Тепловий двигун: визначення, типи та приклади

Теплові двигуни - все навколо вас. Від машини, до якої ви їдете, до холодильника, який підтримує вашу їжу прохолодною, до систем опалення та охолодження вашого будинку, всі вони працюють на одних ключових принципах.

Метою будь-якої теплової машини є перетворення теплової енергії в корисну роботу, і для цього існує безліч різних підходів. Однією з найпростіших форм теплової машини є двигун Карно, названий на честь французького фізика Ніколя Леонард Саді Карно, побудований навколо ідеалізованого чотиристадійного процесу, який залежить від адіабатичного та ізотермічного етапи.

Але двигун Карно - лише один із прикладів теплового двигуна, і багато інших типів досягають тієї ж основної мети. Дізнатися про те, як працюють теплові двигуни і як робити такі речі, як розрахувати ефективність теплового двигуна, важливо для всіх, хто вивчає термодинаміку.

Тепловий двигун - це термодинамічна система, яка перетворює теплову енергію в механічну. Незважаючи на те, що під цю загальну рубрику підпадає багато різних конструкцій, кілька основних компонентів є майже в будь-якому тепловому двигуні.

Будь-якому тепловому двигуну потрібна теплова ванна або високотемпературне джерело тепла, яке може приймати різні форми (наприклад, ядерний реактор є джерелом тепла на атомній електростанції, але в багатьох випадках паливо, що спалюється, використовується як тепло джерело). Крім того, повинен бути низькотемпературний холодний резервуар, а також сам двигун, який, як правило, є газом, що розширюється при подачі тепла.

Двигун поглинає тепло з гарячого резервуара і розширюється, і цей процес розширення впливає на навколишнє середовище, як правило, використовуючи поршень у придатну для використання форму. Потім система вивільняє теплову енергію назад у холодний резервуар і повертається у вихідний стан. Потім процес повторюється, знову і знову циклічно, щоб постійно створювати корисну роботу.

Термодинамічні цикли або цикли двигунів - це загальний спосіб описати багато специфічних термодинамічних систем, які працюють циклічно, загальноприйнято для більшості теплових двигунів. Найпростішим прикладом теплового двигуна, що працює з термодинамічними циклами, є двигун Карно або двигун, що працює на основі циклу Карно. Це ідеалізована форма теплової машини, що включає лише оборотні процеси, зокрема адіабатичне та ізотермічне стиснення та розширення.

Всі двигуни внутрішнього згоряння працюють за циклом Отто, що є іншим типом термодинамічного циклу, який використовує займання палива для роботи на поршні. На першій стадії поршень падає, щоб втягнути паливно-повітряну суміш у двигун, яка потім адіабатично стискається на другій стадії і запалюється на третій.

Відбувається швидке підвищення температури та тиску, що спрацьовує на поршні через адіабатичне розширення, перед тим, як випускний клапан відкриється, що призводить до зниження тиску. Нарешті, поршень піднімається, щоб очистити витрачені гази і завершити цикл двигуна.

Іншим типом теплових двигунів є двигун Стірлінга, який містить фіксовану кількість газу, який рухається між двома різними балонами на різних стадіях процесу. Перший етап передбачає нагрівання газу для підвищення температури та створення високого тиску, який рухає поршень, щоб забезпечити корисну роботу.

Потім поршень піднімається назад і штовхає газ у другий циліндр, де він охолоджується холодом пласта перед повторним стисненням, процес вимагає менше роботи, ніж вироблявся в попередньому етап. Нарешті, газ повертається назад у вихідну камеру, де цикл двигуна Стірлінга повторюється.

Ефективність теплового двигуна - це відношення корисної робочої потужності до теплової або теплової енергії, що вкладається, і результат завжди є значенням від 0 до 1, без одиниць виміру, оскільки вимірюється як теплова енергія, так і робоча потужність джоулів. Це означає, що якщо ви малиідеальнотепловий двигун, він би мав ККД 1 і перетворив всю теплову енергію на корисну роботу, і якби йому вдалося перетворити половину, ефективність склала б 0,5. У базовій формі формула може бути написано:

Звичайно, неможливо, щоб тепловий двигун мав коефіцієнт корисної дії 1, оскільки другий закон термодинаміки диктує, що будь-яка закрита система з часом збільшиться в ентропії. Хоча існує точне математичне визначення ентропії, за допомогою якого ви можете це зрозуміти, це найпростіший спосіб Подумайте про те, що властива неефективність будь-якого процесу призводить до певних втрат енергії, як правило, у вигляді відходів тепло. Наприклад, поршень двигуна, безсумнівно, матиме деяке тертя, працюючи проти його руху, а це означає, що система втратить енергію в процесі перетворення тепла в роботу.

Теоретична максимальна ефективність теплової машини називається ефективністю Карно. Рівняння для цього стосується температури гарячого резервуараТ​_H і холодний водосховищеТ​_C. до ефективності (η) двигуна.

Ви можете помножити результат на 100, якщо ви хочете виразити відповідь у відсотках. Важливо пам’ятати, що це саметеоретичниймаксимум - навряд чи будь-який реальний двигун справді наблизиться до ефективності Карно на практиці.

Важливо зазначити, що ви максимізуєте ефективність теплових двигунів, збільшуючи різницю температур між гарячим та холодним резервуарами. Для автомобільного двигуна,Т​_H - температура газів усередині двигуна при згорянні, іТ​_C. - це температура, при якій вони виштовхуються з двигуна.

Парова машина і парові турбіни - два найбільш відомі приклади теплової машини, і винахід парової машини було важливою історичною подією в індустріалізації Росії суспільство. Парова машина працює приблизно так само, як і інші теплові машини, про які вже йшлося раніше: котел перетворює воду в пару, яка направляється в циліндр, що містить поршень, і високий тиск пари рухає циліндр.

Пара передає частину теплової енергії в циліндр, остигаючи в процесі, а потім, коли поршень повністю виштовхується, залишок пари випускається з балона. У цей момент поршень повертається у вихідне положення (іноді пара направляється навколо іншого сторона поршня, щоб він також міг відсунути його назад), і термодинамічний цикл починається спочатку з більшою кількістю пари.

Ця порівняно проста конструкція дозволяє проводити велику кількість корисної роботи з будь-чого, що здатне кипіти воду. Ефективність теплової машини з такою конструкцією залежить від різниці між температурою пари та температури навколишнього повітря. Паровоз використовує роботу, створену в результаті цього процесу, для повороту коліс та руху поїзда.

Парова турбіна працює дуже подібним чином, за винятком того, що робота йде на поворот турбіни замість переміщення поршня. Це особливо корисний спосіб отримання електроенергії через обертальний рух, що генерується парою.

Двигун внутрішнього згоряння працює на основі описаного вище циклу Отто, із іскровим запалюванням, що застосовується для бензинових двигунів, і запалюванням від стиску, що використовується для дизельних двигунів. Основна відмінність між ними полягає в тому, як запалюється паливно-повітряна суміш, при цьому паливно-повітряна суміш стискається, а потім фізично запалюється в бензинових двигунах, а паливо розпилюється на стиснене повітря в дизельних двигунах, в результаті чого воно запалюється від температури.

Окрім цього, решта циклу Отто завершується, як описано раніше: паливо забирається в двигун (або просто повітря для дизель), стиснутий, запалений (іскрою для палива та розбризкуванням палива у гаряче, стиснене повітря для дизеля), що робить корисну роботу на поршні через адіабатичне розширення, а потім випускний клапан відкривається, щоб зменшити тиск, і поршень виштовхує використаний газ.

Теплові насоси, кондиціонери та холодильники теж працюють за формою теплового циклу, хоча у них інша мета - використовувати роботу для переміщення теплової енергії, а не навпаки. Наприклад, в циклі опалення теплового насоса холодоагент поглинає тепло із зовнішнього повітря через нижчу температуру (оскільки теплозавждиперетікає від гарячого до холодного), а потім проштовхується через компресор для підвищення його тиску, а отже і температури.

Потім це більш гаряче повітря переміщується до конденсатора, поблизу приміщення, яке нагрівається, де той самий процес передає тепло приміщенню. Нарешті, холодоагент переміщується у клапан, що знижує тиск і, отже, температуру, готовий до нового циклу нагрівання.

У циклі охолодження (як у блоці кондиціонування повітря або холодильнику) процес, по суті, працює навпаки. Холодоагент поглинає теплову енергію з приміщення (або всередині холодильника), оскільки він утримується на рівні холодна температура, а потім вона просувається через компресор для підвищення тиску і температури.

У цей момент він переміщується до зовнішньої частини приміщення (або до задньої частини холодильника), де теплова енергія передається охолоджуваному зовнішньому повітрю (або навколишньому приміщенню). Потім холодоагент надходить через клапан для зниження тиску та температури, зчитуючи інший цикл нагрівання.

Оскільки мета цих процесів протилежна прикладам двигунів, вираз ефективності теплового насоса або холодильника теж відрізняється. Однак це цілком передбачувано за формою. Для опалення:

А для охолодження:

ДеПитаннятерміни стосуються теплової енергії, переміщеної в приміщення (з індексом Н) і виведеної з нього (з індексом С) іW​_в - робота, що вкладається в систему у вигляді електроенергії. Знову ж таки, це значення є безрозмірним числом від 0 до 1, але ви можете помножити результат на 100, щоб отримати відсоток, якщо хочете.

Електростанції або електростанції насправді є лише іншою формою теплового двигуна, незалежно від того, чи створюють вони тепло за допомогою ядерного реактора або за допомогою спалення палива. Джерело тепла використовується для переміщення турбін і тим самим виконує механічну роботу, часто використовуючи пару з підігрітої води для обертання парової турбіни, яка виробляє електроенергію способом, описаним вище. Точний цикл тепла, який використовується, може відрізнятися в залежності від електростанцій, але зазвичай використовується цикл Ренкіна.

Цикл Ренкіна починається з того, що джерело тепла підвищує температуру води, а потім розширюється водяна пара в турбіни з подальшою конденсацією в конденсаторі (виділяючи при цьому відпрацьоване тепло), перш ніж охолоджена вода піде в насос. Насос збільшує тиск води і готує її до подальшого нагрівання.