Тепловые двигатели интересные факты: Исследовательская работа «История развития тепловых двигателей»

Исследовательская работа «История развития тепловых двигателей»

Инфоурок › Физика ›Другие методич. материалы›Исследовательская работа «История развития тепловых двигателей»

Курс повышения квалификации

Курс повышения квалификации

Курс повышения квалификации

Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:

Выберите категорию: Все категорииАлгебраАнглийский языкАстрономияБиологияВнеурочная деятельностьВсеобщая историяГеографияГеометрияДиректору, завучуДоп. образованиеДошкольное образованиеЕстествознаниеИЗО, МХКИностранные языкиИнформатикаИстория РоссииКлассному руководителюКоррекционное обучениеЛитератураЛитературное чтениеЛогопедия, ДефектологияМатематикаМузыкаНачальные классыНемецкий языкОБЖОбществознаниеОкружающий мирПриродоведениеРелигиоведениеРодная литератураРодной языкРусский языкСоциальному педагогуТехнологияУкраинский языкФизикаФизическая культураФилософияФранцузский языкХимияЧерчениеШкольному психологуЭкологияДругое

Выберите класс: Все классыДошкольники1 класс2 класс3 класс4 класс5 класс6 класс7 класс8 класс9 класс10 класс11 класс

Выберите учебник: Все учебники

Выберите тему: Все темы

также Вы можете выбрать тип материала:

Общая информация

Номер материала: 346543

Похожие материалы

Оставьте свой комментарий

История создания тепловых двигателей.

История создания тепловых двигателей



Первые тепловые двигатели

К тепловым двигателям принято относить все машины, преобразующие тепловую энергию в механическую энергию движения. В результате поэтапного развития науки и техники человечеством использовались различные конструкции и типы тепловых двигателей.

В первом веке до нашей эры древнегреческим ученым Героном Александрийским была описана примитивная паровая турбина, которую сам Герон назвал в своем трактате «Пневматика» шаром «Эола» или эолипилом (Эол — древнегреческий полубог, властелин ветров и ураганов).
Конструкция эолипила представляла собой бронзовый котел с водой, установленный на опоры. От крышки котла вверх поднимались две трубки, к которым крепилась сфера, при этом соединение трубок со сферой позволяло последней вращаться. При нагревании воды в котле по трубкам в сферу поступал пар под давлением. Из сферы выходили две трубки, изогнутые таким образом, что вырывающийся из них пар заставлял сферу вращаться. О практическом применении этой примитивной паровой турбины не известно ничего, вероятнее всего, она использовалась для развлечения.

Любопытно, что изготовленный спустя века по описанию Герона эолопил во время испытаний показал великолепные скоростные и тяговые характеристики.

Еще одним типом тепловых двигателей, известным человеку с давних времен, является реактивный двигатель. Энергия сгорания топлива в этом двигателе сопровождается повышением давления в камере сгорания и направленным истечением быстродвижущихся газов из сопла, вызывающих направленную противоположно потоку газов движущую силу, действующую на сам двигатель и машину, в которой он размещен (ракету). Известно о применении реактивных двигателей для создания небольших реактивных снарядов и фейерверков в военных и декоративно-зрелищных целях в Китае и некоторых других азиатских странах еще в XIII веке.

Своеобразным двигателем внутреннего сгорания можно назвать изобретенные чуть позже пушки и ружья, стреляющие с помощью порохового заряда. Это ведь тоже, по сути, тепловые машины, преобразующие тепловую энергию газов в механическую энергию летящего ядра, пули или снаряда.

Тем не менее, нельзя сказать, что эти изобретения использовались в механизмах и машинах для преобразования теплоты в полезную работу. Каких-либо серьезных научных работ в этом направлении не производилось, а мрачный период средневекового застоя не только не внес сколь-нибудь заметного вклада в научно-технический прогресс, но и предал забвению первые труды древних изобретателей.
Началом эпохи современных тепловых двигателей можно считать конец XVIII века. Именно в этот период появились первые изобретения, целью которых было не просто демонстрация возможностей тепловых «игрушек», а преобразование теплоты в полезную работу.

В 1764 году талантливейший изобретатель-самородок из Алтая И. И. Ползунов предложил первую в мире конструкцию теплового двигателя, использовавшего для преобразования теплоты в полезную работу горячий пар. Он поставил перед собой задачу создать «огненную машину, способную по воле нашей, что будет потребно исправлять».

Проект паровой машины, предложенный И. И. Ползуновым требовал значительных материальных затрат, тем не менее, через год установка была изготовлена. Она была огромной, достигала высоты 11 метров. Максимальный диаметр котла достигал 3,5 метров, паровые цилиндры имели в высоту 2,8 метра.
В конце 1765 года испытание машины завершилось успешно; конструкция оказалась работоспособной, и некоторое время даже использовалась в горном деле.
Тем не менее, в условиях феодально-крепостнического производства паровая машина И. И. Ползунова не могла, конечно же, получить широкого распространения.
Патентное и авторское право в условиях российской глубинки тех времен тоже мало кто интересовало, поэтому слава изобретателя паровой машины досталась другому человеку.
Позже результаты работ Ползунова были заброшены и на некоторое время забыты в России.

В настоящее время во многих источниках информации (особенно, зарубежных) изобретателем первого парового двигателя упоминается английский изобретатель Джеймс Уатт (1736-1819 г.г.). Уатт построил свой первый экспериментальный двигатель, как и Ползунов, в 1765 году. Но если двигатель Ползунова являлся вполне работоспособной конструкцией, выполнявшей определенные функции в производственном процессе горного дела, то Д. Уатт работу над подобным детищем завершил лишь в 1768 году, и только в 1782 году получил патент на паровой двигатель. Как бы то ни было, заслуги Д. Уатта в разработке и совершенствовании конструкций паровых двигателей трудно переоценить. Разработанные им конструкции паровых двигателей легли в основу самых различных по функционалу машин и механизмов.

Первые паровые машины (двигатели внешнего сгорания) конструировались и разрабатывались без какой-либо научной базы. Ни прогнозирование эффективности, ни прочностные расчеты деталей в те годы не производились, поэтому первые паровые двигатели были настоящими монстрами, имеющими колоссальные по нашим меркам размеры. По крайней мере, под капотом современного автомобиля такую махину уж точно не разместить. Эффективность преобразования теплоты в механическую работу в таких двигателях тоже находилась на крайне низком уровне – КПД паровых машин не превышал 2…5 %.

Тем не менее, паровые двигатели Д. Уатта с успехом использовались не только на транспорте (первый паровоз был изготовлен в 1804 г., первый пароход – в 1807 г.), но и в различных промышленных машинах и установках, облегчая многие технологические процессы и производства.

На рубеже XVIII-XIX столетий началось бурное развитие новоявленной науки – теплотехники и ее раздела – термодинамики.

Были описаны основные термодинамические процессы и открыты газовые законы, которые в дальнейшем послужили базой для обоснования первого и второго начал термодинамики, а также основного уравнения состояния газов, авторами которого являются англичанин Э. Клайперон и наш знаменитый соотечественник Д. И. Менделеев.
Большую роль в становлении и развитии теплотехники сыграли труды французских ученых Ж. Шарля, Э. Мариотта, Ж. Л. Гей-Люссака, Г. Амонтона, итальянца А. Авогадро, англичан Р. Бойля и Д. Дальтона.

Первый серьезный труд, поясняющий пути и способы эффективного преобразования тепловой энергии в механическую, появился в начале XIX века. Он принадлежал талантливому французскому инженеру и физику Сади Карно. Его «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу», опубликованные в 1824 году, стали первой путеводной звездой для изобретателей и разработчиков конструкций тепловых машин. Карно доказал, что эффективность любой тепловой машины зависит не от конструктивного решения, а от параметров состояния рабочего тела в начале и конце рабочего цикла, а именно – от разности между его максимальной и минимальной температурой.

Идеальный цикл теплового двигателя, описанный молодым французским ученым, и в наши дни является недосягаемой целью, к которой стремятся приблизиться конструкторы тепловых двигателей любого типа и любой конструкции. Тем не менее, даже самые совершенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС), разработанные в наши дни, имеют КПД менее 50 %. Остальное – неиспользованные резервы достижения максимальной и минимальной температуры рабочего тела (газов, пара, горючей смеси и т. п.), а также балластные потери энергии на преодоление сил трения и нагрев окружающей среды.

***

Изобретение двигателей внутреннего сгорания

Но вернемся к истории создания первых двигателей.
Итак, двигатели внешнего сгорания (паровые турбины и паровые поршневые машины) к середине XIX века человечество использовать научилось.
Следующим этапом развития тепловых машин явилось появление двигателей внутреннего сгорания, т. е. таких, у которых рабочее тело получало тепло прямо в цилиндрах двигателя.

***

Двигатель Папена

Первое упоминание о создании примитивной конструкции своеобразного двигателя внутреннего сгорания относится к XVII веку.
Французского изобретателя Д. Папена осенила идея использовать энергию пороховых газов в стволе пушки для выполнения какой-либо полезной механической работы. Папен использовал ствол пушки в качестве цилиндра, расположив его вертикально, и поместив в него подвижный поршень, соединенный системой блоков и рычагов с грузом. По замыслу изобретателя после сгорания пороха в стволе поршень должен был подняться вверх; затем его следовало охладить водой, и он, опускаясь вниз, должен поднять собственным весом гирю, т. е. выполнить полезную работу.

Несмотря на кажущуюся наивность идеи, она была новаторской для своего времени – по сути это был первый поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС).
К сожалению, первое же испытание «двигателя» Д. Папена закончилось разрывом пушечного ствола. Порох оказался не совсем подходящим рабочим телом для теплового двигателя.

К идее Папена вернулись лишь в середине XIX века, после того, как человечество научилось изготавливать менее «вспыльчивое» топливо – светильный газ. В 1799 году французский инженер Ф. Лебон запатентовал способ получения светильного газа путём сухой перегонки древесины или угля. Он же и явился автором идеи использовать этот газ в качестве рабочего тела в поршневом двигателе внутреннего сгорания. Патент на изобретенный им двигатель Ф. Лебон получил в 1801 году, но реализовать свои идеи не успел – в 1804 году он погиб в возрасте 35 лет.

***

Двигатель Ленуара

Спустя более полвека, в 1859 году французский изобретатель Э. Ленуар построил и запатентовал поршневой двигатель, который являлся усовершенствованной конструкцией двигателя Лебона, и тоже использовал в качестве рабочего тела светильный газ, воспламеняемый от внешнего источника (электрической свечи) прямо в цилиндре.
При явном новаторстве конструкции, двигатель Ленуара многое заимствовал у парового двигателя. Он состоял из цилиндра с двухходовым поршнем и кривошипно-шатунным приводом на вал. Светильный газ (от газогенератора) и воздух в цилиндр подавались через специальные золотники, весь цикл состоял из двух тактов.
Предварительного сжатия горючей смеси не предусматривалось. И это вполне понятно — двухходовой цикл (рабочий ход поршня осуществлялся по принципу — туда-сюда) не позволял осуществлять сжатие. Впрочем, о сжатии рабочей смеси для увеличения эффективности работы двигателя в те времена не догадывались.
Запуск двигателя осуществлялся длительным ручным раскручиванием колеса-маховика, после чего машина начинала относительно устойчиво работать.

Конечно, конструкция была очень далека до совершенства, тем не менее, наблюдательные промышленники и активные дельцы сразу усмотрели в двигателе Ленуара ряд бесспорных преимуществ перед безраздельно властвовавшими в то время паровыми двигателями внешнего сгорания.

Во-первых, двигатель внутреннего сгорания, предложенный Ленуаром, был значительно компактнее парового двигателя при тех же рабочих параметрах.

Во-вторых, для его запуска не требовался утомительный ритуал, сопровождавшийся длительным разогревом парового котла.

В третьих – он был значительно проще в обслуживании и эксплуатации – мог работать самостоятельно, практически в автономном режиме, без присмотра кочегара и обслуживающего персонала.
Кроме того, двигатель Ленуара был почти бесшумным (по сравнению с современными четырехтактными двигателями), поскольку работал без сжатия горючей смеси, и хорошо сбалансирован, т. е. почти не вибрировал.

В процессе разработки и создания двигателя Ленуару пришлось решать неожиданные проблемы, что привело к изобретению систем охлаждения и смазки двигателя.

Детище Э. Ленуара получило признание, и для нужд объявившихся потребителей были изготовлены несколько сотен (по некоторым источникам – около 500) таких двигателей, применявшихся на судах, локомотивах, дорожных экипажах и промышленных установках. К слову сказать, Ленуар сколотил на своем двигателе приличное состояние, и перестал работать над усовершенствованием конструкции.

Основным недостатком двигателя Ленуара была низкая эффективность – его КПД, как и следовало ожидать, лишь немного превышал КПД паровых машин и составлял не более 3…4 %. А поскольку его конструкция была несколько сложнее, достойной конкуренции паровым двигателям он составить не смог.

***



Двигатель Отто

В 1864 году немецкий инженер Андреас Отто (нем. Andreas Otto) получил патент на свою модель газового двигателя, который принципиально и конструктивно отличался от двигателя Ленуара.
Цилиндр двигателя размещался вертикально. Смесь воздуха и газа засасывалась в цилиндр благодаря разрежению, создаваемому поршнем, после чего происходило воспламенение с помощью открытого пламени через специальную зажигательную трубку. Осуществлялся рабочий ход, затем выпуск газов и процесс повторялся.

Замысловатостью отличалось и конструктивное решение передачи механической энергии от поршня к валу двигателя — специальная зубчатая рейка, прикрепленная вдоль оси поршня, периодически связывалась с валом, вращая его во время рабочего хода поршня, и отсоединялась от вала, когда поршень совершал инерционное движение.

КПД двигателя Отто был значительно выше, чем у двигателя Ленуара (примерно, в пять раз), поэтому конструкция сразу привлекла интерес. Не обладающий достаточными средствами для самостоятельной работы над двигателем, А. Отто в том же 1864 году заключил контракт с состоятельным инженером Лангеном для эксплуатации своего изобретения. Вскоре была создана фирма «Отто и Компания».

А. Отто постоянно работал над усовершенствованием своего детища, которое стало пользоваться большим спросом у потребителей. В 1877 году изобретатель запатентовал совершенно новое техническое решение в области принципа работы тепловых машин — четырехтактный двигатель внутреннего сгорания. Принцип работы этого двигателя лежит в основе современных бензиновых и газовых поршневых двигателей внутреннего сгорания с воспламенением от внешнего источника.

Триумф немецкого изобретателя был омрачен французскими конкурентами — выяснилось, что за несколько лет до изобретения Отто, принцип работы двигателя по четырехтактному циклу был описан французским инженером Альфонсом Эженом Бо де Роша (фр. Alphonse Eugène Beau de Rochas).
Бо де Роша, как и Отто, пришел к выводу, что газовую смесь перед воспламенением необходимо сжать, а затем предложил и схему четырехтактного рабочего цикла для двигателя внутреннего сгорания. Он изложил свои идеи в книге, опубликованной несколько раньше, чем защитил свой патент Отто — еще в 1862 году, но сам двигатель изготавливать не стал.
Группе французских промышленников удалось оспорить в суде авторские права Отто на изобретение, в результате чего его патентные привилегии были значительно сокращены, в том числе аннулировано монопольное право на четырехтактный цикл теплового двигателя.

Тем не менее, конкурентам не удалось создать двигатель, превосходивший по рабочим характеристикам и техническим параметрам двигатели, создаваемые фирмой «Отто и Компания». Сказывался большой предшествующий опыт немецких разработчиков.
Долгое время двигатели Отто считались лучшими и пользовались неизменным спросом у промышленников. За два десятка лет было выпущено более сорока тысяч таких двигателей разной мощности.

Существенным недостатком двигателя Отто было применение дорогого светильного газа в качестве топлива. Это обстоятельство значительно тормозило процесс широкого внедрения двигателей Отто во все сферы промышленности и транспорта — заводов, выпускающих светильный газ, было мало, а технология его изготовления относительно затратной.

Поиски подходящего топлива, способного заменить светильный газ, не прекращались со времени изобретения двигателя Ленуара.
Заметно преуспел в этом вопросе американец Д. Брайтон, предложивший в 1872 году ряд интересных технических решений. В качестве альтернативы светильному газу Брайтон сначала предлагал использовать керосин, но плохая испаряемость этого топлива натолкнула изобретателя на идею использовать в качестве горючего более легкий и эффективно испаряющийся бензин.
Оставалось придумать специальное устройство, способное превратить эту горючую жидкость в парообразное состояние и смешать пары бензина с воздухом, что привело к изобретению первого карбюратора. Карбюратор Брайтона был построен на принципе испарения бензина с помощью нагрева, что оказалось не самым удачным решением.

В 1882 году немецкий изобретатель Г. Даймлер, работавший долгое время в фирме Отто, открыл свой бизнес по производству двигателей, и попытался создать компактную конструкцию бензинового двигателя, намереваясь устанавливать его на небольших транспортных средствах.
Уже через год ему удалось изготовить первый двигатель. В системе питания своего двигателя он использовал несколько усовершенствованную конструкцию карбюратора Брайтона, но его детище тоже не было лишено недостатков, поскольку испарение бензина осуществлялось нагреванием, а воспламенение горючей смеси – раскаленной трубкой, помещаемой в цилиндр.
Тем не менее, двигатель Даймлера был вполне работоспособен.

Гениальная идея посетила в 1893 году венгерского инженера Д. Банки. В отличие от Брайтона и Даймлера он предлагал не испарять бензин, а распылять его в воздушной струе с помощью жиклеров. Так появилась первая конструкция жиклерного карбюратора, ставшего прообразом современных карбюраторов бензиновых двигателей. Распыленный бензин испарялся уже в цилиндре благодаря смешиванию с воздухом, нагреваемым в процессе сжатия поршнем.
Принципиальные идеи, предложенные и осуществленные Д. Банки в его карбюраторе, используются в усовершенствованном виде и в наши дни.

***

Двигатель Дизеля

Очередной революционный прорыв в области двигателестроения состоялся благодаря немецкому изобретателю, инженеру Рудольфу Дизелю.
Некоторое время Дизель пытался изобрести двигатель, способный работать на угольной пыли, но его работы в этом направлении оказались неудачными. Тогда он направил творческую энергию в совершенно другое русло.
Слабым местом газовых и карбюраторных двигателей считался процесс воспламенения рабочей смеси в цилиндре двигателя — применявшиеся для этих целей зажигательные, калильные и электрические устройства не отличались высокой надежностью.

Дизелю пришла идея использовать для воспламенения горючей смеси тепло, выделяемое в рабочем теле в процессе сжатия, протекающего почти по адиабатному циклу.

По легенде, гениальная идея посетила изобретателя, когда он накачивал ручным насосом колесо велосипеда — Дизель обратил внимание, что насос сильно нагрелся из-за циклического сжимания воздуха.

Разумно было предположить, что для сильного нагрева смесь должна быть сжата значительно сильнее, чем в карбюраторных двигателях.
Впрочем, зачем сжимать готовую горючую смесь? Ведь достаточно сжать в цилиндре воздух, а затем подать в него топливо в распыленном состоянии, и оно воспламенится.
Примерно так рассуждал изобретатель, разрабатывая совершенно новую конструкцию теплового двигателя, принесшую ему славу, известность и состояние.

В 1892 г. Р. Дизель запатентовал свой двигатель, который впоследствии так и назовут – дизельный двигатель, или просто – дизель.
Двигатель Дизеля был способен работать без карбюратора и запального устройства, при этом он расходовал меньше топлива, чем все известные до того времени тепловые двигатели.
В качестве топлива мог использоваться и бензин, и керосин, т. е. был многотопливным.

Вскоре Дизель продал право на использование своего изобретения богатейшему промышленнику Э. Нобелю (брату известного основателя престижной премии), и его детище стремительно завоевало популярность у промышленников и потребителей.
В 1913 году Р. Дизель трагически погиб (утонул) при неизвестных обстоятельствах по пути в Англию на теплоходе.

***

Двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера)

Усовершенствование конструкции двигателя Дизеля русским инженером Г. В. Тринклером привело к патентным противостояниям. Обладатель патента на дизельный двигатель Э. Нобель потребовал прекратить работы над двигателем Тринклера, что и было выполнено. Дело в том, что двигатель русского изобретателя для воспламенения топлива использовал запатентованный Р. Дизелем принцип – теплоту сжимаемого воздуха, что послужило поводом для претензий со стороны владельца прав на изобретение.

Густав Васильевич Тринклер (1876-1957) — советский учёный и изобретатель, создатель бескомпрессорного дизельного двигателя.
Идея создания теплового двигателя нового типа посетила Г. Тринклера еще в студенческие годы, но лишь спустя десятилетие ему удалось воплотить замысел в жизнь. Причем для этого ему даже пришлось уехать в Германию, поскольку из-за патентных противостояний с владельцем патента на дизель Э. Нобеля в России ему запретили заниматься работами в этом направлении.
По возвращению в Россию он длительное время руководил отделом тепловых двигателей на Сормовском машиностроительном заводе.
Тринклер является автором более полусотни научных работ. В 1930 году за заслуги перед наукой ему была присвоена ученая степень доктора технических наук без защиты диссертации.
В 1934 году Тринклер перешёл на преподавательскую работу в институт водного транспорта, но до конца жизни поддерживал тесную связь с заводом Красное Сормово.

Основное отличие конструкции «Тринклер-мотора» состояло в том, что топливо в цилиндр подавалось с помощью специального устройства — прообраза современного ТНВД и форсунки, конструкция которого была несколько ранее предложена французским изобретателем Сабатэ (Сабатье). В классическом («чистом») дизельном двигателе топливо подавалось в камеру сгорания при помощи специального компрессора, поэтому такие двигатели иногда называют компрессорными дизелями, а двигатели Сабатэ-Тринклера — бескомпрессорными.
Кроме того, Тринклер внес еще одно усовершенствование, позволяющее эффективнее сжигать топливо: сжатый воздух поступал из цилиндра в небольшую отдельную камеру, куда и впрыскивалось топливо, а затем уже из камеры процесс горения распространялся в цилиндр.
Эта конструкция впоследствии получит название двигатель Тринклера (Сабатэ-Тринклера), иногда его называют бескомпрессорный или форкамерный дизель.

Спустя некоторое время изобретателю удалось доказать явное отличие рабочего цикла, осуществляемого новым двигателем, от рабочего цикла двигателя Дизеля, что позволило заявить о существенной новизне конструкции, и рождение двигателя Тринклера состоялось, хоть и с некоторым запозданием.
Цикл двигателя Тринклера напоминает гибрид рабочих циклов двигателей Отто и Дизеля – воспламенение рабочей смеси на первой стадии осуществляется почти по изохорному процессу (как у двигателя Отто), а затем – по изобарному (как у дизельного двигателя). Использование изобретения Тринклера позволяло достичь более полного и равномерного сжигания топлива во время рабочего хода поршня.

Если сравнивать тепловой КПД поршневых двигателей, получивших наиболее широкое распространение в промышленности и транспорте, то безусловное первенство принадлежит двигателю Дизеля, имеющему самый высокий коэффициент полезного действия. Однако, двигатель Дизеля в «чистом» виде почти не применяется в практических целях из-за несовершенства системы подачи топлива. В настоящее время название дизельный двигатель закрепилось за двигателями, которые справедливее было бы называть двигателями Тринклера. Тем не менее, двигатель, работающий по циклу Дизеля имеет самый высокий температурный КПД среди известных типов ДВС.
У двигателя Отто самый низкий температурный КПД при равных условиях работы.
Двигатель, работающий по циклу Сабатэ — Тринклера занимает промежуточное место на этом «пьедестале почета» между дизельным двигателем и двигателем Отто.

***

Идеальные циклы поршневых двигателей внутреннего сгорания

Скачать теоретические вопросы к экзаменационным билетам
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники»
(в формате Word, размер файла 68 кБ)

Скачать рабочую программу
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):

Скачать календарно-тематический план
по учебной дисциплине «Основы гидравлики и теплотехники» (в формате Word):



Главная страница

Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

Тепловые вечные двигатели все же возможны / Наука / Независимая газета

Термоциклическая энергетика рано или поздно станет насущной задачей

Распространению закона возрастания энтропии на необратимые процессы любой природы более других способствовал Макс Планк. Фото Библиотеки Конгресса США

Эволюция научного знания происходит, следуя общим законам эволюции всего сущего, через ветвление эволюционных линий (вспомним хотя бы древо жизни в школьном учебнике). Поэтому новые научные результаты часто рождаются в результате расщепления (разветвления) научных понятий. Проиллюстрируем это на примере классической механики.

В работах предшественников Исаака Ньютона дело вынужденно ограничивалось качественным рассмотрением. Это происходило не в последнюю очередь потому, что, во-первых, в рамках одного нерасщепленного куста понятий рассматривались понятия массы и веса тела. Во-вторых, в рамках другого нерасщепленного куста понятий обсуждались понятия силы, импульса и энергии. В-третьих, не различались понятия скорости и ускорения движения. Только когда все эти понятия были расщеплены, картина стала прорисовываться. Ньютон пришел к своим трем законам, были сформулированы законы сохранения импульса и механической энергии.

Энтропия в двух лицах

С законом возрастания энтропии, полагаю, та же ситуация: понятие энтропии нужно расщепить на понятия тепловой и полной энтропии. Полная энтропия отвечает за необратимые процессы любой природы, тогда как тепловая энтропия (энтропия Клаузиуса) «курирует» процессы превращения тепла в другие формы энергии и им обратные.

Рудольф Клаузиус ввел свою энтропию в 1865 году и тогда же объявил, что «энтропия мира стремится к максимуму». При этом он мог иметь в виду только тепловую энтропию, потому что все другие определения энтропии появились позже. Так что фактически Клаузиус говорил о законе возрастания тепловой энтропии.

Распространению закона возрастания энтропии на необратимые процессы любой природы, когда речь де-факто идет о возрастании полной энтропии, более других способствовал Макс Планк. Он настаивал, начиная с докторской диссертации 1879 года «О втором законе механической теории тепла», на том, что возрастание энтропии происходит во всех необратимых физических и химических изменениях в природе.

Этот сюжет для Планка был очень важен. Думаю, именно его он имел в виду, когда в Нобелевской лекции (1920) горько сетовал на то, что новые идеи побеждают не путем дискуссий, а в результате естественного вымирания носителей старых. С восприятием научным сообществом квантовой идеи у Планка проблем не было.

Но вернемся к планковской трактовке энтропии. За ним, хотя и не сразу, последовали другие авторы. Скажем, Лев Ландау и Евгений Лифшиц в своем курсе статистической физики распространяют закон возрастания энтропии на «все происходящие с макроскопическими телами» необратимые процессы.

Казалось бы, очевидно, что обобщение закона возрастания энтропии на необратимые явления любой природы требует четкого различения тепловой энтропии для тепловых явлений и полной энтропии для всей совокупности явлений. Увы, такое различение в физической литературе не проводится, понятие энтропии остается нерасщепленным (размытым). Авторы не оговаривают, закон возрастания какой энтропии – полной или тепловой – они обсуждают в той или иной конкретной ситуации. И совсем уже непонятно, какой из этих двух законов они считают справедливым. Такое нерасщепление понятия энтропии, когда, в частности, закон возрастания энтропии трактуется как второе начало термодинамики, характерно для всех курсов физики (числом около 70), которые я проштудировал на этот счет, начиная с «Термодинамики» самого Планка.

Заметим, что термодинамика по определению анализирует только тепловые процессы, тогда как необратимые процессы отнюдь не сводятся к тепловым. Вспомним хотя бы о диффузии.

Далее будет обсуждаться только тепловая энтропия.

Все тепло – в работу

Тепловая энтропия (энтропия Клаузиуса) вводится выражением (эта формула останется в статье единственной): 

dS = dQ/T

Здесь dQ – малое приращение количества тепла в системе; dS – малое приращение ее тепловой энтропии; T – температура. (Кстати, не случайно синоним тепловой энтропии – приведенное тепло.) Согласно этой формуле, если количество тепла в системе уменьшается, то уменьшается и ее тепловая энтропия, и наоборот.

Приведем два примера уменьшения тепловой энтропии, доказывающие, что закон возрастания тепловой энтропии не является всеобщим законом природы.

Первый пример. Расширение идеального газа при постоянной температуре. В своей книге «Термодинамика» (М., 1925) Макс Планк отмечал: «Если дать… идеальному газу расширяться, производя работу, и в то же время поддерживать его температуру постоянной, заимствуя тепло из резервуара тепла, находящегося при более высокой температуре, то энергия газа будет оставаться неизменной так же, как и его температура.

В этом случае можно сказать, что тепло, отданное резервуаром, полностью превращается в работу, без того, чтобы где бы то ни было произошло еще какое-либо превращение энергии».

Как видим, Планк недвусмысленно говорит здесь о полном превращении тепла в работу (в другие формы энергии). Этот пример в том же ключе рассматривает Энрико Ферми в своей «Термодинамике». Приводят его и другие авторы.

Выше говорилось, что с уменьшением количества тепла в системе ее энтропия Клаузиуса уменьшается. Так что здесь мы и на самом деле имеем уменьшение тепловой энтропии.

Второй пример. Поток газа в сужающейся трубе. По геометрическим причинам этот поток ускоряется. Ускоряясь же, согласно известному уравнению Бернулли, охлаждается, что означает уменьшение его тепловой энтропии.

Есть и другие примеры, доказывающие несостоятельность закона возрастания тепловой энтропии. Это резко меняет ситуацию с вечными двигателями 2-го рода – они возможны!

Проклятие холодильника

Вечные двигатели 2-го рода – это так называемые тепловые машины без холодильника. Первым их запретил Сади Карно (1824), опираясь на концепцию теплорода, модную в XVIII веке. Наличие холодильника у любой тепловой машины Карно выводил из неуничтожаемости теплорода. Его потребление, полагал он, подобно потреблению энергии. Мы ведь не уничтожаем энергию, потребляя ее, но только превращаем одну ее форму в другую. Вот Карно и считал, что при потреблении теплорода он не уничтожается, а лишь переходит от более теплого тела к менее теплому. Вот это менее теплое тело и является, по Карно, холодильником, обязательным для всех тепловых машин.

Что с человеком ни делай, он упорно изобретает вечные двигатели. Обложка журнала Popular Science, октябрь 1920 года

Но уже к середине XIX века гипотеза теплорода была отвергнута физиками. К тому времени стало понятно, что тепло – это энергия беспорядочного движения молекул и что потребление тепла носит принципиально иной характер, нежели потребление мифического теплорода: потребляя тепло, мы его уничтожаем как тепло, что – в логике Карно – делает холодильник для тепловой машины необязательным.

Странным образом последователи Карно не отбросили вместе с теплородом его вывод об обязательности холодильника для любой тепловой машины, а только переложили ответственность за него с теплорода на второе начало термодинамики. Фактически при этом речь идет о том, возможно ли полное превращение тепла в другие формы энергии, сопровождаемое уменьшением энтропии Клаузиуса. Так что  неявно за запретом на тепловые машины без холодильника стоит закон возрастания тепловой энтропии. Его несостоятельность делает несостоятельным и этот запрет.

Еще проще. Ответ на вопрос, возможны ли тепловые машины без холодильника, требует ответа на вопрос, возможно ли полное превращение тепла в другие формы энергии «без того, чтобы где бы то ни было произошло еще какое-либо превращение энергии» (Планк). Ответ: возможно. Стало быть, возможны и вечные двигатели 2-го рода.

Коэффициент полезного действия (КПД) тепловых машин с холодильником ограничен КПД Карно, определяемым разностью температур нагревателя и холодильника, и потому даже в идеальном случае меньше единицы, реально же во многих случаях он откровенно невелик. Для тепловых машин без холодильника температурный потолок отсутствует, почему их максимальный теоретический КПД равен единице. Если бы энергетику удалось перевести на вечные двигатели 2-го рода с их высоким КПД, то это само по себе стало бы гигантским достижением.

Согласно Бернулли

По литературе и Интернету кочуют уже несколько десятков проектов вечных двигателей 2-го рода, которые, однако, воспринимаются научным сообществом, «закодированным» на неприятие идеи таких установок, как заведомо неосуществимые проекты. Установленная выше несостоятельность запрета на вечные двигатели 2-го рода делает необходимым пересмотр этих прожектов, потому что какие-то из них могут оказаться осуществимыми. Здесь мы рассмотрим два из них.

1. Циклические тепловые машины без холодильника с двухфазным рабочим телом газ–жидкость. В качестве такого рабочего тела может фигурировать, например, смесь жидкости и ее насыщенного пара. На эту идею независимо вышли (из известных мне) три автора: Г.В. Скорняков, А.А. Краснов и С.Н. Дунаевский. Полагая рабочее тело двухфазным, они придумали несколько различающиеся термодинамические циклы, в которых возвращение рабочего тела в начальное состояние сопровождается не передачей части тепла холодильнику, но ее возращением нагревателю.

2. Установка нециклического действия И. Орлова, М. Егорова и Э. Соболя использует эффект, возникающий в сужающейся трубе, помещенной широкой частью навстречу ветру. Как говорилось выше, распространяясь по такой трубе, воздушный поток ускоряется, ускоряясь же, согласно уравнению Бернулли, охлаждается – его кинетическая энергия растет за счет тепловой. Если сужающуюся трубу снабдить турбиной, то она превратится в энергетическую установку, что и делают Орлов с коллегами в своем проекте.

Их установка, на мой взгляд, более чем перспективна. В ее основе лежит феномен, характеризуемый тем же уравнением Бернулли, что описывает и возникновение подъемной силы крыла: ускорение воздушного потока сопровождается, согласно этому уравнению, уменьшением не только его температуры, но и давления. При обтекании воздушным потоком плоского снизу и выпуклого сверху крыла самолета верхний поток оказывается быстрее нижнего, а его давление – меньше, что и вызывает подъемную силу. И поскольку самолеты спокойно летают себе вот уже более века, не просматривается причин, по каким может не работать энергоустановка Орлова, использующая тот же феномен, только с другой – тепловой – его стороны.

Наличие встречного потока воздуха, полагаю, для этой установки не обязательно, ей достаточно иметь на входе в качестве стартера вентилятор: после запуска она будет сама засасывать воздух из-за уменьшения давления ускоряющегося потока. Энергетические устройства такого рода могут быть приспособлены, на мой взгляд, и к водной среде.

Термоциклическая энергетика

Как уже говорилось, потребляя энергию, мы ее не уничтожаем, как  гласит закон сохранения энергии, но только превращаем одну ее форму в другую. В конечном же счете практически вся добываемая нами энергия рассеивается в виде тепла, нагревая биосферу. Лишь очень малая ее часть идет на увеличение гравитационного потенциала (когда строительные материалы поднимаются на высоту) или фиксируется в форме потенциальной энергии создаваемых структур. Доля нерассеиваемой энергии неизвестна (во всяком случае автору этих строк), составляя, по-видимому, проценты или доли процента.

Потребление энергии растет экспоненциально с периодом удвоения, по разным оценкам, от 23,4 до 59 лет. Такое не может продолжаться вечно. Если когда-нибудь человечество будет ежегодно добывать, рассеивая затем в виде тепла, столько же энергии, сколько ее достигает за год поверхности Земли в виде солнечного излучения, развитым формам жизни придет конец. С удвоенным потоком тепла биосфере определенно не справиться.

Понятно, что описанная ситуация реально недостижима, к этому времени, если не принимать предупредительных мер, человечества на Земле уже не будет, так что некому будет и добывать столько энергии. Катастрофические проявления теплового загрязнения Земли начнутся раньше. Некоторые эксперты полагают, что энергопотребление не должно превышать по мощности 0,1% солнечного потока, другие – 1%. Сопоставление с темпами роста потребления энергии и с тем фактом, что в 2003 году солнечный поток превысил энергопотребление примерно в 5170 раз, показывает, что если не принять мер по кардинальной перестройке энергетики, то катастрофические проявления теплового загрязнения биосферы начнутся лет через 50–150.

На мой взгляд, нам следует взять пример с органического мира, который вот уже миллиарды лет демонстрирует успешное совмещение эволюции в сторону интенсификации взаимодействий с экологическим равновесием со средой. При этом природные системы используют круговороты вещества и энергии. В деятельности человека круговорот энергии может быть реализован как круговорот тепла. Нам предстоит научиться снова и снова собирать тепло, которое сегодня безвозвратно рассеивается в среде, чтобы снова и снова возвращать его энергию в энергооборот.

Человечество, надо сказать, потихоньку уже несколько десятилетий движется к созданию такой – термоциклической – энергетики. Наиболее показательны в этом плане тепловые насосы, которые во все больших масштабах используются сегодня в мире для отопления зданий. Их принцип работы – собирать тепло в грунте и атмосфере за счет использования капиллярных эффектов подбора соответствующих теплоносителей. Главная проблема при этом состоит в том, что распределение тепла в окружающей нас среде характеризуется, как правило, малыми температурными градиентами. Это обуславливает крайне невысокие значения КПД Карно тепловых машин классического типа, включая тепловые насосы.

Предлагаемый выход и состоит в переводе энергетики на вечные двигатели 2-го рода с их большими КПД.

Построение термоциклической энергетики принесет тройной эффект: будет решена проблема теплового загрязнения среды; будет снята проблема близящегося исчерпания традиционных энергоресурсов; будет получена возможность регулирования климата.

Поясним третий пункт. Если бы рассеивалась в виде тепла вся потребляемая энергия, то у нас такой возможности – регулировать климат «вручную» – не было бы. Она появляется благодаря тому обстоятельству, что, как говорилось, небольшая часть энергии каждый цикл будет выбывать из энергооборота.

Поддерживая потребление нетепловых источников энергии ниже некоторого уровня, можно будет охлаждать биосферу, выше – нагревать ее. Это предоставит возможность бороться не только с антропогенным потеплением климата, но и с потеплениями и похолоданиями природного происхождения.

Вывод. Тот факт, что со стороны второго начала термодинамики отсутствует запрет на создание вечных двигателей 2-го рода, еще не означает, что создание таких энергоустановок, которые могли бы быть положены в основание термоциклической энергетики – то есть достаточно мощных, экономически выгодных и экологически приемлемых, – на самом деле возможно. Термоядерный управляемый синтез, к примеру, законами физики тоже не возбраняется, однако до практического использования соответствующих энергетических установок (токамаков) дело не доходит уже более 60 лет.

Я считаю тем не менее, что научному сообществу, государствам и энергетическим компаниям есть прямой резон взяться наконец за рассмотрение существующих проектов вечных двигателей 2-го рода и разработку новых. Гонка за реализацию термоциклической энергетики рано или поздно начнется.   

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

 

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Принципы действия тепловых машин

 

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Как работают тепловые двигатели

Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

Инструкция

1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.
2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.
3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.
4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.
5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.
6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

Видео по теме

//www.youtube.com/embed/wfZuvZiU4Qk

Как устроены и как работают тепловые двигатели

Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

Понятие и виды тепловых двигателей

Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

Структурная схема работы теплового двигателя

Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Доклад История создания тепловых двигателей сообщение

Тепловой двигатель изобрел Российский изобретатель Ползунов И.И. в 1765, первая машина была очень огромная и достигала 11 метров в высоту. В зарубежных источниках можно найти информацию что первый тепловой двигатель изобрёл Английский изобретатель Джеймс Уатт, и по факту это правда. Эти 2 учёные из разных стран и континентов изобрели эту машину в один и тот же год. Но разница в том что у Ползунова машина была уже работоспособная чего нельзя сказать о Джеймс Уатт, его машина была экспериментальной и изобретение закончилось только в 1768 году, но патент на тепловой двигатель он получил только в 1782,спустя 17 лет после Ползунова.

Первые двигатели внешнего сгорания делались без научной базы, что не допустимо в наше время. Не производились прогнозирование эффективности машины, ни расчёты деталей и из-за этого машины были очень больших размеров, например тепловой двигатель Ползунова был 11 метров в высоту. Изначально эти двигатели были не практичные из-за своих больших размеров и их практически не использовали, но спустя годы их усовершенствование дошло до того что их уже можно было устанавливать на автомобили и они служили по назначению впервые это было в 1864 году.

Благодаря изобретению паровой машины человечество начало строить производства по машинам что в наше время есть почти в каждой семье, это увеличило власть человека над природой. Смело можно сказать что эти учёные изобретатели сотворили и вошли в историю человечества, им это стоило тратой времени всей жизни. Их первые машины использовались в грузовых и пассажирских локомотивах и паровых суднах. Они развили коммерческое использование на предприятиях и были основой промышленной революции.

В наше время в 21 веке активно используется двигателя внутреннего сгорания в строении автомобилей, кораблей и самолётов, это обеспечивает скорость и комфорт перемещения в человека с одного континента в другой или же перемещение между странами и городами. Несомненно их бы сконструировали если  не в 18 веке дак может позже, но какая гордость берёт зная что на Русской земле есть такие изобретатели которые вошли в историю и о них знает весь мир. Сейчас конечно с новыми технологиями и помощью государства это сделать проще что нельзя сказать о том времени когда даже самые элементарные расчёты и чертежи были придуманы с головы. Не имея представления как сделать этот двигатель таких размеров каких мы видим их сейчас.

История создания тепловых двигателей

Популярные темы сообщений

• Жизнь и научная деятельность Ломоносова

  Михаил Васильевич Ломоносов родился 19 ноября 1711 года в семье рыбака Архангельской губернии. Детство и отрочество Ломоносова было нелегким, мать умерла, когда Михаилу исполнилось 4 года, с 10 лет рыбачил с отцом.

• Хэллоуин

  Хэллоуин один из самых древних и достаточно интересных праздников в мире. В этом дне сочетается, казалось бы, такое разное, на первый взгляд. В праздник Хэллоуин почитают и чествуют не только всех святых, но еще и злых духов, пришедших на землю,

• Открытие Антарктиды (Беллинсгаузеном и Лазаревым)

  Самым первым, кто предположил о существовании еще одного континента на морозном юге, был Джеймс Кук. Но в то время, сложная, холодная, морозная обстановка не дала ему подтвердить на практике свои предположения.

Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

Особенности теплового двигателя

Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

Алгоритм действия

Каков принцип действия теплового двигателя? 10 класс рассматривает данный вопрос на уроках физики. Тепловыми машинами ребята называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

Изменения температур

У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

Некоторые факты

Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

КПД тепловых машин

Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

Изобретение тепловой машины

Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

Двигатель внутреннего сгорания

Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

Заключение

В настоящее время используют различные виды автомобильных двигателей: дизельный, карбюраторный. Несмотря на отличия в применяемом топливе, они имеют сходный принцип действия. За счет тепловой энергии, вырабатываемой в процессе сгорания бензина, происходит превращение тепловой энергии в другой вид.

На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

Самые мощные двигатели в мире

Двигатель типичного автомобиля имеет мощность 100-200 л. с. или 70-150 кВт. На самые мощные спортивные автомобили ставят двигатели мощностью более 1000 л. с. А каковы пределы мощности современных двигателей, какие двигатели самые мощные и где они используются? Об этом — в данном посте.

1) Самый мощные двигатели внутреннего сгорания (дизельные) выпускает фирма Wartsila. Используются такие двигатели на кораблях, а их мощность достигает почти 110 тысяч л. с. или 80 мВт (миллионов Ватт).

Wartsila — Sulzer — RTA96-C

2) Весьма мощные двигатели — это паровые турбины, которые используются на АЭС. В настоящий момент мощность самых крупных из таких турбин превышает 1700 мВт.

Монтаж новой мощной турбины для Нововоронежской АЭС

3) Но самые мощные двигатели — это те, которые используются в космических ракетах. Правда, основной характеристикой ракетных двигателей является не мощность, а тяга, которая измеряется в килограммах. Но мощность такого двигателя тоже можно посчитать, и она достигает невероятных значений. Так, мощность ракетного двигателя рд-170 составляет около 27 гВт (т. е. 27 миллиардов Ватт)! Для достижения такой гигантской мощности двигатель сжигает 2,5 тонны топлива в секунду.

двигатель РД-170 — самый мощный в мире

Похожие записи

заметок о тепловом двигателе и двигателе Карно | 11 класс> Физика> Второй закон термодинамики

Любое устройство, непрерывно преобразующее тепловую энергию в механическую работу, называется тепловой машиной. Основными частями тепловых машин являются:

КПД теплового двигателя
Определяется как отношение полученной внешней работы к тепловой энергии, поглощенной рабочим телом от источника. Обозначается он η.

$$ \ eta = \ frac {\ text {получена внешняя работа}} {\ text {тепловая энергия, поглощенная от источника}} $$

На рисунке показана блок-схема теплового двигателя.Пусть Q ₁ — количество тепла, поглощенное рабочим телом от источника при более высокой температуре, T ₁ , W — механическая работа, совершаемая рабочим телом, а Q ₂ — оставшаяся часть тепла, отведенного на тонуть при более низкой температуре, Т ₂ . Следовательно, (Q ₁ — Q ₂ ) — это количество тепла, преобразованное в механическую работу.

\ begin {align *} \ поэтому W & = Q_1 — Q_2 \\ \ text {КПД двигателя,} \ eta = \ frac {W} {Q_1} & = \ frac {Q_1 — Q_2} {Q_1 } \\ & = 1 — \ frac {Q_2} {Q_1} \\ \ end {align *}

Ни один двигатель не преобразует все тепло, поглощаемое источником, в работу.Таким образом, КПД двигателя всегда меньше единицы или 100%.

Второй закон термодинамики

Второй закон термодинамики можно сформулировать по-разному. Этот закон был сформулирован разными способами, но все утверждения логически эквивалентны друг другу, которые изложены позже.

Положение о планке Кельвина

Двигатель не может преобразовать всю тепловую энергию в работу, не отбрасывая некоторую энергию для поглощения, т.е. ни один двигатель не будет иметь 100% КПД.

Это заявление применимо к тепловым двигателям. В тепловом двигателе рабочее тело поглощает часть тепла от источника (при более высокой температуре), преобразует часть тепла в механическую работу и отбрасывает оставшуюся часть в сток (при более низкой температуре). Поэтому наличие раковины важно для непрерывного преобразования тепла в работу. Мы не можем добиться непрерывного преобразования тепла в работу. Мы не можем получить непрерывную работу от одного тела, то есть от одного источника тепла.

Заявление Клаузиуса

Невозможно поглотить тепловую энергию от холодного тела и передать ее горячему телу без выполнения работы, т.е. Самодействующий холодильник невозможен.

В холодильнике рабочее вещество забирает тепло от холодного тела, определенное количество работы выполняется каким-то посторонним агентом и отводит большее количество тепла более горячему телу. Таким образом, холодильник передает тепло от холодного тела к горячему с помощью посторонней помощи.

Двигатель Карно

Карно разработал идеальный рабочий цикл для теплового двигателя в 1824 году. Этот цикл известен как цикл Карно. Машина, используемая для реализации этого идеального цикла работы, называется идеальной тепловой машиной или тепловой машиной Карно. Основные части идеального теплового двигателя или теплового двигателя Карно показаны на рисунке.

• Источник тепла
  Источником тепла является горячее тело с бесконечной теплоемкостью. В источнике поддерживается фиксированная более высокая температура T ₁ , от которой рабочее тело отбирает тепло без изменения своей температуры.
• Цилиндр
  Цилиндр, оснащенный совершенно непроводящим поршнем без трения, в котором находится идеальный газ. Дно цилиндра — отличный проводник тепла, а стенки — отличный теплоизолятор.
• Теплоотвод
  Радиатор должен иметь фиксированную более низкую температуру, T ₂ , при которой любое количество тепла может быть отклонено. Он также имеет конечную теплоемкость, а его температура остается на уровне T ₂ .
• Рабочее вещество
  Идеальный газ действует как рабочее вещество, заполненное в цилиндре с проводящими сторонами, но идеально проводящим основанием.Помимо этих основных частей, имеется идеально изолирующая подставка, на которой можно разместить баллон. Это полностью изолировало бы рабочее вещество от окружающей среды.

Рабочее вещество подвергается циклу из четырех операций, состоящему из двух изотермических процессов и двух адиабатических процессов, как показано на рисунке. Такой цикл известен как цикл Карно.

,

Тепловой двигатель «Великолепный климат»

Гостевой пост Уиллиса Эшенбаха

Последние несколько дней я размышлял о том, как климатическая система Земли функционирует как гигантский двигатель естественного тепла. «Тепловой двигатель», будь то природный или созданный руками человека, — это механизм, преобразующий тепло в механическую энергию определенного вида. В случае климатической системы тепло солнца преобразуется в механическую энергию океана и атмосферы. Морская вода и атмосфера — это так называемые «рабочие жидкости» теплового двигателя.Движение воздуха и морской воды переносит почти невообразимо большое количество тепла от тропиков к полюсам. Теперь ни одна из вышеперечисленных идей не является новой или оригинальной для меня. Мне просто стало интересно, что данные CERES могут показать в отношении переноса этой энергии к полюсам с помощью климатической тепловой машины. На рисунке 1 показан результат:

Рис. 1. Экспорт энергии из тропиков, в Вт / м2, в среднем по зоне экспорта. На рисунках показана чистая энергия, входящая и выходящая из TOA над каждой ячейкой сетки 1 ° x1 °.Он рассчитывается на основе данных CERES как солнечная радиация минус апвеллинг (длинноволновая + коротковолновая). Конечно, если в ячейку сети TOA постоянно поступает больше энергии, чем выходит из нее, эта энергия должна экспортироваться горизонтально. Средний объем экспорта между двумя голубыми полосами составляет 44 Вт / м2 (объем экспорта / площади экспорта).

На этом графике мы можем увидеть некоторые интересные аспекты климатического теплового двигателя.

Во-первых, как и все тепловые двигатели, климатический тепловой двигатель не зависит от температуры.Отрабатывает разность температур . Тепловой машине нужен как горячий, так и холодный конец. После того, как рабочее тело нагревается на горячем конце, и двигатель извлекает работу из поступающей энергии, оставшееся тепло должно быть отведено от рабочего тела. Для этого рабочую жидкость необходимо переместить в какое-то место, где температура ниже, чем на горячем конце двигателя.

В результате есть постоянный поток энергии через синюю линию. Отчасти это связано с тем, что на полюсах от солнца поступает так мало энергии.Над Антарктидой и Северным Ледовитым океаном солнце обеспечивает только около четверти излучаемой длинноволновой энергии, всего около 40 Вт / м2, а остальная часть — это энергия, экспортируемая из тропиков. Энергия переносится двумя рабочими жидкостями, морской водой и воздухом. В целом, данные CERES показывают, что существует постоянный поток энергии через эти синие линии около шести петаватт (6e + 15 ватт), текущий на север, и шесть петаватт на юг, что в сумме составляет двенадцать петаватт. А сколько энергии составляет двенадцать петаватт, когда она находится дома?

Что ж … в настоящее время все человечество потребляет около пятнадцати тераватт (15e + 12) в среднем по миру.Это означает, что количество энергии, постоянно перетекающей от экватора к полюсам, составляет примерно восемьсот раз полной энергии, используемой людьми … как я уже сказал, это почти невообразимое количество энергии. Не только это, но и эти 12 петаватт — это всего лишь 10% из 120 петаватт солнечной энергии, которая постоянно поглощается климатической системой.

Далее, над сушей, область, импортирующая энергию, находится намного ближе к экватору, чем над морем. Я предполагаю, что это из-за огромной теплоемкости океана и, как следствие, его способности переносить тепло дальше к полюсу.

Далее, в целом океан получает больше энергии, чем излучает, поэтому он экспортирует энергию… а земля излучает больше, чем получает, поэтому он получает энергию из океана. Отчасти это из-за разницы в солнечном отоплении. На рисунке 2, который очень похож на рисунок 1, показано чистое количество солнечной радиации, поглощаемой климатической системой. Я действительно люблю исследовать эти вещи, мне нужно многому научиться. Например, я не знал, что земля в среднем получает от солнца примерно на 40 Вт / м2 на меньше энергии на , чем океан, как показано на рисунке 2.

(Конечно, Дедал , не упустил бы эту возможность, не указав, что это означает, что мы можем легко контролировать температуру планеты, просто увеличив площадь земли. На каждый добавленный квадратный метр земли, мы получаем на 40 Вт / м2 меньше поглощенной энергии на этот квадратный метр, что составляет примерно десять удвоений CO2. И это количество, возможно, будет вдвое больше, чем в тропических водах. Итак, Дедал подсчитал, что если мы сделаем землю, заполнив мелкие тропические океаны, равной скажем, всего 5% планеты, это позволит избежать нисходящей радиации, равной удвоению CO2.Лучшая часть плана Дедала — его слоган «Мы должны вымостить планету, чтобы спасти планету» … но я отвлекаюсь).

Рисунок 2. Чистая солнечная энергия, поступающая в климатическую систему, в ваттах на квадратный метр (Вт / м2). Среднегодовые.

Вы можете увидеть широкий диапазон количества солнечного света, падающего на землю, от минимального 48 Вт / м2 на полюсах до максимального 365 Вт / м2 в некоторых частях тропиков.

Теперь я привожу эти два рисунка, чтобы осветить концепцию климатической системы как огромной естественной тепловой машины.Как и во всех тепловых двигателях, энергия поступает в горячую часть, в данном случае в тропики. Он преобразуется в механическое движение морской воды и воздуха, которое переносит избыточное тепло к полюсам, где оно излучается в космос.

Так вот, способ управления мощностью теплового двигателя — это использование так называемого «дросселя». Дроссель регулирует количество энергии, поступающей в тепловую машину. Дроссель — это то, что управляется педалью газа в автомобиле. Как следует из названия, дроссельная заслонка ограничивает поступление энергии в систему.В результате дроссель контролирует рабочие параметры (температуру, производимую работу и т. Д.) Тепловой машины.

Итак, естественно возникает вопрос … что в тепловом двигателе климат-контроля выполняет функцию дроссельной заслонки? Ответ, конечно же, облака. Они ограничивают количество энергии, поступающей в систему. А где наиболее выгодно дросселировать тепловую машину, показанную на рисунке 2? Что ж, вы должны сделать это на горячем конце, где энергия входит в систему. И вы захотите сделать это около экватора, где вы можете подавить большую часть энергии.

На практике большая часть этого дросселирования происходит в зоне межтропической конвергенции (ITCZ). Как следует из названия, здесь взаимодействуют две отдельно циркулирующие воздушные массы полушария. В среднем это к северу от экватора в Тихом и Атлантическом океане и к югу от экватора в Индийском океане. ITCZ наиболее отчетливо видна на рисунке 3, который показывает, сколько солнечного света отражает планета.

Рисунок 3. Суммарное отраженное солнечное излучение. Области с низким отражением показаны красным, потому что слабое отражение приводит к увеличению солнечного нагрева.Средний ITCZ ​​можно увидеть как желто-зеленые области чуть выше экватора в Атлантическом и Тихом океане и чуть ниже экватора в Индийском океане.

На Рисунке 3 мы видим, как облака ITCZ ​​ограничивают поступающую солнечную энергию. Если бы не облака, тропические океаны в этой области отражали бы менее 80 Вт / м2 (как мы видим в красных областях, выделенных выше и ниже ITCZ), и океаны были бы намного теплее. Из-за подавления падающего солнечного света районы вблизи экватора в конечном итоге становятся намного холоднее, чем были бы в противном случае.

Теперь… все вышеперечисленное проделано со средними значениями. Но облака не образуются в обычных условиях. Они формируются исключительно на основании текущих условий. А природа тропических облаков такова, что они обычно не образуются по утрам, когда морская поверхность прохладная из-за ее ночных переворачиваний.

Вместо этого облака образуются после того, как океан нагрелся до некоторой критической температуры. После прохождения этой точки, обычно в течение менее часа, появляется полностью развитый слой кучевых облаков.Возникновение пороговое. В этом процессе важно отметить, что критический порог, при котором образуются облака, зависит от температуры и физики воздуха, ветра и воды . Порог не основан на CO2. Это не функция мгновенного принуждения. Порог основан на температуре, давлении и физике непосредственной ситуации.

Это означает, что тропические облака появляются раньше, когда утром теплее, чем обычно. А когда утро более прохладное, кучевые облака появляются позже или вовсе не появляются.Таким образом, если в среднем есть немного большее воздействие, связанное с солнечными циклами или изменениями CO2 или избыточным водяным паром в воздухе, облака формируются раньше, и избыточное воздействие аккуратно нейтрализуется.

Итак, если моя гипотеза верна, то мы сможем найти доказательства этой зависимости тропических облаков от температуры. Если на самом деле ситуация складывается из того, что я сказал выше, когда тропические облака действуют как дроссель, потому что они увеличиваются при повышении температуры, то свидетельство может быть найдено в корреляции температуры поверхности с альбедо.Рисунок 4 показывает эту взаимосвязь.

Рис. 4. Корреляция температуры поверхности и альбедо, рассчитанная на основе ячейки сетки 1 ° x1 °. Синие и зеленые области — это места, где альбедо и температура отрицательно коррелируют. Красный и оранжевый показывают положительную корреляцию, где увеличение альбедо связано с повышением температуры.

Над внетропической сушей из-за ассоциации льда и снега (высокое альбедо) и низких температур корреляция между температурой и альбедо отрицательная.Однако помните, что туда уходит мало солнечной энергии.

В тропиках, где большая часть энергии поступает в систему, с другой стороны, более высокие температуры поверхности приводят к появлению большего количества облаков, поэтому корреляция положительная, а в некоторых областях — сильно положительная.

Теперь рассмотрим, что происходит, когда увеличение количества облаков вызывает снижение температуры, а повышение температуры вызывает увеличение количества облаков. В какой-то момент две линии пересекутся, и температура будет колебаться вокруг этой уставки.Когда температура на поверхности ниже этой температуры, позже сформируются облака, и их будет меньше, солнце будет заливать непрерывно, и поверхность будет нагреваться.

И когда поверхность более теплая, чем эта температура, облака будут формироваться раньше, будет больше облаков, будет больше альбедо и больше отражений, и поверхность остынет.

Чистый результат? Очень эффективный термостат. Этот термостат работает в сочетании с другими долгосрочными термостатическими явлениями, чтобы поддерживать удивительную термическую стабильность планеты.Люди мучаются из-за изменения шестых десятых градуса в прошлом веке … но примите во внимание следующее:

• Система климат-контроля работает только с дроссельной заслонкой около 70%.

• Средняя температура системы ~ 286К.

• Дроссельная заслонка климатической системы контролируется не более чем плотными облаками, которые постоянно меняются.

• Глобальная средняя температура поверхности поддерживается на уровне, значительно более высоком, чем то, что можно было бы прогнозировать для планеты без атмосферы, содержащей водяной пар, CO2 и другие парниковые газы.

Несмотря на все это, за предыдущее столетие общее изменение температуры составляло ≈ ± 0,3 К. Это отклонение менее одной десятой процента.

Для такой большой, сложной, эфемерной и, возможно, нестабильной системы, как климат, я вижу в этом явное свидетельство существования некой термостатической системы, контролирующей температуру. Возможно, система не работает так, как я утверждал выше … но мне ясно, что должна существовать какая-то система, удерживающая колебания температуры в пределах десятых долей процента в течение столетия.

С уважением,

Вт.

PS — Нестабильность смоделированной климатической системы без какого-либо термостатического механизма хорошо иллюстрируется тысячами прогонов климатической модели ClimatePredictionNet:

Обратите внимание, сколько прогонов заканчивается нереально высокими или низкими температурами из-за отсутствия каких-либо механизмов термостатического контроля.

Нравится:

Нравится Загрузка …

Связанные

.

Как работает система кондиционирования воздуха?

Если вы живете в жарком климате, нет ничего лучше, чем сохранять прохладу с помощью системы кондиционирования воздуха. Но как именно они работают?

Здесь мы пытаемся ответить на этот самый вопрос и исследовать, какие типы систем переменного тока существуют. Поскольку отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха (HVAC) — это очень сложная инженерная область, мы должны отметить, что это не является исчерпывающим руководством и должно рассматриваться как краткий обзор.

СВЯЗАННЫЙ: КАК ЛЮДИ СОХРАНЯЮТ ОХЛАЖДЕНИЕ ПЕРЕД КОНДИЦИОНЕРАМИ ВОЗДУХА

Как работает кондиционер?

Короче говоря, они работают как обычный кухонный холодильник. В системах кондиционирования и холодильниках используется одна и та же технология — цикл охлаждения.

В системах, использующих преимущества этого цикла, используются специальные химические вещества, называемые хладагентами (в некоторых системах вода), для поглощения и / или выделения энергии для нагрева или охлаждения воздуха.Когда эти химические вещества сжимаются компрессором агрегата AC, хладагент меняет состояние с газового на жидкое и выделяет тепло в конденсаторе .

При охлаждении помещения этот процесс происходит за пределами рассматриваемого пространства. Этот холодный воздух под высоким давлением перекачивается во внутренний блок и снова превращается в газ с помощью расширительного клапана системы .

Это, как следует из названия, вызывает расширение жидкого хладагента обратно в газовую форму.По мере того, как хладагент расширяется, он «втягивает» тепло и вызывает охлаждение воздуха в рассматриваемом пространстве в испарителе системы кондиционирования воздуха .

Этот теперь расширенный и «горячий» газ далее транспортируется к компрессору системы, и цикл начинается снова.

Чтобы визуализировать это, представьте себе губку как хладагент, а воду как «тепло». Когда вы сжимаете промокшую губку (компрессор и конденсатор), вода выталкивается наружу и выделяется тепло в нашей аналогии. Когда вы отпускаете губку (расширительный клапан и испаритель), она расширяется и, по нашей аналогии, может поглотить больше воды или тепла.

В основе этого цикла лежат научные принципы термодинамики, закон Бойля, закон Шарля и законы Ги-Люссака.

В первую очередь, факт «жидкость, расширяющаяся в газ, извлекает или забирает тепло из окружающей среды». — Система кондиционирования и отопления Goodman.

В этом смысле кондиционер и холодильники работают, «перемещая» или «перекачивая» энергию из одного места в другое. В большинстве случаев блоки переменного тока будут передавать «тепло» из вашей комнаты, офиса или дома и выбрасывать его в воздух за пределами вашего дома или офиса.

Источник: Pixabay

Этот цикл является обратимым и может использоваться также для обогрева вашей комнаты или всего вашего дома в холодные месяцы, но эта функция обычно зарезервирована для систем, называемых тепловыми насосами .

Основное различие между холодильником и блоком переменного тока состоит в том, что блок имеет тенденцию разделяться на две отдельные части; внешний конденсатор (или чиллер) и внутренний блок.

Холодильники, с другой стороны, являются одним автономным блоком (хотя некоторые блоки переменного тока также могут быть).

Любое тепло, удаляемое из его внутренней части, сбрасывается в ту же комнату в задней части устройства. Это основная причина, по которой вы никогда не сможете использовать холодильник в качестве самостоятельного блока переменного тока; если, конечно, вы не проделаете дыру в стене позади него.

Вы можете проверить это, прикоснувшись (будьте осторожны, он может сильно нагреться) задней части холодильника во время его работы. Он должен быть теплым или горячим на ощупь.

Какие существуют типы систем кондиционирования воздуха?

Блоки переменного тока сегодня бывают самых разных форм и размеров, от массивных систем воздуховодов в офисах и промышленных зданиях до небольших домашних систем переменного тока, с которыми вы, вероятно, более знакомы.

Некоторые из более крупных установок имеют очень большие внешние холодильные агрегаты, которые могут иметь водяное или воздушное охлаждение или, в более старых системах, градирни. Они соединены изолированными трубами для перекачивания хладагента для кондиционирования воздуха внутри большого или набора больших агрегатов, называемых установками кондиционирования воздуха (AHU).

Эти системы могут быть очень сложными с нагревательными элементами, увлажнителями и фильтрами для очень точного контроля температуры и качества воздуха в помещениях в здании, которые они обслуживают.Они также, как правило, поставляются со сложными системами рекуперации тепла для уменьшения количества электричества (или газа), необходимого для нагрева / охлаждения воздуха в системе.

Они бывают двух основных форм; Постоянный объем воздуха (CAV) и переменный объем воздуха (VAV) , который определяет степень, в которой регулируется воздушный поток вокруг воздуховодов системы.

Им также можно управлять с помощью очень сложных систем программного обеспечения, датчиков и исполнительных механизмов, называемых системами управления зданием (BMS).

Эти большие системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха «всасывают» свежий наружный воздух и при необходимости нагревают / охлаждают его перед транспортировкой по воздуховодам в требуемые зоны.Эти системы также могут иметь терминалы повторного нагрева или фанкойлы для дальнейшего улучшения темперирования подаваемого воздуха в зону.

Более современные установки отказываются от централизованных AHU в пользу систем фанкойлов или «внутренних блоков», которые напрямую связаны с одним или несколькими «наружными» блоками переменного тока. Они называются системами с регулируемым потоком охлаждения (VRF), которые регулируют воздух непосредственно в месте использования.

Но большинство людей привыкло к тепловым насосам с раздельным или многократным распределением воздуха (ASHP) или к агрегатам кондиционирования воздуха для охлаждения отдельных помещений.Они гораздо больше похожи на холодильники и чаще всего устанавливаются в домашних условиях.

Но следует также отметить, что существуют различные другие системы, использующие тот же принцип, например, геотермальные тепловые насосы (GSHP). Они используют землю в качестве «свалки» или источника тепла вместо воздуха или источника тепла. И ASHP, и GSHP могут также подключаться к обычным радиаторным системам или системам теплого пола вместо обычного газового котла с некоторыми изменениями.

Как работает кондиционер в автомобилях?

Проще говоря, кондиционер в автомобиле работает точно так же, как и любой другой блок переменного тока.Единственная разница в том, что они должны быть достаточно компактными, чтобы поместиться в автомобиле.

Чиллерная часть системы (с расширительным клапаном и испарителем) обычно устанавливается за приборной панелью автомобиля. Другой рабочий конец системы (компрессор и конденсатор), как правило, располагается рядом с решеткой радиатора автомобиля — сюда во время движения вдувается свежий воздух).

Обе части соединены цепью труб, по которым хладагент проходит между агрегатами во время работы.В отличие от более крупных агрегатов, используемых в зданиях, сам агрегат в автомобилях, как правило, приводится в действие коленчатым валом автомобиля, другими словами, он приводится в действие двигателем.

Эти системы обычно также поставляются с обогревателем и осушителями для кондиционирования воздуха по мере необходимости. Как и в случае создания систем переменного тока, автомобильный блок переменного тока преобразует хладагент между газом и жидкостью, высоким и низким давлением и высокой и низкой температурой по мере необходимости.

Дешевле оставить кондиционер на весь день?

Проще говоря, нет.Причина этого в том, что, оставив систему переменного тока на весь день, вы получите:

1. Неоправданно расходуйте энергию, если вас нет дома или комнаты / зоны не используются.

2. Работа системы приводит к ее износу. Это сокращает срок его службы.

Вам также следует убедиться, что окна закрыты или установлена ​​защита от сквозняков, когда кондиционер работает. В конце концов, вы же не хотите «кондиционировать» мир.

Вам также следует убедиться, что вы используете затеняющие устройства (например, навес или стратегически посаженные деревья) снаружи, чтобы уменьшить «солнечное излучение» или пассивное отопление вашего дома от солнечного света.

Другие меры включают улучшение теплоизоляции вашего дома, поддержание в хорошем состоянии систем кондиционирования (особенно фильтров) и использование потолочных вентиляторов для улучшения внутреннего перемешивания воздуха (т. Е. Предотвращения расслоения горячего воздуха около потолка или наоборот. ).

Если вас действительно беспокоят счета за электроэнергию, связанные с вашими системами переменного тока, вы можете сделать свою систему переменного тока «умнее». Используя бытовые BMS, интеллектуальные датчики (термостаты и погодную компенсацию), зональный контроль и другие энергоэффективные меры, вы можете значительно повысить эффективность и снизить стоимость ваших систем переменного тока.

Вам также следует использовать решения «бесплатного» охлаждения и обогрева, подумав об использовании природы, чтобы помочь вам. Правильное использование естественной вентиляции для охлаждения или обогрева вашего дома резко сократит расходы на использование энергии, связанной с отоплением / охлаждением, путем ее отключения.

Но это возможно только в том случае, если качество воздуха за пределами вашего дома позволяет это. Например, проживание в большом городе с «грязным воздухом» может ограничить вашу способность использовать эту бесплатную форму отопления и охлаждения.

Как работает кондиционер с обратным циклом?

Системы кондиционирования воздуха с обратным циклом, или тепловые насосы, как они более широко известны, работают так же, как и любые другие блоки переменного тока. Исключение составляет то, что они специально разработаны, чтобы иметь возможность по желанию полностью изменить цикл.

Как и другие системы переменного тока, они могут также фильтровать и осушать воздух по мере необходимости.

.

4 различия между современными и старыми автомобильными двигателями

Вы когда-нибудь задумывались, в чем разница между старыми и новыми автомобильными двигателями? Как и в случае с любой другой технологией, как и следовало ожидать, наблюдается постепенное повышение эффективности и сложности. Как выясняется довольно много.

Несмотря на то, что основная концепция осталась относительно неизменной, современные автомобили со временем претерпели ряд небольших улучшений. В следующей статье мы сосредоточимся на 4 интересных примерах.

Давайте заглянем под капот времени, не так ли?

Если не сломано, не чините

Основные принципы самых первых автомобилей используются и сегодня. Одно из основных отличий заключается в том, что современные автомобили — это результат стремления повысить мощность двигателей и, в конечном итоге, топливную экономичность. Отчасти это было вызвано рыночным давлением со стороны потребителей, а также более крупными рыночными силами.

Было бы полезно подумать об аналогии между волком и собакой. У них одно и то же наследие, у них схожие характеристики, но для одного из них в современном пригороде будут тяжелые времена, а для другого будет процветать.

Прежде чем мы начнем, мы дадим краткий обзор того, как работает двигатель внутреннего сгорания.

Герой раннего паровоза Александрии. Источник: Research Gate

Двигатель внутреннего сгорания, по сути, берет источник топлива, например бензин, смешивает его с воздухом, сжимает его и воспламеняет. Это вызывает серию небольших взрывов, которые, в свою очередь, приводят в движение поршни вверх и вниз. Эти поршни прикреплены к коленчатому валу, который преобразует возвратно-поступательное поступательное движение поршней во вращательное движение путем поворота коленчатого вала.Коленчатый вал, в свою очередь, передает это движение через трансмиссию, которая передает мощность на колеса автомобиля. Все просто, правда?

Что ж, как и следовало ожидать, это намного сложнее.

Вот простое объяснение основ:

Интересно, что преобразование возвратно-поступательной силы во вращательную силу не является чем-то новым. Очень ранний паровой двигатель был изобретен героем Александрии в I веке нашей эры (на фото выше).

Считается, что еще более старые устройства коленчатого вала возникли во времена династии Хань в Китае.

1. Современные двигатели более эффективны

Топливо, как бензин, не особенно эффективно. Из всей потенциальной химической энергии в нем около 14-30% превращается в энергию, которая фактически приводит в движение автомобиль. Остальное теряется из-за холостого хода, паразитных потерь, тепла и трения.

Современные двигатели прошли долгий путь, чтобы извлечь как можно больше энергии из топлива.Например, технология прямого впрыска не смешивает топливо и воздух до достижения цилиндра, как в старых двигателях. Скорее, топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры. Это дает улучшение примерно на 1% и .

Турбокомпрессоры используют выхлопные газы для питания турбины, которая нагнетает дополнительный воздух (то есть больше кислорода) в цилиндры для дальнейшего повышения эффективности до 8% . Регулируемые фазы газораспределения и отключение цилиндров дополнительно повышают эффективность, позволяя двигателю использовать столько топлива, сколько ему действительно нужно.

2. Ultimate Power

Как однажды сказал Джереми Кларксон: «Сегодня все дело в MPG, а не в MPH», или, может быть, это был не он.

Современные автомобили экономичнее, они намного мощнее.

Например, Chevrolet Malibu 1983 года выпуска имел 3,8-литровый двигатель V-6 , который мог выдавать 110 лошадиных сил . Для сравнения, версия 2005 года имела 2,2-литровый рядный четырехцилиндровый двигатель мощностью 144 лошадиных силы. Не так уж и плохо.

3. Размер — это все, или нет?

Этот привод, не каламбур, для повышения эффективности двигателей также со временем уменьшился в размерах. Это не совпадение. Производители автомобилей поняли, что не нужно делать что-то большее, чтобы сделать его мощнее.

Все, что вам нужно сделать, — это заставить объект работать умнее. Та же технология, которая сделала двигатели более эффективными, имела побочный эффект — они стали меньше.

Грузовики Ford F-серии — отличный тому пример.В 2011 году у F-150 было две версии. 3,5-литровый двигатель V-6 мощностью 365 лошадиных сил и 5,0-литровый V-8 мощностью 360 лошадиных сил .

Хорошо, можно сказать, но разве не было 6,2-литрового V-8 , который производил 411 лошадиных сил r? Да, но факт, что двигатель V-6 может почти конкурировать с более крупным V-8 по мощности, говорит о многом.

4. Отказ от старых

Современные двигатели также являются результатом постепенной замены механических частей на электронные.Это связано с тем, что электрические детали, как правило, менее подвержены износу, чем механические.

По сути, они также требуют менее частой настройки. Такие детали, как насосы, все чаще заменяются на детали с электронным управлением, а не на их аналоговых предков.

Карбюраторы заменены на дроссельные заслонки и электронные системы впрыска топлива. Распределители и крышки заменены на независимые катушки зажигания, управляемые ЭБУ. Кроме того, датчики более-менее контролируют все.

Вы также можете утверждать, что новые автомобили менее безопасны.

Последнее слово

Хотя на базовом уровне современные и старые автомобильные двигатели работают по одному и тому же принципу, современные двигатели со временем претерпели множество постепенных улучшений. Основным движущим фактором была гонка за эффективность над мощностью. Хороший набор побочных эффектов привел к тому, что современные двигатели стали относительно более мощными и, как правило, меньше. Постоянно растущая зависимость от электронных систем управления и мониторинга постепенно заменяет аналоговые, к лучшему или к худшему.

В целом современные автомобильные двигатели более эффективны, меньше по размеру, относительно мощнее, умнее и менее подвержены неизбежным механическим сбоям. С другой стороны, ремонт и обслуживание теперь требуют более высокой квалификации и требуют много времени. Если цена за повышение эффективности — это увеличение признания сложности, судить можете только вы.

Через: Team-BHP, HowStuffWorks

.