12 Билет. Тепловая машина. Цикл Карно. Паровая машина. Использование тепловых машин в технике и технологиях.

Теплова́я маши́на — устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник). Преобразование осуществляется за счёт изменения внутренней энергии рабочего тела — на практике обычно пара или газа.

Идеальная тепловая машина — машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны. Работа идеальной машины описывается циклом Карно.

При работе часть тепла Q1 передается от нагревателя к рабочему телу, а затем часть энергии Q2 передается холодильнику, который охлаждает машину. КПД тепловой машины считается по формуле (Q1-Q2/Q1)х100

Периодически действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла, называется тепловой машиной.

Тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и охладителя рабочего тела. Охладителем, в конечном счете, служит окружающая среда. Тепловая машина работает по принципу замкнутого цикла, совершая круговой процесс. В ходе прямого цикла рабочее тело, например, пар, получив от нагревателя количество тепла Q₁, расширяется от объема V₁ до объема V₃. Согласно первому закону термодинамики, это тепло расходуется на нагревание рабочего тела и на совершение механической работы

Q₁ = E₂ ‑ E₁ + A₁₃,                                                        

где E₂ ‑ E₁ — изменение внутренней энергии рабочего тела при переходе из состояния 1 в состояние 3. При обратном цикле над газом производится работа: газ сжимается и передает охладителю количество тепла

‑ Q₂ = E₁ ‑ E₂ + A₃₁.                                                      

Складывая оба уравнения, получим Q₁ ‑ Q₂ = A₁₃ + A₃₁ =A, где А — полная работа, совершенная машиной за один цикл.

Отношение полезной работы, совершенной машиной, к количеству полученного тепла составляет КПД тепловой машины

Понятно, что КПД машины всегда меньше единицы, поскольку не все количество полученного тепла переходит в полезную работу.

В реальных тепловых машинах КПД, очевидно, еще меньше, так как часть тепла теряется безвозвратно в процессе работы машины. Для получения максимального КПД следует рассмотреть рабочий цикл, образованный обратимыми процессами. Этому требованию отвечает цикл, впервые рассмотренный французским ученым Карно в 1824 г. В качестве рабочего тела в цикле Карно рассматривается идеальный газ. Цикл Карно состоит из последовательных расширения и сжатия газа, причем каждый из процессов совершается сначала изотермически, а затем адиабатически. При прямом цикле тело по-прежнему сначала получает тепло, а затем отдает его. Достоинство цикла Карно состоит в том, что все процессы обратимы

выражение для КПД цикла Карно:

                                         

Из формулы следует, что КПД тепловой машины определяется только разностью температур нагревателя и холодильника. КПД не зависит ни от свойств рабочего тела, используемого в машине, ни от свойств самой машины. Полученный результат показывает, что при T₁ = T₂ КПД машины равен нулю, т. е. машина не совершает работы. Работа максимальна (η = 1) при T₂ = 0. Таким образом, машина тем выгоднее, чем ниже температура охладителя.

Следовательно, КПД такой машины будет максимальным. Исторически К. ц. сыграл важную роль в развитии термодинамики и теплотехники.

Парова́я маши́на— тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию нагретого пара в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня или вращательного движения вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразовывает энергию пара в механическую работу. Рабочий процесс П. м. обусловлен периодическими изменениями упругости пара в полостях её цилиндра, объём которых изменяется в процессе возвратно-поступательного движения поршня. Пар, поступающий в цилиндр П. м., расширяется и перемещает поршень. Возвратно-поступательное движение поршня преобразуется с помощью кривошипного механизма во вращательное движение вала. Впуск и выпуск пара осуществляются системой парораспределения. Для снижения тепловых потерь цилиндры П. м. окружаются паровой рубашкой.

Современная техника использует три типа тепловых машин: поршневые, турбинные и реактивные. Газовые турбины позволяют получать большие мощности при сравнительно небольших размерах. Они широко используются в авиации, корабельных установках, на железнодорожном транспорте и постепенно внедряются на теплоэлектростанциях.

Поршневые двигатели также разделяются на три группы: на двигатели, которые работают по циклу Отто (карбюраторные), циклу Дизеля (дизельные) и по циклу Тринклера с использованием форсунки.

Каждый из этих видов двигателей имеет свои положительные и отрицательные качества. Дизельные двигатели, например, имеют высокий коэффициент полезного действия и большую мощность по сравнению с карбюраторным двигателем.

Для быстрого обогрева больших площадей необходимы мощные приборы, способные за короткое время создать в помещении необходимые условия для пребывания людей.

Такими приборами являются тепловые пушки бытового и полупромышленного назначения, которые используются для обогрева воздуха в кафе, магазинах, цехах, гаражах, на складах и стройках.