Работа газа и устройство двигателей

Нагреем газ в двух сосудах: у одного крышка закреплена, у другого может подняться поршень. Газ давит в обоих. Почему механическую работу над границей он совершает только во втором?

Газ ударяет своими частицами о стенки и создаёт давление. На поршень действует сила, но одной силы для работы недостаточно: вспомни неподвижный груз на столе. Если поршень перемещается наружу под действием газа, газ совершает положительную работу и передаёт механическую энергию. Работа A измеряется в джоулях. При неподвижной крышке работа над ней нулевая, даже если давление очень велико.

Работа не возникает из одного лишь расширения. Когда газ двигает поршень против внешних сил, энергия приходит либо с подводимой теплотой, либо из внутренней энергии самого газа. Без получения теплоты такой газ обычно охлаждается: запас внутренней энергии уменьшается. Для сравнения представь расширение в пустую часть жёсткого сосуда. Подвижного внешнего тела, которому передаётся энергия, там нет; увеличение объёма само по себе ещё не гарантирует работу.

Теперь нажмём на поршень и сожмём газ. Внешняя сила перемещает границу против силы давления, поэтому работу совершают уже над газом. Переданная энергия может увеличить его внутреннюю энергию и температуру, как при быстром сжатии воздуха в насосе. Если газ успевает отдавать энергию наружу, нагрев будет слабее. Направление передачи задаёт движение границы, а изменение температуры зависит также от теплообмена.

Одно расширение даёт только один ход поршня. Для непрерывной работы двигателя нужно вернуть механизм в положение, из которого всё повторится. В поршневом двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндра, а газ передаёт энергию механизму. Но отработавшую порцию нельзя бесконечно расширять: требуется удалить продукты сгорания и подготовить новую. Так возникает последовательность повторяющихся процессов — цикл.

Рассмотрим простую схему четырёхтактного бензинового двигателя. При впуске поршень освобождает объём, и через открытый клапан поступает смесь. Затем клапаны закрываются, а поршень сжимает смесь. На этом такте газ получает работу, а не отдаёт её. Движение обеспечивает связанный с поршнем вращающийся механизм: накопленная энергия и работа других цилиндров помогают пройти такты, на которых этот цилиндр не разгоняет вал.

После воспламенения быстро растут температура и давление газа. Газ расширяется и толкает поршень — это рабочий ход, когда энергия передаётся валу. Затем открывается выпускной клапан, и поршень удаляет отработавшие газы. Только после выпуска есть место для следующего впуска. Полезный итог оценивают за весь цикл: часть полученной на рабочем ходе работы тратится на сжатие, обмен газов и преодоление трения.

Обязательно ли газ должен толкать поршень? Направим поток пара на лопатки: меняя движение потока, они испытывают силу, и вал вращается. Так работает паровая турбина. Пар получают вне турбины и подводят к ней; его энергия превращается в механическую энергию вращения. Вал может приводить электрический генератор. Турбина и генератор выполняют разные этапы: сначала получаем вращение, затем электрическую энергию.

В одном цилиндре нагретый газ заперт жёсткой неподвижной крышкой, в другом он поднимает поршень. Где газ совершает механическую работу над крышкой или поршнем?

Сначала проверяем наличие силы: давление газа действует и на закреплённую крышку, и на подвижный поршень.

Затем проверяем перемещение точки приложения силы. Крышка неподвижна, поэтому работа газа над ней равна нулю. Поршень поднимается, и газ передаёт ему механическую энергию.

Различие связано с подвижностью границы, а не с самим фактом нагревания: в неподвижном сосуде полученная энергия может увеличивать внутреннюю энергию газа.

Работа над крышкой или поршнем совершается во втором цилиндре. В первом давление есть, но перемещения крышки нет.

Давление совершает механическую работу, когда перемещает границу против внешних сил.

Расширение с работой отдаёт энергию, сжатие передаёт её газу; теплообмен может изменить итоговый нагрев.

Четыре такта обеспечивают повторение работы; в турбине вместо поршня поток действует на лопатки.

Тепловой двигатель отдаёт в работу только часть полученной энергии. Рассчитаем эту долю.