§ 23. Работа газа и пара при расширении

физический процесс, при котором нагретый газ или пар высокого давления, расширяясь в объёме, оказывает силовое воздействие на подвижные границы сосуда (поршень, пробку) и перемещает их, совершая полезную механическую работу за счёт уменьшения собственной внутренней энергии.

• 1. Энергетическая цепочка — сгорание топлива $\rightarrow$ передача теплоты воде и её нагревание $\rightarrow$ образование пара высокого давления $\rightarrow$ совершение механической работы расширения.
• 2. Охлаждение при работе — совершая механическую работу против внешних сил без подвода тепла, газ теряет часть внутренней энергии, в результате чего его температура понижается.

энергетическая машина, в которой внутренняя энергия сгорающего топлива превращается в механическую работу движения.

• 1. Основные конструктивные элементы — нагреватель (источник тепловой энергии), рабочее тело (пар или газ, совершающий работу) и холодильник (окружающая среда, забирающая избыточную часть тепла).
• 2. Условие циклической работы — чтобы двигатель совершал работу непрерывно и многократно, рабочее тело после расширения должно циклически возвращаться в исходное сжатое состояние.
• 3. Необходимость разности температур — для передачи энергии от нагревателя рабочему телу и отвода тепла в холодильник температура нагревателя должна быть строго выше температуры холодильника ($T_1 > T_2$).

первые исторические тепловые двигатели промышленного масштаба:

• 1. Машина И. И. Ползунова (1765 г.) — первый в мире двухцилиндровый универсальный паровой двигатель непрерывного действия, способный работать без гидравлического привода.
• 2. Машина Дж. Уатта (1784 г.) — универсальная паровая машина с отдельным конденсатором и кривошипно-шатунным механизмом, ставшая двигателем первой промышленной революции.

Русский теплотехник и изобретатель, создатель первой в мире универсальной двухцилиндровой паровой машины непрерывного действия, предназначенной для заводских нужд.

• В 1763 году разработал проект и к 1765–1766 годам построил на Барнаульском заводе первый в мире универсальный двухцилиндровый поршневой тепловой двигатель непрерывного действия.
• Впервые применил схему поочерёдной работы двух цилиндров с передачей усилия на общий рабочий вал, что позволило механизму работать непрерывно без помощи гидравлической энергии водяных колёс.
• Его изобретение доказало практическую возможность масштабного преобразования внутренней энергии сгорающего топлива и расширяющегося водяного пара в непрерывную механическую работу.

Выдающийся шотландский механик и инженер-изобретатель, создатель универсальной паровой машины с отдельным конденсатором, ставшей технической основой Первой промышленной революции.

• Кардинально усовершенствовал тепловой двигатель, вынеся охлаждение и конденсацию отработавшего пара в отдельный изолированный сосуд, что многократно снизило расход топлива и потери тепла.
• В 1784 году запатентовал универсальную паровую машину с кривошипно-шатунным механизмом, преобразующим возвратно-поступательное движение поршня цилиндра во вращательное движение рабочего вала.
• Создал надёжный универсальный тепловой двигатель, пригодный для фабрик, заводов, паровозов и пароходов, а его именем названа международная единица измерения мощности — ватт (Вт).

В основе работы всех тепловых двигателей лежит превращение внутренней энергии сгорающего топлива (переданной рабочему телу — газу или пару) в механическую энергию движения поршня, вала или лопаток турбины.

При нагревании воды в пробирке, плотно закрытой пробкой, образуется водяной пар. С ростом температуры давление пара внутри пробирки возрастает до тех пор, пока сила давления пара не преодолеет силу трения пробки о стенки. Расширяясь, пар выталкивает пробку наружу, совершая механическую работу по её перемещению. При этом внутренняя энергия пара уменьшается, частично превращаясь в кинетическую энергию движения пробки (пар при этом охлаждается).

Для многократной и непрерывной работы машины необходимо:

• 1. Заменить пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — подвижным поршнем, герметично пригнанным к стенкам цилиндра и соединённым с коленчатым валом.
• 2. Обеспечить периодический возврат поршня в исходное положение, то есть осуществлять замкнутый повторяющийся термодинамический цикл.
• 3. Обеспечить наличие холодильника (контура охлаждения или окружающей среды), температура которого ниже температуры нагревателя, для отвода тепла и охлаждения отработавшего рабочего тела.

• Механическую энергию можно полностью и целиком превратить во внутреннюю энергию тел (например, при трении, торможении или абсолютно неупругом ударе вся механическая энергия без остатка переходит во внутреннюю энергию теплового хаотического движения частиц).
• Внутреннюю энергию полностью превратить в механическую работу в периодически действующем тепловом двигателе принципиально невозможно: согласно законам термодинамики, теплота не может самопроизвольно переходить от менее нагретого тела к более нагретому, поэтому часть полученной от нагревателя энергии машина обязательно должна отдать холодильнику.