В термодинамике и технике тепловой двигатель — это система, которая преобразует тепло в полезную энергию , особенно механическую энергию , которая затем может быть использована для выполнения механической работы . [1] [2] Первоначально концепция теплового двигателя была задумана в контексте механической энергии, но по крайней мере с конца 19 века она применялась к различным другим видам энергии, особенно к электрической. [3] [4] Тепловая машина делает это, переводя рабочее вещество из более высокого состояния в более низкое. Источник тепла генерирует тепловую энергию, которая переводит рабочее вещество в более высокотемпературное состояние. Рабочее тело совершает работу в рабочем теле двигателя, передавая тепло более холодному стоку до тех пор, пока оно не достигнет более низкого температурного состояния. Во время этого процесса часть тепловой энергии преобразуется в работу за счет использования свойств рабочего вещества. Рабочим телом может быть любая система с ненулевой теплоемкостью , но обычно это газ или жидкость. Во время этого процесса часть тепла обычно теряется в окружающую среду и не преобразуется в работу. Кроме того, некоторая энергия непригодна для использования из-за трения и сопротивления.
В общем, двигатель — это любая машина , преобразующая энергию в механическую работу . Тепловые двигатели отличаются от других типов двигателей тем, что их эффективность принципиально ограничена теоремой Карно . [5] Хотя это ограничение эффективности может быть недостатком, преимуществом тепловых двигателей является то, что большинство форм энергии могут быть легко преобразованы в тепло с помощью таких процессов, как экзотермические реакции (такие как горение), деление ядер , поглощение света или энергетических частиц, трение , диссипация и сопротивление . Поскольку источник тепла, который подает тепловую энергию в двигатель, может работать практически от любого вида энергии, тепловые двигатели охватывают широкий спектр применений.
Тепловые двигатели часто путают с циклами, которые они пытаются реализовать. Обычно термин «двигатель» используется для физического устройства, а термин «цикл» — для модели.
В термодинамике тепловые двигатели часто моделируются с использованием стандартной инженерной модели, такой как цикл Отто . Теоретическая модель может быть уточнена и дополнена фактическими данными работающего двигателя, используя такие инструменты, как индикаторная диаграмма . Поскольку очень немногие реальные реализации тепловых двигателей точно соответствуют лежащим в их основе термодинамическим циклам, можно сказать, что термодинамический цикл является идеальным случаем механического двигателя. В любом случае, полное понимание двигателя и его эффективности требует хорошего понимания (возможно, упрощенной или идеализированной) теоретической модели, практических нюансов реального механического двигателя и различий между ними.
В общих чертах, чем больше разница температур между горячим источником и холодным поглотителем, тем больше потенциальный тепловой КПД цикла. На Земле холодная сторона любого теплового двигателя ограничена температурой, близкой к температуре окружающей среды, или не намного ниже 300 Кельвинов , поэтому большинство усилий по улучшению термодинамического КПД различных тепловых двигателей сосредоточено на повышении температуры источник, в материальных пределах. Максимальный теоретический КПД теплового двигателя (которого никогда не достигает ни один двигатель) равен разнице температур между горячим и холодным концами, разделенной на температуру на горячем конце, каждая из которых выражается в абсолютной температуре .
КПД различных тепловых двигателей, предлагаемых или используемых сегодня, имеет большой диапазон:
Эффективность этих процессов примерно пропорциональна перепаду температур на них. Значительное количество энергии может потребляться вспомогательным оборудованием, например насосами, что существенно снижает эффективность.
Важно отметить, что хотя некоторые циклы имеют типичное место сгорания (внутреннее или внешнее), зачастую они могут быть реализованы совместно с другим. Например, Джон Эрикссон [9] разработал двигатель с внешним подогревом, работающий по циклу, очень похожему на более ранний дизельный цикл . Кроме того, двигатели с внешним подогревом часто могут быть реализованы с открытым или закрытым циклом. В закрытом цикле рабочая жидкость сохраняется внутри двигателя по завершении цикла, тогда как в открытом цикле рабочая жидкость либо обменивается с окружающей средой вместе с продуктами сгорания в случае двигателя внутреннего сгорания, либо просто выбрасывается в атмосферу. окружающая среда в случае двигателей внешнего сгорания, таких как паровые двигатели и турбины .
Повседневные примеры тепловых двигателей включают тепловые электростанции , двигатели внутреннего сгорания , огнестрельное оружие , холодильники и тепловые насосы . Электростанции являются примерами тепловых двигателей, работающих в прямом направлении, в которых тепло течет из горячего резервуара в холодный резервуар, производя работу в качестве желаемого продукта. Холодильники, кондиционеры и тепловые насосы являются примерами тепловых двигателей, работающих в обратном направлении, т.е. они используют работу для получения тепловой энергии при низкой температуре и повышения ее температуры более эффективным способом, чем простое преобразование работы в тепло (либо за счет трение или электрическое сопротивление). Холодильники отводят тепло из термически изолированной камеры при низкой температуре и отводят отработанное тепло при более высокой температуре в окружающую среду, а тепловые насосы забирают тепло из низкотемпературной среды и «выбрасывают» его в термически изолированную камеру (дом) при более высокой температуре. .
В целом тепловые двигатели используют тепловые свойства, связанные с расширением и сжатием газов в соответствии с газовыми законами, или свойства, связанные с фазовыми переходами между газообразным и жидким состояниями.
Атмосфера и гидросфера Земли — тепловой двигатель Земли — представляют собой связанные процессы, которые постоянно выравнивают дисбаланс солнечного нагрева за счет испарения поверхностных вод, конвекции, осадков, ветров и циркуляции океана при распределении тепла по земному шару. [10]
Ячейка Хэдли является примером тепловой машины. Он включает в себя подъем теплого и влажного воздуха в экваториальной области Земли и опускание более холодного воздуха в субтропиках, создавая прямую циркуляцию с термическим приводом и, как следствие, чистое производство кинетической энергии. [11]
В этих циклах и двигателях рабочими телами являются газы и жидкости. Двигатель преобразует рабочее тело из газа в жидкость, из жидкости в газ или и то, и другое, генерируя работу за счет расширения или сжатия жидкости.
В этих циклах и двигателях рабочим телом всегда является газ (т. е. фазовый переход отсутствует):
В этих циклах и двигателях рабочее тело всегда подобно жидкости:
Бытовой холодильник является примером теплового насоса : тепловой машины наоборот. Работа используется для создания теплового перепада. Многие циклы могут работать в обратном порядке, чтобы переносить тепло с холодной стороны на горячую, в результате чего холодная сторона становится холоднее, а горячая сторона — горячее. Версии этих циклов для двигателей внутреннего сгорания по своей природе необратимы.
Холодильные циклы включают в себя:
Испарительный двигатель Бартона — это тепловой двигатель, основанный на цикле производства энергии и охлаждения влажного воздуха за счет испарения воды в горячий сухой воздух.
Мезоскопические тепловые двигатели — это наноразмерные устройства, которые могут служить целям обработки тепловых потоков и выполнять полезную работу в небольших масштабах. Потенциальные применения включают, например, электрические охлаждающие устройства. В таких мезоскопических тепловых двигателях работа за цикл работы колеблется из-за теплового шума. Существует точное равенство, связывающее средние показатели степени работы, совершаемой любой тепловой машиной, и передачу тепла от более горячей тепловой ванны. [14] Это соотношение преобразует неравенство Карно в точное равенство. Это соотношение также является равенством цикла Карно
КПД теплового двигателя показывает, сколько полезной работы совершается при заданном количестве вложенной тепловой энергии.
Из законов термодинамики , после завершенного цикла: [15]
Другими словами, тепловой двигатель поглощает тепловую энергию от высокотемпературного источника тепла, преобразуя часть ее в полезную работу, а остальную часть отдает в виде отработанного тепла радиатору с низкой температурой.
В общем, эффективность данного процесса теплопередачи определяется соотношением «то, что вынимается» и «то, что вводится». (Для холодильника или теплового насоса, который можно рассматривать как тепловую машину, работающую в обратном направлении, это коэффициент полезного действия , и он равен ≥ 1.) В случае двигателя человек желает получить работу и должен вложить тепло , например, от сгорания топлива, поэтому КПД двигателя разумно определяется как
КПД составляет менее 100% из-за неизбежной потери отходящего тепла в холодный радиатор (и соответствующей работы сжатия) во время необходимого повторного сжатия при холодной температуре, прежде чем рабочий такт двигателя может произойти снова.
Теоретический максимальный КПД любого теплового двигателя зависит только от температур, в которых он работает . Этот КПД обычно достигается с помощью идеального воображаемого теплового двигателя, такого как тепловой двигатель Карно , хотя другие двигатели, использующие другие циклы, также могут достичь максимального КПД. Математически после полного цикла общее изменение энтропии равно нулю:
Обратите внимание, что оно положительное, поскольку изотермическое расширение в рабочем такте увеличивает кратность рабочего тела, а отрицательное, поскольку рекомпрессия уменьшает кратность. Если двигатель идеален и работает реверсивно , и , и таким образом [16] [15]
,
что дает и, следовательно, предел Карно для эффективности теплового двигателя,
где – абсолютная температура горячего источника и холодного стока, обычно измеряемая в Кельвинах .
Причина этого в том, что максимальная эффективность заключается в следующем. Сначала предполагается, что если возможен более эффективный тепловой двигатель, чем двигатель Карно, то его можно будет использовать в обратном направлении как тепловой насос. Математический анализ можно использовать, чтобы показать, что эта предполагаемая комбинация приведет к чистому уменьшению энтропии . Поскольку согласно второму началу термодинамики это статистически невероятно невероятно, эффективность Карно является теоретической верхней границей надежной эффективности любого термодинамического цикла.
Эмпирически еще не было показано, что ни один тепловой двигатель работает с большей эффективностью, чем тепловой двигатель с циклом Карно.
На рисунках 2 и 3 показаны изменения эффективности цикла Карно в зависимости от температуры. На рисунке 2 показано, как изменяется эффективность с увеличением температуры подвода тепла при постоянной температуре на входе в компрессор. На рис. 3 показано, как изменяется КПД с увеличением температуры отвода тепла при постоянной температуре на входе в турбину.
По своей природе любой максимально эффективный цикл Карно должен работать при бесконечно малом градиенте температуры; это связано с тем, что любая передача тепла между двумя телами с разными температурами необратима, поэтому выражение эффективности Карно применимо только к бесконечно малому пределу. Основная проблема заключается в том, что целью большинства тепловых двигателей является выработка мощности, а бесконечно малая мощность требуется редко.
Иную меру идеального КПД теплового двигателя дают соображения эндообратимой термодинамики , где система разбивается на обратимые подсистемы, но с необратимыми взаимодействиями между ними. Классическим примером является двигатель Керзона-Альборна [17] , очень похожий на двигатель Карно, но в котором тепловые резервуары при температуре и могут отличаться от температур вещества, проходящего обратимый цикл Карно: и . Теплопередача между резервуарами и веществом рассматривается как кондуктивная (и необратимая) в виде . В этом случае необходимо найти компромисс между выходной мощностью и эффективностью. Если двигатель работает очень медленно, тепловой поток мал и находится классический результат Карно
но ценой исчезновения выходной мощности. Если вместо этого выбрать работу двигателя на максимальной выходной мощности, эффективность станет
Эта модель лучше прогнозирует, насколько хорошо могут работать реальные тепловые двигатели (Callen 1985, см. также эндообратимую термодинамику ):
Как показано, эффективность Керзона – Альборна гораздо точнее моделирует наблюдаемое.
Тепловые двигатели известны с древности, но в полезные устройства их превратили только во времена промышленной революции 18 века. Их развитие продолжается и сегодня.
Инженеры изучили различные циклы тепловых двигателей, чтобы увеличить количество полезной работы, которую они могут извлечь из данного источника энергии. Предел цикла Карно не может быть достигнут ни при каком газовом цикле, но инженеры нашли как минимум два способа обойти это ограничение и один способ повысить эффективность, не нарушая никаких правил:
Каждый процесс является одним из следующих:
уравнения (39), (40) и (65).
уравнение(64).