Буклет на тему «Тепловые двигатели и их явления»

Тепловой двигатель превращает часть внутренней энергии топлива в механическую работу за счёт передачи теплоты от более горячего тела к более холодному.

• Сначала в 1712 году Томас Ньюкомен создал атмосферную паровую машину для откачки воды из шахт.

• В 1765 году Джеймс Уатт предложил отдельный конденсатор, который резко уменьшил потери тепла в цилиндре.

• Важный признак теплового двигателя: за цикл он обязательно отдает часть теплоты холодильнику.

Работа теплового двигателя основана на расширении рабочего тела, чаще всего пара, газа или смеси топлива с воздухом.

• В двигателе внутреннего сгорания горение происходит внутри цилиндра, а в паровой машине тепло подводится снаружи.

• По этому же принципу работают паровая турбина и газовая турбина, но их конструкция рассчитана на непрерывное движение потока.

• Тепловой двигатель не может полностью превратить теплоту в работу: часть энергии всегда уходит в охлаждение.

Уатт заметил, что в машине Ньюкомена цилиндр то нагревался, то охлаждался, и из-за этого терялась большая часть пара. Его отдельный конденсатор перенёс охлаждение в другую камеру и сделал машину заметно экономичнее. Рабочее тело — тело, совершающее работу после получения количества теплоты Q1 от нагревателя, находящегося при температуре Т1, должно в конечном счёте вернуться в исходное состояние, чтобы снова начать такой же процесс. Таким образом, первый принцип действия тепловых двигателей — цикличность (непрерывность) их работы. Для возвращения поршня в исходное положение газ необходимо сжать до первоначального объёма. При этом внешняя сила совершает работу сжатия. Но если сжатие будет происходить при такой же температуре, что и расширение газа, то работа внешних сил будет равна работе силы давления газа при его расширении. В результате полная работа газа за один цикл (расширение–сжатие) окажется равной нулю. Поэтому второй принцип действия тепловых двигателей — сжатие газа должно происходить при более низкой температуре Т2, чем его расширение (рис. 85). В этом случае полная работа газа за цикл положительная (А > 0) и численно равна площади фигуры SABCD = SABEF – SDCEF. Таким образом, перед сжатием рабочее тело необходимо охладить. Это осуществляется путём передачи количества теплоты Q2 третьему телу — холодильнику. Из сказанного следует, что для работы циклического теплового двигателя кроме нагревателя и рабочего тела необходимо наличие холодильника. Цикл Карно. Эффективнее всего охладить рабочее тело перед сжатием можно путём адиабатного расширения газа, при котором его температура понизится до температуры холодильника Т2. Далее при изотермическом сжатии рабочее тело передаёт холодильнику количество теплоты Q2. Завершать цикл теплового двигателя эффективнее всего адиабатным сжатием газа до температуры Т1.

Тепловые двигатели делят на несколько основных типов: паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, турбины и реактивные двигатели.

• Паровая машина стала одним из символов промышленной революции и привела в движение фабричные механизмы и локомотивы.

• Двигатели внутреннего сгорания работают на бензине, дизельном топливе или газе и широко применяются в транспорте.

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

Эффективность теплового двигателя называют коэффициентом полезного действия, или КПД.

• Максимально возможный КПД ограничен соотношением температур нагревателя и холодильника; это следует из теоремы Карно.

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

• В реальных установках часть энергии теряется на трение, нагрев деталей и неполное сгорание топлива.

• Паровые и газовые турбины применяют на электростанциях, а двигатели внутреннего сгорания — в автомобилях, судах и авиации.