Работа газа и пара. Тепловые двигатели

Научиться понимать, как работа газа и пара приводит в движение машины и почему КПД тепловых двигателей всегда меньше 100%.

Тепловые двигатели — сердце автомобилей, тепловозов, теплоходов и электростанций. Понимание их работы помогает осознанно использовать энергию топлива и объясняет, почему важно повышать КПД для экономии ресурсов и защиты экологии.

• Газ и пар при расширении совершают механическую работу, так как давят на поршень или лопатки турбины.
• Тепловой двигатель — это устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
• Для непрерывной работы двигателя необходимо, чтобы рабочее тело (газ или пар) периодически возвращалось в исходное состояние, для чего его нужно охлаждать.
• Любой тепловой двигатель состоит из трёх обязательных частей: нагревателя, рабочего тела и холодильника.
• КПД теплового двигателя — это отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя; он всегда меньше 1 (или 100%).
• В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает прямо в цилиндре, а в паровой турбине пар вращает вал турбины.
• Чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника, тем больше КПД двигателя.

Работа газа

Физическая величина, показывающая, какую механическую работу совершает газ, расширяясь и перемещая поршень или другие тела.

Тепловой двигатель

Машина, которая превращает внутреннюю энергию топлива (теплоту) в механическую работу.

Нагреватель

Устройство или среда, которые передают рабочему телу теплоту, повышая его температуру (например, сгорающее топливо).

Рабочее тело

Газ или пар, который, расширяясь, совершает работу (например, водяной пар или воздух в цилиндре).

Холодильник

Устройство или среда, которые забирают часть теплоты от рабочего тела, чтобы оно вернулось в начальное состояние (например, атмосфера или конденсатор).

КПД теплового двигателя

Отношение полезной работы, совершённой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя; обозначается греческой буквой η (эта).

• Работа газа вычисляется по формуле A = p·ΔV, где p — давление газа, ΔV — изменение объёма. При расширении газ совершает положительную работу.
• КПД теплового двигателя определяется формулой: η = (Q₁ - Q₂) / Q₁, где Q₁ — теплота от нагревателя, Q₂ — теплота, отданная холодильнику.
• КПД всегда меньше 1 (или 100%), потому что часть теплоты неизбежно передаётся холодильнику.
• В четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания цикл состоит из тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.
• Паровая турбина — это тепловой двигатель, в котором пар вращает вал с лопатками, преобразуя энергию пара в механическую работу.
• Максимально возможный КПД теплового двигателя определяется температурой нагревателя T₁ и холодильника T₂: η_max = (T₁ - T₂) / T₁ (по формуле Карно).

1. Пример 1случай

   Когда кипятишь чайник, пар из носика с лёгкостью поднимает крышку

   Пояснение

   • это пар совершает работу, толкая её
2. Пример 2случай
   • В паровой турбине на электростанции пар высокого давления попадает на лопатки, заставляя вал турбины вращаться, а генератор вырабатывать электричество
3. Пример 3случай
   • В двигателе автомобиля при сгорании бензина в цилиндре образуется горячий газ, который расширяется и толкает поршень — это рабочий ход, дающий движение колёсам

• Первый паровой двигатель был создан Томасом Ньюкоменом в 1712 году для откачки воды из шахт, а усовершенствован Джеймсом Уаттом, который добавил отдельный конденсатор.
• КПД современных автомобильных двигателей внутреннего сгорания составляет всего около 25–30%, то есть большая часть энергии топлива уходит в тепло, а не в движение.
• В паровозах XIX века КПД был всего около 5–10%, поэтому они потребляли огромное количество угля.

• При работе с тепловыми двигателями (например, в моделях) нельзя прикасаться к горячим частям — можно получить ожог.
• Нельзя вдыхать выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания — они токсичны.

• Внутренняя энергия и способы её изменения
• Количество теплоты. Удельная теплоёмкость
• Закон сохранения энергии в тепловых процессах
• Превращение энергии в механических и тепловых явлениях