Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.
Тепловой двигатель
Термодинамика возникла как наука с основной задачей – созданием наиболее эффективных тепловых машин.
Тепловая машина или тепловой двигатель – это периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получения теплоты.
Обычно совершение работы в тепловом двигателе производится газом при его расширении. Газ, находящийся в нем, получил название рабочего тела. Зачастую его заменяют на воздух или водяные пары. Расширение газа происходит по причине повышения его температуры и давления.
Устройство, от которого рабочее тело получает тепло Q n , называю нагревателем.
Это понимается как расширение от объема V 1 к V 2 V 2 > V 1 , затем сжатие до первоначального объема. Чтобы значение совершаемой работы за цикл было больше нуля, необходимо температуру и давление увеличить и сделать больше, чем при его сжатии. То есть при расширении телу сообщается определенное количество теплоты, а при сжатии отнимается. Значит, кроме нагревателя тепловой двигатель должен иметь холодильник, которому рабочее тело может отдавать тепло.
Рабочее тело совершает работу циклично. Очевидно, изменение внутренней энергии газа в двигателе равняется нулю. Если при расширении от нагревателя к рабочему телу передается теплота в количестве Q n , то при сжатии Q ‘ c h теплота рабочего тела передается холодильнику по первому закону термодинамики, учитывая, что ∆ U = 0 , то значение работы газа в круговом процессе запишется как:
Отсюда теплота Q ‘ c h ≠ 0 . Выгодность двигателя определяется по количеству выделенной и превращенной теплоты, полученной от нагревателя, в работу. Его эффективность характеризуется коэффициентом полезного действия (КПД), определяющимся как:
Запись уравнения ( 2 ) при учитывании ( 1 ) примет вид:
η = Q n — Q ‘ c h Q n ( 3 ) , КПД всегда.
Машина, отбирающая от тела с меньшей температурой определенное количество теплоты Q c h и отдающая его Q ‘ n телу с наиболее высокой температурой с Q ‘ n > Q c h , получила название холодильной машины.
Данная машина должна совершить работу A ‘ в течение цикла. Эффективность холодильной машины определяется по холодильному коэффициенту, вычисляемому:
a = Q ‘ n A ‘ = Q ‘ n Q ‘ n — Q c h ( 4 ) .
КПД необратимого теплового двигателя всегда меньше, чем работающего по обратимому циклу.
КПД теплового двигателя
Французским инженером Саади Карно была установлена зависимость КПД теплового двигателя от температуры нагревателя T n и холодильника T c h . Форма конструкции теплового двигателя и выбор рабочего тела не влияет на КПД идеальной тепловой машины:
η m a x = T n — T c h T n ( 5 ) .
Любой реальный тепловой двигатель может обладать КПД η ≤ η m a x .
Видно, что участок 3 — 4 характеризуется отдачей тепла холодильнику с температурой T c h идеальным газом, причем количество теплоты равняется получению газом теплоты — Q c h , тогда:
Важным фактором, определяющим направление цикла, является способ подвода энергии. Здесь различаются стационарный (непрерывный) и нестационарный (циклический) подвод энергии. Для всех поршневых двигателей, включая двигатель Стирлинга, характерен нестационарный подвод энергии, который происходит, когда поршень находится в верхней мертвой точке такта сжатия, и объем цилиндра минимален.
Характерным для всех разомкнутых циклов является внутренний подвод энергии, достигаемый за счет подачи и сжигания топлива. В противоположность этому замкнутые циклы требуют подвода энергии через теплообменники. Здесь прямой контакт рабочей среды с продуктами горения, если не учитывать теплопроводность, отсутствует. Уникальным в этом отношении является паровой двигатель, в котором рабочая среда испаряется под действием теплового потока, создаваемого внешним источником, а затем поступает в поршневой двигатель.
Тепловые двигатели также различаются в отношении используемых источников энергии. Используются источники энергии трех видов: твердые, жидкие и газообразные. Главное преимущество тепловых двигателей, работающих по принципу разомкнутого цикла с внутренним подводом энергии, состоит в том, что они не требуют теплообменников для обеспечения требуемого направления цикла и, следовательно, имеют более компактную конструкцию. Это преимущество может быть проявлено в еще большей степени за счет применения жидкого топлива с высокой плотностью энергии. Газовые двигатели для легковых и коммерческих автомобилей также становятся все более привлекательными (благодаря низким эксплуатационным затратам и относительно небольшому расходу топлива). Таким образом, двигатели внутреннего сгорания являются наиболее совершенными из тепловых двигателей.
КПД дигателя внутреннего сгорания
Двигатель внутреннего сгорания хактеризуется разомкнутым циклом и внутренним сгоранием топлива. Нестационарный режим подвода энергии позволяет получить температуру рабочей среды, усредненную по массе, на тактах впуска и сжатия свыше 2500 К и усредненные пиковые давления свыше 200 бар с очень хорошим к.п.д., свыше 40%.
В двигателях со стационарным циклом ограничения, налагаемые свойствами материалов, не позволяют достигнуть давлений и температур такого порядка. В них достигаются только локальные пиковые температуры около 2500 К. Поэтому, например, газовые турбины имеют более низкий к.п.д. Паровые турбины с замкнутым циклом достигают более высокого КПД, чем газовые, при умеренном давлении около 50 бар . Это достигается за счет значительного снижения уровня низкого давления. Максимальный КПД прочих тепловых двигателей значительно ниже.
Двигатель внутреннего сгорания с возвратно-поступательным движением поршней
Двигатель внутреннего сгорания в его поршневом варианте является основным типом теплового двигателя, используемого в автомобилестроении. В поршневом двигателе возвратно поступательное движение поршней преобразуется во вращение коленчатого вала. В принципе двигатели могут работать на самых различных видах топлива, однако на сегодняшний день основными источниками энергии для них остаются дизельное топливо и бензин.
Рабочие циклы двигателя
Основные принципы
Цикл представляет собой термодинамический процесс, имеющий идентичные начальное и конечное состояния. Обычно цикл проходит через несколько изменений состояния, сопровождающихся совершением тепловым двигателем работы. При этом рабочая среда цикла претерпевает термодинамические изменения состояния.
Изменения состояния (см. Термодинамика) различаются в отношении того, совершается работа W в форме работы при изменении объема ∫pdV или имеет место теплообмен с окружающей средой Q=∫TdS. Диаграмма «давление-объем» (диаграмма p-V, рис. «Иллюстрация термодинамического цикла при помощи диаграммы p-V» ) демонстрирует, производится ли работа и в каком количестве, в то время как диаграмма «температура-энтропия» (диаграмма T-S, рис . «Иллюстрация термодинамического цикла при помощи диаграммы T-S » ) иллюстрирует теплообмен, происходящий в замкнутой системе.
Интеграл работы при изменении объема ∫pdV можно интерпретировать на диаграмме p-V, как площадь, заключенную между линиями изменения состояния. Если цикл направлен вправо, по часовой стрелке, т.е. область располагается справа от линии изменения состояния, интеграл является в математическом смысле положительным. При этом цикл совершает работу. Рабочие циклы холодильных машин и компрессоров направлены влево, т.е. против часовой стрелки.
В дополнение к термину «работа при изменении объема» ∫pdV, который обычно используется применительно к двигателям внутреннего сгорания, существует также термин «техническая работа»
который часто используется применительно к машинам с непрерывным потоком рабочей среды, таким как газовые турбины. Из интерпретации работы, как площади на диаграмме р-V, ясно, что обе формы работы в иллюстрируемом цикле в отношении количества идентичны.
Для совершения в цикле работы должен иметь место подвод тепла. В обратимом цикле (без энергии рассеивания Еd) количество добавленного тепла
равно интегралу температуры по изменению энтропии. На диаграмме Т-S количество тепла, добавленного в замкнутом цикле, соответствует замкнутой площади (рис. «Иллюстрация термодинамического цикла при помощи диаграммы T-S » ).
В соответствии с первым законом термодинамики (см. «Термодинамика»):
Для обратимого цикла с идентичными начальной и конечными точками ∫dU=0 . Количество тепла, подведенного к циклу, должно создаваться, в то время как рассеиваемое тепло возвращается неиспользуемым в окружающую среду. К.п.д. цикла, следовательно, определяется, как отношение общей произведенной работы W (сумма работ, совершенных подведенным и рассеянным теплом) к количеству добавленного тепла Qadd:
η th = W/ Q add = |∫pdV | / Q add
Идеальный цикл Карно
Поскольку каждый цикл, сопровождающийся совершением работы, предполагает подвод тепла, в ходе цикла также имеет место изменение температуры. В 1824 году Николя Леонард Сади Карно описал изменения состояния в цикле, который достигает максимального к.п.д. между двумя данными температурными пределами. Поскольку наилучший к.п.д. может быть достигнут при отсутствии рассеивания тепла, подвод и рассеивание тепла должны происходить изотермически. Идеальным для совершения работы является адиабатический цикл. Цикл Карно, следовательно, состоит из изотермического поглощения и рассеивания тепла и изоэнтро- пического (адиабатического и обратимого) сжатия и расширения (рис. «Цикл Карно» ).
Идеальный тепловой двигатель конструктивно содержит устройство нагрева с температурой «Т нагревателя», устройство охлаждения с температурой «Т холодильника» и вещество, которое, то сжимается, то расширяется.
КПД теплового двигателя
В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.
Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.
В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:
Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:
Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.
Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.
Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.
ηс = W/Qadd = (Qadd—Qdiss) / Q add = (T max -T min) / T max
Роль холодильника
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2. Эта температура не может быть ниже температуры окружающей среды, так как в противном случае давление газа станет меньше атмосферного и двигатель не сможет работать. Обычно температура Т2 несколько больше температуры окружающей среды. Ее называют температурой холодильника. Холодильником являются атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть несколько ниже температуры атмосферы.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть энергии неизбежно передается атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии безвозвратно теряется. Именно об этом и говорит второй закон термодинамики в формулировке Кельвина.
Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 5.15. Рабочее тело двигателя получает при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передает холодильнику количество теплоты |Q2| < |Q1|.
КПД теплового двигателя
Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна
где Q1 — количество теплоты, полученное от нагревателя, a Q2 — количество теплоты, отданное холодильнику.
Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А’, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
У паровой турбины нагревателем является паровой котел, а у двигателей внутреннего сгорания — сами продукты сгорания топлива.
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1.
