Тепловые двигатели. Второй закон термодинамики
1. Принцип действия и основные элементы теплового двигателя
В курсе физики основной школы вы уже познакомились с различными видами тепловых двигателей и их устройством. Тепловые двигатели сыграли большую роль в истории человечества и сохраняют огромное значение сегодня. Они движут автомобили, вращают турбины тепловых электростанций, разгоняют космические корабли.
Принцип действия теплового двигателя
Тепловые двигатели названы так потому, что в них сжигают топливо (например, газ или бензин) для получения высокой температуры. Она нужна для того, чтобы увеличить давление газа, который совершает работу при расширении (например, двигая поршень, соединенный передаточным механизмом с ведущими колесами автомобиля). Этот газ называют рабочим телом.
При расширении газу передается количество теплоты Q1. На рисунке 43.1 график зависимости p(V) при расширении газа схематически показан красной линией. Как вы уже знаете, работа Aг, совершенная при этом газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).
Действие теплового двигателя имеет циклический характер, то есть представляет собой последовательность повторяющихся одинаковых процессов. Поэтому после того, как газ расширился, совершив работу, его надо сжать до прежнего объема, чтобы он снова смог совершить работу при следующем расширении.
Сжимая газ, надо совершать работу над газом. Чтобы двигатель совершал полезную работу, работа по сжатию газа должна быть меньше работы газа при его расширении. Для этого надо сжимать газ при меньшем давлении. А чтобы уменьшить давление газа, надо понизить его температуру, Для этого при сжатии надо охлаждать газ, то есть отбирать у него некоторое количество теплоты Q2.
График зависимости p(V) при сжатии более холодного газа изображен на графике (рис. 43.2) синей линией. Работа Aвнеш внешних сил, совершаемая при этом над газом, численно равна площади фигуры под этим графиком (на рисунке она закрашена).
Полезная работа Aпол совершенная двигателем за один цикл, равна разности работы газа Aг и работы внешних сил Aвнеш:
Из этого соотношения следует, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах p, V. Она закрашена на рисунке 43.3.
Подсказка. Воспользуйтесь первым законом термодинамики и тем, что при возвращении в начальное состояние внутренняя энергия газа не изменилась.
Основные элементы теплового двигателя
Итак, тепловой двигатель состоит из следующих основных элементов (рис. 43.4).
- Нагреватель – сжигаемое топливо. Нагреватель имеет высокую температуру T1 и при контакте с рабочим телом передает ему количество теплоты Q1.
- Рабочее тело – обычно газ.
- Холодильник – обычно окружающий воздух или вода водоема. Температура T2 холодильника ниже температуры нагревателя: T2 0, коэффициент полезного действия любого теплового двигателя меньше 100 %.
? 2. За некоторое время нагреватель передал рабочему телу количество теплоты 5 кДж, а рабочее тело отдало холодильнику количество теплоты 4 кДж. Чему равен КПД?
Максимально возможный КПД теплового двигателя
Исследуя различные циклические процессы, французский ученый С. Карно доказал, что
максимально возможный коэффициент полезного действия теплового двигателя
В этой формуле T1 – температура нагревателя, а T2 – температура холодильника.
Как увеличить КПД теплового двигателя? Из формулы (5) следует, что этого можно достичь двумя способами: повышая температуру T1 нагревателя и понижая температуру T2 холодильника. Какой способ более эффективен?
Чтобы ответить на этот вопрос, заметим, что температура холодильника T2 не может быть ниже температуры окружающего воздуха, поэтому особенно сильно понизить ее невозможно. Следовательно, единственно возможный путь – повышать насколько возможно температуру T1 нагревателя. Однако и тут есть ограничение: температура нагревателя не должна превышать температуру плавления материалов, из которых изготовлен двигатель.
Формула (5) соответствует максимально возможному КПД теплового двигателя. У реальных тепловых двигателей он существенно меньше максимально возможного. Например, КПД лучших двигателей внутреннего сгорания составляет 30–40 %.
? 3. Чему равен максимально возможный КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 1000 ºС, а температура холодильника 20 ºC?
3. Пример расчета КПД цикла
Вычисление КПД для циклов реальных тепловых двигателей требует использования высшей математики. Мы рассмотрим упрощенный циклический процесс a – b – c – d – a, происходящий с идеальным одноатомным газом (рис. 43.5).
Прежде чем начинать расчеты, проведем качественное рассмотрение.
? 4. В следующей таблице приведены качественные характеристики некоторых этапов указанного циклического процесса. Перенесите таблицу в тетрадь и объясните содержание заполненных ячеек таблицы. Заполните остальные ячейки.
Итак, мы видим, что газ получает от нагревателя некоторое количество теплоты только на этапах a – b и b – c.
Напомним теперь, что коэффициент полезного действия равен отношению полезной работы Aпол к полученному от нагревателя количеству теплоты Q. Мы установили,что это количество теплоты газ получил в процессе a – b – c.
Согласно первому закону термодинамики:
где Aг и ∆U – работа газа и изменение его внутренней энергии в процессе a – b – c.
? 5. Чему равна работа газа Aг в процессе a – b – c?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что работа газа численно равна площади фигуры под графиком зависимости p(V).
Для нахождения изменения внутренней энергии газа воспользуемся формулой (§ 42):
В состоянии с произведение давления газа на его объем равно 2p * 2V = 4pV, а в состоянии a это произведение равно pV. Следовательно,
? 6. Чему равно количество теплоты Q, полученное газом от нагревателя за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь формулой (6), результатом задания 4 и формулой (7).
Для нахождения КПД осталось найти полезную работу газа за один цикл.
? 7. Чему равна полезная работа газа за один цикл?
Подсказка. Воспользуйтесь тем, что полезная работа численно равна площади, заключенной внутри цикла в координатах (p, V).
Теперь можно найти КПД данного цикла.
? 8. Чему равен КПД данного цикла?
Подсказка. Воспользуйтесь результатами заданий 5–7.
4. Второй закон термодинамики
Обратимые и необратимые процессы и явления Среди происходящих вокруг нас явлений есть такие, которые могут протекать практически одинаково как в прямом, так и в обратном направлении во времени – как в фильме, который показывают в обратном порядке, от конца к началу. Такие явления называют обратимыми.
Явления же, которые могут протекать только в одном направлении, называют необратимыми.
Практически обратимыми являются механические явления, в которых очень мала роль трения: например, колебания груза на нити или на пружине.
Если заснять их, а затем показывать фильм в обратном порядке, зрители не заметят «обращения времени»: им будет казаться, что они наблюдают реальный процесс.
Однако те механические явления, в которых трение играет существенную роль, являются необратимыми: если показывать фильм о таких явлениях в обратном порядке, зрители сразу же это заметят.
Например, при прямом показе фильма катящийся по траве мяч замедляется и останавливается, а при обратном показе лежащий на траве мяч вдруг ни с того ни с сего начинает катиться, причем с возрастающей скоростью.
Среди тепловых явлений также есть обратимые и необратимые. Например, при адиабатном сжатии и расширении газа (то есть при отсутствии теплопередачи) газ ведет себя подобно пружине: если надавить на поршень, под которым находится газ в теплоизолированном цилиндрическом сосуде, а затем отпустить поршень, то он начнет совершать колебания – как груз на пружине.
Однако те тепловые явления, в которых существенную роль играет теплопередача, нельзя рассматривать как обратимые даже приближенно, так как теплопередача направлена всегда в одну сторону – от горячего тела к холодному.
Поскольку трение или теплопередача в той или иной степени присутствуют в любом процессе, все происходящие в природе процессы являются необратимыми. Например, колебания груза, подвешенного на нити или на пружине, могут продолжаться довольно долго, но постепенно они затухают и в конце концов прекращаются.
Второй закон термодинамики
Необратимость процессов обусловлена тем, что более упорядоченное состояние вещества со временем переходит в менее упорядоченное. (Закономерность такого перехода обосновывается с помощью теории вероятностей, но это обоснование выходит за рамки нашего курса.)
Например, вследствие трения кинетическая энергия тела, движущегося как единое целое, превращается в энергию хаотического движения молекул. При теплопередаче упорядоченность также уменьшается: у тел с разной температурой молекулы «рассортированы» по энергиям (средняя энергия молекул одного тела больше средней энергии молекул другого тела), а после выравнивания температур средние энергии молекул обоих тел становятся одинаковыми.
Утверждение о необратимости процессов в природе называют вторым законом термодинамики. Есть несколько равноценных с физической точки зрения формулировок этого закона. Например, немецкий ученый Р. Клаузиус предложил такую формулировку:
невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача некоторого количества теплоты от холодного тела к горячему.
В этой формулировке речь идет о передаче некоторого количества теплоты как единственном результате. Домашний холодильник осуществляет передачу тепла в обратном направлении – от холодных продуктов в морозильной камере к теплому окружающему воздуху, но при этом электродвигатель холодильника потребляет электроэнергию, которая вырабатывается на электростанции. Выработка же электроэнергии сопровождается необратимыми процессами. Поэтому охлаждение продуктов в морозильной камере – не единственный результат всего процесса.
5. Энергетический и экологический кризисы
Энергетический кризис понимают как недостаток энергии для развития промышленного производства. Он является сегодня одной из острых проблем цивилизации. Но как согласовать энергетический кризис с законом сохранения энергии: ведь если энергия сохраняется, то как ее может не хватать?
Дело в том, что энергетический кризис состоит прежде всего в недостатке энергии, пригодной для преобразования в механическую. Например, мы видели, что при работе тепловых двигателей происходит преобразование химической энергии топлива в механическую энергию, которая затем превращается в энергию хаотического движения частиц. Это преобразование энергии является необратимым.
Запасы топлива на нашей планете неуклонно уменьшаются: например, разведанных запасов нефти при нынешнем темпе ее использования хватит всего на несколько десятилетий. Таким образом, энергетический кризис является следствием необратимости процессов, происходящих в природе и технике.
Не менее серьезной проблемой, стоящей перед человечеством, является экологический кризис.
Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать воздействие на климат Земли и состав атмосферы.
Во всех тепловых двигателях в качестве холодильника используется окружающая среда (атмосферный воздух и вода открытых водоемов). В результате происходит повышение температуры окружающей среды, называемое тепловым загрязнением (рис. 43.6).
Оно усугубляется тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. В результате атмосфера не пропускает в космическое пространство тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли. Из-за этого возникает так называемый парниковый эффект, вследствие которого температура может повыситься еще больше.
Ученые установили, что средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Одной из причин этого может быть работа большого и все возрастающего количества тепловых двигателей – в основном на электростанциях и в автомобилях. Это грозит глобальным потеплением с весьма нежелательными последствиями. К их числу относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.
Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется необходимый для жизни атмосферный кислород, а также образуются вредные вещества, загрязняющие атмосферу. Качество воздуха в больших городах оставляет желать лучшего.
Чтобы смягчить негативные последствия работы тепловых двигателей, стараются максимально повысить их КПД и уменьшить выбросы вредных веществ.
5.6. Двигатель внутреннего сгорания
Тепловой двигатель — это периодически действующее устройство, в котором тепловая энергия преобразуется в механическую работу.
Тепловые двигатели разнообразны по конструкции и назначению. К ним относятся паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, реактивные двигатели и т. д. (см. рис. 5.9).
Рис. 5.9. Тепловые двигатели: 1 — паровая машина; 2 — двигатель внутреннего сгорания; 3 — газовая турбина; 4 — ракетный двигатель
Несмотря на многообразие, в основе практически всех тепловых двигателей лежит общий принцип — принцип циклического действия. Основными частями любого теплового двигателя являются: нагреватель, рабочее тело и холодильник.
Рассмотрим в качестве примера работу четырехтактного двигателя внутреннего сгорания. В этом двигателе высокая температура достигается за счет сгорания рабочей смеси (бензина с воздухом) внутри цилиндра двигателя; воспламенение смеси происходит с помощью искрового зажигания. Перечислим основные стадии работы четырехтактного двигателя внутреннего сгорания:
Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания показана на рис. 5.10.
Рис. 5.10. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания
Рассмотрим идеализированный процесс (цикл Отто), близкий к используемому в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания. Цикл Отто изображен на рис. 5.11.
Рис. 5.11. Идеализированный цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания (цикл Отто)
Как обычно, термодинамические параметры имеют индексом номер соответствующей точки на рисунке (в данном случае надо будет помнить, что V3 = V2; V4 = V1).
Изобара А—1. Первый такт цикла. Вследствие движения поршня в цилиндр всасывается горючее. Приближенно можно считать, что это происходит при атмосферном давлении p1. Объем увеличивается от V1 до V2.
Адиабата 1—2. Второй такт цикла. Теплообмена со средой нет. Поршень движется в обратном направлении, адиабатно сжимая смесь от объема V1 до объема V2. При этом повышается давление, и температура растет от Т1 до Т2. Связь температур и объемов в начале и конце адиабатной части цикла дается соотношением
Изохора 2—3. Начало третьего такта. Под действием электрической искры горючая смесь взрывается: давление почти мгновенно возрастает до значения р3, а объем еще не успевает измениться. Температура растет от T2 до Т3 за счет тепла, выделенного при взрыве. Работа не производится, а количество полученного тепла выражается формулой
Адиабата 3—4. Продолжение третьего такта. Теплообмена со средой нет. Газ адиабатно расширяется до максимального объема цилиндра V1, падают температура и давление. Связь температур и объемов в начале и конце адиабаты дается уравнением
Изохора 4—l. Конец третьего такта. Открывается клапан, давление падает до атмосферного при постоянном объеме. Температура также падает до значения Т1.
Изобара 1—А. Четвертый такт. Поршень выталкивает из цилиндра отработанные газы, система возвращается в начальное состояние. Поскольку участок А-1 проходится дважды в разных направлениях, соответствующие вклады в работу и в теплоту сокращаются и могут не приниматься во внимание.
Таким образом, получаем для КПД цикла
Из уравнений (1), (3) следует равенство отношений
Подставляя (6) в (5), приходим к окончательному выражению для КПД цикла
Оно получилось очень похожим на формулу для КПД цикла Карно, но обратим внимание, что максимальной температурой здесь является температура в точке 3 (Тmах = Т3), а минимальной — температура в точке 1 (Tmin = T1). Поэтому КПД цикла Карно, работающего между такими температурами, равнялся бы
Разность этих двух выражений отлична от нуля:
поскольку Т4 > T1. Мы воочию убедились, что КПД рассмотренного цикла меньше КПД цикла Карно. Заметим также, что КПД цикла Отто можно выразить через отношение объемов:
Величина V1/V2 называется сжатием. Получается, что КПД рассмотренного цикла определяется только величиной сжатия горючей смеси и показателем адиабаты.