Работа газа и пара при расширении

Мы уже затрагивали тему использования внутренней энергии топлива. Использование той или иной энергии подразумевает совершение полезной работы, такой как, например перемещение тех или иных предметов с места на место. Очевидно, что для этого необходимо превратить внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Наверное, все замечали, если вода в кастрюле, накрытой крышкой, закипает, то крышка начинает подпрыгивать. Это означает, что она обладает ненулевой скоростью и, следовательно, кинетической энергией. Дело в том, что энергия топлива, с помощью которого мы нагревали воду, перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, образовавшийся в результате кипения, совершил работу, пытаясь вырваться из-под крышки.

В итоге, крышка начала обладать кинетической энергией, которую получила от внутренней энергии пара. Пользуясь подобными явлениями, люди изобрели тепловые двигатели — машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Первый такой тепловой двигатель был изобретён Джеймсом Уаттом в конце восемнадцатого века.

Итак, рассмотрим, что конкретно при расширении пара и как он может совершить работу. Мы уже знаем, что внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия жидкости той же массы. По мере кипения всё больше и больше молекул воды превращаются в пар, который расширяется. Находясь в замкнутом пространстве ему, в конце концов, начинает не хватать места, и он стремится вырваться наружу. На это, молекулы пара тратят энергию, т.е. совершают работу.

Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, газовая турбина и реактивный двигатель. Во всех этих двигателях энергия топлива переходит в механическую энергию.