Человеческий прогресс связывают с развитием энергетики. Открытие и умение применять новые источники энергии, составляет целую эпоху в историческом развитии материальной культуры.
- Первый тепловой двигатель – паровая машина дал огромный толчок развитию промышленности XIX века.
- Разработка и конструирование двигателя внутреннего сгорания стало основой для автомобилестроения и самолетостроения.
- Создание газовых турбин стало поворотным пунктом в самолетостроении.
- Изготовление реактивных двигателей позволило человечеству отправиться в космос.
- Большая часть электрической энергии в настоящее время, получается от тепловых электростанций. На атомных электрических станциях энергия ядерных реакций первоначально преобразуется в тепловую энергию пара.
Задача и принципы работы теплового двигателя
Любой тепловой двигатель создается для решения одной задачи: трансформации внутренней энергии в механическую.
С этой целью:
- Тепловая энергия сгорания топлива или энергия ядерных реакций при теплообмене передается некоторому газу.
- Газ расширяется, выполняет работу против внешних сил, при этом привод в действие некоторый механизм.
- Поскольку тепловой двигатель обладает конечными размерами, газ в нем расширяться до бесконечности не может. Следовательно, за процессом расширения следует процесс сжатия. При этом сам газ и все детали машины должны прийти в начальное состояние.
- Далее возможно расширение повторно.
Так, сделаем вывод о цикличной работе теплового двигателя. За цикл происходит расширение газа и его сжатие до начального состояния.
Тепловые двигатели в реальной действительности работают по разомкнутому циклу. Это цикл, в котором газ после расширения удаляется, сжатие происходит новой порции газа. На описание термодинамики процесса, однако, данная схема работы влияет не принципиально. Поэтому в теории описания работы тепловых двигателей говорят о замкнутых циклах работы машины, когда расширяется и сжимается одна порция газа.
Для совершения двигателем полезной работы необходимо, что работа расширения газа была больше работы его сжатия. Тогда внешние тела, которые окружают двигатель, получают больше механической работы, чем отдают при сжатии газа. Для выполнения данного условия температура газа при расширении должна быть больше, его температуры при сжатии.
Пусть начальное и конечное состояния газа в процессах расширения и сжатия совпадают. Работа расширения будет больше работы сжатия, если все промежуточные состояния сжатия происходят при меньшем давлении, чем при расширении. Это будет возможно только, если температура для всех промежуточных состояний газа при сжатии ниже, чем при расширении.
Рассмотрим кривые процессов расширения и сжатия на рис.1. Работа расширения газа количественно равна площади криволинейной трапеции, которую вверху ограничивает кривая зависимости давления от объема, отражающая процесс расширения ($p_1(V)$).
Работа сжатия равна площади трапеции, которая вверху ограничена кривой $p_2(V)$ (кривая сжатия).
Полезная работа – это заштрихованная площадь рис.1. Она ограничена графиком цикла, то есть кривыми $p_1(V)$ и $p_2(V)$.
Рисунок 1. Полезная работа. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Устройство теплового двигателя
Тепловой двигатель имеет три основные части:
- рабочее тело;
- нагреватель;
- холодильник.
В качестве рабочего тела используют газ или пар. Расширяясь, это вещество выполняет работу.
Газ получает теплоту в количестве $Q_1$ от нагревателя.
Нагреватель – это тело, температура которого стабильно высока ($T_1$) за счет сгорания топлива или ядерных реакций.
В процессе сжатия рабочее тело отдает теплоту ($Q_2$) холодильнику. Температуру холодильника поддерживают постоянной и ниже $T_1$. Давление газа при сжатии ниже, чем давление при расширении.
Роль холодильника может играть окружающая среда. Так происходит в двигателях внутреннего сгорания или реактивных двигателях.
Энергетический баланс теплового двигателя
Первое начало термодинамики можно использовать для определения баланса энергии в цикле теплового двигателя.
Так как в цикле рабочее тело приводится в начальное состояние, то изменение внутренней энергии газа равно нулю:
$\Delta U=U_2-U_1=0(1).$
В таком случае, получаем:
$Q_1=Q_2+A+Q_p (2)$,
где $Q_p$ - энергия, которая теряется в цикле при теплообмене с окружающей средой.
Полезная работа в цикле:
$A_p\le Q_1-Q_2 (3).$
В выражении (3) равенство будет выполняться для идеальной тепловой машины, в которой отсутствуют потери энергии.
Эффективность работы теплового двигателя оценивают при помощи коэффициента полезного действия:
$\eta =\frac{A}{Q_1}\left(4\right).$
Даже идеальная тепловая машина не может иметь КПД равный единице.
Второе начало термодинамики
Проведя анализ принципов работы тепловых двигателей, Томсон и Планк сделали вывод, который формулируют так:
Нет возможности создать циклический процесс, в котором единственным результатом было бы охлаждение нагревательного элемента и переход полученного тепла в работу в полном объеме.
Запрет Томсона – Планка можно считать следствием второго начала термодинамики. Так как трансформация внутренней энергии в механическую – это процедура перехода системы из состояния с хаотическим перемещением молекул в состояния упорядочивания их движения. В таком процесс энтропия системы убывает, что входит в противоречие со вторым началом термодинамики. Значит, трансформация внутренней энергии в механическую не может стать единственным процессом. Совместно с этим процессом идет компенсирующий процесс, увеличивающий энтропию при переходе внутренней энергии в механическую.
Принцип запрета Томсона – Планка можно считать одной из формулировок второго начала термодинамики.
Часто первое и второе начала термодинамик формулируют как принцип невозможности вечного двигателя.
При этом второе начало читается так:
Невозможно создать вечный двигатель второго рода. Это означает, что нельзя сконструировать машину, которая выполняла бы периодическую работу, исключительно охлаждая источник тепла.
В противном случае можно было бы использовать Земной шар (или океан), как неисчерпаемый источник внутренней энергии.
