Тепловий двигун. Ідеальна теплова машина
 |
| Блок-схема теплового двигуна |
Тепловий двигун – це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну.
Енергія, яка виділяється під час згорання палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширяючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і приводить у рух механізм.
Для того щоб двигун працював циклічно, газ стискається, віддаючи теплоту холодильнику (навколишньому середовищу). Робоче тіло двигуна дістає кількість теплоти ΔQн від нагрівника, виконує роботу А над зовнішніми тілами і передає кількість теплоти ΔQх холодильнику. Оскільки система після закінчення циклу повертається до початкового стану, зміна внутрішньої енергії дорівнює нулю (ΔU = 0) і за першим законом термодинаміки
ΔА = ΔQн–ΔQх,
де ΔА - механічна робота, яку виконує газ, ΔQн - кількість теплоти, одержаної від нагрівника, ΔQх - кількість теплоти, переданої холодильнику.
Величина η:
η = (ΔQн–ΔQх)/ΔQн = ΔА/ΔQн
називається коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплової машини.
 |
| Цикл Карно |
Французький інженер С. Карно з’ясував умови роботи ідеальної теплової машини. З усіх теплових машин, які працюють з нагрівником, що має температуру Тн, і холодильником, що має температуру Тх , найбільший коефіцієнт корисної дії має теплова машина, що працює за циклом Карно, який складається з двох ізотерм і двох адіабат.
 |
| Коловий процес ідеальної теплової машини |
Обчислимо роботу газу за один цикл Карно:
ΔА = ΔА12 + ΔА23 + ΔА34 + ΔА41
ΔА12 = νRT1∙ ln(V2/V1); ΔА34 = νRT2∙ ln(V4/V3);
ΔА23 = νcν ∙(T2 – T1) = - νcν ∙(T1 – T2) = - ΔА41
З рівняння адіабати TVγ-1 = const записаної для процесів 2-3 та 4-1 отримуємо наступне співвідношення для обємів:
V2/V1= V3/V4
Із врахуванням вище отриманих формул робота при коловому процесі циклу Карно, яку виконує ідеальний газ дорівнює:
ΔА = νRT1∙ ln(V2/V1) + νRT2∙ ln(V4/V3) = νR(T1 – T2)∙ln(V2/V1)
Отримаємо співвідношення для ККД теплової машини Карно.
Він дорівнює відношенню корисної роботи до всієї затраченої енергії. У нашому випадку це буде відношення роботи, виконаної тепловою машиною за один цикл до кількості теплоти, взятої машиною від нагрівника:
η = (ΔQ1–ΔQ2)/ΔQ1 = ΔА/ΔQ1
Кількість теплоти, яка надійшла системі на ділянці циклу 1-2 дорівнює роботі газу під час його ізотермічного розширення на цій ділянці:
ΔQ12 = ΔА12 = νRT1∙ ln(V2/V1);
Тому для ККД отримуємо:
η = ΔА/ΔQ1 = { νR(T1 – T2)∙ln(V2/V1)}/{ νRT1∙ ln(V2/V1)} =
= (T1 – T2)/T1 = 1 – T2/T1
ККД теплової машини Карно менший одиниці!!! Це означає, що навіть за ідеальних умов, коли всі етапи цього процесу оборотні, а тому виконана робота максимальна, всю кількість теплоти, взятої від нагрівника, не можна без втрат перетворити у механічну роботу.
ККД реальних теплових машин значно менший від ККД ідеальної теплової машини, яка працює за циклом Карно.
Доцільно прочитати:
