПД называется КПД Карно. Он выражается формулой: η = 1 − Tх/Tн, где температуры берут в кельвинах.

• Эта формула показывает: чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника, тем больше предельный КПД.

• Реальные двигатели всегда уступают циклу Карно из-за трения, теплопотерь, неполного сгорания топлива и сопротивления потоков газа.

• Поэтому одинаковый принцип работы ещё не означает одинаковую экономичность: решающими становятся потери в каждом звене цикла.

КПД бензиновых двигателей обычно ниже, чем у дизельных, потому что в бензиновом цикле заметна доля потерь на нагрев и выпуск газов.

• Паровые турбины применяют на тепловых электростанциях: пар вращает лопатки турбины, а затем конденсируется и снова нагревается.

• В судовых установках и тепловозах долго использовали дизельные двигатели из-за более высокого КПД и большой удельной мощности.

• Даже при высоком КПД тепловой двигатель не превращает всю теплоту в работу: часть энергии всегда отводится в холодильник.