Рис. 1. Цикл Карно

2.2.9 Принципы действия тепловых машин. КПД. 2.2.10 Максимальное значение КПД. Цикл Карно.

КПД тепловой машины находят по следующей формуле:

где A – работа, совершённая машиной; Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя. С учётом закона сохранения энергии:

КПД тепловой машины записывают и в других видах.

где Q2 – количество теплоты, отданное холодильнику.

Идеальная тепловая машина – тепловая машина с максимально возможным КПД при заданных температурах нагревателя T1 и холодильника T2.

КПД тепловой машины равен максимально возможному, если она работает по циклу Карно, показанному на рисунке.

Цикл Карно состоит из двух изотерм (1–2 и 3–4) и двух адиабат (2–3 и 4–1). КПД этого цикла:

Тепловая машина – устройство, преобразующее внутреннюю энергию в механическую. К тепловым машинам относятся паровая и газовая турбины, двигатель внутреннего сгорания. Устройство двигателя внутреннего сгорания показано на рисунке.

Рис. 1. Двигатель внутреннего сгорания

Все тепловые машины работают по одному принципу, показанному на схеме.

Рис. 2. Принцип работы тепловых машин

Нагреватель (1) с температурой T1 отдаёт энергию Q1  рабочему телу (3) – газу, совершающему работу A. Для уменьшения энергетических затрат на возвращение газа в начальное состояние от него отводится неиспользованная энергия Q2. Эту функцию выполняет холодильник (2), температура которого T2. Холодильником обычно является окружающая среда. Согласно закону сохранения энергии, можно записать уравнение:

|Q|1 = A + |Q2|.

Холодильная машина – устройство, поддерживающее в холодильной камере температуру меньшую, чем температура окружающей среды. Передача тепла от холодильной камеры (холодного тела) к окружающей среде (теплому телу) возможна за счёт дополнительного источника энергии. Холодильная машина работает по циклу, обратному циклу тепловой машины.

Тепловые машины играют важную роль в жизни современного человечества. Но их работа сопряжена с рядом проблем: низкий коэффициент полезного действия, потребление кислорода из атмосферы Земли, ограниченность топливных запасов. Особенно стоит подчеркнуть отрицательное воздействие на окружающую среду. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу оксидов углерода, химически активных соединений. Многие из выбросов увеличивают поглощение и отражение теплового излучения, идущего от поверхности Земли в космическое пространство. Это способствует повышению температуры атмосферы, таянию ледников.

Рис. 1. Выбросы тепловых электростанций

Человечество пытается решать эти проблемы или путём замены тепловых машин на другие двигатели, или возможным повышением КПД, или переходом на экологически чистые источники энергии. Важным для охраны окружающей среды является правильное использование очистных сооружений, не пропускающих в атмосферу вредные выделения.