Кпд теплового двигателя способы его повышения

Физика. 10 класс

Конспект урока

Физика, 10 класс

Урок 25. Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) Понятие теплового двигателя;

2)Устройство и принцип действия теплового двигателя;

3)КПД теплового двигателя;

Глоссарий по теме

Тепловой двигатель – устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

КПД (коэффициент полезного действия) – это отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Двигатель внутреннего сгорания – двигатель, в котором топливо сгорает непосредственно в рабочей камере (внутри) двигателя.

Реактивный двигатель – двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела.

Цикл Карно – это идеальный круговой процесс, состоящий из двух адиабатных и двух изотермических процессов.

Нагреватель – устройство, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой идет на совершение работы.

Холодильник – тело, поглощающее часть энергии рабочего тела (окружающая среда или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара, т.е. конденсаторы).

Рабочее тело — тело, которое расширяясь, совершает работу (им является газ или пар)

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.10 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 269 – 273.

2. Рымкевич А.П. Сборник задач по физике. 10-11 класс. -М.: Дрофа,2014. – С. 87 – 88.

Открытые электронные ресурсы по теме урока

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Сказки и мифы разных народов свидетельствуют о том, что люди всегда мечтали быстро перемещаться из одного места в другое или быстро совершать ту или иную работу. Для достижения этой цели нужны были устройства, которые могли бы совершать работу или перемещаться в пространстве. Наблюдая за окружающим миром, изобретатели пришли к выводу, что для облегчения труда и быстрого передвижения нужно использовать энергию других тел, к примеру, воды, ветра и т.д. Можно ли использовать внутреннюю энергию пороха или другого вида топлива для своих целей? Если мы возьмём пробирку, нальём туда воду, закроем её пробкой и будем нагревать. При нагревании вода закипит, и образовавшие пары воды вытолкнут пробку. Пар расширяясь совершает работу. На этом примере мы видим, что внутренняя энергия топлива превратилась в механическую энергию движущейся пробки. При замене пробки поршнем способным перемещаться внутри трубки, а саму трубку цилиндром, то мы получим простейший тепловой двигатель.

Тепловой двигатель – тепловым двигателем называется устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую.

Вспомним строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из цилиндра, внутри которого перемещается поршень. Поршень с помощью шатуна соединяется с коленчатым валом. В верхней части каждого цилиндра имеются два клапана. Один из клапанов называют впускным, а другой – выпускным. Для обеспечения плавности хода поршня на коленчатом вале укреплен тяжелый маховик.

Рабочий цикл ДВС состоит из четырех тактов: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск.

Во время первого такта открывается впускной клапан, а выпускной клапан остается закрытым. Движущийся вниз поршень засасывает в цилиндр горючую смесь.

Во втором такте оба клапана закрыты. Движущийся вверх поршень сжимает горючую смесь, которая при сжатии нагревается.

В третьем такте, когда поршень оказывается в верхнем положении, смесь поджигается электрической искрой свечи. Воспламенившаяся смесь образует раскаленные газы, давление которых составляет 3 -6 МПа, а температура достигает 1600 -2200 градусов. Сила давления толкает поршень вниз, движение которого передается коленчатому валу с маховиком. Получив сильный толчок маховик будет дальше вращаться по инерции, обеспечивая движение поршня и при последующих тактах. Во время этого такта оба клапана остаются закрытыми.

В четвертом такте открывается выпускной клапан и отработанные газы движущимся поршнем выталкиваются через глушитель (на рисунке не показан) в атмосферу.

Любой тепловой двигатель включает в себя три основных элемента: нагреватель, рабочее тело, холодильник.

Для определения эффективности работы теплового двигателя вводят понятие КПД.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя.

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания

Q₂ – количество теплоты, отданное холодильнику

– работа, совершаемая двигателем за цикл.

Этот КПД является реальным, т.е. как раз эту формулу и используют для характеристики реальных тепловых двигателей.

Зная мощность N и время работы t двигателя работу, совершаемую за цикл можно найти по формуле

Передача неиспользуемой части энергии холодильнику.

В XIX веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ определения КПД (через термодинамическую температуру).

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т₁, и холодильником с температурой Т₂, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Сади Карно, выясняя при каком замкнутом процессе тепловой двигатель будет иметь максимальный КПД, предложил использовать цикл, состоящий из 2 адиабатных и двух изотермических процессов

Цикл Карно — самый эффективный цикл, имеющий максимальный КПД.

Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η = 1.

Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

Сейчас основные усилия инженеров направлены на повышение КПД двигателей за счет уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его неполного сгорания и т. д. Реальные возможности для повышения КПД здесь все еще остаются большими.

Повышение КПД тепловых двигателей и приближение его к максимально возможному — важнейшая техническая задача.

Тепловые двигатели – паровые турбины, устанавливают также на всех АЭС для получения пара высокой температуры. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели: на автомобильном – поршневые двигатели внутреннего сгорания; на водном – двигатели внутреннего сгорания и паровые турбины; на железнодорожном – тепловозы с дизельными установками; в авиационном – поршневые, турбореактивные и реактивные двигатели.

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

Паровой двигатель – 8%.

Паровая турбина – 40%.

Газовая турбина – 25-30%.

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%.

Дизельный двигатель – 40– 44%.

Реактивный двигатель – 25%.

Широкое использование тепловых двигателей не проходит бесследно для окружающей среды: постепенно уменьшается количество кислорода и увеличивается количество углекислого газа в атмосфере, воздух загрязняется вредными для здоровья человека химическими соединениями. Возникает угроза изменения климата. Поэтому нахождение путей уменьшения загрязнения окружающей среды является сегодня одной из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Примеры и разбор решения заданий

1. Какую среднюю мощность развивает двигатель автомобиля, если при скорости 180 км/ч расход бензина составляет 15 л на 100 км пути, а КПД двигателя 25%?

Дано: v=180км/ч = 50 м/с, V = 15 л = 0,015 м 3 , s = 100 км = 10 5 м, ɳ = 25% = 0,25, ρ = 700 кг/м 3 , q = 46 × 10 6 Дж/кг.

Запишем формулу для расчёта КПД теплового двигателя:

Работу двигателя, можно найти, зная время работы и среднюю мощность двигателя:

Количество теплоты, выделяющееся при сгорании бензина, находим по формуле:

Учитывая всё это, мы можем записать:

Время работы двигателя можно найти по формуле:

Из формулы КПД выразим среднюю мощность:

Подставим числовые значения величин:

После вычислений получаем, что N=60375 Вт.

Ответ: N=60375 Вт.

2. Тепловая машина имеет КПД 25 %. Средняя мощность передачи теплоты холодильнику составляет 4 кВт. Какое количество теплоты рабочее тело получает от нагревателя за 20 с?

Дано: ɳ = 25%, N = 4000 Вт, t = 20 с.

– это количество теплоты, отданное холодильнику

Источник

Лекции по теме «Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей»

ОГБПОУ Фурмановский технический колледж

МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА УРОКА ПО РАЗДЕЛУ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ»

«ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ. КПД ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ»

по дисциплине: «ФИЗИКА»

Разработала и выполнила

Цветкова Елена Ивановна

ТЕМА: « Тепловые двигатели. КПД тепловых двигателей »

-сформировать понятие тепловых двигателей, принципа действия тепловых двигателей ;

— ввести формулу для расчета коэффициента полезного действия реального теплового двигателя и максимального КПД ;

— дать историческую справку о создании тепловых двигателей, оценить их достоинства и недостатки;

— развивать познавательный интерес к предмету ;

— расширение и углубление учебного материала за счет самостоятельного поиска информации ;

— развивать умение анализировать полученную информацию , сравнивать, делать выводы и обобщать;

— расширить знания учащихся по экологическим проблемам использования тепловых двигателей.

— воспитание трудолюбия, внимания;

— воспитывать заинтересованность в изучении физики.

Методическая цель урока:

совершенствование методики применения проектной деятельности для расширения и углубления знаний.

Тип урока : урок изучения нового материала

Вид урока: комбинированный урок

Оснащение: компьютер, проектор, экран, презентация темы в электронном виде , модель ДВС , физический тест, бланки для заполнения опорных конспектов, опорные конспекты по теме «Основы термодинамики»

Межпредметные связи: история, математика, экология, химия

Уровень усвоения : 2

1.Фирсов А.В. Физика для профессий и специальностей технического и естественно-научного профилей, М, «Академия», 2014

2. .Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля, М, «Академия», 2014.

3.Ефимов С.И. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М., 1985

4. Используемые ресурсы:

Иван Васильев: Движимые паром. История паровых машин. http://www.3dnews.ru/575824

История изобретения паровых машин. Создание паровой машины.

Педагогическая цель этапа

Отмечается отсутствующие и внешний вид студентов и аудитории.

Мобилизация внимания, выявление готовности аудитории к занятию.

Формулируется тема студентами с помощью видеокадра. Определяется цель, обосновывается значимость изучаемой темы

(связь темы с применением ее в быту, технике )

Обозначить цель занятия, заинтересовать обучающихся, сконцентрировать их внимание.

Актуализация опорных знаний.

Проводится физический тест (приложение 1)

Выявление степени подготовки студентов к занятию и степень усвоения материала по предыдущей теме.

Объяснение нового материала

Познакомиться с понятием тепловой двигатель, принципом действия тепловых двигателей, вывести формулу для расчета коэффициента полезного действия теплового двигателя

Творческое применение и добывание знаний.

За неделю выдаются темы конференции «Тепловые двигатели», студенты самостоятельно находят информацию, пользуясь различными источниками, определяет время самостоятельной работы студентов

Развитие умения анализировать полученную информацию , сравнивать, делать выводы и обобщать.

Характеристика работы групп, а также отдельных студентов, выставление и комментирование оценок.

Развитие эмоциональной устойчивости, объективности оценки своих действий,

Проводится инструктаж по выполнению домашнего задания.

Здравствуйте, ребята, здравствуйте, уважаемые гости. Садитесь, ребята.

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека.

Тема нашего урока тесно связана как раз с этим, и мы попробуем сформулировать её сами, а в качестве подсказки посмотрите небольшой видеофрагмент. ( видеофрагмент о Гагарине Ю.А.)

— Какое устройство заставило столь мощную тяжелую машину начать свое движение? (Двигатель)

— С каким физическим явлением связана работа данного устройства? С электрическим, с магнитным, тепловым, оптическим? (Тепловым)

Итак, сформулируем тему урока :

Тепловые двигатели. Коэффициент теплового двигателя.

КПД является важнейшей характеристикой теплового двигателя.

( Учащиеся формулируют тему урока и записывают ее в опорный конспект.)

И целью нашего урока является:

— формирование понятия тепловых двигателей, принципа их действия ;

— дать историческую справку о создании тепловых двигателей, оценить их достоинства и недостатки;

В ходе урока мы вспомним материал предыдущего занятия и проведем небольшое тестирование. Вашу работу будут оценивать эксперты. Далее разберем новую тему, послушаем тезисные материалы проектов, которые ребята подготовили по различным аспектам данной темы.

I. Актуализация опорных знаний (физический тест) :

Ребята, как вы думаете, какие навыки нам помогут при изучении новой темы, которые мы уже знаем, которые мы получили на предыдущих уроках

-понятия: внутренняя энергия, работа, формулы внутренней энергии и работы, способы изменения внутренней энергии, 1 закон термодинамики и его применение к изопроцессам.

А теперь мы приступим к тестированию. Критерии оценок следующие: на оценку «удовл.» необходимо выполнить 50-70% заданий, «хорошо»-80-90%, «отлично»- 100%. На выполнение работы вам отводится 5 минут. Результаты передаем экспертам.

Учащиеся выполняют тест на заранее заготовленных листках с заданием, разложенных на столах. Затем передают выполненные тесты группе экспертов, которые проверяют правильность выполнения работы. Результаты передают преподавателю.

1. Внутренняя энергия тела это…

А)…кинетическая энергия движения составляющих его частиц;

Б) …кинетическая энергия хаотического движения составляющих его частиц;

В) …потенциальная энергия взаимодействия составляющих его частиц;

Г) …сумма потенциальной энергии взаимодействия и кинетической энергии хаотического движения образующих его частиц.

1. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа вычисляется по формуле:

А. p• ΔV Б. В.

2. Изменение внутренней энергии происходит при

1) совершении работы над телом без изменения его скорости,

2) осуществлении теплопередачи от тела,

3) изменении скорости движения тела.

А)1 Б) 2 В)3 Г)1и 2 Д)2 и 3

2. Теплопередача всегда происходит от тела с

А. большим запасом количества теплоты к телу с меньшим запасом количества теплоты

Б. большей теплоемкостью к телу с меньшей теплоёмкостью

В. большей температурой к телу с меньшей температурой

Г. большей теплопроводностью к телу с меньшей теплопроводностью

3. По какой формуле вычисляют работу газа в термодинамике?

А. p• ΔV Б. В.

3. Выражение Q =Δ U + A / является

А. основным уравнением молекулярно-кинетической теории,

Б. первым законом термодинамики,

Г. уравнением состояния идеального газа.

4. Выражение Δ U =А+ Q является

А. основным уравнением молекулярно-кинетической теории,

В. первым законом термодинамики,

Г. уравнением состояния идеального газа.

4. Запись первого закона термодинамики для адиабатного процесса имеет вид:

А . Q =A / Б . Q= Δ U В . Q= Δ U+ A / Г . A / = — Δ U

5. Запись первого закона термодинамики для изохорного процесса имеет вид:

5. Формула работы при изобарном расширении газа имеет вид:

А . Δ V Б . РΔ h В . Г . p (V₂— V₁)

Актуальность изучения темы

Продолжаем наш урок. Актуальность темы урока состоит в том, что нашу современную жизнь трудно представить без тепловых двигателей — устройств, способных совершать работу.

Изложение нового материала

Превратить механическую энергию во внутреннюю (в тепло) достаточно легко. Если кусок пластилина отпустить, то удар, который испытает пластилин будет абсолютно неупругим, при этом механическая энергия пластилинового шарика перейдет во внутреннюю энергию стола.

Но никто никогда не видел картины наоборот. Пластилин, лежащий на столе, не начнёт взлетать вверх. Возникает вопрос: можно ли сделать так, чтобы внутренняя энергия превращалась в механическую? Оказывается можно.

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.

Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию газа (пара), а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.

Однако, по мере расширения, газ охлаждается, теряя свою внутреннюю энергию.

Для нормальной работы двигателя необходима цикличность, т.е.после совершения работы, газ необходимо перевести в первоначальное состояние.

Итак, принципиальная схема любого теплового двигателя такова:

тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Ребята, обратимся к опорному конспекту урока, который не забываем заполнять.

От нагревателя рабочему телу, то есть газу, передается некоторое количество теплоты. Под этим подразумевается сжигание топлива, в результате которого температура газа повышается на сотни градусов. Внутренняя энергия газа увеличивается и за счет неё он совершает работу до тех пор, пока не охладится до температуры холодильника. Роль холодильника выполняет как правило окружающая среда.

Важными характеристиками теплового двигателя являются:

-количество теплоты, полученное от нагревателя Q _н ;

-температура нагревателя, т е температура, образующегося газа Т_н;

-температура холодильника Т_х,

-количество теплоты, переданное холодильнику Q_х ;

-и полезная работа А_{полезн.}

Полезная работа определяется как разность между количеством теплоты, полученном от нагревателя и количеством теплоты, отданном холодильнику.

— это та часть энергии, которая превратилась в механическую.

3. Любой тепловой двигатель характеризуется такой величиной как коэффициент полезного действия теплового двигателя. Для теплового двигателя коэффициент полезного действия равен отношению совершенной двигателем работы к количеству теплоты, полученной от нагревателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя .

КПД выражают в процентах.

h = ·100%

Подставим выражение для полезной работы, получим h = ·100%

h = 1- ·100%

Q _н – теплота, полученная от нагревателя, Дж

Q _х — теплота, отданная холодильнику, Дж

КПД не может быть больше 1, т.е. не может превышать 100%

КПД тепловых машин достаточно низок от10% до 47%.

Каков возможен наибольший коэффициент полезного действия тепловой машины? Ответ дал французский ученый и инженер Сади Карно.

Он справедливо рассудил, что максимальный КПД будет у идеализированной тепловой машины, рабочим телом которой является идеальный газ. Цикл Карно описывает максимально возможную работу с минимальными потерями энергии.

Максимально возможный КПД тепловой машины будет определяться отношением разницы термодинамической температуры нагревателя и температуры холодильника к температуре нагревателя.

η = ·100% Т_н – термодинамическая температура нагревателя, К

Т_х — термодинамическая температура холодильника, К.

η = 1 — ·100%

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Тн, и холодильником с температурой Т_х, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины. Не существует теплового двигателя, у которого КПД = 100% или 1.

Формула дает теоретический предел для максимального значения КПД тепловых двигателей. Она показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Но температура холодильника практически не может быть ниже температуры окружающего воздуха. Повышать температуру нагревателя можно. Однако любой материал (твердое тело) обладает ограниченной теплостойкостью, или жаропрочностью. При нагревании он постепенно утрачивает свои упругие свойства, а при достаточно высокой температуре плавится.

4 . Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы проследим этапы развития тепловых двигателей в ходе проектных исследований, которые провели ребята. Они нам сейчас их озвучат. Итак, дадим слово первой группе.

(Имена ученых появляются на доске во время рассказов ребят)

Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели.

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому, как поршень, скользило ядро.

Это был первый паровой двигатель, но он не получил распространения.

Попытки построить паровые двигатели предпринимались многими изобретателями, но самой удачной была машина, построенная англичанином Т.Ньюкоменом в 1711 году.

В конце XVIII в. в России на Алтае работал гениальный русский изобретатель Иван Ползунов. Он значительно усовершенствовал паровую машину. Ему принадлежит честь создания проекта первого универсального парового двигателя – паровой машины – она приводила в действие воздуходувные меха, нагнетающие воздух в плавильные печи. Но она проработала 43 часа и встала навсегда (котел дал течь, кожа, которой были обтянуты поршни, истерлась). Об этой машине вскоре забыли. Восстановить свое детище Иван Ползунов не мог, так как машина была пущена в работу уже после смерти изобретателя (1765г.). Он умер в возрасте 38 лет.

Создателем универсального парового двигателя, который получил большое распространение, стал английский механик Джеймс Уатт. Он построил двигатель, который годился для любой машины и их стали ставить на машины, корабли, паровозы.

Достоинства паровых двигателей:

-хорошие тяговые характеристики

-низкий кпд (не превышали 15-20%),

-невысокая максимальная скорость;

-постоянный расход топлива и воды

Двигатели внутреннего сгорания . В этих двигателях основные процессы — сжигание топлива и выделение теплоты с преобразованием в механическую работу — происходят непосредственно внутри двигателя.

Паровую машину из-за ее низкого к.п.д. к середине XIX века начинают вытеснять двигатели внутреннего сгорания. Прообразом первого двигателя внутреннего сгорания могут служить такие виды оружия как пушка, ружья, используемые с давних времен. В их ствол засыпали порох, клали ядро или патрон и поджигали порох. Пушка или ружье стреляли. Еще в конце XVII – начале XVIII в. Дени Папен придумал устройство, в котором под поршень цилиндра надо было насыпать порох и поджечь его. Образовавшиеся газы должны были, расширяясь поднять поршень. Затем цилиндр нужно было облить водой и поршень должен был опуститься вниз под действием собственной силы тяжести. Такова была идея, но при первом же испытании машина была разрушена взрывом. На создание новой машины у изобретателя не было денег. Это был прообраз современного двигателя внутреннего сгорания. Первый двигатель внутреннего сгорания пригодный к использованию был изобретен французским изобретателем Ленуаром. Его двигатель был похож на паровую машину, но в цилиндр поступал не пар, а горючая смесь, поджигаемая свечой.

Но к.п.д. двигателя Ленуара был всего 3-5%. Немецкий механик – самоучка Николаус Отто в 1878 году создал первый двигатель, работавший по четырехтактному циклу и имеющий к.п.д.22% (карбюраторный двигатель)

С принципом работы такого двигателя мы познакомимся с помощью его модели.

Демонстрация модели четырехтактного двигателя.

1876 год – изобретатель четырехтактного двигателя Николаус Отто. Основная часть ДВС — один или несколько цилиндров, внутри которых происходит сжигание топлива. Отсюда, и название двигателя. Наибольшее распространение в технике получил четырехтактный ДВС.
1-ый такт — впуск (всасывание) . Поршень, двигаясь вниз, засасывает в цилиндр горючую смесь. 2-ой такт сжатие. Впускной клапан закрывается. Поршень, двигаясь вверх, сжимает горючую смесь. 3-ий такт рабочий ход. Смесь поджигается электрической искрой свечи. Сила давления газов (раскаленных продуктов сгорания) толкает поршень вниз. Движение поршня передается коленчатому валу, вал поворачивается, и тем самым совершается полезная работа. 4-ый такт выпуск (выхлоп). Открывается выпускной клапан, отработанные продукты сгорания выбрасываются через глушитель в атмосферу. Из четырех тактов только один — третий — является рабочим. Поэтому двигатель снабжают маховиком (инерционным двигателем, запасающим энергию).

Карбюраторные двигатели устанавливаются на автомобилях, мотоциклах, вертолетах;
Достоинства карбюраторного двигателя: малая масса, компактность, сравнительно высокий кпд около 20- 30%, все это обусловило широкое распространение таких двигателей.

Недостатки : работают на дорогом топливе высокого качества, не экономны в расходе топлива, довольно сложны по конструкции, имеют очень большую скорость вращения вала двигателя, их выхлопные газы загрязняют атмосферу.

Борьба за повышение к.п.д. двигателя внутреннего сгорания продолжалась. В 1892 году немецкий инженер Рудольф Дизель получил патент на новый вид двигателя внутреннего сгорания, названный в честь него дизельным. Дизельные двигатели работают иначе, чем карбюраторные.

В цилиндре сжимался воздух, причем в 2,5 раза больше, чем в двигателе Отто (карбюраторном). При таком сжатии температура воздуха повышалась настолько, что при впрыскивании топлива в цилиндр, оно сразу воспламенялось, т.е. для такого двигателя не надо было свечи, чтобы поджигать топливо. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре – отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля.

Сначала в дизельном двигателе топливом служил керосин, затем нефть, мазут. (Кстати в самолетах до сих пор используют керосин.) К.п.д. дизельного двигателя достигает 44%.

Первый автомобиль с бензиновым двигателем внутреннего сгорания был создан в1886 году немецким механиком Г. Даймлером.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно важно. Дизельные двигатели устанавливаются на теплоходах, тепловозах, тракторах, тяжелых автомобилях, самолетах.

Преимущества дизеля перед карбюраторным двигателем. Это, прежде всего, возможность работать на дешевых сортах дизельного топлива, отсутствие системы зажигания , более высокий эффективный КПД, чем у карбюраторных двигателей — достигает 40% , высокая эксплуатационная экономичность. Экологические характеристики такого двигателя тоже лучше — при работе на смесях топлива выбросы вредных веществ заметно меньше, чем у бензиновых моторов.

Недостатки: больший вес установки , повышенная шумность и вибрация, меньшая мощность , токсичные выбросы, меньший ресурс, необходимость тщательной фильтрации топлива.

В 1629 году итальянец Бранка создал проект колеса с лопатками. Оно должно было вращаться, если струя пара с силой ударяет по лопаткам колеса. Это был первый проект паровой турбины, которая впоследствии получила название активной турбины.

Демонстрация модели паровой или газовой турбины. (Объяснение устройства и принципа работы паровой и газовой турбин). (слайд)

Паровые турбины работают следующим образом: пар, образующийся в паровом котле, под высоким давлением направляется через специальные сопла на лопатки турбины. В соплах пар расширяется, давление его падает, но увеличивается скорость истечения пара, т.е. происходит превращение его внутренней энергии в кинетическую энергию струи. Турбина совершает обороты и вырабатывает механическую энергию.

Но турбостроение, по существу, началось только с конца XIX в., когда стала ощущаться необходимость в быстроходном двигателе. В 1883 году шведский инженер Лаваль получил патент на активную паровую турбину.

У первых паровых турбин был существенный недостаток: из-за огромной скорости струи пара скорость вращения турбины была излишне велика. Уменьшить скорость вращения турбины смогли, укрепив на диске не один ряд лопаток, а больше и применив несколько ступеней давления.

Паровая турбина имеет ряд достоинств: ее к.п.д. достигает 40%, если велики давление и температура пара (p = 24 МПа, t = 560 0 С); вал паровой машины вращается плавно и равномерно; турбина занимает мало места; вода, получаемая при конденсации отработанного пара, очень чиста, что весьма важно для питания паровых котлов.

В настоящее время паровые турбины являются почти единственным тепловым двигателем на мощных тепловых электростанциях, служат основным двигателем на крупных судах, турбины средних размеров и даже небольших мощностей применяют для привода насосов, воздуходувок и пр. Газовые турбины устанавливаются на мощных грузовых машинах типа БелАЗ.

По мере развития авиации возникла необходимость в создании нового двигателя, который мог бы поднять самолет на большую высоту, развить у него большую скорость, увеличил бы дальность полета самолета. Для больших высот и скоростей понадобились новые двигатели – реактивные двигатели, создающие необходимую для движения силу тяги посредством преобразования исходной энергии в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и в соответствии с законом сохранения импульса образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении.

Ракета была изобретена в Древнем Китае. С давних пор в праздничные дни люди любуются тем, как взлетая вверх, ракета рассыпается каскадом разноцветных искр. Но почему взлетает ракета? В обыкновенной ракете порох, сгорая, образует много газов. Они вытекают струей из отверстия вниз и, взаимодействуя с корпусом ракеты, толкают ее вверх. Принцип реактивного движения был использован еще во II в. до нашей эры александрийским ученым Героном в устройстве игрушки – шар Герона.

Если в корпусе ракеты есть запасы не только горючего, но и окислителя, то ракета может двигаться и в безвоздушном пространстве. Одним из первых, кто предложил использовать ракеты для полетов в космос, был русский ученый Константин Эдуардович Циолковский. Он впервые разработал теорию реактивного движения. Аналогичную теорию космических полетов предложил русский революционер Н. Кибальчич. Рукописи его работ были найдены через несколько лет после его казни в архивах Петропавловской крепости. В нашей стране 4 октября 1957 года был запущен первый в мире искусственный спутник Земли.

Полет человека в космос впервые в истории был осуществлен в Советском Союзе 12 апреля 1961 года. Корабль – спутник «Восток» пилотировал первый в мире летчик-космонавт Ю.А. Гагарин.

Развитие космонавтики и проведение исследований в космосе оказали большое влияние на развитие техники и ряда наук: астрономии, медицины, метеорологии и др.

Итак, достоинства: новые двигатели – реактивные двигатели предназначены для больших высот и скоростей, создают необходимую для движения мощную силу тяги .

-Простота принципа реактивного движения , что говорит о надежности.
-Непрерывное горение, отсутствие переменных ускорений в узлах двигателя.
-Высокая скорость истечения газов.
-Способность работать при низком давлении воздуха (за счет собственного компрессора плюс напор встречного воздуха при полете) .
Недостатки:
-Очень много расходуется дорогостоящего ракетного топлива,

-очень сильно шумит при большой нагрузке.

-невысокий КПД 25%

В настоящее время реактивные двигатели используются не только на ракетах, но и на реактивных и турбореактивных самолетах, реактивных катерах выбрасывающих из корпуса для создания реактивной тяги мощную струю воды.

Источник