Из истории тепловых двигателей

Первой известной нам тепловой машиной была паровая турбина внешнего сгорания, изобретённая во ΙΙ (или в Ι?) веке н. э. в римской империи. Это изобретение не получило своего развития предположительно из-за низкого уровня техники того времени. На прогресс это изобретение никакого влияния не оказало и было забыто. Следующей тепловой машиной, изобретённой человеком, была пороховая ракета и пороховое орудие. Дата его изобретения неизвестна, первое известное упоминание относится к 13 веку. Это произошло в Китае. Это было простое устройство, которое с точки зрения инженера и механика не является тепловым двигателем, так как не имеет вала отбора мощности, но с точки зрения физики является тепловой машиной. Поэтому этот прибор имеет ограниченное применение: для связи, в военном деле, как транспорт (в последнем случае есть проблемы, но в принципе это возможно). В 17 веке изобретательская мысль попыталась на базе порохового орудия создать тепловой двигатель.

В поршневых тепловых двигателях горячий газ расширяется в цилиндре, перемещая поршень, и тем самым совершает механическую работу. Для превращения прямолинейного возвратно-поступательного движения поршня во вращательное движение вала обычно используется кривошипно-шатунный механизм. В двигателях внешнего сгорания (например, в паровых машинах) рабочее тело нагревают за счет сжигания топлива вне двигателя и подают в цилиндр газ (пар) под высокими температурой и давлением. Газ, расширяясь и перемещая поршень, охлаждается, а давление его падает до близкого к атмосферному. Этот отработанный газ удаляется из цилиндра, а затем в него подается новая порция газа –либо после возврата поршня в исходное положение (в двигателях одинарного действия – с односторонним впуском), либо с обратной стороны поршня (в двигателях двойного действия). В последнем случае поршень возвращается в исходное положение под действием расширяющейся новой порции газа, а в двигателях одинарного действия поршень возвращается в исходное положение маховиком, установленным на валу кривошипа. В двигателях двойного действия на каждый оборот вала приходится два рабочих хода, а в двигателях одинарного действия – только один; поэтому первые двигатели в два раза мощнее при одинаковых габаритах и скоростях. В двигателях внутреннего сгорания горячий газ, который перемещает поршень, получают за счет сжигания смеси топлива и воздуха непосредственно в цилиндре. Для подвода свежих порций рабочего тела и выпуска отработанного газа в двигателях применяется система клапанов. Подвод и выпуск газа производятся при строго определенных положениях поршня, что обеспечивается специальным механизмом, который управляет работой впускных и выпускных клапанов.

Холодильная машина

Холодильная машина –периодически действующая установка, в которой за счёт работы внешних сил теплота переносится к телу с более высокой температурой (рис. 130).

Рис. 130.

В основе действия холодильной машины лежит обратный цикл Карно: системой за цикл от термостата с более низкой температурой отнимается количество теплоты и отдаётся термостату с более высокой температурой количество теплоты .

Для кругового процесса , но согласно условию , поэтому и или , т.е. количество теплоты , отданное системой источнику теплоты при более высокой температуре , больше количества теплоты , полученного от источника теплоты при более низкой температуре , на величину работы, совершённой над системой. Следовательно, без совершения работы нельзя отбирать теплоту от менее нагретого тела и отдавать её более нагретому.

Эффективность холодильной машины характеризуется холодильным коэффициентом:

.

Здесь полезным эффектом выступает теплота , затраченным – абсолютное значение совершенной работы.

Для обратимых циклов существует взаимосвязь: .

2.13. Цикл Карно [41]

Цикл Карно назван в честь французского учёного и инженера Сади Карно, который впервые его описал в своём сочинении «О движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» в 1824 году.

Циклом Карно называется обратимый круговой процесс, состоящий из двух изотерм и двух адиабат.

Рис. 131.

Среди всех циклов ему принадлежит особое место, т.к. он является наиболее экономичным и лежит в основе действия идеальной тепловой машины.Рассмотрим прямой цикл Карно (рис. 131).

Последовательные термодинамические процессы
Изотермическое расширение
Адиабатное расширение
Изотермическое сжатие
Адиабатное сжатие

Работа за цикл:

(1)

и определяется площадью, ограниченной рассматриваемыми изотермами и адиабатами (рис. 131).

Адиабатические процессы в цикле Карно носят вспомогательный характер: они помогают перейти с одной изотермы на другую. В энергетическом балансе эти процессы не участвуют, т.к. работа адиабатного расширения и адиабатного сжатия компенсируют друг друга.

В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры. Резервуар с более высокой температурой называется нагревателем, а с более низкой температурой– холодильником.

Для идеальной тепловой машины справедлива теорема Карно:

КПД идеальной тепловой машины, работающей по циклу Карно, максимален и не зависит от природы рабочего вещества и конструкции тепловой машины, он определяется только по температурам нагревателя и холодильника : .

Доказательство теоремы Карно

Пусть рабочим телом машины, работающей по циклу Карно, является моль идеального газа, тогда теплота , взятая от нагревателя, определяется работой изотермического расширения газа от объёма до объёма :

(2)

Теплота, переданная рабочим телом холодильнику, определяется работой изотермического сжатия газа от объёма до объёма :

(3)

Тогда: .

Общее выражение КПД для циклического процесса:

. (4)

для цикла Карно с идеальным газом примет вид:

(5)

Из уравнения Пуассона , применённого к адиабатическим участкам цикла, легко получить: . Это позволяет сократить дробь (5) на величину и получить для КПД идеального цикла Карно:

. (6)

Так как абсолютный нуль температур недостижим то КПД идеальной тепловой машины всегда меньше единицы.

Формула (6) выражает теорему Карно.

Поскольку обратимые процессы могут осуществляться лишь с бесконечно малой скоростью, мощность тепловой машины в цикле Карно равна нулю. Мощность реальных тепловых машин не может быть равна нулю, поэтому реальные процессы могут приближаться к идеальному обратимому процессу Карно только с большей или меньшей степенью точности. В цикле Карно тепловая машина преобразует теплоту в работу с максимально возможным коэффициентом полезного действия из всех тепловых машин, у которых максимальная и минимальная температуры в рабочем цикле совпадают соответственно с температурами нагревателя и холодильника в цикле Карно.

КПД необратимой тепловой машины всегда меньше, чем обратимой, работающей в аналогичных условиях (т.е. с теми же нагревателем и холодильником). Так КПД современных паровых машин не превышает 25%, двигателей внутреннего сгорания – 40%. Между тем теоретический предел лежит выше. Снижение КПД реальных тепловых машин по сравнению с теоретическим вызвано необратимыми процессами, которые происходят в самой тепловой машине (теплопроводностью и т.п.).

Пути повышения КПД тепловых машин: устранение (по мере возможности) и ослабление необратимых процессов. Если необратимый процесс всё же произошёл, то нет никакой возможности устранить его последствия, ведущие к ухудшению работы двигателя.

В тепловых двигателях стремятся обеспечить наилучшую отдачу тепла рабочему телу и наименьшую потерю тепла рабочим веществом. Так, чтобы сократить число необратимых процессов теплообмена в двигателях внутреннего сгорания, «внесли» топку внутрь рабочего цилиндра. Осуществляют и другие мероприятия.