В этом параграфе: Теория Задачи с решениями Задачи для самостоятельной работы Тест по теме "Тепловые двигатели"

Тепловые двигатели

Машины, производящие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, называются тепловыми двигателями. Во всех типах таких двигателей непрерывное или периодически повторяющееся получение работы возможно только в том случае, когда совершающая работу машина не только получает тепло от какого-то тела (нагревателя), но и отдает часть тепла другому телу (охладителю).

Отношение механической работы, совершаемой двигателем, к израсходованной энергии называется коэффициентом полезного действия КПД. Поскольку в тепловом двигателе совершенная работа есть разница между теплотой, полученной от нагревателя и теплотой, отданной охладителю, то:

где Q₁ - теплота, полученная рабочим веществом от нагревателя, Q₂ - теплота, отданная рабочим веществом охладителю.

В 1824 году француз Сади Карно решил общую задачу об определении КПД любой тепловой машины, использующей произвольный цикл. Конкретный цикл, проанализированный Карно и названный его именем, выглядит следующим образом.

Идеальный газ находится в цилиндре, закрытом поршнем. На первом этапе металлическая стенка цилиндра приводится в контакт с нагревателем. Поршню разрешается передвигаться настолько медленно, чтобы температура газа равнялась температуре нагревателя Т₁. Это изотермический процесс (рис. а). Полученное тепло Q₁ превращается в работу A₁, равную площади под графиком.

На втором этапе цилиндр изолируется от нагревателя, и газ продолжает адиабатически расширяться, производя работу A₂ (заштрихованная площадь на рис. б). Поскольку притока тепла нет, работа совершается за счет внутренней энергии рабочего тела (газа) и его температура снижается от Т₁ до Т₂.

Далее, для того, чтобы выдвинутый поршень вернуть в первоначальное положение, на третьем этапе цилиндр вводится в контакт с находящимся при низкой температуре радиатором. Количество отданной теплоты Q₂ будет равно совершенной над поршнем работе А₃ (заштрихованная площадь на рис. в). Газ при этом будет изотермически сжиматься при температуре Т₂.

Последняя стадия - вновь адиабатический процесс, когда над поршнем совершается работа А₄, полностью переходящая во внутреннюю энергию газа. Его температура при этом повышается от Т₂ до Т₁ (рис. г).