Тепловые двигатели

Тепловые двигатели и научно-технический прогресс
Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды.
В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня...».
Севери первым отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который получали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную (верхнюю) трубу.

Дени Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду.
Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае
И. И. Ползуновым.
Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни.
Это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи.
Джемс Уатт совершенствовал паровую машину Ньюкомена. Изобрел универсальную паровую машину двойного действия. Работы Уатта положили начало промышленной революции вначале в Англии, а затем и во всем мире.

Паровоз — локомотив с самостоятельной паросиловой установкой (паровой котел и паровая машина), движущийся по проложенным рельсам. Первые паровозы были созданы в Великобритании в 1803 г.
Р. Тревитиком и в 1814 г. — Дж.Стефенсоном.
В России первый паровоз построен в 1833 г. отцом и сыном Черепановыми.
ПАРОХОД - судно, приводимое в движение паровой машиной или турбиной (турбинные пароходы называются обычно турбоходами). Первый пароход - "Клермонт" построен в 1807 в США Р. Фултоном. В России один из первых пароходов - "Елизавета" (для рейсов между Санкт-Петербургом и Кронштадтом) сооружен в 1815.

Николаус Август Отто был германским изобретателем, который в 1876 году создал первый четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, прототип сотен миллионов двигателей, построенных с тех пор.
Некоторые изобретатели, такие как Зигфрид Маркус (в 1875 году), Этьен Ленуар (в 1862 году) и Николас Джозеф Канно (около 1769 года) даже добивались успеха и изготавливали модели, которые ехали. Но из-за отсутствия приемлемого типа двигателя — такого, который мог бы соединить в себе низкий вес и большую мощность — ни одна из этих моделей не нашла практического применения. В течение пятнадцати лет после изобретения Отто четырехтактного двигателя два изобретателя, Карл Бенц и Готлиб Дзймлер, независимо друг о г друга сконструировали практичные, годные для продажи автомобили.
Предпринималось множество попыток сконструировать автомобиль до того, как Отто создал свой двигатель.

Густав де Лаваль в 1890 году изобрёл сопло, служащее для подачи пара в турбину, получившее впоследствии его имя, и использующееся в том же назначении по настоящее время. В 20 веке сопло Лаваля нашло применение в реактивных двигателях для создания реактивной струи.
Рудольф Дизель -человек создавший первый двигатель в 1897 году, завоевавший мир, двигатель, который сегодня знают все - железнодорожники, шоферы, моряки. Когда говорят "дизель", уже никто не воспринимает это слово как фамилию, только как машину.

ПРОДОЛЖИТЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ
1.Работа газа – это…
2.Работа газа: формула…, на графике…
3.Внутренняя энергия – это…
4.Изменение внутренней энергии – это…
5.Формулы: внутренней энергии, изменения
внутренней энергии…
6. Количество теплоты – это…
7. Количество теплоты: формула …
8. Первый закон термодинамики:…
9. Изопроцесс (газовый закон): название…,
формула…, график…

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ,
НА КОТОРЫЕ НАДО ЗНАТЬ ОТВЕТЫ:
1.Что такое тепловой двигатель?
2. Какое физическое явление используется в работе ТД?
3. Что в ТД является рабочим телом? Почему?
4. Какую работу выполняет в двигателе рабочее тело?
5. Какие характеристики рабочего тела изменяются в процессе работы ТД?
6. Откуда берётся тепло для работы ТД?
7. Как можно назвать часть ТД, которая
нагревает рабочее тело?
8. Всё ли тепло расходуется на работу двигателя? Почему? Если не всё, то куда девается оставшееся тепло?
9. Все ли двигатели работают с одинаковой эффективностью? Почему? Если разная эффективность, то как можно различать ТД?

КРАТКИЕ ОТВЕТЫ НА ПОСТАВЛЕННЫЕ ВОПРОСЫ:
1.Тепловой двигатель - устройство, совершающее работу за счет использования внутренней энергии, тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию.
2. В работе ТД используется тепловое расширение вещества в зависимости от температуры?
3. Рабочим телом в ТД является газ, так как он хорошо сжимается и расширяется.
4.Рабочее тело движет в двигателе поршень (в паровом двигателе, ДВС), лопасти (в турбине).
5. В процессе работы двигателя изменяются давление и температура.
6. Тепло для работы ТД берётся от сгорания топлива.
7. Часть ТД, которая нагревает рабочее тело, называется нагреватель (общее название).
8. На работу двигателя расходуется не всё тепло, полученное от нагревателя. Оставшаяся часть уходит в холодильник.
9. Эффективность ТД оценивают по КПД (коэффициенту полезного действия).

ТЕМЫ К ОБСУЖДЕНИЮ И ИЗУЧЕНИЮ :
1. Самым распространённым рабочим телом в ТД является газ. Какие процессы с газом происходят во время работы ТД? Как это изображается на графике? Почему именно эти процессы используются?
2. Что такое «идеальный» тепловой двигатель? Зачем вводится это понятие?
3. Как рассчитывается коэффициент полезного действия теплового двигателя?
От чего зависит величина КПД ТД?

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 1
Любой тепловой двигатель состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (газ, жидкость и др.) и холодильника. В основе работы двигателя лежит циклический процесс (это процесс, в результате которого система возвращается в исходное состояние).
Совершая круговой процесс, рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты Q1 (происходит расширение) и отдает холодильнику количество теплоты Q2, когда возвращается в исходное состояние и сжимается. Полное количество теплоты Q=Q1-Q2, полученное рабочим телом за цикл, равно работе, которую выполняет рабочее тело за один цикл.

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 1:
На рисунке изображены циклы, используемые в бензиновом карбюраторном двигателе и в дизельном двигателе. В обоих случаях рабочим телом является смесь паров бензина или дизельного топлива с воздухом.
Цикл карбюраторного двигателя внутреннего сгорания состоит из двух изохор (1–2, 3–4) и двух адиабат (2–3, 4–1). Дизельный двигатель внутреннего сгорания работает по циклу, состоящему из двух адиабат (1–2, 3–4), одной изобары (2–3) и одной изохоры (4–1).

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 1 :
0 - 1 - впуск горючей смеси (изобара)
1 - 2 - сжатие (адиабата)
2 - загорание горючей смеси
РАБОТА РЕАЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
2 -3 -резкое возрастание давления (изохора)
3 -4 - рабочий ход (адиабата)
4 - 0 - выпуск
Кпд реальных двигателей:
турбореактивный - 20 -30%; карбюраторный - 25 -30%, дизельный - 35-45%.

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 2 :
Французский физик С.Карно разработал работу идеального теплового двигателя. Рабочую часть двигателя Карно можно представить себе в виде поршня в заполненном идеальным газом цилиндре.
Поскольку двигатель Карно — машина чисто теоретическая, то есть идеальная, силы трения между поршнем и цилиндром и тепловые потери считаются равными нулю. Механическая работа максимальна, если рабочее тело выполняет цикл, состоящий из двух изотерм и двух адиабат. Этот цикл называют циклом Карно.

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 2 :
Цикл Карно
Участок 1-2: газ получает от нагревателя количество теплоты Q1 и изотермически расширяется при температуре T1 .
Участок 2-3: газ адиабатически расширяется, температура снижается до температуры холодильника T2 .
Участок 3-4: газ изотермически сжимается, при этом он отдает холодильнику количество теплоты Q2 .
Участок 4-1: газ сжимается адиабатически до тех пор, пока его температура не повысится до T1 .
Работа, которую выполняет рабочее тело - площадь полученной фигуры 1234.

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 2 :
Работа «идеальной» тепловой машины Карно
1. Сначала цилиндр вступает в контакт с горячим резервуаром, и идеальный газ расширяется при постоянной температуре. На этой фазе газ получает от горячего резервуара некое количество тепла.
2. Затем цилиндр окружается идеальной теплоизоляцией, за счет чего количество тепла, имеющееся у газа, сохраняется, и газ продолжает расширяться, пока его температура не упадет до температуры холодного теплового резервуара.
3. На третьей фазе теплоизоляция снимается, и газ в цилиндре, будучи в контакте с холодным резервуаром, сжимается, отдавая при этом часть тепла холодному резервуару.
4. Когда сжатие достигает определенной точки, цилиндр снова окружается теплоизоляцией, и газ сжимается за счет поднятия поршня до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой горячего резервуара. После этого теплоизоляция удаляется и цикл повторяется вновь с первой фазы.

ПОДРОБНО ПО ТЕМЕ 3 :

ПРОВЕРЬ СЕБЯ, ВЫБЕРИ ПРАВИЛЬНЫЙ ОТВЕТ :
1. При работе теплового двигателя …
А. внутренняя энергия превращается в тепловую энергию.
Б. электрическая энергия превращается в тепловую энергию.
В. тепловая энергия превращается в механическую энергию.
2. В тепловом двигателе совершает работу…
А. нагреватель. Б. газ или пар. В. холодильник.
3 Условием для работы теплового двигателя является …
А. наличие нагревателя и рабочего тела.
Б. наличие нагревателя, рабочего тела и холодильника.
В. наличие рабочего тела и холодильника.
4. КПД теплового двигателя всегда…
А. равен единице. Б. больше единицы. В. меньше единицы.
5. Максимальный КПД теплового двигателя будет при цикле, состоящем из …
А. двух изотерм и двух изобар. Б. двух изохор и двух изобар.
В. двух изотерм и двух адиабат.

ОТВЕТЫ К ТЕСТУ :
1. Б 2. Б 3. Б 4. В 5. В