Теплообмен и второй закон термодинамики

Турист остановился отдохнуть. Живительное тепло костра согревает и похлёбку в котелке, и самого туриста. Физик по этому поводу скажет: внутренняя энергия сгорающих дров переходит во внутреннюю энергию окружающих тел: воздуха, котелка, туриста. Другими словами, происходит теплопередача.

На рисунке представлены три способа теплопередачи: тепло¬проводность, излучение и конвекция. Путём теплопроводности через дно и стенки котелка внутренняя энергия пламени переходит во внутреннюю энергию туристской похлебки. Путём излучения – во внутреннюю энергию ладоней туриста и его одежды. А путем конвекции – во внутреннюю энергию воздуха над костром. И чем жарче горит пламя, тем интенсивнее (с большей мощностью) происходит теплопередача.

Мощность теплопередачи между двумя телами тем больше, чем сильнее отличаются их температуры. Эту закономерность подметил английский физик И. Ньютон ещё в конце XVII веке. Другими словами, чем больше разница температур тел, участвующих в теплообмене, тем с большей скоростью он протекает (то есть в единицу времени передается больше теплоты).

У этой закономерности есть частный случай: если температуры тел не отличаются, то мощность теплопередачи будет равна нулю. Другими словами, если тела имеют равные температуры, то теплообмен происходить не будет. Например, если в воду при 0 °С бросить кусок льда такой же температуры, то передачи теплоты между ними не будет: ни лёд не начнет таять, ни вода не станет замерзать вокруг льда.

Теплопередача теплопроводностью. Проделаем опыт. Две проволоки одинаковой длины и толщины – медную и стальную – укрепим так, чтобы их концы попали в пламя свечи. Кусочками воска приклеим к ним маленькие гвоздики. Мы увидим, что с медной проволоки они начнут падать раньше. Значит, теплота по медной проволоке распространяется быстрее, чем по стальной.

Этот опыт показывает, что теплопроводность различных веществ различна. Это значит, что при одинаковых условиях они передают теплоту с разной скоростью.

Тела и вещества, быстро передающие теплоту, называюся теплопроводниками. К ним, в первую очередь, относятся все металлы – в твёрдом и жидком состоянии. Тела и вещества, медленно передающие теплоту, называются теплоизоляторами. К ним, например, относятся пенопласт, мех, вата и др.

Опыты показывают, что все без исключения газы передают теплоту очень медленно. Теплопроводность жидкостей (кроме жидких металлов) занимает промежуточное положение между теплопроводностью твёрдых тел и газов.

Теплота сгорания топлива и КПД тепловых машин

Как мы отметили в предыдущем параграфе, в XIX веке было построено огромное количество паровых машин: от небольших до огромных. Они потребляли невероятно большое количество топлива, как правило, угля. Его необходимо было добывать и транспортировать к месту потребления, что приводило к большим финансовым затратам. Возникал вопрос: каков КПД паровой машины и как его можно повысить?

Рассчитать количество теплоты, которое выделяется при сгорании топлива, легко по формуле:

Q – количество теплоты, Дж. m – масса топлива, кг. q – удельная теплота сгорания, Дж/кг.

Коэффициент «q» берут из таблиц. Он показывает количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива.

Измерить, сколько механической работы произвела машина, несложно. Тогда КПД машины можно вычислить по формуле:

h — КПД тепловой машины. Aполезн – механическая работа, Дж. Qполн – количество теплоты, Дж.

Вычисления показывали, что КПД паровых машин был крайне низок, около 1%. При этом ни у кого не было ни малейшего представления о том, каким может быть максимальный КПД и что могут сделать инженеры, чтобы его повысить.

В 1824 году была опубликована работа французского инженера С. Карно «Размышления о движущей силе огня». Он рассматривает идеальную тепловую машину (тепловой двигатель). Не углубляясь в подробности, назовём основные идеи Карно.

Во-первых, любой тепловой двигатель должен обязательно содержать нагреватель и охладитель. Это необходимо, чтобы рабочее тело (газ или пар) могло попеременно увеличивать и уменьшать объём, двигая при этом поршень и совершая работу.

Во-вторых, чем выше температура нагревателя и ниже температура охладителя, тем выше будет КПД. Для идеальной тепловой машины (двигателя) Карно вывел формулу:

h — максимальный КПД Tнагр – температура нагревателя, К Tохл – температура охладителя, К

В этой формуле Tнагр и Tохл – так называемые абсолютные температуры по шкале Кельвина (см. § 6-а).

Поскольку для тепловых машин (двигателей) охладителем является атмосферный воздух или вода из открытых водоёмов, то уменьшить их температуру невозможно. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру нагревателя, а точнее, температуру, до которой нагревается рабочее тело.

Экологические проблемы использования тепловых машин. Мы живём в XXI веке, который невозможно представить без электростанций и автомобилей. Большая доля электростанций в мире – тепловые, то есть сжигающие топливо (уголь или газ). Автомобили, работающие на электричестве – редкость, все остальные сжигают топливо (бензин). При этом есть два крайне нежелательных для окружающей среды обстоятельства.

Во-первых, выхлопные газы загрязняют атмосферу, делают её непригодной для нормальной жизнедеятельности человека. Во-вторых, выделяющееся тепло изменяет климат Земли и наносит непоправимый вред природе, животным и человеку. Поэтому задача человечества – переходить на более безопасные для окружающей среды двигатели.

Двигатель внутреннего сгорания

История XIX века неразрывно связана с паровыми машинами: они приводили в действие станки на заводах, заставляли ехать паровозы и плыть пароходы. Однако паровая машина – это так называемый двигатель внешнего сгорания. Это означает, что создание рабочего тела (горячего пара) происходит снаружи самого двигателя (цилиндра и поршня в нём).

Однако развитие техники показало, что наиболее эффективным является двигатель внутреннего сгорания, в котором рабочее тело (горячий газ) создаётся непосредственно внутри цилиндра с поршнем. В принципе, это тоже может быть горячий пар, однако технически проще оказалось использовать горячиий газ, который образуется при сжигании жидкого топлива – бензина.

Карбюраторный двигатель. Это название подчеркивает, что существенной его деталью является карбюратор – устройство для смешивания бензина с воздухом в нужных пропорциях.

Основные части двигателя внутреннего сгорания следующие.

1 – фильтр для всасываемого воздуха, 2 – карбюратор, 3 – бензобак, 4 – топливопровод, 5 – распыляющийся бензин, 6 – впускной клапан, 7 – запальная свеча, 8 – камера сгорания, 9 – выпускной клапан, 10 – цилиндр, 11 – поршень.

Работа этого двигателя состоит из нескольких повторяющихся друг за другом этапов, или, как говорят, тактов. Всего их четыре. Отсчёт тактов начинается с момента, когда поршень находится в крайней верхней точке, и оба клапана закрыты.

Первый такт называется впуск (рис. «а»). Впускной клапан открывается, и опускающийся поршень засасывает бензино-воздушную смесь внутрь камеры сгорания. После этого впускной клапан закрывается.

Второй такт – сжатие (рис. «б»). Поршень, поднимаясь вверх, сжимает бензино-воздушную смесь.

Третий такт – рабочий ход поршня (рис. «в»). На конце свечи вспыхивает электрическая искра. Бензино-воздушная смесь почти мгновенно сгорает, и в цилиндре возникает высокая температура. Это приводит к сильному возрастанию давления, и горячий газ совершает полезную работу – толкает поршень вниз.

Четвёртый такт – выпуск (рис «г»). Выпускной клапан открывается, и поршень, двигаясь вверх, выталкивает отработавший газ из камеры сгорания в трубу. Затем клапан закрывается.

Дизельный двигатель. В 1892 г. немецкий инженер Р. Дизель получил патент (документ, подтверждающий изобретение) на двигатель, впоследствии названный его фамилией.

В цилиндры двигателя Дизеля попадает не смесь бензина и воздуха, а только воздух. Поршень, сжимая этот воздух, совершает над ним работу и, согласно первому закону термодинамики, внутренняя энергия воздуха возрастает. Причём, температура воздуха в цилиндре возрастает настолько, что впрыскиваемое топливо сразу же самовоспламеняется. Образующиеся при этом газы выталкивают поршень обратно, осуществляя рабочий ход.

Следовательно, работа двигателя Дизеля также состоит из четырёх тактов: а) всасывание воздуха; б) сжатие воздуха; в) впрыск и сгорание топлива – рабочий ход; г) выпуск отработавших газов. Важно: карбюратор и запальная свеча становятся ненужными, что упрощает конструкцию двигателя и повышает его надежность.

Дизельные двигатели (говорят: дизели) могут работать на менее качественном, а значит, на более дешёвом топливе, чем карбюраторные двигатели. Дизели также способны развивать большую мощность. КПД дизелей достигает 35–40%, что заметно выше, чем КПД карбюраторных двигателей: 30–35%.