История тепловых машин и оптимизация их работы

Введение

Актуальность настоящей работы состоит в том, что человечество постоянно что-то изобретает. Одним из таких изобретений стала тепловая машина.
Нужно отметить, что естественные и закономерные физические и математические законы нашего мира накладывают ограничения на работу систем и механизмов. Работа устройства основанного на сжигании разных веществ или использовании энергии горячего пара или кипящей водой является примером теплового двигателя.
Нужно отметить, что эффективность самого совершенного теплового двигателя не более 45%. С одной стороны – это низкий показатель, а с другой – высокий.
Кроме этого нужно признать, что на сегодняшний день тепловая машина – это основной вид машин, используемый человечеством. Фактически к числу тепловых машин можно отнести как двигатели внутреннего сгорания, так и турбины и т.д.
Кроме этого следует признать, что самой главной причиной появления теплового двигателя является стремление человека упростить рабочие процессы. Другими словами пар и механизмы делали работу быстрее, чем 10 или 15 рабочих.
Сюда же следует добавить, что тепловая машина поставила множество вопросов перед физикой. Дело в том, что изобретатели и инженеры долгое время не могли найти ответа на вопрос об эффективном использовании в тепловых машинах отработанного пара.
В 18-19 веках найти эффективное решение данной проблеме было невозможно по причине низких технологических возможностей промышленности и науки. Сегодня в 21 веке человечество создало полностью замкнутые технологические процессы. Другими словами был получен двигатель, который использует энергию и возможности пара максимально возможно. Например, на атомных станциях пар после работы конденсируется в конденсаторах, а оттуда оставшаяся вода вновь отправляется к реактору, что бы вновь превратиться в пар. Такой процесс идет постоянно и не прекращается ни на минуту.


1. Понятие о тепловой машине

Тепловой машиной принято обозначать периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет принятого извне тепла. То есть внутренняя энергия топлива трансформируется в механическую работу.
Всякая тепловая машина работает на основе кругового (циклического) процесса, иными словами возвращается к первоначальному состоянию. Но чтобы при этом была осуществлена полезная работа, возврат обязан произойти с минимальными потерями [2, с. 34].
Обнаружено, что непрерывное или периодически повторяющееся получение работы за счет охлаждения тел может осуществиться только при условии, когда исполняющая работу машина не только получает теплоту от какого-либо тела (это тело принято называть нагревателем), но одновременно с этим передает часть теплоты другому телу (холодильнику).
Поскольку в тепловой машине осуществляется круговой процесс, то возврат к первоначальному состоянию возможен с минимальными потерями, при условии передачи части тепла. Или если охладить пар, то его проще сжать, таким образом, работа сжатия будет меньше работы расширения. По этой причине в тепловых машинах применяют холодильник.
Итак, на осуществление работы идет не вся теплота, принятая от нагревателя, а лишь ее часть, остальная же теплота передается холодильнику. Машины, генерирующие механическую работу в результате обмена теплотой с окружающими телами, принято обозначать как тепловые двигатели [12, с. 25].
В подавляющей части подобных машин нагревание формируется при сгорании топлива, вследствие чего на нагреватель поступает достаточно высокая температура. В данной модели работа осуществляется за счет применения внутренней энергии смеси топлива с кислородом воздуха. Помимо этого, есть машины, в которых нагрев осуществляется Солнцем, а также проекты машин, применяющих разность температур морской воды. И все же на сегодняшний день они не получили существенного практического внедрения.
Таким образом, можно заметить, что человечество научилось использовать тепловую энергию с помощью тепловых машин и двигателей. В основу их действия положено выполнение механической работы за счет теплоты, которую они получают от нагревателя и часть которой отдают охладителю.
Принцип действия тепловой машины можно изобразить схематически. Нагреватель передает рабочему телу определенное количество теплоты Q1, часть которой идет на выполнение работы A’. Рабочим телом в тепловых машинах может быть газ или пар, выполняющие работу в процессе своего расширения вследствие нагревания. В паровых турбинах это происходит благодаря паровым котлам, в двигателях внутреннего сгорания — вследствие сжигания топливной смеси, в реактивных двигателях — благодаря значительной теплоотдаче топлива при стремительном сгорании [3, с. 16].
Выполняя работу, рабочее тело отдает часть количества теплоты Q2 охладителю (специальным устройствам или атмосфере), снижая свою температуру. При этом часть тепловой энергии рассеивается в атмосфере в виде выбросов отработанного пара или выхлопных газов.
Коэффициент полезного действия равен отношению выполненной работы к затраченной энергии: η = A / Q [2, с. 44].
Согласно закону сохранения энергии значение выполненной работы
A’ = Q1 + Q2 = |Q1| — |Q2|. По определению коэффициента полезного действия:
η = A’ / Q1 = |Q1| — |Q2| / |Q1| = 1 — |Q2| / |Q1| [12, с. 53].
Следовательно, коэффициент полезного действия тепловой машины всегда меньше 1 (100%). Например, у двигателей внутреннего сгорания он равняется приблизительно 44%, у паровых турбин — около 40 %.
Термодинамика не интересуется конкретным устройством тепловых машин, она анализирует общие закономерности взаимопревращений теплоты и механической работы. Среди устройств, которые термодинамика считает тепловыми машинами, оказываются не только привычные двигатели внутреннего сгорания и холодильники, но и величественный Гольфстрим, и разрушительные смерчи.
Тепловые машины — это периодически действующие устройства, переводящие теплоту и механическую работу друг в друга.
Если тепловая машина работает по прямому циклу (переводит теплоту в работу), то она называется тепловым двигателем [20, с. 55].
Тепловая машина, работающая по обратному циклу (за счет потребления механической работы, отбирающая теплоту у нагретых тел), называется холодильной машиной.
Примером теплового двигателя может служить двигатель автомобиля, а холодильная машина, например, стоит на кухне — это холодильник.