Сгорание топлива. Тепловые двигатели и их коэффициент полезного действия (КПД)

Для получения тепла в энергетике, транспорте и быту используют органическое топливо (уголь, природный газ, нефть, бензин, торф, дрова). При горении атомы углерода и водорода соединяются с кислородом воздуха с образованием CO₂ и H₂O, при этом выделяется колоссальная химическая энергия.

Удельная теплота сгорания топлива (q) — физическая величина, численно равная количеству теплоты, выделяющемуся при полном сгорании 1 кг твердого (или жидкого) топлива:

В СИ удельная теплота сгорания измеряется в Дж/кг (для газов — в Дж/м³). Например, для сухого водорода q = 120 МДж/кг, для природного газа q = 44 МДж/кг, для бензина q = 46 МДж/кг, для каменного угля q = 27 МДж/кг, для сухих дров q = 10 МДж/кг.

Тепловыми двигателями называют машины, преобразующие внутреннюю энергию сгорающего топлива в механическую работу движения.

Любой тепловой двигатель циклически взаимодействует с тремя обязательными элементами:

1. Нагреватель (камера сгорания, котел): передает рабочему телу количество теплоты Q₁ при высокой температуре T₁.

2. Рабочее тело (газ или водяной пар): расширяется при высоком давлении и совершает полезную механическую работу A = Q₁ - Q₂.

3. Холодильник (окружающая среда, радиатор, конденсатор): принимает остаточное тепло Q₂ при более низкой температуре T₂.

Второй закон термодинамики (закон Карно): теплота не может самопроизвольно переходить от холодного тела к горячему; невозможно создать тепловой двигатель без передачи части тепла холодильнику (вечный двигатель второго рода невозможен!).

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тепловой двигатель на автомобильном и железнодорожном транспорте. Топливо в нем сгорает непосредственно внутри рабочего цилиндра.

Четыре такта работы карбюраторного ДВС за два оборота коленвала:

1. Впуск: поршень опускается вниз, впускной клапан открыт, цилиндр заполняется горючей смесью бензина и воздуха.

2. Сжатие: оба клапана закрыты, поршень идет вверх, адиабатно сжимая и нагревая смесь.

3. Рабочий ход (сгорание и расширение): электрическая свеча дает искру, смесь мгновенно воспламеняется. Раскаленные газы под огромным давлением толкают поршень вниз, совершая полезную работу!

4. Выпуск: выпускной клапан открывается, поршень поднимается вверх и выталкивает отработанные газы в выхлопную трубу.

1. Паровая турбина — непрерывно действующий роторный тепловой двигатель. Пар сверхвысокого давления (до 25 МПа и 550 °C) из парогенератора разгоняется в сужающихся соплах и с колоссальной скоростью бьет по криволинейным лопаткам насаженного на вал колеса. Паровые турбины вращают роторы электрогенераторов на всех тепловых (ТЭС) и атомных электростанциях (АЭС) мира, вырабатывая свыше 80% всей мировой электроэнергии.

2. Газовые турбины и воздушно-реактивные двигатели приводят в движение современную гражданскую и военную авиацию, создавая мощную реактивную тягу за счет истечения струи раскаленных газов из сопла.

Коэффициент полезного действия (КПД) теплового двигателя показывает, какая доля теплоты, выделенной топливом, превращается в полезную механическую работу:

η = (A_пол / Q₁) · 100% = ((Q₁ - Q₂) / Q₁) · 100%.

Теоретический предел КПД идеальной тепловой машины (цикл Сади Карно):

η_max = (T₁ - T₂) / T₁ · 100%.

Реальные КПД тепловых двигателей:

• Паровозы XIX века: 5–8%

• Бензиновые ДВС: 25–35%

• Дизельные двигатели: 40–45%

• Современные комбинированные парогазовые установки: до 60%.

Экологические проблемы: выбросы парникового газа CO₂, оксидов серы и азота (кислотные дожди), сажи и тепловое загрязнение атмосферы и водоемов требуют перехода на альтернативную и зеленую энергетику.