Принципы действия тепловых двигателей.

Для того чтобы двига­тель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двига­телях эта разность давлений дости­гается за счет повышения темпера­туры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры про­исходит при сгорании топлива

Рабочим телом у всех тепловых

двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через t1.

В двигателях внутреннего сго­рания и газовых турбинах повыше­ние температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя.

Невоз­можность полного превращения внутренней энергии газа в работу тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в приро­де. Если бы теплота могла само­произвольно возвращаться от холо­дильника к нагревателю, то внутрен­няя энергия могла бы быть пол­ностью превращена в полезную работу с помощью любого теплового двигателя.

Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая дви­гателем, равна:

A'=|Ql|-|Q2|

где Q1 — количество теплоты, полу­ченное от нагревателя, a Q2 —количество теплоты, отданное холо­дильнику.

Коэффициентом полезного дейст­вия теплового двигателя называют отношение работы А', совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

КПД теплового двигателя меньше единицы. При Т1—Т2=0 двигатель не может работать.

Максимальное значение КПД тепловых двигателей.

Законы термо­динамики позволяют вычислить мак­симально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагрева­телем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно .

Карно придумал идеальную теп­ловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Он полу­чил для КПД этой машины следую­щее значение:

Как и следовало ожидать, КПД машины Карно прямо

пропорцио­нален разности абсолютных темпе­ратур нагревателя и холодильника.

Главное значение этой формулы состоит в том, как доказал Карно, что любая реальная тепловая маши­на, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холо­дильником с температурой Т2 не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

При температуре холодильника, рав­ной абсолютному нулю, η=1

Тепловые двигатели и охрана природы.

Повсеместное применение тепловых двигателей с целью полу­чения удобной для использования энергии связано с воздействием на

окружающую среду. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительного количества теплоты, что должно привести к постепенному повышению средней температуры на Земле. Сейчас мощность двигателей в целом составляет около 1010 кВт. Когда эта мощность достигнет 3*1012 кВт, то средняя температура повысит­ся примерно на один градус. Дальнейшее повышение температуры может создать угрозу таяния лед­ников и катастрофического повы­шения уровня Мирового океана. Кроме того, на Зем­ле может возникнуть “паровой эффект”.