Главная >> Физика. 10 класс. Базовый уровень. Пурышева

Глава 6. Свойства газов

Принципы работы тепловых двигателей

Процесс сжатия следует осуществлять при более низкой температуре, чем расширение. Поэтому рабочее тело необходимо охладить. Для этого его приводят в контакт с телом, температура которого Т₂ < Т₁. Такое тело называют холодильником. Для паровой турбины холодильником является атмосфера или специальное устройство для охлаждения отработанного пара; для двигателя внутреннего сгорания — атмосфера.

Следовательно, только часть количества теплоты Q₁ полученного от нагревателя, превращается в полезную механическую работу А. Остальное количество теплоты Q₂ передаётся холодильнику.

На рисунке 98 работа сжатия соответствует площади фигуры под кривой ВbА. Тогда полная работа, равная разности между работой расширения и работой сжатия, соответствует площади фигуры, ограниченной кривой АаВbА.

Таким образом, для обеспечения циклической работы теплового двигателя необходимы нагреватель с температурой T₁ холодильник с температурой Т₂ и рабочее тело. Рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q₁ и отдаёт холодильнику количество теплоты Q₂. Разность Q₁ - Q₂ равна полезной работе:

А = Q₁ - Q₂.

Итак, в циклически работающей тепловой машине невозможно преобразовать в механическую работу всё количество теплоты, полученное от нагревателя.

Для того чтобы вернуть рабочее тело двигателя в исходное состояние, его необходимо сжать, затратив при этом энергию от внешнего источника, поскольку, как следует из второго закона термодинамики, оно самопроизвольно в это состояние вернуться не может.

Этот вывод лежит в основе иной формулировки второго закона термодинамики: невозможно осуществить такой периодический процесс, единственным результатом которого было бы получение работы за счёт энергии, взятой от одного источника.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя

4. Эффективность работы теплового двигателя определяется его КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы А к количеству теплоты, полученному рабочим телом от нагревателя Q1.

или

Так как меньше единицы, то коэффициент полезного действия никогда не может быть равным единице (η < 1).

Идеальный тепловой двигатель

5. Французский учёный Карно, решая проблему повышения эффективности тепловых двигателей, предложил модель идеального теплового двигателя. Рабочим телом в нём служит идеальный газ. Энергетически наиболее выгодными являются адиабатный и изотермический процессы, происходящие с идеальным газом. В них вся полученная рабочим телом энергия превращается в работу. Напомним, что при изохорном процессе работа не совершается, при изобарном на совершение работы идёт только часть полученного рабочим телом количества теплоты, другая часть расходуется на изменение его внутренней энергии.

На рисунке 99 приведён график зависимости давления от объёма в идеальном тепловом двигателе Карно, называемый циклом Карно.

Никола Леонар Сади Карно (1796—1832) — французский физик и инженер, один из создателей термодинамики. Известен своими работами в области термодинамики. Сформулировал второе начало термодинамики, доказав, что полезная работа совершается при передаче энергии от более нагретого тела к более холодному; ввёл понятие идеального цикла тепловой машины, вычислил для него КПД и доказал, что этот коэффициент является максимальным для любого реального теплового двигателя.

<<< К началу      Окончание >>>