Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
«Физика — 10 класс»
Что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
Именно создание теории тепловых двигателей и привело к формулированию второго закона термодинамики.
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.
Тепловые двигатели — это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
Принцип действия тепловых двигателей.
Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.
Роль холодильника.
По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.
Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.
Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А’ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2
Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η 
Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат, причем эти процессы считаются обратимыми (рис. 13.14). Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1.
Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4
Как следует из формулы (13.17), КПД машины Карно прямо пропорционален разности абсолютных температур нагревателя и холодильника.
Главное значение этой формулы состоит в том, что в ней указан путь увеличения КПД, для этого надо повышать температуру нагревателя или понижать температуру холодильника.
Любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Процессы, из которых состоит цикл реальной тепловой машины, не являются обратимыми.
Формула (13.17) даёт теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем больше разность температур нагревателя и холодильника.
Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1. Кроме этого доказано, что КПД, рассчитанный по формуле (13.17), не зависит от рабочего вещества.
Но температура холодильника, роль которого обычно играет атмосфера, практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твёрдое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.
Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счёт уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д.
Для паровой турбины начальные и конечные температуры пара примерно таковы: Т1 — 800 К и Т2 — 300 К. При этих температурах максимальное значение коэффициента полезного действия равно 62 % (отметим, что обычно КПД измеряют в процентах). Действительное же значение КПД из-за различного рода энергетических потерь приблизительно равно 40 %. Максимальный КПД — около 44% — имеют двигатели Дизеля.
Охрана окружающей среды.
Трудно представить современный мир без тепловых двигателей. Именно они обеспечивают нам комфортную жизнь. Тепловые двигатели приводят в движение транспорт. Около 80 % электроэнергии, несмотря на наличие атомных станций, вырабатывается с помощью тепловых двигателей.
Однако при работе тепловых двигателей происходит неизбежное загрязнение окружающей среды. В этом заключается противоречие: с одной стороны, человечеству с каждым годом необходимо всё больше энергии, основная часть которой получается за счёт сгорания топлива, с другой стороны, процессы сгорания неизбежно сопровождаются загрязнением окружающей среды.
При сгорании топлива происходит уменьшение содержания кислорода в атмосфере. Кроме этого, сами продукты сгорания образуют химические соединения, вредные для живых организмов. Загрязнение происходит не только на земле, но и в воздухе, так как любой полёт самолёта сопровождается выбросами вредных примесей в атмосферу.
Одним из следствий работы двигателей является образование углекислого газа, который поглощает инфракрасное излучение поверхности Земли, что приводит к повышению температуры атмосферы. Это так называемый парниковый эффект. Измерения показывают, что температура атмосферы за год повышается на 0,05 °С. Такое непрерывное повышение температуры может вызвать таяние льдов, что, в свою очередь, приведёт к изменению уровня воды в океанах, т. е. к затоплению материков.
Отметим ещё один отрицательный момент при использовании тепловых двигателей. Так, иногда для охлаждения двигателей используется вода из рек и озёр. Нагретая вода затем возвращается обратно. Рост температуры в водоёмах нарушает природное равновесие, это явление называют тепловым загрязнением.
Для охраны окружающей среды широко используются различные очистительные фильтры, препятствующие выбросу в атмосферу вредных веществ, совершенствуются конструкции двигателей. Идёт непрерывное усовершенствование топлива, дающего при сгорании меньше вредных веществ, а также технологии его сжигания. Активно разрабатываются альтернативные источники энергии, использующие ветер, солнечное излучение, энергию ядра. Уже выпускаются электромобили и автомобили, работающие на солнечной энергии.
Источник: «Физика — 10 класс», 2014, учебник Мякишев, Буховцев, Сотский
Основы термодинамики. Тепловые явления — Физика, учебник для 10 класса — Класс!ная физика
Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:
Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.
Согласно второму началу термодинамики, тепловой двигатель может непрерывно совершать периодически повторяющуюся механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего тела (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.
Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:
1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;
2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;
3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Если мы подставим в это уравнение выражение для полезной работы, то убедимся, что КПД теплового двигателя не может быть больше единицы (то есть не может превышать 100%):
Урок 57. Физика 10 класс
Конспект урока «Принцип действия тепловых двигателей. КПД»
В восьмом классе мы уже затрагивали тему тепловых двигателей. Напомним, что тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию.
Для примера рассмотрим газ, находящийся в цилиндре под поршнем. Очевидно, что для того, чтобы привести поршень в движение, необходима разность давления по обе стороны поршня. В тепловых двигателях эта разность достигается путем повышения температуры газа. Нагретый газ обладает достаточно большой внутренней энергией и, расширяясь, совершает работу.
Однако, по мере расширения газ охлаждается, теряя свою внутреннюю энергию. Конечно, для нормальной работы двигателя необходима цикличность. То есть, после совершения работы, газ необходимо перевести в первоначальное состояние.
Итак, принципиальная схема работы теплового двигателя такова: от нагревателя рабочему телу (то есть газу) передается некоторое количество теплоты.
Под этим подразумевается сжигание топлива, в результате которого температура газа повышается на сотни градусов. Внутренняя энергия газа увеличивается и, за счет неё он совершает работу до тех пор, пока не охладится до температуры холодильника (роль холодильника, как правило, выполняет окружающая среда). Очевидно, что газ не может потерять всю свою внутреннюю энергию (если только не охладится до абсолютного нуля). Поэтому, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.
Важными характеристиками теплового двигателя являются следующие величины: количество теплоты, полученное от нагревателя, температура нагревателя (то есть температура образовавшегося газа), температура холодильника, количество теплоты, переданное холодильнику и полезная работа. Полезная работа определяется как разность между количеством теплоты, полученным от нагревателя и количеством теплоты, отданном холодильнику:
Конечно же, любой двигатель характеризуется такой величиной как коэффициент полезного действия. Для теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:
Если мы подставим в это уравнение выражение для полезной работы, то убедимся, что КПД теплового двигателя не может быть больше единицы (то есть не может превышать 100%):
Для наглядности мы можем изобразить графически работу теплового двигателя.
Законы термодинамики позволяют вычислить максимальный возможный КПД для данного теплового двигателя. Впервые это сделал ученый и инженер Сади Карно. Карно справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины. В этой тепловой машине рабочим телом был идеальный газ, а цикл состоял из двух изотерм и двух адиабат:
Таким образом, цикл Карно описывает максимальную возможную работу газа с минимальными потерями энергии. Итак, максимальный возможный КПД данной тепловой машины определяется отношением разности температуры нагревателя и температуры холодильника к температуре нагревателя:
Необходимо отметить, что в данном уравнении следует использовать абсолютную температурную шкалу. Как видно из формулы, и этот КПД не может быть больше единицы, если только температура холодильника не равна абсолютному нулю. Исходя из всего выше перечисленного, мы можем заключить следующее: КПД любого теплового двигателя не может превышать КПД идеального теплового двигателя.
Примеры решения задач.
Задача 1. Температура холодильника равна 20 ℃. Какова должна быть температура нагревателя, чтобы стало возможным достичь значения КПД теплового двигателя, равное 85%?
Задача 2. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 45 МДж. Если КПД этого двигателя составляет 55%, то, сколько литров бензина было израсходовано на совершение данной работы? Плотность бензина равна 710 кг/м .
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.
Вспомните, что такое термодинамическая система и какими параметрами характеризуется её состояние.
Сформулируйте первый и второй законы термодинамики.
Запасы внутренней энергии в земной коре и океанах можно считать практически неограниченными. Но для решения практических задач располагать запасами энергии ещё недостаточно. Необходимо так же уметь за счёт энергии приводить в движение станки на фабриках и заводах, средства транспорта, тракторы и другие машины, вращать роторы генераторов электрического тока и т. д. Человечеству нужны двигатели — устройства, способные совершать работу. Большая часть двигателей на Земле — это тепловые двигатели.
Принцип действия тепловых двигателей. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.
Одна из основных частей двигателя — сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Обозначим начальную температуру рабочего тела (газа) через T1. Эту температуру в паровых турбинах или машинах приобретает пар в паровом котле. В двигателях внутреннего сгорания и газовых турбинах повышение температуры происходит при сгорании топлива внутри самого двигателя. Температуру Т1 называют температурой нагревателя.
Роль холодильника. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара — конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры окружающего воздуха.
Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть тепла неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин.
Эта часть внутренней энергии топлива теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Принципиальная схема теплового двигателя изображена на рисунке 13.13.
3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего тела.
Изобретение тепловой машины
Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.
Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.
Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.
Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.
Многолетняя конкуренция между двумя видами ДВС завершилась распределением сферы их использования. Дизельные двигатели как более мощные устанавливаются на морском транспорте, на тракторах и автомобилях большой грузоподъёмности, а карбюраторные — на автомобили малой и средней грузоподъемности, на моторные лодки, мотоциклы и т. д.
Прежде природа угрожала человеку, а теперь человек угрожает природе
Со следствиями неразумной деятельности человека приходится сталкиваться уже нынешнему поколению. И значительный вклад в нарушение хрупкого равновесия природы вносит огромный объём тепловых двигателей, используемых на транспорте, в сельском хозяйстве, а также паровых турбин электростанций.
Это вредное воздействие проявляется в колоссальных выбросах и повышении содержания углекислого газа в атмосфере. Процесс сгорания топлива сопровождается потреблением атмосферного кислорода в таких масштабах, что это превышает его выработку всей земной растительностью.
Значительная часть тепла от двигателей рассеивается в окружающей среде. Этот процесс, усугубляемый парниковым эффектом, приводит к повышению среднегодовой температуры на Земле. А глобальное потепление чревато катастрофическими последствиями для всей цивилизации.
Чтобы ситуация не усугублялась, необходима эффективная очистка, отработанных газов, переход на новые экологические стандарты, предъявляющие более жёсткие требования к содержанию вредных веществ в выхлопных газах.
Очень важно использовать только качественное топливо. Хорошие перспективы ожидаются от использования в качестве горючего водорода, поскольку при его сгорании вместо вредных выбросов образуется вода.
В недалеком будущем значительная часть автомобилей, работающих на бензине, будет заменена электромобилями.
Только общими усилиями мы можем сохранить этот удивительный мир, которым природа одарила нашу планету.
Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.
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.
1 — 2 — при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически.
Тепловые двигатели.
Машины, преобразующие внутреннюю энергию механическую работу называют тепловыми двигателями
1690 — пароатмосферная машина Д.Папена (Франция) — теоретически
1698 — пароатмосферная машина Т.Севери (Англия)
1705 — пароатмосферная машина Т.Ньюкомена (Англия)
1763 — паровая машина И.Ползунова (Россия)
1774 — паровая машина Д.Уатта (Англия)
1860 — двигатель внутреннего сгорания Ленуара (Франция)
1865 — двигатель внутреннего сгорания Н.Отто (Германия)
1871 — холодильная машина К.Линде (Германия)
1887 — паровая турбина К.Лаваля (Швеция)
1897 — двигатель внутреннего сгорания Р.Дизеля (Германия)
Круговой (циклический) процесс — если в результате изменений система вернулась в исходное состояние, то говорят, что она совершила круговой процесс или цикл.
А1а2>А1б2 — по модулю (из сравнения площадей).
А1б2 Q = A’ + ΔU
Нагреватель передает тепло рабочему телу при температуре Т1.
Рабочее тело совершает полезную механическую работу A’.
Холодильник (охладитель) получает часть тепла, обеспечивая циклический процесс.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя:
Кпд реальных двигателей:
турбореактивный — 20 -30%; карбюраторный — 25 -30%, дизельный — 35-45%.
0 — 1 — впуск горючей смеси (изобара)
1 — 2 — сжатие (адиабата)
2 — загорание горючей смеси
2 -3 -резкое возрастание давления (изохора)
3 -4 — рабочий ход (адиабата)
Идеальная тепловая машина — машина Карно (Сади Карно, Франция, 1815).
Машина работает на идеальном газе.
1 — 2 — при тепловом контакте с нагревателем газ расширяется изотермически.
2 — 3 — газ расширяется адиабатно.
После контакта с холодильником:
3 — 4 — изотермическое сжатие;
4 — 1 — адиабатное сжатие.
КПД идеальной машины:
η является функцией только двух температур, не зависит от устройства машины и вида топлива.
Теорема Карно: кпд реальной тепловой машины не может быть больше кпд идеальной машины, работающей в том же интервале температур.
Цикл Карно обратим. Машина, работающая по обратному циклу наз. холодильной машиной.
Таким образом, циклическим тепловым двигателем мы можем назвать тепловой двигатель, в котором путем использования повторяющихся циклов осуществляется превращение внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию.
Обобщение огромного экспериментального материала позволило сформулировать второй закон термодинамики , указывающий направление, в котором могут протекать термодинамические процессы.
Невозможен термодинамический процесс, единственным результатом которого была бы передача внутренней энергии от менее нагретого тела к более нагретому (формулировка, принадлежащая немецкому физику Рудольфу Клаузиусу).
Невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы совершение работы за счет внутренней энергии, отнимаемой от какого-либо тела путем теплообмена (формулировка, принадлежащая английскому физику Уильяму Томсону).
Круговой процесс (или цикл) – это последовательность процессов, приводящих термодинамическую систему к исходному состоянию.
Фраза «единственным результатом» в формулировке Клаузиуса означает, что термодинамический процесс не должен вызывать изменений в окружающих телах. Например, в холодильных установках внутренняя энергия передается от холодильной камеры к более нагретой среде. Но при этом совершается работа над рабочим веществом и процесс совершения этой работы связан с изменениями в окружающих телах.
То же относится и к формулировке Томсона. «Превращение тепла в работу» в круговом процессе может происходить, если помимо тела, отдающего внутреннюю энергию путем теплообмена, в процесс вовлекается менее нагретое тело, которому передается часть внутренней энергии, отнятой у более нагретого тела.
Второй закон термодинамики лежит в основе работы любого циклически действующего теплового двигателя.
Цикличность работы теплового двигателя можно рассмотреть на примере кругового процесса, осуществляемого с некоторым количеством газа или пара.
Предположим, что мы впустили в цилиндр с плотно пригнанным поршнем определенное количество газа или пара, называемого рабочим телом. Рабочее тело, расширяясь, совершает работу против внешних сил. Любой цилиндр имеет конечные размеры, поэтому процесс расширения рабочего тела когда-то должен прекратиться. С прекращением же расширения, прекратится и процесс превращения внутренней энергии пара или газа в механическую энергию.
В приведенном примере мы имеем дело с тепловым двигателем однократного действия. К таким двигателям относится, например, огнестрельное оружие.
Для повторного расширения рабочего тела, а следовательно, и повторного совершения работы, рабочее тело необходимо сжать. Для этого поршень и рабочее тело должны быть переведены в первоначальное состояние. Но если рабочее тело сжимать при том же давлении, при котором оно расширялось, то полезная работа, совершенная за один цикл окажется равной нулю.
Таким образом, циклическим тепловым двигателем мы можем назвать тепловой двигатель, в котором путем использования повторяющихся циклов осуществляется превращение внутренней энергии рабочего тела в механическую энергию.
Для работы циклического теплового двигателя необходимо наличие тела с температурой 1, называемого нагревателем, тела с температурой 2, называемого холодильником, и рабочего тела, которое, отнимая за один цикл от нагревателя количество теплоты , передает холодильнику количество теплоты и разность преобразует в работу.
В лаборатории промоделировать работу циклического теплового двигателя можно с помощью следующей установки.
Рассмотрим энергетический баланс цикла теплового двигателя.
Пусть рабочее тело, обладающее в начальном состоянии внутренней энергией , приобретает от нагревателя в процессе расширения количество теплоты и совершает положительную работу 1. При этом внутренняя энергия его становится равной .
Пусть в процессе сжатия рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу 2, возвращаясь при этом в исходное состояние.
Применяя к процессам расширения и сжатия рабочего тела первый закон термодинамики, получим:
После сложения этих выражений имеем:
где – работа, совершаемая рабочим телом за один цикл.
Понятно, что, чем больше при данном , тем экономичнее тепловой двигатель. На основании этого целесообразно под КПД. теплового двигателя понимать следующую величину:
Из этого выражения, в частности, вытекает, что Т 1 – температура нагревателя, а Т 2 – температура холодильника.
КПД реальных тепловых двигателей при одном и том же температурном интервале значительно меньше КПД цикла Карно. Вместе с тем, полученное Карно выражение для КПД играет большую роль в термодинамике, показывая пути повышения КПД реальных тепловых двигателей.
В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.
Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями) , поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.
Первые тепловые двигатели
К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.
Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.
Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.) , но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.
Изобретение двигателей внутреннего сгорания
Но вернемся к истории создания первых двигателей.
Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.
Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.
Двигатель Папена
Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС) .
К сожалению, первое же испытание «двигателя» Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.
Двигатель Ленуара
Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.
Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.
Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.
В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.
Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями) , поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.
В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.
Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.
Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.
Двигатель Отто
В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто ( нем. Andreas Otto ) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.
Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.
Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя — специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.
КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз) , поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».
А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.
Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой «Отто и Компания». Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.
Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.
Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта — заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.
Двигатель Дизеля
Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.
По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда — Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.
Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.
Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.
Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.
В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.
Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.
В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.
Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии) , и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.
В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.
Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)
Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.
Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)
Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):
Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):
Рис. 5.3
Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла.
Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами.
Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой.
Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар).
Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник.
Рис. 5.3
Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2 и совершается работа A:
| . | (5.2.1) |
Рис. 5.4
Доступны следующие дополнительные демонстрации: 1. Гидравлическая машина. 2. Гидростатическое давление.
http://www.calc.ru/Teplovoy-Dvigatel-Printsip-Deystviya-Teplovykh-Dvigateley.html
http://videouroki.net/video/57-printsip-dieistviia-tieplovykh-dvighatieliei-kpd.html
http://www.xn--24-6kct3an.xn--p1ai/%D0%A4%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0_%D0%B4%D0%BB%D1%8F_10_%D0%BA%D0%BB%D0%B0%D1%81%D1%81%D0%B0_%D0%9C%D1%8F%D0%BA%D0%B8%D1%88%D0%B5%D0%B2/82.html
http://principraboty.ru/princip-raboty-teplovogo-dvigatelya/
http://www.doklad-na-temu.ru/fizika/teplovye-dvigateli.htm
http://obrazovaka.ru/fizika/teplovoy-dvigatel-princyp-deystviya.html
http://www.eduspb.com/node/1750
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/7adff9bd-4120-4cda-21c5-cac2e1ae0c7c/00149789763367112.htm
http://k-a-t.ru/teplotexnika/10_dvigateli/index.shtml
http://ens.tpu.ru/POSOBIE_FIS_KUSN/%D0%9C%D0%BE%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%80%D0%BD%D0%B0%D1%8F%20%D1%84%D0%B8%D0%B7%D0%B8%D0%BA%D0%B0.%20%D0%A2%D0%B5%D1%80%D0%BC%D0%BE%D0%B4%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0/05-2.htm
