Что такое тепловой двигатель и как он работает

Машины-монстры: Самый маленький в мире тепловой двигатель — одна частица, размером в три микрона.

Германские исследователи из университета Штутгарта и Института интеллектуальных систем Макса Планка давно ведут работы, связанные с разработкой и изготовлением микроскопических двигателей и источников кинетической энергии для микромеханических устройств и машин. И их последней разработкой является генератор механической энергии, представляющий собой одну единственную частицу, размером всего в 3 микрона. Несмотря на такую кажущуюся простоту конструкции, эта частица работает подобно двигателю Стерлинга и выполняет механическую работу.

Двигатель Стерлинга является одним из разновидностей тепловых двигателей. Он работает за счет расширения и сжатия нагреваемого и охлаждаемого газа, который толкает поршень. С энергетической точки зрения эта 200-летняя конструкция чрезвычайно эффективна, хотя такие двигатели не завоевали популярность, уступив это место паровым поршневым двигателям и двигателям внутреннего сгорания, которые могут обеспечить более большую мощность и скорость вращения.

«Поршнем» микроскопического двигателя Стерлинга является частица из маламина, легкого полимерного композитного материала, плавающая в воде. Так же в системе используются два лазера, первый лазер используется для удержания частицы на месте, а второй — для быстрого нагрева окружающей частицу воды.

Тепло воды, нагретой импульсом второго лазера, создает силы напряжения внутри оптической ловушки, удерживающей частицу. Это напряжение заставляет частицу переместиться на небольшое расстояние, которое не превышает размеров оптической ловушки, после того, как второй лазер отключается, вода в области ловушки быстро остывает за счет большой массы окружающей воды, и частица-поршень возвращается в исходное состояние. Все это весьма напоминает, хоть и с некоторыми допущениями, принципы работы двигателя Стерлинга, реализованные на микроскопическом уровне.

Управляя мощностью первого, удерживающего частицу, лазера, исследователи могут регулировать амплитуду колебаний частицы. А мощность импульсов второго лазера, разогревающего воду, будет определять максимальную мощность, которую способен отдать этот микроскопический двигатель или скорость движения частицы-поршня.

Даже исследователи, которые потратили немало времени и энергии на создание самого маленького двигателя Стерлинга в мире, считают, что в этом виде такая система вряд ли найдет практическое применение. Но данные исследования являются еще одним шагом в изучении равновесия, распределения сил и эффективности наноразмерных систем, а это в дальнейшем можно будет использовать и на практике для создания нано- и микромашин.

Машины-монстрывсе об самых исключительных машинах, механизмах и устройствах в мире, от громадных средств уничтожения себе подобных до крошечных точнейших устройств, механизмов и всего того, что находится в промежутке между ними.

Доклад на тему Тепловые двигатели 8, 10 класс

Идея создания аналога теплового двигателя зародилась ещё давным-давно. Чего стоит легенда об Архимеде, якобы построившем пушку, которая делала выстрелы при помощи пара. Однако, согласно официальной версии, изобретение первого теплового двигателя случилось в 17 веке, а впоследствии он был усовершенствован.

В это время Дени Папен (французский изобретатель) сконструировал машину, в общих чертах напоминавшую нынешние двигатели внутреннего сгорания. Его современник, английский изобретатель с именем Томас Севери создал паровой насос для того, чтобы откачивать воду. Другой английский изобретатель, по имени Томас Ньюкомен, также сконструировал паровую машину, способную откачивать воду, но в его разработках, хотя и очень умелых, явно перекликались идеи двух предыдущих изобретателей. Работая, в свою очередь, над усовершенствованием технологии Ньюкомена, Джеймс Уатт разработал новую модель двигателя. Универсальный паровой двигатель же был сконструирован спустя примерно 50 лет Иваном Ползуновым, гениальным русским изобретателем.

Какие существуют тепловые двигатели

  • Паровая машина – является одним из двигателей внешнего сгорания. Она преобразует энергию, которая вырабатывается с помощью пара, в механическую работу.
  • Двигатель внутреннего сгорания – в данном случае химическая энергия вырабатывается из топлива. Затем она становится механической работой.
  • Газовая турбина — является одним из двигателей непрерывного действия. Его механизм таков: он преобразует энергию нагретого сжатого газа. Она также становится механической работой.
  • Паровая турбина – это по сути, серия дисков, которые вращаются и которые закрепляются на одной оси и несколько неподвижных дисков, которые закрепляются на основании, называющемся статором.

Реактивный двигатель – преобразует одну энергию в другую (исходную в кинетическую энергию струи рабочего тела), тем самым создавая нужную силу тяги. Подразделяются такие двигатели на два подвида: Один подвид – воздушно — реактивное. Второй подвид – ракетные двигатели.

Вариант №2

В давние времена люди пытались использовать энергию топлива и это все для того чтобы вырабатывалась механическая энергия. А спустя некоторое время появились первые тепловые двигатели. Постепенно его преобразовывали и пытались сделать что-то новое. При помощи такого двигателя сначала получается газ, а потом и пар. Сначала они проходят и проделывают очень много работы, а потом происходит процесс охлаждения.

Немного попозже люди научились вырабатывать энергию. И делали они это при помощи разных способов. И это были ветровые мельницы.
Если рассматривать тепловые двигатели, то к ним можно отнести не только паровую машину, но еще и двигатель внутреннего сгорания, а также паровую или газовую турбину. Данные тепловые двигатели обычно заправляются при помощи жидкого или твердого топлива, а также при помощи солнечной или атомной энергии.

На сегодняшний день существует огромное количество разных автомобилей. И они работают обычно на тепловом двигателе. Кроме этого они работают на жидком топливе. Двигатель может выдержать всего четыре года. Также на двигателе имеется четыре такта. Именно поэтому он и называется четырехтактным. А вот для того чтобы увеличить мощность двигателя нужно поставить туда либо четыре цилиндра, а в некоторых случаях устанавливается восемь цилиндров. А вот более мощные двигатели обычно устанавливаются либо на теплоходах или тепловозах.
Кроме этого на сегодняшний день активно применяются и тепловые двигатели. Обычно туда заливается пар или газ, а потом нагревается до высокой температуры. Потом газ начинает вращаться, и при этом здесь совсем не нужен поршень. Также здесь совсем не нужен ни шатун, ни коленчатый вал.

А вот для того чтобы увеличить мощность требуется всего лишь специальные диски. И каждый из них должен был прикреплен к общему валу. Обычно данные турбины можно применять на тепловых электростанциях или на кораблях.

Также к тепловым двигателям относятся воздушно-реактивный двигатель. Он работает при помощи окисления горючего вещества, и потом он превращается в кислород. Они бывают бескомпрессорными (двигатель, который работает без помощи каких-либо компрессоров) и компрессорными (они работают при помощи газовой турбины или поршня).

Кроме этого установлено и отрицательное влияние тепловой машины на окружающую среду и в этом воздействуют некоторые факторы. Когда топливо сжигается, то выделяется кислород, а это значит, что в окружающей среде кислород наоборот уменьшается. Также когда топливо сжигается, то атмосфера загрязняется.

И нужно обязательно сказать о том, что в атмосферу выделяется огромное количество азота, а также серы. А ведь это все очень пагубно влияют на человека.

Также вредные вещества выбрасывает и автомобиль. А вот для того чтобы этого не происходило можно заменить бензиновый двигатель на обычное топливо. Самое главное чтобы в топливо не добавлялся свинец.

Имеются еще и паросиловые станции. Работают они при помощи пара. Обычно это паровой пар. Конечно, имеются еще и другие машины, которые работают при помощи ртути.

8, 10 класс окружающий мир

Тепловые двигатели

Популярные темы сообщений

  • История Китая

В I тысячелетии до нашей эры, в обществе Древнего Китая между сильными династиями велась борьба за свое наследие и власть. Это было время не только войн и разрухи, все же строились города, развивалась экономика, укреплялась торговля и сельское хозяйство.

Читать еще:  Чем замеряют цилиндры двигателя

Красивых мест в Краснодарском крае довольно много и все их охватить невозможно. Кубань является древней территорией с давней историей. К замечательным местам Краснодарского края относится Кавказ, красивейший берег Черного моря

Каждый наш день не похож один на другой. Но чтобы за день все удавалось осуществить, о чём хотелось, нужно соблюдать режим дня. У меня есть постоянные ежедневные обязательства, которые я должен выполнять.

Экология СПРАВОЧНИК

Информация

Тепловой двигатель

Тепловые двигатели, устанавливаемые на современных автомашинах, являются двигателями внутреннего сгорания, т. е. такими, у которых топливо сгорает непосредственно в цилиндре.[ . ]

Иногда в качестве теплового резерва в насосных станциях устанавливают прямодействующие паровые насосы; однако ввиду малой производительности таких насосов, они могут применяться только при водоснабжении небольших заводов, с незначительным водопотреблением. Насосы с тепловыми двигателями должны устанавливаться при ненадежном источнике электроснабжения. Тепловой резерв, как правило, должен обеспечивать при выключении? электроэнергии не полное количество воды, необходимое для нормальной работы завода, а только то количество, которое необходимо для безаварийной установки огневых устаяовок.[ . ]

В камерах сгорания тепловых двигателей на механизм образования продуктов неполного сгорания и характер побочных реакций, протекающих при горении, влияет структура фронта пламени. На рис. 2.6, а приведена структура фронта диффузионного пламени (камера сгорания дизеля), а на рис. 2.6, б — структура фронта пламени, распространяющегося по гомогенной смеси (двигатели с внешним смесеобразованием) [11].[ . ]

Эффективность (к. п. д.) теплового двигателя определяется как отношение совершенной полезной работы к количеству энергии, полученной им от нагревателя, т. е.[ . ]

Принцип действия теплового двигателя.

Паровая машина или вообще тепловой двигатель — это устройство, преобразующее теплоту в работу. Работа — это процесс, подобный подъему груза.[ . ]

Построенный Бэнксом маломощпый тепловой двигатель на нитиноле непрерывно устойчиво работал, сделав более 1,7• 107 оборотов, и развивал мощность не менее 0,2 Вт, приводя во вращение генератор электрической энергии — от него горела электрическая лампочка.[ . ]

Оценку совершенства рабочего процесса тепловых двигателей можно вести относительно идеала — цикла Карно (рис. 2.2), в котором идеальный (без потерь) подвод теплоты от источника с неизменной температурой Тi к рабочему телу осуществляется по изотерме (Г]-const). Здесь и отвод теплоты от рабочего тела к источнику с неизменной температурой Ti также осуществляется изотермически (72-const). Поскольку другие источники теплоты отсутствуют, переходы с температурного уровня Т на уровень Тг и обратно возможны лишь по адиабатам, т. е. при ф-const и -const.[ . ]

Рассмотрим подробнее механизмы образования в тепловых двигателях основных загрязняющих веществ.[ . ]

В силу необратимости реальных процессов ни одна тепловая машина не работает по циклу Карно. Но теоретические циклы их по совершенству использования теплоты оцениваются степенью приближения термического КПД к значению КПД идеального цикла Карно. Большинство инженерных решений, используемых для усовершенствования тепловых двигателей, направлены на приближение их цикла к циклу Карно (регенерация, промежуточный подогрев рабочего тела при подводе теплоты, промежуточное его охлаждение при отводе теплоты и др.). Теоретическое количество теплоты, которое может быть выделено при сжигании топлива, никогда не используется по назначению полностью. Часть ее теряется. В тепловых двигателях — до 60—70%.[ . ]

Все известные ранее установки для преобразования тепловой энергии океана в механическую работу, а затем — в электрическую энергию основаны на применении турбин, приводимых в действие парами тех или иных жидкостей с низкой температурой кипения. Чтобы подобные системы были рентабельными, они должны иметь достаточно большую мощность. Капитальные затраты на их строительство весьма значительны, кроме того, они не свободны от недостатков, например — потери энергии в сетях распределения и обслуживания (до 10 %) и, как следствие, удорожание отпускной цены на электроэнергию (до 50 %). Такого рода соображения приводит изобретатель нитинолового теплового двигателя Р. Бэнкс в пользу маломощных преобразователей 5 (дело в том, что в свое время он не видел конкретных путей создания мощных мегаваттных преобразователей, основанных на ЭЗФ).[ . ]

Выхлопные газы легковых автомобилей и самосвалов. Идеальный тепловой двигатель — это такой двигатель, который все топливо преобразует только в СО2 и воду. К сожалению, тепловые двигатели, разработанные для транспорта, далеки от идеала, и их выхлопные газы — это серьезный источник всевозрастающего загрязнения среды.[ . ]

Первый опыт по превращению солнечной энергии в электрическую с помощью нитинолового двигателя Бэнкс произвел в ноябре 1973 г.: вода для горячей ванны подогревалась солнечными лучами. С тех пор работы по исследованию нитинола и его применению сильно расширились и ведутся в лабораториях Великобритании, Швейцарии, Бельгии, ФРГ, Японии. В США создан Нитиноловый технологический центр. Проведена Международная конференция но нитиноловым тепловым двигателям, к 1981 г. было опубликовано 400 научных сообщений на эту тему, выданы патенты на более чем 100 иитиноловых установок, в том числе на 12 тепловых двигателей.[ . ]

Тип термодинамического цикла и рабочего тела определяется областью рабочих температур теплового двигателя.[ . ]

Явление ЭЗФ в наше время находит различные применения, в том числе для создания нового типа тепловых двигателей, способных работать от тепловых источников низкопотенциального типа. Если диапазон температуры фазовых превращений будет находиться в пределах тем-пературного градиента, имеющегося в Мировом океане, то нитинол можно использовать в качестве твердого рабочего тела тепловой машины. Вместо аммиака или фреона — нитинол. Схема энергетической установки в этом случае полностью меняется. Применение нитинола открывает новый путь преобразования тепловой энергии океана.[ . ]

Фундаментальное значение изложенного результата состоит в том, что он устанавливает верхний предел КПД тепловых двигателей. Какие бы хитроумные механизмы ни изобретал инженер, пока он ’’связан” фиксированными значениями температур нагревателя и холодильника, КПД созданного им двигателя не может превысить значения, установленного в цикле Карно. Холодильник должен быть холодным, чтобы даже небольшое отданное ему количество энергии приводило к значительному приросту энтропии.[ . ]

В течение последних 30 лет и в перспективе до 2010 г., а может быть и далее, газовые турбины будут наиболее динамично развивающимся тепловым двигателем. Как видно из приведенных на рис. 6.2 графиков [6.8], максимальная единичная мощность ГТУ увеличилась за последнее время с 50 до 235 МВт, ее КПД при автономной работе с 27—28 % до 36,5 % (многовальные ГТУ, созданные на базе авиационных двигателей с высокими степенями повышения давления, работают с КПД 40 % и более), начальная температура газов, определяющая в основном совершенство газотурбинного цикла, увеличилась с 850 до 1400 °С, а степень сжатия — с 7 до 17. Проектируются еще более мощные и экономичные ГТУ.[ . ]

Обычно параллельно работающие противопожарные насосы не устанавливают, за исключением тех случаев, когда требуется установка теплового двигателя и когда для этого используются автомобильные или тракторные дви-татели, которые имеют недостаточную мощность, чтобы приводить в действие один насос, рассчитанный на подачу полного расхода воды для тушения пожара.[ . ]

С помощью транспортных средств осуществляется перемещение материальных объектов в пространстве, источником энергии которых являются тепловые двигатели, преобразующие химическую энергию топлива в механическую работу.[ . ]

Второй важнейший технологический тракт паротурбинной электростанции — её пароводяной тракт — включает пароводяную часть парогенератора тепловой двигатель — преимущественно паровую турбину; конденсационную установку, включая конденсатор и кон-денсатный насос; систему технического водоснабжения с насосами охлаждающей воды; водоподготовительную и питательную установку, включающую водоочистку, подогреватели высокого и низкого давления, питательные насосы, а также трубопроводы пара и воды.[ . ]

Читать еще:  Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором схема подключения к сети

Постоянно действующие станции перекачки производственных сточных вод должны обеспечиваться двойным питанием электроэнергией или иметь резервные насосные агрегаты с тепловыми двигателями, если установка их допускается по условиям техники безопасности. Число напорных трубопроводов от насосных станций в этих случаях должно быть не менее двух; каждый из них рассчитан на пропуск всего количества сточных вод.[ . ]

Уровень врёдных веществ ф6 новый — природная концентрация вредных веществ в среде, определяемая также их местными и дальними переносами, неучитываемыми выбросами стационарных и нестационарных тепловых двигателей, энергетических и технологических агрегатов и машин.[ . ]

Дизельное топливо. Немецкий инженер Рудольф Дизель (1858— 1913) удостоился, пожалуй, самой высокой чести, о которой может мечтать изобретатель — его имя навсегда стало неотделимо от сконструированного им теплового двигателя. В бензиновом двигателе рабочая (топливно-воздушная) смесь воспламеняется от постороннего источника (электрической искры), в дизельном — под действием температуры, повышающейся при сжатии смеси. Потребление топлива дизелем на 20-30% меньше.[ . ]

Насосные станции первого подъема должны снабжаться электроэнергией по двум фидерам от двух независимых источников энергии. Если бесперебойность питания электроэнергией не может быть гарантирована и если нет напорных резервуаров с достаточным запасом воды, следует устанавливать насосы, приводимые в действие тепловыми двигателями. Так как насосные станции первого подъема обьКчно удалены от котельных и на них не могут быть установлены паровые турбины, то наиболее подходящими являются бензиновые двигатели.[ . ]

Насосные станции должны быть обеспечены бесперебойной подачей электроэнергии. Подвод ее к электродвигателям должен быть осуществлен по двум фидерам от двух независимых источников электроэнергии или от кольцевой энергосети. Если это сделать невозможно и затруднено устройство аварийного выпуска сточных вод, должен быть установлен резервный тепловой двигатель.[ . ]

В насосных станциях перекачки производственных сточных вод, содержащих легковоспламеняющиеся, взрывоопасные вещества, следует устанавливать взрывобезопасные электродвигатели, пусковые устройства и приборы электроосвещения в соответствии с правилами устройства электроустановок и классификацией помещений по отраслевым нормам. В таких станциях установка тепловых двигателей запрещается.[ . ]

В экологических системах роль входного потока может играть энергия пищи, а выходного — развиваемая организмами механическая мощность. Для процесса фотосинтеза входной энергией является энергия излучения Солнца, а выходной — свободная энергия химических связей глюкозы. В мышцах человека и животных на вход поступает энергия реакции гидролиза АТФ, выход обеспечивает механическую работу. Платой” за сопряжение в преобразователе потоков различных видов энергии (низкосортной и высокосортной) является диссипация, мерой которой является диссипированная мощность ц/.[ . ]

Хотя некоторые пелагические отложения, образующиеся на спрединговых и ¿сейсмичных хребтах, сходны между собой, характер их разрезов существенно различен. На спрединговых хребтах отсутствуют какие-либо признаки мелководной седиментации; пелагические осадки накапливались здесь (в случае крупных океанов) преимущественно на глубинах 2600—2700 м [2155]. Асейсмичные же хребты «вырастали» местами до таких малых глубин, что на их поверхности перед погружением в результате прекращения вулканической деятельности могли развиваться мелководные карбонатные фации. Вулканический «тепловой двигатель» таких хребтов, действуя относительно короткое время, не был способен вызывать продолжительную гидротермальную разгрузку, свойственную спрединговым хребтам.[ . ]

Наиболее распространенным источником ИК излучения техногенного происхождения является лампа накаливания. При температуре нити лампы накаливания 2300 — 2800 °К максимум излучения приходится на длину волны «1,2 мкм и около 95% энергии излучения приходится на ИК диапазон. Используемые для сушки и нагрева лампы накаливания с вольфрамовой нитью мощностью 1 кВт излучают в ИК диапазоне около 80% всей энергии. При понижении температуры общее содержание ИК излучения источника уменьшается. При температуре а.ч.т. 1550 К максимум излучения соответствует длине волны кт= ,7 мкм. При падении интенсивности в 70 раз максимум интенсивности соответствует Ли =10 мкм, а при Х„= 18 мкм интенсивность уменьшится в 700 раз. К числу спонтанных источников ИК излучения техногенного происхождения относятся также газоразрядные лампы, угольная электрическая дуга, электрические спирали из нихромовой проволоки, нагреваемые пропускаемым током, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи самого различного назначения с использованием самого различного топлива (газа, угля, нефти, мазута, торфа и т. д.), электропечи, электротехнические устройства с неизбежным превращением доли электрической энергии в тепловую, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, ракетные и авиационные двигатели, МГД-генераторы, реакторы атомных станций и т. д. Человеческая цивилизация, являясь сложной диссипативной структурой, неизбежно связана с тепловым излучением.[ . ]

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.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

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.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

Читать еще:  Бмв двигатель n55 характеристики

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.

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.

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.

Принципы действия тепловых машин

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. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

  1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
  2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
  3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
  4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
  5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
  6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector