Тепловые двигатели

 

Тепловые двигатели - это устройства, преобразующие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

 

1. Работа двигателя

 

A=\left|Q_{1}\right|-\left|Q_{2}\right|

Q_{1} – количество теплоты, полученной от нагревателя;

Q_{2} – количество теплоты, отданной холодильнику.

Количество теплоты, полученное от нагревателя - это количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива. Холодильником обычно является атмосфера, куда сбрасывают отработанные газы, или специальные охлаждающие устройства.

 

2. КПД двигателя

 

\eta=\frac{A}{Q_{1}}100\%
\eta=\frac{\left|Q_{1}\right|-\left|Q_{2}\right|}{Q_{1}}100\%

 

3. Идеальная тепловая машина

 

Идеальную тепловую машину придумал французский инженер Сади Карно. Она отличается следующими особенностями:

а) рабочее тело, то есть газ, который расширяясь совершает работу - идеальный газ;

б) нет потерь на трение;

в) машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат

Цикл Карно

1-2, 3-4 – адиабаты;

3-4, 4-1 – изотермы.

1) Изотерма

T=const\Rightarrow\Delta U=0
Q=\Delta U+A\Rightarrow Q=A

2) Адиабата

Q=0
0=\Delta U+A\Rightarrow A=-\Delta U\Rightarrow\Delta U=A'

A – работа газа;

A' – работа внешних сил.

Уравнение адиабаты

pV^{\gamma}=const
\gamma=\frac{C_{p}}{C_{V}}

C_{p} – теплоемкость при постоянном давлении;

C_{V} – теплоемкость при постоянном объеме;

C_{p};C_{V} – молярные теплоемкости.

Молярные теплоемкости отличаются от удельных размерностью. Молярная теплоемкость – это количество теплоты, которое необходимо сообщить одному молю данного вещества для того, чтобы нагреть его на один Кельвин.

Для молярных теплоемкостей:

C_{p}=C_{V}+R

 

4. КПД идеальной тепловой машины

 

\eta=\frac{T_{1}-T_{2}}{T_{1}}100\%

T_{1} – температура нагревателя;

T_{2} – температура холодильника.

КПД идеальной тепловой машины является максимальным для всех тепловых машин с данными температурами нагревателя и холодильника.

 

5. Вечные двигатели

 

а) вечный двигатель Ι рода:

работает без притока энергии, что нарушает Ι закон термодинамики;

б) вечный двигатель ΙΙ рода:

работает с КПД 100%, т.е. тепло самопроизвольно переходит от холодильника к нагревателю, что противоречит ΙΙ закону термодинамики.

 

ΙΙ закон термодинамики

 

Формулировка Клаузиуса: Невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах и в окружающих телах.

ΙΙ закон термодинамики утверждает необратимость процессов в природе.