Автор: Булгакова Ольга Михайловна, учитель физики, МОУ «Лицей «Эрудит», Алтайский край г.Рубцовск

Тепловыми двигателями (машинами) называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатели внутреннего сгорания, реактивный двигатель, паровая и газовая турбины.

Идеальная тепловая машина С.Карно ( ) Французский ученый С.Карно рассмотрел воображаемый идеальный круговой процесс, в каждом цикле которого в механическую работу превращается максимальное количество внутренней энергии.

Схема устройства Идеальная тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника. В качестве рабочего тела используется идеальный газ.

Паровая машина В XVII-XVIII веках над изобретением паровой машины трудились англичанин Томас Ньюкомен ( ), француз Дени Папин ( ), русский ученый И.И Ползунов ( ) и многие другие.

Цилиндр Папина Папин построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папина, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например, с водяным насосом. Работал этот двигатель следующим образом. В нижнюю часть цилиндра под поршень наливали воду, а сам цилиндр разогревали снизу. Образующийся пар поднимал поршень. Затем цилиндр охлаждали, и находящийся в нем пар конденсировался – снова превращался в воду. Поршень под действием своего веса и атмосферного давления опускался вниз.

Позднее паровую машину сконструировал – английский кузнец Т. Ньюкомен. Он умело использовал многое из того, что было придумано до него Папином, но его машина была очень огромна (высотой с четырех-пятиэтажный дом) и "прожорлива". Паровой насос Ньюкомена

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин - Алтае, где в это время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов. В отличие от парового насоса Ньюкомена и других, уже известных на тот момент, о которых Ползунов знал и недостатки которых осознавал, его проект был машиной непрерывного действия.

Паровая машина Ползунова в действии

Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара, поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну сторону, то в другую. Рабочий ход машины осуществлялся не за счет атмосферного давления, как у Ньюкомена, а благодаря работе пара в цилиндрах.

Создателем другого универсального парового двигателя, который получил широкое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Паровая машина Уатта Первая машина Уатта была паро атмосферной. Затем холодильник в ней был отделен от цилиндра, что повысило ее КПД. Было введено и другое усовершенствование - двухстороннее действие пара на поршень.

Заслуга Уатта заключалась в кардинальному совершенствовании парового двигателя и в увеличении его КПД в 2,8 раза. Начиная с 80-х годов XVIII в. и до начала XX в. в течение примерно 120 лет паро- вой двигатель Уатта был основной энергетической установкой. На графике показано как изменялась общая установленная мощность паровых двигателей в течение XIX в.

1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – шток; 4 – шатун; 5 – вал; 6 – маховые колёса; 7 – патрубок. Схема паровой машины

Паровые машины имеют сравнительно низкий КПД. У первой машины Уатта он был равен 1%, после отделения холодильника от цилиндра он повысился до 3%. В середине XIX века удалось получить КПД, равным 6%, а в половине XX века, он достиг 18%. Паровая машина нашла своё применение в паровозах.

Первый паровоз Паровоз Черепановых В феврале 1956 года самыми высшими инстанциями советского государства было принято решение "О генеральном плане электрификации железных дорог". В стране прекратили постройку паровозов.

Паровые турбины Рабочим телом паровой турбины служит пар. Проходя через турбину, пар расширяется, и его энергия преобразуется в механическую энергию вращения ротора.

Схема устройства

Принцип работы Выходящий из сопла пар, действуя на лопатки, вращает ротор и вал.

Эксплуатационные характеристики КПД около 40%

Крупные паровые турбины устанавливают на тепловых электростанциях для вращения генераторов, вырабатывающих электроэнергию.

Газовая турбина Установка газовой турбины на электростанции Назначение: преобразование энергии газа в механическую энергию вращения ротора

Схема газовой турбины

Принцип работы газовой турбины В газовых турбинах используется энергия газа, получающегося при сгорании топлива.

Эксплуатационные характеристики КПД около 25-30%

Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

Газовые турбины устанавливают на электростанциях.

Двигатели внутреннего сгорания Назначение: превращение внутренней энергии топлива в механическую энергию.

Четырёхтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания У этого двигателя образование горючей смеси происходит в специальном приборе – карбюраторе. Полный цикл двигателя совершается за два оборота коленчатого вала. График цикла работы этого двигателя близок к графику цикла Карно.

Принцип работы: 1-ый такт – впуск Впускной клапан открыт. Поршень движется вниз. В цилиндре образуется разряжение, и в него из карбюратора поступает горючая смесь, состоящая из паров бензина и воздуха.

2-ой такт – сжатие Оба клапана закрыты. Поршень движется вверх. Горючая смесь сжимается. В конце такта сжатия рабочая смесь поджигается электрической искрой и давление резко возрастает. Рабочее тело получает количество теплоты Q 1.

3-ий такт – рабочий ход Оба клапана закрыты. Под действием силы давления газов поршень движется вниз. Газ совершает работу. В конце рабочего хода открывается выпускной клапан и газ выходит в атмосферу, унося с собой количество теплоты Q 2.

4-ый такт – выпуск Выпускной клапан открыт. Поршень движется вверх и выталкивает оставшиеся продукты горения. В ДВС рабочее тело (газ) не приводится к начальному состоянию, т.к. его надо было бы очистить от продуктов сгорания и насытить кислородом. В цилиндры всасывается новая порция воздуха, смешанного с парами бензина, и цикл повторяется.

Эксплуатационные характеристики КПД около 18-24%

Применение

Вопросы: 1. Где сгорает топливо? 2. Как топливо попадает в ДВС? 3. За сколько тактов совершается один рабочий цикл двигателя? 4. Что происходит в двигателе при 1 такте? 5. Как называется 2 такт? 6. В каком такте совершается работа? 7. Как называется 4 такт?

Четырёхтактный дизель Назначение: превращение внутренней энергии топлива в механическую энергию.

Эксплуатационные характеристики КПД около 40-44%

Применение

Реактивный двигатель Назначение: превращение внутренней энергии топлива в механическую энергию. Внешний вид реактивного двигателя

Схема устройства реактивного двигателя

Принцип работы Горючая смесь поступает в камеру, где воспламеняется запальной свечой. Расширяющиеся газы с большой скоростью выходят через сопла, вследствие чего установка получает импульс, направленный вперед.

Эксплуатационные характеристики КПД около 25%

Применение

Вопросы: 1. Какие виды энергии преобразуются из одного вида в другой при работе паровой машины? 2. Для чего служат машины? 3. Может ли машина иметь КПД 100%? 4. Как повысить КПД машины? 5. Во время каких тактов закрыты оба клапана в ДВС? 6. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже, чем температура пара, поступающего к лопастям турбины?

Домашнее задание: § 45-46; Дать сравнительную характеристику ДВС и дизельного двигателя.