МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА И ТЕРМОДИНАМИКА

6. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

6.4. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ

Тепловой двигатель - машина, превращающая внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Тепловой двигатель должен работать циклически; после расширения газа наступает сжатие.

Три основные части теплового двигателя (рис. 25, а):

1) нагреватель (T₁) -источник внутренней энергии;

2) рабочее тело (газ или пара), который выполняет механическую работу за счет внутренней энергии, полученной от нагревателя;

3) холодильник (Т₂ Т₁), что обеспечивает естественный процесс передачи тепла от более нагретого тела к более холодного, чем осуществляет компенсацию процесса преобразования тепловой энергии на механическую. Холодильником может быть окружающая среда (так охлаждается радиатор бытового кондиционера, радиатор двигателя внутреннего сгорания).

Цикл Карно - схема идеальной тепловой машины (с высоким КПД).

Работа газа, что осуществляется, полностью происходит за счет количества теплоты, отданной нагревателем. При сжатии газа работа внешних сил полностью превращается в теплоту, что отдается холодильнике (рис. 25, б).

Рис. 25

Термодинамический (термический) КПД теплового двигателя:

Теорема Карно. Термический КПД цикла Карно не зависит от природы рабочего тела и является лишь функцией температур нагревателя (Т₁) и холодильника (Т₂):

КПД реальных тепловых машин меньше от КПД идеальной машины. В реальной тепловой машине всегда имеются потери на нагрев, механическую работу в механизме машины; таким образом, полезная работа меньше за работу рабочего тела:

Экономический КПД тепловой машины-это отношение полезной работы двигателя (А_кор = N∙t) к количеству теплоты, выделенной при сгорании топлива:

Некоторые виды тепловых машин:

- паровая и газовая турбины;

- паровые машины;

- поршневые двигатели внутреннего сгорания: а) карбюраторные (бензиновые); б) дизеля;

- безпоршневі двигатели внутреннего сгорания (реактивные двигатели).

КПД современных дизелей достигает 40 %. Принцип работы дизельного двигателя: 1-й такт - всасывается воздух; 2-й такт - происходит быстрое сжатие воздуха (следовательно, его разогрев); 3-й такт - через форсунку впрыскивается топливо, от высокой температуры оно самозажигающиеся. Продукты сгорания, расширяясь, выполняют работу по перемещению поршня; 4-й такт - выход (выхлоп) продуктов сгорания. Затем процесс повторяется (рис. 26).

Рис. 26