Принцип действия тепловых машин. Тепловые двигатели. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей.

Под действием сил трения и сопротивления механическая энергия переходит во внутреннюю. А возможен ли обрат­ный переход, при котором внутренняя энергия превращалась бы в механическую или позволяла бы совершать меха­ническую работу? Оказывается, возможен. Для этого ис­пользуются так называемые тепловые машины (двигатели), совершающие механическую работу за счет внутренней энергии системы. Тепловые двигатели позволяют использовать огромные запасы внутренней энергии различных энергоносителей (топли­ва) для нужд цивилизации.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя 1, рабочего тела 2 (газ или пар) и холодильника 3. Нагреватель (теплоотдатчик) передает рабочему телу тепловой машины энергию в виде тепла. Холодильник (теплоприемник) забирает от рабочего тела неизрасходованную часть тепловой энергии. Чаще всего в качестве холодильника используется окружающая среда. Система, которая обме­нивается энергией (теплотой) с внешней средой или другими системами и совершает рабо­ту, называется рабочим телом (веществом).

Работа любой тепловой машины состоит из повторяющихся циклических или круговых процессов (циклов). Циклическим или круговым процессом называется такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.

Каждый цикл включает в себя:

1) получение рабочим телом энергии от нагревателя;

2) расширение рабочего тела и совершение им работы;

3) передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение в исходное состояние.

Рассмотренный круговой процесс представляет собой схему работы любой тепловой машины, преобразующей тепло в работу. Газ получает от нагревателя количество теплоты

ΔQ₁ часть его ΔQ₂ отдает холодильнику. Так как рабочее тело вернулось в исходное состояние, то его внутренняя энергия не изменилась. Согласно первому началу термодинамики разность полученного и отданного количества теплоты (ΔQ = ΔQ₁ — ΔQ₂) и есть совершенная работа (ΔQ = A).

Коэффициент полезного действия (КПД)тепловой машины определяют как отношение совершенной машиной работы А к количеству тепла ΔQ₁, полученному от нагревателя:

КПД характеризует степень преобразования внутренней энергии в механическую в данном тепловом двигателе. Другими словами, это эффективность работы тепловой машины, выра­женная количественно.

С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин исторически связано открытие второго начала тер­модинамики, которое определяет принцип действия тепло­вых машин. В 1850 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус дал следующую формулировку второго начала термо­динамики:

невозможен такой процесс, при котором теплота самопро­извольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.

В 1851 г. Томсон предложил свою формулировку второго начала термодинамики:

невозможно построить такую циклически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы толь­ко к совершению механической работы и соответствующему охлаждению нагревателя.

Формулировки Клаузиуса и Томсона эквивалентны, т. е. сле­дуют одна из другой. В настоящее время второе начало термоди­намики формулируют следующим образом:

в природе невозможен такой циклический процесс, единст­венным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от нагревателя или окружающей среды, в работу.

Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса, т. е. нециклический процесс, в ходе которо­го все количество подведенной извне теплоты преобразуется в работу, в природе существовать может. Для примера вспом­ним изотермическое расширение идеального газа, при котором вся подводимая теплота переходит в работу газа. Однако, как только необходимо будет повторить этот процесс вновь, потребу­ется вернуть газ в начальное состояние. Для того чтобы газ сжать, нужно либо совершить работу над ним, либо его просто охладить. И если первое условие нас не удовлетворяет, ибо необходимо создать машину, которая сама совершает работу, то второй способ подходит вполне. Но охлаждение газа не может произойти само по себе. Лишнюю теплоту нужно передать какой-либо системе. А это означает, что система, получив тепло­ту, или нагреется, или сама совершит работу, или произойдет одновременно и то, и другое. В любом случае состояние системы изменится. О чем, собственно, и идет речь во втором начале термодинамики.

Поскольку всю полученную теплоту рабочее тело не может преобразовать в работу, то какое-то количество теплоты оно будет «терять», т. е. отдавать холодильнику. Это означает, что КПД тепловой машины никогда не может быть равным единице. Таким образом, второе начало термодинамики ставит непреодо­лимое препятствие перед любым желающим сконструировать вечный двигатель второго рода, в котором должен быть достиг­нут КПД, равный единице, т. е. все подводимое тепло переходи­ло бы в работу. Отметим, что нарушения первого начала термо­динамики при этом не наступало бы — такие вечные двигатели «разрешены» первым началом термодинамики.

Итак, краткая формулировка второго начала термодина­мики:

нельзя построить вечный двигатель второго рода.

Билет 21