Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями

Превращение тепловой энергии в механическую. Принцип действия тепловой машины.

1. Для механических явлений при определённых условиях выполняется закон сохранения механической энергии: полная механическая энергия системы тел сохраняется, если они взаимодействуют силами тяготения или упругости. Если действуют силы трения, то полная механическая энергия тел не сохраняется, часть её (или вся) превращается в их внутреннюю энергию.

При изменении состояния тела (системы) меняется его внутренняя энергия. Состояние тела и соответственно его внутреннюю энергию можно изменить двумя способами: в процессе теплопередачи или путём совершения внешними силами работы над телом (работа, например, силы трения).

2. При решении задачи в предыдущем параграфе получено, что количество теплоты ​Q1​, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q2, полученному холодной водой, т.е.: ​Q1=Q2​.

Записанное равенство называется уравнением теплового баланса. Оно связывает количество теплоты, полученное одним телом, и количество теплоты, отданное другим телом при теплообмене. При этом в теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более. Например, если в стакан с горячим чаем опустить ложку, то в теплообмене будут участвовать стакан и чай (отдают энергию), и ложка и окружающий воздух (получают энергию). Как уже указывалось, в конкретных задачах мы можем пренебречь количеством теплоты, получаемым или отдаваемым некоторыми телами при теплообмене.

3. Уравнение теплового баланса даёт возможность определить те или иные величины. В частности, значения удельной теплоёмкости веществ определяют из уравнения теплового баланса.

Задача. Определите удельную теплоёмкость алюминия, если при опускании в стакан, содержащий 92 г воды при 75 °С, алюминиевой ложки массой 42 г при температуре 20 °С в стакане установилась температура 70 °С. Потерями энергии на нагревание воздуха, а также энергией, отдаваемой стаканом, пренебречь.

Анализ задачи. В теплообмене участвуют два тела: горячая вода и алюминиевая ложка. Вода отдаёт количество теплоты ​Q1​ и остывает от 75 до 70 °С. Алюминиевая ложка получает количество теплоты ​Q2​ и нагревается от 20 до 70 °С. Количество теплоты ​Q1​, отданное горячей водой, равно количеству теплоты ​Q2​, полученному ложкой.

Решение задачи в общем виде: уравнение теплового баланса: ​Q1=Q2​; количество теплоты, отданное горячей водой: ​Q1=c1m1(t1−t)​; количество теплоты, полученное алюминиевой ложкой: Q2=c2m2(t−t2). С учётом этого уравнение теплового баланса:​c1m1(t1−t)=c2m2(t−t2)​. Откуда: ​c2=c1m1(t1−t)/m2(t−t2)​.

4. Закон сохранения энергии в тепловых процессах выполняется при нагревании тел за счёт энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Топливо — это природный газ, дрова, уголь, нефть. При его сгорании происходит химическая реакция окисления — атомы углерода соединяются с атомами кислорода, содержащимися в воздухе, и образуется молекула оксида углерода (углекислого газа) СO₂. При этом выделяется энергия.

При сгорании различного топлива одинаковой массы выделяется разное количество теплоты. Например, хорошо известно, что природный газ является энергетически более выгодным топливом, чем дрова. Это значит, что для получения одного и того же количества теплоты, масса дров, которые нужно сжечь, должна быть существенно больше массы природного газа. Следовательно, различные виды топлива с энергетической точки зрения характеризуются величиной, называемой удельной теплотой сгорания топлива.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг.

Удельная теплота сгорания топлива обозначается буквой ​q​, её единицей является 1 Дж/кг.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально. Наибольшую удельную теплоту сгорания имеет водород, наименьшую — порох.

Удельная теплота сгорания, например, нефти — 4,4·10⁷ Дж/кг. Это означает, что при полном сгорании 1 кг нефти выделяется количество теплоты 4,4·10⁷ Дж.

В общем случае, если масса топлива равна ​m​, то количество теплоты ​Q​, выделяющееся при его полном сгорании, равно произведению удельной теплоты сгорания топлива ​q​ на его массу ​m​:

Q=qm

5. Предположим, что внутреннюю энергию тела ​U​ изменили, совершив над ним работу ​A​ и сообщив ему некоторое количество теплоты ​Q​. В этом случае изменение внутренней энергии ​U​ равно сумме работы ​A​, совершённой над телом, и переданного ему количества теплоты ​Q​:

U=A+Q

​Записанное выражение представляет собой первый закон термодинамики ¹, который является обобщением закона сохранения энергии. Он формулируется следующим образом: изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы, совершённой над системой внешними силами, и количества теплоты, переданного системе.

¹ Термодинамика — учение о тепловых процессах.

Предположим, что работу совершают не внешние силы, а само тело. Его работа в этом случае ​A‘=−A​ и ​Q=U+A‘​. Количество теплоты, переданное телу, идет на изменение его внутренней энергии и на работу тела против внешних сил.

Устройства, совершающие механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель состоит из нагревателя, холодильника и рабочего тела (рис. 72). В качестве рабочего тела используются газ или пар, поскольку они хорошо сжимаются, и в зависимости от типа двигателя может быть топливо (бензин, керосин), водяной пар и пр. Нагреватель передаёт рабочему телу некоторое количество теплоты ​(Q1)​, и его внутренняя энергия увеличивается, за счет этой внутренней энергии совершается механическая работа (A), затем рабочее тело отдаёт некоторое количество теплоты холодильнику (Q2) и охлаждается при этом до начальной температуры. Описанная схема представляет цикл работы двигателя и является общей, в реальных двигателях роль нагревателя и холодильника могут выполнять различные устройства. Холодильником может служить окружающая среда.

Поскольку в двигателе часть энергии рабочего тела передается холодильнику, то понятно, что не вся полученная им от нагревателя энергия идет на совершение работы. Соответственно, коэффициент полезного действия двигателя (КПД) равен отношению совершенной работы ​(A)​ к количеству теплоты, полученному им от нагревателя ​(Q1)​:

КПД=AQ1100%=Q1−Q2Q1100%

Коэффициент полезного действия обычно выражают в процентах.

7. Существует два типа двигателей внутреннего сгорания (ДВС): карбюраторный и дизельный. В карбюраторном двигателе рабочая смесь (смесь топлива с воздухом) готовится вне двигателя в специальном устройстве и из него поступает в двигатель. В дизельном двигателе горючая
смесь готовится в самом двигателе.

ДВС (рис. 73) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (5); в цилиндре имеются два клапана (2, 3), через один из которых горючая смесь впускается в цилиндр, а через другой отработавшие газы выпускаются из цилиндра. Поршень с помощью кривошипно-шатунного механизма (6, 7) соединяется с коленчатым валом, который приходит во вращение при поступательном движении поршня. Цилиндр закрыт крышкой (4).

Цикл работы ДВС включает четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Во время впуска поршень движется вниз, давление в цилиндре уменьшается, и в него через клапан поступает горючая смесь (в карбюраторном двигателе) или воздух (в дизельном двигателе). Клапан в это время закрыт (рис. 73 а). В конце впуска горючей смеси закрывается клапан.

Во время второго такта поршень движется вверх, клапаны закрыты, и рабочая смесь или воздух сжимаются (рис. 73 б). При этом температура газа повышается: горючая смесь в карбюраторном двигателе нагревается до 300—350 °С, а воздух в дизельном двигателе — до 500—600 °С. В конце такта сжатия в карбюраторном двигателе проскакивает искра, и горючая смесь воспламеняется. В дизельном двигателе в цилиндр впрыскивается топливо, и образовавшаяся смесь самовоспламеняется.

При сгорании горючей смеси газ расширяется и толкает поршень и соединенный с ним коленчатый вал, совершая механическую работу (рис. 73 в). Это приводит к тому, что газ охлаждается.

Когда поршень придёт в нижнюю точку, давление в нём уменьшится. При движении поршня вверх открывается клапан, и происходит выпуск отработавшего газа (рис. 73 г). В конце этого такта клапан закрывается.

8. Паровая турбина представляет собой насаженный на вал диск, на котором укреплены лопасти. На лопасти поступает пар. Пар, нагретый до 600 °С, направляется в сопло и в нём расширяется, При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струя пара поступает из сопла на лопасти турбины и передаёт им часть своей кинетической энергии, приводя турбину во вращение. Обычно турбины имеют несколько дисков, каждому из которых передаётся часть энергии пара. Вращение диска передаётся валу, с которым соединён генератор электрического тока.