§ 29. Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

В тепловом двигателе только часть количества теплоты, полученного от нагревателя, может быть использована для совершения работы. Двигатель, который в процессе работы отдавал бы количество теплоты только холодильнику; называется идеальным тепловым двигателем. Число, показывающее, какая часть количества теплоты, полученного рабочим телом от нагревателя, используется для получения работы, называется тепловым коэффициентом полезного действия двигателя, который равен

где A = Q_н-Q_x. Тогда

Заменив количества теплоты Q_н и Q_x их формулами, в которые входит абсолютная температура рабочего тела в нагревателе и холодильнике, французский инженер Сади Карно доказал, (в 1824 г.), что к. п. д. идеального теплового двигателя

Коэффициент полезного действия идеального теплового двигателя прямо пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. Чтобы повысить этот коэффициент, надо увеличить разность температур Т_н - Т_х, для чего в паровом двигателе используют перегретый пар (до 600° С), а отработавший пар направляют в конденсатор, в котором поддерживается низкая температура (24-29°С). В двигателе внутреннего сгорания для увеличения разности температур газа до и после совершения им работы увеличивают степень сжатия горючей смеси перед ее воспламенением. От этого газ, полученный в результате сгорания горючей смеси, имеет высокую температуру (до 1800° С) и большое давление (до 50 ат). Температура при сгорании горючей смеси лишь на мгновение превышает температуру плавления материала цилиндра двигателя. Поэтому этот материал не успевает нагреться до температуры плавления, кроме того, цилиндр охлаждается водой. Возрастание к. п. д. теплового двигателя за счет увеличения разности температур ограничивается теплостойкостью материала цилиндра, поршня, лопаток турбины и др.

Если при расчете к. п. д. учесть все виды тепловых и механических потерь, возникающих при работе теплового двигателя, то получится его эффективный коэффициент полезного действия. Число, показывающее, какую часть от всего количества теплоты, выделившегося при полном сгорании топлива, составляет полезная работа, полученная на валу двигателя, называется эффективным коэффициентом полезного действия теплового двигателя, равным

Эффективный к. п. д. бензинового двигателя 25%, реактивных двигателей - до 25%, дизелей - 39%, паровых турбин - 42%. Количество паровых и газовых двигателей чрезвычайно велико, поэтому даже незначительное повышение их к. п. д. экономит большое количество топлива. Этим и объясняются настойчивые попытки дальнейшего улучшения конструкций двигателей, создание более выгодных циклов, применение все больших,разностей температур.

Задача 10. Емкость бензобака автомобиля "Жигули" 39 л. На сколько километров пути хватит горючего при равномерном движении по горизонтальной дороге, если вес автомобиля 15 кн, к. п. д. двигателя 23%? Коэффициент сопротивления 0,04.

Количество теплоты, выделенное при сгорании бензина, Q = qm = qρV.

Тогда отсюда путь

Отв.: s ≈ 480 км.