КПД теплового двигателя. Холодильные машины. Тепловые двигатели. Охрана природы

КПД теплового двигателя.

Холодильные машины. Тепловые двигатели. Охрана природы

Тепловая машина - это система, которая может превратить тепло в работу или же наоборот, совершает работу для получения тепла. 

Существует два основных вида тепловых машин:

1. Системы, способные превращать тепло в работу. Такие системы называются тепловыми двигателями. Данные тепловые машины лежат в основе двигателей на автомобилях. Чтобы машина ехала, двигатель должен совершать работу. Для совершения данной работы происходит сгорание топлива.

2. Системы, способные охлаждать тела, за счет совершения работы внешних сил. Такие системы называются холодильными машинами. В основе нашего домашнего холодильника лежит принцип холодильной машины. Любое тепло, которое подводится к ней, выводиться за пределы машины за счет совершения работы внешними силами.

Любая тепловая машина состоит из тела, которое совершает работу, холодильника и нагревателя.

Тепловой двигатель - устройство, в котором осуществляется преобразование внутренней энергии топлива в механическую энергию. Тепловой двигатель содержит три основные части: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Общая блок-схема теплового двигателя представлена на рис. 32. Чаще всего рабочими телами, совершающими работу в тепловых двигателях, являются газ или пар.

За один цикл работы рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q₁. Расширяясь, оно совершает работу А` и часть количества теплоты Q<sub>2</sub> передает холодильнику: Q<sub>1</sub> = А` + Q₂.

Охладителем у большинства тепловых двигателей является окружающая среда (атмосфера).

Тепло, полученное от нагревателя, рабочее тело не может полностью превратить в механическую энергию путем совершения работы. Если бы Q₁ = А`, то тогда температура рабочего тела упала до О К, а это, как говорилось выше, невозможно. Если бы температура рабочего тела оказалась ниже температуры окружающей среды, то давление газа (пара) было бы меньше атмосферного и двигатель не смог бы совершать работу.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя равен отношению работы А`, совершенной двигателем за один цикл, к количеству теплоты Q₁, полученной от нагревателя:

Максимальный КПД имеет тепловой двигатель, работающий по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

В 1824 г. С. Карно (1796-1832) доказал теорему: любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником, имеющим температуру Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины, определяемый соотношением :

Из этой формулы следует, что чем больше разность температур нагревателя и холодильника (т. е. чем дальше в координатах Р-V отстоят друг от друга изотермы), тем больше n_мах. Но КПД всегда меньше 1 (n_нах < 1), так как Т₂ > О.

Стоит отметить, что КПД всегда меньше единицы. Более того, зачастую нами используются тепловые двигатели, КПД которых меньше 50%.

Холодильные машины

Как было сказано, нельзя заставить некоторую систему самопроизвольно передавать тепло от менее нагретого тела к более нагретому. Однако ключевое слово здесь - самопроизвольно.  С помощью внешнего источника работы это все-таки возможно. Холодильная машина производит именно такие процессы.

Холодильная машина также состоит из трех основных элементов. В виде рабочего тела выступает хладагент.  Холодильник позволяет забирать тепло Q2 и отдавать его хладагенту, который, в свою очередь, расширяется.

С помощью хладагента данное тепло передается нагревателю в размере Q1. Это возможно только в тех случаях, когда газ сжимают при температуре выше, чем его расширяли. Это можно сделать только с помощью той работы А1, которую совершает внешний двигатель: Q1 = Q2 + A1

Влияние тепловых двигателей на окружающую среду заключается в следующем:

1.                  Выделение в окружающую среду большого количества тепла, которое должно привести к постепенному повышению температуры на Земле.

2.                  Работа тепловых двигателей сопровождается сжиганием большого количества угля, нефти и газа. Углекислый газ в атмосфере наряду с парами воды приводит к "парниковому эффекту", что ведет к увеличению температуры Земли.

3.                  Топки электростанций, двигатели внутреннего сгорания выбрасывают в атмосферу вредные для растений, животных и человека вещества: сернистые соединения, оксиды азота, углеводороды, окиси углерода и др.

4.                  Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

5.                  Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).