Физика. 8 класс. Барьяхтар

Этот учебник можно скачать в PDF формате на сайте тут.

§ 17. Некоторые виды тепловых двигателей

История промышленного применения тепловых двигателей начинается с паровой машины, созданной английским ученым Джеймсом Уаттом в 1768 г. (рис. 17.1). С 1776 г. усовершенствованные машины Уатта начали широко применяться на шахтах и металлургических заводах Англии. В XX в. на смену первым паровым машинам пришли современные двигатели внутреннего сгорания, паровые и газовые турбины, реактивные двигатели. Из этого параграфа вы узнаете, как работают некоторые из них.

Рис. 17.1. Паровая машина Уатта

1. Изучаем устройство и принцип действия паровой турбины

Паровая турбина (от латин. turbo — вихрь, быстрое вращение) — один из примеров паровых тепловых двигателей.

В паровых двигателях энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, идет на образование водяного пара и его нагревание, а уже затем нагретый пар, расширяясь, выполняет механическую работу.

Таким образом, рабочим телом паровой турбины служит пар. Его получают из воды и в специальных паровых котлах нагревают до температуры около 600 °C. Из котла пар под высоким давлением поступает в турбину.

Что, по вашему мнению, служит холодильником во время работы турбины?

Рассмотрим устройство и принцип действия простейшей паровой турбины (рис. 17.2). Струи пара, вырываясь из сопел (1), падают на лопатки (2), расположенные на диске (3). Сам диск неподвижно закреплен на валу (4) турбины. Под давлением пара диск турбины, а значит, и вал вращаются, — пар выполняет работу (рис. 17.3).

Рис. 17.2. Схема устройства простейшей паровой турбины: 1 — сопла; 2 — лопатки; 3 — диск; 4 — вал. Стрелками показано направление движения пара

Рис. 17.3. В современных турбинах для максимального использования энергии пара применяют несколько дисков с лопатками, насаженных на один общий вал

Паровые турбины широко используют на электростанциях, где механическая энергия вращения турбины преобразуется в электрическую. На транспорте паровые турбины не получили широкого применения в основном из-за больших габаритов.

2. Знакомимся с устройством двигателя внутреннего сгорания

Один из самых распространенных тепловых двигателей, используемых в транспортных средствах, — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, сконструированный немецким изобретателем Николаусом Отто (рис. 17.4).

Рис. 17.4. Николаус Август Отто (1832-1891), немецкий конструктор, изобретатель четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим зажиганием

При работе двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает непосредственно внутри его цилиндров, отсюда и название двигателя. Эти двигатели работают на газе или жидком топливе.

Двигатель внутреннего сгорания (рис. 17.5) состоит из цилиндра (1), в котором перемещается поршень (2). Внутри поршня шарнирно закреплен шатун (3). Шатун, в свою очередь, соединен с коленчатым валом (4), который, вращаясь, обеспечивает вращение тяговых колес транспортного средства.

Рис. 17.5. Схема устройства простейшего двигателя внутреннего сгорания: 1 — цилиндр; 2 — поршень; 3 — шатун; 4 — коленчатый вал; 5 — клапаны; 6 — свеча зажигания. Стрелкой показано направление вращения вала

В верхней части цилиндра имеются два канала, закрытых клапанами (5). Горючая смесь (смесь воздуха с бензином или газом) через впускной клапан поступает в цилиндр; через выпускной клапан выбрасываются отработанные газы. У некоторых двигателей в верхней части цилиндра размещена также свеча зажигания (6) — устройство для зажигания горючей смеси с помощью электрической искры.

3. Наблюдаем за работой четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания с электрическим зажиганием состоит соответственно из четырех тактов (рис. 17.6).

I такт — всасывание (рис. 17.6, а). Поршень движется вниз, и в цилиндре падает давление. В это время открывается впускной клапан и горючая смесь всасывается в цилиндр. В конце I такта впускной клапан закрывается.

II такт — сжатие (рис. 17.6, б). Поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Когда поршень достигает крайнего верхнего положения, проскакивает искра и горючая смесь воспламеняется. Оба клапана закрыты.

III такт — рабочий ход (рис. 17.6, в). Топливо горит, и раскаленные газы толкают поршень вниз. Движение поршня передается шатуну, который толкает коленчатый вал и заставляет его вращаться, — двигатель выполняет полезную работу. В конце III такта открывается выпускной клапан.

IV такт — выпуск (рис. 17.6, г). Поршень движется вверх и через выхлопную трубу выталкивает продукты сгорания в атмосферу. В конце IV такта выпускной клапан закрывается. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей некоторого количества теплоты окружающей среде.

Рис. 17.6. Работа четырехтактного двигателя внутреннего сгорания: а — всасывание; б — сжатие; в — рабочий ход; г — выпуск

Как и в любом тепловом двигателе, в двигателе внутреннего сгорания есть нагреватель (горящая горючая смесь), рабочее тело (раскаленные газы), холодильник (окружающая среда).

За цикл газы толкают поршень только один раз, поэтому для равномерной работы двигателей ставят четыре, шесть и более цилиндров.

В последнее время все чаще применяют дизельные двигатели, названные так в честь немецкого инженера Рудольфа Дизеля (рис. 17.7). Эти двигатели, в частности, не имеют свечей зажигания (топливо воспламеняется от горячего воздуха, нагретого в результате сжатия), могут быть и двухтактными, их КПД выше. У двигателей, описанных выше, КПД составляет 20-25 %, у дизельных — 40 %.

Рис. 17.7. Рудольф Дизель (1858-1913) — немецкий инженер. Создатель двигателя внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия горючей смеси

4. Размышляем о плюсах и минусах использования тепловых двигателей

Если посмотреть на соединения, образующиеся в результате химических реакций горения топлива (см., например, рис. 15.1), создается впечатление, что тепловые машины совершенны, ведь продукты реакции — «обычные» соединения. Действительно, углекислый газ (СО2) входит в состав воздуха, а вода (Н2О) есть везде вокруг нас. Эти вещества являются экологически чистыми, то есть не загрязняют природу. Однако не следует делать поспешных выводов.

Во-первых, практически все виды топлива содержат небольшое количество Сульфура, который со временем превращается в ядовитую сульфатную кислоту.

Во-вторых, на тепловых станциях при сгорании угля образуется пепел, часть которого разлетается, загрязняя окружающую среду.

В-третьих, в автомобильных двигателях топливо не всегда сгорает полностью, поэтому в выхлопных газах содержится ядовитый угарный газ (СО).

И это далеко не исчерпывающий перечень!

Загрязнение атмосферы стало проблемой для всего человечества. Как бороться с негативными последствиями использования тепловых двигателей? Существует несколько основных направлений:

  • 1) уменьшение (или по крайней мере сохранение на стабильном уровне) суммарной мощности тепловых машин. Иными словами, потребители энергии (телевизоры, холодильники, лампы и т. д.) должны использовать меньше энергии;
  • 2) уменьшение вредных выбросов тепловых электростанций. Для этого применяют, в частности, специальные фильтры;
  • 3) использование альтернативных источников энергии.

Подводим итоги

Самым давним из применяемых в современной технике тепловых двигателей является паровая турбина. Работу в ней выполняет нагретый пар, который направляется на лопатки турбины и вращает ее.

Еще один пример теплового двигателя — двигатель внутреннего сгорания. В нем топливо сгорает внутри цилиндров, а нагретый воздух, расширяясь, выполняет работу. Рабочий цикл четырехтактного двигателя внутреннего сгорания имеет соответственно четыре такта: всасывание, сжатие, рабочий ход, выпуск.

В последнее время остро стоит проблема загрязнения окружающей среды из-за работы тепловых машин.

Контрольные вопросы

1. Какие двигатели называют паровыми? 2. Назовите основные части паровой турбины. 3. Опишите, как работает паровая турбина. 4. Что в паровой турбине служит нагревателем? холодильником? рабочим телом? 5. Почему двигатель внутреннего сгорания имеет такое название? 6. Назовите основные части двигателя внутреннего сгорания, опишите их назначение. 7. Какие процессы происходят в четырехтактном двигателе внутреннего сгорания во время каждого из четырех тактов? 8. Докажите, что тепловые двигатели оказывают негативное влияние на окружающую среду. Как решают эту проблему?

Упражнение № 17

1. Какие преобразования энергии происходят во время работы паровой турбины?

2. КПД лучших дизельных двигателей с системой турбонадува и промежуточным охлаждением достигает 54,5 %. Какая часть энергии, «запасенной» в топливе, при работе этих двигателей тратится бесполезно?

3. Почему при сжатии горючей смеси в цилиндре дизельного двигателя температура этой смеси увеличивается?

4. Почему в паровой турбине температура отработанного пара ниже температуры пара, поступающего на лопатки турбины?

5. Несмотря на недостатки, тепловые двигатели являются самыми распространенными. Почему, по вашему мнению, люди отдают преимущество именно им?