Тепловые машины. КПД

Тепловые машины – это двигатели, которые производят работу за счет полученного тепла. Тепловыми машинами являлись паровые двигатели, которые устанавливались ранее на пароходах и паровозах. Тепловыми машинами являются двигатели внутреннего сгорания, которые служат двигателями в автомобилях, а также паровые турбины на ТЭЦ, которые крутят роторы генераторов и производят электрическую энергию. Из этих примеров понятно, какое большое значение имеют знания об основных принципах работы тепловых машин.

Поскольку прямое полное преобразование тепла в работу запрещено вторым началом термодинамики, встает вопрос: как должен быть устроен тепловой двигатель, чтобы максимально эффективно извлекать работу из тепла?

Рис. 3.4. Иллюстрация работы теплового двигателя

Современные тепловые двигатели устроены на циклическом принципе (рис. 3.4). Сначала двигатель получает порцию тепла Q₁ от нагревателя, при этом совершается работа A (например, при сгорании топлива перемещается поршень двигателя внутреннего сгорания). Затем неиспользованная часть тепла Q₂ сбрасывается холодильнику и двигатель возвращается в исходное состояние (выхлоп отработанных газов в двигателе внутреннего сгорания и возвращение поршня на прежнее место). Далее цикл снова повторяется. Процессы передачи тепла от нагревателя к тепловому двигателю и от теплового двигателя к холодильнику могут быть как обратимыми, так и необратимыми. В первом случае тепловая машина называется обратимой, во втором – необратимой. Для обратимой тепловой машины возможен также обратный цикл: совершая работу над тепловой машиной, можно получить тепло Q₂ от холодильника и передать тепло Q₁ нагревателю. При этом тепловой двигатель превращается в холодильную машину.

Французский инженер и ученый Сади Карно установил, что максимальная работа производится обратимой тепловой машиной. Если бы существовала такая тепловая машина, которая производила работу большую, чем обратимая тепловая машина, то был бы возможен вечный двигатель первого рода. Действительно, если взять такую более эффективную тепловую машину и включить ее в прямом направлении, то за счет передачи тепла от нагревателя к холодильнику можно совершить работу А₁. Если теперь использовать обратимую тепловую машину, включенную в обратном направлении, то можно вернуть то же количество теплоты нагревателю, совершая работу А₂, которая меньше А₁. Таким образом, мы получаем выигрыш в работе, ничего не изменяя в нагревателе и холодильнике. Многократно осуществляя такой процесс, мы получим постоянно работающий двигатель – вечный двигатель первого рода.

Эффективность работы двигателя оценивается коэффициентом полезного действия (КПД). Он равен отношению работы, совершенной двигателем за один цикл, к теплоте, полученной от нагревателя, выраженному в процентах:

.

Сади Карно показал, что КПД для любых обратимых тепловых машин одинаков и зависит только от температур нагревателя и холодильника:

.

Из этого соотношения видно, что КПД тепловой машины приближается к 100 %, если Т₂ близко к абсолютному нулю. При реально достижимых температурах КПД тепловой машины не превышает 40–42 %.

С точки зрения эффективного использования запасов энергии на Земле тепловая энергия, заключенная в топливе (нефти, газе, угле), является «плохим» видом энергии. Гораздо эффективнее преобразуется в работу электрическая энергия. Сейчас создаются электрические станции, преобразующие энергию различных источников (текущей воды, морских приливов, энергию солнечных лучей, энергию ветра и т. д.) в электрическую. Предпринимаются попытки создания электромобилей, которые работают не на бензине, а на аккумуляторных батареях.