Буклет на тему «Тепловые двигатели и их КПД»

Тепловой двигатель — машина, которая превращает часть теплоты в механическую работу. Рабочим телом служит газ или пар, а источник теплоты называют нагревателем.

• Основные виды тепловых двигателей — паровая машина, паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания и реактивный двигатель.

• В любом цикле часть теплоты неизбежно отводится холодильнику, поэтому КПД всегда меньше 100 процентов.

• КПД теплового двигателя вычисляют как отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Идея предельного КПД связана с циклом Карно. Его разработал Сади Карно в 1824 году, а позже цикл был подробно описан в термодинамике.

• Для обратимого двигателя между нагревателем и холодильником КПД зависит только от их абсолютных температур.

• Чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника, тем больше возможный КПД.

• Цикл Карно считается эталоном: ни один двигатель, работающий между теми же температурами, не может быть эффективнее.

Если нагреватель и холодильник имеют температуры 500 и 300 К, то даже идеальный двигатель не сможет превысить КПД 40 процентов. Это показывает формула Карно: часть энергии всегда уходит вместе с теплотой, которую нельзя превратить в работу полностью.

Первые практические тепловые машины появились в эпоху паровых двигателей. Они использовали пар для движения поршня или турбины.

• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает прямо в цилиндре, а расширяющиеся газы толкают поршень.

• В паровой турбине поток пара вращает лопатки ротора без поршня и кривошипа.

• Реактивный двигатель создаёт тягу за счёт выброса горячих газов с большой скоростью.

КПД теплового двигателя показывает, какая часть полученной теплоты превращается в полезную работу. Он выражается долей единицы или в процентах.

• Записывают его так: КПД равен отношению работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

• У реальных двигателей КПД всегда меньше единицы из-за потерь на трение, нагрев деталей и отвод теплоты.

• Для любого обратимого двигателя верхняя граница задаётся формулой Карно и зависит только от температур нагревателя и холодильника.