§23. Работа газа и пара при расширении
Когда вода нагревается и превращается в пар, образующийся газ начинает расширяться. При расширении он способен выполнять механическую работу. Это легко увидеть в опыте: если нагреть воду в пробирке, пар сможет вытолкнуть пробку наружу.
Такой процесс можно представить в виде последовательности:
сгорание топлива → нагрев воды → образование пара → выполнение работы.
Энергия, выделившаяся при сгорании топлива, сначала передаётся воде, увеличивая её внутреннюю энергию. Когда вода превращается в пар и тот расширяется, часть его внутренней энергии преобразуется в кинетическую энергию — например, в энергию движения пробки, выброшенной из пробирки.
Однако далеко не вся полученная энергия преобразуется в полезную работу:
- определённая её часть рассеивается в окружающую среду в виде тепла;
- передача энергии от нагревателя к воде возможна только при разнице температур;
- пар или газ способны совершить работу лишь один раз, если их состояние не вернуть к исходным условиям.
Чтобы процесс можно было повторять многократно, используют систему цилиндра с подвижным поршнем. На этом принципе и основаны тепловые двигатели: внутренняя энергия, полученная при сгорании топлива, превращается в механическое движение поршня.
Первые подобные устройства в России создал Иван Ползунов в 1765 году, а позднее механизм был существенно усовершенствован Джеймсом Уаттом, что стало важным шагом в развитии паровых машин.