Сторінка
1

Теплові двигуни

Найбільша кількість двигунів припадає це теплові двигуни. І хоча винайшли їх досить давно, уявити сучасне життя без них просто неможливо. Дійсно, більшість літаків, кораблів, машин та автомобілів обладнані саме такими двигунами. Отже, що ж розуміють під тепловими двигунами?

Теплові двигуни – це пристрої, що перетворюють енергію палива в механічну енергію.

Принципи дії теплових двигунів

Для того щоб двигун робив роботу, необхідна різниця тисків по обох сторонах поршня двигуна чи лопат турбіни. В усіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається при згорянні палива.

Робочим тілом у всіх тепловихдвигунів є газ, що робить роботу при розширенні. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через t1.

У двигунах внутрішнього згоряння і газових турбін підвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.

Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу теплових двигунів обумовлена необоротністю процесів у природі. Якби теплота могла мимовільно повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути цілком перетворена в корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна.

Відповідно до закону збереження енергії робота, здійснювана двигуном, дорівнює:

A'=|Ql|-|Q2|

де Q1 — кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q2 -кількість теплоти, віддана холодильнику.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А', здійсненої двигуном, до кількості теплоти,

ККД теплового двигуна менше одиниці. При Т1-Т2=0 двигун не може працювати.

Максимальне значення ККД теплових двигунів

Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2. Уперше це зробив французький інженер і вчений Сади Карно.

Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він одержав для ККД цієї машини наступне значення:

Як і очікувалось, ККД машини Карно прямо

пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача і холодильника.

Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2 не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини.

При температурі холодильника, рівній абсолютному нулю, η=1

Теплові двигуни й охорона природи

Повсюдне застосування теплових двигунів з метою одержання зручної для використання енергії зв'язано з впливом на навколишнє середовище. Відповідно до законів термодинаміки виробництво електричної і механічної енергії в принципі не може бути здійснене без відводу в навколишнє середовище значної кількості теплоти, що повинно привести до поступового підвищення середньої температури на Землі. Зараз потужність двигунів у цілому складає близько 1010 квт. Коли ця потужність досягне 3*1012 квт, то середня температура підвищиться приблизно на один градус. Подальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня Світового океану. Крім того, на Землі може виникнути “паровий ефект”.

Застосування парових турбін на електростанціях вимагає великих площ під ставки для охолодження відпрацьованої пари.

Необхідно підвищувати ефективність споруджень, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, домагатися більш повного згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже зараз не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним змістом З у відпрацьованих газах. Створюють електромобілі, які здатні конкурувати зі звичайними, і можливість застосування пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах, наприклад у двигунах, що працюють на суміші водню з киснем.

Схема теплового двигуна

Список використаної літератури:

1. Енциклопедія юного фізика. – М., 1986.

2. Словник-довідник з фізики. – К., 1991.

3. Теплові двигуни: в запитаннях і відповідях. – К., 1993.