Das Funktionsprinzip von Wärmekraftmaschinen. Leistungszahl (COP) von Wärmekraftmaschinen

Wärmekraftmaschine - eine Vorrichtung, die die innere Energie des verbrannten Brennstoffs in mechanische Energie umwandelt. Arten von Wärmekraftmaschinen : 1) Motoren Verbrennungs: a) Diesel, b) Vergaser; 2) Dampfmaschinen; 3) Turbinen: a) Gas, b) Dampf.

Alle genannten Wärmekraftmaschinen haben anderes Design aber bestehen aus drei Hauptteile : Heizung, Arbeitsflüssigkeit und Kühlschrank. Heizung sorgt für den Wärmefluss in den Motor. Arbeitsorgan wandelt einen Teil der aufgenommenen Wärme in mechanische Arbeit. Kühlschrank entzieht dem Arbeitsmedium einen Teil der Wärme.

T 1- Heizungstemperatur;

T 2–Die Temperatur des Kühlschranks;

Q 1- Wärme empfangen

von der Heizung;

Q2- die verschenkte Wärme

Kühlschrank;

EIN "- Arbeit erledigt

Motor.

Arbeit von jedem Wärmekraftmaschine besteht aus sich wiederholenden zyklischen Prozessen - Zyklen. Zyklus - Dies ist eine solche Abfolge thermodynamischer Prozesse, durch die das System in seinen Ausgangszustand zurückkehrt.

Koeffizient nützliche Aktion(Effizienz) eine Wärmekraftmaschine ist das Verhältnis der vom Motor geleisteten Arbeit zur vom Heizgerät aufgenommenen Wärmemenge: .

Der französische Ingenieur Sadi Carnot überlegte ideale Wärmekraftmaschine mit ideales Gas als Arbeitsflüssigkeit. Er fand den optimalen idealen Zyklus einer Wärmekraftmaschine, bestehend aus zwei isothermen und zwei adiabatischen reversiblen Prozessen - Carnot-Zyklus ... Die Effizienz einer solchen Wärmemaschine mit einer Heizung bei einer Temperatur und einem Kühlschrank bei einer Temperatur: ... Unabhängig von der Konstruktion, der Wahl des Arbeitsmediums und der Art der Prozesse in der Wärmekraftmaschine kann ihr Wirkungsgrad nicht höher sein als der Wirkungsgrad einer nach dem Carnot-Kreis betriebenen Wärmekraftmaschine mit den gleichen Heiz- und Kühltemperaturen wie diese Wärme Motor.

Der Wirkungsgrad von Wärmekraftmaschinen ist gering, daher besteht die wichtigste technische Aufgabe darin, ihn zu steigern. Wärmekraftmaschinen haben zwei erheblicher Nachteil... Erstens verwenden die meisten Wärmekraftmaschinen fossiler Brennstoff, deren Gewinnung die Ressourcen des Planeten schnell erschöpft. Zweitens durch die Verbrennung von Kraftstoff in Umgebung eine riesige Menge von Schadstoffe, was zu erheblichen Umweltproblemen führt.

Mit dem Studium des Themas maximale Effizienz die Entdeckung der Wärmekraftmaschinen im Jahr 1850 durch den deutschen Physiker R. Clasius Zweiter Hauptsatz der Thermodynamik : Ein solcher Prozess, bei dem Wärme spontan von kälteren Körpern auf heißere Körper übergeht, ist unmöglich.

Physikalische Größen und ihre Maßeinheiten:

Namenswert	Bezeichnung	Maßeinheit	Formel
Relatives Molekulargewicht	Herr(äh äh)	dimensionslose Menge
Masse eines Moleküls (Atom)	m 0	kg
Gewicht	m	kg
Molmasse	m
Menge der Substanz	ν (nackt)	Maulwurf(Mol)	;
Partikelanzahl	n(de)	dimensionslose Menge
Druck	P(Sport)	Pa(pascal)
Konzentration	n(de)
Volumen	V(ve)
Durchschnittliche kinetische Energie Translationsbewegung Moleküle		J(Joule)
Celsius-Temperatur	T	° C
Kelvin-Temperatur	T	ZU(Kelvin)
Mittlere quadratische Geschwindigkeit von Molekülen
Oberflächenspannung	σ (Sigma)
Absolute Feuchtigkeit	ρ (ro)
Relative Luftfeuchtigkeit	φ (fi)	%
Innere Energie	U(ja)	J(Joule)
Arbeit	EIN(ein)	J(Joule)
Wärmemenge	Q(NS)	J(Joule)

Maschinen, bei denen die innere Energie des Brennstoffs in mechanische umgewandelt wird, nennt man Wärmekraftmaschinen. Dazu gehören: Verbrennungsmotoren, Dampf- und Gasturbinen, Düsentriebwerke... Lassen Sie uns herausfinden, unter welchen Bedingungen die innere Energie des Kraftstoffs bei einer Wärmekraftmaschine in mechanische Energie der Arbeitswelle des Motors umgewandelt werden kann.

Ein Stoff, der in einer Wärmekraftmaschine arbeitet, heißt arbeitendes Organ. V Dampfmaschinen Dies ist Dampf, und in einem Verbrennungsmotor, einem Strahltriebwerk und einer Gasturbine ist es Gas. Wie die Theorie der Wärmekraftmaschinen zeigt, Arbeitsorgan kontinuierlich Arbeit in ihnen verrichtet, ist es notwendig, eine Heizung und einen Kühlschrank im Motor zu haben. Ein Gerät, bei dem das Arbeitsmedium durch die Energie des Kraftstoffs erhitzt wird, heißt Heizung(Dampfkessel, Zylinder). Das Gerät, in dem das Arbeitsmedium nach getaner Arbeit abgekühlt wird, heißt Kühlschrank(Atmosphäre, Kondensator, in dem der Abdampf durch fließendes Wasser gekühlt und in Wasser umgewandelt wird).

Machen wir das folgende Experiment (Abb. 30). Nehmen Sie das mit Wasser gefüllte U-förmige Rohr. Ein Rohrkrümmer ist mit einem Kühlkörper verbunden (in dem sich eine Arbeitsflüssigkeit - Gas befindet), im anderen Krümmer befindet sich ein Schwimmer A. Alternativ wird der Kühlkörper mit einer Alkohollampe erhitzt und in kaltes Wasser gesenkt . Die Spirituslampe spielt die Rolle einer Arbeitsflüssigkeitsheizung, kaltes Wasser- die Rolle des Kühlschranks. Die Arbeit eines solchen Modells einer Wärmekraftmaschine besteht in einem sich wiederholenden Prozess - das Heben und Senken von Wasser zusammen mit dem Schwimmer. Es passiert so: Das Arbeitsfluid (Gas), das sich im Heizgerät erwärmt und sich ausdehnt, verrichtet die Arbeit, Wasser mit einem Schwimmer zu heben; Damit die Arbeitsflüssigkeit wieder ihre Arbeit verrichten kann, wird sie im Kühlschrank abgekühlt und anschließend wieder erhitzt. Während dieser Vorgang wiederholt wird, arbeitet das Modell eines solchen Motors.

Die Wärmekraftmaschine läuft ununterbrochen. Dies geschieht, weil sich darin die mit dem Arbeitsmedium ablaufenden Prozesse periodisch wiederholen: Es erwärmt sich, dehnt sich aus, verrichtet Arbeit, kühlt ab, erwärmt sich wieder usw. (Befolgen Sie dies beim Betrieb des Verbrennungsmotors. Für den Betrieb der Wärmekraftmaschine sind folgende Voraussetzungen erforderlich: eine Heizung, eine Arbeitsflüssigkeit und ein Kühlschrank.

Für sich periodisch wiederholende Prozesse wurde ein Gesetz entdeckt, nach dem es ist unmöglich, einen solchen sich periodisch wiederholenden Vorgang durchzuführen, dessen einziges und endgültiges Ergebnis die vollständige Umwandlung der von der Heizung empfangenen Wärmemenge in Arbeit wäre. Bezogen auf eine Wärmekraftmaschine bedeutet dies: Die Wärmemenge, die das Arbeitsmedium von der Heizung erhält, kann nicht vollständig zur Arbeitsleistung genutzt werden, da der Prozess der vollständigen Umwandlung der inneren Energie der zufälligen Bewegung einer großen Anzahl von Molekülen in die mechanische Energie der Körperbewegung (Motorkolben, Turbinenlaufrad) ein.

Damit das Arbeitsmittel in realen Wärmekraftmaschinen immer wieder Arbeit verrichten kann, wird der verbrauchte Teil des Arbeitsmittels aus dem Motor in die Kältemaschine, also in die Atmosphäre, oder in einen Kondensator zum Erhitzen von Wasser, oder für Heizung (Abb. 31). Gleichzeitig sind Temperatur und Druck im Kühlschrank immer niedriger als im Arbeitsraum des Motors, um möglichst wenig Arbeit für die Entnahme zu verrichten. Dank des Unterschieds zwischen der Dampfarbeit und der Entfernungsarbeit leistet der Motor nützliche Arbeit. Aus energetischer Sicht läuft der Prozess in Wärmekraftmaschinen wie folgt ab (Abb. 32): das Arbeitsmedium erhält die Wärmemenge von der Heizung Q n ein Teil davon geht in den Kühlschrank Qx, und auf Kosten des restlichen Teils verrichtet er die Arbeit A = Q n - Q x.

Wärmekraftmaschinen sind weit verbreitet. Vergasermotoren, zum Beispiel in Autos, Motorrädern verwendet; Diesel - in Traktoren, Autos große Tragfähigkeit, Diesellokomotiven, Motorschiffe, Seeschiffe; Dampfturbine- bei Kraftwerken; Gasturbinen- in Kraftwerken gehören Gasturbinenlokomotiven, in Hochöfen zum Antrieb von Gebläsen zu einer der Arten von Strahltriebwerken; Strahltriebwerke - in der Luftfahrt, in Raketen.

Galina Denisenko 06.02.2016 11:31

Wenn gm die von der Heizung der Wärmekraftmaschine übertragene Wärme ist, wird die Arbeit als DIFFERENZ berechnet und nicht als Summe aus gm und Q des Kühlschranks. Bitte kreuzen Sie die richtige Antwort an und ersetzen Sie "4" durch "3". Vielen Dank, mit freundlichen Grüßen Denisenko G.B. Physik Lehrer.

Anton

Der Zustand des Problems ist falsch. Es wird darauf hingewiesen, dass es daher hinzugefügt werden muss.

der Gast 03.03.2016 19:29

Guten Tag!

Ich glaube, dass der Zustand dieses Problems aus den folgenden Gründen falsch ist.

Im Zustand des Problems heißt es, dass "der Arbeitskörper der Maschine überführt"

zum Kühlschrank die Wärmemenge Qhol< 0". Но если Qхол - это

die Wärmemenge, die vom Arbeitsmedium auf den Kühlschrank übertragen wird, dann das Zeichen

Qkalt> 0 - bedeutet die Richtung des Wärmeflusses - vom Kühlschrank nach

die Heizung, und das Vorzeichen ist das gleiche (wie in der Problemstellung) Qhol< 0 - означает, что

der Wärmestrom wird vom Kühlschrank zum Heizgerät (!) geleitet, was

widerspricht dem zweiten Hauptsatz (Anfang) der Thermodynamik!

Qhol ist traditionell die vom Arbeitsfluid übertragene Wärmemenge

Kühlschrank, - ein Wert größer Null (positiv), der

spiegelt die Einhaltung der Gesetze der Thermodynamik wider.

Formel für Effizienz Wärmekraftmaschine in der Form n = (Q1 + Q2) / Q1 (mit dem Vorzeichen

"+" zwischen Q1 und Q2) sind in einigen Tutorials und Referenzen enthalten

Literatur, aber in diesem Fall wird angenommen, dass Q1 die Wärmemenge ist,

vom Arbeitsfluid von der Heizung aufgenommen, und Q2 ist die Menge

die Wärme, die von der Arbeitsflüssigkeit aus dem Kühlschrank EMPFANGEN wird, während Q2< 0 ,

und das bedeutet, dass das Arbeitsfluid die Menge an den Kühlschrank überträgt

Wärme -Q2 (mit einem Minuszeichen). Siehe zum Beispiel: Yavorsky B.M. und

Detlaf A.A. Physik-Handbuch: 2. Aufl., Rev. - Ich bin zu Hause

Ausgabe physikalischer und mathematischer Literatur, 1985, - S. 119, Absatz 7.

Angesichts des oben Gesagten glaube ich, dass der Zustand dieses Problems und seine Lösung

sollte entsprechend überarbeitet (korrigiert) werden.

Auf der anderen Seite die Produktion selbst

die Wahl der "richtigen" Formeln ist albern, auch wenn das Vorzeichen in der Ungleichung korrigiert wird.

Hochachtungsvoll, Ershov Alexander Petrovich, Doc. phys.-mat. Sci., Professor, Leiter des Labors für Explosionsphysik

Institut für Hydrodynamik. M. A. Lavrentieva

Sibirischer Zweig der Russischen Akademie der Wissenschaften

http://www.hydro.nsc.ru/structure/persons/index.php?id=68

der Gast 05.03.2016 16:41

Sehr geehrter Herausgeber! In der Thermodynamik gilt eine Regel: Nimmt man die vom Körper abgegebene Wärmemenge als Q, dann bedeutet Q> 0, dass der Wärmestrom vom Körper zu einem anderen Körper (n) geleitet wird (der Körper verliert Wärme in der Menge von Q) und Q<0 при этом означает, что поток тепла направлен к телу (тело получает тепло в количестве |Q|). Поэтому, условие Qхол<0 означает, что рабочее тело фактически не передало, а получило от холодильника количество теплоты |Qхол|, а это - абсурд. Пожалуйста, верно расставляйте акценты в оценке данного обстоятельства: это не просто некорректность условия задачи, а явная ошибка составителей данной задачи, показывающая их достаточно низкий уровень. Всего Вам доброго и успехов в Ваших начинаниях.

1.Heizungsmaschinen.

- ein Gerät, das Wärme in mechanische Arbeit (Wärmekraftmaschine) oder mechanische Arbeit in Wärme (Kühlschrank) umwandelt. Die Umwandlung erfolgt durch Änderung der inneren Energie des Arbeitsmediums - in der Praxis meist flüssig oder gasförmig.

Kurz gesagt, Wärmekraftmaschinen Wärme in Arbeit verwandeln oder umgekehrt Arbeit in Wärme umwandeln.

Beispiele für Wärmekraftmaschinen: Verbrennungsmotor (ICE) a) Vergasermotor b) Dieselmotor c) Strahltriebwerk Dampf- und Gasturbinen.

1.1. Die Geschichte der Entwicklung von Wärmekraftmaschinen.

Viele glauben, dass die Geschichte der Dampfmaschinen erst im späten 17. Jahrhundert in England begann. Aber das ist nicht ganz richtig.

Bereits im ersten Jahrhundert v. Chr. schrieb einer der großen Wissenschaftler des antiken Griechenlands, Heron von Alexandria, die Abhandlung "Pneumatik". Es beschrieb Maschinen, die Wärmeenergie nutzten. Am interessantesten waren für uns zwei Wärmekraftmaschinen.

Eolipil - ein Ball "Eola", der sich unter der Einwirkung des austretenden Dampfes um seine Achse dreht. Tatsächlich war esder Prototyp zukünftiger Dampfturbinen.

Ein weiteres bemerkenswertes Gerät des Helden von Alexandria war der Antrieb der Türen des Tempels, die sich unter der Wirkung des auf dem Altar entzündeten Feuers öffneten. Mit einer detaillierten Analyse in diesem komplexen System von Mechanismen können wir sehenerste Dampfpumpe.

Alle von Hero of Alexandria hergestellten Wärmekraftmaschinen wurden nur als Spielzeug verwendet. Sie waren damals nicht gefragt.

Die wahre Geschichte der Dampfmaschinen beginnt erst im 17. Jahrhundert. Einer der ersten, der erstellt wurdefunktionsfähiger Prototyp einer Dampfmaschine, war Denis Papin. Papens Dampfmaschine war eigentlich nur eine Skizze, ein Modell. Es gelang ihm nie, eine echte Dampfmaschine zu bauen, die in der Produktion verwendet werden konnte. 1680 - Erfand 1681 den Dampfkessel. - Ausgestattet mit einem 1690 Sicherheitsventil. - Er war der erste, der den Kolben mit Dampf anhob und den geschlossenen thermodynamischen Kreislauf einer Dampfmaschine beschrieb. 1707 - Bietet eine Beschreibung seines Motors. Aber seine Werke wurden jahrtausendelang als die Werke Herons nicht vergessen. Alle seine Ideen fanden Anwendung in der nächsten Generation von Dampfmaschinen.

Wenn es sehr schwierig ist, genau festzustellen, wer in der Geschichte der Technik als erster eine Dampfmaschine gebaut hat, dann ist mit Sicherheit bekannt, wer seine Dampfmaschine als erster patentiert und in der Praxis angewendet hat. 1698 registrierte der Engländer Thomas Severi die erstePatent für eine Vorrichtung "zum Heben von Wasser und zum Erzielen von Bewegung aller Arten von Produkten mit der treibenden Kraft des Feuers ..."... Wie Sie sehen, ist die Beschreibung des Patents sehr vage. Tatsächlich schuf er die erste Dampfpumpe. Das einzige, was er tun konnte, war, das Wasser zu erhöhen. Gleichzeitig war der Wirkungsgrad der Pumpe extrem gering und der Kohleverbrauch einfach enorm. Daher wurde die Pumpe hauptsächlich in Kohlebergwerken eingesetzt. Sie pumpten Grundwasser ab.

1712 sah die Welt Dampfmaschine Thomas Newcomen. Die Dampfmaschine von Newcomen vereint die besten Ideen von Papens Dampfmaschine und Severis Dampfpumpe. Darin wurde ein Dampfzylinder mit Kolben verwendet, um die Bewegung auszuführen, wie bei der Papen-Dampfmaschine. In diesem Fall wurde Dampf separat in einem Dampfkessel wie in der Severi-Dampfpumpe gewonnen.

Trotz eines großen Durchbruchs bei der Herstellung von Dampfmaschinen erhielt die Newcomen-Maschine ihre Hauptverbreitung nur als Antrieb für Wasserpumpen. Die Hauptnachteile der Newcomen-Dampfmaschine waren ihre enorme Größe und der hohe Kohleverbrauch. Versuche, damit Dampfer zu fahren, waren erfolglos.

Seit über 50 Jahren ist die Dampfmaschine von Newcomen unverändert geblieben. 1763 wurde James Watt, einem Mechaniker an der University of Glasgow, angeboten, Newcomens Dampfmaschine zu reparieren. Bei der Arbeit mit Newcomens Maschine kommt Watt zu dem Schluss, dass es schön wäre, sie zu verbessern.

Zunächst beschließt Watt, den Dampfzylinder immer heiß zu halten. Dadurch wird der Kohleverbrauch gesenkt. Dazu erzeugt er einen Kondensator, um den Dampf abzukühlen. Als nächstes ändert es die Funktionsweise des Dampfzylinders. Führte bei der Newcomen-Dampfmaschine die Maschine ihren Arbeitshub unter Einwirkung von Atmosphärendruck aus, so führte bei der Watt-Dampfmaschine der Kolben seinen Arbeitshub unter Einwirkung von Dampfdruck aus. Dadurch konnte der Druck im Zylinder erhöht und die Dampfmaschine verkleinert werden.

1773 baut Watt sein erstesBetrieb einer Dampfmaschine... Und 1774 gründete Watt zusammen mit dem Industriellen Matthew Bolton ein Unternehmen zur Herstellung von Dampfmaschinen. Von 1775 bis 1785 wurden 56 Dampfmaschinen von der Firma Watt gebaut. Von 1785 bis 1795 - 144 dieser Maschinen wurden bereits von der gleichen Firma geliefert, es lief gut und Bolton bittet Watt, eine Dampfmaschine für sein neues Blechwalzwerk zu bauen.

1884 kreiert Watt das ersteuniverselle Dampfmaschine.Sein Hauptzweck ist der Antrieb von industriellen Werkzeugmaschinen. Ab diesem Zeitpunkt ist die Dampfmaschine nicht mehr an Kohlebergwerke gebunden. Sie beginnen, es in Fabriken zu verwenden, installieren es auf Dampfern und bauen Züge.

Es war Watts Dampfmaschine, die den technologischen Durchbruch schaffte. Sie eröffnete eine neue Ära in der Technikgeschichte - die Ära der Dampfmaschinen.

Der erste Dampfwagen 1770... Jean Cugno - französischer Ingenieur, baute den ersten selbstfahrenden Wagen, der zum Bewegen von Artilleriegeschützen entworfen wurde

"Jüngerer Bruder" - Dampflokomotive 1803. - Der englische Erfinder Richard Trevithick entwarf die erste Dampflokomotive. Nach 5 Jahren baute Trevithick eine neue Dampflokomotive. er entwickelte eine Geschwindigkeit von bis zu 30 km/h. Im Jahr 1816 ging Trevithick ohne Unterstützung in Konkurs und ging nach Südamerika

Die entscheidende Rolle von 1781-1848. - Englischer Designer und Erfinder George Stephenson 1814. - Er begann mit dem Bau von Dampflokomotiven. 1823 1829 gründete er das erste Dampflokomotivenwerk der Welt. Im Wettbewerb um die besten Lokomotiven belegte Stephensons Dampflokomotive Raketa den ersten Platz. Seine Leistung betrug 13 PS und die Geschwindigkeit betrug 47 km / h.

Verbrennungsmotor 1860- Der französische Mechaniker Lenoir erfand 1878 den Verbrennungsmotor. - Der deutsche Erfinder Otto konstruierte einen Viertakt-Verbrennungsmotor. 1825 - Der deutsche Erfinder Daimler schuf einen Benzin-Verbrennungsmotor Zur gleichen Zeit wurde der Benzinmotor von Kostovich in Russland entwickelt.

Spezielles Gerät. Vergaser.Der deutsche Ingenieur Rudolf Diesel entwarf einen Verbrennungsmotor, bei dem kein brennbares Gemisch, sondern Luft komprimiert wurde. Dies sind die sparsamsten Wärmekraftmaschinen 1) arbeiten mit billigen Brennstoffen 2) haben am 29. September 1913 einen Wirkungsgrad von 31-44%. Bestieg einen Dampfer nach London. Am nächsten Morgen fanden sie ihn nicht in der Kabine. Es wird vermutet, dass er Selbstmord begangen hat, indem er sich nachts in die Gewässer des Ärmelkanals warf.

1.2. Das Funktionsprinzip der Wärmekraftmaschine.

Wärmekraftmaschinen können auf verschiedene Weise angeordnet werden, aber in jeder Wärmekraftmaschine muss es einen Arbeitsstoff oder einen Körper geben, der im Arbeitsteil der Maschine mechanische Arbeit verrichtet, eine Heizung, in der der Arbeitsstoff Energie erhält, und einen Kühlschrank, der abtransportiert wird Wärme vom Arbeitskörper.

Das Arbeitsmedium kann Dampf oder Gas sein.

1.3. Arten von Wärmekraftmaschinen.

Es gibt zwei Arten von Wärmekraftmaschinen - abhängig von der Richtung der in ihnen ablaufenden Prozesse:
1. WärmekraftmaschinenWärme von außen in mechanische Arbeit umwandeln.

KältemaschinenÜbertragung von Wärme von einem weniger erhitzten Körper auf einen stärker erhitzten aufgrund der mechanischen Arbeit einer externen Quelle.

Betrachten wir diese Arten von Wärmekraftmaschinen genauer.

1.3.1. Wärmekraftmaschinen.

Wir wissen, dass die Arbeit an einem Körper eine der Möglichkeiten ist, seine innere Energie zu verändern: Die perfekte Arbeit löst sich sozusagen im Körper auf und verwandelt sich in die Energie der chaotischen Bewegung und Wechselwirkung seiner Teilchen.

Eine Wärmekraftmaschine ist ein Gerät, das der "chaotischen" inneren Energie des Körpers nützliche Arbeit entzieht. Die Erfindung der Wärmekraftmaschine hat das Gesicht der menschlichen Zivilisation wirklich verändert.

Ein schematisches Diagramm einer Wärmekraftmaschine kann wie folgt dargestellt werden:

Sehen wir uns an, was die Elemente dieses Diagramms bedeuten.

Arbeitsorgan der motor ist gas. Es dehnt sich aus, bewegt den Kolben und verrichtet so nützliche mechanische Arbeit.

Um das Gas jedoch unter Überwindung äußerer Kräfte zur Expansion zu zwingen, ist es notwendig, es auf eine Temperatur zu erhitzen, die deutlich über der Umgebungstemperatur liegt. Dazu wird das Gas mit einer Heizung in Kontakt gebracht - brennt Brennstoff.

Bei der Verbrennung von Kraftstoff wird erhebliche Energie freigesetzt, von der ein Teil zum Erhitzen des Gases verwendet wird. Gas erhält von der Heizung die Wärmemenge Qн ... Aufgrund dieser Hitze leistet der Motor nützliche Arbeit. A .

Das ist alles klar, aber was ist ein Kühlschrank und warum wird er benötigt?

Mit einer einzigen Gasexpansion können wir die einströmende Wärme möglichst effizient nutzen und vollständig in Arbeit umwandeln. Dazu müssen Sie das Gas isotherm expandieren: Der erste Hauptsatz der Thermodynamik gibt uns in diesem Fall bekanntlich A = Qn.

Aber niemand braucht eine einmalige Erweiterung. Der Motor muss zyklisch laufen, Bereitstellung einer periodischen Wiederholbarkeit der Kolbenbewegungen. Daher muss das Gas am Ende der Expansion komprimiert werden, um es in seinen ursprünglichen Zustand zurückzubringen.

Bei der Expansion verrichtet das Gas eine gewisse nützliche Arbeit A1. Beim Verdichtungsprozess wird am Gas positive Arbeit A2 verrichtet (Und das Gas selbst verrichtet negative Arbeit A2). Zusammenfassend nützliche Arbeit Gas pro Zyklus A = A1-A2.

Natürlich muss A> 0 oder A2 . sein<А1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Wie kann dies erreicht werden? Antwort: Komprimieren Sie Gas bei niedrigeren Drücken als während der Expansion. Mit anderen Worten, im pV-Diagramm muss der Kompressionsvorgang unter den Expansionsvorgang, d. h. den Zyklus sollte im Uhrzeigersinn durchlaufen werden.

Im Zyklus in der Abbildung ist beispielsweise die Arbeit des Gases während der Expansion gleich der Fläche des gekrümmten Trapezes V11a2V2. Ebenso ist die Arbeit bei der Gaskompression gleich der Fläche des gekrümmten Trapezes V11b2V2 mit einem Minuszeichen. Als Ergebnis erweist sich die Arbeit A des Gases pro Zyklus als positiv und gleich der Fläche des Zyklus 1a2b1.

Okay, aber wie bringt man das Gas dazu, entlang einer unteren Kurve in seinen ursprünglichen Zustand zurückzukehren, d.h. e) Durch Staaten mit kleineren Divisionen? Denken Sie daran, dass für ein gegebenes Volumen der Gasdruck umso niedriger ist, je niedriger die Temperatur ist. Daher muss das Gas, wenn es komprimiert wird, Zustände mit niedrigeren Temperaturen durchlaufen.

Genau dafür ist ein Kühlschrank da: kühl Gas bei der Kompression. Der Kühlschrank kann die Atmosphäre (bei Verbrennungsmotoren) oder fließendes Kühlwasser (bei Dampfturbinen) sein.

Beim Abkühlen gibt das Gas eine gewisse Wärmemenge Q2 an den Kühlschrank ab. Die Gesamtwärmemenge, die das Gas pro Zyklus erhält, wird gleich Q1-Q2. Nach dem ersten Hauptsatz der Thermodynamik:
Q 1 - Q 2 = A + deltaU,

wobei deltaU die Änderung der inneren Energie des Gases pro Zyklus ist. Es ist gleich Null deltaU = 0, da das Gas in seinen ursprünglichen Zustand zurückgekehrt ist (und die innere Energie, wie wir uns erinnern, ist Zustandsfunktion). Als Ergebnis ist die Gasarbeit pro Zyklus gleich:
A = Q 1 - Q 2.

Wie Sie sehen können, A

Ein Indikator für die Effizienz der Umwandlung der Energie des Verbrennungskraftstoffs in mechanische Arbeit ist der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine.

Wirkungsgrad der WärmekraftmaschineIst das Verhältnis von mechanischer Arbeit A zur Wärmemenge Q1, die von der Heizung geliefert wird.

Der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine beträgt, wie wir sehen können, immer weniger als Eins. Beispielsweise beträgt der Wirkungsgrad von Dampfturbinen etwa 25 % und der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors etwa 40 %.

1.3.2. Kältemaschinen.

Alltagserfahrungen und physikalische Experimente sagen uns, dass beim Wärmeaustausch Wärme von einem stärker erhitzten auf einen weniger erhitzten Körper übertragen wird, aber nicht umgekehrt. Es wurden noch nie Prozesse beobachtet, bei denen durch Wärmeaustausch spontan Energie von einem kalten Körper auf einen heißen übergeht, wodurch der kalte Körper noch mehr abkühlt und der heiße Körper sich noch mehr aufheizt.

Das Schlüsselwort ist hier "spontan". Wenn Sie eine externe Energiequelle verwenden, ist es durchaus möglich, Wärme von einem kalten Körper auf einen heißen Körper zu übertragen. Das machen Kältemaschinen.

Im Vergleich zu einer Wärmekraftmaschine laufen die Prozesse in einer Kältemaschine in die entgegengesetzte Richtung. (Abb. 86).

Arbeitsorgan Kältemaschine wird auch genannt Kältemittel (in realen Kälteanlagen ist das Kältemittel eine flüchtige Lösung mit niedrigem Siedepunkt, die beim Verdampfen Wärme aufnimmt und bei der Kondensation wieder abgibt). Der Einfachheit halber betrachten wir es als ein Gas, das während der Expansion Wärme aufnimmt und während der Kompression abgibt.

Kühlschrank (T2) in einer Kältemaschine ist ein Körper, dem Wärme entzogen wird. Die Kältemaschine gibt die Wärmemenge Q2 an das Arbeitsmedium (Gas) ab, wodurch sich das Gas ausdehnt.

Während der Kompression gibt das Gas die Wärme Q1 an einen stärker erhitzten Körper ab - eine Heizung (T1). Damit eine solche Wärmeübertragung stattfinden kann, muss das Gas bei höheren Temperaturen komprimiert werden als bei der Expansion. Dies ist nur durch die Arbeit A möglich, die von einer externen Quelle (z ; im Gegenteil, der Elektromotor erzeugt im Verflüssiger einen hohen Druck, unter dem das Kältemittel kondensiert und Wärme abgibt). Daher ist die Wärmemenge, die an die Heizung übertragen wird, größer als die Wärmemenge, die dem Kühlschrank entnommen wird, nur um den Wert A.

Q1 = Q2 + A.

Auf dem pV-Diagramm geht somit der Arbeitszyklus der Kältemaschine gegen den Uhrzeigersinn... Der Bereich des Zyklus ist die Arbeit A, die von einer externen Quelle ausgeführt wird,

Der Hauptzweck einer Kältemaschine besteht darin, einen bestimmten Behälter (zum Beispiel einen Gefrierschrank) zu kühlen. In diesem Fall spielt dieser Behälter die Rolle eines Kühlschranks, und die Umgebung dient als Heizung - die dem Behälter entnommene Wärme wird darin abgeführt.

Ein Indikator für die Effizienz der Kältemaschine ist Kältekoeffizientgleich dem Verhältnis der vom Kühlschrank abgeführten Wärme zur Arbeit einer externen Quelle:

A = Q 2 / A

Der Kühlkoeffizient kann mehr als eins betragen. In echten Kühlschränken nimmt es Werte von etwa 1 bis 3 an.

Es gibt noch eine weitere interessante Anwendung: Ein Chiller kann als Wärmepumpe fungieren. Dann dient es dazu, einen bestimmten Speicher (z. B. einen Raum zu heizen) durch die der Umgebung entzogene Wärme zu erwärmen. In diesem Fall ist dieser Behälter die Heizung und die Umgebung der Kühlschrank.

Ein Indikator für die Effizienz der Wärmepumpe ist Heizkoeffizientgleich dem Verhältnis der Wärmemenge, die auf das beheizte Reservoir übertragen wird, zur Arbeit einer externen Quelle.

Die Heizkoeffizientenwerte echter Wärmepumpen liegen meist im Bereich von 3 bis 5.

1.4. Carnot-Wärmekraftmaschine.

Die wichtigsten Eigenschaften einer Wärmekraftmaschine sind die höchsten und niedrigsten Werte der Temperatur des Arbeitsmediums während des Zyklus. Diese Werte sind entsprechend benanntHeizungstemperatur und Kühlschranktemperatur.

Wir haben gesehen, dass der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine strikt kleiner als eins ist. Es stellt sich eine natürliche Frage: Was ist der höchstmögliche Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine mit festen Werten der Heizungstemperatur T1 und der Temperatur des Kühlschranks T2?

Angenommen, die maximale Körpertemperatur eines Arbeitsmotors beträgt 1000 K und die minimale 300 K. Was ist die theoretische Grenze des Wirkungsgrades eines solchen Motors?

Die Antwort auf diese Frage gab 1824 der französische Physiker und Ingenieur Sadi Carnot. Er erfand und erforschte eine wunderbare Wärmekraftmaschine mit einem idealen Gas als Arbeitsflüssigkeit. Diese Maschine arbeitet nach dem Carnot-Zyklus. bestehend aus zwei Isothermen und zwei Adiabaten.

Betrachten Sie eine Vorwärtsschleife Carnot-Maschine im Uhrzeigersinn. In diesem Fall funktioniert die Maschine als Wärmekraftmaschine.

Isotherme 1-2. In Abschnitt 1-2 wird das Gas mit einem Temperaturerhitzer T1 in thermischen Kontakt gebracht und expandiert isotherm. Die Wärmemenge Q1 wird von der Heizung geliefert und in diesem Abschnitt vollständig in Arbeit umgewandelt: A12 = Q1.

Adiabat 2-3. Für die nächste Verdichtung ist es erforderlich, das Gas in eine Zone niedrigerer Temperaturen zu überführen. Dazu wird das Gas wärmeisoliert und dehnt sich dann im Abschnitt 2-3 adiabatisch aus. Bei der Expansion verrichtet das Gas positive Arbeit A23, wodurch seine innere Energie abnimmt: deltaU23 = - A23.

Isotherme 3-4. Die Wärmedämmung wird entfernt, das Gas wird mit einem Kühlschrank der Temperatur T2 in thermischen Kontakt gebracht. Es tritt eine isotherme Kompression auf. Gas gibt dem Kühlschrank die Wärmemenge Q2 und verrichtet negative Arbeit A34 = - Q2.

Adiabat 4-1. Dieser Abschnitt ist notwendig, um das Gas wieder in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen. Bei der adiabatischen Kompression verrichtet das Gas negative Arbeit A41. Das Gas wird auf die Anfangstemperatur T1 erhitzt.

Carnot fand die Effizienz dieses Zyklus (Berechnungen liegen leider außerhalb des Rahmens des Lehrplans).

Außerdem hat er bewiesen, dassDie Effizienz des Carnot-Zyklus ist für alle Wärmekraftmaschinen mit einer Heiztemperatur T1 und einer Kühlschranktemperatur T2 . maximal möglich... Im obigen Beispiel (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) haben wir also:

Wirkungsgradmax = (1000-300): 1000 = 0,7 (= 70%)

Was bringt es, Isothermen und Adiabaten zu verwenden und nicht einige andere Prozesse?

Es stellt sich heraus, dass isotherme und adiabatische Prozesse die Carnot-Maschine reversibel machen ... Es kann betrieben werden von umgekehrte Schleife (gegen den Uhrzeigersinn) zwischen dem gleichen Heizgerät und dem Kühlschrank, ohne andere Geräte einzubeziehen. In diesem Fall fungiert die Carnot-Maschine als Kühler.

Die Fähigkeit, eine Carnot-Maschine in beide Richtungen zu betreiben, spielt in der Thermodynamik eine sehr wichtige Rolle. Diese Tatsache dient beispielsweise als Bindeglied beim Nachweis der maximalen Effizienz des Carnot-Zyklus.

2. Rakete.

- (von italienisch rocchetta - eine kleine Spindel durch. Rakete oder holländisch. raket) - ein Flugzeug, das sich durch die Wirkung des Strahlschubs im Weltraum bewegt und nur durch die Ablehnung eines Teils seiner eigenen Masse entsteht (Arbeitskörper) ) des Gerätes und ohne Verwendung von Stoffen aus der Umgebung ... Da der Flug einer Rakete nicht unbedingt die Anwesenheit einer umgebenden Luft- oder Gasumgebung erfordert, ist er nicht nur in der Atmosphäre, sondern auch im Vakuum möglich. Das Wort "Rakete" bezieht sich auf eine breite Palette von Fluggeräten, von einem festlichen Feuerwerkskörper bis hin zu einer Weltraumrakete.

In der militärischen Terminologie bezeichnet das Wort Rakete in der Regel eine Klasse von unbemannten Luftfahrzeugen, die zum Angriff auf entfernte Ziele verwendet werden und das Prinzip des Düsenantriebs zum Fliegen verwenden. Im Zusammenhang mit der vielfältigen Verwendung von Flugkörpern in den Streitkräften durch verschiedene Zweige des Militärs hat sich eine breite Klasse unterschiedlicher Arten von Flugkörperwaffen gebildet.

1.1. Geschichte der Raketenwissenschaft.

Es wird vermutet, dass der Anschein einer Rakete bereits in entwickelt wurdeAntikes Griechenland von Alix Sin. Die Rede ist von einer fliegenden Holztaube von Archit von Tarentum.Seine Erfindung wird in der Arbeit erwähntder antike römische Schriftsteller Aulus Gellius "Attische Nächte".Das Buch sagt, dass der Vogel mit Gewichten gehoben und durch einen Hauch verborgener und verborgener Luft in Bewegung gesetzt wurde. Es steht noch nicht fest: Wurde die Taube durch die Luft im Inneren in Bewegung gesetzt oder durch die Luft, die von außen darauf bläst? Es bleibt unklar, wie Archytas die Druckluft in das Innere der Taube bekommen haben konnte. In alter Traditionpneumatik gibt es kein analog zu einer solchen verwendung von druckluft.

Die meisten Historiker führen die Ursprünge der Raketen auf die Zeit zurückChinesische Han-Dynastie (206 v. Die durch die Explosion der Pulverladung erzeugte Kraft reichte aus, um verschiedene Gegenstände zu bewegen.Später wurde dieses Prinzip bei der Erstellung der ersten angewendetWaffen und Musketen. Pulverwaffengranatenkonnten über weite Strecken fliegen, waren aber keine Raketen, da sie keine eigenen Vorräte hatten Kraftstoff. Dennoch war es die Erfindung des Schießpulvers, die zur Hauptvoraussetzung für die Entstehung echter Raketen wurde.

Die erste Rakete wurde vor mindestens 700 Jahren vom Menschen erschaffen. Im 13. Jahrhundert setzten die Chinesen erstmals Raketen oder, wie sie damals hießen, "Feuerpfeile" gegen die mongolischen Invasoren ein und stürzten den Feind in Verwirrung und Panik.

In der Schlacht von Kaiken 1232 entfesselten die Chinesen „Feuerpfeile“, an denen ein Rohr aus verdichtetem Papier befestigt war, das nur am hinteren Ende offen und mit einer brennbaren Masse gefüllt war. Diese Ladung wurde gezündet und dann wurde der Pfeil mit einem Bogen abgefeuert. Solche Pfeile wurden in einer Reihe von Fällen bei der Belagerung von Festungen, gegen Schiffe und Kavallerie verwendet. Nach der Schlacht von Kaiken begannen die Mongolen mit der Herstellung eigener Raketen und der Verbreitung der ersten Raketentechnologie in Europa.

Vom 13. bis zum 15. Jahrhundert gab es Berichte über verschiedene Experimente mit Raketen. In England arbeitete ein Mönch namens Roger Bacon an einer neuen Pulverformel, die die Reichweite von Raketenprojektilen erhöhen sollte. In Frankreich entdeckte Jean Froissart, dass der Flug des Projektils genauer sein könnte, wenn die Rakete durch ein Rohr abgefeuert würde. Nach mehreren Jahrhunderten gab Froissards Idee den Anstoß zur Entwicklung von Panzerabwehrgeschossen wie einer Bazooka. In Italien entwickelte Gian de Fontana eine torpedoähnliche Rakete, die sich auf der Wasseroberfläche bewegte, um feindliche Schiffe in Brand zu setzen.

Der indische Prinz Haydar Ali, der im Süden Indiens im Königreich Mysore (oder Karnataka) regierte, kann jedoch als Innovator der Raketentechnologie seiner Zeit bezeichnet werden. Während der Kriege zwischen Mysore und der British East India Trading Company Haydar setzte Ali Raketen und Raketenregimenter in Form von regulären Truppen ein. Die wichtigste technologische Innovation war die Verwendung einer hochwertigen Metallhülle, in die eine Schießpulverladung eingebracht wurde (so entstand die erste Brennkammer). Haydar Ali schuf auch speziell ausgebildete Raketentrupps, die Raketen mit akzeptabler Genauigkeit auf entfernte Ziele richten konnten. Der Einsatz von Raketen in den Anglo-Mysore-Kriegen führte die Briten auf die Idee, diese Art von Waffen einzusetzen. William Congreve, ein Offizier der britischen Streitkräfte, der mehrere indische Raketen als Trophäe erbeutete, schickte diese Granaten zur weiteren Untersuchung und Entwicklung nach England. 1804 begann Congreve, der Sohn des Chefs des königlichen Arsenals in Woolwich bei London, mit der Entwicklung eines Raketenprogramms und der Massenproduktion von Raketen. Congreve stellte eine neue Treibstoffmischung her und entwickelte einen Raketenmotor und ein Metallrohr mit einer sich verjüngenden Spitze. Diese Raketen, die 15 kg wogen, wurden Congreve Rockets genannt.

Bis Ende des 19. Jahrhunderts war Raketenartillerie weit verbreitet. Die Raketen waren leichter und beweglicher als die Artilleriegeschütze. Die Genauigkeit und Genauigkeit des Abfeuerns von Raketen war gering, aber vergleichbar mit den Artilleriegeschützen dieser Zeit. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erschienen jedoch gezogene Artilleriegeschütze, die eine größere Genauigkeit und Feuergenauigkeit boten, und Raketenartillerie wurde überall außer Dienst gestellt. Nur Feuerwerk undSignalfackeln.

Ende des 19. Jahrhunderts wurde versucht, den Düsenantrieb mathematisch zu erklären und effektivere Raketenwaffen zu entwickeln. In Russland war Nikolai Tikhomirov einer der ersten, der sich 1894 mit dieser Frage beschäftigte.

Konstantin Tsiolkovsky studierte die Theorie des Strahlantriebs. Er stellte die Idee vor, Raketen für die Raumfahrt zu verwenden und argumentierte, dass der effizienteste Treibstoff für sie eine Kombination aus flüssigem Sauerstoff und Wasserstoff wäre. Er entwarf 1903 eine Rakete für die interplanetare Kommunikation.

Auch der deutsche Wissenschaftler Hermann Obert legte in den 1920er Jahren die Prinzipien des interplanetaren Fluges fest. Darüber hinaus führte er Prüfstandstests von Raketentriebwerken durch.

Der amerikanische Wissenschaftler Robert Goddart begann 1923 mit der Entwicklung eines Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerks, und ein funktionierender Prototyp wurde Ende 1925 fertiggestellt. 16. März 1926 er startete die erste Flüssigtreibstoffrakete mit Benzin und flüssigem Sauerstoff als Treibstoff.

Am 17. August 1933 wurde die Rakete GIRD 9 gestartet, die als erste sowjetische Flugabwehrrakete angesehen werden kann. Sie erreichte eine Höhe von 1,5 km. Und die nächste Rakete "GIRD 10", gestartet am 25. November 1933, hat bereits eine Höhe von 5 km erreicht.

Am 14. März 1931 führte VfR-Mitglied Johannes Winkler den ersten erfolgreichen Start einer Flüssigtreibstoffrakete in Europa durch.

1957. In der UdSSR wurde unter der Führung von Sergei Korolev die weltweit erste ballistische Interkontinentalrakete R-7 als Mittel zur Lieferung von Atomwaffen entwickelt, mit der im selben Jahr der erste künstliche Erdsatellit der Welt gestartet wurde. So begann der Einsatz von Raketen für Weltraumflüge.

2.2. Kräfte, die auf eine Rakete im Flug wirken.

Die Wissenschaft des Studiums der Kräfte, die auf Raketen oder andere Raumfahrzeuge einwirken, wird Astrodynamik genannt.

Die Hauptkräfte, die auf eine Rakete im Flug wirken:

Triebwerksschub.

Bei Bewegung in der Atmosphäre - jeder Widerstand.

Auftriebskraft. Normalerweise klein, aber für Raketengleiter von Bedeutung.

2.3. Der Einsatz von Raketen.

2.3.1 Militär.

Raketen werden als Methode verwendet, um Waffen an das Ziel zu liefern. Die geringe Größe und hohe Geschwindigkeit der Raketen verleihen ihnen eine geringe Verwundbarkeit. Da kein Pilot benötigt wird, um eine Kampfrakete zu steuern, kann sie Ladungen von großer Zerstörungskraft tragen, einschließlich nuklearer. Moderne Zielsuch- und Navigationssysteme verleihen Raketen eine höhere Genauigkeit und Manövrierfähigkeit.

Es gibt viele Arten von Kampfraketen, die sich in der Flugreichweite sowie im Abschussort und dem Ort des Auftreffens des Ziels ("Boden" - "Luft") unterscheiden. Raketenabwehrsysteme werden zur Bekämpfung von Raketen eingesetzt.

Es gibt auch Fackeln und Fackeln.

2.3.2. Wissenschaftliche Forschung.

Anstelle von Flugzeugen und Ballons werden in einer Höhe von mehr als 30-40 Kilometern geophysikalische und meteorologische Raketen eingesetzt. Die Raketen haben keine Begrenzungsdecke und werden zur Sondierung der oberen Atmosphäre, hauptsächlich der Mesosphäre und Ionosphäre, verwendet.

Es gibt eine Unterteilung in leichte meteorologische Raketen, die in der Lage sind, ein Instrumentenset auf eine Höhe von etwa 100 Kilometern zu heben, und schwere geophysikalische Raketen, die mehrere Instrumentensets tragen können und deren Flughöhe praktisch unbegrenzt ist.

Üblicherweise sind wissenschaftliche Raketen mit Instrumenten zur Messung von Atmosphärendruck, Magnetfeld, kosmischer Strahlung und Luftzusammensetzung sowie Geräten zur Übertragung der Messergebnisse per Funk zur Erde ausgestattet. Es gibt Raketenmodelle, bei denen Instrumente mit den beim Aufstieg gewonnenen Daten mit Fallschirmen auf den Boden abgesenkt werden.

Die meteorologische Raketenforschung ging der Satellitenforschung voraus, so dass die ersten meteorologischen Satelliten die gleichen Instrumente wie die meteorologischen Raketen hatten. Die Rakete wurde am 11. April 1937 zum ersten Mal gestartet, um die Parameter der Luftumgebung zu untersuchen, aber regelmäßige Raketenstarts begannen in den 1950er Jahren, als eine Reihe von spezialisierten wissenschaftlichen Raketen entwickelt wurden.

2.3.3. Kosmonautik.

Die Rakete ist immer noch das einzige Fahrzeug, das in der Lage ist, ein Raumfahrzeug in den Weltraum zu bringen. Alternative Möglichkeiten, Raumfahrzeuge in die Umlaufbahn zu heben, wie der "Weltraumlift", elektromagnetische und konventionelle Kanonen, befinden sich noch in der Entwicklungsphase.

2.3.4. Sport.

Es gibt einige Raketensportler, deren Hobby es ist, Raketenmodelle zu bauen und zu starten. Raketen werden auch in Amateur- und Profifeuerwerken verwendet.

3. Strahltriebwerk.

Ein Triebwerk, das die für die Bewegung erforderliche Schubkraft erzeugt, indem es die innere Energie des Kraftstoffs in die kinetische Energie des Strahlstroms des Arbeitsfluids umwandelt. Unter einem Arbeitsfluid wird in Bezug auf Motoren ein Stoff (gasförmig, flüssig, fest) verstanden, mit dessen Hilfe die bei der Verbrennung von Kraftstoff freigesetzte Wärmeenergie in mechanische Nutzarbeit umgewandelt wird. Verschiedene Energiearten (chemisch, nuklear, elektrisch, solar) können in einem Raketentriebwerk in kinetische (Hochgeschwindigkeits-)Energie eines Jetstreams umgewandelt werden. Die Basis eines Strahltriebwerks ist eine Brennkammer, in der Kraftstoff (eine Primärenergiequelle) verbrannt und ein Arbeitsmedium erzeugt wird - heiße Gase (Produkte der Kraftstoffverbrennung). Das Hauptmerkmal der Reaktionskraft ist, dass sie durch das Zusammenwirken von Teilen des Systems ohne Wechselwirkung mit äußeren Körpern entsteht.

3.1. Geschichte der Strahltriebwerke.

Die Geschichte der Strahltriebwerke ist untrennbar mit der Geschichte der Luftfahrt verbunden. Der Fortschritt der Luftfahrt wurde während ihres gesamten Bestehens vor allem durch den Fortschritt der Flugzeugtriebwerke sichergestellt, und alle steigenden Anforderungen der Luftfahrt an die Triebwerke waren ein starker Impulsgeber für die Entwicklung des Flugzeugmotorenbaus. Die Flyer-1, die als erstes Flugzeug galt, war mit einem Kolben-Verbrennungsmotor ausgestattet, und diese technische Lösung blieb vierzig Jahre lang in der Luftfahrt unverzichtbar. Flugzeug-Kolbenmotoren wurden verbessert, ihre Leistung und ihr Schub-Gewichts-Verhältnis der Flugzeuge selbst erhöht.

Anfang der 30er Jahre wurde in der UdSSR mit der Entwicklung eines Strahltriebwerks für Flugzeuge begonnen. Bereits 1920 brachte der sowjetische Ingenieur F.A. Tsander die Idee eines Höhenraketenflugzeugs auf den Markt. Sein OR-2-Motor, der mit Benzin und flüssigem Sauerstoff betrieben wurde, war für den Einbau in ein Prototyp-Flugzeug vorgesehen.

Im Jahr 1939 fanden in der UdSSR Flugtests von Staustrahltriebwerken (Staustrahltriebwerken) auf dem von NN Polikarpov entworfenen Flugzeug I-15 statt. Das von I.A. Merkulov entworfene Staustrahltriebwerk wurde als zusätzliche Motoren in den unteren Ebenen des Flugzeugs installiert. Die ersten Flüge wurden von einem erfahrenen Testpiloten P.E. Loginov durchgeführt. In einer bestimmten Höhe beschleunigte er das Auto auf Höchstgeschwindigkeit und schaltete die Düsentriebwerke ein. Der Schub zusätzlicher Staustrahltriebwerke erhöhte die maximale Fluggeschwindigkeit. 1939 wurden das sichere Starten des Triebwerks im Flug und die Stabilität des Verbrennungsprozesses herausgearbeitet. Im Flug konnte der Pilot das Triebwerk wiederholt ein- und ausschalten und seinen Schub anpassen. Am 25. Januar 1940 fand auf vielen Flügen nach der Werksausarbeitung und Sicherheitsüberprüfung der Triebwerke ein offizieller Test statt - ein Flug eines Flugzeugs mit Staustrahltriebwerk. Ausgehend vom Frunze Central Aerodrome in Moskau schaltete der Pilot Loginov in geringer Höhe seine Düsentriebwerke ein und drehte mehrere Kreise über dem Flugplatzgelände.

Im Sommer 1940 wurden diese Motoren auf dem von NN Polikarpov entworfenen Jagdflugzeug I-153 "Chaika" installiert und getestet. Sie erhöhten die Geschwindigkeit des Flugzeugs um 40-50 km / h.

Bei Fluggeschwindigkeiten, die Propellerflugzeuge entwickeln könnten, verbrauchten jedoch zusätzliche kompressorlose Luftstrahltriebwerke viel Treibstoff. Der Staustrahl hat einen weiteren wichtigen Nachteil: Ein solches Triebwerk liefert keinen Schub an Ort und Stelle und kann daher keinen unabhängigen Start des Flugzeugs ermöglichen. Dies bedeutet, dass ein Flugzeug mit einem ähnlichen Motor unbedingt mit einer Art Starthilfskraftwerk ausgestattet sein muss, beispielsweise einem Propellerantrieb, sonst wird es nicht abheben.

Die Arbeit an der Schaffung von Kampfflugzeugen wurde im Ausland weitgehend durchgeführt.

Im Juni 1942 fand der Erstflug des von Messerschmitt konstruierten deutschen Abfangjägers "Me-163" statt. Erst die neunte Version dieses Flugzeugs wurde 1944 in Serie gebaut.

Dieses Flugzeug mit Flüssigtreibstoff-Triebwerk wurde erstmals Mitte 1944 bei der Invasion der Alliierten in Frankreich in einer Kampfsituation eingesetzt. Es sollte feindliche Bomber und Jäger über deutschem Territorium bekämpfen. Das Flugzeug war ein Eindecker ohne Höhenleitwerk, was durch die große Ausladung des Flügels ermöglicht wurde.

In Italien wurde im August 1940 der erste 10-minütige Flug des Campini-Caproni SS-2 Eindeckers durchgeführt. Dieses Flugzeug war mit einem sogenannten Motorkompressor-VRM ausgestattet (diese Art von VRM wurde bei der Überprüfung von Strahltriebwerken nicht berücksichtigt, da es sich als unrentabel herausstellte und nicht vertrieben wurde).

Im Mai 1941 fand in England der erste Testflug des Versuchsflugzeugs Gloucester "E-28/39" mit einem Strahltriebwerk mit Radialverdichter in Whittle-Bauweise statt.

Bei 17.000 Umdrehungen pro Minute entwickelte dieses Triebwerk einen Schub von etwa 3800 Newton. Das Versuchsflugzeug war ein einsitziges Jagdflugzeug mit einem Strahltriebwerk, das sich im Rumpf hinter dem Cockpit befand. Das Flugzeug hatte ein im Flug einziehbares Dreiradfahrwerk.

Eineinhalb Jahre später, im Oktober 1942, wurde der erste Flugtest des amerikanischen Düsenjägers "Ercomet" R-59A mit zwei von Whittle konstruierten Turbojet-Triebwerken durchgeführt. Es war ein Mitteldecker mit einem hohen Leitwerk. Bei Flugtests wurde eine Geschwindigkeit von 800 Stundenkilometern erreicht.

Unter anderen Turbojet-Flugzeugen dieser Zeit ist der Gloucester Meteor-Jäger zu erwähnen, dessen Erstflug 1943 stattfand. Dieser einsitzige Ganzmetall-Eindecker erwies sich als einer der erfolgreichsten Düsenjäger seiner Zeit. Zwei Turbojet-Triebwerke wurden auf einem tiefliegenden Auslegerflügel installiert. Das Serienkampfflugzeug entwickelte eine Geschwindigkeit von 810 Stundenkilometern. Die Flugdauer betrug etwa 1,5 Stunden, die Höchstgrenze lag bei 12 Kilometern. Das Flugzeug hatte 4 automatische Kanonen des Kalibers 20 mm. Das Auto hatte eine gute Manövrierfähigkeit und Kontrollierbarkeit bei allen Geschwindigkeiten. Im November 1941 wurde mit einer speziellen Rekordversion dieser Maschine ein Geschwindigkeitsweltrekord von 975 Stundenkilometern aufgestellt.

Bereits in der Anfangsphase der Entwicklung von Strahltriebwerken erfuhren die ehemals bekannten Flugzeugformen mehr oder weniger starke Veränderungen. Zum Beispiel sah der britische Düsenjäger "Vampire" in Zwei-Boom-Bauweise sehr ungewöhnlich aus.

In unserem Land begannen während des Großen Vaterländischen Krieges umfangreiche Forschungsarbeiten zur Schaffung von Kampfflugzeugen mit Turbostrahltriebwerken. Der Krieg stellte die Aufgabe - ein Kampfflugzeug zu schaffen, das nicht nur eine hohe Geschwindigkeit, sondern auch eine signifikante Flugdauer aufweist: Immerhin hatten die entwickelten Düsenjäger mit Flüssigtreibstoffmotoren eine sehr kurze Flugdauer - nur 8-15 Minuten. Kampfflugzeuge wurden mit einem kombinierten Antriebssystem entwickelt - Propellerantrieb und Jet. Zum Beispiel waren die Jäger La-7 und La-9 mit Jet-Boostern ausgestattet.

Die Arbeiten an einem der ersten sowjetischen Düsenflugzeuge begannen 1943-1944. Dieses Kampffahrzeug wurde von einem Designteam unter der Leitung des Generals des Aviation Engineering Service Artem Ivanovich Mikoyan entworfen. Es war ein I-250-Jäger mit einem kombinierten Kraftwerk, das aus einem flüssigkeitsgekühlten Kolbenflugmotor des Typs VK-107 A mit einem Propeller und einem WFD bestand, dessen Kompressor von einem Kolbenmotor gedreht wurde. Im März 1945 absolvierte die I-250 ihren Erstflug. Bei Flugtests wurde eine Geschwindigkeit von weit über 800 Stundenkilometern erreicht.

Bald entwarf das gleiche Designerteam den MIG-9-Düsenjäger. Darauf waren zwei Turbojet-Triebwerke des Typs "RD-20" installiert. Am 24. April 1946 unternahm Testpilot A. N. Grinchik den Erstflug mit dem MIG-9-Flugzeug. Wie das BI-Flugzeug unterschied sich dieses Flugzeug in seiner Konstruktion kaum von Kolbenflugzeugen. Die Höchstgeschwindigkeit der MIG-9 überschritt 900 Stundenkilometer. Ende 1946 ging diese Maschine in Massenproduktion.

Im April 1946 wurde der Erstflug mit einem von A.S. Yakovlev entworfenen Düsenjäger durchgeführt.

Die beharrliche kreative Arbeit der Forschungs-, Konstruktions- und Produktionsteams war von Erfolg gekrönt: Die neuen Inlandsflugzeuge standen der damaligen Weltluftfahrttechnik in nichts nach. Unter den 1946-1947 in der UdSSR hergestellten Hochgeschwindigkeitsdüsenflugzeugen zeichnet sich der von AI Mikoyan und MI Gurewich "MIG-15" entworfene Düsenjäger mit gepfeiltem Flügel und Leitwerk durch seine hohen taktischen Flug- und Betriebseigenschaften aus. Die Verwendung eines gepfeilten Flügels und Leitwerks erhöhte die horizontale Fluggeschwindigkeit ohne wesentliche Änderungen in ihrer Stabilität und Steuerbarkeit. Eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Flugzeugs wurde auch durch eine Erhöhung des Leistungsgewichts wesentlich erleichtert: Auf ihm wurde ein neues Turbojet-Triebwerk mit einem RD-45-Radialverdichter mit einem Schub von etwa 19,5 Kilonewton bei 12 Tausend Umdrehungen pro Minute installiert . Die horizontalen und vertikalen Geschwindigkeiten dieser Maschine übertrafen alles, was bisher mit Düsenflugzeugen erreicht wurde.

Das Konstruktionsbüro, das unter der Leitung von S.A. Lavochkin arbeitete, schuf gleichzeitig mit der Veröffentlichung der MIG-15 einen neuen Düsenjäger La-15. Es hatte einen gepfeilten Flügel über dem Rumpf. Es hatte mächtige Bordwaffen. Von allen Pfeilflügeljägern, die es damals gab, hatte die La-15 das geringste Fluggewicht. Aus diesem Grund hatte das Flugzeug La-15 mit dem RD-500-Triebwerk, das weniger Schub hatte als das auf der MIG-15 installierte RD-45-Triebwerk, ungefähr die gleichen Flug- und taktischen Daten wie die MIG-15".

Die Krümmung und das spezielle Profil der Flügel und des Hecks von Düsenflugzeugen reduzierten den Luftwiderstand beim Fliegen mit Sdrastisch. Jetzt, während der Wellenkrise, stieg der Widerstand nicht 8-12-mal, sondern nur 2-3-mal. Dies wurde auch durch die ersten Überschallflüge sowjetischer Düsenflugzeuge bestätigt.

3.2. Anwendung der Jet-Technologie in der zivilen Luftfahrt.

Bald wurden Düsentriebwerke in zivilen Flugzeugen installiert.

1955 wurde der mehrsitzige Passagierjet „Kometa-1“ im Ausland eingesetzt. Dieser Personenwagen mit vier Turbojet-Triebwerken erreichte in einer Höhe von 12 Kilometern eine Geschwindigkeit von etwa 800 Stundenkilometern. Das Flugzeug konnte 48 Passagiere befördern. Die Flugreichweite betrug etwa 4000 Kilometer. Nach einem schweren Unfall dieses Flugzeugs im Mittelmeer wurde der Betrieb jedoch eingestellt. Bald wurde eine konstruktive Version dieses Flugzeugs - "Kometa-3" verwendet.

1959 wurde der Betrieb des französischen Passagierflugzeugs "Caravel" aufgenommen. Das Flugzeug hatte einen runden Rumpf mit einem Durchmesser von 3,2 Metern, der mit einem 25,4 Meter langen Druckraum ausgestattet war. Das Kraftwerk bestand aus zwei Turbojet-Triebwerken mit einem Schub von jeweils 40 Kilonewton. Die Geschwindigkeit des Flugzeugs betrug etwa 800 Stundenkilometer.

In der UdSSR wurde bereits 1954 auf einer der Flugrouten die Zustellung dringender Fracht und Post mit dem Ho"Il-20" durchgeführt.Dieses Flugzeug mit zwei Turbojet-Triebwerken mit einem Schub von jeweils 80 Kilonewton hatte ausgezeichnete aerodynamische Formen.

"TU-104" wurde sowohl in unserem Land als auch im Ausland sehr geschätzt. Ausländische Experten sagten in gedruckter Form, dass die Sowjetunion mit dem Beginn des regulären Passagiertransports mit dem Düsenflugzeug "TU-104" den Vereinigten Staaten, England und anderen westlichen Ländern bei der Massenausbeutung von Passagier-Turbojets zwei Jahre voraus war: Amerikanische Düsenflugzeuge "Boeing-707 "Und der englische" Comet-IV " gingen erst Ende 1958 und die französische " Caravel " - im Jahr 1959 auf Fluglinien.

TVD ist ein Flugzeugtriebwerk des Zwischentyps. Obwohl die aus der Turbine austretenden Gase durch die Düse ausgestoßen werden und ihre Reaktion einen gewissen Schub erzeugt, wird der Hauptschub von einem arbeitenden Propeller erzeugt, wie bei einem herkömmlichen Propellerflugzeug.

Der Einsatzort hat sich in der Kampfluftfahrt nicht durchgesetzt, da er eine solche Bewegungsgeschwindigkeit wie reine Düsentriebwerke nicht bieten kann. Ungeeignet ist es auch auf Expressstrecken der zivilen Luftfahrt, wo die Geschwindigkeit ein entscheidender Faktor ist und Fragen der Wirtschaftlichkeit und Kosten des Fluges in den Hintergrund treten. Es ist jedoch ratsam, Turboprop-Flugzeuge auf Strecken unterschiedlicher Länge einzusetzen, auf denen Flüge mit Geschwindigkeiten in der Größenordnung von 600-800 Stundenkilometern durchgeführt werden. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die Beförderung von Passagieren auf ihnen erfahrungsgemäß über eine Distanz von 1000 Kilometern 30% günstiger ist als auf Propellerflugzeugen mit Kolbenflugmotoren.

3.3. Das Funktionsprinzip von Strahltriebwerken.

Das Strahltriebwerk basiert auf dem Gerät einer gewöhnlichen Rakete. Es funktioniert wie folgt. In einer speziellen Kammer, die einen Auslass mit einem konischen Rohr hat - einer Düse - wird Kraftstoff verbrannt. Die gasförmigen Verbrennungsprodukte fliegen mit enormer Geschwindigkeit durch die Düse. Bei der Verbrennung von Kraftstoff entsteht in der Kammer ein erhöhter Druck von bis zu 80-100 Atmosphären. Dieser Druck wirkt in alle Richtungen mit gleicher Kraft. Die Drücke an den Seitenwänden der Kammer sind gegenseitig ausgeglichen. Die auf die Vorderwand wirkende Kraft wird durch nichts ausgeglichen, da auf der gegenüberliegenden Seite die Gase ungehindert durch das Loch entweichen. Daher bewegt die Resultierende aller Druckkräfte auf die Wände der Kammer das Raketentriebwerk vorwärts.

Durch das Ausströmen des Arbeitsfluids aus der Düse des Triebwerks wird eine Reaktionskraft in Form einer Rückstoßreaktion (Rückstoß) des Strahls erzeugt, die das Triebwerk und die mit ihm strukturell verbundene Vorrichtung im Raum im Raum bewegt Richtung entgegengesetzt zum Austritt des Strahls. Verschiedene Energiearten (chemisch, nuklear, elektrisch, solar) können in einem Raketentriebwerk in kinetische (Hochgeschwindigkeits-)Energie eines Jetstreams umgewandelt werden. R. d. (Motor der direkten Reaktion) kombiniert den Motor selbst mit dem Propeller, dh er liefert seine eigene Bewegung ohne die Beteiligung von Zwischenmechanismen.

Um den vom Raketentriebwerk verwendeten Strahlschub zu erzeugen, werden folgendes benötigt: eine Quelle von anfänglicher (primärer) Energie, die in kinetische Energie des Strahlstroms umgewandelt wird;

das Arbeitsfluid, das in Form eines Strahlstroms aus dem Reaktor ausgestoßen wird; der R. d. selbst ist ein Energiewandler. Die Anfangsenergie wird an Bord eines Flugzeugs oder eines anderen mit einem radioaktiven Brennstoff ausgestatteten Geräts (chemischer Brennstoff, Kernbrennstoff) gespeichert oder kann (grundsätzlich) von außen kommen (Solarenergie). Um eine Arbeitsflüssigkeit in der R. d. Vielleicht zu erhalteneinen aus der Umwelt entnommenen Stoff (z. B. Luft oder Wasser) verwenden; die Substanz befindet sich in den Tanks des Geräts oder direkt in der Kammer von R. d .; ein Stoffgemisch, das aus der Umwelt stammt und an Bord des Fahrzeugs gelagert wird. In der modernen Energieerzeugung wird meist chemische Energie als Primärenergie eingesetzt. In diesem Fall handelt es sich bei dem Arbeitsmedium um heiße Gase - Verbrennungsprodukte von chemischem Brennstoff. Beim Betrieb eines Raketentriebwerks wird die chemische Energie brennbarer Stoffe in Wärmeenergie von Verbrennungsprodukten und die Wärmeenergie heißer Gase in mechanische Energie der Translationsbewegung des Strahlstroms und damit der Apparatur umgewandelt auf dem der Motor verbaut ist. Der Hauptteil jeder Brennkammer ist eine Brennkammer, in der ein Arbeitsfluid erzeugt wird. Der Endteil der Kammer, der dazu dient, das Arbeitsmedium zu beschleunigen und einen Strahl zu erhalten, wird als Strahldüse bezeichnet.

Jeder weiß, dass nach einem Schuss eine Waffe oder ein Gewehr zurückgegeben wird. Dies geschieht, weil ein Projektil oder eine Kugel mit hoher Geschwindigkeit aus der Mündung einer Waffe oder eines Gewehrlaufs fliegt. Und die Waffe selbst erhält aufgrund der Reaktionskraft eine Bewegung in die entgegengesetzte Richtung. Die Projektile werden durch die bei der Verbrennung des Pulvers entstehenden Gase herausgedrückt. Wenn wir den Kanonenlauf am Geschützwagen nicht verstärkten, sondern frei bewegen ließen, würde der Lauf nach dem Schuss wie eine Rakete zurückfliegen.

Der Flug konventioneller Flugzeuge ist in einem luftleeren Raum unmöglich. Die Auftriebskraft eines Flugzeugs entsteht nur durch die Wirkung des Luftstrahls auf seine Tragflächen. Ein Luftschiff oder Ballon kann nur fliegen, wenn es leichter ist als Luft mit gleichem Volumen.

In diesem Sinne haben Raketentriebwerke einen enormen Vorteil gegenüber herkömmlichen Flugzeugen. Der Raketenmotor arbeitet unabhängig von der Umgebung, er benötigt keine Luftunterstützung. Mit Raketentriebwerken ausgestattete Geräte können nicht nur in stark verdünnter Luft, sondern sogar im luftlosen Raum fliegen.

In den letzten Jahren wurden eine Vielzahl von mehr oder weniger erfolgreichen Experimenten zur Anwendung von Strahltriebwerken auf verschiedene Fahrzeugtypen durchgeführt.
Alle Motoren haben zwei Energieumwandlungsprozesse. Zunächst wird die chemische Energie des Brennstoffs in Wärmeenergie von Verbrennungsprodukten umgewandelt, und dann wird die Wärmeenergie zur Verrichtung mechanischer Arbeit verwendet. Solche Motoren umfassen Kolbenmotoren von Automobilen, Diesellokomotiven, Dampf- und Gasturbinen von Kraftwerken usw.

Betrachten wir diesen Prozess in Bezug auf Düsentriebwerke. Beginnen wir mit dem Brennraum des Motors, in dem je nach Motortyp und Kraftstoffart auf die eine oder andere Weise bereits ein brennbares Gemisch entstanden ist. Dies kann zum Beispiel ein Gemisch aus Luft mit Kerosin sein, wie in einem Turbostrahltriebwerk eines modernen Düsenflugzeugs, oder ein Gemisch aus flüssigem Sauerstoff mit Alkohol, wie in einigen Flüssigtreibstoff-Raketentriebwerken, oder schließlich etwas Festtreibstoff für Pulverraketen. Das brennbare Gemisch kann brennen, d.h. eine chemische Reaktion mit einer heftigen Freisetzung von Energie in Form von Wärme eingehen. Die Fähigkeit, während einer chemischen Reaktion Energie freizusetzen, ist die potentielle chemische Energie der Moleküle in der Mischung. Die chemische Energie von Molekülen hängt mit den Besonderheiten ihrer Struktur zusammen, genauer gesagt mit der Struktur ihrer elektronischen Hüllen, d.h. der Elektronenwolke, die die Kerne der Atome umgibt, aus denen das Molekül besteht. Durch eine chemische Reaktion, bei der einige Moleküle zerstört werden, während andere entstehen, kommt es naturgemäß zu einer Neuordnung der Elektronenhüllen. Diese Umstrukturierung ist eine Quelle freigesetzter chemischer Energie. Es zeigt sich, dass als Treibstoffe für Strahltriebwerke nur Stoffe dienen können, die bei einer chemischen Reaktion im Triebwerk (Verbrennung) viel Wärme freisetzen und auch große Mengen an Gasen bilden. All diese Prozesse finden in der Brennkammer statt, aber verweilen wir bei der Reaktion nicht auf molekularer Ebene (dies wurde bereits oben diskutiert), sondern bei den "Phasen" der Arbeit. Bis die Verbrennung begonnen hat, verfügt das Gemisch über einen großen Vorrat an potentieller chemischer Energie. Aber dann verschlang die Flamme das Gemisch, ein weiterer Moment - und die chemische Reaktion ist vorbei. Anstelle von Molekülen des brennbaren Gemischs ist die Kammer jetzt mit Molekülen von Verbrennungsprodukten gefüllt, die dichter "gepackt" sind. Die überschüssige Bindungsenergie, die chemische Energie der vergangenen Verbrennungsreaktion, wird freigesetzt. Die Moleküle, die diese überschüssige Energie besitzen, haben sie durch häufige Kollisionen mit ihnen fast augenblicklich auf andere Moleküle und Atome übertragen. Alle Moleküle und Atome in der Brennkammer begannen sich willkürlich, chaotisch mit viel höherer Geschwindigkeit zu bewegen, die Temperatur der Gase stieg. Auf diese Weise wurde die potentielle chemische Energie des Brennstoffs in die thermische Energie von Verbrennungsprodukten umgewandelt.

Ein ähnlicher Übergang wurde bei allen anderen Wärmekraftmaschinen durchgeführt, aber Strahltriebwerke unterscheiden sich grundlegend von ihnen im Hinblick auf das weitere Schicksal der glühenden Verbrennungsprodukte.

Nachdem sich in einer Wärmekraftmaschine heiße Gase gebildet haben, die eine große thermische Energie enthalten, muss diese Energie in mechanische Energie umgewandelt werden. Schließlich werden die Motoren verwendet, um mechanische Arbeiten zu verrichten, um etwas zu "bewegen", um es in die Tat umzusetzen, egal ob es sich um eine Dynamomaschine handelt, wenn es darum geht, ein Kraftwerk zu zeichnen, eine Diesellokomotive, usw Auto oder Flugzeug.

Damit die thermische Energie von Gasen in mechanische Energie umgewandelt werden kann, muss ihr Volumen zunehmen. Bei dieser Expansion verrichten die Gase die Arbeit, die ihre innere und thermische Energie verbrauchen.

Bei einem Kolbenmotor drücken die expandierenden Gase auf den sich im Zylinder bewegenden Kolben, der Kolben drückt auf das Pleuel, das bereits die Motorkurbelwelle dreht. Die Welle ist mit dem Rotor des Dynamos, den Antriebsachsen einer Diesellokomotive oder einem Pkw oder dem Propeller eines Flugzeugs verbunden – der Motor leistet nützliche Arbeit. In einer Dampfmaschine oder einer Gasturbine dehnen sich die Gase aus und zwingen das mit der Turbinenwelle verbundene Rad zur Drehung - hier ist kein Kurbelgetriebe erforderlich, was einer der großen Vorteile der Turbine ist.

Gase dehnen sich natürlich in einem Strahltriebwerk aus, denn ohne diese verrichten sie keine Arbeit. Aber die Expansionsarbeit wird in diesem Fall nicht für die Drehung der Welle aufgewendet. Verbunden mit dem Antriebsmechanismus, wie bei anderen Wärmekraftmaschinen. Der Zweck eines Strahltriebwerks ist ein anderer - um Strahlschub zu erzeugen, und dazu ist es notwendig, dass ein Gasstrahl - Verbrennungsprodukte mit hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerk ausströmen: Die Reaktionskraft dieses Strahls ist der Schub des Triebwerks . Folglich muss die Arbeit der Expansion der gasförmigen Produkte der Kraftstoffverbrennung im Motor auf die Beschleunigung der Gase selbst aufgewendet werden. Dies bedeutet, dass die thermische Energie von Gasen in einem Düsentriebwerk in ihre kinetische Energie umgewandelt werden muss – die zufällige chaotische thermische Bewegung von Molekülen muss durch ihre organisierte Strömung in einer allen gemeinsamen Richtung ersetzt werden.

Dazu dient einer der wichtigsten Teile des Triebwerks, die sogenannte Jet-Düse. Unabhängig davon, zu welchem ​​Strahltyp ein bestimmtes Strahltriebwerk gehört, ist es notwendigerweise mit einer Düse ausgestattet, durch die heiße Gase mit hoher Geschwindigkeit aus dem Triebwerk strömen - die Produkte der Kraftstoffverbrennung im Triebwerk. Bei manchen Triebwerken treten Gase unmittelbar nach der Brennkammer in die Düse ein, beispielsweise bei Raketen- oder Staustrahltriebwerken. Bei anderen, Turbojets, passieren die Gase zunächst eine Turbine, an die sie einen Teil ihrer thermischen Energie abgeben. Es verbraucht in diesem Fall den Antrieb des Kompressors, der dazu dient, die Luft vor der Brennkammer zu verdichten. Aber auf die eine oder andere Weise ist die Düse der letzte Teil des Motors - Gase strömen durch sie, bevor sie den Motor verlassen.

Die Strahldüse kann je nach Triebwerkstyp unterschiedliche Formen und zudem unterschiedliche Bauformen aufweisen. Die Hauptsache ist die Geschwindigkeit, mit der die Gase aus dem Motor strömen. Übersteigt diese Ausströmgeschwindigkeit nicht die Geschwindigkeit, mit der sich Schallwellen in den austretenden Gasen ausbreiten, handelt es sich bei der Düse um ein einfaches zylindrisches oder sich verengendes Rohrsegment. Wenn die Ausströmgeschwindigkeit die Schallgeschwindigkeit überschreiten muss, erhält die Düse die Form eines sich ausdehnenden Rohres oder zuerst eine Verengung und dann eine Erweiterung (Schöne Düse). Nur in einem Rohr dieser Form kann, wie Theorie und Erfahrung zeigen, das Gas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und die „Schallmauer“ überwunden werden.

Thema: „Das Funktionsprinzip einer Wärmekraftmaschine. Wärmekraftmaschine mit höchstem Wirkungsgrad ”.

Die Form: Kombinierter Unterricht mit Computertechnologie.

Ziele:

• Zeigen Sie auf, wie wichtig der Einsatz einer Wärmekraftmaschine im menschlichen Leben ist.
• Untersuchung des Funktionsprinzips echter Wärmekraftmaschinen und eines idealen Motors, der nach dem Carnot-Zyklus arbeitet.
• Überlegen Sie, wie Sie die Effizienz eines echten Motors verbessern können.
• Wecken Sie die Neugier der Schüler, das Interesse an technischer Kreativität, den Respekt vor den wissenschaftlichen Leistungen von Naturwissenschaftlern und Ingenieuren.

Unterrichtsplan.

Theoretisches Material

Seit der Antike wollte sich ein Mensch von körperlichen Anstrengungen befreien oder sie beim Bewegen von etwas erleichtern, um mehr Kraft und Geschwindigkeit zu haben.
Es wurden Legenden über Teppiche, Flugzeuge, Siebenmeilenstiefel und Zauberer geschaffen, die einen Menschen mit einer Welle des Zauberstabs in ferne Länder trugen. Mit Gewichten haben die Leute Karren erfunden, weil sie leichter zu rollen sind. Dann passten sie Tiere an - Ochsen, Hirsche, Hunde, vor allem Pferde. So entstanden Karren und Kutschen. In den Crews strebten die Menschen nach Komfort und verbesserten sie immer mehr.
Der Wunsch der Menschen, die Geschwindigkeit zu erhöhen, beschleunigte auch den Wandel der Ereignisse in der Geschichte der Verkehrsentwicklung. Aus dem griechischen „autos“ – „selbst“ und dem lateinischen „mobilis“ – „mobil“ in europäischen Sprachen wurde das Adjektiv „selbstfahrend“ gebildet, wörtlich „auto – mobil“.

Es bezog sich auf Uhren, automatische Puppen, auf alle Arten von Mechanismen, im Allgemeinen auf alles, was als Ergänzung zur "Fortführung", "Verbesserung" einer Person diente. Im 18. Jahrhundert versuchten sie, die Arbeitskraft durch Dampf zu ersetzen und verwendeten den Begriff "Auto" auf spurlose Waggons.

Warum wird das Alter des Autos von den ersten "Benzinwagen" mit Verbrennungsmotor, erfunden und gebaut in den Jahren 1885-1886, gezählt? Als ob man Dampf- und Batterie-(elektrische) Besatzungen vergessen würde. Tatsache ist, dass der Verbrennungsmotor eine echte Revolution in der Verkehrstechnik vollzogen hat. Es erwies sich lange Zeit als am stimmigsten mit der Idee eines Autos und behielt daher lange Zeit seine dominierende Stellung. Der Anteil von Autos mit Verbrennungsmotor beträgt heute mehr als 99,9 % des weltweiten Straßenverkehrs.<Anhang 1 >

Die Hauptteile der Wärmekraftmaschine

In der modernen Technik wird mechanische Energie hauptsächlich aus der inneren Energie des Brennstoffs gewonnen. Geräte, in denen die Umwandlung von innerer Energie in mechanische Energie erfolgt, werden als Wärmekraftmaschinen bezeichnet.<Anlage 2 >

Um die Arbeit durch Verbrennen von Kraftstoff in einem als Heizgerät bezeichneten Gerät zu erledigen, können Sie einen Zylinder verwenden, in dem sich das Gas erwärmt und ausdehnt und den Kolben bewegt.<Anhang 3 > Das Gas, durch dessen Ausdehnung der Kolben bewegt wird, wird als Arbeitsmedium bezeichnet. Das Gas dehnt sich aus, weil sein Druck höher ist als der Außendruck. Aber wenn sich das Gas ausdehnt, sinkt sein Druck und wird früher oder später gleich dem Außendruck. Dann wird die Gasexpansion beendet und es hört auf zu arbeiten.

Was ist zu tun, damit die Arbeit der Wärmekraftmaschine nicht aufhört? Damit der Motor kontinuierlich arbeiten kann, ist es erforderlich, dass der Kolben nach der Expansion des Gases jedes Mal in seine ursprüngliche Position zurückkehrt und das Gas in seinen ursprünglichen Zustand komprimiert. Eine Kompression des Gases kann nur unter Einwirkung einer äußeren Kraft erfolgen, die in diesem Fall Arbeit verrichtet (die Kraft des Gasdrucks verrichtet in diesem Fall negative Arbeit). Danach können die Expansions- und Kontraktionsprozesse des Gases wieder stattfinden. Dies bedeutet, dass die Arbeit einer Wärmekraftmaschine aus sich periodisch wiederholenden Prozessen (Zyklen) der Expansion und Kontraktion bestehen sollte.

Abbildung 1 zeigt grafisch die Gasexpansionsprozesse (Linie AB) und Komprimierung auf das Originalvolumen (Zeile CD). Die Arbeit des Gases beim Expansionsprozess ist positiv ( AF> 0 ABEF... Die Arbeit des Gases bei der Kompression ist negativ (da AF< 0 ) und ist numerisch gleich der Fläche der Figur CDEF. Die Nutzarbeit für diesen Zyklus ist numerisch gleich der Differenz der Flächen unter den Kurven AB und CD(in der Abbildung ausgefüllt).
Das Vorhandensein einer Heizung, eines Arbeitsmediums und eines Kühlschranks ist eine grundsätzlich notwendige Voraussetzung für den kontinuierlichen zyklischen Betrieb jeder Wärmekraftmaschine.

Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschine

Das Arbeitsfluid, das eine bestimmte Wärmemenge Q 1 von der Heizung erhält, gibt einen Teil dieser Wärmemenge, modulo | Q2 |, an den Kühlschrank ab. Daher kann die geleistete Arbeit nicht mehr sein A = Q 1 - |Q 2 |. Das Verhältnis dieser Arbeit zur Wärmemenge, die das expandierende Gas vom Erhitzer erhält, heißt Effizienz Wärmemaschine:

Der Wirkungsgrad einer in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Wärmekraftmaschine ist immer kleiner als eins. Die Aufgabe der Wärmekrafttechnik besteht darin, den Wirkungsgrad möglichst hoch zu gestalten, also möglichst viel der vom Heizgerät aufgenommenen Wärme für die Arbeit zu nutzen. Wie kann dies erreicht werden?
Der vollkommenste Kreisprozess, bestehend aus Isothermen und Adiabaten, wurde erstmals 1824 vom französischen Physiker und Ingenieur S. Carnot vorgeschlagen.

Carnot-Zyklus.

Nehmen wir an, das Gas befindet sich in einem Zylinder, dessen Wände und Kolben aus wärmeisolierendem Material bestehen und der Boden aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht. Das vom Gas eingenommene Volumen beträgt V1.

Wir bringen den Zylinder mit der Heizung in Kontakt (Abbildung 2) und lassen das Gas isotherm expandieren und verrichten Arbeit . Gleichzeitig erhält das Gas eine gewisse Wärmemenge von der Heizung. Frage 1. Dieser Vorgang wird durch eine Isotherme grafisch dargestellt (Kurve AB).

Wenn das Gasvolumen einen bestimmten Wert erreicht V1 '< V 2 , der Boden des Zylinders ist von der Heizung isoliert , danach expandiert das Gas adiabatisch auf ein Volumen V2, entsprechend dem maximal möglichen Hub des Kolbens im Zylinder (adiabat Sonne). In diesem Fall wird das Gas auf eine Temperatur abgekühlt T 2< T 1 .
Das abgekühlte Gas kann nun bei einer Temperatur . isotherm verdichtet werden T2. Dazu muss er mit einem Körper in Kontakt gebracht werden, der die gleiche Temperatur hat T2, z.B. mit Kühlschrank , und komprimiere das Gas mit einer äußeren Kraft. Bei diesem Vorgang kehrt das Gas jedoch nicht in seinen ursprünglichen Zustand zurück - seine Temperatur ist immer niedriger als T 1.
Daher wird die isotherme Kompression auf ein bestimmtes Zwischenvolumen gebracht V2 '> V1(Isotherme CD). In diesem Fall gibt das Gas eine gewisse Wärmemenge an den Kühlschrank ab. Frage 2, gleich der darauf verrichteten Kompressionsarbeit. Danach wird das Gas adiabatisch auf ein Volumen komprimiert V1, während seine Temperatur auf ansteigt T 1(adiabat DA). Jetzt ist das Gas in seinen ursprünglichen Zustand zurückgekehrt, in dem sein Volumen gleich V 1 ist, die Temperatur ist T1, Druck - p 1, und der Zyklus kann erneut wiederholt werden.

Also auf der Seite ABC Gas funktioniert (A> 0), und auf der Website CDA Arbeit wird mit Gas gemacht (EIN< 0). Auf Grundstücken Sonne und ANZEIGE Arbeit wird nur durch Änderung der inneren Energie des Gases verrichtet. Da die Änderung der inneren Energie UBC = -UDA, dann ist die Arbeit bei adiabatischen Prozessen gleich: ABC = –ADA. Somit ergibt sich die Gesamtarbeit pro Zyklus aus der Differenz der geleisteten Arbeit bei isothermen Prozessen (Abschnitte AB und CD). Numerisch ist diese Arbeit gleich der Fläche der Figur, die durch die Zykluskurve begrenzt wird A B C D.
Nur ein Teil der Wärmemenge wird tatsächlich in Nutzarbeit umgewandelt. QT, von der Heizung empfangen, gleich QT 1 - | QT 2 |. Also, in einem Carnot-Zyklus, nützliche Arbeit A = QT 1 - |QT 2 |.
Die maximale Effizienz eines idealen Zyklus, wie von S. Carnot gezeigt, kann in Form der Heiztemperatur ausgedrückt werden (T1) und Kühlschrank (T2):

V echte Motoren führt keinen Zyklus aus idealen isothermen und adiabatischen Prozessen durch. Daher ist die Effizienz des in realen Motoren durchgeführten Zyklus immer geringer als die Effizienz des Carnot-Zyklus (bei gleichen Temperaturen von Heizungen und Kühlschränken):

Aus der Formel ist ersichtlich, dass die Effizienz der Motoren umso höher ist, je höher die Temperatur der Heizung und je niedriger die Temperatur des Kühlschranks ist.

Problemnummer 703

Der Motor arbeitet nach dem Carnot-Zyklus. Wie verändert sich der Wirkungsgrad einer Wärmekraftmaschine, wenn bei einer konstanten Kühlschranktemperatur von 17 °C die Heizungstemperatur von 127 auf 447 °C erhöht wird?

Problemnummer 525

Definieren Motoreffizienz Traktor, der zur Verrichtung der Arbeiten 1,9 107 J/kg benötigte 1,5 kg Kraftstoff mit einem spezifischen Heizwert von 4,2 107 J/kg.

Durchführen eines Computertests zu einem Thema.<Anhang 4 > Arbeiten mit einem Wärmekraftmaschinenmodell.