Тепловой двигатель: определение, виды и примеры

Тепловые двигатели окружают вас. От машины, которую вы едете, до холодильника, который охлаждает продукты, до систем отопления и охлаждения вашего дома, - все они работают на одних и тех же ключевых принципах.

Цель любого теплового двигателя - преобразовать тепловую энергию в полезную работу, и для этого можно использовать множество различных подходов. Одна из простейших форм теплового двигателя - двигатель Карно, названный в честь французского физика Николя. Леонард Сади Карно, построенный вокруг идеализированного четырехступенчатого процесса, который зависит от адиабатического и изотермического этапы.

Но двигатель Карно - всего лишь один пример теплового двигателя, и многие другие типы достигают той же основной цели. Изучение того, как работают тепловые двигатели и как вычислять эффективность тепловых двигателей, важно для любого, кто изучает термодинамику.

Тепловой двигатель - это термодинамическая система, преобразующая тепловую энергию в механическую. Хотя под этот общий заголовок попадает множество различных конструкций, несколько основных компонентов можно найти практически в любом тепловом двигателе.

Любой тепловой двигатель нуждается в тепловой бане или высокотемпературном источнике тепла, которые могут принимать разные формы (например, ядерный реактор является источником тепла на атомной электростанции, но во многих случаях сжигаемое топливо используется как тепло источник). Кроме того, должен быть резервуар с низкотемпературным холодом, а также сам двигатель, который обычно представляет собой газ, который расширяется при подаче тепла.

Двигатель поглощает тепло из горячего резервуара и расширяется, и именно этот процесс расширения воздействует на окружающую среду, обычно превращаясь в пригодную для использования форму с помощью поршня. Затем система отдает тепловую энергию обратно в холодный резервуар и возвращается в исходное состояние. Затем процесс повторяется снова и снова циклически, чтобы непрерывно производить полезную работу.

Термодинамические циклы или циклы двигателя - это общий способ описания многих конкретных термодинамических систем, которые работают в циклическом режиме, обычном для большинства тепловых двигателей. Простейшим примером теплового двигателя, работающего с термодинамическими циклами, является двигатель Карно или двигатель, работающий на основе цикла Карно. Это идеализированная форма тепловой машины, которая включает только обратимые процессы, в частности адиабатическое и изотермическое сжатие и расширение.

Все двигатели внутреннего сгорания работают по циклу Отто, который представляет собой еще один тип термодинамического цикла, в котором воспламенение топлива используется для работы с поршнем. На первой ступени поршень опускается, всасывая топливно-воздушную смесь в двигатель, которая затем адиабатически сжимается на второй ступени и воспламеняется на третьей.

Перед открытием выпускного клапана происходит быстрое повышение температуры и давления, которое воздействует на поршень за счет адиабатического расширения, что приводит к снижению давления. Наконец, поршень поднимается, чтобы удалить израсходованные газы и завершить цикл двигателя.

Другой тип теплового двигателя - двигатель Стирлинга, который содержит фиксированное количество газа, которое перемещается между двумя разными цилиндрами на разных стадиях процесса. На первом этапе происходит нагрев газа для повышения температуры и создания высокого давления, которое перемещает поршень для обеспечения полезной работы.

Затем поршень поднимается вверх и толкает газ во второй цилиндр, где он охлаждается холодом. резервуар перед повторным сжатием, процесс, требующий меньше работы, чем производился в предыдущем сцена. Наконец, газ возвращается в исходную камеру, где цикл двигателя Стирлинга повторяется.

Эффективность теплового двигателя - это отношение полезной выходной работы к затраченной тепловой или тепловой энергии, а Результатом всегда является значение от 0 до 1 без единиц измерения, потому что и тепловая энергия, и рабочая мощность измеряются в джоули. Это означает, что если бы у вас былидеальнотепловой двигатель, он будет иметь коэффициент полезного действия 1 и преобразовывать всю тепловую энергию в полезную работу, и если бы ему удалось преобразовать половину, то КПД составил бы 0,5. В базовой форме формулу можно представить в виде написано:

Конечно, тепловая машина не может иметь КПД 1, потому что второй закон термодинамики требует, чтобы энтропия любой замкнутой системы со временем увеличивалась. Хотя есть точное математическое определение энтропии, которое вы можете использовать, чтобы понять это, самый простой способ Подумайте об этом, так это то, что неотъемлемая неэффективность любого процесса приводит к некоторой потере энергии, обычно в виде потерь нагревать. Например, поршень двигателя, несомненно, будет иметь некоторое трение, работающее против его движения, что означает, что система будет терять энергию в процессе преобразования тепла в работу.

Теоретический максимальный КПД теплового двигателя называется КПД Карно. Уравнение для этого связывает температуру горячего резервуараТ​_ЧАС и холодный резервуарТ​_C к эффективности (η) двигателя.

Вы можете умножить результат на 100, если хотите выразить ответ в процентах. Важно помнить, что этотеоретическиймаксимум - маловероятно, что какой-либо из реальных двигателей действительно приблизится к эффективности Карно на практике.

Важно отметить, что вы максимизируете эффективность тепловых двигателей, увеличивая разницу температур между горячим и холодным резервуарами. Для автомобильного двигателя,Т​_ЧАС температура газов внутри двигателя при сгорании, иТ​_C это температура, при которой они выталкиваются из двигателя.

Паровая машина и паровые турбины - два самых известных примера тепловой машины, и изобретение паровой машины было важным историческим событием в индустриализации общество. Паровая машина работает очень похоже на другие тепловые машины, о которых говорилось выше: котел превращает воду в пар, который направляется в цилиндр, содержащий поршень, и высокое давление пара перемещает цилиндр.

Пар передает часть тепловой энергии цилиндру, охлаждая при этом, а затем, когда поршень полностью выталкивается, оставшийся пар выпускается из цилиндра. В этот момент поршень возвращается в исходное положение (иногда пар направляется к другому сторону поршня, чтобы он тоже мог его оттолкнуть), и термодинамический цикл начинается снова с большим количеством пара.

Эта относительно простая конструкция позволяет производить большой объем полезной работы из всего, что способно кипятить воду. Эффективность теплового двигателя с такой конструкцией зависит от разницы между температурой пара и окружающего воздуха. Паровоз использует работу, созданную в результате этого процесса, для поворота колес и движения поезда.

Паровая турбина работает очень похоже, за исключением того, что работа идет на вращение турбины, а не на перемещение поршня. Это особенно полезный способ выработки электроэнергии из-за вращательного движения, создаваемого паром.

Двигатель внутреннего сгорания работает на основе цикла Отто, описанного выше, с искровым зажиганием, используемым для бензиновых двигателей, и воспламенением от сжатия, используемым для дизельных двигателей. Основное различие между ними заключается в способе воспламенения топливно-воздушной смеси, при которой топливно-воздушная смесь сжимается, а затем физически воспламеняется в бензиновых двигателях, а топливо распыляется в сжатый воздух в дизельных двигателях, вызывая его воспламенение от температура.

Помимо этого, остальная часть цикла Отто завершается, как описано ранее: Топливо всасывается в двигатель (или просто воздух для дизельное топливо), сжатый, воспламененный (от искры для топлива и разбрызгивания топлива в горячий сжатый воздух для дизельного топлива), который выполняет полезную работу на поршне через адиабатическое расширение, а затем выпускной клапан открывается, чтобы снизить давление, и поршень выталкивает использованный газ.

Тепловые насосы, кондиционеры и холодильники тоже работают в форме теплового цикла, хотя у них другая цель - использовать работу для перемещения тепловой энергии, а не наоборот. Например, в цикле нагрева теплового насоса хладагент поглощает тепло из наружного воздуха из-за его более низкой температуры (поскольку тепловсегдатечет от горячего к холодному), а затем проталкивается через компрессор, чтобы повысить его давление и, следовательно, температуру.

Этот более горячий воздух затем перемещается в конденсатор рядом с обогреваемым помещением, где тот же процесс передает тепло в помещение. Наконец, хладагент проходит через клапан, который понижает давление и, следовательно, температуру, и готов к следующему циклу нагрева.

В цикле охлаждения (как в кондиционере или холодильнике) процесс, по сути, протекает в обратном порядке. Хладагент поглощает тепловую энергию из комнаты (или внутри холодильника), потому что он хранится в холодную температуру, а затем его пропускают через компрессор, чтобы повысить давление и температура.

В этот момент он перемещается за пределы комнаты (или в заднюю часть холодильника), где тепловая энергия передается более холодному наружному воздуху (или окружающей комнате). Затем хладагент направляется через клапан для понижения давления и температуры, считая для другого цикла нагрева.

Поскольку цель этих процессов противоположна примерам двигателей, выражение эффективности теплового насоса или холодильника также отличается. Впрочем, по форме это вполне предсказуемо. Для отопления:

А для охлаждения:

ГдеQтермины относятся к тепловой энергии, перемещаемой в комнату (с индексом H) и отводимой из нее (с индексом C) иW​_в это работа, вводимая в систему в виде электричества. Опять же, это значение является безразмерным числом от 0 до 1, но вы можете умножить результат на 100, чтобы получить процентное значение, если хотите.

Электростанции или электростанции - это просто еще одна форма теплового двигателя, независимо от того, производят ли они тепло с помощью ядерного реактора или сжигая топливо. Источник тепла используется для перемещения турбин и, таким образом, выполнения механической работы, часто с использованием пара из нагретой воды для вращения паровой турбины, которая вырабатывает электричество описанным выше способом. Точный тепловой цикл может варьироваться между электростанциями, но обычно используется цикл Ренкина.

Цикл Ренкина начинается с повышения температуры воды источником тепла, а затем расширения водяного пара в турбины, с последующей конденсацией в конденсаторе (с выделением отходящего тепла в процессе), прежде чем охлажденная вода попадет в насос. Насос увеличивает напор воды и подготавливает ее к дальнейшему нагреву.