Паровая машина вид топлива рабочее тело нагреватель холодильник

Обновлено: 14.05.2024

Тепловыми двигателями считают машины, которые совершают работу за счет получаемой теплоты.

К часто используемым тепловым двигателям отнесем:

паросиловые станции, паровые поршневые двигатели;
двигатели внутреннего сгорания, например, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели.

Принципы работы тепловых двигателей

Тепловой двигатель преобразовывает теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Тепловой двигатель состоит из:

нагревателя;
холодильника;
рабочего тела, пара или газа, находящегося в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
Цикл может начинаться сначала.

Одной из первых машин, в которой человек использовал солнечную энергию, была ветряная мельница. В такой мельнице вращение крыльев при дуновении ветра приводит в действие вал, который совершает работу. Для появления ветра нужно, чтобы имелась разность давлений, которая появляется в результате температурной разницы в частях атмосферы. Ветер – это конвекционное перемещение атмосферы, вызванное ее неравномерным нагревом.

Так, энергия Солнца использовалась для получения работы в ветряном двигателе.

Периодически повторяющееся выполнение работы в результате охлаждения тел возможно, если тепловая машина не только получает теплоту от нагревателя, но и часть ее передает холодильнику (телу с более низкой температурой). На выполнение работы уходит только часть теплоты нагревателя, остальная теплота переходит к холодильнику.

Готовые работы на аналогичную тему

Тепловым двигателем называют машину, которая производит механическую работу за счет обмена теплотой с окружающими телами.

Большая часть тепловых двигателей нагревание происходит за счет сгорания топлива, в результате этого процесса нагреватель обладает достаточно высокой температурой. При этом работа выполняется за счет внутренней энергии смеси топлива и кислорода из атмосферы.

Имеются тепловые двигатели, в которых нагревание выполняет Солнце. Проектируются машины, применяющие разницу температур воды в море.

Существуют и работают тепловые машины, которые используют теплоту, выделяемую в ядерном реакторе, при расщеплении и преобразовании ядер атомов.

Паровая машина

Первыми были сконструированы паровые поршневые двигатели (или паровые машины). Позднее на их основе были созданы паровые турбины.

Рабочим телом в этих двигателях обычно является водяной пар (возможны пары других веществ). Поршневые двигатели сейчас применяют редко, на железнодорожном и водном транспорте.

Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.

Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией. В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел. Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1

Рисунок 1. Паровой двигатель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В схеме, изображенной на рис.1 нагреватель – это котел, а холодильник – конденсатор, который охлаждается проточной водой. Поскольку в установке циркулирует одна и также вода, то накипи практически не образуется. Накипь влияет на КПД котла, уменьшая его.

Паровой котел - это топка и собственно котел. Топливо сжигают в топке. Сам котел составлен из барабана и труб, которые через свои стенки передают теплоту газов, нагретых при сгорании топлива, воде. Вода нагревается и превращается в пар. Энергия топочных газов не полностью передается воле, ее часть рассеивается. Потери энергии происходят и при неполном сгорании топлива.

Далее по паропроводу пар попадет в турбину. Турбина - это стальной цилиндр с валом внутри него. На валу укреплены рабочие колеса с изогнутыми лопатками. Между рабочими колесами имеются направляющие лопатки. Пар заставляет рабочее колесо вращаться, попадая на рабочие лопатки. В турбине пар увеличивает свой объем, при этом его температура уменьшается.

Турбина способна совершать вращение только в одном направлении, скорость ее вращение изменяется не очень сильно. Это удобно для вращения электрогенераторов.

КПД паросиловой станции может достигать 27%. Часть потерь энергии вызвана несовершенством конструкции и потерями, которые происходят при охлаждении пара водой в конденсаторе.

Теория дает следующий вывод, что КПД тепловой машины не может быть больше, чем:

где $T_1$ - температура нагревателя; $T_2$ - температура холодильника.

Двигатель внутреннего сгорания

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

бензиновый двигатель;
дизель;
реактивный двигатель.

Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время является самым распространенным тепловым двигателем. Он работает:

на автомобильном транспорте,
самолетах,
моторных лодках,
танках и т. д.

Топливом для двигателей внутреннего сгорания может служить:

жидкое топливо, такое как бензин, керосин;
газ.

Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Основная часть этого двигателя – один или несколько цилиндров, где сжигается топливо. Во внутренности цилиндра движется поршень. Поршень имеет вид полого цилиндра, закрытого с одной стороны. Этот цилиндр опоясан пружинными кольцами, которые вложены в канавки на поршне. Данные кольца должны не пропускать газы, которые появляются как результат сжигания топлива, в отсек между поршнем и стенками цилиндра.

Поршень имеет стержень из металла (палец), который соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение от поршня к коленчатому валу.

В работе данного двигателя выделяют четыре этапа:

Всасывание горючей смеси в цилиндр из карбюратора.
Сжатие горючей смеси. При этом впускной клапан закрывается, поршень двигается сжимает смесь. Смесь повышает свою температуру.
Сгорание смеси. При достижении некоторого положения поршнем смесь загорается от электрической искры, которую дает свеча. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз. Поршень передает свое движение коленчатому валу, так совершается работа. Выполняя работу и увеличивая свой объем продукты сгорания уменьшают свою температуру, давление уменьшается. По окончании рабочего хода давление в цилиндре становится равным атмосферному.
Выхлоп отработанных продуктов горения. При этом открывается выпускной клапан, продукты горения через глушитель попадают в атмосферу.

Температура газов, которые получаются в двигателе внутреннего сгорания довольно большая (более 1000 градусов Цельсия), следовательно, они должны давать КПД выше, чем у паровых двигателей. В реальной действительности КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 20-30%. Энергия сгорания топлива в нем расходуется так:

40% идет на охлаждение цилиндра с водой;
25% уносят отработанные газы;
10% забирает трение;
25% полезная работа.

Существуют не только четырехтактные, но и двухтактные двигатели внутреннего сгорания.

Образовательные. Активизация познавательной активности на уроке физика. Познакомить учащихся с устройством и принципом действия паровой турбины. Ввести понятие КПД теплового двигателя.

Развивающие. Развивать научное мировоззрение, логическое и абстрактное мышление, умение анализировать физические процессы, наблюдать, сравнивать, оценивать, устанавливать связи между физическими явлениями.

Воспитательные. Воспитывать самостоятельность, культуру речи, умение грамотно выражать свои мысли, используя физическую терминологию, информационную культуру, грамотное отношение к своему здоровью, экологическую безопасность.

Ход урока:

Организационный момент.

Повторение ранее изученного материала.

Устный опрос учащихся (фронтальная работа):

Из каких тактов состоит работа двигателя внутреннего сгорания?

В каком из тактов внутренняя энергия топлива превращается в механическую, то есть двигатель совершает работу?

Какую роль играет маховик в двигателе внутреннего сгорания?

3.Актуализация опорных знаний.

Жизнь людей невозможна без использования различных видов энергии. Источниками энергии являются различные виды топлива, а также энергия ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов.

Поэтому существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой. По своей сути машина – устройство, которое служит для преобразования одного вида энергии в другой.

4.Изучение нового материала. (Видео)

В современной технике широко применяют другой тип теплового двигателя. В нем пар или нагретый до высокой температуре газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

Паровая турбина представляет собой насаженный на вал массивный диск. По ободу диска закреплены лопасти. Около лопастей расположены трубы – сопла, в которые поступает пар из котла. Работает турбина следующим образом. Пар, полученный в паровом котле под большим давлением, имеет температуру близкую к 600 0 С. Он направляется в сопло и в нем расширяется. При расширении пара происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию направленного движения струи пара. Струи пара, обладающие большой кинетической энергией, поступают из сопла на лопасти турбины и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение. Вал и диск с лопастями образуют ротор турбины, который помещается в корпус. По всей поверхности корпуса помещаются сопла.

Схема устройства паровой турбины.

В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопасти всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

Несколько дисков насаженных на один вал.

Паровые турбины широко применю на современных тепловых и атомных электростанциях, где паровую турбину соединяют с генератором электрического тока.

Тепловые электростанции работают по следующему принципу: топливо сжигается в топке парового котла. Выделяющееся при горении тепло испаряет воду, циркулирующую внутри расположенных в котле труб, и перегревает образовавшийся пар. Пар, расширяясь, вращает турбину, а та. В свою очередь, - вал электрического генератора. Затем отработавший пар конденсируется, вода из конденсатора через систему подогревателей возвращается в котел.

Турбины имеют ряд преимуществ по сравнению с другими тепловыми двигателями. Они выгодны и экономичны, поскольку используют в качестве рабочего тела водяной пар, а для его получения возможно применение любого, в том числе достаточно дешевого топлива. Кроме того, турбины позволяют получать довольно большие мощности, а их КПД составляет 30-60%.

Паровые турбинные двигатели нашли также широкое применение на водном транспорте. Их применению на сухопутном транспорте и тем более в авиации препятствует необходимость иметь топку и котел для получения пара, а также большое количество воды для использования в качестве рабочего тела.

В нашей стране строят паровые турбины мощностью от нескольких киловатт до 1 200 000 кВт. Постепенно находят все более широкое применение газовые турбины, в которых вместо пара используются продукты сгорания газа.

Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только незначительную часть энергии, которая выделяется топливом. Большая часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Тепловой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты. Рабочее тело, нагреваясь, расширяется и совершает работу за счет своей внутренней энергии. Часть энергии передается атмосфере — холодильнику — вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее.

Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

Отношение совершенной полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя определяют по формуле:

КПД = А_П/Q₁, или КПД = (Q₁– Q₂)/Q_1*100%,

где А _п — полезная работа, Q ₁ — количество теплоты, полученное от нагревателя, Q ₂ — количество теплоты, отданное холодильнику, Q ₁ –Q ₂ — количество теплоты, которое пошло на совершение работы. КПД выражается в процентах.

Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть. Тогда коэффициент полезного действия двигателя равен ¼ или 25% .

КПД двигателя обычно выражают в процентах. Он всегда меньше единицы, т. е. меньше 100% . Например, КПД двигателей внутреннего сгорания 20 — 40% , паровых турбин — выше 30% .

Устный опрос учащихся (фронтальная работа):

Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?

Каковы основные части турбины?

Какими преимуществами обладает турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания?

Поделить класс на три команды. Учащиеся выбирают представителей команд.

Решение задач на закрепление. Примеры решения задач.

Тест на закрепление (1-Балл)

(Слайд-3) 1. Какое из перечисленных ниже утверждений является определением КПД механизма?

А) произведение полезной работы на полную работу.

Б) отношение полезной работы к полной работе.

В) отношение полной работы к полезной.

Г) отношение работы ко времени, за которое она была совершена.

(Слайд-4) 2. С помощью машины совершена полезная работа А2, полная работа при этом была равна А1. Какое из приведённых ниже выражений определяет коэффициент полезного действия машины?

А) А1+А2. Б) А1-А2. В) А2-А1. Г) А2/А1.

(Слайд-5) 3. КПД паровой турбины равен 30%. Это означает, что…

А)…30% энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, идёт на совершение полезной работы.

Б)…70% энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, идёт на совершение полезной работы.

В)…30% энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, преобразуется во внутреннюю энергию деталей двигателя.

Г)…30% энергии, выделившейся при полном сгорании топлива, преобразуется во внутреннюю энергию пара.

Ответ: а

(Слайд-6) 4. В тепловых двигателях…

А)…механическая энергия полностью превращается во внутреннюю энергию.

Б)…внутренняя энергия топлива полностью превращается в механическую энергию.

В)…внутренняя энергия топлива частично превращается в механическую энергию.

Г)…механическая энергия частично превращается во внутреннюю энергию.

(Слайд-7) 5. КПД паровой машины меньше КПД двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Это объясняется тем, что:

А)…удельная теплота сгорания угля меньше удельной теплоты сгорания бензина.

Б)…температура пара меньше температуры горючей смеси в ДВС.

В)…давление пара меньше давления горючей смеси в ДВС.

Г)…плотность пара меньше плотности горючей смеси.

(Слайд-8) 1. Относится ли огнестрельное оружие к тепловым двигателям?

Да, так как при выстреле часть тепловой энергии топлива превращается в кинетическую энергию тел, например снаряда.

(Слайд-9) 2. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего к лопастям турбины?

Температура отработанного пара в турбинах ниже, чем у поступающего к лопаткам турбины, потому что пар, прошедший через лопатки турбины, отдал им часть своей внутренней энергии.

№ 1139. КПД уменьшается, окружающая среда засоряется.

Ответ из учебника(задачника): 1139. КПД уменьшится.

(Слайд-11) 1138. Во время каких тактов закрыты оба клапана в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания?

№ 1138. Оба клапана в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания закрыты во время такта “сжатие” и “рабочий ход” (т. е. 2-й и 3-й такты).

Приложение 1

Карточки с задачами

В процессе работы тепловой машины за некоторое время рабочим телом было получено от нагревателя количество теплоты 1,5 МДж, передано холодильнику 1,2 МДж. Вычислить КПД машины.

= 1,5·10 6 Дж

= 1,2·10 6 Дж

- ?

Ответ: 20 %

В тепловой машине за счёт каждого килоджоуля энергии, получаемой от нагревателя, совершается работа 300 Дж. Определить КПД машины.

= 1 кДж=1000 Дж

=300 Дж

- ? Решение

Ответ: 30 %

Задача 3. Тепловая машина, получив 4000 Дж тепла, совершила работу в 1 кДж . Определите КПД машины. (Ответ: КПД = 25%)

Задача 4. КПД машины 40%. Определите работу, которую совершила машина, если она получила 6 кДж тепла. (Ответ: А = 2400 Дж )

Задача 5 (№ 189). Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 15МДж потребовалось израсходовать 1,2 кг топлива с удельной теплотой сгорания 42 МДж/кг.

Устный опрос учащихся (фронтальная работа):

Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?

Каковы основные части турбины?

Какими преимуществами обладает турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания?

Тепловая машина получает от нагревателя количество теплоты, равное 3360 Дж за каждый цикл, а холодильнику отдаётся 2688 Дж. Найдите КПД машины.

Дано: Q1-3360дж, q2- 2680дж, нйти кпд. Решение: кпд=(q1-q2)/q1*100%=(3360дж-2688дж)/3360дж*100%=20%. Ответ: кпд=20%

Найдите КПД тепловой машины, если совершается работа 250 Дж на каждый 1 кДж теплоты, полученной от нагревателя. Какое количество теплоты отдаётся холодильнику?

Α=Q ₁ -Q ₂
Q ₂ =1000-250=750Дж
η=(Q ₁ -Q ₂ )/Q ₁ *100%=(1000-750)/1000*100%=25%
Ответ:Q ₂ =750Дж; η=25%

Тепловая машина за цикл получает от нагревателя 500 Дж теплоты и отдает холодильнику 350 Дж. Чему равен ее КПД ?

1141. В одной из паровых турбин для совершения полезной работы используется 1/5 часть энергии, выделяющейся при сгорании топлива, в другой — 1/4 часть. КПД какой турбины больше? Ответ обоснуйте.

КПД второй турбины выше.

Двигатель внутреннего сгорания мощностью 36 кВт за 1 ч работы израсходовал 14 кг бензина. Определите КПД двигателя.

Ответ из учебника(задачника): 1146. 20%.

1145. За 3 ч пробега автомобиль, КПД которого равен 25%, израсходовал 24 кг бензина. Какую среднюю мощность развивал двигатель автомобиля при этом пробеге?

Ответ из учебника(задачника): 1145. ≈25 кВт.

1144. Двигатель внутреннего сгорания совершил полезную работу, равную 2,3 • 10 4 кДж, и при этом израсходовал бензин массой 2 кг. Вычислите КПД этого двигателя.

Ответ из учебника(задачника): 1144. 25%.

1143. Определите КПД двигателя трактора, которому для выполнения работы 1,89 • 10 7 Дж потребовалось 1,5 кг топлива с удельной теплотой сгорания 4,2 ⋅ 10 6 Дж/кг.

Ответ из учебника(задачника): 1143. 30%.

Двигатель мотоцикла за час расходует 2 кг бензина. Определить КПД двигателя мотоцикла, если его мощность 6 кВт.

КПД=A/Q*100% (А-работа,Q-затраченная энергия)-общая формула

А представим как N *t, a Q-как q*m

q-это удельная теплота сгорания бензина =4.6*10^7Дж/кг . масса известна,найдем КПД

КПД= 6*10^3Вт*3600с/ 4.6*10^7 Дж/кг*2 кг=0.23%

1140. Первый гусеничный трактор конструкции А. Ф. Блинова, 1888 г., имел два паровых двигателя. За 1 ч он расходовал 5 кг топлива, у которого удельная теплота сгорания равна 30 • 10 6 Дж/кг. Вычислите КПД трактора, если мощность двигателя его была равна около 1,5 кВт.

Ответ из учебника(задачника): 1140. ≈3,6%.

Устный опрос учащихся (фронтальная работа):

Какие тепловые двигатели называют паровыми турбинами?

Каковы основные части турбины?

Какими преимуществами обладает турбина по сравнению с двигателем внутреннего сгорания?

Тепловой двигатель – устройство преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. Основные части теплового двигателя: нагреватель, рабочее тело и холодильник. Чтобы получить полезную работу, необходимо сделать работу сжатия газа меньше работы расширения. Для этого нужно, чтобы каждому объёму при сжатии соответствовало меньшее давление, чем при расширении. Поэтому газ перед сжатием должен быть охлажден.
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 счет 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 T1 температурой нагревателя.'

Рассмотрим это на примере идеальной тепловой машины.

Любая тепловая машина состоит из трех частей: теплоотдатчика, рабочего тела и теплоприемника. Теплоотдатчик имеет температуру Т1 и отдает некоторое количество теплоты Q1 рабочему телу. Рабочее тело (газ, пар, нагретая жидкость) совершает работу. Причем, не вся теплота Q1 превращается в работу, а только некоторая ее часть

Другая часть теплоты Q2 передается телу с более низкой температурой (Т2) – теплоприемнику. Таким образом, сущность работы тепловой машины заключается не только в получении теплоты Q1 от теплоотдатчика и совершении работы А, но и передаче некоторого количества теплоты Q2теплоприемнику, температура которого ниже чем температура теплоотдатчика (Т1 > Т2). Вечный двигатель второго рода состоит из первых двух частей, то есть, теплота Q1 полностью переходит в работу А, а это невозможно. Там, где нет перепада температур (Т1 = Т2), невозможно превратить теплоту в работу.

Чтобы получить математическое выражение второго начала термодинамики, рассматривают действие идеальной тепловой машины. Идеальной называют машину, которая работает без трения и потерь тепла. В ней рабочим телом является идеальный газ. Работа машины основана на принципе обратимого термодинамического цикла, называемого циклом Карно.

Цикл Карно состоит из четырех последовательно совершаемых процессов: изотермического расширения, адиабатического расширения, изотермического сжатия, адиабатического сжатия газа. Все процессы проводят обратимо, в результате чего газ возвращается в исходное положение.

В результате математических преобразований получают

(Q1 – Q2)/Q1 = (Т1 – Т2)/Т1 (4.9)

или h = А/Q1; h = (Т1 – Т2)/Т1 (4.10)

где h – коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины.

Установленный на валу ротор жестко соединён с зубчатым колесом, которое входит в зацепление с неподвижной шестерней. Ротор с зубчатым колесом как бы обкатывается вокруг шестерни. Его грани при этом скользят по эпитрохоидальной поверхности цилиндра и отсекают переменные объёмы камер в цилиндре.

Такая конструкция позволяет осуществить 4-тактный цикл без применения специального механизма газораспределения. Герметизация камер обеспечивается радиальными и торцевыми уплотнительными пластинами, прижимаемыми к цилиндру центробежными силами, давлением газа и ленточными пружинами.

Смесеобразование, зажигание, смазка, охлаждение, запуск принципиально такие же, как и у обычного поршневого двигателя внутреннего сгорания.

Практическое применение получили двигатели с трёхгранными роторами, с отношением радиусов шестерни и зубчатого колеса: r: R = 2: 3, которые устанавливают на автомобилях, лодках и т.п. Масса и габариты двигателя Ванкеля в 2-3 раза меньше соответствующих им по мощности двигателей внутреннего сгорания обычной схемы.

Воздух сначала поступает в цилиндр, сжимается и нагревается до высокой температуры. В раскаленный воздух с помощью форсунки впрыскивается самовоспламеняющееся и быстро сгорающее топливо, за счет чего мотор и начинает работать. Для таких двигателей необходимо специальное дизельное топливо. Из уроков физики все мы знаем, что тепловая энергия может преобразовываться в механическую. Именно это и происходит, когда в цилиндре двигателя сгорает топливо. Тепло, превращаясь в механическую работу, начинает двигать поршень, который в цилиндре двигается возвратно-поступательно. Коленчатый вал, связанный с поршнем при помощи шатуна, вращается.

Во время работы, поршень то приближается, то удаляется от коленчатого вала. Когда эти две детали сближаются, то в цилиндр поступает горючая смесь. При движении цилиндра в обратную сторону, в нем увеличивается давление. Сжатая горючая смесь в этот момент готова к сгоранию, едва стоит вспыхнуть искре, как смесь легко воспламеняется и выделяет газы, которые нужны для того, чтобы привести мотор в движение. Цилиндр соединен с трубопроводом, через который из двигателя выбрасываются отработанные газы.

Одно движение поршня к коленчатому валу или обратно называется ходом. Если за четыре хода поршня вал сделает два оборота вокруг своей оси, значит, закончился так называемый рабочий цикл. Двигатель, рабочий цикл которого совершается за два оборота коленчатого вала, называется четырехкратным. Существуют также и двукратные двигатели. Рабочий цикл у них совершается за два хода поршня и за один оборот коленчатого вала. В автомобильных моторах такие двигатели практически не применяются, зато их широко используют для мотоциклов.

Чем сильнее будет давление на поршень при сгорании горючей смеси, тем больше мощность двигателя. Поэтому выгодно увеличивать степень сжатия в двигателе. В этом случае из той же порции топлива получается больше полезной работы. Многие автолюбители пытаются самостоятельно отрегулировать двигатель так, чтобы расходовать меньше топлива, но при этом не терять мощности. Но увлекаться этим не следует, поскольку при сильном увеличении степени сжатия горючая смесь сгорает слишком быстро (этот процесс называется детонация), что вызывает неустойчивую работу двигателя. При этом в работающем двигателе слышен стук, мощность значительно снижается, а из глушителя идет черный дым.

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.

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.

Принципы действия тепловых машин

КПД тепловых машин

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

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.
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.
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.
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.
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.
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.

Читайте также: