Реферат на тему «Какое устройство называют тепловым двигателем»

Введение

Крышка кипящего чайника подпрыгивает и звякает. Пар приподнимает её, выходит наружу, крышка падает, и через секунду всё повторяется. Говорят, что юный Джеймс Уатт подолгу смотрел на такую крышку. Скорее всего, это легенда, но очень удобная: в чайнике уже есть почти всё, что нужно тепловому двигателю.

Почти, потому что подпрыгивание крышки никому не помогает. Машина появляется тогда, когда пар (или горячий газ) толкает что-то полезное, например поршень, и делает это раз за разом, по одному и тому же циклу. Школьный учебник формулирует сухо: тепловой двигатель превращает внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Под это определение подходят и паровоз, и мотор «Лады», и турбина Костромской ГРЭС, и ракетный двигатель.

Тема кажется музейной, но это обманчивое впечатление. Большая часть электроэнергии в России до сих пор вырабатывается на тепловых станциях, а почти весь автотранспорт ездит на двигателях внутреннего сгорания. Когда в новостях спорят о расходе топлива, выбросах и электромобилях, спорят, по сути, о КПД тепловых машин и о том, почему его нельзя поднять до ста процентов.

В работе нужно выяснить, во-первых, какое устройство вправе называться тепловым двигателем и какие части без него не обойдутся. Во-вторых, по какому закону он работает и откуда берётся потолок КПД. Сравнение типов двигателей и примеры их применения оставлены для второй главы. Объект исследования здесь — тепловые двигатели, предмет — их устройство и принцип действия; источниками служили учебники физики для 8 и 10 классов, курс термодинамики и книги по истории техники.

История вопроса уходит в древность. Первой игрушкой, крутившейся от пара, считают эолипил Герона Александрийского, шар с двумя изогнутыми трубками (I век н. э.), однако полезной работы он не совершал. В России паровую машину для заводских мехов построил на Алтае Иван Ползунов в 1763–1766 годах, а первый отечественный паровоз собрали на Урале отец и сын Черепановы в 1834-м. Между эолипилом и паровозом прошло почти восемнадцать веков.

Глава 1. Основные компоненты и принципы работы тепловых двигателей

1.1 Основные компоненты тепловых двигателей

Разберите мысленно любой тепловой двигатель, и вы найдёте три обязательные части: нагреватель, который отдаёт тепло, рабочее тело (обычно газ или пар), которое это тепло получает, расширяется и толкает поршень или лопатки турбины. Наконец, холодильник забирает то, что не удалось превратить в работу.

Холодильник смущает почти всех, кто знакомится с темой впервые. Двигателю же нужен жар, при чём тут охлаждение? Однако газ, расширившись, надо вернуть в начальное состояние, иначе второго цикла не будет. Сжимать горячий газ невыгодно, на это уйдёт вся полученная работа. Остывший газ сжимается легче, и разница как раз и остаётся нам «в плюсе».

Таблица 1 – Нагреватель, рабочее тело и холодильник в разных тепловых двигателях

Примечание — Составлено по школьным учебникам физики. У реальных машин схема сложнее: бывают промежуточный перегрев пара, турбонаддув, охлаждение наддувочного воздуха.

В автомобиле нагреватель спрятан прямо в цилиндре: бензин вспыхивает от искры свечи, и горячие газы давят на поршень. Холодильник у автомобиля устроен сложнее: часть тепла уходит с выхлопом, часть уносит антифриз к радиатору, а его продувает встречный воздух. Если летом в пробке на панели ползёт вверх стрелка температуры, это холодильник перестаёт справляться.

У паровой машины части разнесены в пространстве, и оттого нагляднее. Отдельно топка с котлом, отдельно цилиндр с поршнем. Отработанный пар выпускают в трубу (отсюда знаменитое паровозное «чух-чух») или собирают в конденсаторе, где он снова становится водой. Конденсатор, между прочим, придумал Уатт в 1765 году, и расход угля у его машин упал в несколько раз по сравнению с машинами Ньюкомена.

Кроме трёх основных частей, нужен механизм передачи: толчки газа надо превратить во вращение вала, а это отдельная инженерная задача. В моторе автомобиля её решает кривошипно-шатунный механизм, знакомый каждому, кто видел велосипедную педаль: нога давит вниз, шатун поворачивает «колено» вала. У турбины никакого шатуна нет, струя пара или газа сразу бьёт в лопатки и крутит ротор. Поэтому турбины так хороши там, где нужна большая мощность и ровное вращение, например на электростанциях и в самолётах.

1.2 Основные принципы работы тепловых двигателей

Двигатель работает циклами: рабочее тело берёт у нагревателя тепло Q₁, отдаёт холодильнику Q₂ и возвращается туда, откуда начало. Разница идёт в работу: A = Q₁ − Q₂. Отношение A к Q₁ называют коэффициентом полезного действия, η = A / Q₁, и это главная характеристика любой тепловой машины.

Почему бы не сделать Q₂ нулевым? Об этом в 1824 году задумался молодой французский инженер Сади Карно. Его книжка «Размышления о движущей силе огня» вышла тиражом в шестьсот экземпляров и почти не продавалась. А вывод в ней оказался фундаментальным: даже у идеальной машины КПД не больше (T₁ − T₂) / T₁, где T₁ и T₂ — температуры нагревателя и холодильника по шкале Кельвина.

Формула пугает, пока в неё ничего не подставили. Возьмём турбину, куда пар приходит раскалённым до 560 °C, или 833 К. Конденсатор охлаждают речной водой примерно до 30 °C, это 303 К. Делим 530 на 833 и получаем около 0,64. Значит, даже волшебная машина без трения выжала бы из пара лишь 64 %, а настоящий энергоблок даёт где-то сорок: остальное теряется в котле, в трубах, в генераторе.

Отсюда понятен главный инженерный приём. Хочешь выше КПД, поднимай температуру нагревателя. Поэтому давление и температура пара на электростанциях всё время росли, а лопатки газовых турбин делают из жаропрочных сплавов и охлаждают изнутри воздухом. Холодильник тоже стараются держать похолоднее, недаром ТЭС строят у рек и водохранилищ или ставят рядом огромные градирни.

Четырёхтактный бензиновый мотор показывает цикл буквально по шагам. Впуск: поршень опускается, цилиндр наполняется смесью. Сжатие: поршень идёт вверх, смесь нагревается. Рабочий ход: искра, вспышка, газы толкают поршень вниз. Выпуск: поршень выдавливает отработавшие газы. Полезную работу совершает только третий такт, остальные двигатель «прокручивает» за счёт маховика и соседних цилиндров.

Дизель обходится без свечи зажигания. Воздух в его цилиндре сжимают раза в полтора-два сильнее, чем смесь в бензиновом моторе (степень сжатия порядка 16–20 против 9–12), и он нагревается так, что впрыснутое топливо вспыхивает само. Высокое сжатие поднимает КПД, поэтому дизель расходует меньше топлива на те же километры. Расплачиваться приходится массой, шумом и ценой.

Есть у темы и неприятная сторона. Энергия, которую двигатель не превратил в работу, никуда не исчезает, она греет окружающий воздух и воду. Легковая машина с КПД около 30 % на каждые десять литров бензина примерно семь тратит на обогрев улицы. Отсюда интерес к гибридам, к рекуперации и к парогазовым установкам, где горячие газы после газовой турбины ещё раз используют, чтобы получить пар.

Ещё одно уточнение для полноты картины. Сам Карно считал теплоту особой жидкостью, теплородом, и второй закон термодинамики в современном виде сформулировали позже, в 1850-х, Рудольф Клаузиус и Уильям Томсон. Удивительно, но вывод Карно о пределе КПД пережил ошибочную теорию, на которой был построен. В учебниках его формула стоит рядом с фамилией автора, умершего от холеры в тридцать шесть лет.

Из той же теории следует запрет, о который разбилось немало изобретательских надежд. Нельзя построить машину, которая брала бы тепло, скажем, у океана и целиком превращала его в работу, ничего не отдавая холодильнику. Такую машину называют вечным двигателем второго рода. Энергии в океане море, простите за каламбур, но без более холодного тела рядом она для двигателя бесполезна.