Тепловые двигатели

Определение

Тепловой двигатель — это устройство, которое непрерывно преобразует часть внутренней энергии топлива, выделяющейся при его сгорании, в механическую работу.

Формула

η = (Q_нагр - Q_хол) / Q_нагр = (A) / Q_нагр

• η — коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя
• Q_нагр — количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя
• Q_хол — количество теплоты, отданное рабочим телом холодильнику
• A — полезная механическая работа, совершённая двигателем

Единицы измерения: безразмерная величина (часто выражается в процентах)

Как устроен и работает тепловой двигатель

Любой тепловой двигатель состоит из трёх основных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника. Нагреватель — это источник теплоты (например, сгорающее топливо), который отдаёт энергию рабочему телу. Рабочее тело (газ или пар) нагревается, расширяется и совершает механическую работу. После совершения работы рабочее тело охлаждается, отдавая часть теплоты холодильнику (окружающей среде или специальному устройству), чтобы вернуться в исходное состояние и повторить цикл. Этот процесс позволяет непрерывно преобразовывать тепловую энергию в механическую.

Принцип действия и КПД

Работа теплового двигателя основана на втором законе термодинамики, который гласит, что теплота может быть полностью преобразована в работу только при условии наличия разности температур. Чем больше разница температур между нагревателем и холодильником, тем эффективнее может работать двигатель. Коэффициент полезного действия (КПД) показывает, какая доля полученной от нагревателя теплоты превращается в полезную работу. Идеальный тепловой двигатель (цикл Карно) имеет максимально возможный КПД, который никогда не равен 100%, так как часть энергии всегда теряется.

Виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели делятся на двигатели внутреннего сгорания (ДВС) и двигатели внешнего сгорания. В ДВС топливо сгорает непосредственно внутри рабочего объёма двигателя, например, в цилиндрах автомобиля. Это бензиновые и дизельные двигатели. В двигателях внешнего сгорания топливо сгорает вне рабочего объёма, а теплота передаётся рабочему телу через стенку. К ним относятся паровые машины и газовые турбины, где нагрев воды или газа происходит в отдельных котлах или камерах сгорания. Каждый тип имеет свои особенности применения и эффективности.

Откуда берётся энергия для работы

Энергия для работы теплового двигателя берётся из химической энергии топлива. При сгорании топлива (бензина, дизельного топлива, природного газа, угля) происходит экзотермическая реакция, в результате которой выделяется большое количество теплоты. Эта теплота передаётся рабочему телу, повышая его температуру и давление. Именно это повышение давления заставляет рабочее тело расширяться и совершать механическую работу, например, толкать поршень или вращать лопатки турбины. Таким образом, тепловой двигатель является преобразователем химической энергии топлива в механическую энергию.

Как найти и применять

1. Определите, какое количество теплоты (Q_нагр) рабочее тело получило от нагревателя.
2. Определите, какое количество теплоты (Q_хол) рабочее тело отдало холодильнику.
3. Рассчитайте полезную работу (A), совершённую двигателем: A = Q_нагр - Q_хол.
4. Вычислите КПД двигателя по формуле: η = A / Q_нагр.
5. Если требуется, переведите КПД в проценты, умножив результат на 100%.

Разбор задач

Задача 1

Тепловой двигатель за цикл получает от нагревателя 1000 Дж теплоты и отдаёт холодильнику 600 Дж. Найдите полезную работу и КПД двигателя.

1. Известно: Q_нагр = 1000 Дж, Q_хол = 600 Дж. 2. Полезная работа A = Q_нагр - Q_хол = 1000 Дж - 600 Дж = 400 Дж. 3. КПД η = A / Q_нагр = 400 Дж / 1000 Дж = 0,4. 4. В процентах КПД = 0,4 * 100% = 40%.

Ответ: Полезная работа: 400 Дж. КПД двигателя: 40%.

Где это встречается

• Автомобили — Бензиновые и дизельные двигатели внутреннего сгорания преобразуют энергию топлива в механическое движение колёс.
• Тепловые электростанции — Пар, нагретый сжиганием топлива (уголь, газ), вращает турбины, которые соединены с электрогенераторами.
• Самолёты — Реактивные двигатели (разновидность газовых турбин) используют сгорание топлива для создания мощной реактивной струи, обеспечивающей тягу.
• Корабли и поезда — Мощные дизельные двигатели или паровые турбины обеспечивают движение морских судов и железнодорожного транспорта.
• Промышленные установки — Газовые турбины используются для привода компрессоров, насосов и другого оборудования на газоперерабатывающих заводах или в химической промышленности.

Типичные ошибки

Не путать

• Электрический двигатель — Тепловой двигатель преобразует тепловую энергию (от сгорания топлива) в механическую. Электрический двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.
• Нагреватель — Нагреватель — это лишь часть теплового двигателя, источник теплоты. Тепловой двигатель — это вся система, преобразующая эту теплоту в работу.
• Паровая турбина — Паровая турбина — это один из видов теплового двигателя (двигатель внешнего сгорания). Тепловой двигатель — более общее понятие, включающее и двигатели внутреннего сгорания.

Откуда взялось понятие

Принципы тепловых двигателей были заложены в XVII-XVIII веках, когда появились первые паровые машины. Теоретические основы и понятие КПД были сформулированы Сади Карно в XIX веке.

Как запомнить

Тепловой двигатель — из тепла делает дело.