Тепловые машины

Тепловые машины

Физика сыграла большую роль в истории человечества. Четыре открытия и изобретения особенно изменили жизнь людей:

Первое из них — колесо. Из-за давности изобретения точно назвать его автора, место и время появления невозможно. Колесо используется до сих пор и продолжает развиваться: от деревянных колёс до современных колёс с шинами и различных видов колёсного транспорта, включая квадроциклы.

Изобретение колеса сделало человека более мобильным: он смог быстрее передвигаться и перевозить грузы. Например, в военных походах за основной колонной следовал обоз.

Второе событие — создание тепловых машин, позволивших совершать механическую работу за счёт внутренней энергии. Начало этой истории относится к XVII веку.

Третье событие — открытие электромагнитной индукции Майклом Фарадеем в 1831 году. Это явление лежит в основе работы генераторов переменного тока. Использование электричества сделало возможной работу множества устройств, в том числе оборудования для записи наших занятий.

Четвёртое открытие, которое подарила физика человечеству, — это уже начало XX века. Это явление, которое открыл французский физик Анри Беккерель, а исследовали его учёные, работавшие во Франции, Мария Склодовская-Кюри и Пьер Кюри. Речь идёт о явлении радиоактивности. В отличии от остальных изобретений явление радиоактивности существовало задолго до того, как люди узнали о нем. Его изучение привело к созданию атомных электростанций и другим способам использования атомной энергии, как в мирных, так и в военных целях.

Именно эти четыре события являются знаковыми и после них история человечества идёт совершенно другим путём. Сегодня поговорим подробнее о создании тепловых машин.

Предшественники тепловых машин

У тепловых машин были предшественники.

Один из них — известное с древности устройство под названием «эолипил Герона». Принцип устройства можно представить на примере небольшой подвешенной ёмкости с водой и двумя изогнутыми трубками. При нагревании вода превращается в пар. Выходящие через трубки струи пара приводят ёмкость во вращение. Эолипил Герона часто называют предшественником тепловых машин.

Тепловые машины — устройства, в которых за счёт изменения внутренней энергии совершается механическая работа.

Другой пример — вода в ёмкости, закрытой пробкой. При нагревании образуется пар, его давление возрастает, и пробка может вылететь. За счет изменения внутренней энергии пробка совершила работу \Delta U \rightarrow A .

Виды тепловых машин

Один из видов тепловых машин — паровая машина.

Паровые машины человек начал изобретать достаточно давно. Были попытки использования паровых машин на производстве. Первые попытки были в Англии, с целью откачки воды из шахт, обычно при добыче угля. Но паровая машина имела очень небольшой коэффициент полезного действия. У первых паровых машин он составлял от 1 до 3\% . Всё равно польза, которую оказывали паровые машины, была достаточно существенной. Но первые созданные паровые машины не пошли в производство.

Следующий этап связан с паровой машиной Джеймса Уатта. Паровая машина Джеймса Уатта имела коэффициент полезного действия уже немного выше: порядка 5 - 6\% . Именно Джеймса Уатта чаще всего называют создателем паровой машины, хотя говорят, что первые попытки были до него. Потому что паровая машина Джеймса Уатта уже была внедрена на производство — на ткацкое производство.

Ткачу нужны перерывы на еду, сон и отдых; человек также может заболеть. Паровая машина способна работать значительно дольше, хотя ей тоже необходимы остановки для охлаждения и предотвращения износа. Её внедрение на ткацких фабриках привело к сокращению числа работников.

Внедрение паровых машин вызвало сопротивление ткачей, потерявших работу, и привело к восстанию против машин. Оно не смогло остановить технический прогресс, но осталось важным эпизодом истории промышленности. Сегодня тепловые машины широко используются в повседневной жизни.

К тепловым машинам также относятся паровая турбина, газовая турбина, реактивный двигатель и двигатель внутреннего сгорания (ДВС).

Один из видов двигателей внутреннего сгорания — карбюраторный двигатель. Конструкции машин различаются, в частности, способом подачи горючей смеси.

Внедрение тепловых машин связано и с историей России.

Пример

Петру I для завоевания новых территорий требовалось оружие. Его производством издавна занимались в Туле. Знаменитого оружейного завода тогда ещё не было: работали небольшие частные мастерские кузнецов.

Пётр I предложил представителям оружейного дела выполнить большой государственный заказ в короткий срок. Многие отказались. За работу взялся один из первых представителей династии Демидовых.

Демидов выполнил заказ Петра I и сам отвёз его в Петербург. Пётр остался доволен выполненным заказом и готов был дать ещё. Но Демидов понимал, что ресурсы, которыми он обладал в Туле, были достаточно ограниченными.

Принимая следующие заказы, Демидов предупредил, что ресурсов Тулы может не хватить, и попросил разрешения продолжить производство на Урале. Он переехал в регион, богатый полезными ископаемыми, и стал одним из организаторов металлургического производства.

Добывается металл, добывается уголь, начинают работать домны, появляется сталелитейное производство, оружие производят. Но периодически первый Демидов возвращается на свою историческую родину и не забывает узнавать о новостях.

Демидову рассказали о молодом крепостном Черепанове, который интересовался устройством машин и механизмов и успешно занимался их починкой. Познакомившись с ним, Демидов забрал его на Урал.

С разрешения Демидовых Черепанов отправляется в Европу, чтобы посмотреть, как и какие устройства, какие механизмы там уже появились.

Демидов обеспечил Черепанову возможность посещать европейские производства. Но действовало ограничение: во время посещений нельзя было пользоваться бумагой и карандашом. Черепанов запоминал увиденное и восстанавливал зарисовки по памяти. Вернувшись домой, он использовал их при работе над паровозом.

Первый паровоз в истории человечества создал Стефенсон. Первый паровоз в России создал Черепанов. Сейчас многие говорят, что паровоз Черепанова появился позже и, возможно, в основе лежат работы именно Стефенсона. Но действительно, времени прошло достаточно много. Тем не менее паровоз был создан.

Паровоз использовали на Нижнетагильском производстве для вывоза добытого в шахтах угля. За время поездки в Европу, разработки проекта и сборки машины прошло много лет; у Черепанова уже был взрослый сын.

Черепанов попросил освободить от крепостного права его, его сына и его жену. Но поскольку эта просьба передавалась многоступенчато, освобождение получил сам Черепанов, только Черепанов. Его сын и жена остались крепостными. Говорят, именно этот момент стал переломным, и этот паровоз, который достаточно долго работал на Нижнетагильском производстве, стал крупнейшим изобретением Черепанова.

Эта история отражена в исторической и художественной литературе.

Двигатель внутреннего сгорания

В школьной программе восьмого класса из тепловых машин подробно рассматривается двигатель внутреннего сгорания. Один из наиболее привычных примеров его применения — автомобиль.

Двигатели внутреннего сгорания различаются способом подачи смеси и характером её сгорания. Их появление стало возможным благодаря развитию науки и техники.

Использование керосина, бензина, нефти и газа как топлива создало условия для появления двигателей внутреннего сгорания. До этого применялись двигатели внешнего сгорания, например в первых паровозах. Железные дороги начали массово вводиться в XIX веке: в Англии примерно с 1825 года, в Америке — с 1830 года, в Германии — с 1835 года. В России первая железная дорога появляется в 1836 году; она связывает Санкт-Петербург и Царское Село.

Пример

На ночной карте России направление Транссибирской магистрали можно определить по городам, расположенным вдоль неё. Магистраль играет важную роль в перевозке пассажиров и грузов, поэтому её часто называют хребтом страны.

Поезда различаются по номерам. Между Москвой и Санкт-Петербургом ходит поезд 3/4 «Гранд Экспресс». Поезд 1/2 «Россия» проходит через всю страну, от Москвы до Владивостока. В противоположных направлениях один и тот же поезд имеет разные номера.

Поездка на поезде от Москвы до Владивостока занимает около недели. За это время можно увидеть Западно-Сибирскую равнину, Байкал, Бурятию и другие регионы страны.

Самолёт с реактивным двигателем тоже использует тепловую машину. Перелёт от Москвы до Владивостока занимает порядка восьми часов.

Были времена, когда железных дорог не существовало. Чтобы сообщить о событии, например в Иркутск, использовали курьеров. Иркутск — условная середина пути, половина расстояния от Москвы до Владивостока. Информацию доставлял курьер на лошади, а поезд дал совсем другой уровень комфорта. Внедрение железных дорог действительно продвинуло человечество вперёд.

Схема двигателя внутреннего сгорания и понять принцип его работы

Двигатель внутреннего сгорания обязательно имеет два клапана, которые открываются и закрываются в зависимости от такта. Кулачки помогают поднимать клапаны. «Внутреннее сгорание» означает, что смесь сгорает внутри этого объёма.

Поршень движется по цилиндру двигателя. Четырёхтактное движение поршня обеспечивает один полный оборот колеса, если речь идёт о легковом транспорте. Поршень должен двигаться, поэтому через шатун он связан с маховиком. Этот механизм, соединённый с коленчатым валом, часто называют кривошипно-шатунным; благодаря ему поршень поднимается и опускается.

Связь полного цикла с оборотами требует уточнения: в четырёхтактном двигателе полный цикл соответствует двум оборотам коленчатого вала, а связь с оборотом колеса определяется трансмиссией.

В рассматриваемом двигателе есть свеча зажигания. При сгорании смеси в цилиндре над поршнем температура достигает 1600 - 1800{^\circ}C\text{.}

Рассматривается простейший четырёхтактный одноцилиндровый двигатель. Существуют и двигатели с несколькими цилиндрами, например двухцилиндровые, которые работают более плавно.

Первый такт называется впуском. Поршень опускается вниз, освобождая пространство для горючей смеси. Первый клапан открыт и впускает смесь, второй клапан закрыт.

Второй такт называется сжатием. Поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. Оба клапана закрыты.

Третий такт называется рабочим ходом. При сгорании смеси совершается работа, и поршень движется вниз. Оба клапана закрыты.

Четвёртый такт называется выпуском. Поршень движется вверх и выталкивает оставшиеся продукты сгорания в атмосферу. Первый клапан закрыт, второй открыт.

Поршень движется циклично: вниз, вверх, вниз, вверх. Четыре такта двигателя — впуск смеси, сжатие, рабочий ход и выпуск.

После сжатия горючая смесь воспламеняется. Для её зажигания служит свеча. При сгорании смеси поршень опускается вниз. В рассматриваемом двигателе используется искровое зажигание. Смесь сгорает не полностью. Для удаления несгоревших остатков в атмосферу открывается второй клапан.

Один клапан работает при впуске смеси, второй — при выпуске. Основные элементы двигателя внутреннего сгорания — клапаны, поршень, свеча зажигания и кривошипно-шатунный механизм, соединяющий поршень с коленчатым валом.

Тепловые двигатели совершают механическую работу за счёт внутренней энергии. Для непрерывной работы цикл повторяется: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. Двигатели внутреннего сгорания работают циклично.

КПД тепловой машины

Паровая машина, реактивный двигатель и разобранный одноцилиндровый четырёхтактный двигатель различаются по устройству, но их работа подчиняется общей схеме теплового двигателя.

Для оценки эффективности работы двигателя используется специальная физическая величина.

Обязательный элемент теплового двигателя — нагреватель. Он передаёт рабочему телу количество теплоты Q_{1}\text{,} или Q_{\text{н}}\text{.} Именно рабочее тело совершает работу.

Ещё один обязательный элемент — холодильник, которому передаётся количество теплоты Q_{2}\text{,} или Q_{\text{х}}\text{.} Обозначения Q_{\text{н}} и Q_{\text{х}} позволяют сразу различать теплоту, полученную от нагревателя и отданную холодильнику.

Работа, которую совершает рабочее тело, всегда равна разности количеств теплоты, полученного от нагревателя и отданного холодильнику:

A = Q_{\text{н}} - Q_{\text{х}}

Одни двигатели эффективнее, другие менее эффективны, но каждый тепловой двигатель и каждая тепловая машина характеризуются коэффициентом полезного действия.

Коэффициент полезного действия обозначают греческой буквой \eta\text{.} КПД показывает отношение полезного результата к затратам:

\eta = \frac{Q_{\text{пол}}}{Q_{\text{затр}}} \cdot 100\%

Тепловые машины позволяют перевозить людей и грузы: из пункта \text{А} в пункт \text{Б} можно добраться на автобусе, поезде или самолёте. Полезный результат — работа теплового двигателя, равная Q_{\text{н}} - Q_{\text{х}}\text{.} Затраты — количество теплоты, полученное от нагревателя. Поэтому коэффициент полезного действия тепловой машины равен

\eta = \frac{Q_{\text{н}} - Q_{\text{х}}}{Q_{\text{н}}}

Можно почленно разделить числитель на Q_{\text{н}}

\eta = 1 - \frac{Q_{\text{х}}}{Q_{\text{н}}}

Или воспользоваться тем, что числитель равен работе

\eta = \frac{A}{Q_{\text{н}}}

КПД — безразмерная величина. Он выражается в долях единицы либо в процентах после умножения отношения на 100\%\text{.}

Карбюраторные двигатели имеют КПД порядка 25\%\text{.} То есть, полезно используется около четверти затраченной энергии. Остальная часть составляет потери, в том числе при передаче теплоты окружающей среде.

КПД дизельных двигателей немного выше — порядка 40\%\text{.} КПД реактивных двигателей составляет порядка 30\%\text{,} а доля потерь — 70\%\text{.}

Один из самых высоких КПД у газовых турбин — порядка 55\%\text{.} Газовые турбины с КПД порядка 55\% используются в ракетах на жидком топливе. Даже в этом случае 45\% затраченной энергии составляют потери.

КПД характеризует долю преобразованной энергии, а не массовую долю сгоревшего либо выброшенного топлива. Эти величины нельзя отождествлять без дополнительных данных.

Пример

Одна из проблем современного общества — поиск путей повышения КПД. Но её можно сформулировать и иначе: как минимизировать выбросы в атмосферу? Ведь именно атмосфера является холодильником.

Для анализа двигателя внутреннего сгорания необходимо определить, что в нём является нагревателем и рабочим телом.

Выбросы в атмосферу при использовании тепловых двигателей значительны. Как с ними бороться? Используют разные пути. Например, внутрь Садового кольца не допускают машины, выпущенные ранее определённого года. Их двигатели работают так, что октановое число в этих машинах достаточно велико и выбросы велики.

Постепенно стараются менять транспорт. На примере Москвы это хорошо видно: автобусы, работавшие на жидком топливе, переводят на электричество, появляются электробусы. Проблема выбросов действительно значительна.

Один из путей сокращения выбросов — переход от бензина, керосина, нефти и газа к альтернативным источникам энергии.

У альтернативных источников энергии тоже есть недостатки. Например, солнечные батареи имеют ограниченный срок службы, после которого требуется их утилизация.

Использование тепловых двигателей значительно улучшило жизнь людей. Такие устройства превращают внутреннюю энергию в механическую. За несколько веков тепловые машины прошли путь от первых, не всегда успешных опытов до широкого внедрения в производство. КПД машины Джеймса Уатта составлял 4 - 5\%\text{.}

Для современных двигателей встречаются значения КПД 40\% и 50\%\text{.} Дальнейшее повышение эффективности связано с развитием физических знаний и новыми изобретениями.