Термическим движком именуется устройство, способное превращать приобретенное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в термических движках делается в процессе расширения некого вещества, которое именуется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно употребляются газообразные вещества (أبخرة البنزين, الهواء, بخار الماء). Рабочее тело получает (либо дает) термическую энергию в процессе термообмена с телами, имеющими большой припас внутренней энергии. Эти тела именуются термическими резервуарами. Как надо из первого закона термодинамики, приобретенное газом كمية الحرارة Q стопроцентно преобразуется в работу A при изотермическом процессе, при котором внутренняя энергия остается постоянной (ΔU = 0):

A = Q.

  Но таковой однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет энтузиазма для техники. Реально имеющиеся термические движки (паровые машины, движки внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования приобретенного количества теплоты в работу временами повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать радиальный процесс либо термодинамический цикл, при котором временами восстанавливается начальное состояние.

Радиальные процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела при помощи замкнутых кривых (рис. 3.11.1). При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Работа A положительна, если цикл обходится по часовой стрелке, и A отрицательна, если цикл обходится в обратном направлении.

1

Набросок 3.11.1. Радиальный процесс на диаграмме (p, V). abc – кривая расширения, cda – кривая сжатия. Работа A в радиальном процессе равна площади фигуры abcd.

Общее свойство всех радиальных процессов заключается в том, что их нереально провести, приводя рабочее тело в термический контакт только с одним термическим резервуаром. Их необходимо, по последней мере, اثنين. Термический резервуар с более высочайшей температурой именуют нагревателем, а с более низкой – холодильником. Совершая радиальный процесс, рабочее тело получает от нагревателя некое количество теплоты Q1> 0 и дает холодильнику количество теплоты Q2< 0. Общее количество теплоты Q, приобретенное рабочим телом за цикл, على كل حال

Q = Q1 + Q2 = Q1– |Q2|.

  При обходе цикла рабочее тело ворачивается в первоначальное состояние, как следует, изменение его внутренней энергии равно нулю (ΔU = 0). Согласно первому закону термодинамики,

ΔU = Q– A = 0.

  يتبع:

A = Q = Q1– |Q2|.

  Работа A, совершаемая рабочим телом за цикл, равна приобретенному за цикл количеству теплоты Q. Отношение работы A к количеству теплоты Q1, приобретенному рабочим телом за цикл от нагревателя, именуется коэффициентом полезного деяния η термический машины:

  Коэффициент полезного деяния показывает, какая часть термический энергии, приобретенной рабочим телом от «жаркого» термического резервуара, перевоплотился в полезную работу. Остальная часть (1 – η) была «никчемно» передана холодильнику. Коэффициент полезного деяния термический машины всегда меньше единицы (η < 1). Энергетическая схема термический машины изображена на рис. 3.11.2.

2

Набросок 3.11.2. Энергетическая схема термический машины: 1 – нагреватель; 2 – الثلاجة; 3 – рабочее тело, совершающее радиальный процесс. Q1> 0, أ> 0, Q2< 0; T1> T2.

В используемых в технике движках употребляются разные радиальные процессы. На рис. 3.11.3 изображены циклы, применяемые в бензиновом карбюраторном движке и в дизельном движке. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина либо дизельного горючего с воздухом. Цикл карбюраторного бензинового двигателя состоит из 2-ух изохор (1–2, 3–4) и 2-ух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный бензиновый двигатель работает по циклу, состоящему из 2-ух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1). Реальный коэффициент полезного деяния у карбюраторного мотора порядка 30%, у дизельного мотора – порядка 40 %.

3

Набросок 3.11.3. Циклы карбюраторного бензинового двигателя (1) и дизельного мотора (2).

В 1824 году французский инженер С. Карно разглядел радиальный процесс, состоящий из 2-ух изотерм и 2-ух адиабат. Этот радиальный процесс сыграл не последнюю роль в развитии учения о термических процессах. Он именуется циклом Карно (рис. 3.11.4).

4

Набросок 3.11.4. Цикл Карно.

Цикл Карно совершает газ, находящийся в цилиндре под поршнем. На изотермическом участке (1–2) газ приводится в термический контакт с жарким термическим резервуаром (нагревателем), имеющим температуру T1. Газ изотермически расширяется, совершая работу A12, при всем этом к газу подводится некое количество теплоты Q1 = A12. Дальше на адиабатическом участке (2–3) газ помещается в адиабатическую оболочку и продолжает расширяться в отсутствие термообмена. На этом участке газ совершает работу A23> 0. Температура газа при адиабатическом расширении падает до значения T2. На последующем изотермическом участке (3–4) газ приводится в термический контакт с прохладным термическим резервуаром (холодильником) при температуре T2< T1. Происходит процесс изотермического сжатия. Газ совершает работу A34< 0 и дает тепло Q2< 0, равное произведенной работе A34. Внутренняя энергия газа не меняется. В конце концов, на последнем участке адиабатического сжатия газ вновь помещается в адиабатическую оболочку. При сжатии температура газа увеличивается до значения T1, газ совершает работу A41< 0. Полная работа A, совершаемая газом за цикл, равна сумме работ на отдельных участках:

A = A12 + A23 + A34 + A41.

  المخطط (p, V) эта работа равна площади цикла. Как надо из первого закона термодинамики, работа газа при адиабатическом расширении (либо сжатии) равна убыли ΔU его внутренней энергии. من أجل 1 моля газа

=–ΔU =–CV(T2– T1),

где T1 и T2 – исходная и конечная температуры газа. Отсюда следует, что работы, совершенные газом на 2-ух адиабатических участках цикла Карно, схожи по модулю и обратны по знакам

A23 =–A41.

  По определению, коэффициент полезного деяния η цикла Карно есть

  С. Карно выразил коэффициент полезного деяния цикла через температуры нагревателя T1 и холодильника T2:

  Цикл Карно замечателен тем, что на всех его участках отсутствует соприкосновение тел с разными температурами. Хоть какое состояние рабочего тела (الغاز) на цикле является квазиравновесным, другими словами нескончаемо близким к состоянию термического равновесия с окружающими телами (термическими резервуарами либо термостатами). Цикл Карно исключает термообмен при конечной разности температур рабочего тела и среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы. Потому цикл Карно – более действенный радиальный процесс из всех вероятных при данных температурах нагревателя и холодильника:

ηКарно =ηماكس.

  Хоть какой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях. Обход цикла по часовой стрелке соответствует термическому движку, когда приобретенное рабочим телом тепло отчасти преобразуется в полезную работу. Обход против часовой стрелки соответствует холодильной машине, когда некое количество теплоты отбирается от прохладного резервуара и передается жаркому резервуару за счет совершения наружной работы. Потому безупречное устройство, работающее по циклу Карно, именуют обратимой термический машиной. В реальных холодильных машинах употребляются разные циклические процессы. Все холодильные циклы на диаграмме (p, V) обходятся против часовой стрелки. Энергетическая схема холодильной машины представлена на рис. 3.11.5.

5

Набросок 3.11.5. Энергетическая схема холодильной машины. Q1< 0, أ< 0, Q2> 0, T1> T2.

الجهاز, работающее по холодильному циклу, может иметь двойственное назначение. Если полезным эффектом является отбор некого количества тепла |Q2| от охлаждаемых тел (على سبيل المثال, от товаров в камере холодильника), то такое устройство является обыденным холодильником. Эффективность работы холодильника можно охарактеризовать отношением

другими словами эффективность работы холодильника – это количество тепла, отбираемого от охлаждаемых тел на 1 джоуль затраченной работы. При таком определении βx может быть и больше, и меньше единицы. Для обращенного цикла Карно

  Если полезным эффектом является передача некого количества тепла |Q1| нагреваемым телам (على سبيل المثال, воздуху в помещении), то такое устройство именуется термическим насосом. Эффективность βТ термического насоса может быть определена как отношение

другими словами количеством теплоты, передаваемым более теплым телам на 1 джоуль затраченной работы. Из первого закона термодинамики следует:

|Q1| > |أ|,

как следует, βТ всегда больше единицы. Для обращенного цикла Карно