Тепловой двигатель

В технике и термодинамике тепловой двигатель преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим "источником" и холодным "поглотителем". Тепло передается от источника через "рабочее тело" двигателя к "поглотителю", и в этом процессе часть тепла превращается в работу, используя свойства газа или жидкости внутри двигателя.

Существует множество видов тепловых двигателей. Каждый из них имеет свой термодинамический цикл. Тепловые двигатели часто называют в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикл Карно. Они часто получают повседневные названия, такие как бензиновые/бензиновые, турбинные или паровые двигатели.

Двигатели внутреннего сгорания генерируют тепло внутри самого двигателя. Другие тепловые двигатели могут поглощать тепло от внешнего источника. Тепловые двигатели могут быть открытыми для воздуха или герметичными и закрытыми от внешнего воздействия (это называется открытым или закрытым циклом).

Рисунок 1: Схема теплового двигателя. TH - источник тепла, а TC - холодный радиатор. QH - тепло, поступающее в двигатель. QC - отработанное тепло, уходящее в холодный радиатор. W - полезная работа, выходящая из двигателя.

Обзор

Когда ученые изучают тепловые двигатели, они придумывают идеи для двигателей, которые на самом деле не могут быть построены. Они называются идеальными двигателями или циклами. Реальные тепловые двигатели часто путают с идеальными двигателями или циклами, которые они пытаются имитировать.

Обычно при описании физического устройства используется термин "двигатель". При описании идеала используется термин "цикл".

Можно сказать, что термодинамический цикл - это идеальный случай механического двигателя. Можно также сказать, что модель не совсем идеально соответствует механическому двигателю. Тем не менее, упрощенные модели и идеальные случаи, которые они могут представлять, приносят много пользы.

В общем смысле, чем больше разница температур между горячим источником и холодным поглотителем, тем эффективнее цикл или двигатель. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой воздуха в том месте, где находится двигатель.

Большинство усилий по повышению эффективности тепловых двигателей направлено на повышение температуры источника тепла, но при очень высоких температурах металл двигателя начинает размягчаться.

Эффективность различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, варьируется от 3 процентов (97 процентов отработанного тепла) для океанской электростанции OTEC, 25 процентов для большинства автомобильных двигателей, 45 процентов для сверхкритической угольной электростанции и около 60 процентов для пароохлаждаемой газовой турбины комбинированного цикла. Все эти процессы получают свою эффективность (или ее отсутствие) из-за перепада температур в них.

Наименее эффективная, OTEC, использует разницу температур океанской воды на поверхности и океанской воды с глубины, небольшую разницу, возможно, в 25 градусов Цельсия, и поэтому эффективность должна быть низкой.

Наиболее эффективная газовая турбина комбинированного цикла сжигает природный газ для нагрева воздуха почти до 1530 градусов Цельсия, большая разница температур составляет 1500 градусов Цельсия, и поэтому эффективность может быть очень большой, когда добавляется цикл парового охлаждения.

Повседневные примеры

Люди в основном используют тепловые двигатели, в которых тепло исходит от огня, расширяющего рабочую жидкость (обычно либо воду, либо воздух), а теплоотводом является либо водоем, либо атмосфера, как в градирнях.

Известные двигатели, использующие расширение нагретых газов, включают: паровой двигатель, дизельный двигатель и бензиновый двигатель в автомобиле.

Двигатель Стирлинга встречается гораздо реже, но его можно найти в небольших моделях, которые могут работать от тепла руки.

Одним из видов игрушечного теплового двигателя является поилка для птиц.

Биметаллическая лента - это устройство, преобразующее температуру в механическое движение и используемое в термостатах для регулирования температуры. Это тепловой двигатель, в котором не используется жидкость или газ.

Вопросы и ответы

В: Что такое тепловой двигатель в технике и термодинамике?

О: Тепловой двигатель - это устройство, которое преобразует тепловую энергию в механическую работу, используя разницу температур между горячим "источником" и холодным "поглотителем".

В: Как работает тепловой двигатель?

О: Тепло передается от источника через рабочее тело двигателя к поглотителю, и в этом процессе часть тепла преобразуется в работу, используя свойства газа или жидкости внутри двигателя.

В: Какие термодинамические циклы связаны с тепловыми двигателями?

О: Существует много видов тепловых двигателей, каждый из которых имеет определенный термодинамический цикл. Они называются в честь термодинамического цикла, который они используют, например, цикл Карно.

В: Какие есть примеры тепловых двигателей, названных в честь повседневных предметов?

О: Некоторые примеры тепловых двигателей, названных в честь повседневных предметов, включают бензиновые/бензиновые двигатели, турбинные двигатели и паровые двигатели.

В: Как двигатели внутреннего сгорания вырабатывают тепло?

О: Двигатели внутреннего сгорания генерируют тепло внутри самого двигателя.

В: Могут ли тепловые двигатели быть открытыми для воздуха?

О: Да, тепловые двигатели могут быть открытыми для воздуха или герметичными и закрытыми от внешнего воздействия. Это называется открытым или закрытым циклом.

В: Все ли тепловые двигатели поглощают тепло из внешнего источника?

О: Нет, хотя некоторые тепловые двигатели могут поглощать тепло из внешнего источника, другие могут генерировать тепло внутри самого двигателя.