Тепловые двигатели и их КПД

Что такое тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. К тепловым двигателям относятся двигатель внутреннего сгорания автомобиля, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель ракеты. Без них невозможны современный транспорт, энергетика и космонавтика. Создание тепловых двигателей в восемнадцатом и девятнадцатом веках стало началом промышленной революции.

Как работает двигатель

В любом тепловом двигателе есть три обязательные части:

• нагреватель — даёт рабочему телу количество теплоты Q1 (это энергия сгорающего топлива);
• рабочее тело — газ или пар, который, расширяясь, совершает работу A (толкает поршень или вращает турбину);
• холодильник — получает часть теплоты Q2 (обычно это окружающая среда, отработанные газы).

Топливо сгорает, нагревает рабочее тело, оно расширяется и совершает работу, а затем отдаёт оставшуюся теплоту холодильнику. Часть полученной теплоты обязательно уходит в холодильник, поэтому в полезную работу превращается лишь часть энергии топлива. По закону сохранения энергии полученная теплота равна сумме работы и отданной теплоты: Q1 = A + Q2.

Коэффициент полезного действия

Коэффициентом полезного действия (КПД) теплового двигателя называют величину, показывающую, какая доля энергии топлива превращается в полезную работу. Его обозначают греческой буквой η (эта):

η = A / Q1 = (Q1 − Q2) / Q1

КПД — отвлечённое число; его часто выражают в процентах, умножая на 100 %. КПД любого реального двигателя всегда меньше единицы (меньше 100 %), потому что часть теплоты неизбежно уходит в холодильник, а ещё часть теряется на трение и нагрев деталей. Поэтому одна из главных задач инженеров — повышать КПД, чтобы тратить меньше топлива.

Разбор примера

Двигатель получил от сгоревшего топлива Q1 = 1000 Дж, а холодильнику отдал Q2 = 700 Дж. Найдём полезную работу и КПД. Сначала работа:

A = Q1 − Q2 = 1000 − 700 = 300 Дж

Теперь КПД:

η = A / Q1 = 300 / 1000 = 0,3 = 30 %

Значит, лишь треть энергии топлива превратилась в полезную работу, а остальное унесли отработанные газы.

Частые ошибки. КПД не может быть равен или больше 100 % — это противоречило бы закону сохранения энергии. Если в расчёте получилось больше единицы, значит, перепутаны Q1 и Q2 либо работа ошибочно взята больше затраченной теплоты.

Кратко о главном

• Тепловой двигатель превращает энергию топлива в механическую работу.
• В нём есть нагреватель, рабочее тело и холодильник.
• По закону сохранения энергии Q1 = A + Q2.
• КПД: η = A / Q1 = (Q1 − Q2) / Q1.
• КПД всегда меньше 100 %, ведь часть теплоты уходит холодильнику.