Теплові машини, використовувані для різних цілей, мають різноманітну конструкцію. Але незалежно від цього за призначенням вони поділяються на два основних типи: теплові двигуни та холодильні установки. Усі теплові двигуни виконують одне й те саме завдання: забезпечують перетворення внутрішньої енергії в механічну. Холодильні установки використовують для того, аби за рахунок виконання роботи (наприклад, двигуном холодильника) відбирати певну кількість теплоти від холодного тіла й підтримувати його низьку температуру.

В основу роботи теплового двигуна покладено принцип перетворення внутрішньої енергії в механічну роботу,

Тепловий двигун — пристрій, у якому отримана під час згоряння палива енергія, перетворюється в механічну енергію. 

До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та інші. 

Циліндр має два отвори з клапанами — впускним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чотирьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються (мал. 70).

Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється. Обидва клапани закриті. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, унаслідок чого її температура підвищується. У верхній точці поршня суміш запалюється іскрою від електричної свічки (у бензинових двигунах) або від високої температури сильно стиснутого газу (в дизельних двигунах). Суміш спалахує. Унаслідок значного нагрівання газ розширюється й тисне на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогою спеціального з’єднання рух поршня передається колінчастому валу, який з’єднано з колесами автомобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного двигуна завершується, і знову все починається з першого такту.

Принцип дії теплових машин: робоче тіло одержує певну кількість теплоти Q1 від нагрівника, ця теплота частково перетворюється на механічну енергію (робоче тіло виконує роботу А), а частково Q2 передається холодильнику 

У будь-якому тепловому двигуні лише частина енергії, що «прихована» в паливі, витрачається на виконання роботи, адже паливо згоряє не повністю. До того ж частина виділеної енергії передається довкіллю (втрачається). При цьому втрати енергії в теплових двигунах не обмежуються тепловими втратами. Частина енергії також витрачається на виконання роботи проти сил тертя частин і механізмів двигуна. Такі втрати енергії називають механічними. Очевидно: чим меншими є теплові й механічні втрати у двигуні, тим менше палива потрібно спалити, щоб отримати ту саму корисну роботу, і тим економічнішим є двигун.

Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна — це фізична величина, що характеризує економічність теплового двигуна й показує, яка частина всієї енергії, що «запасена» в паливі, перетворюється на корисну роботу.

Коефіцієнт корисної дії двигуна η обчислюють за формулою: 

Корисна робота завжди менша від кількості теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива, тому зрозуміло, що ККД теплового двигуна завжди є меншим від 100 %. 

Запитання для самоперевірки

1. Що таке тепловий двигун? 

2. Назвіть основні частини теплового двигуна. 

3. У чому полягає принцип дії теплового двигуна? 

4. Назвіть основні види втрат енергії в теплових двигунах. 

5. Дайте означення ККД теплового двигуна. 

6. Чому ККД теплового двигуна завжди менший від 100 %?

Задачі

1. Під час повного згоряння палива в тепловому двигуні виділилося 500 кДж теплоти. У результаті двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 125 кДж. Визначте ККД двигуна.

2. Під час роботи теплового двигуна використано 0,5 кг дизельного палива. При цьому двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 7 МДж. Обчисліть ККД двигуна.

3. Яку корисну роботу виконає тепловий двигун, ККД якого становить 20 %, якщо в ньому згорить 10 л бензину?

4. Яку середню потужність розвиває двигун мотоцикла, якщо за швидкості руху 90 км/год витрата бензину становить 4 кг на 100 км шляху? ККД двигуна дорівнює 25 %.

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про перші теплові машини, створені людиною.