Большая часть двигателей, используемых людьми, - это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника , которым является атмосфера или специальные устройства.

Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника.

Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx..

Эффективность работы двигателя характеризует коэффициент полезного действия (КПД).

Он равен отношению работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя.

Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые, в конечном счете, приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.
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. Тепловоз - автономный локомотив, на котором в качестве силовой энергетической установки используется тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания - дизельный двигатель , величина эффективного кпд которого достигает 40-45%. Применение дизельного двигателя вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий уровень кпд тепловоза (26-31%), превышающий кпд паровоза в 4-5 раз.

Билет № 14

Элементарный электрический заряд; два вида электрических зарядов, закон сохранения электрического заряда; закон Кулона. Электрическое поле: напряженность электрического поля, линии напряженности электрического поля.

Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q .

Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:

· Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.

· Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому.. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.

· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

· Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда .

В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:

Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.

С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду

e = 1,6 .

Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов.

В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами .

Точечным зарядомназывают заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.

На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:

Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:

Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.

Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ - существует вокруг электрического заряда, материально.
Основное свойство электрического поля: действие с силой на электрический заряд, внесенный в него.
Электростатическое поле - поле неподвижного электрического заряда.
Напряженность электрического поля - силовая характеристика электрического поля.
- это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда.
- не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!

Направление вектора напряженности
совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.

Силовые линии электрического поля - непрерывные линии, касательными к которым являются векторы напряженности эл.поля в этих точках.
Однородное эл.поле - напряженность поля одинакова во всех точках этого поля.
Свойства силовых линий: не замкнуты (идут от + заряда к -), непрерывны, не пересекаются,
их густота говорит о напряженности поля (чем гуще линии, тем больше напряженность).

Условия, необходимые для работы теплового двигателя

Тепловым двигателем называется машина, в которой происходит превращение энергии, полученной при сгорании топлива, в механическую энергию.

Вещество, производящее работу в тепловых двигателях, называется рабочим телом или рабочим веществом . В паровых двигателях таким рабочим веществом является пар, а в двигателях внутреннего сгорания – газ.

Установим общие условия (относящиеся ко всем тепловым двигателям), которые необходимы, чтобы преобразовать энергию топлива в энергию движения машин и механизмов. Эти условия мы выясним на примере работы паросиловой установки, схема которой изображена на рисунке.

Одна из частей паросиловой установки – топка с паровым котлом С. В котле образуется пар, который под давлением направляется по трубе М в цилиндр паровой машины Е. Здесь пар расширяется и, двигая поршень, совершает работу. Посредством передающего механизма А возвратно-поступательное движение поршня преобразуется во вращательное движение маховика, который приводит в движение рабочие части станков, сельскохозяйственных машин, генераторов тока и т. д.

Реактивные двигатели

Развитие авиации сводится в основном к увеличению скорости, высоты, грузоподъёмности, дальности, надёжности полёта самолётов, что в значительной степени зависит от возможностей совершенствования двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания с винтами-пропеллерами уже не обеспечивают увеличения скорости и высоты полёта самолётов. Причина этого заключается в следующем.

В самолёте с воздушным винтом последний, вращаясь, отбрасывает воздух, заставляя его двигаться ускоренно. По третьему закону Ньютона , отбрасываемая масса воздуха действует на винт, толкает его вперёд, создавая этим тягу, движущую весь самолёт. Тяга получается, таким образом, как результат ответного воздействия (реакции) воздуха, отбрасываемого винтом. Винт служит посредником, который за счёт энергии топлива совершает работу по передвижению самолёта.

Коэффициент полезного действия тепловых двигателей

При устройстве тепловых двигателей важно прежде всего добиться, чтобы как можно большее количество энергии сгораемого топлива превратилось в механическую энергию, иначе говоря, при минимальной затрате топлива получилась максимальная работа. Тогда двигатель будет экономичным. Зная количество теплоты Q 1 , переданное рабочему телу от нагревателя, и количество теплоты Q 1 – Q 2 , превращенное в механическую энергию, можно оценить степень экономичности этого процесса превращения.

Отношение количества теплоты, превращенной машиной о механическую энергию, к количеству теплоты, полученной от нагревателя, называется коэффициентом полезного действия тепловой машины (к. п. д.).

К. п. д. машины принято обозначать буквой η (греч. «эта»):

η = (Q 1 – Q 2) : Q 1

Изучая условия получения работе за счёт внутренней энергии пара в паровых машинах, Карнов 1824 г. установил, что коэффициент полезного действия любого реального теплового двигателя не может превышать величины (Т 1 – Т 2) : T 1 , где Т 1 – абсолютная температура нагреватели, а Т 2 – абсолютная температура холодильника. Чем ближе к. п. д. двигателя к этой величине, тем двигатель совершеннее. Этот вывод хорошо оправдывается на практике.

Работа при расширении газа

Представим себе, что в цилиндре под поршнем, площадь которого S, находится какой-нибудь газ, давление которого равно р. Сила, с которой газ давит на поршень, определяется по формуле F = pS. Если нагревать газ при постоянном давлении, то он расширится и поршень переместится на некоторое расстояние h.

Газ при этом совершит работу А = pSh. Но Sh = V 2 – V 1 есть увеличение объёма газа, следовательно:

A = p · (V 2 – V 1)

Работа газа при изобарном расширении равна произведению давления газа на увеличение его объёма.

Дизельный двигатель

От чего зависит коэффициент полезного действия двигателя внутреннего сгорания? Как и во всякой тепловой машине, в этом двигателе имеется источник энергии – нагреватель (таким источником является сгорающее топливо) и холодильник – атмосферный воздух. Чем выше разность температур между ними, тем выше к. п. д. двигателя.

Так как температура газов, получающихся при сгорании смеси, велика (порядка 1600–1800 о С), то к. п. д. двигателей внутреннего сгорания значительно выше к. п. д. паровых машин. На практике к. п. д. двигателей внутреннего сгорания достигает 20–30%.

Как можно ещё повысить к. п. д. этого двигателя? Опыт и расчёты показывают, что для этого нужно добиться большей степени сжатия смеси. Однако в двигателях карбюраторного типа очень сильно сжимать горючую смесь нельзя, так как она, сильно нагреваясь, будет преждевременно самовоспламенятся.

Немецкий инженер Дизель изобрёл двигатель, названный его именем, работающий по такому циклу, который позволяет избежать указанных выше затруднений и значительно повысить к. п. д.

Паровые турбины

Среди тепловых двигателей важное место занимают паровые турбины. В отличие от поршневых паровых двигателей в паровых турбинах используется не энергия упругости пара, а кинетическая энергия струн пара.

Предположим, что давление пара в котле равно р 1 . Предоставим пару возможность свободно вытекать из котла через какое-либо отверстие или через насадку – сопло. При истечении через сопло давление пара будет падать, и в устье сопла оно окажется равным некоторому давлению р 2 . Вначале скорость пара равна нулю, при выходе же из сопла она увеличивается; при этом давление пара в сопле падает.

Потенциальная энергия пара при падении его давления уменьшается; соответственно увеличивается кинетическая энергия пара (по закону сохранения и превращения энергии). Вытекающий из сопла пар попадает на лопатки рабочего колеса и приводит его во вращение.

Схема действия одного из типов турбин представлена на рисунке. На валу А насажен диск В, по ободу которого закреплены лопатки L. Против лопаток расположены сопла С, в которые пар поступает из котла. В соплах пар расширяется и, выходя из их устьев с большой скоростью, попадает в каналы, образуемые лопатками, где теряет часть своей кинетической энергии, которая идёт на приведение диска В вместе с валом во вращательное движение. Па рисунке изображено колесо однодисковой турбины Лаваля (без кожуха).

Двигатель внутреннего сгорания

В паровых машинах и паровых турбинах для преобразования энергии топлива в механическую энергию используют водяной пар, который получается в паровых котлах. Наряду с этим существуют тепловые двигатели, в цилиндрах которых одновременно протекают процессы сгорания топлива, выделения при этом энергии и совершения за счёт части её механической работы; такие двигатели называются двигателями внутреннего сгорания . В этих двигателях используется жидкое или газообразное топливо. Жидкое топливо перед сжиганием испаряется или распыляется в воздухе.

Рассмотрим устройство четырёхтактного карбюраторного автомобильного двигателя. Принцип действия двигателей, применяемых на тракторах и самолётах, сходен с автомобильным.

Схема четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания и диаграмма работы такого двигателя изображены на рисунке.

Из схемы видно, что внутри цилиндра А может свободно перемещаться поршень В. В верхней части цилиндра имеются два клапана. Через клапан Д производится впуск так называемой горючей смеси, состоящей из воздуха и мельчайших частиц жидкого или газообразного топлива. Клапан Е служит для удаления из цилиндра отработавших газов; С – запальник (свеча), назначение которого – воспламенять находящуюся над поршнем смесь.

Паровые котлы

Одна и основных частей паросиловой установки – котёл. Каждый паровой котел состоит из топки для сжигания топлива, топочного пространства, барабана котла с водяным и паровым пространством, герметически закрытым. Всякий котёл обладает определенной производительностью, измеряемой количеством воды, которую он способен испарить в течение часа при определенных температуре и давлении. Часть котла, которая во время топки приходит в соприкосновение с пламенем, называется поверхностью нагрева .

На рисунке изображен дымогарный котёл. Внутри этого котла помещён ряд трубок А, по которым продукты горения проходят в дымовую коробку В, откуда попадают в дымовую трубу. Такие котлы устанавливают на локомобилях и на паровозах. Многочисленные дымогарные трубки дают огромную поверхность нагрева, с помощью которой в большей степени полезно используется энергия, получающаяся при сгорании топлива. Вода в этих котлах находится между дымогарными трубками.

Можно сделать котлы иначе: по трубкам пустить воду, а между трубками пламя. Такие котлы называются водотрубными .

Виды реактивных двигателей

Все разнообразные виды реактивных двигателей состоят из следующих основных частей: 1) бака с топливом, 2) камеры, где это топливо сгорает, 3) устройств, обеспечивающих подачу топлива в камеру сгорания и истечение продуктов сгорания. В зависимости от вида используемого топлива реактивные двигатели разделяются на две большие группы: двигатели на твёрдом топливе, двигатели на жидком топливе.

Простейшим примером двигателя на твёрдом топливе служит пороховая ракета. В ракете при сгорании пороха образуются газы, которые выбрасываются из тела ракеты, создавая реактивную тягу.

В жидкостных реактивных двигателях (ЖРД) сгорают жидкие горючие вещества (нефтепродукты, спирт и т. д.). Жидкостные реактивные двигатели применялись в конце второй мировой войны для самолётов–снарядов дальнего действия. Скорость самолётов-снарядов достигала 5400 км/ч при дальности полёта 290-300 км и высоте траектории 100 км.

К этому же роду двигателей относится ракетный двигатель для межпланетных сообщений, изобретённый К. Э. Циолковским.

Паровая машина

В паровой машине энергия пара непосредственно преобразуется в энергию движения поршня.

На рисунке изображена схема устройства одноцилиндровой паровой машины. Пар из парового котла по трубе А поступает в парораспределительную коробку В, а оттуда в рабочий цилиндр С – попеременно то с одной, то с другой стороны поршня. Распределение пара производится с помощью золотника Z.

Когда пар поступает в правую часть цилиндра, то он толкает поршень влево, а отработавший пар вытесняется и выходит через выводную трубу (на рисунке эта труба не показана). Затем, наоборот, пар поступает в левую часть цилиндра и толкает поршень вправо.

При помощи штока Е, шатуна F и кривошипа К возвратно-поступательное движение поршня превращается во вращательное движение вала машины и махового колеса. В свою очередь маховое колесо через передающий механизм L и М перемещает золотник, который поочерёдно впускает пар то с правой, то с левой стороны поршня.

Основные части тепловой ма­шины. Выясним, какие основные части должна иметь тепловая машина, предназначенная для совершения механической рабо­тыА" за счет количества тепло­тыQ , полученного при сжигании топлива. Обычно в тепловых машинах механическая работа совершает­ся расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при рас­ширении, называетсярабочим те­лом. Рабочим телом часто слу­жит воздух или водяные пары. Расширение газа происходит в результате повышения его температуры и давления при нагревании. Устройство, от ко­торого рабочее тело получает количество теплоты Q, называ­етсянагревателем.

Упрощенная мо­дель тепловой машины, состоит из цилиндра, заполненного воздухом, и поршня.

Поместим на поршень тело массой т, предварительно приняв меры против сжатия газа в цилиндре под действием груза (например, установив специаль­ные упоры внутри цилиндра, предотвращающие дальнейшее опускание поршня). Расположим под цилиндром на­греватель. По мере нагревания газа в цилиндре его давление возрастает, однако объем оста­ется неизменным до тех пор, пока при некотором значении температуры Т2 давление не достигнет значениярг, при кото­ром вес поршня с грузомmg и сила атмосферного давления, равнаяp 1 S , уравниваются с силой давления газа на поршеньрг S . Этому процессу соответствует изохора.

При дальнейшем нагревании газа поршень придет в движе­ние. Давление поршня с грузом на газ остается постоянным, поэтому расширение происходит по изобарному закону. При подъ­еме груза на высоту h объем газа в цилиндре увеличивается от V1 доV 2, температура в конце изобарного процесса рас­ширения газа достигает значе­ния Тз. Этому процессу соответствует изо­бара. Когда поршень коснется огра­ничителя в верхней части ци­линдра, снимем груз и прекра­тим нагревание. Цель достигнута, груз поднят. Однако подобная машина одно­разового действия не представляет интереса для практики. Чтобы поднять другой груз, не­обходимо опустить поршень, т. е. сжать газ. Но если сжи­мать газ при температуре Тз до объемаV 1, то работа, совершаемая при сжатии газа, ока­жется больше работы, совер­шенной газом при изобарном расширении. Следовательно, таким путем не удастся осуществить периодический процесс совершения механической работы засчет передачи теплоты от нагревателя рабочему телу машины. Для уменьшения работы, совершаемой при сжатии газа в цилиндре, его нужно перед сжатием охладить. Тогда сжатие будет происходить при давленииp 1 меньшемрг, и работа, совершаемая при сжатии, окажется меньше работы, совершенной газом при расширении. Следовательно, для периодической работы тепловой машины необходима еще одна часть машины, называемаяхолодильником.

Рабочий цикл тепловой машины. Для охлаждения газа направим на дно цилиндра струю холодной воды. Понижение температуры газа будет происходить при неизменном объеме до тех пор, пока давление газа в цилиндре не достигнет зна­ченияp 1 при температуреТ4. Этому процессу ответствует изохора. Для возвращения газа в исходное состояние, характеризуемое давлениемp 1, объемомV 1 и температуройТ1, необходимо продолжить его охлаждение до температурыT1. Этому процессу соответствует изобара. Процессы, в результате совершения которых газ возвращается в исходное состояние, называют круговыми илициклическими. Рабочий цикл рассмотренной тепловой машины состоит из двух изохор и двух изобар, (образующих прямоугольник.).

Рабочий цикл тепловой ма­шины и ее КПД. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается в начальное со­стояние, его внутренняя энергия принимает первоначальное зна­чение. Следовательно, за цикл изменение внутренней энергии ра­бочего тела равно нулю: U =0.

Согласно первому закону тер­модинамики  U=Q-A"=0, илиA "= Q .

Работа А", совершенная ра­бочим телом за цикл, равна полученному за цикл количеству теплотыQ. Количество теплотыQ , полученное рабочим телом за цикл, равно разности количества теплотыQ1, полученного от нагре­вателя, и количества теплотыQ 2, отданного холодильнику: Q = Q 1- Q 2.

Следовательно, A"=Q1-Q2.

Коэффициент полезного дейст­вия , равный отношению по­лезно использованной энергии к затраченной энергии, для теп­ловой машины оказывается равным

 = A "/ Q1, или= (Q1-Q2) / Q1

Французский инженер Сади Карно (1796-1832)в 1824г. установил чрезвычайно важную для практики зависимость КПД тепловой машины от температурыT1 нагревателя и температурыТ2 холодильника: независимо от конструкции и выбора ра­бочего тела максимальное зна­чение- КПД тепловой машины определяется выражением (max) = (Т1 –Т2) / Т1.

Любая реальная тепловая ма­шина может иметь КПД, не превышающий это максимальное значение:

(Т1 –Т2) / Т1  

Выражение для максималь­ного значения КПД тепловой машины показывает, что для повышения коэффициента полез­ного действия тепловых машин существует два пути -повышение температурыT1 нагревателя и понижение температурыT2 хо­лодильника. КПД тепловой ма­шины мог бы стать равным еди­нице, если бы имелась возмож­ность использовать холодильник с температурой, равной абсолют­ному нулю.

Однако этот путь даже теоре­тически неосуществим, так как абсолютный нуль, согласно пред­ставлениям термодинамики, не может быть достигнут. Наиболее приемлемыми холо­дильниками для реальных теп­ловых машин являются атмос­ферный воздух или вода при температуре около 300К. Следовательно, основной путь повышения КПД тепловых ма­шин -это повышение температу­ры нагревателя.

Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую, называются тепловыми двигателями. К ним относятся: двигатели внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивные двигатели. Выясним, какие необходимы условия для того, чтобы в тепловом двигателе внутренняя энергия топлива превращалась в механическую энергию рабочего вала двигателя.

Вещество, которое совершает работу в тепловом двигателе, называется рабочим телом. В паровых двигателях таковым является пар, а в двигателе внутреннего сгорания, реактивном двигателе и в газовой турбине - газ. Как показывает теория тепловых двигателей, чтобы рабочее тело непрерывно совершало в них работу, необходимо наличие в двигателе нагревателя и холодильника. Устройство, в котором рабочее тело нагревается за счет энергии топлива, называется нагревателем (паровой котел, цилиндр). Устройство, в котором рабочее тело после совершения работы охлаждается, называется холодильником (атмосфера, конденсатор, в котором отработавший пар охлаждается проточной водой и превращается в воду).

Проделаем следующий опыт (рис. 30). Возьмем U-образную трубку с водой. Одно колено трубки соединено с теплоприемником (в котором находится рабочее тело - газ), в другом колене имеется поплавок А. Попеременно теплоприемник будем нагревать спиртовкой и опускать в холодную воду. Спиртовка выполняет роль нагревателя рабочего тела, холодная вода - роль холодильника. Работа такой модели теплового двигателя заключается в повторяющемся процессе - поднятии и опускании воды вместе с поплавком. Это происходит так: рабочее тело (газ), нагреваясь в нагревателе и расширяясь, совершает работу по поднятию воды с поплавком; для того чтобы рабочее тело снова могло совершить работу, его охлаждают в холодильнике, а затем опять нагревают. Пока этот процесс будет повторяться - модель такого двигателя будет действовать.

Тепловой двигатель работает непрерывно. Так происходит, потому, что в нем процессы, происходящие с рабочим телом, периодически повторяются: оно нагревается, расширяясь, совершает работу, охлаждается, снова нагревается и т. д. (Проследите это в работе двигателя внутреннего сгорания. Значит, для работы теплового двигателя необходимо иметь: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Для периодически повторяющихся процессов был открыт закон, по которому невозможно осуществить такой периодически повторяющийся процесс, единственным и конечным результатом которого было бы полное превращение количества теплоты, полученного от нагревателя, в работу. Применительно к тепловому двигателю это означает: количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, не может быть полностью использовано для совершения работы, так как невозможен процесс полного перехода внутренней энергии беспорядочного движения большого числа молекул в механическую энергию движения тела (поршня двигателя, рабочего колеса турбины).

Чтобы в реальных тепловых двигателях рабочее тело снова и снова совершало работу, отработавшую порцию рабочего тела удаляют из двигателя в холодильник, т. е. в атмосферу, или в конденсатор для подогрева воды, или для отопления (рис. 31). При этом, чтобы на удаление была совершена как можно меньшая работа, в холодильнике температура и давление всегда меньше, чем в рабочей камере двигателя. Благодаря разнице работы пара и работы по его удалению двигатель и совершает полезную работу. С энергетической точки зрения процесс, происходящий в тепловых двигателях, сводится к следующему (рис. 32): рабочее тело получает от нагревателя количество теплоты Q н , часть которого отдает холодильнику Q x , а за счет оставшейся части совершает работу А = Q н - Q x .

Многообразно применение тепловых двигателей. Карбюраторные двигатели, например, применяются в автомобилях, мотоциклах; дизели - в тракторах, автомобилях большой грузоподъемности, тепловозах, теплоходах, морских судах; паровые турбины - на электростанциях; газовые турбины - на электростанциях, газотурбовозах, в доменных печах для приведения в действие воздуходувок, являются частью одного из типов реактивного двигателя; реактивные двигатели - в авиации, в ракетах.