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.