История создания тепловых двигателей.



Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В первом веке до нашей эры древнегреческим ученым Героном Александрийским была описана примитивная паровая турбина, которую сам Герон назвал в своем трактате «Пневматика» шаром «Эола» или эолипилом (Эол — древнегреческий полубог, властелин ветров и ураганов).


Конструкция эолипила представляла собой бронзовый котел с водой, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, к которым крепилась сфера, при этом соединение трубок со сферой позволяло последней вращаться. При нагревании воды в котле по трубкам в сферу поступал пар под давлением. Из сферы выходили две трубки, изогнутые таким образом, что вырывающийся из них пар заставлял сферу вращаться. О практическом применении этой примитивной паровой турбины не известно ничего, вероятнее всего, она использовалась для развлечения.

Любопытно, что изготовленный спустя века по описанию Герона эолопил во время испытаний показал великолепные скоростные и тяговые характеристики.

Еще одним типом тепловых двигателей, известным человеку с давних времен, является реактивный двигатель. Энергия сгорания топлива в этом двигателе сопровождается повышением давления в камере сгорания и направленным истечением быстродвижущихся газов из сопла, вызывающих направленную противоположно потоку газов движущую силу, действующую на сам двигатель и машину, в которой он размещен (ракету). Известно о применении реактивных двигателей для создания небольших реактивных снарядов и фейерверков в военных и декоративно-зрелищных целях в Китае и некоторых других азиатских странах еще в XIII веке.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.

Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых «игрушек», а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать «огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».


Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.

В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.

Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.

Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.

Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г. г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.), но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.

Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.

Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

***

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.

Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.

Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

***

Двигатель Папена

Первое упоминание о создании примитивной конструкции своеобразного двигателя внутреннего сгорания относится к XVII веку.


Французского изобретателя Д. Папена осенила идея использовать энергию пороховых газов в стволе пушки для выполнения какой-либо полезной механической работы. Папен использовал ствол пушки в качестве цилиндра, расположив его вертикально, и поместив в него подвижный поршень, соединенный системой блоков и рычагов с грузом. По замыслу изобретателя после сгорания пороха в стволе поршень должен был подняться вверх; затем его следовало охладить водой, и он, опускаясь вниз, должен поднять собственным весом гирю, т. е. выполнить полезную работу.

Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

К сожалению, первое же испытание «двигателя» Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее «вспыльчивое» топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

***

Двигатель Ленуара

Спустя более полвека, в 1859 году французский изобретатель Э. Ленуар построил и запатентовал поршневой двигатель, который являлся усовершенствованной конструкцией двигателя Лебона, и тоже использовал в качестве рабочего тела светильный газ, воспламеняемый от внешнего источника (электрической свечи) прямо в цилиндре.

При явном новаторстве конструкции, двигатель Ленуара многое заимствовал у парового двигателя. Он состоял из цилиндра с двухходовым поршнем и кривошипно-шатунным приводом на вал. Светильный газ (от газогенератора) и воздух в цилиндр подавались через специальные золотники, весь цикл состоял из двух тактов.

Предварительного сжатия горючей смеси не предусматривалось. И это вполне понятно — двухходовой цикл (рабочий ход поршня осуществлялся по принципу — туда-сюда) не позволял осуществлять сжатие. Впрочем, о сжатии рабочей смеси для увеличения эффективности работы двигателя в те времена не догадывались.

Запуск двигателя осуществлялся длительным ручным раскручиванием колеса-маховика, после чего машина начинала относительно устойчиво работать.

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.


Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями), поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

***



Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто (нем. Andreas Otto) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.

Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя — специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.

КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз), поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.

Триумф немецкого изобретателя был омрачен французскими конкурентами — выяснилось, что за несколько лет до изобретения Отто, принцип работы двигателя по четырехтактному циклу был описан французским инженером Альфонсом Эженом Бо де Роша (фр. Alphonse Eugène Beau de Rochas).

Бо де Роша, как и Отто, пришел к выводу, что газовую смесь перед воспламенением необходимо сжать, а затем предложил и схему четырехтактного рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания. Он изложил свои идеи в книге, опубликованной несколько раньше, чем защитил свой патент Отто — еще в 1862 году, но сам двигатель изготавливать не стал.

Группе французских промышленников удалось оспорить в суде авторские права Отто на изобретение, в результате чего его патентные привилегии были значительно сокращены, в том числе аннулировано монопольное право на четырехтактный цикл теплового двигателя.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой «Отто и Компания». Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.

Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта — заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.

Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.

Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.

Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.

Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.

Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

***

Двигатель Дизеля

Очередной революционный прорыв в области двигателестроения состоялся благодаря немецкому изобретателю, инженеру Рудольфу Дизелю.

Некоторое время Дизель пытался изобрести двигатель, способный работать на угольной пыли, но его работы в этом направлении оказались неудачными. Тогда он направил творческую энергию в совершенно другое русло.

Слабым местом газовых и карбюраторных двигателей считался процесс воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя — применявшиеся для этих целей зажигательные, калильные и электрические устройства не отличались высокой надежностью.

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда — Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.

Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.

Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.

Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.

В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии), и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.

В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.

***

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) — советский учёный и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя.

Идея создания теплового двигателя нового типа посетила Г. Тринклера еще в студенческие годы, но лишь спустя десятилетие ему удалось воплотить замысел в жизнь. Причем для этого ему даже пришлось уехать в Германию, поскольку из-за патентных противостояний с владельцем патента на дизель Э. Нобеля в России ему запретили заниматься работами в этом направлении.

По возвращению в Россию он длительное время руководил отделом тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе.

Тринклер является автором более полусотни научных работ. В 1930 году за заслуги перед наукой ему была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.

В 1934 году Тринклер перешёл на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом Красное Сормово.

Основное отличие конструкции «Тринклер-мотора» состояло в том, что топливо в цилиндр подавалось с помощью специального устройства — прообраза современного ТНВД и форсунки, конструкция которого была несколько ранее предложена французским изобретателем Сабатэ (Сабатье). В классическом («чистом») дизельном двигателе топливо подавалось в камеру сгорания при помощи специального компрессора, поэтому такие двигатели иногда называют компрессорными дизелями, а двигатели Сабатэ-Тринклера — бескомпрессорными.

Кроме того, Тринклер внес еще одно усовершенствование, позволяющее эффективнее сжигать топливо: сжатый воздух поступал из цилиндра в небольшую отдельную камеру, куда и впрыскивалось топливо, а затем уже из камеры процесс горения распространялся в цилиндр.

Эта конструкция впоследствии получит название двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера), иногда его называют бескомпрессорный или форкамерный дизель.

Спустя некоторое время изобретателю удалось доказать явное отличие рабочего цикла, осуществляемого новым двигателем, от рабочего цикла двигателя Дизеля, что позволило заявить о существенной новизне конструкции, и рождение двигателя Тринклера состоялось, хоть и с некоторым запозданием.

Цикл двигателя Тринклера напоминает гибрид рабочих циклов двигателей Отто и Дизеля – воспламенение рабочей смеси на первой стадии осуществляется почти по изохорному процессу (как у двигателя Отто), а затем – по изобарному (как у дизельного двигателя). Использование изобретения Тринклера позволяло достичь более полного и равномерного сжигания топлива во время рабочего хода поршня.

Если сравнивать тепловой КПД поршневых двигателей, получивших наиболее широкое распространение в промышленности и транспорте, то безусловное первенство принадлежит двигателю Дизеля, имеющему самый высокий коэффициент полезного действия. Однако, двигатель Дизеля в «чистом» виде почти не применяется в практических целях из-за несовершенства системы подачи топлива. В настоящее время название дизельный двигатель закрепилось за двигателями, которые справедливее было бы называть двигателями Тринклера. Тем не менее, двигатель, работающий по циклу Дизеля имеет самый высокий температурный КПД среди известных типов ДВС.

У двигателя Отто самый низкий температурный КПД при равных условиях работы.

Двигатель, работающий по циклу Сабатэ — Тринклера занимает промежуточное место на этом «пьедестале почета» между дизельным двигателем и двигателем Отто.

***

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам

по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»

(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу

по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Скачать календарно-тематический план

по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

• для специальности СПО «Механизация сельского хозяйства»
• для специальности СПО «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»



Главная страница

• Страничка абитуриента

Дистанционное образование

• Группа ТО-81
• Группа М-81
• Группа ТО-71

Специальности

• Ветеринария
• Механизация сельского хозяйства
• Коммерция
• Техническое обслуживание и ремонт автотранспорта

Учебные дисциплины

• Инженерная графика
• МДК. 01.01. «Устройство автомобилей»
•    Карта раздела
•       Общее устройство автомобиля
•       Автомобильный двигатель
•       Трансмиссия автомобиля
•       Рулевое управление
•       Тормозная система
•       Подвеска
•       Колеса
•       Кузов
•       Электрооборудование автомобиля
•       Основы теории автомобиля
•       Основы технической диагностики




• Основы гидравлики и теплотехники
• Метрология и стандартизация
• Сельскохозяйственные машины
• Основы агрономии
• Перевозка опасных грузов
• Материаловедение
• Менеджмент
• Техническая механика
• Советы дипломнику

Олимпиады и тесты

• «Инженерная графика»
• «Техническая механика»
• «Двигатель и его системы»
• «Шасси автомобиля»
• «Электрооборудование автомобиля»

Доклад История создания тепловых двигателей сообщение

• Энциклопедия
• Разное
• История создания тепловых двигателей

Тепловой двигатель изобрел Российский изобретатель Ползунов И. И. в 1765, первая машина была очень огромная и достигала 11 метров в высоту. В зарубежных источниках можно найти информацию что первый тепловой двигатель изобрёл Английский изобретатель Джеймс Уатт, и по факту это правда. Эти 2 учёные из разных стран и континентов изобрели эту машину в один и тот же год. Но разница в том что у Ползунова машина была уже работоспособная чего нельзя сказать о Джеймс Уатт, его машина была экспериментальной и изобретение закончилось только в 1768 году, но патент на тепловой двигатель он получил только в 1782,спустя 17 лет после Ползунова.

Первые двигатели внешнего сгорания делались без научной базы, что не допустимо в наше время. Не производились прогнозирование эффективности машины, ни расчёты деталей и из-за этого машины были очень больших размеров, например тепловой двигатель Ползунова был 11 метров в высоту. Изначально эти двигатели были не практичные из-за своих больших размеров и их практически не использовали, но спустя годы их усовершенствование дошло до того что их уже можно было устанавливать на автомобили и они служили по назначению впервые это было в 1864 году.

Благодаря изобретению паровой машины человечество начало строить производства по машинам что в наше время есть почти в каждой семье, это увеличило власть человека над природой. Смело можно сказать что эти учёные изобретатели сотворили и вошли в историю человечества, им это стоило тратой времени всей жизни. Их первые машины использовались в грузовых и пассажирских локомотивах и паровых суднах. Они развили коммерческое использование на предприятиях и были основой промышленной революции.

В наше время в 21 веке активно используется двигателя внутреннего сгорания в строении автомобилей, кораблей и самолётов, это обеспечивает скорость и комфорт перемещения в человека с одного континента в другой или же перемещение между странами и городами. Несомненно их бы сконструировали если  не в 18 веке дак может позже, но какая гордость берёт зная что на Русской земле есть такие изобретатели которые вошли в историю и о них знает весь мир. Сейчас конечно с новыми технологиями и помощью государства это сделать проще что нельзя сказать о том времени когда даже самые элементарные расчёты и чертежи были придуманы с головы. Не имея представления как сделать этот двигатель таких размеров каких мы видим их сейчас.

История создания тепловых двигателей

Популярные темы сообщений

• Город Барнаул

  Барнаул — это небольшой город расположенный на юге Западной Сибири, на берегу реки Обь. Есть несколько версий появления названия города. По одной из них с казахского языка слово переводится «хорошее стойбище».

• Творчество Томаса Манна

  Томас Манн — писатель, эссеист и философ. Обладатель Нобелевской премии за эпохальный роман «Будденброки». Член Шведской академии сказал, что «Т.Манн стал первым немецким романистом,

• Легкие (стороение и функция)

  Лёгкие относятся к системе органов жизнеобеспечения многих рыб, некоторых видов земноводных животных, птиц, человека, пресмыкающихся, млекопитающих.

• Творчество Олега Ефремова

  Говоря про Ивана Антоновича Ефремова следует сказать, что человек это был совершенно энциклопедических познаний и с этой точки зрения он являлся продолжателем той череды выдающихся

• Планета Земля

  Наша планета занимает одно из первых мест по уникальности во вселенной из-за того, что на Земле есть жизнь. Ещё не известно, есть ли жизнь на других планетах, однако ученые выдвинули свои исследования, что может существовать планета с подобными

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Большинство двигателей, используемых в современном обществе, являются тепловыми двигателями. Сюда входят паровые электрогенераторы, автомобили, грузовики, многие локомотивы, холодильники, кондиционеры, тепловые насосы.

Первая зарегистрированная тепловая машина была сделана Героем Александром в 50 году нашей эры.

Первым крупным шагом к механизации общества стало изобретение паровой машины Джеймсом Уаттом в 1765/1769 гг. С годами в паровой двигатель вносились усовершенствования и модификации, и он стал главной силой промышленной революции.
По мере того, как паровой двигатель становился все более надежным и сильным, возник интерес к тому, чтобы сделать его более эффективным. Основным фактором стоимости является топливная экономичность, и это потребовало значительных усилий инженеров.

Эффективность тепловой машины определяется как работа, деленная на энергию. = (Тепло на входе — Тепло на выходе) / (Энергия на входе) = 1 — (Тепло на выходе) / (Тепло на входе)

В 1824 г. французский инженер Сади Карно (1796–1832) написал и опубликовал монографию под названием « Reflexions sur la Puissance motrice du Feu» (Размышления о движущей силе огня). В своем трактате Карно блестяще обосновал общие принципы эффективности тепловых машин. В лучших традициях французской картезианской школы (последователи/почитатели Рене Декарта) Карно начал с простого предположения и вывел выводы, применимые практически ко всем двигателям.

Предположение Карно: Теплота не может быть поглощена при определенной температуре и преобразована в работу без каких-либо других изменений в системе окружающей среды.
(Это эквивалентно другим формулировкам второго закона термодинамики, перечисленным ранее.)

Определение двигателя: Двигатель работает в замкнутом цикле, периодически возвращаясь в исходное состояние в конце каждого цикла. Это преобразователь энергии, действующий как катализатор. В химической реакции катализатор работает, соединяясь с одним из первоначальных составляющих атомов или молекул и подвергаясь ряду реакций, пока не образуется желаемое соединение, и катализатор не высвобождается в своей первоначальной форме, чтобы начать свое действие заново.
пыль.

Принципиальная схема стандартной тепловой машины.

Карно задумался о том, каким будет абсолютный максимальный КПД тепловой машины.
Нужно рассмотреть идеализированную тепловую машину.
Нам нужно сделать то, что сделал Галилей, когда он думал о движении без трения, начиная с понимания движения.
Идеализированная тепловая машина работает обратимо и не имеет внутреннего трения и неэффективности, кроме фундаментальных. Под обратимостью мы подразумеваем, что в системе (включая двигатель, две тепловые ванны и рабочую энергию) нет изменений, которые нельзя было бы обратить вспять с помощью лишь бесконечно малого изменения. При движении без трения тело, совершающее очень слабое движение в одном направлении, может изменить свое направление на противоположное при приложении очень малого импульса. Идеальная обратимая тепловая машина может изменить направление работы с очень незначительными изменениями.

Принципиальная схема реверсивной тепловой машины, работающей в прямом и реверсивном — рефрижераторном — режиме. По сути, так работает домашний тепловой насос.

Реверсивные тепловые двигатели с максимальным КПД

Это доказывается, если предположить, что существует сверхтепловая машина с большим КПД, и показать, что это противоречит предположению Карно.
Рассмотрим случай, когда и обратимая тепловая машина, и сверхтепловая машина удаляют из горячего резервуара одинаковое количество тепловой энергии. Если обратимая тепловая машина производит работу W и отдает тепло Qc = Q — W в более холодный резервуар, то сверхтепловая машина производит работу Ws = W+DW — дополнительную работу при той же подводимой теплоте, поскольку она более эффективна, — и тепло Q = Q — W — DW в холодный резервуар. Обратите внимание, что супертепловой двигатель отдает меньше тепла в холодный резервуар, потому что его более высокий КПД превращает больше исходного тепла в дополнительную работу. Теперь, если мы запустим реверсивную тепловую машину в обратном направлении, беря W работы W+DW от сверхтепловой машины, чтобы работать, забирая Qc из холодного резервуара и помещая Q в горячий. Совместная работа двух двигателей не приводит к изменению горячего резервуара, поскольку один забирает Q, а другой возвращает Q. Тепловая энергия отбирается из холодного резервуара, поскольку обратимая тепловая машина забирает немного больше, чем сверхтепловая машина. вставляется, и это проявляется как дополнительная работа. Это взятие тепла из одного резервуара и превращение его в работу без каких-либо других изменений противоречит предположению Карно. Таким образом, чтобы оставаться последовательным:
Никакая тепловая машина не может иметь больший КПД, чем обратимая тепловая машина.

Все реверсивные тепловые двигатели имеют одинаковую эффективность при работе между двумя резервуарами с одинаковой температурой.

Это доказывается показом того, что есть противоречие, если их нет. Мы установили две тепловые машины для сравнения, работающие между одними и теми же двумя тепловыми резервуарами. Предположим, что один из них более эффективен, чем другой. Запустите менее эффективный двигатель в обратном направлении (как холодильник), используя часть работы более эффективного двигателя, которую менее эффективный двигатель произвел бы при движении вперед. В этот момент чистый тепловой поток из горячего резервуара равен нулю, а разница в работе между двумя двигателями возникает за счет чистого тепла, удаляемого из холодного теплового резервуара. Это противоречит предположению Карно. Таким образом, чтобы оставаться последовательным:
Каждая обратимая тепловая машина, работающая между двумя резервуарами с одной и той же температурой, имеет одинаковую эффективность.
Это означает, что независимо от того, как устроен обратимый тепловой двигатель или какое рабочее тело, его эффективность такая же, как и у всех других тепловых двигателей, работающих при тех же двух температурах.

Эффективность обратимой тепловой машины и термодинамическая шкала температур

Теперь мы можем пройтись по набору аргументов, показывающих, что можно
вывести зависимость между КПД обратимых тепловых машин, работающих между тремя резервуарами с разной температурой.
Рассмотрим случай, когда мы соединяем три тепловые машины так, чтобы одна из них направлялась непосредственно от резервуара с самой высокой температурой T1 к резервуару с самой низкой температурой T3. Вторая тепловая машина подключена между самым горячим (Т1) и среднетемпературным (Т2) тепловым резервуаром. Третья тепловая машина подключена между резервуаром средней (T2) температуры и резервуаром самой низкой температуры (T3). КПД двух работающих в тандеме должен быть равен КПД первого двигателя. В противном случае можно было бы устроить так, чтобы какая-либо из цепей имела наивысший КПД (большая часть работы для заданного тепла, поступающего из самого горячего (T1) температурного резервуара, направляется вперед для производства работы, а часть этой работы используется для запуска другой цепи назад для получения работы). тепло в самый горячий резервуар.

Принципиальная схема обратимых тепловых двигателей, работающих между тремя тепловыми резервуарами с разной температурой.

Таким образом, система с двумя обратимыми тепловыми двигателями, работающая между тремя резервуарами, будет иметь такой же КПД, как и одиночная обратимая тепловая машина, работающая между самым горячим и самым холодным резервуарами.
Если первая и вторая машины берут из самого горячего резервуара одинаковое количество теплоты Q1, то обратимая система с двумя тепловыми двигателями преобразует одну и ту же долю теплоты в работу W13 = W12 + W23 и отдает одну и ту же теплоту Q3 до самой низкой температуры ( T1) тепловой резервуар.

Теперь мы можем использовать это и закон сохранения энергии, чтобы определить, сколько тепла выделяется и отводится из теплового резервуара средней температуры. Тогда мы сможем получить соотношение между КПД тепловых двигателей, работающих при различных температурах.

Рассмотрим, что произойдет, если мы запустим третью обратимую тепловую машину в обратном направлении. Первая обратимая тепловая машина, работающая вперед, плюс третья обратимая тепловая машина, работающая назад, должны быть эквивалентны второй, работающей вперед.
Работа W13 первой тепловой машины за вычетом работы, необходимой для запуска третьей тепловой машины в обратном направлении, должна равняться работе второй тепловой машины. В сочетании с сохранением энергии:
W13 — W32 = (Q1 — Q3) — (Q2 — Q3) = Q1 — Q2 = W12

Теперь у нас есть отношение, чтобы связать тепло, поглощенное при T1, с теплотой, переданной при T2, путем нахождения теплоты, переданной при третьей температуре T3. В примере, который мы только что рассмотрели, если одна обратимая тепловая машина поглощает тепло Q1 при температуре T1 и отдает тепло Q3 при температуре T3, то обратимая тепловая машина, поглощающая тепло Q2 при температуре T2, отдает такое же тепло Q3 до температуры T3.
Мы находим эти соотношения для полного ряда температур —
тепло Qi, поглощаемое при температуре Ti, отдает столько же Q3 при температуре T3.
Нам нужно было определить только одну температуру в качестве стандартной температуры.
и мы можем соотнести теплоту, извлекаемую обратимой тепловой машиной, при любой другой температуре.

Если обратимая тепловая машина поглощает количество теплоты Q при температуре T, то она отдает количество Qs при нашей стандартной температуре Ts. Сумма, которую он доставляет, определяется его эффективностью Карно.

Эффективность = 1 — (Выход тепла) / (Вход тепла) = 1 — Qs / Q
или
Qs = (1 — Эффективность) Q
или, поскольку мы относим нашу эффективность к стандартной температуре Ts, эффективность может зависеть только от температура T. А для фиксированного подвода тепла в резервуар при нашей стандартной температуре Ts
тепло, отводимое при температуре T, зависит только от этой температуры:

Q = Qs /(1-Эффективность) = Qs F(T)

Теперь у нас есть все необходимое для определения температурной шкалы.
Если резервуар горячее, то тепло, извлекаемое реверсивным двигателем, будет больше для фиксированного количества тепла, доведенного до нашей стандартной температуры. Таким образом, F(T) и эффективность являются возрастающими функциями температуры пласта.
Лорд Кельвин (Уильям Томсон, 1824–1907) предложил использовать это соотношение для определения новой температурной шкалы, основанной на таком термодинамическом определении, что F(T) = T/Ts, так что
Q = Qs T / Ts или Q/T = Qs/Ts

Деление на Ts приводит к тому, что теплота, отводимая от Ts, соответствует теплоте, возвращаемой в Ts, поскольку предположение Карно состоит в том, что мы не можем отобрать теплоту из бани с одной температурой и получить работу без каких-либо других изменений.
Мы находим, что для всех обратимых тепловых двигателей имеет место соотношение
что эффективность равна единице минус отношение термодинамической температуры холодного резервуара (Tc) и термодинамической температуры горячего резервуара (Th)
Эффективность = 1 — Tc/Th

и
Q1/T1 = Q2/T2 = Q3/T3 = константа = S.
Q = S T

Эта константа S называется энтропией. Энтропия постоянна для обратимого процесса, но не для необратимого. Энтропия имеет тенденцию к увеличению в необратимых процессах.

Замечательно то, что термодинамическая шкала точно совпадает со шкалой температур, заданной законом идеального газа.
Можно представить себе обратимую тепловую машину, рабочими органами которой являются идеальный газ и объем поршня без трения.
Цикл Карно подробно разработан для идеального газа и приводит
непосредственно к тому же самому отношению

Эффективность = 1 — (Нагрев) / (Нагрев) = 1 — Tc / Th

, где температуры Tc и Th — это температуры, используемые в законе об идеальном газе:
PV = N k T

Тепловые двигатели

Тепловые двигатели

Следующий: Холодильники
Up: Классическая термодинамика
Предыдущий: Адиабатическая атмосфера

Термодинамика была изобретена почти случайно в 1825 году молодым французским инженером.
позвонил Сади Карно, исследовавшему теоретическую
ограничения на эффективность
Паровые двигатели.
Хотя мы не особенно интересуемся паровыми двигателями, в настоящее время это
по-прежнему весьма поучительно рассмотреть некоторые аргументы Карно.
Мы знаем из наблюдений, что можно совершать механическую работу
на устройство, а затем отводить эквивалентное количество тепла, которое
идет на увеличение внутренней энергии некоторого теплового резервуара. (Здесь мы используем малый
буквы и обозначать по существу положительных объемов работ и
тепла соответственно.)
Примером этого является классический эксперимент Джоуля, которым он проверил
первый закон термодинамики: крыльчатка вращается в жидкости под действием падающего
вес, а работа, совершаемая весом на колесе
превращается в тепло и поглощается жидкостью. Вопрос Карно был
это оно
можно обратить этот процесс вспять и построить устройство, называемое тепловой машиной , которое
извлекает тепловую энергию из резервуара и преобразует ее в полезную макроскопическую работу?
Например, можно ли извлекать тепло из океана и использовать его для запуска
электрический генератор?

К вопросу Карно есть несколько оговорок. Прежде всего,
работа не должна быть сделана
за счет самой тепловой машины, иначе преобразование теплоты в
работа не могла продолжаться бесконечно. Мы можем гарантировать, что это
случае, если тепловая машина совершает какой-либо цикл,
которым он периодически возвращается в одно и то же макросостояние, но тем временем
извлекли тепло из резервуара и совершили эквивалентное количество полезной работы.
Более того,
циклический процесс кажется разумным, потому что мы знаем, что оба
паровые машины и внутренние
горение
двигатели выполняют непрерывные циклы. Вторая оговорка заключается в том, что работа, проделанная
тепловая машина должна быть такой, чтобы изменить один параметр
какое-то внешнее устройство ( напр. , подняв вес), не делая этого в
за счет воздействия на другие степени свободы или энтропию этого устройства.
Например, если мы извлекаем тепло из океана для
генерируем электричество, мы хотим крутить вал
электрического генератора без увеличения мощности генератора.
энтропия; т.е. , в результате чего генератор
нагреваться или рассыпаться на куски.

Давайте рассмотрим возможность создания тепловой машины, используя законы
термодинамика. Предположим, что тепловая машина совершает один цикл. С

вернулся в исходное макросостояние, его внутренняя энергия равна
не изменится, а первый закон термодинамики говорит нам, что работа, совершенная
двигателем должно равняться теплу, извлекаемому из резервуара, поэтому

Вышеупомянутое условие, безусловно, необходимое
условие допустимой тепловой машины,
но является ли это также достаточным условием ? Другими словами, делает ли
каждое устройство, которое
удовлетворяет этому условию на самом деле работает? Давайте подумаем немного тщательнее
о том, что мы на самом деле ожидаем от тепловой машины. Мы хотим построить
устройство, которое будет извлекать энергию из теплового резервуара, где она случайным образом
распределяется по очень многим степеням свободы и преобразует его в энергию
распределены по одной степени свободы, связанной
с некоторым параметром внешнего
устройство. Как только мы сформулировали проблему в этих терминах, становится довольно очевидным, что
какие
мы действительно просим, ​​является спонтанным переходом от вероятного к невероятному
состояние, которое, как мы знаем, запрещено вторым законом термодинамики. Так,
к сожалению, мы не можем запустить электрогенератор на тепле, извлеченном из
океана, потому что это все равно, что спросить все молекулы в океане, которые колеблются.
во все стороны, чтобы все вдруг двинулись в одном направлении, чтобы
воздействовать на какой-либо рычаг, скажем, силой, которая затем может быть преобразована в крутящий момент на рычаге.
вал генератора. Из нашего исследования статистической термодинамики мы знаем, что
такой процесс в принципе возможен, но фантастически невероятно .

Невероятность только что изложенного сценария резюмируется во втором законе
термодинамики. Это говорит о том, что полная энтропия изолированной системы
никогда не может самопроизвольно уменьшаться, поэтому

В случае теплового двигателя изолированная система состоит из двигателя,
резервуар, из которого он извлекает тепло, и внешнее устройство, на котором он
работает. Сам двигатель периодически возвращается
в то же состояние, поэтому его
энтропия явно не меняется после каждого цикла. Мы уже указывали, что существует
не меняется энтропия внешнего устройства, над которым совершается работа. На
с другой стороны, изменение энтропии за цикл теплового резервуара,
что при абсолютной температуре
, скажем, дается

куда
— бесконечно малое тепло, поглощаемое резервуаром, а интеграл
принимается за весь цикл тепловой машины. Интеграл можно преобразовать в
выражение, потому что количество тепла, отводимого двигателем, равно
считается слишком малым, чтобы изменить температуру резервуара (это
определение резервуара тепла), так что это константа в течение цикла.
Второй закон термодинамики явно сводится к

или, используя первый закон термодинамики,

Так как мы хотим, чтобы работа двигателя была положительной, приведенное выше соотношение
четко
не может быть удовлетворено, что доказывает, что двигатель, преобразующий тепло
непосредственно в работу термодинамически невозможно.

Вечный двигатель,
который непрерывно выполняет цикл без отбора тепла из,
или работая над его окружением,
почти возможно согласно уравнению. (345). На самом деле такое устройство
соответствует знаку равенства в уравнении (342), который
означает, что он должен быть полностью
реверсивный . На самом деле полностью реверсивного двигателя не существует.
Все двигатели, даже самые эффективные, имеют потери на трение, что делает их
как минимум,
слегка необратимый. Таким образом, знак равенства в уравнении (342) соответствует
асимптотический предел, к которому реальность может приблизиться, но никогда полностью не достичь.
Отсюда следует, что вечный двигатель термодинамически невозможен.
Тем не менее, патентное ведомство США получает около 100 патентов.
заявок в год на вечные двигатели. Британское патентное бюро,
будучи немного менее открытым, чем его американский коллега, отказывается развлекать
такие приложения на том основании, что вечные двигатели запрещены
второй закон термодинамики.

Согласно формуле. (345), нет термодинамических возражений против
тепловая машина, которая работает в обратном направлении и непосредственно преобразует работу в тепло. Этот
неудивительно, так как мы знаем, что это, по существу, то, что силы трения
делать. Ясно, что здесь мы имеем еще один пример естественного процесса, который
принципиально необратимы в соответствии со вторым законом термодинамики.
На самом деле заявление

Невозможно построить совершенную тепловую машину, которая преобразует
тепло непосредственно в работу

называется формулировкой Кельвина второго закона.

Мы продемонстрировали, что совершенная тепловая машина , которая преобразует
тепло непосредственно в работу, невозможно. Но должен быть какой-то способ
получение полезной работы от тепловой энергии, иначе паровые машины не работали бы.
Ну, причина того, что наша
предыдущая схема не работала, заключалась в том, что она уменьшала энтропию теплового резервуара,
при некоторой температуре,
путем извлечения количества тепла за цикл,
без какого-либо компенсирующего увеличения энтропии чего-либо еще, поэтому
был нарушен второй закон термодинамики. Как мы можем исправить эту ситуацию?
Мы все еще хотим
саму тепловую машину совершать периодические циклы (так,
по определению, его энтропия не может увеличиваться за
цикла), и мы также не
хотят увеличить энтропию внешнего устройства, на котором
работа сделана. Наш единственный другой вариант — увеличить энтропию какого-нибудь другого
тело. В анализе Карно это другое тело
второй тепловой резервуар при температуре . Мы можем увеличить энтропию
второго резервуара, сбросив часть тепла, извлеченного из
первый резервуар в нем. Предположим, что теплота за цикл, которую мы извлекаем из первого
резервуар
, а тепло за цикл отводим во второй резервуар
является . Пусть
работа, совершаемая на внешнем устройстве, должна быть за цикл. Первый закон термодинамики
говорит нам, что

Обратите внимание, что если положительно ( т. е. , полезно) работа выполняется на
внешнее устройство.
Общее изменение энтропии за цикл происходит за счет тепла, извлеченного из первого
резервуар и тепло, сбрасываемое во второй, и должно быть положительным (или равным нулю)
по второму закону термодинамики. Так,

Мы можем объединить два предыдущих уравнения, чтобы получить

или же

Понятно, что двигатель будет совершать только полезную работу ( т.е. , т.е.
только будет положительным) если . Итак, второй резервуар должен быть на холоднее, чем на
во-первых, если тепло сбрасывается в первый, это увеличение
энтропия Вселенной более
отводимое от последнего тепло уменьшает его. Полезно определить
КПД тепловой машины. Это отношение работы, совершаемой за цикл
на внешнем устройстве для
тепловая энергия, поглощаемая за цикл из первого резервуара. Эффективность
совершенная тепловая машина равна единице, но мы уже показали, что такая машина
невозможно. Каков КПД реализуемого двигателя? Это понятно
из предыдущего уравнения, что

Обратите внимание, что КПД всегда меньше единицы. Настоящий двигатель должен всегда
отбрасывать часть энергии во второй тепловой резервуар, чтобы удовлетворить второй
закон термодинамики, поэтому меньше энергии доступно для выполнения внешних
работы, а эффективность
двигателя снижается. Знак равенства в приведенном выше выражении соответствует
к полностью обратимой тепловой машине ( т.е. , которая является квазистатической). Это
является
Ясно, что настоящие двигатели, которые всегда в какой-то мере необратимы,
менее эффективны, чем реверсивные двигатели. Кроме того, все реверсивные двигатели
которые работают между двумя температурами и должны иметь
тот же КПД ,

независимо от того, как они действуют.

Давайте подумаем, как мы могли бы построить одну из этих обратимых тепловых машин.
Предположим, что у нас есть газ в цилиндре, снабженном поршнем без трения.
Газ не обязательно идеальный газ. Предположим, что у нас также есть два тепловых
резервуары при температурах и (где ). Эти
резервуары могут иметь форму больших водяных бань.
Давайте начнем с
газ в тепловом контакте с первым резервуаром. Теперь вытаскиваем поршень
очень медленно, так что тепловая энергия обратимо поступает в газ из
резервуар. Теперь термически изолируем газ и медленно вытащим
поршень еще немного. В ходе этого адиабатического процесса температура
газ падает (поскольку в него больше не поступает тепло для
компенсировать работу, которую он совершает над поршнем). Продолжим этот процесс
пока температура газа не упадет до . Теперь мы размещаем
газ в тепловом контакте со вторым резервуаром и медленно нажмите на поршень
в. В течение этого изотермического
технологическое тепло уходит из газа в резервуар. Мы следующие
термически изолируйте газ во второй раз и медленно сжимайте его еще немного. В этом
процесса температура газа повышается. Мы останавливаем сжатие, когда температура
достигает . Если мы выполним каждый шаг правильно, мы сможем вернуть газ в
исходное состояние, а затем повторить цикл до бесконечности .
Теперь у нас есть набор обратимых процессов, посредством которых количество
тепла извлекается из
первый резервуар и некоторое количество тепла сбрасывается во второй. Мы можем лучше всего
оценивать
работа, совершаемая системой за каждый цикл
нанеся геометрическое место газа в —
диаграмма. Геометрическое место принимает форму замкнутой кривой — см. рис. 1.
Чистая работа, выполненная за цикл, представляет собой «площадь», содержащуюся внутри этой кривой, поскольку

[если нанесено по вертикали и по горизонтали,
то явно является элементом площади под кривой ].
Двигатель у нас
только что описанный называется Двигатель Карно и является самым простым мыслимым
устройство, способное преобразовывать тепловую энергию в полезную работу.

Для конкретного случая идеального газа мы можем фактически
рассчитать работу, совершаемую за один цикл, и, тем самым, проверить уравнение (351).
Рассмотрим фазу изотермического расширения газа. Для идеального газа внутренняя
энергия зависит только от температуры. Температура не
изменение при изотермическом расширении,
поэтому внутренняя энергия остается постоянной, а чистая теплота, поглощаемая
газ должен равняться работе, которую он совершает над поршнем. Таким образом,

где расширение переводит газ из состояния в состояние. С

, для идеального газа имеем

Аналогично, во время фазы изотермического сжатия, в которой
газ переходит из состояния в
состояние , полезное тепло, отводимое во второй резервуар
является

Теперь при адиабатическом расширении или сжатии

Отсюда следует, что в фазе адиабатического расширения, выводящей газ из состояния
заявить,

Точно так же во время фазы адиабатического сжатия, при которой газ забирается из
государство к государству,

Если мы возьмем соотношение двух предыдущих уравнений, мы получим

Отсюда работа, совершаемая двигателем, которую мы можем вычислить с помощью первого
закон термодинамики,

является

Таким образом, КПД двигателя
является

что, что неудивительно, точно такое же, как уравнение (351).

Описанный выше двигатель сильно идеализирован. Конечно,
настоящие двигатели далеко
сложнее, чем это. Тем не менее, максимальная эффективность идеального
тепловой двигатель накладывает серьезные ограничения на реальные двигатели.
Обычные электростанции имеют множество различных «внешних частей»
( например , угольные печи, мазутные печи, ядерные реакторы), но их
«задние концы» — это все
очень похожи и состоят из паровой турбины, соединенной с
электрический генератор. «Передняя часть» нагревает воду, извлеченную
из местной реки и превращает ее в пар, который затем используется для
вращать турбину и, следовательно, вырабатывать электроэнергию. Окончательно,
пар проходит через
теплообменник, чтобы он мог нагревать поступающую речную воду,
а это значит, что поступающая вода не должна так сильно нагреваться за счет
«передняя часть».
На этом этапе часть тепла отводится в окружающую среду, обычно в виде облаков.
пара, выходящего из верхней части градирен. Мы видим, что электростанция
обладает многими из тех же свойств, что и наша идеализированная тепловая машина.