В ЧЁМ ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ?

​Тепловые машины (двигатели) – устройства, которые преобразуют тепловую энергию в полезную механическую.

Тепловые машины запускают станки, транспорт, вращают роторы генераторов электрического тока. Большая часть двигателей на земле – это тепловые двигатели.

Существуют три типа тепловых двигателей: паровая турбина, реактивный двигатель и двигатель внутреннего сгорания. Они различаются конструкцией и особенностями работы, но принципы их действия идентичны.

Преимущества использования тепловых двигателей: надёжность, простота, долговечность, автономность, эффективность, компактность.

Недостатки использования тепловых двигателей: низкий КПД, загрязнение атмосферы, повышение температуры окружающей среды, истощение природных ресурсов, вред для здоровья человека.

Меры для уменьшения загрязнения окружающей среды: создавать и использовать двигатели с высоким КПД, экономить электроэнергию, создать экологическое чистое топливо.

Тепловая машина состоит из двух тепловых резервуаров (нагреватель t₁ и холодильник t₂) и рабочего тела:

Тепловой резервуар – тело, которое содержит в себе большой запас внутренней энергии, и температура этих резервуаров должна поддерживаться неизменной. Всегда t₁>t₂

Рабочее тело – вещество, посредством которого идет перекачка теплоты от нагревателя к холодильнику.

Принцип действия тепловой машины основан на том, что теплота самопроизвольна, без совершения работы может переходить от горячего тела к холодному (от нагревателя к холодильнику). Часть этой энергии мы можем забирать – преобразовывать в механическую энергию.

Пример: если возьмём нагреватель – котёл с кипящей водой, холодильник - котёл с холодной водой и будем гнать горячий пар по трубам от горячего котла к котлу с холодной водой и на пути этого горячего пара поставим турбину, то пар будет бить по лопаткам турбины. Соответственно приводить её во вращение, то часть энергии будет переходить в механическую энергию вращения этой турбины (работа тепловой машины А).

Работа теплового двигателя происходит циклически (круговым процессом – совокупность термодинамических процессов, по завершении которых система возвращается в исходное термодинамическое состояние). За 1 цикл работы от нагревателя отводится количество теплоты ( – сумма всех подведённых к рабочему телу теплот от нагревателя), и эта теплота подводится к рабочему телу. Чаще всего в качестве рабочего тела будет фигурировать тот или иной газ. Часть энергии будет переходить в механическую энергию – полезную энергию – работа тепловой машины (А). Другая часть обязательно должна потом подводиться ко второму тепловому резервуару – холодильнику  Эта энергия отводится от рабочего тела и подводится к холодильнику. Теплота может быть положительной и отрицательной. Минус знак говорит о том, что теплота будет отводиться от рабочего тела (отрицательное количество Джоулей передавать нельзя).  – сумма всех отведённых от рабочего тела теплот). С точки зрения закона сохранения энергии: энергия Q₊ будет делиться между А и  Q₊ = А +  А = Q₊ –

За один цикл работы тепловой машины газ в качестве рабочего тела опишет цикл, обходимый по часовой стрелке – прямой цикл. Работа тепловой машины численно совпадет с той работой, которую совершает рабочее тело во всём цикле  (S – площадь цикла).

Действие тепловых машин характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД) – отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

КПД любого теплового двигателя меньше единицы и выражается в процентах. Невозможность превращения всего количества теплоты, полученного от нагревателя, в механическую работу является платой за необходимость организации циклического процесса и следует из второго закона термодинамики.

Идеальная тепловая машина (машина Карно) – машина, которая работает по циклу Карно. Цикл Карно – цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Цикл Карно является самым оптимальным, с наибольшим КПД. КПД зависит от температур Т₁ и Т₂.

Коэффициент идеальной тепловой машины:

Теорема Карно: между одними и теми же тепловыми резервуарами тепловая машина, имеющая наибольший КПД – идеальная тепловая машина Карно.

Список литературы:

1. Громов С. В., Родина Н. А. Физика – М.: Просвещение, 2001.
2. Савельев И.В. Курс общей физики, том I
3. В.А. Касьянов. Физика 10 класс. Дрофа. 2002
4. Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский – Учебник 10 класс для общеобразовательных учреждения п.82, 2010.
5. Издатель: проект «Инфоурок» Принципы действия тепловых двигателей. КПД. КПД тепловых двигателей