Учебное особие по физике

Тепловые двигатели. Принцип действия тепловых двигателей

Тепловым двигателем называется устройство, совершающее механическую работу за счет внутренней энергии топлива.

Тепловые двигатели весьма разнообразны как по конструкции, так и по назначению. Это и паровые турбины на тепловых электростанциях, и двигатели внутреннего сгорания на автомобилях, тракторах, и реактивные двигатели различных типов.

Все тепловые двигатели обладают общим свойством — периодичностью действия (цикличностью), в результате чего рабочее тело периодически возвращается в исходное состояние.

Принцип действия теплового двигателя рассмотрим на примере поршневого двигателя.

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: рабочего тела, нагревателя и холодильника (рис. 1).

Рис. 1

Рабочее тело (пар или газ) получает некоторое количество теплоты от нагревателя, у которого за счет сгорания топлива поддерживается постоянная высокая температура . Это количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа и совершение им работы . В результате газ, расширяясь, переходит из состояния 1 в состояние 2 (линия 1а2), совершая работу , равную площади фигуры В1а2С (рис. 2).

Рис. 2

Чтобы процесс был циклическим, поршень необходимо вернуть в исходное положение. Если процесс сжатия провести в обратном порядке (линия 2а1), то работы газа и над газом будут одинаковы и суммарная работа будет равна нулю. Поэтому, чтобы работа сжатия была по абсолютному значению меньше работы расширения, нужно, чтобы каждому значению объема при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении (линия 2b1). А это возможно осуществить, только если газ перед сжатием охладить. Для этого рабочее тело приводят в контакт с телом меньшей температуры (холодильником). Рабочее тело при этом отдает холодильнику некоторое количество теплоты , и при сжатии совершается работа , равная площади фигуры 1b2СВ. Полезная работа за цикл численно равна площади фигуры 1a2b1.