Физика § 5

        1. Тепловые двигатели.
        Тепловые двигатели превращают часть внутренней энергии системы в механическую и за счет нее совершают механическую работу.
        Для работы теплового двигателя необходимо наличие трех тел: нагревателя, рабочего тела и холодильника (рис. 5.1).
        Тепловой двигатель работает циклично. Получив от нагревателя некоторое количество теплоты Q₁, рабочее тело, расширяясь, совершает механическую работу A, затем возвращается в исходное состояние – сжимается, при этом неизрасходованную часть теплоты Q₂ оно отдает холодильнику.

Рис. 5.1.

Работа за один цикл равна:
        A = Q₁ – Q₂,
а к.п.д. теплового двигателя вычисляется по формуле:

        У первых паровых машин к.п.д. не превышал 10–15%. К.п.д. современных паровых турбин, используемых на электростанциях, близок к 25%, а у газовых турбин он достигает 50%. Двигатели внутреннего сгорания имеют к.п.д. 40–45%, а у турбореактивных двигателей он равен 60–70%.
        Невозможно создать тепловую машину, которая всю теплоту, полученную от нагревателя, превращала бы в механическую работу.
Это альтернативная формулировка второго начала термодинамики.

        2. Холодильные установки.
        Холодильные установки (тепловые насосы) перекачивают теплоту от "холодного" тела к нагретому за счет механической работы.
        Поскольку теплота в таком направлении самопроизвольно передаваться не может, то холодильные установки работают на энергии внешнего источника. Расширяясь, рабочее тело отбирает у холодного тела некоторое количество теплоты Q₂, затем за счет механической работы A происходит сжатие рабочего тела при более высокой температуре, при этом нагретому телу передается количество теплоты Q₁ (рис. 5.2).

Рис 5.2.

        Количество теплоты, отбираемое у холодного тела, равно:
        Q₂ = Q₁ – A,
а эффективность работы холодильной установки определяется холодильным коэффициентом:

        Тепловой насос (холодильная установка) может быть использован и в качестве отопительной машины. Принцип действия в этом случае остается прежним – теплота перекачивается из "холодной" окружающей среды в отапливаемое помещение за счет механической работы. Эффективность работы отопительной машины определяется отопительным коэффициентом:

        На рис. 5.3 изображено устройство агрегата бытового холодильника. Агрегат состоит из компрессора 2, конденсатора 1, крана 4 и испарителя 3.

Рис. 5.3.

Газообразный фреон с помощью компрессора, работающего от электродвигателя, сжимается в конденсаторе и переходит в жидкое состояние. При сжатии он рассеивает теплоту в окружающую среду. Через автоматически открывающийся клапан жидкий фреон поступает в испаритель. Переходя при низком давлении переходит в газообразное состояние, фреон сильно охлаждается и забирает теплоту от морозильной камеры.

3. Рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 5.4.

        Работа двигателя внутреннего сгорания состоит из четырех тактов (рис 5.4):
        I такт – впуск. Открывается впускной клапан 1, и поршень 2, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь из карбюратора.
        II такт – сжатие. Впускной клапан закрывается, и поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.
        III такт – рабочий ход (сгорание). Когда поршень достигает верхнего положения (при быстром ходе двигателя несколько раньше), смесь поджигается электрической искрой, вырабатываемой свечой. Сила давления газов – раскаленных продуктов сгорания горючей смеси – толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, и этим совершается полезная работа. Производя работу и расширяясь, продукты сгорания охлаждаются, и давление их падает (к концу такта почти до атмосферного).
        IV такт – выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан 3, и отработанные продукты горения выбрасываются сквозь глушитель в атмосферу.
        Поскольку из четырех тактов только один, третий, является рабочим, на автомобилях с целью получения равномерной работы двигателя ставится четыре, шесть и более цилиндров, установленных на общем валу так, что при каждом такте по крайней мере один из цилиндров совершает рабочий ход.
        Более экономичным является дизельный двигатель, работающий на дешевых сортах топлива. В его цилиндр всасывается не горючая смесь, а атмосферный воздух. Производится 11–12-кратное сжатие воздуха, при этом температура поднимается до 600–700 °C. В начале третьего такта с помощью форсунки, работающей от сжатого воздуха, в цилиндр впрыскивается топливо, которое из-за высокой температуры само воспламеняется. Горение здесь продолжается значительно дольше, чем в карбюраторном двигателе.

Рис. 5.5.

На рис. 5.5 изображен рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания с точки зрения происходящих в нем газовых процессов для карбюраторного двигателя (слева):

I такт 1–2 изобарический впуск горючей смеси из карбюратора

II такт 2–3 адиабатный 4–5-кратное сжатие

III такт 3 искра поджигает топливо

3–4 изохорический горение

4–5 адиабатный рабочий ход

5–2 изохорический выхлоп

IV такт 2–1 изобарический выталкивание продуктов сгорания (продолжение выхлопа)

и для дизельного двигателя (справа):

I такт 1–2 изобарический впуск атмосферного воздуха

II такт 2–3 адиабатный 11–12-кратное сжатие

III такт 3 форсунка впрыскивает топливо

3–4 изохорический горение (рабочий ход)

4–5 адиабатный продолжение расширения (рабочий ход)

5–2 изохорический выхлоп

IV такт 2–1 изобарический выталкивание продуктов сгорания (продолжение выхлопа)

        4. Идеальная тепловая машина.
        Под идеальной понимается тепловая машина, имеющая максимальный к.п.д. при заданных значениях нагревателя T₁ и холодильника T₂.
        Из второго начала термодинамики следует, что даже у идеального теплового двигателя, работающего без потерь, к.п.д. принципиально ниже 100 % и вычисляется по формуле:

        Рабочим телом в идеальной тепловой машине является идеальный газ, а работает она по циклу Карно (рис. 5.6):

1–2 изотермический медленно расширяясь при температуре T₁, газ получает теплоту Q₁ от нагревателя

2–3 адиабатный резко расширяясь, газ охлаждается до температуры T₂

3–4 изотермический медленно сжимаясь при температуре T₂, газ отдает теплоту Q₂ холодильнику

4–1 адиабатный резко сжимаясь, газ нагревается до температуры T₁

Рис. 5.6.