Ii. молекулярная физика

Паросиловые станции

Поршневые паровые (тепловые) двигатели были созданы в конце девятнадцатого века. Через сто лет появились и первые паровые турбины. Как говорит само название, принцип работы основан на паре, обычно водяном, но есть возможность применять даже пары ртути. Турбины на пару устанавливаются на мощных электростанциях и крупных кораблях. Поршневой двигатель же нашел применение разве что в водном транспорте (пароходы и паровозы) и на железной дороге. Для успешной работы самого двигателя на пару необходимы некоторые вспомогательные устройства и машины, что в совокупности составляет паросиловую станцию, в которой циркулируют всегда одни и те же водные потоки. Они трансформируются в специальных котлах в пар, а затем уже пар производит необходимую работу в поршневой машине (или в турбине). Следующим этапом является превращение пара в охлаждаемом барабане в воду (конденсатор). Из него образовавшаяся вода через насос и сборный бак направляется опять в котел, замыкая круговорот водного потока. Обычно котел именуют термином «нагреватель», а конденсатор называют холодильником. Благодаря тому, что внутри установки циркулирует один и тот же поток воды, накипь практически не образуется.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Популярные темы сообщений

• Сервировка стола Сервировка стола играет очень важную роль не только во время проведения праздничных застольев, но и в домашней обстановке. Приготовленное блюдо покажется ещё вкуснее и аппетитнее, если подать его красиво.
• Созвездие Скорион Созвездие Скорпион является десятым по величине среди всех зодиакальных созвездий. Это одно из немногих созвездий, которое по внешнему виду полностью соответствуют своему названию. Поэтому многие народы, независимо друг от друга,
• Про Ящериц Ящерицы — это чешуйчатые рептилии, которые отличаются от змей областью ног, подвижными веками и наружными отверстиями для уха. Однако, некоторые ящерицы не имеют одной или нескольких из этих функций. Например,

Такты работы двигателя

Есть всего четыре основных такта работы машины внутреннего сгорания:

1. Всасывание. Во время первого такта открывается клапан, поршень засасывает горючую смесь в цилиндр из карбюратора.
2. Сжатие. Во втором такте клапан впускной закрывается, а поршень двигается вверх и сжимает смесь, нагревая ее таким образом.
3. Сгорание. После того как поршень достигнет положения вверху, смесь зажигается при помощи получаемой от свечи электрической искры. Сила давления раскаленного газа выталкивает поршень вниз. Это движение передается валу, и совершается работа.
4. Выпуск (он же выхлоп). Открывается клапан выпускной, и все отработанные продукты сгорания выбрасывается в атмосферу через глушитель.

Из всех четырех тактов (во время которых происходит только два оборота вала) лишь третий – рабочий. Именно поэтому одноцилиндровый тепловой двигатель снабжают маховиком, который раскручивается и вращается во время всех других таков. Одноцилиндровый двигатель устанавливают разве что на мотоциклы. На автомобилях ставят более четырех цилиндров. При этом их устанавливают таким образом, чтобы хотя бы один из цилиндров был в работе на каждый такт. Для старта двигателя используют электромотор, который питается от стартера (аккумулятора).

В чем польза теплового двигателя

Влияние тепловых двигателей Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. А автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу два-три тонн свинца.

Выбросы вредных веществ в атмосферу — не единственная сторона воздействия энергетики на природу. Согласно законам термодинамики производство электрической и механической энергии в принципе не может быть осуществлено без отвода в окружающую среду значительных количеств теплоты. Это не может не приводить к постепенному повышению средней температуры на земле, называемое «тепловым загрязнением». Этот эффект усиливается тем, что при сгорании огромного количества топлива повышается концентрация углекислого газа в земной атмосфере. А при большой концентрации углекислого газа атмосфера плохо пропускает тепловое излучение нагретой Солнцем поверхности Земли, что приводит к «парниковому эффекту». В результате описанных процессов средняя температура на Земле в течение последних десятилетий неуклонно повышается. Это грозит глобальным потеплением с нежелательными последствиями, к числу которых относятся таяние ледников и подъем уровня мирового океана.

Серьезная проблема, стоящая перед человечеством — это «экологический кризис». Огромные масштабы преобразования энергии уже начали оказывать «планетарное» воздействие на климат Земли и состав атмосферы.

Кроме того, при сжигании топлива в тепловых двигателях расходуется атмосферный кислород (в наиболее развитых странах тепловые двигатели уже сегодня потребляют больше кислорода, чем вырабатывается всеми растениями, растущими в этих странах) и образуется много вредных веществ, загрязняющих атмосферу.

Тепловые машины не только сжигают кислород, но и выбрасывают в атмосферу эквивалентные количества оксида углерода (углекислого газа). Сгорание топлива в топках промышленных предприятий и тепловых электростанций почти никогда не бывает полным, поэтому происходит загрязнение воздуха золой, хлопьями сажи. Во всем мире обычные энергетические установки выбрасывают в атмосферу ежегодно более 200 млн. т золы и более 60 млн. т оксида серы.

Токсичными выбросами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются отработавшие и картерные газы, пары топлива из карбюратора и топливного бака. Основная доля токсичных примесей поступает в атмосферу с отработавшими газами ДВС. С картерными газами и парами топлива в атмосферу поступает приблизительно 45 % углеводородов от их общего выброса.

Кроме промышленности, воздух загрязняют и различные виды транспорта, прежде всего автомобильный. Жители больших городов задыхаются от выхлопных газов автомобильных двигателей.

Тепловые машины широко используют на производстве и в быту. По железнодорожным магистралям водят составы мощные тепловозы, по водным путям – теплоходы. Миллионы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания перевозят грузы и пассажиров. Поршневыми, турбовинтовыми и турбореактивными двигателями снабжены самолеты и вертолеты. С помощью ракетных двигателей осуществляются запуски искусственных спутников, космических кораблей и станций. Двигатели внутреннего сгорания являются основой механизации производственных процессов в сельском хозяйстве. Их устанавливают на тракторах, комбайнах, самоходных шасси, насосных станциях.

Источник

Физика 10 класс

«Фарадей» — Изменение силы тока. Упрощенный вариант опытов Фарадея. Изменение магнитного поля. Индукционный ток. Стрелка гальванометра. Фарадей по праву считается одним из основателей электротехники. Майкл Фарадей. Существование магнитного поля. Знакомство с биографией. Королевский институт. Трансформатор. Магнитное действие. Ток. Занятия в Городском философском обществе. Сеть переменного тока. Фарадей наглядно доказал разницу температур отдельных частей пламени.

«Физик Ломоносов» — Ломоносов внёс огромный вклад в развитие физической науки в России. Оптика. Закон сохранения вещества и энергии. М. В. Ломоносов и физика. Тепловые явления. Физическая химия. Теория строения тел. Идеи М. В. Ломоносова в современной физике. Вклад Ломоносова в физику. Биография. Природа электричества. Выводы.

«Физика «Равномерное прямолинейное движение»» — Какое движение называется прямолинейным. Простейший вид движения. Построить графики. График скорости. Уравнение движения тела. Уравнение движения. График координаты. Величина, равная пути пройденному в единицу времени. Что называется механическим движением. Решение. Виды движения. График пути. Равномерное прямолинейное движение.

«Определение поверхностного натяжения» — Форма пузыря. Как соединяются мыльные пузыри. Выдуть мыльные пузыри. Проблемный опыт. Поверхностное натяжение. Длина проволоки. Коррекция знаний. Отношение к материалу урока. Коэффициент поверхностного натяжения. Какие силы действуют вдоль поверхности жидкости. Результаты исследования. Виртуальная лабораторная работа. Мыльные пузыри различного размера. Сферическая поверхность. Процесс образования мыльных пузырей.

««Тепловые двигатели» 10 класс» — Паровые машины и паровые турбины применялись и применяются. Немного истории. Разновидности ДВС. Четырехтактный двигатель. Циолковский. Трехколесная коляска, изобретенная Карлом Бенцом. КПД реактивных двигателей просто ничтожен. Двигатель работает по четырехтактному циклу. Немного о создателе. Применение. Виды двигателей. Дени Папен. Члены команды. Архимед. Тепловые двигатели. Строение яркого представителя ДВС.

«Основы молекулярной физики» — 1827год. Основы молекулярной физики. Основные понятия. Молекулярно-кинетическая теория. Основные положения молекулярно- кинетической теории. Основные физические характеристики(величины). Основное уравнение молекулярно- кинетической теории. Идеализированный объект изучения. Раздел физики, в котором изучаются физические свойства тел. Броуновское движение. Основные формулы. Диффузия-перемешивание веществ при непосредственном контакте.

«Физика 10 класс»

Современные области применения двигателей Стирлинга

В наши дни ДС переживают второе рождение во много благодаря их уникальным экологическим характеристикам

Напомним, концентрация вредных веществ в продуктах сгорания ДС на несколько порядков ниже, чем у поршневых и газотурбинных двигателей и, что не менее важно, минимальные шумы у них не превышают 60-65 дБ. Они незаменимы там, где необходимо преобразовывать тепловую энергию в механическую

Одно из перспективных направлений современной энергетики – децентрализация энергоснабжения, которое реализуется путем строительства когенерационных установок, производящих из первичного источника топлива два или несколько видов полезной энергии.

Когенерационная установка

Использование ДС в когенерационных установках позволяет одновременно обеспечивать электроэнергией и теплом небольшие районы. КПД некоторых современных стирлинг-генераторов доходит до 95 %.

Тепловые насосы на базе ДС работают подобно кондиционерам. Правда, они используются не для охлаждения помещений или воды, а для нагрева.

Тепловой насос на базе ТС

ДС могут работать, как холодильные установки. Некоторые компании-производители холодильников уже готовы устанавливать на свои изделия ДС, что сделает их более экономичными, а рабочим телом станет обычный воздух.

Подводная лодка класса Никкен

Малошумность ДС еще в 60-е годы привлекла внимание разработчиков подводных лодок в ряде стран. В результате в 1988 году шведская субмарина класса «Никкен» была оснащена воздухонезависимыми ДС, с которыми она проплавала свыше 10000 часов

Примеру Швеции последовала Япония, где новейшие подводные лодки класса «Сорю» были оснащены четырьмя ДС VA-275R, каждая мощностью по 8000 л. с.

Солнечная электростанция с ДС

ДС найдет свое применение и в солнечной энергетике, где его устанавливают в фокус параболического зеркала, обеспечивающего постоянную «подсветку» зоны нагрева.

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно 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.

Загрязнение окружающей среды

Одним из самых больших недостатков в настоящее время является загрязнение окружающей среды. В процессе горения выделяются вредные вещества: азот, сера. Вместе с ними в атмосферу попадают и другие вредные вещества, а также металлы, которые добавляются в топливо, чтобы улучшить его качество.

Стоит обратить внимание и на то, что происходит выделение большого количества тепла. Это сильно влияет на изменение климата планеты

Такие изменения принято называть глобальным потеплением. К сожалению, глобальное потепление может грозить тяжелыми последствиями для экологии.

Немаловажно и то, что для своего функционирования двигатели поглощают большие объемы кислорода, взамен возвращая углекислый газ. Если учесть, насколько тепловые машины распространены в мире, становится понятно как велико их негативное влияние на глобальную экологическую обстановку

Если учесть, насколько тепловые машины распространены в мире, становится понятно как велико их негативное влияние на глобальную экологическую обстановку.

Для сохранения экологии начинают приниматься меры по ограничению применения тепловых двигателей. Например, в некоторых странах ограничивается использование автомобилей на определенных территориях. Ужесточаются требования к уровню экологического загрязнения теми или иными двигателями.

Виды двигателей

Семейство двигателей Стирлинга представлено четырьмя видами – Альфа, Бета (принцип его работы описан выше), Гамма и роторным. У каждого из них свои конструкционные особенности.

Альфа-двигатель Стирлинга

У Альфа два цилиндра, один из которых оснащен охлаждающим радиатором, а в нижней его части осуществляется нагрев. В рабочих камерах обоих цилиндров установлены поршни. Усилия от поршневой группы передаются на коленчатый вал, соединенный шарниром с поршнем и вытеснителем.

Гамма-двигатель Стирлинга

Конструкция Гамма-двигателя отличается наличием двух цилиндров: один из них с радиатором охлаждения, поршнем и вытеснителем подвергается нагреву и охлаждению, в то время как второй постоянно «прохлаждается».

У роторного ДС отсутствует КШМ, что уменьшает габариты силового агрегата. Благодаря такой конструкции значительно улучшается герметичность рабочей камеры.

Однако в начале ХХ века у ДС появились мощные конкуренты – двигатели внутреннего сгорания, надолго отправившие в «запас» своих предшественников за счет более высокого КПД.

Экологические аспекты

За время использования установок, выявлены экологические проблемы тепловых двигателей. Если раньше человечество не ощущало выбросов в атмосферу, то по мере роста производства и увеличения количества установок, влияние чувствуется в значительной степени. Содержание углекислого газа за счёт рассеивания тепла в окружающую атмосферу ведёт к усилению парникового эффекта, что сказывается на всём живом и увеличивает среднегодовые показатели температур на Земле. Глобальное потепление катастрофически повлияет на мировой океан и последствия для цивилизации будут непредсказуемы.

Очистка, глобальный контроль, применение новых экологических стандартов, вот что спасёт нашу планету. Применение новых, безвредных видов топлива, к которым относится водород, переход на возобновляемые виды энергии. Только объединённые усилия всех стран повлияют на ситуацию, действуя в общих интересах, убережём наш дом от полного вымирания.

Паровые котлы

Тепловые двигатели на пару (котлы) состоят из непосредственно котла и топки, в которой на колосниковых решеточках сжигается уголь (или, в некоторых, случаях дрова). Применять жидкое топливо можно с помощью его распыления паром в форсунках. Сжатый воздух, который вырывается из узкой трубки, всасывает жидкое топливо, а затем разбрызгивает его в необходимом направлении. Котел состоит из трубок и барабана. Через стены труб передается теплота от топочного газа воде. Изредка вода может находиться снаружи по отношению к трубам, а под ним – одни топочные газы, иногда – наоборот, то есть вода – внутри трубок, а горячий газ их омывает. В таких тепловых двигателях, как паровые котлы, пар перегревается в так называемых змеевиках, при этом он трансформируется в ненасыщенный из насыщенного. Таким образом, уменьшается конденсация паров на стенках турбины и паропроводов, а значит, повышается коэффициент полезного действия самой станции. На котел устанавливают манометр, с помощью которого осуществляется наблюдение за уровнем давления пара. Необходим и специальный клапан, который выпустит нужный объем пара в том случае, когда давление превысит предельную величину. На дне барабана есть приспособления для диагностики уровня воды.

Пути решения

К сожалению, человечество не в силах отказаться от использования тепловых двигателей. Где же выход? Чтобы расходовать на порядок меньше топлива, то есть снизить энергопотребление, следует повысить КПД двигателя для проведения одной и той же работы. Борьба с негативными последствиями использования тепловых машин заключается только в том, чтобы увеличить эффективность применения энергии и переходить на энергосберегающие технологии.

В общем, будет неправильным утверждать, что мировая экологическая проблема использования тепловых машин не решается. Все большее количество электровозов вытесняют обычные поезда; становятся популярными автомобили на аккумуляторных батареях; в промышленность внедряются энергосберегающие технологии. Есть надежда, что появятся экологически чистые авиа- и ракетные двигатели. Правительствами многих стран реализуются международные программы по защите окружающей среды, направленные против загрязнения Земли.

Преимущества использования тепловых двигателей

Простота. Работа тепловых механизмов основана на простых и понятных принципах. Используются физические явления, с которыми человек сталкивается в повседневной жизни: процессы охлаждения и нагревания жидкостей, газов, что приводит к уменьшению или увеличению их объема

Как известно, чем проще механизм, тем он надежней, и, что немаловажно, его легче ремонтировать.

Автономность. Одним из наиважнейших преимуществ является автономность

При помощи транспортных средств человек может не ограничивать себя в передвижении. Это возможно благодаря тому, что двигатель может быть установлен на любой платформе. Он самодостаточен и не требует постоянной связи с какими-либо дополнительными источниками энергии.

Эффективность. На сегодняшний день это одна из самых эффективных разновидностей двигателей. Поэтому применение очень обширно: начиная с газонокосилки или бензопилы, и заканчивая современными автомобилями, электростанциями, космическими ракетами.

Источник энергии. Тепловые машины используются в качестве источника электроэнергии. Это могут быть как маленькие генераторы, обеспечивающие электричеством отдельно взятый дом, так и большие электростанции, которые снабжают целые города. Поэтому можно сказать, что другие типы двигателей, например электродвигатели, в какой-то степени зависят от тепловых.

Компактность. Благодаря высокой эффективности тепловые двигатели, при относительно небольших габаритах, обладают хорошими характеристиками. Это также послужило причиной их широкого распространения во всех сферах человеческой жизни.

Плюсы и минусы

Первые промышленные ДС использовались в качестве водяных насосов и машин, обеспечивающих литейное производство. К началу ХХ века на предприятиях Европы работало уже более 250 тыс. вентиляторов, приводимых в действие ДС. Их КПД достигал 18%, что почти на 10 % выше КПД паровых двигателей.

И это далеко не единственное достоинство двигателей Стирлинга. Как и все двигатели наружного сгорания, они «всеядны». В их топливном «меню» буквально «все, что горит» – от угля, дров, мазута, газа до солнечной, геотермальной энергии и ядерного топлива.

Конструкция ДС чрезвычайно проста. Ей не требуются дополнительных систем и не нужен стартер, поскольку двигатель запускается самостоятельно. Как следствие этого – значительный рабочий ресурс, измеряемый иногда сотнями тысяч часов непрерывной работы.

Двигатели Стирлинга очень экономичны и малошумны, что в последствии было использовано при создании двигателей для подводных лодок.

Из недостатков, пожалуй, главный – материалоемкость. К тому же, чтобы двигатели Стирлинга могли на равных конкурировать с ДВС, им приходиться «добавить» высокое (более 100 атмосфер – прим. ред. Techcult.ru) давление, а также водород или гелий в качестве рабочего тела.

КПД ДС значительно снижается из-за того, что тепло рабочее тело «получает» через стенки теплообменника. Поскольку самому теплообменнику приходится работать в экстремальных условиях высокого давления и температуры, для его изготовления используются весьма дорогие жаропрочные материалы.

Определенные сложности возникают при регулировке оборотов. В частности, чтобы регулировать частоту вращения коленчатого вала, потребуется изменять показатели температуры.

Общие требования к топливам как термодинамической системе

Виды топливных фильтров для дизельных двигателей и их функции С учетом приведенных факторов топлива для тепловых двигателей должны отвечать следующим общим требованиям.

1. Обладать высоким значением теплоты сгорания или удельного импульса (в случае ракетных двигателей), высокой плотностью. Плотность веществ и их теплота сгорания между собой не связаны, поэтому при сравнении альтернативных вариантов топлив нередки случаи, когда более эффективное по удельному импульсу (теплоте сгорания) топливо обладает меньшей плотностью, и наоборот. Поэтому необходим учет совместного влияния обоих энергетических параметров топлива, хотя иногда влияние плотности топлива оказы­вается менее значимым, чем удельного импульса.

Число возможных сочетаний окислителей с горючими для ракетных двигателей, особенно для ЖРД, может достигать нескольких сотен. Если какая-то группа топлив выбрана из условий назначения летательного аппарата и удовлетворяет его эксплуатационным, экономическим и экологическим параметрам, то сопоставление отдельных топлив из выбранной группы по энергетическим возможностям можно выполнить по расчетному значению приращения идеальной скорости летательного аппарата (ЛА)

(4.1)

где — массовое число ЛА;

— масса ЛА в момент включения двигателя (для двигателей первой ступени — стартовая масса ЛА);

т

к— масса ЛА в момент выключения двигателя (конечная масса ЛА);

т

т— масса топлива.

Формула для вычисления получена в предположении прямолинейного движения в пустоте и отсутствия действия на ЛА гравитационных сил.

Для первых ступеней ракет влияние на относительных изменений удельного импульса и плотности при выборе различных топлив в энергетическом плане примерно одинаково. Для верхних ступеней ракет оправдано применение топлив с высоким удельным импульсом (с использованием в качестве, горючего жидкого водорода), хотя и с малой плотностью.

2. В условиях длительного хранения, транспортировки и применения необходимы высокая стабильность, низкая гигроскопичность, малая токсичность и взрывобезопасность топлив и его компонентов.

3. Применение топлива или отдельных его компонентов должно быть экономически целесообразным: сырьевые ресурсы должны быть достаточными, технологическая и производственная база — доступной и развитой. Желательно, чтобы компоненты топлива для ракет военного назначения находили применение в отраслях, не связанных с оборонной техникой.

Дитя эпохи пара

Начало XIX века – расцвет эпохи пара. Благодаря паровым машинам стали бурно развиваться промышленность и транспорт. Они оказались на редкость надежными, устойчивыми к колебаниям нагрузки, долговечными, не требующими больших затрат при эксплуатации, простыми в обслуживании и практически «всеядными» в отношении к топливу.

Роберт Стирлинг и его двигатель

Были очевидны и недостатки – низкий КПД (не более 10%) и наличие громоздкого кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Нередко паровые котлы взрывались, не выдерживая чрезмерного давления пара, что приводило к разрушениям и человеческим жертвам.

Паровоз на базе двигателя Стирлинга

Все изменилось 27 сентября 1816 года, когда шотландский священник Роберт Стирлинг запатентовал уникальное изобретение под названием «двигатель горячего воздуха», безопасную альтернативу своему паровому предшественнику. Позже его назвали в честь создателя – двигатель Стирлинга (ДС).

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

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.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Обратимый круговой процесс

Работа агрегата оценивается, с этой целью принято КПД идеального теплового двигателя. Впервые такое понятие ввёл изобретатель, Карно, в двадцать четвёртом году девятнадцатого века. Главный принцип цикла, обратимость. Согласно рассуждениям инженера, повторяемость процесса будет обеспечена, когда расширение рабочего вещества при нагреве будет сменяться сжатием этой субстанции до начального состояния при охлаждении. Обмен теплом с атмосферой цикле не учитывается, его нет.

Никола Леонард Сади Карно (1796 – 1832 года жизни):

Идеальный тепловой двигатель конструктивно содержит устройство нагрева с температурой «Т нагревателя», устройство охлаждения с температурой «Т холодильника» и вещество, которое, то сжимается, то расширяется.

Рассмотрим стадии цикла:

Расширение с температурой = const (А – Б).

Начальная стадия процесса, температура вещества равно значению «Т нагревателя». Происходит соприкосновение с устройством нагрева, веществу передалось тепло от «Q нагревателя», и оно увеличивается в объёме.

Двигатели внутреннего сгорания

Крайне распространенные тепловые двигатели работают на системе внутреннего сгорания и устанавливаются в танках, самолетах, автомобилях, тракторах и так далее. Работать они могут на разном топливе: керосин, бензин, сжатый горючий газ. Основная часть двигателя такого типа – это набор цилиндров. Внутри них и происходит сжигание какого-либо топлива. В цилиндре двигается поршень, который являет собой полый и закрытый только с одной стороны цилиндр. Поршень опоясан пружинами в виде колец. Их назначение – не пропустить газ, образованный во время сгорания топлива, в промежутки между самим поршнем и стенами цилиндра. Верхние части цилиндров связаны с закрытыми через клапаны каналы. Через них впускаются горячие смеси, а также выбрасываются отходы сгорания. Кроме этих клапанов сверху помещена свеча. Она является приспособлением, с помощью которого производится зажигание горючей смеси через полученную от электрических приборов (бобины или магнето) искры.