Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Наше сегодняшнее занятие мы с вами начнём с проведения небольшого эксперимента. Как видите, на столе у нас стоит бутылочка с водой и термометром. Запомнили показания термометра? А теперь потрясём бутылку в течение нескольких минут. И вновь измерим температуру воды. Как это не удивительно, но вода в бутылке нагрелась примерно на 2 °С. Примерно то же самое происходит в морях и океанах во время сильных штормов.

В начале 30-х годов XIX в. на это явление обратил внимание немецкий учёный, врач по образованию Роберт Майер, который услышал о ней от своего моряка. Примерно через десять лет учёному удалось рассмотреть с качественной стороны превращения всех форм энергии, которые были известны в то время, и впервые сформулировать закон превращения и сохранения энергии в общей форме.

Примерно в это же время английский физик Джеймс Прескотт Джоуль, ничего не знавший о работах Майера, после серии опытов, показал, что совершённая при перемешивании воды механическая работа практически равна увеличению её внутренней энергии.

Опираясь на работы Джоуля и Майера, а также других известных на то время научных данных, немецкий физик Герман Гельмгольц в 1847 году сформулировал закон превращения и сохранения энергии как всеобщий закон природы: при любых взаимодействиях материальных объектов энергия не исчезает и не возникает из ничего, она только передаётся от одних объектов к другим или превращается из одной формы в другую.

Даже хорошо известное нам уравнение теплового баланса является следствием закона сохранения и превращения энергии для теплоизолированной системы:

С тех пор как человечество познало закономерности тепловых явлений, учёные стремились найти способы использования тепловой энергии, в частности способы преобразования её в механическую. Так вот, устройства, которые совершают механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называются тепловыми двигателями.

Рассмотрим принцип действия такого двигателя на простом эксперименте. Возьмём цилиндрический сосуд, внутри которого под поршнем находится газ. На поршень положим небольшой груз и начнём нагревать газ в цилиндре.

Нетрудно заметить, что с ростом температуры газа поршень начнёт постепенно перемещаться вверх, поскольку вследствие нагревания газ расширяется. Следовательно, в процессе теплопередачи газ под поршнем выполняет механическую работу, поднимая груз на некоторую высоту. Но, работа эта одноразовая и такие устройства малопригодны. Поэтому первый принцип действия тепловых двигателей — это цикличность (непрерывность) их работы.

Тело, совершающее работу, — рабочее тело, после получения количества теплоты от нагревателя, должно в конечном счёте вернуться в исходное состояние, чтобы снова начать такой же процесс. Для возвращения поршня в исходное положение газ необходимо сжать до первоначального объёма. При этом внешняя сила совершает работу сжатия. Но если сжатие будет происходить при той же температуре, что и расширение газа, то полная работа газа за один цикл (расширение — сжатие) окажется равной нулю. Отсюда вытекает второй принцип действия тепловых двигателей — сжатие газа должно происходить при более низкой температуре, чем его расширение. Значит, перед сжатием рабочее тело необходимо охладить. Это осуществляется путём передачи количества теплоты третьему телу — холодильнику. Из сказанного следует, что для работы циклического теплового двигателя кроме нагревателя и рабочего тела необходимо наличие холодильника.

Таким образом, любой тепловой двигатель состоит из трёх основных элементов: нагревателя, рабочего тела (как правило, газ) и холодильника (атмосфера или вода при температуре окружающей среды).

Идеи, лежащие в основе работы любых тепловых двигателей, были заложены ещё французским учёным Сади Карно в 1824 году в его исследовании «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».

Важным аспектом любого теплового двигателя является вид и количество потребляемого им топлива. Топливо — это вещество, способное выделять энергию в ходе определённых процессов, которую можно использовать для технических целей. Например, химическое топливо выделяет энергию в ходе экзотермических химических реакций при горении, а ядерное топливо — в ходе ядерных реакций. Наиболее распространёнными горючими материалами являются органические топлива, в составе которых есть углерод и водород.

Топлива подразделяются по агрегатному состоянию вещества на твёрдые, жидкие и газообразные. А по способу получения — на природные (уголь, нефть, газ) и искусственные.

Основной показатель топлива — это теплотворная способность (то есть удельная теплота сгорания). Удельной теплотой сгорания топлива называется физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании одного килограмма топлива:

Обозначается она малой латинской буквой «Кью». А единицей её измерения является джоуль, делённый на килограмм.

Значение удельной теплоты сгорания топлива определяют экспериментально, с помощью довольно сложных приборов, а потом заносят в таблицы.

Из таблицы, например, видно, что наибольшей удельной теплотой сгорания обладает водород. При сгорании всего одного его килограмма выделяется 141 МДж теплоты. В то время, как при сгорании килограмма пороха — всего 3,8 МДж теплоты.

Конечно же, если мы сожжём не один килограмм пороха, а, например, 5, то и теплоты выделится в пять раз больше теплоты, то есть девятнадцать миллионов джоулей (19 МДж). Поэтому в общем случае количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании топлива, равно произведению удельной теплоты его сгорания и массы:

Важно помнить, что не вся энергия, передаваемая нагревателю рабочим телом, уходит на совершение полезной работы (от 20—60 %). Остальная же энергии покидает машину в виде низкотемпературной теплоты, которая в ряде случаев используется для обогрева салона (наземный транспорт), жилых зданий и сооружений (для неподвижных стационарных двигателей), либо просто выбрасывается в атмосферу. Ещё часть энергии тратится на совершение работы против сил сопротивления.

Для идеального теплового двигателя изменение внутренней энергии равно нулю, так как рабочее тело возвращается в исходное состояние. Отсюда находим, что полезная работа, совершаемая тепловым двигателем, равна разности между количеством теплоты, полученной от нагревателя, и количеством теплоты, отданной холодильнику:

Отношение же полезной работы к количеству теплоты, которое рабочее тело получило от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия теплового двигателя (сокращённо, КПД):

Проще говоря, коэффициент полезного действия показывает, какая часть энергии, полученная от нагревателя, пошла на совершение работы.

Напомним, что обозначается КПД греческой буквой «Эта». А измеряется — в процентах или долях.

Так как часть теплоты, полученной от нагревателя, передаётся холодильнику, то коэффициент полезного действия любого теплового двигателя всегда

Учёные и инженеры многое сделали для повышения эффективности тепловых двигателей. Так, например, КПД первых паровых машин составлял всего около 1 %. А вот коэффициент полезного действия современных тепловых двигателей в некоторых случаях достигает 60 %.