Тепловые двигатели

Физика > Тепловые двигатели

 

Принцип работы теплового двигателя в термодинамике: второй закон термодинамики, циклический процесс, эффективность теплового двигателя, формулы, теплообмен.

В термодинамике тепловой двигатель выступает системой, осуществляющей трансформацию тепловой энергии в механическую работу.

Задача обучения

• Выяснить, почему эффективность выступает главнейшим параметром для тепловых двигателей.

Основные пункты

• Циклический процесс возвращает систему в стартовое положение. Большая часть тепловых двигателей (поршневые и вращающиеся турбины) применяют циклические процессы.
• Второй закон термодинамики: в системе теплопередачи невозможно полностью трансформировать в работу при циклическом процессе.
• Эффективность теплового двигателя (Eff) – выходная мощность двигателя (W), деленная теплопередачей на двигатель:   (Q_c и Q_h – передача тепла в горячий (двигатель) и холодный (окружающая среда)).

Термины

• Тепловая энергия – внутренняя энергия при термодинамическом балансе.
• Внутренняя энергия – сумма всей энергии в системе, включая кинетическую и потенциальную.

Тепловой двигатель – система, трансформирующая тепловую энергию в механическую работу. К ним относятся бензиновые, дизельные, реактивные и паровые турбины. Все они используют тепло из источника. Передача тепла от горячего тела – Q_h, а холодное – Q_c. Температуры их обозначаются соответственно: T_h и T_c.

(а) – Теплообмен осуществляется спонтанно от горячего тела к прохладному (подчиняется второму закону термодинамики). (b) – Тепловой двигатель (круг) использует часть теплопередачи, чтобы выполнить работу. Объекты именуются горячими и холодными резервуарами. Q_h – теплопередача из горячего резервуара, W – выход работы, Q_c – передача в холодный

Горячий резервуар нагревается внешним воздействием, поэтому работа выполняется максимально эффективно. Но нам бы хотелось выровнять W и Q_h, чтобы не переносить тепло во внешний мир (Q_c = 0). К сожалению, этого не случится. Второй закон термодинамики указывает на то, что при переносе тепла нельзя полностью преобразовать его в работу в циклическом процессе.

Циклический процесс заставляет систему возвращаться в исходное положение. Второй закон доходчиво объясняет, что такие двигатели не располагают идеальной трансформацией теплопередачи в работу.

КПД

Что можно сказать о КПД теплового двигателя? Итак, циклический процесс вынуждает систему постоянно начинать все сначала. Внутренняя энергия (U) системы одинакова на первом и последнем этапе цикла, так что ΔU = 0. В первом законе указано, что ΔU = Q – W (Q – чистый теплообмен во время цикла, а W – чистая работа). Так как ΔU = 0, то W = Q. Поэтому выполняемая системой работа приравнивается к чистой передаче тепла в систему или W = Q_h - Q_c (циклический процесс), как отображено на рисунке (b).

Эффективность выступает важнейшим параметром для теплового двигателя. Загвоздка лишь в том, что во всех процессах присутствует трата тепла на внешнюю среду (Q_c). Если трансформируем энергию в работу, то всегда вынуждены получать меньше, чем вкладываем. Эффективность определяется в качестве выходной мощности, разделенной на теплопередачу:

Eff =  W/Q_h.

В циклическом процессе W = Q_h – Q_c, поэтому можно выразить как:

(для циклического процесса).

100% эффективность возможна только, если теплопередача в окружающую среду отсутствует (Q_c = 0).

---