Тепловой двигатель. Циклы

Первое начало указывает на возможность превращения тепла в работу, однако в нем нет никаких указаний на возможность определе­ния доли превращаемого тепла. Ответ дает второе начало термодина­мики, изучению которого посвящен большой раздел из нескольких лекций. Предварительно проведем рассмотрение принципиального устройства теплового двигателя.

Предназначение теплового двигателя заключается в превращении внутренней энергии хаотического движения в механическую работу. Важной составной частью теплового двигателя является нерасходуе­мый переносчик энергии - рабочее тело. Для непрерывной работы двигателя необходимо, чтобы в течение работы рабочее тело возвра­щалось в исходное состояние, т.е. участвовало в циклическом процессе.

Пример 1. Устройство для превращения внутренней энергии в работу представляет собой цилиндр с поршнем, заполненный идеальным газом. Если привести цилиндр в тепловой контакт с тепловым резервуаром, находящимся при постоянной температуре T1, то расширяющийся газ будет двигать поршень, совершая работу. При увеличении его объема от V1 до V2n молей газа совершат работу Эта работа будет совершена за счет отобранного от нагревателя тепла.

Чтобы привести газ в исходное состояние, его надо сжать от V2 до V1. Если сжатие проводить при той же самой температуре, то придется совершить ту же самую работу, только уже над газом. Полная работа, совершенная двигателем за цикл, будет равна нулю. Меньшая работа над газом будет совершена при сжатии, только если его предварительно охладить до более низкой температуры T2. Она будет равна

Рассмотренный пример показывает, что тепловой двигатель помимо рабочего тела должен включать в себя источник тепловой энергии (нагреватель) и среду, которой можно было бы передать тепло при понижении температуры рабочего тела (холодильник). Помимо всего этого нужен, конечно, еще и механизм, с помощью которого тепло превращается в работу. В рассмотренном примере это - цилиндр с поршнем и приводное устройство.

Любой тепловой двигатель схематически можно изобразить таким простым рисунком, на котором условно обозначены основные составные части и энергетические потоки. Этот рисунок выражает только закон сохранения энергии. Тепло Q1 от нагревателя передается рабочему телу двигателя. Тепло частично превращается в работу A, а частично отдается в ви

де тепла Q2 холодильнику. В идеальном, с точки зрения механики, двигателе A=Q1-Q2. А коэффициент полезного действия теплового двигателя равен
. (1)
В термодинамике он именуется термическим КПД. Выражение (1) указывает направление, в котором надо искать способы повышения экономичности теплового двигателя - надо стремиться уменьшить долю переданного холодильнику тепла.