Роль тепловых двигателей и охрана окружающей среды

Роль тепловых двигателей и охрана окружающей среды

 

 

Тепловым двигателем (тепловой машиной) называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, и т. д.) конструктивно отличаются друг от друга и имеют сложное устройство. Но принципиальная схема тепловой машины достаточно проста, содержит ряд стандартных элементов и позволяет в рамках термодинамики теоретически анализировать процесс превращения теплоты в механическую работу.

 

 

Принципиальная схема тепловой машины 1 – нагреватель; 2 – холодильник; 3 – рабочее тело. 

 

Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает тепловую энергию в процессе теплообмена с нагревателем, имеющим температуру Т1. Эта температура является начальной температурой рабочего тела. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется. Для этого рабочее тело должно совершать круговой процесс или термодинамический цикл, при котором периодически восстанавливается исходное состояние рабочего тела. Круговые процессы изображаются на диаграмме (p, V) газообразного рабочего тела с помощью замкнутых кривых. При расширении газ совершает положительную работу A1, равную площади под кривой abc, при сжатии газ совершает отрицательную работу A2, равную по модулю площади под кривой cda. Полная работа за цикл A = A1 + A2 на диаграмме (p, V) равна площади цикла. Чтобы полная работа за цикл была положительной, необходимо сжимать рабочее тело при более низкой температуре.

 

 

 

Тепловые двигатели необходимы для получения электроэнергии, для приведения в движение большинства транспортных машин. Наибольшее значение имеет применение мощных паровых турбин на электростанциях для вращения роторов генераторов. Паровые турбины устанавливают также на атомных электростанциях, где для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.На современном транспорте используются все виды тепловых двигателей. В автомобилях, тракторах, самоходных комбайнах, тепловозах применяются поршневые двигатели внутреннего сгорания, в авиации — газовые турбины, на космических ракетах — реактивные двигатели.

Тепловые двигатели оказывают некоторые вредные воздействия на окружающую среду:

1. КПД тепловых двигателей η < 50 %, следовательно, большая часть энергии топлива рассеивается в окружающем пространстве, вредно влияя на общую экологическую обстановку:
2. тепловые электростанции и автомобили выбрасывают вредные для растений, животных и человека продукты сгорания топлива (сернистые соединения, оксиды углерода, оксиды азота и др.);
3. повышение концентрации углекислого газа в атмосфере увеличивает "парниковый эффект" Земли.

В связи с этим весьма важной стала проблема охраны природы. Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;
2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;
3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.