19. Принцип действия тепловых двигателей

Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами энергии еще недостаточно, необходимо уметь за счет энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и так далее.

Человечеству нужно двигатели - устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле - это тепловые двигатели, то есть устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую.

Д ля того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов.

Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ. Газ совершает работу при расширении. Для этого он должен получить энергию. От нагревателя, температура которого Т₁ рабочее тело получает энергию Q_1, газ совершает работу А и отдает энергию Q₂ холодильнику.

Холодильник обычно атмосфера: таким образом, Т₂ холодильника может быть ниже температуры атмосферы только, если для этого совершить дополнительную работу.

Невозможность полного превращения внутренней энергии в работу в тепловых двигателей обусловлена необратимостью процессов в природе.

Коэффициентом полезного действия теплового двигателя называют отношение работы А, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя

η = =

так как некоторое количество теплоты обязательно передается холодильнику.

η всегда меньше 1. Реальные двигатели имеют К.П.Д. около 40%. Максимальный К.П.Д. имеют двигатели Дизеля около 44%.

Французский инженер Сади Карно в 1824 году опубликовал работу, в которой получил формулу максимально возможного значения К.П.Д.

η =

Например, для паровой турбины η_max =62%,а реальной около 30%. Реальная тепловая машина не может иметь К.П.Д., превышающий К.П.Д. идеальной машины. Для повышения К.П.Д. можно понизить температуру холодильника или повысить температуру нагревателя. Температура холодильника ограничена температурой атмосферного воздуха, а температура нагревателя ограничена возможностями материалов. Повышение К.П.Д. является важнейшей задачей инженеров.

20. Применение тепловых двигателей

Тепловым двигателем называется устройство, которое превращает внутреннюю энергию обычного или ядерного топлива в механическую.

Энергия, которая выделяется при сгорании топлива или при ядерных реакциях, передается путем теплообмена какому-либо газу. При расширении газа совершается работа против внешних сил и приводится в движение какой-нибудь механизм.

В 90-е годы прошлого века потребляемая мощность составляла около 10¹⁰ Вт.

Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно равны T₁ = 800 К и Т₂ = 300 К, максимальное значение КПД равно около 0,62

η =

Действительное же значение η = 40 %, и максимальное из реальных - 44 % имеют двигатели Дизеля.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие неполного сгорания и т.д.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Более 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели - паровые турбины - устанавливают так же на всех атомных электростанциях.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобильном транспорте применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах, незаменимых в сельском хозяйстве.

На железнодорожном транспорте до середины двадцатого века основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.

На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные паровые турбины для крупных судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбореактивные и реактивные двигатели. Реактивные двигатели применяются так же и на космических ракетах.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов скоростного транспорта.

Автомобилей становится все больше, чтобы и в будущем люди могли пользоваться благами цивилизации, требуются большие природоохранные мероприятия.