Альтернативная энергетика

Нетрадиционные возобновляемые источники энергии

Коэффициент полезного действия процесса превращения тепла в работу

Второе начало термодинамики утверждает, что получение работы из тепла возможно только при наличии нагревателя и охладителя, между которыми поддерживается определенная разность температур. Отобранное от нагревателя тепло Q2 частично превращается в работу, а частично переходит к более холодной части установки (охладителю). КПД обратимого процесса получения работы ц не зависит ни от вещества, используемого для получения работы, ни от устройства машины, а лишь от разности температур между нагревателем и охладителем. КПД такого идеального обратимого процесса имеет максимальное значение, которого он может достигнуть. В реальных процессах из-за неустранимой необратимости КПД значительно ниже. Разность между фактическим КПД реальной машины, получающей работу из тепла, и идеальным КПД (Тг -ТОЛГг есть мера необратимости соответствующего процесса.

Увеличение коэффициента полезного действия

Из второго начала термодинамики следует, что КПД идеальной машины, производящей работу из термической энергии, будет тем выше, чем больше разность температур между нагревателем и охладителем (радиатором) и чем ниже температура радиатора. На практике температура охладителя не может быть ниже температуры окружающей среды, как правило, она почти всегда выше.

Температура нагревателя зависит от многих факторов. Так как тепло, переводимое в работу, получается в результате сгорания различных видов топлива, то температура нагревателя в первую очередь зависит от теплоты и скорости сгорания. Современные устройства позволяют хорошо регулировать эту скорость и получать очень высокую температуру, но практически величина температуры ограничена, так как при высокой температуре в металлах и других метериалах возможны нежелательные изменения. В современных паровых машинах котел нагревается путем внешнего сгорания топлива. В таких машинах пар можно нагреть до Т2=650°С (923 К).

Даже на современных больших электростанциях КПД тепловых турбин не превышает 45%, для малых машин он еще ниже например КПД паровых двигателей на паровозах составляет лишь 5-7%.

В двигателях внутреннего сгорания (бензиновых и дизельных моторах), в которых горючее сгорает в самих цилиндрах, температура может достигать 1600—1800С без ущерба для материалов цилиндра и поршней охлаждаемых снаружи. КПД дизельных локомотивов может превышать 25%; в стационарных моторах двигателей внутреннего сгорания КПД достигает 45%; еще больший КПД имеют газовые турбины.

Таким образом, из второго начала термодинамики вытекает, что в

длительно работающей машине тепло даже принципиально не может

быть полностью превращено в работу - часть тепла идет на повышение

термической энергии охладителя. С точки зрения производимой работы

эта энергия теряется. Поэтому тепловые двигатели принципиально не

рентабельны

В тепловых машинах химическая энергия топлива (угля, нефти, газ) сначала превращается в термическую энергию, а последняя используется затем для получения работы, причем с очень низким КПД. При таком преобразовании мы, по существу, "обесцениваем" химическую энергию, которая в принципе может быть непосредственно и почти полностью превращена в работу. Термическая энергия как переходная ступень используется в настоящее время главным образом потому, что ее превращение в работу можно осуществить с помощью относительно простых устройств, для конструирования которых достаточно лишь знания законов движения макроскопических составных частей машин.

Существуют устройства, в которых химическая энергия непосредственно, без промежуточного преобразования в тепло, превращается в электрическую энергию,- это гальванические элементы (сухие элементы и аккумуляторы), применяемые пока лишь для получения относительно малых количеств энергии. Материалы, используемые для создания известных на сегодняшний день надежно работающих гальванических элементов, слишком дороги для производства энергии в больших масштабах. До сих пор еще не удалось создать из дешевых материалов надежно работающие гальванические элементы, пригодные для широкого применения. Кроме того еще недостаточно изучены законы движения молекул, атомов и электронов, которые определяют данные химические превращения.

Что такое абсолютный нуль?

Итак, в длительно работающей машине (в циклическом процессе) принципиально невозможно полностью перевести все тепло в работу.

Однако оказывается, что полное превращение в работу было бы возможно, если бы удалось довести температуру охладителя до абсолютного нуля (Ti=0). Именно в этом случае КПД обратимого процесса был бы равен 1 в соответствии с уравнением (4). Правда, для практики это не имеет никакого значения, так как температура охладителей в тепловых двигателях всегда выше температуры окружающей среды, которая, естественно, всегда намного выше абсолютного нуля. Это обстоятельство может быть использовано для термодинамического определения понятия абсолютного нуля. Абсолютный нуль - такая темпертура охладителя, которая в обратимом цикле Карно обеспечивает КПД rpl.