Тепловые двигатели

  Автор:
  1321
Проблема: как превратить тепло в механическую работу?
n1
Газ, получает от нагревателя количество теплоты Q и, расширяясь, совершает работу A1>0.

n2

 

 

Если сжатии газа происходит при той же температуре, то такое же количество теплоты передается холодильнику, и газ совершает работу A2<0.

 

 

Полезная работа в таком цикле A=A1+A2=0
 
Что необходимо сделать, чтобы работа в системе отличалась от нуля?
Для получения полезной работы, необходимо, чтобы A2<A1, т.е. сжатие газа должно происходить при более низкой температуре. Это возможно при использовании адиабатного процесса.
 
Французский инженер Сади Карно предложил  следующий цикл, используя в качестве рабочего тела идеальный газ:
 
1. Газ изотермически расширяется при температуре Т1. Работа, совершаемая газом, равна количеству теплоты, полученной от нагревателя A1,2=Q1.
 

2. Газ продолжает расширяться адиабатно , совершая работу за счет уменьшения внутренней энергии газа A2,3=-DU1.

 
3. Газ изотермически сжимается внешними силами при температуре Т2 без изменения внутренней энергии газа. При этом газ отдает холодильнику количество теплоты, равное работе внешних сил -Q2=A3,4.
 
4. Газ продолжает сжиматься внешними силами адиабатно . Внутренняя энергия растет, т.к. процесс идет без теплообмена с внешней средой A4,1=DU2.
n3
 
Т.о., для осуществления циклического процесса устройство должно содержать  не тольконагреватель, но и холодильник. Полезный выход работы может быть получен только в процессе передачи тепла от горячего тела более холодному.
n7

Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

 

Из формулы  n4  видно, что коэффициент полезного действия теплового двигателя  h=1, если Q2=0. Но при этом двигатель не будет циклическим. Даже в идеальном случае Q2 неравно 0. Тогда второй закон термодинамики можно сформулировать следующим образом:

В циклически действующем тепловом двигателе невозможно преобразовать все количество теплоты, полученное от нагревателя, в механическую работу.

 
У. Кельвин, 1851 г.
С. Карно доказал, что  n5 . Т.о. коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя   (формула Карно)
n6
Из второго закона термодинамики следует:
 
1. Не может быть никакой тепловой машины с более высоким КПД, чем у цикла Карно.
 
Практически невозможно осуществить условия: T1 стремитсяк бесконечности и  Т2 = 0. Поэтому  даже у идеального теплового двигателя   h<1.
 
2. Коэффициент полезного действия тепловой машины, работающей по циклу Карно, зависит только от температур  нагревателя Т1 и холодильника Т2, но не зависит от устройства машины, а также от вида используемого рабочего тела.

Тепловые двигатели и их применение

 

Вопросы для самоконтроля по блоку «Тепловые двигатели»

  1. Что называют тепловым двигателем?
  2. Как устроен тепловой двигатель?
  3. Как определяют работу, совершенную двигателем?
  4. Запишите и объясните формулу КПД теплового двигателя.
  5. Как определить КПД идеальной тепловой машины?
  6. Назовите типы тепловых двигателей.
  7. Приведите примеры использования тепловых двигателей.

 

Опорный конспект:

Опорный конспект тепловые двигатели

Интересная статья? Поделитесь ею пожалуйста с другими: