Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать часть полученного количества теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. Тепловой резервуар с более высокой температурой, передающий теплоту тепловому двигателю, называется нагревателем, а забирающий остатки тепла с целью вернуть рабочее тело в исходное состояние – холодильником. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т.д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.

Необходимые условия для работы циклического теплового двигателя:

1. Наличие рабочего тела (газ или пар), которое нагреваясь при сгорании топлива расширяется и совершает механическую работу. Периодический тепловой двигатель не может совершать полезную работу, если в нем используется незамкнутый термодинамический процесс. Газ должен расширяется при высокой температуре Т₁, а сжимается при более низкой Т₂. Круговым процессом (циклом) называют замкнутый термодинамический процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние. Обратимым называют такой процесс, который может осуществляться и в прямом, и в обратном направлениях таким образом, что после возвращения системы в исходное состояние в окружающих телах не остается никаких изменений, вызванных этим процессом.

2. Использование кругового процесса (цикла).

3. Наличие нагревателя и холодильника. Нагревателем называют тело или среду с температурой более высокой, чем у рабочего тела, а холодильником — тело или среду с температурой более низкой, чем у рабочего тела.

При работе теплового двигателя выполняется закон сохранения энергии

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называется отношение полезной работы, совершенной двигателем, ко всей энергии Q ₁, полученной при сгорании топлива (то есть от нагревателя): .

КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Для определения максимально возможного значения КПД теплового двигателя французский инженер С. Карно рассчитал идеальный обратимый цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат, который впоследствии получил название цикла Карно (на рисунке 1-2—изотермическое расширение; 2-3 — адиабатное расширение идеального газа; 3-4 — изотермическое сжатие, 4-1 — адиабатное сжатие газа. Карно показал, что КПД такого цикла не зависит от конструкции теплового двигателя и определяется по формуле , где T ₁ – температура нагревателя, T ₂ – холодильника. КПД даже у идеального теплового двигателя всегда меньше единицы. Если температура холодильника равна абсолютному нулю, то циклический процесс вырождается. Принципиально невозможно добиться того, чтобы КПД теплового двигателя был равен единице. У реальных тепловых двигателей КПД меньше, чем у цикла Карно, т. е. значительно меньше единицы. Для увеличения КПД обычно увеличивают температуру нагревателя. Холодильником является окружающая среда.