|
|
|
|
|
Глава 6. Свойства газов
§ 36. Принципы работы тепловых двигателейОсновные части теплового двигателя1. Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика — это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии тел. Для того чтобы использовать внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счёт этой энергии совершать работу.
Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель и др. Несмотря на различие конструкций двигателей и некоторые особенности их работы, принципы их действия одинаковы. Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три части: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Рассмотрим их назначение. В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию. Следовательно, необходимо иметь систему, за счёт внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твёрдые тела, поэтому в качестве рабочего тела чаще всего используют газ или пар. Так, в паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания — газ, состоящий из смеси паров бензина и воздуха. Поскольку работа совершается за счёт внутренней энергии рабочего тела, то для увеличения внутренней энергии рабочее тело следует нагреть до некоторой температуры Т1. Поэтому в состав теплового двигателя входит нагреватель. В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит непосредственно в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. Нагреватель может быть и самостоятельным устройством, как в случае паровой турбины. Рабочее тело — пар нагревается в паровом котле, при этом энергия топлива превращается в энергию пара. Круговой процесс2. Рабочее тело, нагретое в нагревателе до температуры T1 расширяясь, совершает работу. Так, пар, попадая на лопасти турбины, расширяется и приводит турбину во вращение. Горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания, достигая высокой температуры, оказывает большое давление на поршень, расширяется и совершает работу. На рисунке 98 приведён график зависимости давления газа от объёма. Площадь фигуры под графиком АаВ равна работе, которую совершает рабочее тело при расширении.
В соответствии с первым законом термодинамики невозможно совершить неограниченную работу за счёт первоначально полученного запаса внутренней энергии. Поэтому отработанный пар должен вернуться в исходное состояние и снова нагреться. Таким образом, для того чтобы двигатель работал непрерывно, он должен каждый раз возвращаться в исходное состояние, т. е. совершать круговой процесс, или цикл. Такой двигатель называют циклическим. Холодильник3. Чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние, его необходимо сжать. Если сжатие производить при тех же значениях давления, что и расширение, то работа сжатия будет равна работе расширения, а полная работа окажется равной нулю. Чтобы получить полную работу, отличную от нуля, нужно производить сжатие при меньших значениях давления, чем расширение.
|
|
|