 |
|
Из истории тепловых двигателей
Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι?) веке н. э. в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.
В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм. В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа - либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия - с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия - только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях. В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре. Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.
Холодильная машина
Холодильная машина – периодически действующая установка, в которой за счёт работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой 
(рис. 130).
Рис. 130.
В основе действия холодильной машины лежит обратный цикл Карно: системой за цикл от термостата с более низкой температурой Т2 отнимается количество теплоты 
и отдаётся термостату с более высокой температурой Т1 количество теплоты 
.
Для кругового процесса 
= А, но согласно условию = - < 0, поэтому А < 0 и - = - А или = + А, т.е. количество теплоты , отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре Т1, больше количества теплоты 
, полученного от источника теплоты при более низкой температуре Т2, на величину работы, совершённой над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать её более нагретому.
Эффективность холодильной машины характеризуется холодильным коэффициентом:
= 
= 
.
Здесь полезным эффектом выступает теплота 
, затраченным – абсолютное значение совершенной работы.
Для обратимых циклов существует взаимосвязь: = 
- 1.
Цикл Карно[40]
Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году.
Циклом Карно называется обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.
Среди всех циклов ему принадлежит особое место, т.к. он является наиболее экономичным и лежит в основе действия идеальной тепловой машины. Рассмотрим прямой цикл Карно (рис. 131).
Рис. 131.
| Последовательные термодинамические процессы | |
Изотермическое расширение 1 
T= const; V2 > V1
| A12 =  RT1ln  = 
|
Адиабатное расширение 2  3
 = 0; T2 < T1
| A23 =  CV (T2  T1)
|
Изотермическое сжатие 3 
T=const; V2 < V1
| A34 =  RT2 ln  = 
|
Адиабатное сжатие 4 
 = 0; T1 > T2
| A41 = CV (T1  T2) = A23
|
Работа за цикл:
A = A12 + A23 + A34 + A41 = 
+ A23 
A23 = 
(1)
и определяется площадью, ограниченной рассматриваемыми изотермами и адиабатами (рис. 100).
Адиабатические процессы в цикле Карно носят вспомогательный характер: они помогают перейти с одной изотермы на другую. В энергетическом балансе эти процессы не участвуют, т.к. работа адиабатного расширения и адиабатного сжатия компенсируют друг друга.
В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой — холодильником.
Для идеальной тепловой машины справедлива теорема Карно:
КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, максимален и не зависит от природы рабочего вещества и конструкции тепловой машины, он определяется только по температурам нагревателя ( 
) и холодильника (T2): 
= 
< 1.
Доказательство теоремы Карно
Пусть рабочим телом машины, работающей по циклу Карно, является моль ( 
= 1 моль) идеального газа, тогда теплота 
, взятая от нагревателя, определяется работой изотермического расширения газа от объёма V1 до объёма V2:
= RT1ln 
. (2)
Теплота, переданная рабочим телом холодильнику, определяется работой изотермического сжатия газа от объёма V3 до объёма V4:
= RT2 ln 
= 
RT2 ln 
. (3)
Тогда: A = = RT1ln RT2 ln .
Общее выражение КПД для циклического процесса:
= 
= 
=1 
(4)
для цикла Карно с идеальным газом примет вид:
= 
. (5)
Из уравнения Пуассона T 
= const, применённого к адиабатическим участкам цикла, легко получить: = . Это позволяет сократить дробь (5) на величину Rln 
= R ln и получить для КПД идеального цикла Карно:
= 
< 1 
(6)
Так как абсолютный нуль температур недостижим (T2 
то КПД идеальной тепловой машины всегда меньше единицы.
Формула (6) выражает теорему Карно.
Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.
КПД необратимой тепловой машины всегда меньше, чем обратимой, работающей в аналогичных условиях (т.е. с теми же нагревателем и холодильником). Так КПД современных паровых машин не превышает 25%, двигателей внутреннего сгорания – 40%. Между тем теоретический предел лежит выше. Снижение КПД реальных тепловых машин по сравнению с теоретическим вызвано необратимыми процессами, которые происходят в самой тепловой машине (теплопроводностью и т.п.).
Пути повышения КПД тепловых машин: устранение (по мере возможности) и ослабление необратимых процессов. Если необратимый процесс всё же произошёл, то нет ни какой возможности устранить его последствия, ведущие к ухудшению работы двигателя.
В тепловых двигателях стремятся обеспечить наилучшую отдачу тепла рабочему телу и наименьшую потерю тепла рабочим веществом. Так, чтобы сократить число необратимых процессов теплообмена в двигателях внутреннего сгорания, «внесли» топку внутрь рабочего цилиндра. Осуществляют и другие мероприятия.