Введение. 
Физические основы устройства двигателя внутреннего сгорания (Двигатель Отто)

Важной характеристикой термодинамической системы является ее внутренняя энергия U — энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и так далее) и энергия взаимодействия этих частиц. Из этого определения следует, что к внутренней энергии не относятся кинетическая энергия движения системы как целого и потенциальная энергия системы во внешних полях.

Внутренняя энергия — однозначная функция термодинамического состояния системы, то есть в каждом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией (она не зависит от того, как система пришла в данное состояние). Это означает, что при переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии определяется только разностью значений внутренней энергии этих состояний и не зависит от пути перехода.

Внутренняя энергия системы может изменятся в результате различных процессов, например совершения над системой работы и сообщения ей теплоты. Так, вдвигая поршень в цилиндр, в котором находится газ, мы сжимаем этот газ, в результате чего его температура повышается, то есть тем самым изменяется (увеличивается) внутренняя энергия газа. С другой стороны, температура газа и его внутреннюю энергию можно повысить за счет сообщения ему некоторого количества теплоты — энергии, переданной системы внешними телами путем теплообмена (процесс обмена внутренними энергиями при контакте тел с разными температурами).

Таким образом, можно говорить о дух формах передачи энергии от одних тел к другим: работе и теплоте. Энергия механического движения может превращаться в энергию теплового движения и наоборот. При этих превращениях соблюдается закон сохранения и превращения энергии; применительно к термодинамическим процессам этим законам и является первым законом термодинамики, установленное в результате обобщения многовековых опытных данных.

Теплосиловые установки делятся на три основные группы: двигатели внутреннего сгорания (д. в. с.), в которых процесс подвода теплоты (сжигания топлива) и процесс превращения ее в работу происходят внутри цилиндра двигателя; газотурбинные установки (г. т. у.) и реактивные двигатели, в которых процесс сжигания топлива также является составной частью рабочего процесса; паросиловые установки, где сообщение теплоты рабочему телу происходит в отдельном агрегате — паровом котле (парогенераторе), а превращение теплоты в работу — в паровой турбине.

Общим для циклов тепловых двигателей первых двух групп является использование в качестве рабочего тела газообразных продуктов сгорания топлива, которые на протяжении всего цикла находятся в одном и том же агрегатном состоянии, и при относительно высоких температурах их можно считать идеальным газом.

Характерной чертой третьей группы теплосиловых установок является использование таких рабочих тел, которые в цикле претерпевают агрегатные изменения — жидкость, насыщенный пар, перегретый пар, и подчиняются законам реального газа.

В реальных тепловых двигателях преобразование теплоты в работу связано с протеканием сложных необратимых процессов, учет которых делает термодинамический анализ циклов невозможным. В связи с этим для выявления основных факторов, влияющих на эффективность работы установок, действительные процессы заменяют обратимыми термодинамическими процессами, допускающими применение для их анализа термодинамических методов. Такие циклы называют теоретическими.

В соответствии с этим анализ циклов тепловых двигателей проводится в два этапа: сначала анализируется теоретический (обратимый) цикл, а затем реальный (необратимый) с учетом основных источников необратимости.