Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической и потенциальной энергий всех частиц, составляющих данное тело. Наличие запаса энергии означает, что данное тело может совершить работу. Под работой обычно понимаются полезные для человека механические операции: перемещение грузов, вращение колес или турбин и т.д., то есть такие действия, в которых затрачивается механическая энергия. Разберемся каким образом может происходить превращение внутренней энергии в механическую.
Напомним, что чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия. Нагретый до высокой температуры газ (или пар), расширяясь, давит на поршень или на лопатки турбины. Таким образом происходит переход внутренней энергии в механическую. Понятно, что без дополнительного нагрева, который значительно увеличивает кинетическую энергию молекул газа, осуществить такой механизм превращения энергии вряд ли было бы возможно.
Первый закон термодинамики, представленный в виде формулы (1), есть не что иное, как частный случай общего закона сохранения энергии, который гласит, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую или переходит от одного тела к другому.
Тепловые машины
В данном разделе термин “машина” используется в смысле “двигатель”, то есть устройство, выполняющее работу за счет тепловой энергии. Пар в качестве рабочего вещества (тела) применяется в паровых двигателях и паровых турбинах. Другим типом тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — самый распространенный тип современных двигателей. ДВС работают и на жидком топливе (керосин, бензин, дизтопливо), и на горючем газе, который хранится в сжатом виде металлических баллонах.
В паровых двигателях происходит нагрев пара за счет тепла выделяемого при наружном сжигании горючего топлива (дерево, уголь, мазут, газ). Пар, расширяясь приводит в движение механические детали (поршни, турбины).
В ДВС за счет впрыска топлива внутрь рабочего цилиндра образуется горючая смесь (топлива и кислорода), которая, будучи подожженная электрической искрой, “взрывается” за счет реакции окисления и мгновенно образует газовую смесь с высокой температурой и давлением, что приводит в движение поршни ДВС.
Итак, мы видим, что в обоих случаях происходит превращение внутренней энергии газовой смеси (горячего пара или продуктов горения топлива) в механическую энергию поршней и турбин двигателей.
Еще один вид тепловых двигателей называется реактивным. В этих двигателях происходит выброс с большой скоростью продуктов сгорания наружу через специальное сопло, в результате чего возникает реактивная тяга. Этот тип двигателей устанавливают на реактивных самолетах и ракетах, которые используют либо в военных целях, либо в гражданских — для вывода космических аппаратов на околоземную орбиту и за ее пределы. Понятно, что и в этом случае происходит превращение внутренней энергии топливной смеси в механическую энергию движущегося самолета или ракеты.
Необходимо помнить, что максимальный коэффициент полезного действия (КПД) идеального теплового двигателя согласно закону Карно, не может превышать значение:
$ η = 1 – { T_2over T_1 } $ (2),
где: η — к.п.д. двигателя, T1 – температура нагревателя, T2 – температура холодильника. Так как T2 меньше T1, то η всегда меньше единицы.
Дополнительные примеры
Можно привести дополнительные примеры превращения внутренней энергии в механическую:
- Внутренняя энергия сжатого газа переходит в механическую энергию дроби, пули или снаряда при стрельбе из ружей и пушек. Часть энергии также переходит в механическую энергию оружия, которую ощущает охотник в виде отдачи приклада;
- В кастрюле с закипевшей на плите водой давление горячего пара приподнимает крышку;
- Из бутылок с газированными напитками часто вылетают пробки под давлением газов, выделившихся из жидкого напитка;
- Предохранители и автоматы отключения в электрических цепях размыкают цепь с током, когда он превышает допустимое значение и разогревает предохранительный контакт, который при превышении определенной температуры от нагрева деформируется (выгибается) и размыкает цепь;
- На атомных электростанциях в качестве исходного топлива используется энергия, выделяемая при делении или синтезе атомных ядер. Выделяемое при этом большое количество тепловой энергии используется для нагрева вода, с последующим образованием пара, вращающего турбину электрического генератора. На этом примере мы видим цепочку энергетических превращений: потенциальная энергия ядер сначала преобразуется во внутреннюю энергию тепловых носителей (вода, пар), затем в механическую энергию вращения турбины, которая далее превращается в электрическую энергию.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что превращение внутренней энергии в механическую происходит в тепловых двигателях за счет нагрева рабочего тела (пара или горючей смеси) и последующего расширения. Основные типы тепловых двигателей: паровые поршневые и турбинные), ДВС, реактивные.
