Какие превращения энергии происходят в тепловом двигателе

Какие переходы и превращения энергии происходят в них?

Энергия топлива в тепловых двигателях сначала переходит в энергию пара или газа, которые, расширяясь, совершают работу и при этом охлаждаются, таким образом часть внутренней энергии превращается в механическую энергию.

Чтобы вопрос опубликовался, войди или зарегистрируйся

Восстановление пароля

Мы отправили письмо со ссылкой на смену пароля на username@mail.ru.

Если письма нет, проверь папку «Спам».

Чтобы вопрос опубликовался, войди или зарегистрируйся

Нужна регистрация на Учи.ру

«Ваш урок» теперь называется Учи.Ответы. Чтобы зайти на сайт, используй логин и пароль от Учи.ру. Если у тебя их нет, зарегистрируйся на платформе.

Какие превращения энергии происходят в тепловом двигате­ле?

Пожалуйста, войдите или зарегистрируйтесь для публикации ответа на этот вопрос.

решение вопроса

Связанных вопросов не найдено

• Все категории
• экономические 43,679
• гуманитарные 33,657
• юридические 17,917
• школьный раздел 612,488
• разное 16,911

Популярное на сайте:

Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.

Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.

Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.

Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.

Тепловые двигатели в физике

Тепловой дви́гатель — тепловая машина, использующая теплоту от внешних источников (двигатель внешнего сгорания) или получаемую при сгорании топлива внутри двигателя (в камере сгорания или цилиндрах двигателя внутреннего сгорания) для преобразования в механическую энергию (поступательное движение либо вращение выходного вала).

На странице -> решение задач по физике собраны решения задач и заданий с решёнными примерами по всем темам физики.

Тепловые двигатели

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар).

Работа при расширении газа

Рассмотрим, как в простейшем случае подсчитать работу, совершаемую газом при расширении.

Представим себе, что в цилиндре под поршнем, площадь которого S, находится какой-нибудь газ, давление которого равно р (рис. 192, а). Сила, с которой газ давит на поршень, определяется по формуле F = pS. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он расширится и поршень переместится на некоторое расстояние h.

Газ при этом совершит работу А = pSh. Но Sh = V₂ — V₁ есть увеличение объёма газа; следовательно,

Работа газа при изобарном расширении равна произведению давления газа на увеличение его объёма.

Рис. 192. К расчёту работы при изобарном расширении газа.

Графически работа, произведённая газом при изобарном расширении, изобразится площадью прямоугольника ABCD, основание которого равно V₂ — V₁, а высота р (рис. 192, б).

Тепловой двигатель. Условия, необходимые для работы теплового двигателя

Тепловым двигателем называется машина, в которой происходит превращение энергии, полученной при сгорании топлива, в механическую энергию.

Вещество, производящее работу в тепловых двигателях, называется рабочим телом или рабочим веществом. В паровых двигателях таким рабочим веществом является пар, а в двигателях внутреннего сгорания — газ.

Существует два вида тепловых двигателей: двигатели внутреннего сгорания и паровой двигатель. Как они устроены, мы рассмотрим дальше, а сейчас установим общие условия, относящиеся ко всем тепловым двигателям, которые необходимы, чтобы преобразовать энергию топлива в энергию движения машин и механизмов. Эти условия мы выясним на примере работы паросиловой установки, схема которой изображена на рисунке 193.

Рис. 193. Схема паросиловой установки.

Одной из частей паросиловой установки является топка с паровым котлом С (об устройстве котлов см. § 128). В котле образуется пар, который под давлением направляется по трубе М в цилиндр паровой машины Е. Здесь пар расширяется и, двигая поршень, совершает работу. Посредством передающего механизма А возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение маховика, который приводит в движение рабочие части станков, сельскохозяйственных машин, генераторов тока и т. д.

Отработавший пар выталкивается в особое устройство К, называемое конденсатором, где он, проходя через трубы, охлаждаемые проточной водой, теряет часть своей внутренней энергии и превращается в воду. Эта вода идёт сначала в питательный бак Р, где очищается, а из него насосом N подаётся обратно в котёл.

Итак, основными частями паросиловой установки являются: нагреватель (котёл с топкой), цилиндр с рабочим веществом (паром) и холодильник (конденсатор). Любой тепловой двигатель может работать только при наличии всех этих частей.

Особенность работы тепловых двигателей состоит в том, что часть энергии, которую получает рабочее вещество от нагревателя, обязательно отдаётся холодильнику (конденсатору).

Пусть рабочее тело получило от нагревателя количество теплоты Q₁ калорий. Часть этого количества теплоты в двигателе превращается в механическую энергию, а остальная часть, пусть это будет Q₂ калорий, переходит от рабочего тела к холодильнику. Этот процесс схематически изображён на рисунке 194: работа производится лишь за счёт разности энергии Q₁ — Q 2 .

Рис. 194. Схема процесса превращения энергии в тепловом двигателе.

Во всяком тепловом двигателе не всё количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, превращается в механическую энергию. Часть количества теплоты обязательно поглощается холодильником. В этом заключается важнейшая особенность работы теплового двигателя.

Было показано, что механическая энергия движущихся тел при всех превращениях полностью переходит во внутреннюю энергию тел.

Иначе обстоит дело, когда, наоборот, внутренняя энергия тела превращается в механическую энергию. Практика показала, например, что внутренняя энергия газа или пара лишь частично превращается в энергию движения механизмов.

Причину этого нетрудно, понять, если вспомнить, что внутренняя энергия тел складывается из кинетической и потенциальной энергии атомов и молекул, которые находятся в состоянии хаотического движения. Как, например, можно было бы произвести полное превращение внутренней энергии порции пара в кинетическую энергию движения поршня паровой машины? Для этого многие миллиарды беспорядочно мечущихся молекул должны были бы дружно подлететь к поршню и передать ему весь свой запас кинетической энергии.

Даже если бы такой процесс был возможен, то всё равно при этом сохранится часть внутренней энергии пара в виде потенциальной энергии взаимодействия молекул.

Итак, внутренняя энергия тел не может полностью переходить в механическую энергию движения механизмов. Этот вывод имеет огромное практическое значение, так как он связан с проблемой повышения коэффициента полезного действия двигателей.

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

При устройстве тепловых двигателей важно прежде всего добиться, чтобы как можно большее количество энергии сгораемого топлива превратилось в механическую энергию, иначе говоря, при минимальной затрате топлива получилась максимальная работа. Тогда двигатель будет экономичным. Зная количество теплоты Q₁, переданное рабочему телу от нагревателя, и количество теплоты Q₁-Q₂, превращенное в механическую энергию, можно оценить степень экономичности этого процесса превращения.

Отношение количества теплоты, превращенной машиной в механическую энергию, к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называется коэффициентом, полезного действия тепловой машины (к. п. д.).

К. п. д. машины принято обозначать буквой (греч. «эта»):

Изучая условия получения работы за счёт внутренней энергии пара в паровых машинах, Карнов 1824 г. установил, что коэффициент полезного действия любого реального теплового двигателя не может превышать величины где T₁ — абсолютная температура нагревателя, а Т₂ — абсолютная температура холодильника. Чем ближе к. п. д. двигателя к этой величине, тем он совершеннее. Этот вывод хорошо оправдывается на практике.

Отсюда следует, что для повышения коэффициента полезного действия теплового двигателя нужно увеличить температуру нагревателя и понизить температуру холодильника.

Пример. Пар входит в цилиндр паровой машины при температуре 200° С, т. е. при температуре 473° К, а уходит при температуре 100° С, или 373° К.

Коэффициент полезного действия такой машины не может быть больше величины:

К. п. д. тепловых двигателей вообще невысок.

Паровая машина

В паровой машине энергия пара непосредственно преобразуется в энергию движения поршня.

На рисунке 195 изображена схема устройства одноцилиндровой паровой машины. Пар из парового котла по трубе А поступает в парораспределительную коробку В, а оттуда в рабочий цилиндр С — попеременно то с одной, то с другой стороны поршня. Распределение пара производится с помощью золотника Z 1 .

1 Имеются машины, в которых парораспределение осуществляется не золотником, а специальными клапанами.

Рис. 195. Схема устройства паровой машины.

Когда пар поступает в правую часть цилиндра (такой случай изображён на рис. 195), то он толкает поршень влево, а отработавший пар вытесняется и выходит через выводную трубу (на рисунке эта труба не показана). Затем, наоборот, пар поступает в левую часть цилиндра и толкает поршень вправо.

При помощи штока Е, шатуна F и кривошипа К возвратно-поступательное движение поршня превращается во вращательное движение вала машины и махового колеса. В свою очередь маховое колесо через передающий механизм L и М перемещает золотник, который поочерёдно впускает пар то с правой, то с левой стороны поршня.

Диаграмма работы машины изображена на рисунке 196. Линия 0—1 изображает впуск пара при постоянном давлении; в точке 1 — отсечка пара (прекращение доступа пара в цилиндр). Затем идёт расширение по кривой 1—2. Перед началом выпуска давление пара в цилиндре измеряется ординатой точки 2, а в момент открытия выпускной трубы оно сразу падает до давления, изображаемого на чертеже ординатой точки 3. Выпуск происходит при постоянном давлении (линии 3—4). Впуском свежего пара давление в точке 4 повышается до начального.

Рис. 196. Диаграмма работы паровой машины.

Величина давления при выпуске пара зависит от давления в той среде, куда выпускается пар. Если пар выпускается в воздух, то это давление, очевидно, будет близко к атмосферному.

Чем ниже давление пара при выпуске, тем большую работу совершает пар, перемещая поршень в цилиндр. Поэтому в паровых машинах часто выпуск отработавшего пара совершается не в воздух, а в конденсатор. Конденсатором называется устройство, в котором отработавший пар охлаждается, превращается в воду, а вода откачивается насосом; вследствие этого в конденсаторе поддерживается пониженное давление.

В случае работы паровой машины с конденсатором выпуск пара на диаграмме изобразится линией ab, лежащей ниже линии 3—4 (рис. 196). Заштрихованная площадь L изображает величину полезной работы, произведённой паром за один цикл.

Площадь 0—1—2—ab—0 больше, чем площадь 0—1—2—3 — 4 — 0; следовательно, машина, работающая с конденсацией пара, совершит больше полезной работы, чем машина без конденсации (при одном и том же количестве пара).

Но не только путём применения конденсаторов можно повысить к. п. д. машины. Из диаграммы (рис. 196) видно, что повышение начального давления, т. е. перемещение линии 0—1 выше, также может дать увеличение полезной работы машины. А так как для получения пара более высокого давления нужно затратить сравнительно небольшое количество дополнительной энергии, то применение пара высокого давления в паровых машинах является более выгодным.

Паровые машины сохранились в настоящее время на старых электростанциях малой мощности. Кое-где их ещё можно встретить на небольших фабрично-заводских предприятиях. В сельском и лесном хозяйствах, а также на торфоразработках широко применяется особый вид паровых двигателей — локомобили. Особенность локомобиля состоит в том, что в одной установке сочетаются паровой котёл и паровая машина. На рисунке 197а показан общий вид передвижного локомобиля. В локомобиле используются местные виды топлива: торф, отходы лесного хозяйства, а в степных районах солома.

Рис. 197. Китобойная база «Става».

Наибольшее распространение паровая машина имеет в настоящее время на транспорте (паровоз, пароход). Этому много способствует простота в обращении с ней, возможность в широких пределах менять её скорость и довольно просто изменять движение на противоположное (давать задний ход) и, что особенно ценно, использовать любые виды топлива.

На рисунке 198 изображён один из мощных советских товарных паровозов серии «Л» Луганского завода имени Октябрьской революции.

Рис. 197а. Внешний вид одного из типов локомобиля.

Рис. 198. Товарный паровоз серии «Л».

Коэффициент полезного действия лучших современных паровых машин не выше 15%.

На рисунке 199 дана диаграмма расхода энергии в паросиловой установке. Из этой диаграммы видно, что большая часть энергии топлива — около 87% — теряется, рассеиваясь в окружающем пространстве, и лишь около 13% используется полезно.

Рис. 199. Диаграмма расхода энергии в паросиловой установке.

Увеличение к. п. д. тепловых двигателей представляет собой и в настоящее время большую техническую проблему.

В современных паровых машинах увеличение к. п. д. достигается повышением давления пара и его многократным расширением, при котором пар последовательно переходит из одного цилиндра машины в другой. Отработавший пар выпускается не в атмосферу, а в конденсаторы, где он обращается в воду, возвращаемую в котёл, или, наконец, используется для отопительных целей.

Паровые котлы

Одной из основных частей паросиловой установки является котёл. Каждый паровой котёл состоит из топки для сжигания топлива, топочного пространства, барабана котла с водяным и паровым пространством, герметически закрытым. Всякий котёл обладает определённой производительностью, измеряемой количеством воды, которую он способен испарить в течение часа при определённой температуре и давлении. Часть котла, которая во время топки приходит в соприкосновение с пламенем, называется поверхностью нагрева.

Рис. 200. Схема устройства парового котла с дымогарными трубками.

На рисунке 200 изображён дымогарный котёл. Внутри этого котла помещён ряд трубок А, по которым продукты горения проходят в дымовую коробку В, откуда попадают в дымовую трубу. Такие котлы устанавливают на локомобилях и на паровозах. Многочисленные дымогарные трубки дают огромную поверхность нагрева, с помощью которой полезно используется энергия, получающаяся при сгорании топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.

Можно сделать котлы иначе: по трубкам пустить воду, а между трубками пламя. Такие котлы называются водотрубными.

На рисунке 201 представлен разрез водотрубного котла. Основными частями его являются топка Т, кипятильные трубы А, барабан В, сухопарник С и пароперегреватель Р.

В кипятильных трубах происходит процесс парообразования. Образующийся в них пар поступает в барабан В, где и собирается в верхней части над водой. Из барабана пар через сухопарник С проходит по соединительной трубе в пароперегреватель Р, где нагревается.

Рис. 201. Схема устройства водотрубного котла

Топливо в этом котле забрасывается через дверцу D, а воздух, необходимый для горения топлива, подаётся через другую дверцу d в поддувало. Горячие газы поднимаются вверх и, огибая специально установленные перегородки, проходят путь, указанный на рисунке 201 пунктирными линиями.

Дальнейшим усовершенствованием в области котельной техники явилось создание А. К. Рамзиным прямоточных котлов. В этих котлах нагревание воды происходит в длинных трубках, изготовленных в виде змеевиков. Вода подаётся в змеевики котла насосом. Проходя через змеевик, вода полностью испаряется, а образовавшийся пар перегревается до требуемой температуры и, таким образом, в готовом виде выходит из змеевиков (рис. 202).

Паровые турбины

Среди тепловых двигателей важное место занимают паровые турбины. В отличие от поршневых паровых двигателей в паровых турбинах используется не энергия упругости пара, а кинетическая энергия струи пара.

Предположим, что давление пара в котле равно p₁. Предоставим пару возможность свободно вытекать из котла через какое-либо отверстие или через насадку — сопло О (рис. 203). При истечении через сопло давление пара будет падать и в устье сопла оно окажется равным некоторому давлению р₂. Вначале скорость пара равна нулю, при выходе же из сопла она увеличивается; при этом давление пара в сопле падает.

Потенциальная энергия пара при падении его давления уменьшается; соответственно увеличивается кинетическая энергия пара (по закону сохранения и превращения энергии). Вытекающий из сопла пар попадает на лопатки рабочего колеса и приводит его во вращение.

Рис. 202. Схема прямоточного котла системы проф. Рамзина.

Рис. 203. Коническая насадка — сопло—паровой турбины и график изменения давления пара при прохождении через сопло.

Схема действия одного из типов турбин представлена на рисунке 204а. На валу А насажен диск В, по ободу которого закреплены лопатки L. Против лопаток располагаются сопла С, в которые пар поступает из котла. В соплах пар расширяется и, выходя из их устьев с большой скоростью, попадает в каналы, образуемые лопатками, где теряет часть своей кинетической энергии, которая идёт на приведение диска В вместе с валом во вращательное движение. На рисунке 2046 изображено колесо однодисковой турбины Лаваля (без кожуха).

Турбины имеют ряд преимуществ перед паровыми машинами. Во-первых, турбины получаются при постройке более компактными, чем паровые машины той же мощности. Во-вторых, большая скорость вращения турбины позволяет на электростанциях соединять турбины с генераторами тока без всякой зубчатой передачи, так как генераторы требуют больших оборотов. В-третьих, в турбинах нет возвратно-поступательного движения отдельных частей, кота рое приходилось бы преобразовывать во вращательное движение, как это делается в паровых машинах и на что расходуется энергия.

Наконец, преимуществом турбины является чистота её конденсата (воды, полученной от охлаждённого отработавшего пара), что имеет большое значение при питании паровых котлов.

Коэффициент полезного действия турбин значительно выше, чем у паровых машин. В турбинах большой мощности он достигает 25%.

Советская техника имеет большие достижения в конструировании и строительстве паровых турбин.

Ленинградский металлический завод уже в 1930 г. стал выпускать турбины мощностью в 25 и 50 тыс. квт с давлением пара 28 и 29 am при температуре 375 и 400° С. В последнее время этот завод строит турбины мощностью в 100 тыс. квт и выше. На рисунке 205 показан общий вид одной из таких мощных турбин.

Рис. 204а. Схема действия паровой турбины.

Рис. 204б. Внешний вид колеса паровой турбины.

Мощные паровые турбины, выпускаемые отечественными заводами, питаются паром с давлением 90 am и температурой 500° С. На электростанциях с этими турбинами расход топлива меньше, чем с турбинами, работающими на паре при 400° С и давлении 29 am.

Ленинградский металлический завод (ЛМЗ) в 1952 г. построил паровую турбину мощностью 150 000 квт при 3000 Эта турбина работает при давлении пара 170 am и температуре 550° С. Применение в турбинах пара давлением в 160—180 am при температуре 550—600° С может повысить их экономичность ещё на 10-15%.

Коэффициент полезного действия паросиловой установки значительно повышается, если энергия отработавшего в турбине пара используется для работы паровых молотов и прессов, нагревает воду для бытовых нужд: для бань и прачечных, для отопления зданий и т. д.

Теплофикация — это централизованное снабжение жилых домов и промышленных предприятий энергией отработавшего пара. В Советском Союзе проблеме теплофикации уделяется очень большое внимание. В ряде крупных тепловых электростанций отработавший пар от турбин нагревает воду, которая используется для отопления зданий.

Рис. 205. Внешний вид паровой турбины высокого давления мощностью в 100 000 квт, изготовленной на Ленинградском металлическом заводе.

На рисунке 206 изображена одна из возможных схем использования энергии пара на теплоэлектроцентрали. Перегретый пар из котла поступает в турбину, которая вращает ротор генератора. Отработавший в турбине пар частично поступает на производство, а часть его идёт в специальный подогреватель. В подогревателе пар нагревает воду, идущую на отопление, в бани, прачечные и на различные производств»

Конденсируясь в подогревателе, пар превращается в воду, которая специальными насосами затем подаётся в котёл.

Двигатель внутреннего сгорания

В паровых машинах и паровых турбинах для преобразования энергии топлива в механическую энергию пользуются водяным паром, который получается в паровых котлах. Наряду с этим существуют тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения при этом энергии и совершения за счёт части сё механической работы; такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания. В этих двигателях используется жидкое или газообразное топливо. Жидкое топливо перед сжиганием испаряется или распыляется в воздухе.

Рассмотрим сначала устройство четырёхтактного карбюраторного автомобильного двигателя. Принцип действия двигателей, применяемых на тракторах и самолётах, сходен с автомобильным.

Рис. 206. Схема распределения пара, получаемого в паросиловой установке.

Схема четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и диаграмма работы такого двигателя изображены на рисунке 207.

Из схемы видно, что внутри цилиндра А может свободно перемещаться поршень В. В верхней части цилиндра имеются два клапана. Через клапан Д производится впуск так называемой горючей смеси, состоящей из воздуха и мельчайших частиц жидкого или газообразного топлива. Клапан Е служит для удаления из цилиндра отработавших газов; С — запальник (свеча), назначение которого — воспламенять находящуюся над поршнем смесь.

На диаграмме, расположенной под схемой, изображены изменения, происходящие в состоянии рабочего вещества при движении поршня. Крайние положения поршня в цилиндре называются мёртвыми точками (в технике их называют верхней и нижней мёртвыми точками). От этих положений поршень начинает возвратно-поступательное движение.

Расстояние, проходимое поршнем от одной мёртвой точки до другой, называется ходом поршня. При движении поршня вниз специальный распределительный механизм открывает клапан Д, который в продолжение всего хода поршня до нижней мёртвой точки остаётся открытым. В течение этого хода в цилиндр через клапан поступает горючая смесь. Так как всасывание происходит при постоянном давлении, то на диаграмме этот процесс изобразится линией 0—1, параллельной оси абсцисс (рис. 207, 1).

Когда поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, клапан Д закрывается, начинается обратное движение поршня вверх, и горючая смесь, находящаяся над поршнем, сжимается. Этот процесс на рисунке 207, II изображён линией 1—2. В момент, когда поршень вновь дойдёт до верхней мёртвой точки, происходит зажигание смеси (например, электрической искрой).

Рис. 207. Схема и диаграмма работы четырёхтактного карбюраторного двигателя.

При сгорании смеси температура образующихся в цилиндре продуктов сгорания резко повышается; вследствие этого резко повышается и давление, причём этот процесс происходит очень быстро; поршень при этом не успевает заметно продвинуться, так что процесс повышения давления можно считать происходящим при постоянном объёме. На рисунке 207, III этот процесс изображён прямой 2—3.

Под влиянием высокого давления продуктов сгорания поршень опять начнёт перемещаться вниз; при этом в цилиндре будет происходить их расширение (этот процесс изображён на диаграмме кривой 3—4), и когда поршень придёт в нижнюю мёртвую точку, давление в цилиндре уменьшится. В этот же момент откроется клапан Е, вследствие чего давление в цилиндре упадёт (линия 4—5).

При движении поршня от нижней мёртвой точки к верхней клапан Е остаётся всё время открытым, и находящиеся в цилиндре отработавшие продукты сгорания удаляются. Линия выпуска (5—6), изображённая на рисунке 207, IV, не совпадает на диаграмме с линией всасывания.

Процесс, в течение которого происходит засасывание горючей смеси, называется впуском, следующий ход — сжатием; за ним идёт расширение, или, как его называют, рабочий ход (в начале этого хода происходит вспышка горючей смеси и резкое повышение давления, затем расширение продуктов сгорания), наконец, последний ход — выпуск.

Рис. 208. Шестиместный легковой автомобиль ЗИМ с шести цилиндровым двигателем мощностью 90 л. с. производства Горьковского

В разобранном нами двигателе за четыре хода, или, как говорят, за четыре такта, имеется только один рабочий такт, в течение которого двигатель совершает полезную работу. Такие двигатели называются четырёхтактными.

На валу двигателя укрепляется массивное маховое колесо, которое, запасая кинетическую энергию при рабочих ходах поршня, расходует часть её на совершение работы во время ходов впуска, сжатия и выпуска, обеспечивая плавный ход двигателя.

Для увеличения мощности машины четырёхтактные двигатели изготовляются с числом цилиндров от двух до восьми.

Применения двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразны: автомобиль (рис. 208), самолёт (рис. 209), трактор и др.

На рисунке 211 показан разрез одноцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.

Рис. 209. Пассажирский двухмоторный самолёт в полёте.

Основной частью двигателя является цилиндр, закрытый сверху съёмной головкой 19. Внутри цилиндра может передвигаться поршень 2. Поршень представляет собой металлический стакан, опоясанный пружинящими кольцами 3, которые вкладываются в канавки на поршне. Назначение поршневых колец — не пропускать газов, образующихся при сгорании топлива, в промежутки между поршнем и стенками цилиндра. Поршень соединён с шатуном 4. Шатун служит для передачи движения коленчатому валу 5.

Рис. 210. Дизельный трактор ДТ-54.

Верхняя часть цилиндра сообщается с двумя каналами, которые могут закрываться и открываться при помощи клапанов 6 и 7. Клапаны закрывают каналы с помощью пружин 8 (пружина клапана 7 на рисунке не показана).

Кулачки укреплены на распределительном валу, приводимом во вращение при помощи шестерён 11, 12. Массивный маховик 13 предназначен для уменьшения неравномерности вращения коленчатого вала и вывода поршня из мёртвых точек.

Кроме клапанов, в верхней части цилиндра помещается свеча 14 для зажигания смеси.

Рис. 211. Схематический разрез одноцилиндрового четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания.

Горючая смесь подаётся в цилиндр по трубе 15, которая соединена с карбюратором, а отработавшие газы выбрасываются из цилиндра по трубе 18. Основанием для деталей кривошипного и распределительного механизмов, а также для защиты этих деталей от влияния наружной среды служит картер 16. Нижняя часть картера является резервуаром для масла.

Головка и верхняя часть боковой поверхности цилиндра имеют двойные стенки; в пространстве 17 между этими стенками циркулирует вода, охлаждающая цилиндр, образуя рубашку охлаждения.

Двигатель внутреннего сгорания — дизель

От чего зависит коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания? Как и во всякой тепловой машине, в этом двигателе имеется источник энергии — нагреватель (таким источником является сгорающее топливо) и холодильник — атмосферный воздух. Чем выше разность температур между ними, тем выше к. п. д. двигателя.

Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси, велика (порядка 1600—1800° С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания значительно выше к. п. д. паровых машин. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания достигает 20—30%.

Как можно ещё повысить к. п. д. этого двигателя? Опыт и расчёты показывают, что для этого нужно добиться большей степени сжатия смеси. Однако в двигателях карбюраторного типа очень сильно сжимать горючую смесь нельзя, так как она, сильно нагреваясь, будет преждевременно самовоспламеняться.

Немецкий инженер Дизель изобрёл двигатель, названный его именем, работающий по такому циклу, который позволяет избежать указанных выше затруднений и значительно повысить к. п. д.

Рассмотрим принцип действия четырёхтактного дизеля. На рисунке 212 изображены схема устройства цилиндра и диаграмма работы дизеля. В головке цилиндра находятся: топливный клапан В (форсунка), клапаны всасывающий С и выхлопной А. Клапаны, а также топливный насос, питающий форсунку, получают движение от особого распределительного вала, который в свою очередь приводится в движение от коленчатого вала двигателя.

Пусть начальным положением поршня а будет верхняя (левая — из-за того, что цилиндр изображён в горизонтальном положении) мёртвая точка. При движении поршня вправо открывается всасывающий клапан С, через который в цилиндр засасывается воздух. Этот первый такт—всасывание — изображён на диаграмме (рис. 212) изобарой 0—1.

Рис. 212. Схема и диаграмма работы дизеля.

Всасывающий клапан С при обратном ходе поршня влево закрывается и в продолжение всего второго такта остаётся закрытым.

В цилиндре дизеля происходит сжатие воздуха (в бензиновом двигателе, как указывалось в § 130, сжимается горючая смесь).

На диаграмме этот процесс изображён кривой 1—2.

Степень сжатия в дизелях достигает большой величины (см. таблицу на стр. 212), вследствие чего температура воздуха в конце сжатия поднимается до температуры, достаточной для воспламенения топлива. В момент прихода поршня в верхнюю (левую) мёртвую точку начинается подача топлива в цилиндр из форсунки В. Попадая в горячий воздух, мелко распылённое форсункой топливо сгорает.

Топливо сгорает здесь не сразу, как в карбюраторных двигателях, а постепенно, в продолжение некоторой части хода поршня вправо. Процесс горения топлива вследствие этого происходит при увеличивающемся объёме рабочего пространства. Поэтому давление газов во время работы форсунки остаётся постоянным. На диаграмме горение представлено линией 2—3.

Таким образом, сгорание смеси происходит при постоянном давлении, в отличие от карбюраторных двигателей, где, как мы видели, сгорание происходит при постоянном объёме.

Дальнейшее расширение газов (кривая 3—4) продолжается до момента прихода поршня в нижнюю (правую) мёртвую точку.

Когда поршень придёт в нижнюю (правую) мёртвую точку, открывается выпускной клапан А и давление газов сразу падает (4—1), после чего поршень возвращается к левой мёртвой точке. В течение всего этого хода выпускной клапан А остаётся открытым; через него отработавшие газы выходят из цилиндра.

Линия выпуска 1—0 на нашей диаграмме для простоты показана совпадающей с линией всасывания.

Рис. 213. Дизель-поезд на железнодорожном дорожном пути Москва — Ленинград.

Дизель оказался более экономичным двигателем, чем карбюраторный, его к. п. д. достигает 39%. Он может иметь значительно большую мощность (десятки тысяч лошадиных сил). Кроме того, дизель может работать на дешёвых сортах жидкого топлива. Дизели большой мощности быстро нашли себе применение как в стационарных установках, так и на водном, железно-дорожном и воздушном транспорте, а дизели малой мощности в последнее время с успехом начинают применяться в качестве двигателей автомашин, тракторов (рис. 210) и небольших судов. На рисунке 213 изображён тепловоз, а на рисунке 214 — общий вид дизельного судового двигателя мощностью 3250 л. с.

Ниже в таблице содержатся некоторые показатели, характеризующие дизели и карбюраторные двигатели.
Характеристика некоторых двигателей внутреннего сгорания

Степенью сжатия называется число, показывающее, во сколько раз полный объём цилиндра больше объёма пространства сжатия.

Реактивные двигатели

Развитие авиации сводится в основном к увеличению скорости, высоты, грузоподъёмности, дальности, надёжности полёта самолётов, что в значительной степени зависит от возможностей совершенствования двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания с винтами-пропеллерами уже не обеспечивают увеличения скорости и высоты полёта самолётов. Причина этого заключается в следующем.

В самолёте с воздушным винтом последний, вращаясь, отбрасывает воздух, заставляя его двигаться ускоренно. По третьему закону Ньютона, отбрасываемая масса воздуха действует на винт, толкает его вперёд, создавая этим тягу, движущую весь самолёт. Тяга получается, таким образом, как результат ответного воздействия (реакции) воздуха, отбрасываемого винтом. Винт служит посредником, который за счёт энергии топлива совершает работу по передвижению самолёта.

Как показала практика, сила тяги винта уменьшается с увеличением скорости. Дело в том, что с увеличением скорости увеличивается сопротивление воздуха вращению винта; при скоростях,

близких к скорости звука в воздухе (порядка 1200 ), это сопротивление становится огромным. В результате большая часть полезной работы двигателя идёт на преодоление сопротивления воздуха; коэффициент полезного действия двигателя уменьшается в десятки раз. Для увеличения скорости самолёта приходится резко увеличивать мощность двигателя, а это неизбежно приводит к увеличению веса самолёта. Например, увеличение скорости полёта самолётов на 150—200 было достигнуто за счёт удвоения веса самолёта. Конечно, это экономически невыгодно. Мощность двигателя с винтом-пропеллером резко уменьшается также с увеличением высоты полёта. На большой высоте, где воздух сильно разрежён, воздушный винт вообще перестаёт двигать самолёт. Таким образом, самолёты с воздушными винтами-пропеллерами, приводимыми во вращение двигателями внутреннего сгорания, не могут обеспечить полётов на больших высотах с большими скоростями.

Свободными от указанных недостатков оказались реактивные двигатели, которые в настоящее время все более и более широко внедряются в авиацию, обусловливая её дальнейшее развитие.

В реактивных двигателях винт отсутствует. В этих двигателях энергия топлива непосредственно преобразуется в механическую энергию движущегося реактивного аппарата. Телами, взаимодействующими между собой, в них являются не винт и воздух, а струя газа, вытекающая из двигателя, и сам двигатель.

Струя газа, двигаясь с ускорением, создаёт реактивную тягу, действующую на двигатель в направлении, противоположном движению струи, — в направлении полёта.

Чтобы газовая струя получила в двигателе ускорение, необходимо иметь давление газа в двигателе большее, чем давление окружающей среды. Под действием разности давлений газовая струя будет непрерывно вытекать из двигателя и создавать реактивную тягу. Этого можно добиться путём непрерывного сжигания топлива в двигателе.

Рис. 214. Судовой двигатель-дизель мощностью 3250 л. с.

Реактивная тяга возникает при взаимодействии двигателя и струи, образующейся в самом двигателе, независимо от окружающей среды. Следовательно, если только обеспечить сгорание топлива в реактивном двигателе, он будет работать в высоких, разрежённых слоях атмосферы и даже в безвоздушном пространстве, т. е. там, где винтомоторная установка работать не может.

Основные виды реактивных двигателей

Все разнообразные виды реактивных двигателей состоят из следующих основных частей: 1) бака с топливом, 2) камеры, где это топливо сгорает, 3) устройств, обеспечивающих подачу топлива в камеру сгорания и истечение продуктов сгорания. В зависимости от вида используемого топлива реактивные двигатели разделяются на две большие группы: двигатели на твёрдом топливе, двигатели на жидком топливе.

Простейшим примером двигателя на твёрдом топливе является пороховая ракета. В ракете при сгорании пороха образуются газы, которые выбрасываются из тела ракеты, создавая реактивную тягу.

В жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) сгорают жидкие горючие вещества (нефтепродукты, спирт и т. д.). Жидкостные реактивные двигатели применялись в конце второй мировой войны для самолётов-снарядов дальнего действия. Скорость самолётов-снарядов достигала 5400 при дальности полёта 290 — 300 км и высоте траектории 100 км.

К этому же роду двигателей относится ракетный двигатель для межпланетных сообщений, изобретённый К. Э. Циолковским.

Жидкостный реактивный двигатель является двигателем больших скоростей и больших высот полёта, однако он расходует слишком много топлива. Например, самолёты-снаряды, которыми гитлеровцы обстреливали во время второй мировой войны Лондон, расходовали в секунду около 130 кг горючей смеси.

Так как запас топлива на самолёте ограничен, то продолжительность и дальность полёта реактивного самолёта с жидкостным двигателем невелики. Кроме того, в таком двигателе должна быть устроена специальная камера, наполненная веществом, окисляющим горючее, а это увеличивает размеры и вес двигателя. Более экономичным является воздушно-реактивный двигатель. В этом двигателе для окисления горючего используется кислород непосредственно из атмосферы и, таким образом, необходимость в баке с запасом окислителя отпадает.

На рисунке 215 изображена схема воздушно-реактивного прямоточного двигателя. Его работа протекает следующим образом.

При полёте самолёта встречный поток воздуха проходит через напорное сопло и захватывает горючее, разбрызгиваемое форсунками. Образовавшаяся рабочая смесь поступает далее в камеру сгорания, где воспламеняется с помощью запальных свечей.

Газы, получающиеся в результате сгорания рабочей смеси, с огромной скоростью выбрасываются через выходное отверстие — сопло.

Вследствие резкого увеличения давления при сгорании смеси скорость газов при выходе из сопла намного больше скорости входящего в двигатель воздуха. По закону сохранения количества движения (см. ч. I, § 55) за счёт этой разности скоростей и создаётся реактивная тяга.

Из изложенного следует, что прямоточный ВРД может работать только тогда, когда самолёт будет в движении. Ясно, что с таким двигателем взлетать самостоятельно самолёт не сможет; для этого необходим дополнительный двигатель.

В настоящее время прямоточные ВРД ещё не получили распространения. Однако в будущем перед ними раскроются широкие перспективы, потому что они оказываются экономически очень выгодными при огромных скоростях полёта (2000—3000 ).

Рис. 215. Схема прямоточного воздушно-реактивного двигателя.

В современной авиации широкое распространение получили турбокомпрессорные воздушно-реактивные двигатели, которые обеспечивают и взлёт, и полёт самолёта. Схема устройства одного из видов такого двигателя дана на рисунке 216.

Рис. 216. Схема турбокомпрессорного двигателя.

Для создания тяги при взлёте самолёта необходимо устройство, обеспечивающее засасывание воздуха в камеру сгорания. В турбокомпрессорных ВРД таким устройством является газовая турбина, связанная с компрессором. Из рисунка видно, что диск турбины сидит на одном валу с компрессором. Когда турбина начинает работать, она приводит в движение компрессор. Последний засасывает воздух и, сжимая его, подаёт в камеру сгорания. В остальном всё происходит так же, как в прямоточном ВРД.

Продукты сгорания, проходя через газовую турбину, отдают ей примерно половину своей энергии, их давление и скорость несколько уменьшаются. Оставшаяся энергия идёт на повышение скорости газов в сопловой части двигателя. Из выходного сопла вырывается мощная газовая струя, создающая реактивную тягу.

Современный турбореактивный двигатель легче поршневого двигателя той же мощности примерно в пять раз. При скоростях полёта в 900 — 1000 развиваемая им мощность может доходить до 6500—7500 л. с.

Рис. 217. Реактивный самолёт в полёте.

В настоящее время в авиации широко применяются также турбовинтовые двигатели.

В турбовинтовом двигателе проходящие через турбину газы отдают ей большую часть своей энергии; поэтому газовая турбина развивает мощность, значительно превышающую ту, которая потребляется компрессором. Избыток мощности турбины расходуется на приведение во вращение воздушного винта, являющегося основным источником тяги двигателя. Кроме того, в турбовинтовых двигателях получается некоторая дополнительная тяга от реактивного действия выходящих из сопла отработавших газов.

Дальнейшее усовершенствование реактивных двигателей представляет одну из первоочередных задач современной техники.

В Советском Союзе исследователи и конструкторы успешно работают над этой проблемой.

На рисунке 217 изображён один из типов самолёта с реактивным двигателем.

Услуги по физике:

Лекции по физике:

Присылайте задания в любое время дня и ночи в ➔

Официальный сайт Брильёновой Натальи Валерьевны преподавателя кафедры информатики и электроники Екатеринбургского государственного института.

Все авторские права на размещённые материалы сохранены за правообладателями этих материалов. Любое коммерческое и/или иное использование кроме предварительного ознакомления материалов сайта natalibrilenova.ru запрещено. Публикация и распространение размещённых материалов не преследует за собой коммерческой и/или любой другой выгоды.

Сайт предназначен для облегчения образовательного путешествия студентам очникам и заочникам по вопросам обучения . Наталья Брильёнова не предлагает и не оказывает товары и услуги.

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

Превращение внутренней энергии в работу

Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

Рис. 1. Второе начало термодинамики.

Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

Рабочее тело теплового двигателя

Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

Рис. 2. Схема теплового двигателя.

КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.

Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.

Что мы узнали?

В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.