Тепловой двигатель (машина)

Тепловой двигатель
Тепловой двигатель (машина) –
это устройство, которое
совершает механическую работу
циклически за счет энергии,
поступающей к нему в ходе
теплопередачи.
 Источником
поступающего
количества теплоты в
реальных двигателях могут
быть сгорающее
органическое топливо,
разогретый Солнцем котел,
ядерный реактор,
геотермальные воды и т.д.
В
настоящее время наиболее
распространены два типа
двигателей: поршневой
двигатель внутреннего
сгорания (сухопутный и
водный транспорт) и паровая
или газовая турбина
(энергетика).

Первые тепловые двигатели,
широко распространившиеся в
промышленности, назывались
паровыми машинами. К
современным тепловым
двигателям можно отнести
ракетные и авиационные
двигатели.
Модель теплового двигателя и ее
составные части



В теоретической модели теплового двигателя
рассматриваются три тела: нагреватель,
рабочее тело и холодильник.
Нагреватель – тепловой резервуар (большое
тело), температура которого постоянна.
В каждом цикле работы двигателя рабочее тело
получает некоторое количество теплоты от
нагревателя, расширяется и совершает
механическую работу. Передача части энергии,
полученной от нагревателя, холодильнику
необходима для возвращения рабочего тела в
исходное состояние.
disp2.htm



Так как в модели предполагается, что
температура нагревателя и холодильника не
меняется в ходе работы теплового двигателя,
то при завершении цикла: нагреваниерасширение-остывание-сжатие рабочего тела
считается, что машина возвращается в
исходное состояние.
Для каждого цикла на основании первого
закона термодинамики можно записать, что
количество теплоты Qнагр, полученное от
нагревателя, количество теплоты |Qхол|,
отданное холодильнику, и совершенная
рабочим телом работа А связаны между собой
соотношением:
A = Qнагр – |Qхол|.

В реальных технических устройствах,
которые называются тепловыми машинами,
рабочее тело нагревается за счет тепла,
выделяющегося при сгорании топлива. Так, в
паровой турбине электростанции
нагревателем является топка с горячим
углем. В двигателе внутреннего сгорания
(ДВС) продукты сгорания можно считать
нагревателем, а избыток воздуха – рабочим
телом. В качестве холодильника в них
используется воздух атмосферы или вода
природных источников.
КПД теплового двигателя (машины)

Коэффициентом полезного действия
теплового двигателя (КПД) называется
отношение работы, совершаемой
двигателем, к количеству теплоты,
полученному от нагревателя:


Коэффициент полезного действия любого
теплового двигателя меньше единицы и
выражается в процентах. Невозможность
превращения всего количества теплоты,
полученного от нагревателя, в
механическую работу является платой за
необходимость организации циклического
процесса и следует из второго закона
термодинамики.

В реальных тепловых двигателях КПД
определяют по экспериментальной
механической мощности N двигателя и
сжигаемому за единицу времени
количеству топлива. Так, если за время t
сожжено топливо массой m и удельной
теплотой сгорания q, то

Для транспортных средств справочной
характеристикой часто является объем V
сжигаемого топлива на пути s при
механической мощности двигателя N и при
скорости . В этом случае, учитывая
плотность r топлива, можно записать
формулу для расчета КПД:
