Физика. Уровень стандарта. 10 класс. Барьяхтар

§ 39. Принцип действия тепловых двигателей. Холодильная машина

На протяжении тысячелетий механизмы существенно облегчали физические нагрузки на человека. Однако до конца XVIII в. огромный запас энергии, содержащийся внутри различных видов топлива, был практически не востребован. И только благодаря открытиям в термодинамике появились тепловые машины — устройства, преобразующие внутреннюю энергию в механическую работу. О тепловых машинах и физических законах, на которых основано их действие, вы узнаете из этого параграфа.

1. Необратимость процессов в природе

Представьте: вы внесли в дом комочек снега, положили его на стол и, естественно, через некоторое время вместо снега обнаружили лужицу воды. И вдруг на ваших глазах в воде появляется льдинка, которая постепенно увеличивается, — и вскоре вместо лужицы вы видите горку пушистого снега. «Это невозможно!», — скажете вы и будете правы, поскольку знаете, что в теплой комнате снег всегда превращается в воду, но вода никогда самопроизвольно не превратится в снег.

Другой пример. Поднимаясь на гору, вы наступаете на камень, он срывается, катится по склону и, прокатившись какое-то расстояние, останавливается. При этом механическая энергия камня превращается во внутреннюю энергию самого камня, склона и окружающего воздуха. С точки зрения закона сохранения энергии возможен и обратный процесс, когда камень катится вверх за счет накопленной в нем и окружающей среде внутренней энергии. Однако на практике такой процесс не наблюдается.

Эти примеры и множество других убеждают: в природе все макроскопические процессы имеют определенное направление, и в обратном направлении они самопроизвольно происходить не могут.

Процессы, которые могут самопроизвольно происходить только в одном направлении, называют необратимыми процессами.

Необратимость процессов в природе отражает второй закон (начало) термодинамики, который имеет несколько эквивалентных формулировок. Например, в формулировке немецкого физика и математика Рудольфа Клаузиуса он звучит так:

Невозможен процесс, единственный результат которого — передача энергии в форме теплоты от менее нагретого тела к более нагретому (рис. 39.1, а).

Рис. 39.1. Циклические процессы, «разрешенные» первым законом термодинамики, но «запрещенные» вторым законом: а — идеальная холодильная машина; б — вечный двигатель второго рода

Обратите внимание на слова «единственный результат». Тепло самопроизвольно передается только от более нагретого тела к менее нагретому, при этом с другими телами никаких изменений не происходит. Обратный процесс тоже возможен, но результат не будет единственным. Например, в холодильной установке тепло передается от менее нагретой холодильной камеры более теплому окружающему воздуху, но при этом расходуется электрическая энергия.

Английский физик Уильям Томсон (лорд Кельвин) дал в 1851 г. следующую формулировку второго закона (начала) термодинамики:

Невозможен периодический процесс, единственный результат которого — совершение телом механической работы за счет уменьшения его внутренней энергии.

Если бы такой процесс был возможен, то мы получили бы вечный двигатель второго рода (рис. 39.1, б). Такая машина, например, могла бы отбирать тепловую энергию у Мирового океана и полностью превращать ее в работу.

2. Как работает тепловой двигатель

Процессы, не противоречащие ни первому, ни второму законам термодинамики, происходят в тепловых машинах. В качестве примера рассмотрим работу теплового двигателя.

Тепловой двигатель — тепловая машина циклического действия, которая энергию, выделяющуюся при сгорании топлива, преобразует в механическую работу.

Работу в двигателе совершает газ, который, расширяясь, давит на поршень. Газ, совершающий механическую работу в процессе своего расширения, называют рабочим телом.

Чтобы газ мог толкать поршень, необходимо, чтобы давление под поршнем было больше внешнего давления. Такое повышение давления достигается за счет увеличения температуры рабочего тела. Устройство, в контакте с которым рабочее тело получает определенное количество теплоты, называют нагревателем.

Рабочее тело не может бесконечно расширяться. Для непрерывной работы двигателя необходимо, чтобы поршень возвращался в исходное положение. Газ при этом будет сжиматься, совершая отрицательную работу. Чтобы в целом за цикл работа газа была положительной, давление, а значит, и температура газа при сжатии должны быть меньше, чем его давление и температура во время расширения (рис. 39.2), то есть газ нужно охлаждать. Объект, в контакте с которым от рабочего тела забирается некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Рис. 39.2. Если расширение газа (участок 1а2) происходит при большем давлении, чем сжатие (участок 2б1), то работа за цикл положительна (эта работа соответствует площади фигуры 1а2б1)

Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 39.3).

Рис. 39.3. Принцип работы тепловых двигателей: рабочее тело, получая определенное количество теплоты Q₁ от нагревателя, совершает механическую работу A и передает некоторое количество теплоты Q₂ холодильнику

В тепловом двигателе осуществляется циклический периодический процесс, в результате которого за счет уменьшения внутренней энергии нагревателя совершается механическая работа. Однако этот результат не единственный, так как часть энергии передается холодильнику.

3. Может ли КПД тепловой машины быть равным 100 %

Внутренняя энергия рабочего тела за цикл не изменяется (внутренняя энергия — функция состояния, а после окончания цикла газ возвращается в исходное состояние), поэтому согласно первому закону термодинамики работа A, совершаемая газом за цикл, равна: A = Q₁ - Q₂, где Q₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя; Q₂ — количество теплоты, отданное холодильнику. Чем меньше тепла отдается холодильнику (теряется), тем больше КПД теплового двигателя.

Коэффициент полезного действия η двигателя — физическая величина, которая характеризует экономичность теплового двигателя и равна отношению работы, совершаемой двигателем за цикл, к количеству теплоты, получаемому от нагревателя:

Обратите внимание! 1. Если в тепловом двигателе сгорает топливо, то Q₁ = qm, где q — удельная теплота сгорания топлива; m — масса топлива. 2. КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

Анализируя работу тепловых двигателей, французский инженер Сади Карно (1796-1832) пришел к выводу, что наиболее эффективен (с максимально возможным КПД η_max) так называемый идеальный тепловой двигатель, работающий по циклу, состоящему из двух изотермических и двух адиабатных процессов (рис. 39.4); КПД такого двигателя равен:

где Т_н — температура нагревателя; Т_х — температура холодильника.

Рис. 39.4. Цикл Карно: 1-2 — изотермическое расширение при температуре Т_н, рабочее тело получает теплоту Q₁; 2-3 — адиабатное расширение, уменьшение температуры до Т_х , теплообмена нет; 3-4 — изотермическое сжатие при температуре Т_х, рабочее тело отдает теплоту Q₂; 4-1 — адиабатное сжатие, увеличение температуры до Т_н

Второй закон (начало) термодинамики в формулировке С. Карно:

Любая реальная тепловая машина, которая работает с нагревателем, имеющим температуру Т_н, и холодильником с температурой Т_х, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины.

Получается, что для увеличения КПД теплового двигателя нужно уменьшить температуру холодильника и (или) увеличить температуру нагревателя. Однако температуру холодильника нельзя уменьшить до температуры ниже, чем температура окружающей среды, а температура нагревателя ограничена жаростойкостью материалов, из которых изготовлены поршень и цилиндр двигателя. Поэтому максимальный КПД не может превышать 60-70 %. Сейчас усилия инженеров направлены на увеличение КПД за счет уменьшения потерь энергии при трении и потерь топлива вследствие его неполного сгорания.

4. Как работают дизельные двигатели

Современную цивилизацию невозможно представить без тепловых двигателей. Наиболее широко они используются в тепловых и атомных электростанциях, где мощные паровые турбины вращают роторы генераторов электрического тока, а также в большинстве видов транспорта. На мощных самолетах и ракетах устанавливают турбореактивные и реактивные двигатели, на легких самолетах — поршневые. Водные суда могут быть оснащены как дизельными двигателями, так и турбинами. Карбюраторные и дизельные двигатели приводят в движение большинство автомобилей.

В курсе физики 8 класса вы ознакомились с работой карбюраторного двигателя внутреннего сгорания. Рассмотрим, как работает дизельный двигатель.

В отличие от карбюраторного двигателя (в котором горючая смесь образуется вне цилиндра и воспламеняется от электрической искры), в дизельных двигателях горючая смесь образуется непосредственно внутри цилиндра, а зажигается в результате повышения температуры воздуха при сжатии (рис. 39.5).

Рис. 39.5. График цикла и принцип работы четырехтактного дизельного двигателя

Несмотря на удобство и пользу, тепловые двигатели загрязняют окружающую среду (выбросы вредных веществ, тепловое загрязнение и т. д.). К сожалению, сейчас человечество не может отказаться от использования тепловых двигателей, поэтому связанные с этим экологические проблемы нужно решать.

• Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте, какие международные программы по защите окружающей среды сейчас реализуются.

5. Как работает холодильная установка

Холодильная установка — это устройство циклического действия, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем температура окружающей среды.

Принцип работы холодильной установки показан на рис. 39.6. Рабочим телом в холодильной установке служит хладагент — пар легкоиспаряющейся жидкости. При сжатии хладагент конденсируется, выделяя большое количество теплоты Q₁, которое через теплообменник передается окружающей среде. Сжатие газа осуществляется компрессором, который совершает механическую работу A' за счет электроэнергии.

Рис. 39.6. Устройство (а) и принцип работы (б) холодильной установки: рабочее тело расширяется и совершает работу, получая количество теплоты Q₂ от холодильной камеры. За счет работы A' внешних сил рабочее тело сжимается, при этом окружающей среде передается количество теплоты Q₁ = Q₂ + A'

В испарителе хладагент испаряется, поглощая при этом количество теплоты Q₂. Поскольку сжатие газа происходит при более высоком давлении, чем расширение, то работа газа за цикл отрицательна и равна: A = Q₂ - Q₁.

Внешние силы за цикл совершают положительную работу: A' = Q₁ - Q₂.

Физическая величина, которая характеризует эффективность работы холодильной установки и равна отношению количества теплоты, полученного от холодильной камеры, к работе внешних сил, называется холодильным коэффициентом:

Из второго закона термодинамики следует, что максимальный холодильный коэффициент равен:

Обратите внимание: холодильный коэффициент может быть больше единицы.

Если трубки теплообменника вынести за пределы помещения, а холодильную камеру оставить открытой, то холодильная установка будет забирать тепло из помещения и отдавать его окружающей среде. Так работает кондиционер — электрическое устройство, предназначенное для охлаждения воздуха в помещении.

Если трубки теплообменника оставить в помещении, а открытую холодильную камеру вынести за его пределы, то холодильная установка будет забирать тепло из окружающей среды и отдавать его помещению. Так работает тепловой насос — устройство для обогрева помещения. Интересно, что тепловой насос работает эффективнее обычного электрического обогревателя: при работе теплового насоса переданное помещению количество теплоты (Q₂ = A' + Q₁) больше работы A' электрического тока. Современные кондиционеры имеют два режима работы: летом они работают как кондиционеры, зимой — как тепловые насосы.

Подводим итоги

• Все макроскопические процессы в природе необратимы — они могут самопроизвольно происходить только в одном направлении. Необратимость процессов в природе отражает второй закон термодинамики, который можно сформулировать так: невозможен периодический процесс, единственный результат которого — совершение телом механической работы за счет уменьшения его внутренней энергии.

• Холодильная установка — устройство циклического действия, которое поддерживает в холодильной камере температуру более низкую, чем температура окружающей среды.

Контрольные вопросы

1. Приведите примеры природных процессов и докажите, что они необратимы. 2. Приведите примеры условных процессов, которые не противоречат первому началу термодинамики, но противоречат второму. 3. Дайте определение теплового двигателя. Каковы его основные элементы? 4. Как определить КПД теплового двигателя? Какие существуют возможности увеличения КПД? 5. Как определить КПД цикла Карно? 6. Как работает холодильная установка? Приведите примеры различных холодильных установок. В чем их отличие? 7. Что показывает холодильный коэффициент?

Упражнение № 39

1. Можно ли, открыв дверцу работающего холодильника, охладить воздух в комнате?

2. Тепловая машина работает по циклу Карно. Определите КПД машины, если температура нагревателя по шкале Кельвина больше температуры холодильника: а) в 2 раза, б) в 3 раза, г) в n раз.

3. Рабочее тело получило от нагревателя 240 Дж теплоты, а отдало холодильнику — 150 Дж. Определите КПД двигателя и совершенную им работу.

4. В тепловой машине мощностью 1,0 кВт, работающей по циклу Карно, нагревателем служит кипящая вода, а холодильником — тающий лед. Какая масса льда тает при работе машины за 1 мин? λ_льда = 330 кДж/кг.