Глава 1. Тепловые явления. § 26. КПД теплового двигателя — с. 96
§ 26. Вопрос 1. Почему в тепловых двигателях только часть энергии топлива идёт на совершение механической работы?
Двигатель должен работать циклически, поэтому после расширения рабочее тело необходимо вернуть в исходное состояние, то есть сжать. Работа на сжатие должна быть меньше работы при расширении, а для этого рабочее тело приводят в контакт с холодильником (телом с более низкой температурой) и передают ему часть энергии. Кроме того, часть энергии теряется на нагревание деталей двигателя и на трение между ними. По закону сохранения энергии Q₁ = A + Q₂, поэтому полезная работа A всегда меньше энергии Q₁, выделившейся при сгорании топлива.
§ 26. Вопрос 2. Что называют КПД теплового двигателя?
КПД теплового двигателя — это отношение совершённой двигателем работы A к количеству теплоты Q₁, выделившемуся при сгорании топлива (полученному рабочим телом от нагревателя): η = A / Q₁. Так как A = Q₁ − Q₂, то η = (Q₁ − Q₂) / Q₁ · 100% при выражении в процентах. КПД показывает, какая доля энергии топлива превращается в полезную работу. Например, у бензинового двигателя он составляет 20—25%, у дизеля около 35%, у современных турбоагрегатов 40—50%.
§ 26. Вопрос 3. Почему КПД двигателя меньше 100%?
Рабочее тело обязательно передаёт часть полученной энергии холодильнику: Q₂ > 0. Поэтому совершённая работа A = Q₁ − Q₂ меньше Q₁, и отношение A / Q₁ меньше единицы (меньше 100%). Кроме того, в действительности работа ещё меньше из-за нагревания деталей двигателя, трения между ними, утечек пара или газа и других потерь. Полностью превратить энергию топлива в работу невозможно.
§ 26. Дополнительный вопрос 1. Можно ли внутреннюю энергию полностью превратить в механическую?
В тепловом двигателе, который работает циклически, нельзя: для возвращения рабочего тела в исходное состояние необходимо отдать часть энергии холодильнику, поэтому КПД всегда меньше 100%. К тому же часть энергии неизбежно теряется на трение и нагревание деталей. Отдельные процессы, в которых газ один раз расширяется и совершает работу (например, при выстреле), возможны, но при многократной, непрерывной работе машины полное превращение внутренней энергии в механическую недостижимо.
§ 26. Дополнительный вопрос 2. Приведите примеры известных вам тепловых двигателей. Что служит в этих двигателях нагревателем; холодильником?
Что используется в качестве рабочего тела?
1) Двигатель внутреннего сгорания (бензиновый, дизельный): нагреватель — горящее в цилиндрах топливо (раскалённые продукты сгорания), холодильник — окружающий воздух (атмосфера, куда выбрасываются отработанные газы, и система охлаждения), рабочее тело — газ в цилиндре (воздух и продукты сгорания топлива).
2) Паровая турбина электростанции: нагреватель — топка котла (или ядерный реактор), холодильник — конденсатор, охлаждаемый водой из реки или водоёма, окружающая среда, рабочее тело — водяной пар.
3) Паровая машина (паровоз): нагреватель — топка с горящим углём или дровами, холодильник — окружающая атмосфера (пар выбрасывается наружу), рабочее тело — водяной пар.
4) Реактивный двигатель: нагреватель — камера сгорания, холодильник — атмосфера или космос, рабочее тело — раскалённые газы.
2) Паровая турбина электростанции: нагреватель — топка котла (или ядерный реактор), холодильник — конденсатор, охлаждаемый водой из реки или водоёма, окружающая среда, рабочее тело — водяной пар.
3) Паровая машина (паровоз): нагреватель — топка с горящим углём или дровами, холодильник — окружающая атмосфера (пар выбрасывается наружу), рабочее тело — водяной пар.
4) Реактивный двигатель: нагреватель — камера сгорания, холодильник — атмосфера или космос, рабочее тело — раскалённые газы.