Фізика. 8 клас. Засєкіна

§ 17. Теплові двигуни

Ви дізнаєтесь

  • Про різні види теплових двигунів

Пригадайте

  • Принцип дії теплової машини

Двигуни внутрішнього згорання. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та інші. Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згорання (ДВЗ), який нині широко використовується в різних транспортних засобах, зокрема в автомобілях.

Залежно від виду палива, що використовується у двигуні внутрішнього згорання, і способу його запалення, розрізняють бензинові та дизельні (названі на честь їх винахідника, німецького інженера Рудольфа Дізеля) двигуни.

Розглянемо принцип дії таких двигунів внутрішнього згорання (мал. 70). Основним елементом двигуна є циліндр із поршнем, де відбувається згорання палива. (Як правило, їх кілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни).

Мал. 70. Схема роботи чотиритактного ДВЗ

Циліндр має два отвори з клапанами — впускним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чотирьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються (мал. 70).

Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється. Обидва клапани закриті. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, унаслідок чого її температура підвищується. У верхній точці поршня суміш запалюється іскрою від електричної свічки (у бензинових двигунах) або від високої температури сильно стиснутого газу (в дизельних двигунах). Суміш спалахує. Унаслідок значного нагрівання газ розширюється й тисне на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогою спеціального з’єднання рух поршня передається колінчастому валу, який з’єднано з колесами автомобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного двигуна завершується, і знову все починається з першого такту.

Ніколаус Август Отто

(1832-1891)

Німецький інженер та підприємець, винахідник-самоучка, конструктор двигуна внутрішнього згорання

Рудольф Дізель

(1858-1913)

Німецький інженер, винахідник, створив двигун внутрішнього згорання, названий на його честь — дизельний двигун

Різні види двигунів внутрішнього згорання мають широке застосування (мал. 71). У своєму житті ви обов’язково матимете змогу користуватись технікою, що працює за допомогою двигуна внутрішнього згорання. Вивчити конструктивні особливості, переваги і недоліки таких двигунів ви можете вже сьогодні.

Мал. 71. Застосування двигунів внутрішнього згорання

Парова та газова турбіни. Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових й атомних електростанціях використовують турбіни. Турбіни як основний рушійний елемент застосовують також у газотурбінних двигунах, що широко використовуються в авіації. Залежно від робочого тіла (пари або газу) розрізняють парові й газові турбіни.

В основу дії турбін покладено обертання дисків із лопатками під тиском водяної пари або газу.

Схему дії парової турбіни наведено на малюнку 72. На вал 1 насаджено декілька дисків 3 із лопатками 4. Струмені пари, що надходять через сопло 2, послідовно зіштовхуються із лопатками всіх дисків, тиснуть на них і надають турбіні швидкого обертального руху. Відпрацьована пара виходить з отвору 5.

Мал. 72. Схема дії парової турбіни

Підбиваємо підсумки

До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та інші.

Я знаю, вмію й розумію

  • 1. Які види двигунів внутрішнього згорання ви знаєте?
  • 2. Назвіть процеси, що відбуваються в чотиритактному ДВЗ.
  • 3. Які бувають турбіни? Що покладено в основу дії парової турбіни? Де використовують турбіни?

ПОЯСНІТЬ

  • 1. У потужних двигунах внутрішнього згорання використовують водяне охолодження, а не повітряне. Чому?

Фізика навколо нас

ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ

Вивчаючи особливості теплообміну між тілами, ви побачили, що у природі теплота переходить від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. За звичайних умов теплота самостійно не може переходити від менш нагрітих (холодніших) тіл до більш нагрітих. Проте всі ви користуєтеся холодильниками, які охолоджують тіла. Як же вони працюють?

Річ у тім, що всі холодильні машини є різновидом теплових машин. У них енергія передається від одного тіла до іншого за рахунок витрат енергії третього тіла, тобто виконання ним роботи. На відміну від інших теплових машин, які виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, у холодильних машинах внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом.

Побутові холодильники: а — фреоновий; б — із системою «No frost»

Холодильною машиною, або холодильником, називають пристрій, у якому внутрішня енергія забирається в менш нагрітого тіла та передається тілу з більш високою температурою.

Можна вважати, що холодильна машина працює за принципом, «оберненим» до принципу дії теплової машини. Робоче тіло холодильної машини забирає теплоту Q2 від охолоджувача й передає теплоту Q1 нагрівнику, яким слугує навколишнє середовище. При цьому має місце співвідношення: Q1 = Q2 + A, де Q1 — теплота, що передається навколишньому середовищу, Q2 — теплота, забрана від морозильної камери, A — робота, яка виконується над робочим тілом холодильної машини.

Дія побутового холодильника заснована на властивості рідин при їх кипінні (випаровуванні) поглинати теплоту й віддавати її при конденсації (перетворенні пари знову в рідину). Подібне явище можна спостерігати, якщо протерти руки одеколоном. Рідина швидко випаровується, і при цьому зменшується її внутрішня енергія — відчувається прохолода.

У холодильнику є спеціальна замкнена вигнута трубка-змійовик, усередині якої за допомогою насоса (компресора) циркулює спеціальний зріджений газ (фреон), його називають холодоагентом.

Частина цієї трубки-змійовика розташована всередині холодильника, а частина — зовні. Коли рідкий фреон компресором прокачується по трубці-змійовику всередині холодильника (випарника), то він випаровується, перетворюється на газ і забирає теплоту від стінок змійовика, тобто охолоджує їх і весь простір усередині холодильника.

Коли той самий фреон тим же компресором подається в зовнішню частину трубки-змійовика (конденсатор), то він знову перетворюється в рідину (конденсується), віддає тепло, а потім знову надходить у випарник. За допомогою циркуляції холодоагенту в холодильнику постійно підтримується низька температура.

Принцип дії холодильної машини

Сьогодні широко використовуються холодильники нового покоління із системою «Без інею» («No frost»), яка запобігає утворенню інею на внутрішніх робочих поверхнях і за якої холодильник не потребує ручного розморожування. У таких холодильниках випарник розміщують у нижній або верхній частині морозильної камери чи за нею. За допомогою турбіни (потужного електромотора з вентилятором) забезпечується циркуляція повітря, яке охолоджується випарником та по спеціальних повітряних каналах подається в морозильну та холодильну камери.

У побутових холодильниках підтримується температура від 0 до -6 °С, у морозильних камерах до -20 °С, а у великих промислових холодильниках — до -40 °С. Для отримання низьких температур у лабораторних умовах як охолоджувач використовують рідкий гелій, який за нормального атмосферного тиску кипить за температури -269 °С.

Холодильні машини широко застосовуються у промисловості та побуті. Продукти харчування зберігають у побутових холодильниках і холодильних камерах. Для збереження та транспортування м’ясних і рибних продуктів використовують авторефрижератори, залізничні вагони-рефрижератори та кораблі-рефрижератори.

Холодильні установки: а) промисловий холодильник; б) залізничний та автомобільний рефрижератори