Виды тепловых двигателей

Теловой двигатель

Ежедневно мы имеем дело с двигателями, приводящими в движение автомобили, корабли, производственную технику, железнодорожные локомотивы и самолеты. Именно появление и широкое использование тепловых машин быстро продвинуло вперед промышленность.

· Тепловой двигатель – тепловая машина, превращающая тепло в механическую энергию, использует теплового решения вещества от температуры. Обычно работа совершается за счет изменения объёма вещества, но иногда используется изменение формы рабочего тела (в твёрдотельных двигателях).

Действие теплового двигателя подчиняется законам термодинамики. Для работы необходимо создать разность давления по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Для работы двигателя обязательно наличие разницы температур, производится нагревание рабочего тела (газа), который совершает работу за счёт изменения своей внутренней энергии. Повышение и понижение температуры осуществляется, соответственно, нагревателем (например, при сжигании топлива) и охладителем, в роли которой используется окружающая среда.

Миллионы автомобилей на двигателях внутреннего сгорания занимаются перевозом пассажиров и грузов. По железным дорогам ходят мощные тепловозы, по водным траекториям – теплоходы. Самолеты и вертолеты снабжены поршневыми, турбореактивными и турбовинтовыми двигателями. Ракетные двигатели «толкают» в космическое пространство станции, корабли и спутники Земли. Двигатели внутреннего сгорания в сельском хозяйстве устанавливают на комбайнах, насосных станциях, тракторах и прочих объектах.

Применение теплового двигателя

1. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80% всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

2. Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. На этих станциях для получения пара высокой температуры используется энергия атомных ядер.

3. На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели). Эти же двигатели устанавливаются на тракторах.

4. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. Но и электровозы получают энергию от тепловых двигателей электростанций.

5. На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

6. В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах — турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

7. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы дешевую электроэнергию и были бы лишены всех видов современного скоростного транспорта

Виды тепловых двигателей

1. Двигатель Стирлинга — тепловая машина, в которой рабочее тело, в виде газа или жидкости, движется в замкнутом объёме, разновидность двигателя внешнего сгорания. Основан на периодическом нагреве и охлаждении рабочей площадки с извлечением энергии из возникающего при этом изменения объёма рабочего тела. Может работать не только от сжигания топлива, но и от любого источника тепла.

Двигатель Стирлинга был впервые запатентован шотландским священником Робертом Стирлингом 27 сентября 1816 года.

В современной научной литература этот узел называется «регенератором»

Он увеличивает производительность двигателя, удерживая тепло в тёплой части двигателя, в то время как рабочее тело охлаждается. Этот процесс намного повышает эффективность системы. Чаще всего регенератор представляет собой камеру, заполненную проволокой, гранулами, гофрированной фольгой (гофры идут вдоль направления потока газа).

Газ, проходя через наполнитель в одну сторону, отдаёт тепло регенератору, а при движении в другую сторону отбирает его. Регенератор может быть внешним по отношению к цилиндрам, а может быть размещён на поршне-вытеснителе в β- и γ-конфигурациях. В последнем случае размеры и вес машины оказываются меньше.

Частично роль регенератора выполняет зазор между вытеснителем и стенками цилиндра (при длинном цилиндре надобность в таком устройстве вообще исчезает, но появляются значительные потери из-за вязкости газа). В α-стирлинге регенератор может быть только внешним. Он устанавливается последовательно с теплообменником, в котором происходит нагрев рабочего тела, со стороны холодного поршня.

2. Паровая машина – тепловой двигатель внешнего сгорания, преобразующий энергию водяного пара в механическую работу возвратно – поступательного движения поршня, а затем во вращательное движение вала. В более широком смысле паровая машина — любой двигатель внешнего сгорания, который преобразует энергию пара в механическую работу.

Первая паровая машина построена в XVII в. Папеном и представляла цилиндр с поршнем, который поднимался действием пара, а опускался давлением атмосферы после сгущения отработавшего пара. На этом же принципе были построены в 1705 году вакуумные паровые машины Севери и Ньюкомена для выкачивания воды из копей. Значительные усовершенствования в вакуумной паровой машине были сделаны Джеймсом Уаттом в 1769 году. Дальнейшее значительное усовершенствование парового двигателя (применение на рабочем ходу пара высокого давления вместо вакуума) было сделано американцем Оливер Эвансом в 1769 году и англичанином Ричардом Тревитиком в 1800 году.

3. Поршневой двигатель –двигатель внутреннего сгорания, в котором тепловая энергия расширяющихся газов, образовавшаяся в результате сгорания топлива в замкнутом объёме, преобразуется в механическую работу поступательного движения поршня за счёт расширения рабочего тела (газообразных продуктов сгорания топлива) в цилиндре, в который вставлен поршень. Поступательное движение поршня преобразуется во вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания сегодня является самым распространённым тепловым двигателем. Он используется для привода средств наземного, воздушного и водного транспорта, боевой, сельскохозяйственной и строительной техники, электрогенераторов, компрессоров, водяных насосов, помп, моторизованного инструмента (бензорезок (бензо-болгарок), газонокосилок, бензопил) и прочих машин, как мобильных, так и стационарных, и производится в мире ежегодно в количестве нескольких десятков миллионов изделий.

Полный цикл работы двигателя складывается из последовательности тактов — однонаправленных поступательных ходов поршня. Различают двухтактные и четырехтактные двигатели.

4. Роторный (турбинный) двигатель внешнего сгорания — примером такого устройства является тепловая электрическая станция в базовом режиме. Таким образом, колёса локомотива (электровоза) также, как и в 19 веке, вращает энергия пара. Но тут есть два существенных отличия.

Первое отличие заключается в том, что паровоз 19 века работал на качественном дорогом топливе, например на антраците. Современные же паротурбинные установки работают на дешевом топливе, например на канско — ачинском угле, который добывается открытым способом шагающими экскаваторами. Но в подобном топливе много пустого балласта, который транспорту приходится возить с собой вместо полезного груза. Электровозу не надо возить не только балласт, но и топливо вообще.

Второе отличие заключается в том, что тепловая электрическая станция работает по циклу Ренкина, который близок к циклу Карно. Цикл Карно состоит из двух адиабат и двух изотерм. Цикл Ренкина состоит из двух адиабат, изотермы и изобары с регенерацией тепла, которая приближает этот цикл к идеальному циклу Карно. На транспорте трудно сделать такой идеальный цикл, так как у транспортного средства есть ограничения по массе и габаритам, которые практически отсутствуют у стационарной установки.

5. Роторный (турбинный) двигатель внутреннего сгорания —примером такого устройства является тепловая электрическая станция в пиковом режиме. Порой в качестве газотурбинной установки используют списанные по технике безопасности воздушно – реактивные двигатели.

6. Реактивные и ракетные двигатели —представляет собой совмещенный тепловой двигатель и движетель, в нём внутренняя энергия топлива преобразуется в кинетическую энергию реактивной струи разогретого рабочего тела. Реактивные двигатели отбрасывают нагретое рабочее тело с большой скоростью, за счет его проистечения, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. В тепловых реактивных двигателях обычно используется химическое топливо в газообразном, жидком или твердом состоянии, порождающее разогретый газ при сгорании.

Воздушно – реактивные двигатели используют газообразный окислитель из окружающей среды, тогда как ракетные двигатели снабжаются запасами всех компонентов рабочего тела с носителя и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве. Используются для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов

7. Твердотельные двигатели —такие двигатели используют твёрдый материал (вещество в твёрдой фазе) в качестве рабочего тела. Работа совершается при изменении формы рабочего тела. Позволяют использовать малые перепады температур.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

— Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

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

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

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

Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а газ (пар), расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия газа (пара) превращается в кинетическую энергию поршня.

Читать еще: Что происходит когда заводим двигатель

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

Про тепловые двигатели вы уже говорили в 8 классе.

2. Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех тепловых двигателях эта разность давлений достигается за счет повышения температуры рабочего тела на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива.

Тепловая машина работает циклично. Газ, которому передается энергия, нагрет до высокой температуры и соответственно внутренняя энергия такого газа достаточно большая. Расширяясь, газ совершает работу, соответственно охлаждается, его внутренняя энергия уменьшается и совершается полезная работа. В дальнейшем, чтобы все повторилось нам надо перевести наш тепловой двигатель в первоначальное состояние, таким образом, чтобы работа вновь повторилась. Для этого нам необходимо газ охлаждать. Для рассмотрения всех процессов, происходящих в ТД, удобно рассматривать газ, находящийся в цилиндре под поршнем. В этом случае мы говорим, что газ совершает работу по перемещению поршня. Работа этого поршня и будет считаться полезной.

Однозначно классифицировать ТД нельзя. Существует много признаков, по которым различают тепловые двигатели: по назначению двигателей, по роду используемого топлива, по способу преобразования тепловой энергии в механическую, по способу регулирования в связи с изменением нагрузки и т.д.

Основная классификация тепловых двигателей по способу подвода теплоты к рабочему телу:

1. Двигатели внутреннего сгорания
2. Двигатели внешнего сгорания

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

Двигатели внешнего сгорания – класс двигателей, где источник тепла или процесс сгорания топлива отделены от рабочего тела. Это, например, паровая турбина, газовая турбина, паровая машина.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

Первая часть — нагреватель. Нагревателем в ТД является процесс сгорания топлива. Именно в этот процесс включается образование газа. Нагреватель характеризуется температурой нагревателя Т_н, т.е. температура того, газа, который образовался. И конечно количеством теплоты, который передается этому газу.

Газ, образовавшийся в результате, того что сгорело топливо, называется рабочим телом. Рабочее тело и совершает работу. И оставшееся, некоторое количество теплоты будет передано холодильнику.

Холодильником, как правило, является окружающая среда. Именно температура холодильника в данном случае нам говорит о том, до какой температура мы должны понизить температуру рабочего тела, чтобы перевести машину в первоначальное состояние.

Работу, которое совершает рабочее тело, газ при расширении, мы определяем следующим образом: A=| Q ₁|– |Q ₂|. Важное значение имеет цикличность работы. Работа двигателя будет оправдана в том случае, если работа по сжатию газа будет меньше, чем работа, произведенная самим газом. В этом случае работа газа совершается при расширении, т.е. тогда, когда давление газа будет больше атмосферного. А в случае охлаждения газа, сжатие газа будет производиться внешними силами, тогда работа газа будет считаться отрицательной.

3. КПД тепловых двигателей

КПД теплового двигателя – важнейшая его характеристика. ТД подчиняется первому закону термодинамики и конечно же второму закону термодинамики (передача тепла происходит от более нагретого тела к менее нагретому).

Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершенной данным двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя. КПД выражают в процентах. h = ·100% h = ·100%

Q_н – теплота, полученная от нагревателя, Дж Q_х — теплота, отданная холодильнику, Дж

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

В 19 веке в результате работ по теплотехнике французский инженер Сади Карно предложил другой способ для определения (через термодинамическую температуру):

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

Т_х — термодинамическая температура холодильника, К.

И этот коэффициент полезного действия получил название максимального

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

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

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

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

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

4. Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима. Мы не имели бы в изобилии дешевую электроэнергию и были бы лишены всех двигателей скоростного транспорта.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока.

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

Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД: Паровой двигатель – 8%; Паровая турбина – 40%; Газовая турбина – 25-30%;

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%; Дизельный двигатель – 40– 44%; Реактивный двигатель – 25%

5. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды Непрерывное развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание потребления угля, нефти, газа в промышленности и на бытовые нужды увеличивают возможности удовлетворения жизненных потребностей человека.Однако в настоящее время количество ежегодно сжигаемого в различных тепловых двигателях химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана природы от вредного влияния продуктов сгорания. Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием различных факторов:

1. При сжигании топлива используется кислород из атмосферы, вследствие чего содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается.

2. Сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. Дальнейшее существенное увеличение концентрации СО₂ в атмосфере может привести к повышению ее температуры («парниковый эффект»).

3. при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными

соединениями, вредными для растений, животных и для здоровья человека.

4. Актуальна проблема захоронения радиоактивных отходов атомных станций.

5. Применение паровых турбин на электростанциях требует больших площадей под пруды для охлаждения отработанного пара (35% водоснабжения всех отраслей хозяйства).

Для охраны окружающей среды необходимо обеспечить:

1. эффективную очистку выбрасываемых в атмосферу отработанных газов;

2. использование качественного топлива, создание условий для более полного его сгорания;

3. повышение КПД тепловых двигателей за счет уменьшения потерь на трение и полного сгорания топлива и др.

Перспективно использование водорода в качестве горючего для тепловых двигателей: при сгорании водорода образуется вода. Идут интенсивные исследования по созданию электромобилей, способных заменить автомобили с двигателем, работающим на бензине.

Приложение 3

Решение расчетных задач

Задачи.

1. Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.

2. Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800 о С, а температура холодильника 25 о С?

3. Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 о С и температурой холодильника 27 о С.

4. Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

Приложение 4

Вопросы для закрепления материала.

1. Какие машины называются тепловыми?

2. Каков принцип работы тепловых двигателей?

3. Назовите основные элементы теплового двигателя и их назначение.

4. Что называют кпд теплового двигателя?

5. По какой формуле рассчитывают КПД реальной машины?

6. По какой формуле рассчитывают КПД идеальной машины? Каков ее смысл?

7. Назовите какие виды тепловых машин вам известны?

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначенные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

История создания тепловых двигателей

К уроку физики «История создания тепловых двигателей»

Скачать:

Вложение	Размер
pd.docx	27.3 КБ

Предварительный просмотр:

Государственное бюджетное образовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 186

Калининкого района Санкт-Петербурга

« История развития тепловых двигателей-

Подготовил ученик 8 класса

исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей — это история прогресса.

Введение.
История создания теплового двигателя.
Детали и принцип работы паровой машины.
Применение тепловых двигателей.
Практическая часть исследовательской работы.

— Изготовление моделей тепловых двигателей

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.

Действительно ли история развития тепловых двигателей — это история прогресса? Такой вопрос я поставил перед собой перед началом работы.

Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение:

— в жизни человеческого общества,

— в развитии техники,

— в развитии энергетики;

— в развитии транспорта.

Очень важное значение для перехода к машинному производству было изобретение паровой машины, сделало возможным изобретение парохода(1807) и паровоза (1814). Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. Сегодня паровая турбина—основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях. Изобретение двигателя внутреннего сгорания вызвало к жизни автомобилестроение и авиацию.

2. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса

Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Ни одно из описанных устройств фактически не было применено как средство решения полезных задач. Первым применённым на производстве паровым двигателем была «пожарная установка», сконструированная английским военным инженером Томасом Севери в 1698 году. На своё устройство Севери в 1698 году получил патент. Это был паровой насос без поршня, и, очевидно, не слишком эффективный, так как тепло пара каждый раз терялось во время охлаждения контейнера, и довольно опасный в эксплуатации, так как вследствие высокого давления пара ёмкости и трубопроводы насоса иногда взрывались. Так как это устройство можно было использовать как для вращения колёс водяной мельницы, так и для откачки воды из шахт, изобретатель назвал его «другом рудокопа».

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Инициатор создания и применения стационарных машин, работающих при высоких давлениях (получил патент на «машину высокого давления» в 1800), освоил на практике цилиндрические паровые (так называемые «корнваллийские») котлы (1815). С 1797 строил модели паровых повозок, а в 1801 начал строить оригиналы повозок, последняя из которых прошла успешные испытания в Корнуэлле и Лондоне (1802—1803).

В 1769 году французский изобретатель Николя-Жозеф Кюньо продемонстрировал первое действующее самоходное паровое транспортное средство: «fardier à vapeur» (паровую телегу). Возможно, его изобретение можно считать первым автомобилем. Самоходный паровой трактор оказался очень полезным в качестве мобильного источника механической энергии, приводившего в движение другие сельскохозяйственные машины: молотилки, прессы и др. В 1788 году пароход, построенный Джоном Фитчем, уже осуществлял регулярное сообщение по реке Делавэр между Филадельфией (штат Пенсильвания) и Берлингтоном (штат Нью-Йорк). Он поднимал на борт 30 пассажиров и шёл со скоростью 7—8 узлов. 21 февраля 1804 года на металлургическом заводе Пенидаррен в городе Мертир-Тидвил в Южном Уэльсе демонстрировался первый самоходный железнодорожный паровой локомотив, построенный Ричардом Тревитиком.

Иван Ползунов родился 14 марта 1728 года в Екатеринбурге в семье солдата государственных строительных работ, выходца из крестьян Туринского уезда Тобольской губернии Ивана Алексеевича Ползунова и его жены Дарьи Абрамовны. В 1738—1742 годах Иван обучался арифметике и словесности в Горнозаводской школе при Екатеринбургском металлургическом заводе, после чего был определён учеником к главному механику уральских заводов Н. Бахареву. У него Ползунов прошёл полный цикл ученических работ: механику, расчёты, чертежи, знакомство с работой заводских машин и металлургическим производством

Детали и принцип работы паровой машины.

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства. Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Самое востребованное и практически незаменимое применение паровых машин ( как не странно) на танкерах.
Там они необходимы для привода грузовых насосов. Перекачка мазута, дизельного топлива, керосина, бензина и т. д.
Отсутствие появления статистического электричества, в поршневом насосе, приводимым в действие паровой машиной обеспечивает максимальную пожаробезопасность

Маховик представляет собой деталь двигателя, которая служит для регулировки поступления энергии. Он накапливает энергию, когда ее поступает больше, нежели используется машиной, и отдает, когда ее потребление превышает поступление.

Основная деталь насосов, компрессоров и поршневых двигателей внутреннего сгорания, служащая для преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения (в компрессорах — наоборот). Для дальнейшего преобразования энергии в крутящий момент служат остальные детали КШМ — шатуны и коленчатый вал. Первый поршневой ДВС создан французским инженером Ленуаром в 1861 году , , до этого поршни применялись в паровых машинах и насосах.
Цили́ндр поршневого двигателя я представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения. Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются отдельно: внутренняя — рабочая втулка или гильза цилиндр, стержень круглого сечения, соединяющий поршень с ползуном (крейцкопфом) в поршневых машинах (насосах, компрессорах, паровых двигателях, некоторых двигателях внутреннего сгорания и т.д.)

Ползуны относительно друг друга расположены под углом 90°, поэтому двигатель может быть выполнен по Х и V-образным схемам. . Техническим результатом для всех трех вариантов является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра .

Деталь (или узел деталей в случае составного вала ) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент

4. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

* Первый в России паровоз — Черепановых, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49) построили первый в России паровоз.

*Первый мотоцикл — в 1869 году во Франции братьями Пьером и Эрнестом Мишо был создан первый мотоцикл. Он представлял собой велосипед с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок на двигателе соединялся с блоком на заднем колесе с помощью гибкого кожаного ремня. Автомобиль (от авто. и лат. mobilis — подвижной, легко двигающийся), транспортная безрельсовая машина главным образом на колесном ходу, приводимая в движение собственным двигателем (внутреннего сгорания, электрическим или паровым).

* Первый автомобиль с паровым двигателем построен Ж. Кюньо (Франция) в 1769-70, с двигателем внутреннего сгорания — Г. Даймлером, К. Бенцем (Германия) в 1885-86. Различают автомобили пассажирские (легковые и автобусы), грузовые, специальные (пожарные, санитарные и др.) и гоночные. Скорость легковых автомобилей до 300 км/ч, гоночных до 1020 км/ч (1993), грузоподъемность грузовых автомобилей до 180 т. Создателем первого автомобиля является немецкий инженер Карл Бенц. Но существуют более ранние модели самодвижущихся повозок, такие как мусколоход улитка Деметрия Фалернского, созданный около 2000 лет назад.

* Бенц, в 1885 году построил трехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания собственной конструкции, но за пределы фабрики на нем не выезжал. Когда 29 января 1886 года он оформил патент ДРП 37435 на самодвижущийся экипаж как таковой, стало возможным провести публичную демонстрацию своего детища. Выезд состоялся 3 июля 1886 года.

В 1901 увидел свет автомобиль «Мерседес», который явился для многих заводов образцом для подражания и стал на долгое время классической конструкцией.

*Механик-самоучка Иван Кулибин (1735—1818) родился в 1735 году в Нижнем Новгороде в семье мелкого торговца мукой. Его отец был старообрядцем, и сына воспитывал в строгих правилах, приучая к труду. Начав учиться, Иван уже не мог остановиться и, не имея другой возможности, стал самостоятельно изучать науки по книгам, в том числе и по сочинениям Михаила Ломоносова. Трехколесную «самокатку» Иван Кулибин изобрел в 1791 году. Самокатку приводили в движение «мускульной силой». Слуга, находившийся «на запятках», нажимал на педали, от которых шла передача через зубчатое колесо храпового механизма, насаженного на ось маховика, через коробку передач на одно из задних колес. Роль тормозов выполняли пружины. При наклоне дороги или после разгона слуга мог отдохнуть –«самокатка» ехала сама. Подшипники скольжения уменьшали трение. Модель «самокатки» не сохранилась, ее удалось восстановить по оставшимся чертежам, и теперь в Государственном политехническом музее в Москве можно посмотреть, как она работала. Паровые машины оказались победителями среди тепловых машин. Они единственные служат и сейчас на тепловых и атомных электростанциях и мощных судах!

Изготовление моделей тепловых двигателей

Пробирку с водой плотно закрываем пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка. Из фольги делаем вертушку и крепим её на булавке к деревянной планке, которую вставляем в штатив. Пробирку устанавливаем наклонно на другом штативе и поджигаем сухой спирт. Образующийся водяной пар под большим давлением вырывается через трубочку, попадает на вертушку и заставляет её вращаться.

Водяной пар, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, совершает работу, вращая вертушку, внутренняя энергия пара уменьшается, он охлаждается.

Из алюминиевой фольги делаем корпус парохода, на дно в металлическую крышечку кладем сухой спирт. Из яйца через два отверстия, проделанных иголкой, выдуваем содержимое, пустое яйцо промываем, одно отверстие заклеиваем, заполняем с помощью шприца на треть водой и устанавливаем с помощью алюминиевого держателя на пароход. Спирт поджигаем — вода закипает, образуется пар. Вырываясь струёй, он заставляет пароходик двигаться в противоположную сторону.

Внутренняя энергия топлива превратилась во внутреннюю энергию воды, а затем водяного пара. Пар, расширяясь, вырывается из отверстия и , совершая работу, охлаждается. Пароходик движется.

Целью моей работы было — исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей — это история прогресса. В ходе изучения истории развития тепловых двигателей, я могу высказать своё мнение: создание и развитие тепловых двигателей это действительно большой шаг к развитию научно- технического прогресса.

В дальнейшем возможно рассмотреть, какое пагубное влияние оказывают тепловые двигатели на окружающую среду, какие существуют пути решения этих экологических проблем .

Горлова Л.А. Нетрадиционные уроки, внеурочные мероприятия по физике. 7-11 классы. М.. «Вако»,2006.

Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы, М.. Просвещение, 1977.

Перельман Я.И. Занимательная физика.- М.:Столетие,1994.

Уоэллэйс Роберт Мир Леонардо. М.. Терра,1997.

Виды тепловых двигателей

Вы будете перенаправлены на Автор24

Тепловыми двигателями считают машины, которые совершают работу за счет получаемой теплоты.

К часто используемым тепловым двигателям отнесем:

паросиловые станции, паровые поршневые двигатели;
двигатели внутреннего сгорания, например, бензиновые двигатели, дизельные двигатели, реактивные двигатели.

Принципы работы тепловых двигателей

Тепловой двигатель преобразовывает теплоту в механическую работу. В тепловом двигателе нагреваемый пар расширяясь, давит на поршень и производит работу.

Тепловой двигатель состоит из:

нагревателя;
холодильника;
рабочего тела, пара или газа, находящегося в емкости с поршнем, который может расширяться и сжиматься.

При конструировании теплового двигателя задача заключается в том, чтобы создать такие условия, при которых газ будет попеременно соприкасаться с нагревателем и холодильником.

Контактируя с нагревателем, рабочее тело нагревается, расширяется и совершает работу.
Соприкасаясь с холодильником газ сжимается, поршень уходит в первоначальное положения, работа совершается над рабочим телом.
Цикл может начинаться сначала.

Одной из первых машин, в которой человек использовал солнечную энергию, была ветряная мельница. В такой мельнице вращение крыльев при дуновении ветра приводит в действие вал, который совершает работу. Для появления ветра нужно, чтобы имелась разность давлений, которая появляется в результате температурной разницы в частях атмосферы. Ветер – это конвекционное перемещение атмосферы, вызванное ее неравномерным нагревом.

Так, энергия Солнца использовалась для получения работы в ветряном двигателе.

Периодически повторяющееся выполнение работы в результате охлаждения тел возможно, если тепловая машина не только получает теплоту от нагревателя, но и часть ее передает холодильнику (телу с более низкой температурой). На выполнение работы уходит только часть теплоты нагревателя, остальная теплота переходит к холодильнику.

Готовые работы на аналогичную тему

Тепловым двигателем называют машину, которая производит механическую работу за счет обмена теплотой с окружающими телами.

Большая часть тепловых двигателей нагревание происходит за счет сгорания топлива, в результате этого процесса нагреватель обладает достаточно высокой температурой. При этом работа выполняется за счет внутренней энергии смеси топлива и кислорода из атмосферы.

Имеются тепловые двигатели, в которых нагревание выполняет Солнце. Проектируются машины, применяющие разницу температур воды в море.

Существуют и работают тепловые машины, которые используют теплоту, выделяемую в ядерном реакторе, при расщеплении и преобразовании ядер атомов.

Паровая машина

Первыми были сконструированы паровые поршневые двигатели (или паровые машины). Позднее на их основе были созданы паровые турбины.

Рабочим телом в этих двигателях обычно является водяной пар (возможны пары других веществ). Поршневые двигатели сейчас применяют редко, на железнодорожном и водном транспорте.

Паровые турбины используются на больших электростанциях и кораблях.

Паровой двигатель кроме основных элементов теплового двигателя имеет несколько вспомогательных устройств. Вся совокупность компонент парового двигателя называется паросиловой станцией. В паровом двигателе осуществляет циркуляцию вода. Она становится паром в котле, выполняет работу в турбине, снова становится водой в барабане. Затем она отправляется при помощи насоса через сборный бак в котел. Оборот воды в паросиловой станции изображен на схеме рис.1

Рисунок 1. Паровой двигатель. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

В схеме, изображенной на рис.1 нагреватель – это котел, а холодильник – конденсатор, который охлаждается проточной водой. Поскольку в установке циркулирует одна и также вода, то накипи практически не образуется. Накипь влияет на КПД котла, уменьшая его.

Паровой котел — это топка и собственно котел. Топливо сжигают в топке. Сам котел составлен из барабана и труб, которые через свои стенки передают теплоту газов, нагретых при сгорании топлива, воде. Вода нагревается и превращается в пар. Энергия топочных газов не полностью передается воле, ее часть рассеивается. Потери энергии происходят и при неполном сгорании топлива.

Далее по паропроводу пар попадет в турбину. Турбина — это стальной цилиндр с валом внутри него. На валу укреплены рабочие колеса с изогнутыми лопатками. Между рабочими колесами имеются направляющие лопатки. Пар заставляет рабочее колесо вращаться, попадая на рабочие лопатки. В турбине пар увеличивает свой объем, при этом его температура уменьшается.

Турбина способна совершать вращение только в одном направлении, скорость ее вращение изменяется не очень сильно. Это удобно для вращения электрогенераторов.

КПД паросиловой станции может достигать 27%. Часть потерь энергии вызвана несовершенством конструкции и потерями, которые происходят при охлаждении пара водой в конденсаторе.

Теория дает следующий вывод, что КПД тепловой машины не может быть больше, чем:

где $T_1$ — температура нагревателя; $T_2$ — температура холодильника.

Двигатель внутреннего сгорания

Сжигание топлива можно производить вне цилиндра, в котором происходит расширение рабочего тела (газа), такой двигатель называют двигателем внешнего сгорания. Примером двигателей внешнего сгорания могут быть:

паровая машина;
турбина.

Двигатели, у которых сжигание топлива происходит внутри камеры сгорания, называют двигателями внутреннего сгорания. Примерами двигателей внутреннего сгорания могут быть:

бензиновый двигатель;
дизель;
реактивный двигатель.

Двигатель внутреннего сгорания в настоящее время является самым распространенным тепловым двигателем. Он работает:

на автомобильном транспорте,
самолетах,
моторных лодках,
танках и т. д.

Топливом для двигателей внутреннего сгорания может служить:

жидкое топливо, такое как бензин, керосин;
газ.

Рассмотрим четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания.

Основная часть этого двигателя – один или несколько цилиндров, где сжигается топливо. Во внутренности цилиндра движется поршень. Поршень имеет вид полого цилиндра, закрытого с одной стороны. Этот цилиндр опоясан пружинными кольцами, которые вложены в канавки на поршне. Данные кольца должны не пропускать газы, которые появляются как результат сжигания топлива, в отсек между поршнем и стенками цилиндра.

Поршень имеет стержень из металла (палец), который соединяет поршень с шатуном. Шатун передает движение от поршня к коленчатому валу.

В работе данного двигателя выделяют четыре этапа:

Всасывание горючей смеси в цилиндр из карбюратора.
Сжатие горючей смеси. При этом впускной клапан закрывается, поршень двигается сжимает смесь. Смесь повышает свою температуру.
Сгорание смеси. При достижении некоторого положения поршнем смесь загорается от электрической искры, которую дает свеча. Давление газов заставляет поршень двигаться вниз. Поршень передает свое движение коленчатому валу, так совершается работа. Выполняя работу и увеличивая свой объем продукты сгорания уменьшают свою температуру, давление уменьшается. По окончании рабочего хода давление в цилиндре становится равным атмосферному.
Выхлоп отработанных продуктов горения. При этом открывается выпускной клапан, продукты горения через глушитель попадают в атмосферу.

Температура газов, которые получаются в двигателе внутреннего сгорания довольно большая (более 1000 градусов Цельсия), следовательно, они должны давать КПД выше, чем у паровых двигателей. В реальной действительности КПД двигателя внутреннего сгорания составляет 20-30%. Энергия сгорания топлива в нем расходуется так:

40% идет на охлаждение цилиндра с водой;
25% уносят отработанные газы;
10% забирает трение;
25% полезная работа.

Существуют не только четырехтактные, но и двухтактные двигатели внутреннего сгорания.

К преимуществам двигателя внутреннего сгорания относят:

компактность,
небольшую массу.

Недостатками таких двигателей являются:

потребности в топливе высокого качества;
отсутствие возможности получения с его помощью малой частоты вращения.

голоса

Рейтинг статьи