Тепловой двигатель: работа, эффективность, типы и применение

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее тепловую энергию в механическую, то есть в способность, с которой мы можем работать. В наши дни он широко используется, поскольку помогает преобразовывать тепло во что-то производительное.

Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это простая машина, которая преобразует тепловую энергию в работу (механическую энергию). Он забирает тепло из резервуара, горячего тела, а затем выполняет с его помощью некоторую работу. Некоторое количество тепловой энергии выделяется в радиатор, холодное тело. Следовательно, некоторая часть тепловой энергии будет потрачена впустую — такие виды топлива, как уголь, бензин и древесина, выделяют энергию при сгорании в двигателе. Поскольку двигатели работают за счет сжигания топлива с выделением тепла, их называют тепловыми двигателями.

Диаграмма

Давайте посмотрим на схему теплового двигателя, чтобы лучше понять весь процесс.

Здесь используется тепловая, $Q_{1}$ берется из источника, температура которого $T_{1}$ . Двигатель выполняет работу, Вт используя это тепло и оставшееся тепло, $Q_{2}$ сбрасывается в раковину при температуре, $T_{2}$ . Следовательно, мы можем сделать вывод, что не вся тепловая энергия, получаемая от источника, используется для выполнения работы, но некоторая часть энергии также сбрасывается в приемник.

Работа теплового двигателя

Теперь давайте обсудим работу теплового двигателя с помощью P-V диаграммы. Диаграмма давление-объем показана ниже-

Цикл P-V диаграммы показывает объем работы, выполняемой тепловым двигателем. Давайте попробуем разобраться в каждом шаге один за другим-

Расширение):B (Изотермический→ A Во время этого процесса температура источника равна T1, и идеальный газ выделит из него количество тепла Q1. Здесь расширение является изотермическим, поэтому изменения внутренней энергии не происходит. Таким образом, тепло, поглощаемое газом, будет равно работе, производимой им над окружающей средой.
C (адиабатическое расширение)→B: На этом этапе температура идеального газа снижается от температуры источника, T1, до температуры стока, T2. Давление снижается, но объем увеличивается, поскольку при расширении газ не получает никакого количества тепловой энергии.
D (изотермическое сжатие)→C: Во время этого процесса температура стока T2 еще больше снижается, поскольку количество тепла Q2 отводится в сток.
A (адиабатическое сжатие)→D: На этом этапе температура естественным образом повышается с T2 до T1, и в результате рабочее вещество возвращается в исходное состояние, и на этом один цикл работы теплового двигателя завершается.

КПД

Эффективность теплового двигателя математически определяется как отношение работы, выполняемой рабочим веществом, к количеству подводимого тепла (при высокой температуре).

Эффективность, $η = \frac{Work Done}{Heat Input}$

Проделанная работа, $W = Q_{1} - Q_{2}$

Теплозатраты $= Q_{1}$

Таким образом, $η = \frac{W}{Q_{1}} = \frac{(Q_{1} - Q_{2})}{Q_{1}}$

Следовательно, КПД, $η = 1 - \frac{Q_{2}}{Q_{1}}$

Типы тепловых двигателей

В целом различают два типа тепловых двигателей в зависимости от их работы. Они обсуждаются ниже-

Двигатель внешнего сгорания

В двигателях такого типа топливо сжигается на разумном расстоянии от двигателя, с помощью которого оно может выполнять работу. Типичным примером двигателя внешнего сгорания является паровой двигатель, в котором вода нагревается вдали от системы с использованием угля.

Образующийся пар поступает в металлический цилиндр, а тепло — в двигатель, который перемещает поршень взад-вперед. Таким образом, работа закончена. Позже жидкость охлаждается, сжимается и, наконец, используется повторно.

Двигатель внутреннего сгорания

В этих двигателях топливо сжигается внутри камеры. Он также известен как 4-тактный, поскольку поршню требуется 4 хода для завершения одного цикла сгорания. Одним из замечательных свойств этих двигателей является то, что их КПД выше по сравнению с двигателями внешнего сгорания из-за передачи тепла от котла к цилиндру, поскольку все происходит в одном месте.

Автомобильный двигатель является примером двигателя внутреннего сгорания такого типа.

Примеры тепловых двигателей

Мы приводим различные распространенные примеры тепловых двигателей в нашей повседневной жизни. Некоторые из них перечислены ниже-

Автомобильный двигатель: Он относится к категории двигателей внутреннего сгорания, в которых сгорание происходит внутри, а потери тепла незначительны или даже меньше.
Лучевой двигатель: Относится к категории двигателей внешнего сгорания. Раньше использовалась огромная машина с цилиндром и поршнем, прикрепленными к большой балке, которая приводила в действие машины.
Двигатели Стирлинга: Это двигатель внешнего сгорания, состоящий из двух цилиндров с поршнем, приводящим в движение одно колесо. Один цилиндр поддерживается постоянно горячим в качестве источника, а другой всегда остается холодным в качестве стока.
Холодильник (или тепловой насос): Он работает по принципу, обратному тепловому двигателю. Многие циклы должны работать в обратном направлении, чтобы передавать тепло с холодной стороны на горячую. Эти тепловые насосы потребляют много энергии и широко используются для отопления.

Применение теплового двигателя

Ниже приведены несколько областей применения-

Импульсные турбины: Импульсные турбины широко используются для паровой тяги кораблей и подводных лодок. Они также используются для выработки электроэнергии и перевозки грузов на судах и нефтеперерабатывающих заводах. Они обладают высокой рабочей скоростью.
Реактивная турбина: Реактивная турбина широко используется для выработки электроэнергии. Она имеет низкую рабочую частоту вращения по сравнению с импульсными турбинами.