§ 23. Работа газа и пара при расширении

Газ оказывает давление на стенки сосуда, поскольку его частицы непрерывно движутся и сталкиваются с ними. Если одна из стенок может перемещаться, например представляет собой поршень, газ способен двигать её. При расширении сила давления совершает работу. Так энергия, связанная с состоянием газа, передаётся механическому движению других тел. Этот принцип позволяет использовать нагретый газ или пар как рабочее тело теплового двигателя.

В учебном примере нагреваемая вода превращается в пар, который расширяется и приводит в движение пробку или поршень. Последовательность превращений такова: энергия топлива передаётся воде, увеличивается энергия рабочего тела, затем часть её превращается в механическую энергию. При этом значительная доля энергии может уходить на нагревание сосуда и окружающей среды. Поэтому полученная механическая работа меньше всей энергии, выделившейся при сгорании топлива.

Однократное расширение ещё не означает непрерывную работу двигателя. Чтобы процесс повторялся, рабочее тело или устройство нужно возвращать в состояние, позволяющее снова получить энергию и выполнить рабочий ход. Это требует организации цикла. В реальном двигателе предусмотрены нагревание, расширение и отвод части энергии, а иногда замена рабочего газа. Без таких этапов поршень дошёл бы до конца цилиндра, после чего дальнейшее полезное движение прекратилось бы.

Тепловыми двигателями называют устройства, превращающие часть энергии, полученной от нагревателя, в механическую работу. К ним относятся поршневые двигатели и турбины. Общим является использование рабочего тела с подходящими температурой и давлением, а конкретные способы передачи движения различаются. При описании важно назвать нагреватель, рабочее тело и получателя механической энергии. Опыты с нагреванием закрытых сосудов не следует воспроизводить самостоятельно: давление может быстро стать опасным и привести к разрушению сосуда.