§ 15. Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей и их КПД. Экологические проблемы использования тепловых двигателей
Тепловые двигатели. В адиабатном процессе сила давления газа совершает работу за счёт изменения его внутренней энергии, а в изотермическом процессе — за счёт теплообмена между термостатом и газом. Адиабатный и изотермический процессы расширения газа позволяют использовать часть внутренней энергии сжигаемого топлива для совершения механической работы.
Тепловые двигатели — двигатели, в которых происходит превращение части внутренней энергии сжигаемого топлива в механическую работу.
В качестве упрощённой модели теплового двигателя рассмотрим цилиндр, в котором находится газ (воздух) под поршнем. Поместим на поршень тело массой m и будем нагревать газ в цилиндре (рис. 84, а). Давление газа увеличивается, поршень приходит в движение и поднимает тело на некоторую высоту Δh (рис. 84, б). При этом объём газа увеличивается, т. е. сила давления газа совершает работу (А > 0). Однако в данном случае устройству свойственно одноразовое выполнение работы, поэтому такие устройства малопригодны.
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.
Схема теплового двигателя представлена на рисунке 86. Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (атмосфера или вода при температуре окружающей среды около 300 К). Энергия, выделяемая при сгорании топлива в нагревателе, передаётся рабочему телу (газу) путём теплопередачи. При расширении газа часть его внутренней энергии идёт на совершение работы. Некоторое количество теплоты неизбежно передаётся холодильнику.