Тепловые двигатели, топливо и второй закон термодинамики

Автор курса · Команда Небулс

Энергия топлива

При горении химическая энергия топлива переходит во внутреннюю энергию продуктов реакции и окружающих тел. Удельная теплота сгорания — количество энергии, выделяющееся при полном сгорании единицы массы топлива. Если масса топлива $m$ , а удельная теплота сгорания $q$ , то:

Q = q m

В СИ $q$ измеряют в джоулях на килограмм. Табличное значение относится к определённому составу топлива и принятым условиям учёта продуктов сгорания. Не всё выделившееся тепло получает нагреваемый предмет: часть уходит с горячими газами и через стенки устройства. Если на нагрев воды идёт доля $η$ энергии топлива, баланс имеет вид $c m_{в} Δ T = η q m$ при отсутствии фазовых переходов.

Энергия Q1 поступает от нагревателя, часть выходит как работа, оставшаяся Q2 передаётся более холодному телу.

Двигатель совершает цикл

Рабочее тело двигателя получает тепло от нагревателя, расширяется и совершает работу. Чтобы многократно повторять процесс, его возвращают в исходное состояние; часть тепла при этом передаётся холодильнику, например окружающему воздуху. Тепловой двигатель — устройство, циклически превращающее часть энергии, полученной в форме теплоты, в механическую работу.

За цикл внутренняя энергия рабочего тела возвращается к прежнему значению. Если $Q_{1}$ — полученная энергия, а $Q_{2}$ — положительный модуль отданной, то:

A = Q_{1} - Q_{2}, η = \frac{A}{Q _{1}} = 1 - \frac{Q _{2}}{Q _{1}}

Холодильник двигателя не обязательно выглядит как бытовой холодильник: так называют тело или среду, принимающую тепло при более низкой температуре. Отсутствие видимой детали не означает отсутствия отвода энергии.

Необратимость и цикл Карно

Тепло самопроизвольно передаётся от горячего тела к холодному, а обратный перенос требует дополнительных изменений, например работы компрессора. Трение превращает механическую энергию в тепло; самопроизвольного полного обратного превращения с восстановлением всех условий не наблюдают. Второй закон термодинамики ограничивает направление процессов: циклический двигатель не может лишь забирать тепло у одного нагревателя и полностью превращать его в работу.

Идеальный обратимый цикл Карно состоит из двух изотерм и двух адиабат. Для нагревателя температуры $T_{1}$ и холодильника $T_{2}$ он задаёт верхнюю границу КПД:

η_{Карно} = 1 - \frac{T _{2}}{T _{1}}, T_{1} > T_{2}

Обе температуры здесь обязательно в кельвинах. При $T_{1} = 600 К$ и $T_{2} = 300 К$ верхняя граница равна $50%$ , даже если механического трения нет. Реальный КПД ниже из-за необратимости и потерь; формула Карно не заменяет баланс реального двигателя.

Поршень, турбина и холодильная машина

В четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания последовательно происходят впуск, сжатие, рабочий ход после сгорания смеси и выпуск. Работа газа передаётся через поршень и шатун коленчатому валу. В паровой или газовой турбине поток рабочего тела действует на лопатки и вращает вал; генератор на валу затем производит электрическую энергию.

Бытовой холодильник за счёт работы компрессора переносит тепло из холодной камеры в более тёплую комнату. Его испаритель поглощает энергию при испарении хладагента, конденсатор отдаёт её при конденсации; наружу поступает сумма забранного из камеры тепла и работы компрессора. Кондиционер использует тот же принцип. Открытый холодильник не охлаждает комнату в целом: его электрическая энергия в итоге добавляется к теплу комнаты.

Теплоэнергетика и окружающая среда

Сжигание топлива расходует ресурсы, сопровождается выбросами углекислого газа, а при определённых условиях — загрязняющими примесями и сажей. Отводимое тепло также влияет на среду. Повышение КПД, теплоизоляция, использование отходящего тепла и сокращение ненужных затрат уменьшают расход топлива при той же полезной работе.

Источник энергии выбирают с учётом всей системы: доступности ресурса, стабильности выработки, выбросов, отходов и влияния оборудования на природу. Закон сохранения энергии проверяет количество, а второй закон объясняет, почему не вся переданная теплота доступна для полезной работы в заданных условиях.

Знаки теплоты и работы согласуйте с первым законом термодинамики, а баланс нагревания — с удельной теплоёмкостью. Это позволяет одним рассуждением связать расход топлива, нагрев и полезную работу.

Подготавливаем формулы…