Повна версія

Головна arrow Природознавство arrow МОЛЕКУЛЯРНА ФІЗИКА І ТЕРМОДИНАМІКА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   ЗМІСТ   >>

ПРИНЦИП ДІЇ ТЕПЛОВИХ ДВИГУНІВ

Пристрої, в яких відбуваються перетворення внутрішньої енергії в механічну, називаються тепловими двигунами або тепловими машинами. До них відносяться парова машина, парова турбіна, двигун внутрішнього згоряння (бензиновий і дизельний), а також різні види реактивних двигунів. У паровій машині і двигунах внутрішнього згоряння перетворення внутрішньої енергії в механічну досягається при використанні періодичного розширення робочого тіла.

Так, в паровій машині робочим тілом є гарячий водяний пар, який попередньо виходить в паровому котлі, а потім надходить в циліндр. Надаючи на поршень великий тиск, пар викликає його переміщення. Внутрішня енергія пара знижується, температура відповідно зменшується від початкового значення Tj до кінцевого Т 2 (Т |> Т 2 ). Придбана поршнем механічна енергія передається вже іншим тілам, наприклад колесам паровоза.

Відпрацьований пар випускається з циліндра в атмосферу або в спеціальний резервуар для охолодження і конденсації. Початкова температура Tj гарячої пари називається температурою нагрівача, а температура пара Т2 при випуску його в резервуар або атмосферу називається температурою холодильника.

У двигуні внутрішнього згоряння робочим тілом є гарячий газ з початковою температурою Т | в кілька сотень градусів, що утворюється в камері згоряння при спалюванні палива. Зробивши роботу по переміщенню поршня в циліндрі за рахунок своєї внутрішньої енергії, газ переходить в новий стан з більш низькою температурою Тг і випускається в атмосферу, де температура зазвичай менше Т 2 . Атмосфера відіграє роль холодильника, температуру якого вважають рівною Т 2 .

Таким чином, в тепловому двигуні при кожному акті розширення робочого тіла частина його внутрішньої енергії, запозиченої від нагрівача, переходить в механічну енергію, а частина неминуче передається холодильника.

Позначимо кількість теплоти, отримане робочим тілом від нагрівача символом Q |, кількість роботи газу - символом А, а передане робочим тілом холодильнику кількість теплоти Q 2 . Тоді відповідно до закону збереження енергії і, з огляду на, що значення Q |, A, Q 2 , є кількісними заходами енергії, можна записати:

A = Q1-Q2 (67)

Зіставляючи значення роботи А і теплоти Q ,, можна встановити, яка частина одержуваної робочим тілом внутрішньої енергії (Q t ) перетворюється в механічну енергію (А) за кожен акт розширення робочого тіла в циліндрі. Ця величина, яка називається коефіцієнтом корисної дії (скорочено

ККД) теплової машини і позначається символом 7 (ця), дорівнює:

)

Зрозуміло, що значення rj менше одиниці, так як Q 2 > 0.

Розрахунки, що виходять за рамки даного курсу, дозволяють обчислити максимально можливе значення ККД:

Ця формула безпосередньо пов'язана із співвідношенням (68), оскільки Q | і Q 2 пропорційні відповідно значенням Ti і Т 2 .

Внаслідок теплових втрат при теплообміні, подолання сил тертя ККД реальних машин істотно менше максимального значення ККД.

Слід, підкреслити, що формула (69) має велике теоретичне значення при проектуванні теплових машин, вказуючи шляхи підвищення ККД. Як бачимо, для цього необхідно збільшувати температуру нагрівача Ti і знижувати температуру холодильника Т 2 . Оскільки температуру холодильника Т 2 в більшості випадків неможливо знизити, то необхідно підвищувати температуру нагрівача. З цією метою для паросилових установок (машин, турбін) розроблені котли з отриманням пара при температурі 500 ° С і вище з тиском пари до 130 атм і більше (температура кипіння води зростає зі збільшенням тиску на поверхню рідини).

Реальні значення ККД складають: для стаціонарних парових машин до 15%; для парових турбін до 40%; для двигунів внутрішнього згоряння до 25% (бензинових) і 40% (дизельних).

 
<<   ЗМІСТ   >>