Тепловые двигатели

Общая схема

Любому тепловому двигателю нужны три вещи. Нагреватель, где сгорает топливо, рабочее тело, которое расширяется, и холодильник, куда уходит отработанное тепло.

Рабочим телом обычно служит газ или пар. Расширяясь, он толкает поршень или лопатки турбины и совершает работу.

Без холодильника машина не пойдёт. Если отработанный пар не убрать, он будет мешать следующему ходу поршня.

Отсюда главное ограничение: часть тепла обязательно уходит наружу, и полностью превратить тепло в работу нельзя.

Холодильником чаще всего служит окружающий воздух или река рядом со станцией. Отсюда и градирни, огромные башни, из которых валит пар: в них охлаждают воду, отработавшую в цикле.

Паровая машина

В паровой машине топливо горит в топке, а вода кипит в отдельном котле. Пар по трубе идёт в цилиндр и двигает поршень.

Такое устройство называют двигателем внешнего сгорания: огонь и рабочее тело разделены.

Паровая машина неприхотлива к топливу: годятся дрова, уголь, торф. Зато она громоздкая и тяжёлая.

КПД её невелик, около десяти процентов. Девять десятых энергии топлива улетают в трубу и уходят с отработанным паром.

Двигатель внутреннего сгорания

Здесь топливо сгорает прямо в цилиндре, и горячие газы сами двигают поршень. Котёл не нужен, машина становится компактной.

Работает такой двигатель по четырём тактам. Впуск смеси, сжатие, рабочий ход после вспышки, выпуск отработанных газов.

Из четырёх тактов полезен один. Остальные три вал проходит за счёт запасённого движения, для чего на нём стоит тяжёлый маховик.

В бензиновом двигателе смесь поджигает свеча. В дизеле она вспыхивает сама от сильного сжатия, и КПД выходит выше.

Цилиндров обычно несколько. Они работают по очереди, и вал получает толчок почти непрерывно, отчего мотор идёт ровнее и тише.

Турбина

В турбине струя пара или газа бьёт в лопатки колеса и вращает его. Возвратного движения поршня здесь нет вовсе.

Из-за этого турбина работает ровно и выдерживает огромные обороты. На ней держатся электростанции и самолётные двигатели.

На тепловой электростанции цепочка длинная: топливо греет воду, пар крутит турбину, турбина вращает генератор, генератор даёт ток.

Каждое звено что-то теряет, поэтому итоговый КПД станции редко превышает сорок процентов, а у самых современных доходит до шестидесяти.

Коэффициент полезного действия

КПД показывает, какая часть энергии топлива стала полезной работой. Считают его как отношение работы к затраченной энергии.

Записывают в долях или в процентах. Число всегда меньше единицы, и это не недоработка инженеров, а закон природы.

Причина в том, что тепло само переходит только от горячего к холодному. Часть энергии обязана уйти в среду, иначе цикл не замкнётся.

Двигатели и природа

Тепловые двигатели греют воздух и выбрасывают продукты сгорания. В городе это заметно по смогу.

Часть проблем решают фильтры и переход на газ вместо угля. Часть решают другим путём: электромотор, гидростанция, ветряк и солнечная батарея не жгут топливо.

Полностью отказаться от тепловых машин пока не выходит. Самолёт, судно и грузовик всё ещё держатся на сгорании топлива.

Зато повысить их КПД можно всегда. Инженеры поднимают температуру пара, ставят турбины на выхлоп двигателя и пускают отработанное тепло на отопление домов.

Первую практичную паровую машину построил Уатт в конце восемнадцатого века, и с неё началась целая эпоха заводов и железных дорог.

Про энергию топлива и её расчёт речь шла в уроке «Количество теплоты». Про давление пара и его свойства читай урок «Испарение и кипение».