Теплові двигуни
Левова частина двигунів на Землі – це теплові двигуни. І хоча винайшли їх досить давно, уявити сучасне життя без них просто неможливо. Дійсно, більшість літаків, кораблів, машин та автомобілів обладнані саме такими двигунами. Отже, що ж розуміють під тепловими двигунами?
Теплові двигуни – це пристрої, що перетворюють енергію палива в механічну енергію.
Спробуємо розглянути ці двигуни більш детально.
Принципи дії теплових двигунів.
Для того щоб двигун робив роботу, необхідна різниця тисків по обох сторонах поршня двигуна чи лопат турбіни. В усіх теплових двигунах ця різниця тисків досягається за рахунок підвищення температури робочого тіла на сотні або тисячі градусів у порівнянні з температурою навколишнього середовища. Таке підвищення температури відбувається при згорянні палива.
Робочим тілом у всіх теплових двигунів є газ, що робить роботу при розширенні. Позначимо початкову температуру робочого тіла (газу) через t1.
У двигунах внутрішнього згоряння і газових турбін підвищення температури відбувається при згорянні палива усередині самого двигуна. Температуру Т1 називають температурою нагрівача.
Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна. Неможливість повного перетворення внутрішньої енергії газу в роботу теплових двигунів обумовлена необоротністю процесів у природі. Якби теплота могла мимовільно повертатися від холодильника до нагрівача, то внутрішня енергія могла б бути цілком перетворена в корисну роботу за допомогою будь-якого теплового двигуна.
Відповідно до закону збереження енергії робота, здійснювана двигуном, дорівнює:
A'=|Ql|-|Q2|
де Q1 — кількість теплоти, отримана від нагрівача, a Q2 -кількість теплоти, віддана холодильнику.
Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення роботи А', здійсненої двигуном, до кількості теплоти,
отриманій від нагрівача:
ККД теплового двигуна менше одиниці. При Т1-Т2=0 двигун не може працювати.
Максимальне значення ККД теплових двигунів. Закони термодинаміки дозволяють обчислити максимально можливий ККД теплового двигуна, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2. Уперше це зробив французький інженер і вчений Сади Карно .
Карно придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло. Він одержав для ККД цієї машини наступне значення:
Як і очікувалось, ККД машини Карно прямо
пропорційний різниці абсолютних температур нагрівача і холодильника.
Головне значення цієї формули полягає в тому, як довів Карно, що будь-яка реальна теплова машина, що працює з нагрівачем, що має температуру Т1, і холодильником з температурою Т2 не може мати ККД, що перевищує ККД ідеальної теплової машини.
При температурі холодильника, рівній абсолютному нулю, ?=1
Теплові двигуни й охорона природи. Повсюдне застосування теплових двигунів з метою одержання зручної для використання енергії зв'язано з впливом на навколишнє середовище. Відповідно до законів термодинаміки виробництво електричної і механічної енергії в принципі не може бути здійснене без відводу в навколишнє середовище значної кількості теплоти, що повинно привести до поступового підвищення середньої температури на Землі. Зараз потужність двигунів у цілому складає близько 1010 квт. Коли ця потужність досягне 3*1012 квт, то середня температура підвищиться приблизно на один градус. Подальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня Світового океану. Крім того, на Землі може виникнути “паровий ефект”.
Застосування парових турбін на електростанціях вимагає великих площ під ставки для охолодження відпрацьованої пари.
Охорона: Необхідно підвищувати ефективність споруджень, що перешкоджають викиду в атмосферу шкідливих речовин, домагатися більш повного згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже зараз не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним змістом З у відпрацьованих газах. Створюють електромобілі, які здатні конкурувати зі звичайними, і можливість застосування пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах, наприклад у двигунах, що працюють на суміші водню з киснем.