Теплові двигуни

Пристрої, що перетворюють частину внутрішньої енергії тіл в механічну енергію, називають тепловими двигунами.

Вважається, що першим тепловим двигуном була іграшка, винайдена близько 2000 років тому давньогрецьким вченим Героном Олександрійським, що складалася з порожнистої сфери з двома загнутими трубками, з яких виривався розігрітий пар, в результаті чого сфера оберталася (рис. 31а). Пар подавався через спеціальні трубки в сферу з знаходиться під нею посудини, де кипіла вода. Роботу по обертанню сфери виробляв пар, розширюючись і остигаючи.

Атмосфера – найбільший тепловий двигун на Землі. Сонце неоднаково нагріває різні ділянки поверхні Землі, і тому температура повітря біля землі теж різна, в результаті чого в атмосфері утворюються зони високого і низького тиску, між якими дмуть вітри. Таким чином, вітер виникає через те, що частина кількості теплоти, яку остигає земля віддає повітрю, перетвориться в механічну енергію його руху.

Найпоширенішими тепловими двигунами є бензинові двигуни внутрішнього згоряння (ДВЗ), робота яких являє собою повторюваний процес (цикл), що складається з чотирьох більш коротких процесів, або тактів (рис. 31б). Під час одного з тактів (№3) горюча суміш парів бензину і повітря, стиснута в циліндрі, запалюється електричною іскрою, в результаті чого температура і тиск газової суміші над поршнем зростають, поршень починає рухатися вниз, а газ, розширюючись, здійснює роботу, розкручуючи масивне колесо маховика колінчастого валу. Під час наступного такту (№4) обертається за інерцією маховик через кривошипно-шатунний механізм рухає поршень вгору, виштовхуючи продукти згоряння через вихлопної клапан. Енергії маховика вистачає і на два наступних такту (№1 і №2), коли поршень спочатку, рухаючись вниз, засмоктує в циліндр чергову порцію горючої суміші, а потім стискає її, після чого вона запалюється, і цикл повторюється знову.

Бензиновий ДВС, винайдений Н. Отто, виявився недостатньо потужним, і в 1892 році Р. Дизель розробив двигун, що працює на суміші нафтових масел і повітря, що володіє більшою потужністю, який згодом був названий його ім’ям. Робота дизельного ДВС відрізняється від бензинового тільки тим, що займання суміші дизельного палива і повітря відбувається без електричної іскри, а в результаті підвищення температури горючої суміші при стисненні. Кількість теплоти, що виділяється при горінні дизельного палива, більше, ніж при горінні такого ж обсягу бензину, а ціна менша. Тому найбільш потужні ДВС працюють на дизельному пальному. Проте продукти горіння дизельного палива містять набагато більше екологічно шкідливих речовин.

Робота теплових двигунів містить наступні загальні для всіх них риси:

(1) щоб двигун скоїв цикл своєї роботи, йому треба передати деяку кількість теплоти, Q1,

(2) всередині двигуна розширюється газ, що здійснює роботу A1; цей газ називають робочим тілом,

(3) щоб робоче тіло стало розширюватися, його необхідно нагріти до температури, яку називають температурою нагрівача, Т1,

(4) робоче тіло, розширюючись, охолоджується до температури, яку називають температурою холодильника, Т2 (Т2 <Т1); охолоджуючись до температури холодильника, робоче тіло віддає йому кількість теплоти Q2 (Q2 <Q1).

Завершуючи кожен цикл роботи, робоче тіло двигуна повертається в початковий стан, отримавши від нагрівача кількість теплоти Q1, віддавши холодильника – Q2 і зробивши роботу A1. Оскільки внутрішня енергія робочого тіла у вихідних станах одна і та ж, то згідно з першим законом термодинаміки (30.2)

A1 = Q1 – Q2. (31.1)

Таким чином, тепловий двигун перетворює в роботу тільки частина теплоти, отриманої від нагрівача. Ставлення роботи, зробленої двигуном до кількості теплоти, отриманої від нагрівача, називають коефіцієнтом корисної дії (ККД), h.


1 Star2 Stars3 Stars4 Stars5 Stars (2 votes, average: 3.50 out of 5)

Теплові двигуни