Принципы действия тепловых машин.

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. Тепловые двигатели -системы, способные превращать тепло в работу. Данные тепловые машины лежат в основе двигателей на автомобилях. Чтобы машина ехала, двигатель должен совершать работу. Для совершения данной работы происходит сгорание топлива. В машине лежит принцип извлечения работы из беспрерывного движения структурных единиц вещества. Рабочим телом является газ. Во время нагревания газа поршень двигателя передвигается и тем самым совершает работу. Чтобы газ расширился, к нему подводят нагреватель. Расширение будет происходить только в том случае, когда температура газа будет больше, чем температура окружающей среды. Во время сгорания топлива выделяется достаточная энергия, большая часть которой идет на совершение работы, поэтому Q₁=A₁. Для того, чтобы машина постоянно работала, необходимо, чтобы газ расширялся и сужался - в таком случае поршень будет периодически возвращаться в исходное положение. Поэтому холодильник охлаждает газ, передавая ему теплоту Q₂ = A₂. В данном случае полезная работа будет равна A = A₁ − A₂. Чтобы работа охлаждения была меньше, её следует совершать при меньшем давлении, как показано на графике.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя определяется по формуле: . Стоит отметить, что КПД всегда меньше единицы. Более того, зачастую нами используются тепловые двигатели, КПД которых меньше 50%.

2.Холодильные машины -системы, способные охлаждать тела, за счет совершения работы внешних сил. В основе бытового холодильника лежит принцип холодильной машины. Любое тепло, которое подводится к ней, выводиться за пределы машины за счет совершения работы внешними силами. 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 А’, которую совершает внешний двигатель: Q₁ = Q₂ + A^’

Основными характеристиками любой тепловой машины являются граничные значения температур нагревателя и холодильника. Чтобы получить максимальное значение КПД, следует подобрать соответствующие температуры нагревателя и холодильника. В начале 19 века Сади Карно изобрел машину, рабочим телом в которой был идеальный газ. Машина работала по циклу Карно, в основу которого вошло два адиабатического процесса и два изотермического процесса. Сначала тело изотермически расширяют при начальной температуре. Поэтому все количество теплоты, которое получает газ, идет на совершение работы. Затем газ расширяется еще больше без теплообмена, в это время уменьшается внутренняя энергия. Во второй части цикла газ подводится к холодильнику при температуре Т₂ и при этом сжимается без её изменения. После этого с помощью адиабатного процесса он возвращается в исходное состояние.

Несмотря на большую популярность, тепловые двигатели приносят огромный вред окружающей среде. Они способствуют накапливанию продуктов работы в окружающей среде, а углекислый газ, выделяющийся в результате работы, приводит к глобальному потеплению.

Литература