Как мы отметили в предыдущем параграфе, в XIX веке было построено огромное количество паровых машин: от небольших до огромных. Они потребляли невероятно большое количество топлива, как правило, угля. Его необходимо было добывать и транспортировать к месту потребления, что приводило к большим финансовым затратам. Возникал вопрос: каков КПД паровой машины и как его можно повысить?
Количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании вещества, зависит от его массы и удельной теплоты сгорания:
| Q = q·m | Q – количество теплоты, Дж m – масса вещества (топлива), кг q – удельная теплота сгорания, Дж/кг |
Удельная теплота сгорания – физическая величина, показывающая количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг вещества. Коэффициенты q для различных горючих веществ (топлив) измерены экспериментально и занесены в таблицы.
| Удельная теплота сгорания веществ, МДж/кг | ||||
| Уголь | 30 | Бензин | 46 | |
| Дрова | 10 | Керосин | 46 | |
| Торф | 14 | Спирт | 27 | |
| Водород (газ) | 120 | Природный газ | 44 | |
Измерить, сколько механической работы совершила машина, несложно. Тогда КПД машины можно вычислить по формуле:
| η = | Aполезн | · 100% | η – КПД тепловой машины, % Aполезн – механическая работа, Дж Qполн – теплота сгоревшего топлива, Дж | ||
| Qполн |
Вычисления показывали, что КПД паровых машин в XIX веке был очень мал: около 1%. При этом ни у кого из физиков не было представления о том, каким может быть максимальный КПД и что могут сделать инженеры, чтобы его повысить.
В 1824 г. была опубликована работа французского инженера С.Карно «Размышления о движущей силе огня». Он рассмотрел идеальную тепловую машину (тепловой двигатель). Не углубляясь в подробности, назовём основные идеи Карно.
Во-первых, любой тепловой двигатель должен обязательно содержать нагреватель и охладитель. Это необходимо, чтобы рабочее тело (газ или пар) могло попеременно увеличивать и уменьшать объём, двигая при этом поршень и совершая работу.
Во-вторых, чем выше температура нагревателя и ниже температура охладителя, тем выше будет КПД. Для идеальной тепловой машины (теплового двигателя) Карно вывел формулу:
| η = | Tнагр – Tохл | · 100% | η – максимальный КПД двигателя, % Tнагр – температура нагревателя, К Tохл – температура охладителя, К | ||
| Tнагр |
В этой формуле Tнагр и Tохл – так называемые абсолютные температуры по шкале Кельвина (см. § 6-а).
Поскольку для тепловых машин (двигателей) охладителем является атмосферный воздух или вода из открытых водоёмов, уменьшить их температуру невозможно. Следовательно, для увеличения КПД необходимо увеличивать температуру нагревателя, точнее, температуру, до которой нагревается рабочее тело.
Экологические проблемы использования тепловых машин. Мы живём в XXI веке, который невозможно представить без электростанций и автомобилей. Большая доля электростанций в мире – тепловые, то есть сжигающие топливо (уголь или газ). Автомобили, работающие на электричестве, – редкость, все остальные сжигают топливо (бензин). При этом есть два губительных для окружающей среды обстоятельства.
Во-первых, выхлопные газы загрязняют атмосферу, делают её непригодной для нормальной жизнедеятельности человека. Во-вторых, выделяющееся тепло изменяет климат Земли и наносит непоправимый вред природе. Поэтому задача человечества – переходить на более безопасные для окружающей среды двигатели.