В современной технике механическую энергию получают главным образом за счёт внутренней энергии топлива. Устройства, в которых происходит преобразование внутренней энергии в механическую, называют тепловыми двигателями.
Двигатель внутреннего сгорания
☆Принцип работы дизельного двигателя☆
Бензиновый, или дизельный - что лучше? Сравнение двух типов двигателей
Работа, совершаемая тепловой машиной, не может быть больше: $A = Q_{1} - |Q_{2}|$, т.к. рабочее тело, получая некоторое количество теплоты ($Q_{1}$) от нагревателя
, часть этого количества теплоты (по модулю равную $|Q_{2}|$) отдаёт холодильнику
. Отношение этой работы к количеству теплоты, полученному расширяющимся газом от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия
$\eta$ тепловой машины.
Коэффициент полезного действия любой тепловой машины считается по формуле: $$\eta_{real} = \frac{A}{Q_{1}}=\frac{Q_{1}-|Q_{2}|}{Q_{1}} = 1 - \frac{|Q_{2}|}{Q_{1}}$$
Для увеличения КПД, при расширении или сжатии газа должны быть использованы процессы, позволяющие исключить уменьшение энергии горячего тела, которое происходило бы без совершения работы. Такие процессы существуют — это изотермический и адиабатный процесс.
Сади Карно искал пути решения актуальной для его времени задачи — установить причину несовершенства тепловых машин, найти пути наиболее эффективного их использования. Именно он, впервые предложил наиболее совершенный технический процесс, состоящий из изотерм и адиабат.
Прямой цикл Карно. Исходным состоянием рабочего тела двигателя является состояние точки 4
. На участке 4—1
цикла рабочее тело сжимается адиабатически, т. е. без потерь теплоты. В точке 1
к нему начинают изотермически подводить теплоту $Q_{1}$ от высокотемпературного источника, в результате чего рабочее тело расширяется по линии 1—2
. На участке 2—3
расширение рабочего тела продолжается уже без подвода теплоты, т. е. адиабатически. На участке 3—4
от рабочего тела с помощью источника низкой температуры отбирается теплота $Q_{2}$. В двигателях, работающих по разомкнутому циклу, когда теплоноситель в каждом цикле работы обновляется, процесс охлаждения заменяется процессом обновления теплоносителя.
Линия | Состояние | Описание | |
---|---|---|---|
1-2 | Изотерма $T=T_{1}$ $dQ_{1}$ (нагревание) $V\Uparrow$ | От нагревателя поступает теплота $dQ_{1}$ (или $Q_{H}$), газ под поршнем изотермически расширяется. | В начале процесса рабочее тело (газ ) имеет температуру температуру нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$). Затем тело приводится в контакт с нагревателем, который изотермически (при постоянной температуре) передаёт ему количество теплоты $Q_{H}$ (или $Q_{1}$). При этом объём рабочего тела увеличивается, оно совершает механическую работу, а его энтропия возрастает. |
2-3 | Адиабата $dQ=0$ $V\Uparrow$ | Газ изолирован от нагревателя и холодильника и адиабатически расширяется. | Рабочее тело отсоединяется от нагревателя и продолжает расширяться без теплообмена с окружающей средой. При этом температура тела уменьшается до температуры холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), тело совершает механическую работу, а энтропия остаётся постоянной. |
3-4 | Изотерма $T=T_{2}$ $dQ_{2}$ (охлаждение) $V\Downarrow$ | Газ изотермически (при $T = T_{2}$) сжимается и отдает теплоту $dQ_{2}$ холодильнику. | Рабочее тело, имеющее температуру холодильника ($T_{X}$ или $T_{2}$), приводится в контакт с холодильником и начинает изотермически сжиматься под действием внешней силы, отдавая холодильнику количество теплоты $Q_{X}$ (или $Q_{2}$). Над телом совершается работа, его энтропия уменьшается. |
4-1 | Адиабата $dQ=0$ $V\Downarrow$ | Газ изолирован и адиабатически сжимается. | Рабочее тело отсоединяется от холодильника и сжимается под действием внешней силы без теплообмена с окружающей средой. При этом его температура увеличивается до температуры нагревателя ($T_{H}$ или $T_{1}$), над телом совершается работа, его энтропия остаётся постоянной. |
Коэффициент полезного действия идеального цикла, как показал С.Карно, может быть выражен через температуру нагревателя ($T_{1}$) и холодильника ($T_{2}$). В реальных двигателях не удаётся осуществить цикл, состоящий из идеальных изотермических и адиабатных процессов. Поэтому КПД их цикла всегда меньше, чем КПД цикла Карно (при прочих равных условиях). $$\eta_{real}<\eta_{ideal}=\frac{T_{1}-T_{2}}{T_{1}}=1-\frac{T_{2}}{T_{1}}$$
Из формулы видно, что КПД двигателей растёт с увеличением температуры нагревателя и с уменьшением температуры холодильника.
Если бы температура холодильника была равна абсолютному нулю, то КПД был бы равен 100%. В современных двигателях обычно КПД увеличивают за счёт повышения температуры нагревателя.
Реальный КПД тепловых машин порядка 30-40%, в то время как теоретически можно получить 60-80%, при тех же условиях.
В термодинамике холодильных установок и тепловых насосов рассматривают обратный цикл Карно. При этом рабочим телом являются пары легкокипящих жидкостей – фенол, аммиак и т.п. Процесс перекачки теплоты от тел, помещенных в холодильную камеру, в окружающую среду происходит за счет затрат электроэнергии.
Обратный цикл Карно. В обратном цикле Карно те же процессы происходят в обратной последовательности. Исходное состояние рабочего тела теперь — точка 3
. Адиабатически сжатое компрессором по линии 3—2
рабочее тело охлаждается изотермически по линии 2—1
и далее продолжает расширяться адиабатически по линии 1—4
. На изотерме 4—3
к рабочему телу подводится теплота камеры охлаждения и оно возвращается к исходному состоянию точки 3
.
При этом чем меньше разность температур между холодильной камерой и окружающей средой, тем меньше нужно затратить энергии для передачи теплоты от холодного тела к горячему и тем выше холодильный коэффициент.
Анализ обратного цикла Карно показывает, что передача теплоты от тела менее нагретого телу более нагретому возможна, но этот процесс требует соответствующей энергетической компенсации в системе, в виде затраченной работы или теплоты более высокого потенциала, способного совершить работу при переходе на более низкий потенциал.
Энтропия — часть внутренней энергии замкнутой системы или энергетической совокупности Вселенной, которая не может быть использована, в частности не может перейти или быть преобразована в механическую работу. Существует мнение, что мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе.