Zasada działania silników cieplnych. Współczynnik wydajności (COP) silników cieplnych

Silnik cieplny - urządzenie, które zamienia energię wewnętrzną spalonego paliwa na energię mechaniczną. Rodzaje silników cieplnych : 1) silniki wewnętrzne spalanie: a) olej napędowy, b) gaźnik; 2) silniki parowe; 3) turbiny: a) gazowe, b) parowe.

Wszystkie wymienione silniki cieplne mają inny projekt ale składają się z trzy główne części : grzejnik, płyn roboczy i lodówka. Podgrzewacz zapewnia przepływ ciepła do silnika. Ciało robocze zamienia część otrzymanego ciepła na Praca mechaniczna. Lodówka odbiera część ciepła z płynu roboczego.

T1- temperatura grzałki;

T 2–Temperatura lodówki;

P 1- ciepło odebrane

z grzejnika;

P2- ciepło oddane

lodówka;

A "- robota skończona

silnik.

Praca dowolnego silnik cieplny składa się z powtarzalnych procesów cyklicznych - cykli. Cykl - to taka sekwencja procesów termodynamicznych, w wyniku której układ powraca do stanu początkowego.

Współczynnik przydatne działanie(Efektywność) silnik cieplny to stosunek pracy wykonanej przez silnik do ilości ciepła odbieranego z nagrzewnicy: .

Francuski inżynier Sadi Carnot brany pod uwagę idealny silnik cieplny z gaz doskonały jako płyn roboczy. Znalazł optymalny idealny cykl silnika cieplnego, składający się z dwóch izotermicznych i dwóch adiabatycznych procesów odwracalnych - Cykl Carnota ... Wydajność takiej maszyny grzewczej z grzałką w temperaturze i lodówką w temperaturze: ... Niezależnie od konstrukcji, doboru płynu roboczego i rodzaju procesów w silniku cieplnym, jego sprawność nie może być wyższa niż sprawność silnika cieplnego pracującego w cyklu Carnota i posiadającego takie same temperatury nagrzewnicy i chłodni jak to ciepło silnik.

Sprawność silników cieplnych jest niska, dlatego najważniejszym zadaniem technicznym jest jej zwiększenie. Silniki cieplne mają dwa znaczna wada... Po pierwsze, większość silników cieplnych używa paliwo kopalne, którego wydobycie szybko wyczerpuje zasoby planety. Po drugie, w wyniku spalania paliwa w środowisko ogromna ilość szkodliwe substancje, co stwarza poważne problemy środowiskowe.

Z badaniem zagadnienia maksymalna wydajność odkrycie silników cieplnych w 1850 roku przez niemieckiego fizyka R. Clasius druga zasada termodynamiki : taki proces jest niemożliwy, w którym ciepło samorzutnie przechodziłoby z ciał zimniejszych do ciał cieplejszych.

Wielkości fizyczne i ich jednostki miary:

Nazwa wartość	Przeznaczenie	Jednostka miary	Formuła
Względna masa cząsteczkowa	Pan(eee)	ilość bezwymiarowa
Masa jednej cząsteczki (atom)	m 0	kg
Waga	m	kg
Masa cząsteczkowa	m
Ilość substancji	ν (nagi)	Kret(mol)	;
Liczba cząstek	n(pl)	ilość bezwymiarowa
Nacisk	P(pe)	Rocznie(paskal)
Stężenie	n(pl)
Tom	V(ve)
Średnia energia kinetyczna ruch translacyjny Cząsteczki		J(dżul)
Temperatura Celsjusza	T	° C
Temperatura w kelwinach	T	DO(kelwin)
Średnia kwadratowa prędkość cząsteczek
Napięcie powierzchniowe	σ (sigma)
Wilgotność bezwzględna	ρ (ro)
Wilgotność względna	φ (fi)	%
Energia wewnętrzna	U(y)	J(dżul)
Praca	A(a)	J(dżul)
Ilość ciepła	Q(NS)	J(dżul)

Maszyny, w których energia wewnętrzna paliwa jest zamieniana na mechaniczną, nazywa się silniki cieplne. Należą do nich: silniki spalinowe, turbiny parowe i gazowe, silniki odrzutowe... Dowiedzmy się, jakie warunki są niezbędne do przekształcenia energii wewnętrznej paliwa w energię mechaniczną wału roboczego silnika w silniku cieplnym.

Substancja, która działa w silniku cieplnym, nazywa się ciało robocze. V silniki parowe jest to para, a w silniku spalinowym, silniku odrzutowym i turbinie gazowej jest to gaz. Jak pokazuje teoria silników cieplnych, ciało robocze stale wykonywana w nich praca, konieczne jest posiadanie grzałki i lodówki w silniku. Nazywa się urządzenie, w którym płyn roboczy jest ogrzewany energią paliwa podgrzewacz(kocioł parowy, zasobnik). Urządzenie, w którym płyn roboczy jest chłodzony po zakończeniu pracy, nazywa się lodówka(atmosfera, skraplacz, w którym para odlotowa jest chłodzona przez bieżącą wodę i zamieniana w wodę).

Zróbmy następujący eksperyment (rys. 30). Weź rurkę w kształcie litery U wypełnioną wodą. Jedno kolanko rurki połączone jest z radiatorem (w którym znajduje się ciecz robocza - gaz), w drugim kolanku znajduje się pływak A. Naprzemiennie radiator zostanie podgrzany lampą alkoholową i opuszczony do zimnej wody . Lampa spirytusowa pełni rolę podgrzewacza płynu roboczego, zimna woda- rola lodówki. Praca takiego modelu silnika cieplnego polega na powtarzalnym procesie - podnoszenia i opuszczania wody wraz z pływakiem. Dzieje się to tak: płyn roboczy (gaz), nagrzewając się w podgrzewaczu i rozprężając, wykonuje pracę podnoszenia wody za pomocą pływaka; aby płyn roboczy ponownie wykonał pracę, jest chłodzony w lodówce, a następnie ponownie podgrzewany. Dopóki ten proces będzie się powtarzał, model takiego silnika będzie działał.

Silnik cieplny pracuje w sposób ciągły. Dzieje się tak, ponieważ w nim cyklicznie powtarzają się procesy zachodzące z płynem roboczym: nagrzewa się, rozpręża, wykonuje pracę, stygnie, ponownie się nagrzewa itp. (Dalej to w pracy silnika spalinowego). do pracy silnika cieplnego niezbędne są: grzałka, płyn roboczy i lodówka.

Dla okresowo powtarzających się procesów odkryto prawo, zgodnie z którym niemożliwe jest przeprowadzenie takiego cyklicznie powtarzającego się procesu, którego jedynym i ostatecznym rezultatem byłaby całkowita zamiana ilości ciepła odebranego z grzałki na pracę. W odniesieniu do silnika cieplnego oznacza to: ilość ciepła odbieranego przez płyn roboczy z grzałki nie może być w pełni wykorzystana do wykonania pracy, ponieważ proces całkowitej transformacji energii wewnętrznej losowego ruchu dużej liczby cząsteczek w mechaniczną energię ruchu ciała (tłok silnika, wirnik turbiny).

Aby płyn roboczy mógł wielokrotnie wykonywać pracę w rzeczywistych silnikach cieplnych, zużyta część płynu roboczego jest usuwana z silnika do lodówki, tj. do atmosfery lub do skraplacza do podgrzewania wody lub do ogrzewanie (rys. 31). Jednocześnie, aby wykonać jak najmniej pracy przy wyjmowaniu, temperatura i ciśnienie w lodówce są zawsze niższe niż w komorze roboczej silnika. Dzięki różnicy między pracą pary a pracą jej usuwania, silnik wykonuje pożyteczną pracę. Z energetycznego punktu widzenia proces zachodzący w silnikach cieplnych wygląda następująco (rys. 32): płyn roboczy odbiera ilość ciepła z grzałki Q n z czego część daje się do lodówki Px, a kosztem pozostałej części wykonuje pracę A = Q n - Q x.

Silniki cieplne są szeroko stosowane. Silniki gaźnikowe stosowane np. w samochodach, motocyklach; diesle - w traktorach, samochodach duża nośność, lokomotywy spalinowe, statki motorowe, statki morskie; turbiny parowe- w elektrowniach; Turbiny gazowe- w elektrowniach lokomotywy z turbinami gazowymi, w wielkich piecach do napędzania dmuchaw są częścią jednego z typów silników odrzutowych; silniki odrzutowe - w lotnictwie, w rakietach.

Galina Denisenko 06.02.2016 11:31

Jeżeli gm jest ciepłem przenoszonym przez grzałkę silnika cieplnego, to praca zostanie obliczona jako RÓŻNICA, a nie SUMA gm i Q lodówki. Sprawdź poprawną odpowiedź i zamień „4” na „3”. Dziękuję, pozdrawiam Denisenko G.B. Nauczyciel fizyki.

Antoni

Stan problemu jest nieprawidłowy. Wskazuje się, że w związku z tym należy go dodać.

gość 03.03.2016 19:29

Dobry dzień!

Uważam, że stan tego problemu jest nieprawidłowy z następujących powodów.

W stanie problemu mówi się, że „przeniesiono korpus roboczy maszyny

do lodówki ilość ciepła Qhol< 0". Но если Qхол - это

ilość ciepła przeniesionego z płynu roboczego do lodówki, a następnie znak

Qcold>0 - oznacza kierunek przepływu ciepła - z lodówki do

grzałka, a znak taki sam (jak w zgłoszeniu problemu) Qhol< 0 - означает, что

strumień ciepła kierowany jest z lodówki na grzałkę (!), która

przeczy Drugiemu Prawu (początkowi) termodynamiki!

Tradycyjnie Qhol to ilość ciepła przenoszonego przez płyn roboczy

lodówka, - wartość większa od zera (dodatnia), która

odzwierciedla zgodność z prawami termodynamiki.

Formuła na efektywność silnik cieplny w postaci n = (Q1 + Q2) / Q1 (ze znakiem

„+” między Q1 a Q2) są zawarte w niektórych samouczkach i odniesieniach

literatury, ale w tym przypadku uważa się, że Q1 to ilość ciepła,

odbierany przez płyn roboczy z grzałki, a Q2 to ilość

ciepło OTRZYMYWANE przez płyn roboczy z lodówki, natomiast Q2< 0 ,

a to oznacza, że ​​płyn roboczy przenosi do lodówki ilość

ciepło -Q2 (ze znakiem minus). Zobacz na przykład: Yavorsky B.M. oraz

Detlaf AA Podręcznik fizyki: wyd. 2, ks. - M., Dom

wydanie literatury fizycznej i matematycznej, 1985, - s. 119, paragraf 7.

W związku z powyższym uważam, że stan tego problemu i jego rozwiązanie

powinny zostać odpowiednio zrewidowane (skorygowane).

Z drugiej strony sama produkcja

wybór „poprawnych” formuł jest głupi, nawet jeśli znak nierówności jest poprawiony.

Z poważaniem, Erszow Aleksander Pietrowicz, doc. fiz.-mat. Sci., Profesor, Kierownik Laboratorium Fizyki Wybuchów

Instytut Hydrodynamiki. MAMA. Ławrentiewa

Syberyjski Oddział Rosyjskiej Akademii Nauk

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

gość 05.03.2016 16:41

Drogi redaktorze! W termodynamice obowiązuje zasada: jeżeli ilość ciepła oddanego przez ciało przyjmiemy jako Q, to Q>0 oznacza, że ​​przepływ ciepła jest kierowany z ciała na inne ciała (ciało traci ciepło w ilości z Q) i 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. Maszyny grzewcze.

- urządzenie zamieniające ciepło na pracę mechaniczną (silnik cieplny) lub pracę mechaniczną na ciepło (lodówka). Transformacja odbywa się poprzez zmianę energii wewnętrznej płynu roboczego - w praktyce zwykle cieczy lub gazu.

Krótko mówiąc, silniki cieplne zamień ciepło w pracę lub odwrotnie, pracę w ciepło.

Przykłady silników cieplnych: Silnik spalinowy (ICE) a) silnik gaźnikowy b) silnik wysokoprężny c) silnik odrzutowy Turbiny parowe i gazowe.

1.1. Historia powstania silników cieplnych.

Wielu uważa, że ​​historia maszyn parowych rozpoczęła się w Anglii dopiero pod koniec XVII wieku. Ale to nie do końca prawda.

Już w I wieku pne jeden z wielkich naukowców starożytnej Grecji, Czapla z Aleksandrii, napisał traktat „Pneumatyka”. Opisał maszyny wykorzystujące energię cieplną. Najciekawsze dla nas były dwa silniki cieplne.

Eolipil - kula "Eola", obracająca się wokół własnej osi pod wpływem wydobywającej się z niej pary. W rzeczywistości było?prototyp przyszłych turbin parowych.

Kolejnym godnym uwagi urządzeniem Bohatera Aleksandrii był napęd drzwi świątyni, które otwierały się pod działaniem ognia rozpalonego na ołtarzu. Dzięki szczegółowej analizie w tym złożonym systemie mechanizmów możemy zobaczyćpierwsza pompa parowa.

Wszystkie silniki cieplne stworzone przez Hero of Alexandria były używane wyłącznie jako zabawki. W tamtym czasie nie było na nie popytu.

Prawdziwa historia parowozów zaczyna się dopiero w XVII wieku. Jeden z pierwszych, którzy stworzylidziałający prototyp silnika parowego, był Denis Papin. Silnik parowy Papena był właściwie tylko szkicem, modelem. Nigdy nie udało mu się stworzyć prawdziwego silnika parowego, który mógłby zostać wykorzystany w produkcji. 1680 - Wynalazł kocioł parowy w 1681 roku. - Wyposażony w zawór bezpieczeństwa 1690. - Jako pierwszy użył pary do podniesienia tłoka i opisał zamknięty obieg termodynamiczny silnika parowego. 1707 - podał opis swojego silnika. Ale jego prace nie zostały zapomniane przez tysiąclecia jako dzieła Herona. Wszystkie jego pomysły zostały zastosowane w następnej generacji maszyn parowych.

Jeśli bardzo trudno jest dokładnie ustalić, kto jako pierwszy w historii techniki stworzył silnik parowy, to wiadomo na pewno, kto pierwszy opatentował i zastosował w praktyce swój silnik parowy. W 1698 r. Anglik Thomas Severi zarejestrował pierwsząpatent na urządzenie "do podnoszenia wody i uzyskiwania ruchu wszelkiego rodzaju produkcji z wykorzystaniem siły napędowej ognia..."... Jak widać opis patentu jest bardzo niejasny. W rzeczywistości stworzył pierwszą pompę parową. Jedyne, co mógł zrobić, to podnieść wodę. Jednocześnie sprawność pompy była niezwykle niska, a zużycie węgla po prostu ogromne. Dlatego pompa była stosowana głównie w kopalniach węgla. Wypompowali wody gruntowe.

W 1712 roku świat zobaczył maszyna parowa Thomasa Newcomena. Silnik parowy Newcomena zawiera najlepsze pomysły z silnika parowego Papena i pompy parowej Severi. W nim do wykonywania ruchu wykorzystano cylinder parowy z tłokiem, jak w silniku parowym Papen. W tym przypadku parę pozyskiwano oddzielnie, w kotle parowym, tak jak w pompie parowej Severi.

Pomimo wielkiego przełomu w tworzeniu silników parowych, maszyna Newcomena otrzymała swój główny rozkład tylko jako napęd pomp wodnych. Głównymi wadami maszyny parowej Newcomen były jej ogromne rozmiary i duże zużycie węgla. Próby wykorzystania go do napędzania parowców nie powiodły się.

Od ponad 50 lat silnik parowy Newcomen pozostaje niezmieniony. W 1763 roku James Watt, mechanik z Uniwersytetu Glasgow, otrzymał propozycję naprawy silnika parowego Newcomena. W trakcie pracy z maszyną Newcomena Watt dochodzi do wniosku, że fajnie byłoby ją ulepszyć.

Po pierwsze, Watt decyduje się na utrzymywanie gorącego cylindra przez cały czas. Zmniejszy to zużycie węgla. W tym celu tworzy skraplacz do chłodzenia pary. Następną rzeczą, jaką robi, jest zmiana sposobu działania cylindra parowego. Jeżeli w silniku parowym Newcomen maszyna wykonywała swój suw roboczy pod działaniem ciśnienia atmosferycznego, to w silniku parowym Watta tłok wykonywał swój suw roboczy pod działaniem ciśnienia pary. Umożliwiło to zwiększenie ciśnienia w cylindrze i zmniejszenie wielkości silnika parowego.

W 1773 Watt buduje swój pierwszydziałający silnik parowy... A w 1774 roku wraz z przemysłowcem Matthew Boltonem Watt otworzył firmę produkującą silniki parowe. W latach 1775-1785 - firma Watt zbudowała 56 parowozów. Od 1785 do 1795 - 144 z tych maszyn zostało już dostarczonych przez tę samą firmę.Wszystko szło dobrze i Bolton prosi Watta o stworzenie silnika parowego dla jego nowej walcowni blach.

W 1884 roku Watt tworzy pierwszyuniwersalna maszyna parowa.Jego głównym przeznaczeniem jest napęd obrabiarek przemysłowych. Od tego momentu lokomotywa parowa nie jest już powiązana z kopalniami węgla. Zaczynają go używać w fabrykach, instalują na parowcach i tworzą pociągi.

To silnik parowy Watta dokonał przełomu technologicznego w technologii. Otworzyła nową erę w historii techniki - erę parowozów.

Pierwszy wagon parowy 1770... Jean Cugno - francuski inżynier, zbudował pierwszy samobieżny wózek, przeznaczony do przemieszczania dział artyleryjskich

"Młodszy brat" - parowóz z 1803 roku. - Angielski wynalazca Richard Trevithick zaprojektował pierwszą lokomotywę parową. Po 5 latach Trevithick zbudował nową lokomotywę parową. rozwinął prędkość do 30 km/h. W 1816, bez wsparcia, Trevithick zbankrutował i wyjechał do Ameryki Południowej

Decydująca rola lat 1781-1848. - angielski projektant i wynalazca George Stephenson 1814. - Zaczął budować parowozy. 1823 W 1829 założył pierwszą na świecie fabrykę parowozów. Parowóz Raketa firmy Stephenson zajął pierwsze miejsce w konkursie na najlepsze lokomotywy. Jego moc wynosiła 13 KM, a prędkość 47 km/h.

Silnik spalinowy 1860- Francuski mechanik Lenoir wynalazł silnik spalinowy w 1878 roku. - Niemiecki wynalazca Otto zaprojektował czterosuwowy silnik spalinowy. 1825 - Niemiecki wynalazca Daimler stworzył benzynowy silnik spalinowy Mniej więcej w tym samym czasie silnik benzynowy został opracowany przez Kostovicha w Rosji.

Specjalne urządzenie. Gaźnik.Niemiecki inżynier Rudolf Diesel zaprojektował silnik spalinowy, w którym sprężano nie palną mieszankę, ale powietrze. Są to najbardziej ekonomiczne silniki cieplne 1) pracują na tanim paliwie 2) mają sprawność 31-44% w dniu 29 września 1913 r. Wsiadł na parowiec płynący do Londynu. Następnego ranka nie znaleźli go w kajucie. Uważa się, że popełnił samobójstwo rzucając się nocą do wód kanału La Manche.

1.2. Zasada działania silnika cieplnego.

Silniki cieplne mogą być rozmieszczone na różne sposoby, ale w każdym silniku cieplnym musi znajdować się substancja robocza lub korpus, który wykonuje pracę mechaniczną w części roboczej maszyny, grzałka, w której substancja robocza pobiera energię, oraz lodówka, która usuwa ciepło z ciała roboczego.

Czynnikiem roboczym może być para lub gaz.

1.3. Rodzaje silników cieplnych.

Silniki cieplne są dwojakiego rodzaju - w zależności od kierunku zachodzących w nich procesów:
1. Silniki cieplneprzekształca ciepło pochodzące z zewnętrznego źródła w pracę mechaniczną.

Maszyny chłodniczeprzenosić ciepło z mniej nagrzanego korpusu do bardziej nagrzanego dzięki mechanicznej pracy źródła zewnętrznego.

Rozważmy bardziej szczegółowo te typy silników cieplnych.

1.3.1. Silniki cieplne.

Wiemy, że wykonywanie pracy nad ciałem jest jednym ze sposobów zmiany jego wewnętrznej energii: ukończona praca niejako rozpuszcza się w ciele, zamieniając się w energię chaotycznego ruchu i interakcji jego cząstek.

Silnik cieplny to urządzenie, które, przeciwnie, wydobywa użyteczną pracę z „chaotycznej” energii wewnętrznej ciała. Wynalezienie silnika cieplnego naprawdę zmieniło oblicze ludzkiej cywilizacji.

Schemat ideowy silnika cieplnego można przedstawić w następujący sposób:

Zobaczmy, co oznaczają elementy tego diagramu.

Ciało robocze silnik na gaz. Rozszerza się, porusza tłokiem iw ten sposób wykonuje użyteczną pracę mechaniczną.

Aby jednak zmusić gaz do rozszerzania się, pokonując siły zewnętrzne, konieczne jest podgrzanie go do temperatury znacznie wyższej niż temperatura otoczenia. W tym celu gaz wchodzi w kontakt z grzejnikiem - spalającym paliwo.

W procesie spalania paliwa uwalniana jest znaczna energia, której część wykorzystywana jest do podgrzania gazu. Gaz odbiera z nagrzewnicy ilość ciepła Qн ... To z powodu tego ciepła silnik wykonuje pożyteczną pracę. A .

To wszystko jasne, ale czym jest lodówka i dlaczego jest potrzebna?

Dzięki pojedynczemu rozprężeniu gazu możemy jak najefektywniej wykorzystać dopływające ciepło i zamienić je całkowicie w pracę. Aby to zrobić, musisz rozciągnąć gaz izotermicznie: pierwsza zasada termodynamiki, jak wiemy, daje nam w tym przypadku A = Qn.

Ale nikt nie potrzebuje jednorazowej rozbudowy. Silnik musi pracować cyklicznie, zapewnienie okresowej powtarzalności ruchów tłoka. Dlatego pod koniec rozprężania gaz musi zostać sprężony, przywracając go do pierwotnego stanu.

W procesie ekspansji gaz wykonuje pewną użyteczną pracę A1. W procesie sprężania na gazie wykonywana jest praca dodatnia A2 (a sam gaz wykonuje pracę ujemną A2). W końcu użyteczna praca gaz na cykl A = A1-A2.

Oczywiście musi być A>0 lub A2<А1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Jak można to osiągnąć? Odpowiedź: Spręż gaz przy niższym ciśnieniu niż podczas rozprężania. Innymi słowy, na wykresie pV proces kompresji musi przebiegać poniżej procesu rozprężania, tj. cyklu należy przejechać zgodnie z ruchem wskazówek zegara.

Na przykład w cyklu na rysunku praca gazu podczas rozprężania jest równa powierzchni zakrzywionego trapezu V11a2V2. Podobnie praca przy sprężaniu gazu jest równa powierzchni zakrzywionego trapezu V11b2V2 ze znakiem minus. W rezultacie praca A gazu na cykl okazuje się dodatnia i równa powierzchni cyklu 1a2b1.

Dobra, ale jak sprawić, by gaz powrócił do pierwotnego stanu wzdłuż niższej krzywej, tj. e. Przez państwa z mniejszymi podziałami? Przypomnijmy, że dla danej objętości im niższa temperatura, tym niższe ciśnienie gazu. Dlatego po sprężeniu gaz musi przejść przez stany o niższych temperaturach.

Do tego właśnie służy lodówka: do fajny gaz w procesie sprężania. Lodówka może być atmosferą (dla silników spalinowych) lub chłodzącą bieżącą wodą (dla turbin parowych).

Po schłodzeniu gaz oddaje pewną ilość ciepła Q2 do lodówki. Całkowita ilość ciepła odbieranego przez gaz na cykl staje się równa Q1-Q2. Zgodnie z pierwszą zasadą termodynamiki:
Q 1- Q 2 = A + deltaU,

gdzie deltaU jest zmianą energii wewnętrznej gazu na cykl. Jest równy zero deltaU = 0, ponieważ gaz powrócił do swojego pierwotnego stanu (a energia wewnętrzna, jak pamiętamy, wynosi funkcja stanu). W rezultacie praca gazu na cykl jest równa:
A = Q 1- Q 2.

Jak widać, A

Wskaźnikiem sprawności przetwarzania energii spalania paliwa na pracę mechaniczną jest sprawność silnika cieplnego.

Sprawność silnika cieplnegoJest stosunkiem pracy mechanicznej A do ilości ciepła Q1 dostarczanego z nagrzewnicy.

Jak widzimy, sprawność silnika cieplnego jest zawsze mniejsza niż jedność. Np. sprawność turbin parowych wynosi ok. 25%, a sprawność silnika spalinowego ok. 40%.

1.3.2. Maszyny chłodnicze.

Codzienne doświadczenie i doświadczenia fizyczne mówią nam, że w procesie wymiany ciepła ciepło jest przekazywane z ciała bardziej nagrzanego do mniej nagrzanego, ale nie odwrotnie. Nigdy nie zaobserwowano procesów, w których w wyniku wymiany ciepła energia spontanicznie przechodzi z ciała zimnego do gorącego, w wyniku czego ciało zimne ochładzałoby się jeszcze bardziej, a ciało gorące jeszcze bardziej by się nagrzewało.

Kluczowym słowem jest tutaj „spontaniczny”. Jeśli korzystasz z zewnętrznego źródła energii, całkiem możliwe jest przeprowadzenie procesu przenoszenia ciepła z zimnego ciała do gorącego. To właśnie robią maszyny chłodnicze.

W porównaniu z silnikiem cieplnym procesy w maszynie chłodniczej przebiegają w odwrotnym kierunku. (Rys. 86).

Ciało robocze nazywana jest również maszyna chłodnicza chłodziwo (w prawdziwych instalacjach chłodniczych czynnik chłodniczy jest lotnym roztworem o niskiej temperaturze wrzenia, który odbiera ciepło podczas parowania i oddaje je podczas kondensacji). Dla uproszczenia uznamy to za gaz, który pochłania ciepło podczas rozprężania i oddaje się podczas sprężania.

Lodówka (T2) w maszynie chłodniczej to korpus, z którego odprowadzane jest ciepło. Lodówka przenosi ilość ciepła Q2 do płynu roboczego (gazu), w wyniku czego gaz rozszerza się.

Podczas sprężania gaz oddaje ciepło Q1 do bardziej nagrzanego korpusu - grzałki (T1). Aby taka wymiana ciepła miała miejsce, gaz musi być sprężony w wyższych temperaturach niż podczas rozprężania. Jest to możliwe tylko dzięki pracy A wykonywanej przez zewnętrzne źródło (np. silnik elektryczny) (w rzeczywistych agregatach chłodniczych silnik elektryczny wytwarza w parowniku niskie ciśnienie, w wyniku czego czynnik chłodniczy wrze i pobiera ciepło przeciwnie, silnik elektryczny wytwarza w skraplaczu wysokie ciśnienie, pod którym czynnik chłodniczy skrapla się i oddaje ciepło). W związku z tym ilość ciepła przekazanego do grzałki okazuje się większa niż ilość ciepła pobranego z lodówki, właśnie o wartość A.

Q1 = Q2 + A.

Tak więc na wykresie pV cykl pracy agregatu chłodniczego przebiega przeciwnie do ruchu wskazówek zegara... Obszar cyklu to praca A, wykonywana przez źródło zewnętrzne,

Głównym celem maszyny chłodniczej jest chłodzenie określonego zbiornika (na przykład zamrażarki). W tym przypadku zbiornik ten pełni rolę lodówki, a środowisko pełni rolę grzałki - ciepło usunięte ze zbiornika jest do niego odprowadzane.

Wskaźnikiem wydajności maszyny chłodniczej jest współczynnik chłodzeniarówny stosunkowi ciepła usuwanego z lodówki do pracy źródła zewnętrznego:

A = Q 2 / A

Współczynnik chłodzenia może być więcej niż jeden. W prawdziwych lodówkach przyjmuje wartości od około 1 do 3.

Jest jeszcze jedna ciekawa aplikacja: chiller może pełnić funkcję pompy ciepła. Wtedy jego zadaniem jest ogrzanie pewnego zbiornika (np. ogrzewanie pomieszczenia) dzięki ciepłu usuwanemu z otoczenia. W tym przypadku tym zbiornikiem będzie grzałka, a otoczeniem będzie lodówka.

Wskaźnikiem sprawności pompy ciepła jest współczynnik ogrzewaniarówny stosunkowi ilości ciepła przekazanego do podgrzewanego zbiornika do pracy źródła zewnętrznego.

Wartości współczynników grzania rzeczywistych pomp ciepła zwykle mieszczą się w przedziale od 3 do 5.

1.4. Silnik cieplny Carnota.

Najważniejszą cechą silnika cieplnego są najwyższe i najniższe wartości temperatury płynu roboczego podczas cyklu. Wartości te są odpowiednio nazwanetemperatura grzałki oraz temperatura lodówki.

Widzieliśmy, że sprawność silnika cieplnego jest ściśle mniejsza niż jedność. Powstaje naturalne pytanie: jaka jest najwyższa możliwa sprawność silnika cieplnego przy stałych wartościach temperatury grzałki T1 i temperatury lodówki T2?

Niech np. maksymalna temperatura ciała pracującego silnika wynosi 1000 K, a minimalna 300 K. Jaka jest teoretyczna granica sprawności takiego silnika?

Odpowiedzi na to pytanie udzielił francuski fizyk i inżynier Sadi Carnot w 1824 roku. Wynalazł i zbadał wspaniały silnik cieplny z gazem idealnym jako płynem roboczym. Ta maszyna działa zgodnie z cyklem Carnota. składający się z dwóch izoterm i dwóch adiabatów.

Rozważ pętlę do przodu Maszyna Carnota jedzie zgodnie z ruchem wskazówek zegara. W takim przypadku maszyna działa jak silnik cieplny.

Izoterma 1-2. W sekcji 1-2 gaz wchodzi w kontakt termiczny z podgrzewaczem temperatury T1 i rozszerza się izotermicznie. Ilość ciepła Q1 jest dostarczana z nagrzewnicy i jest całkowicie zamieniana na pracę w tej sekcji: A12 = Q1.

Adiabata 2-3. Do kolejnego sprężania konieczne jest przeniesienie gazu do strefy o niższych temperaturach. W tym celu gaz jest izolowany termicznie, a następnie rozszerza się adiabatycznie w sekcji 2-3. Podczas rozprężania gaz wykonuje pozytywną pracę A23, dzięki czemu jego energia wewnętrzna maleje: deltaU23 = - A23.

Izoterma 3-4. Zdejmuje się izolację termiczną, gaz wchodzi w kontakt termiczny z lodówką o temperaturze T2. Następuje kompresja izotermiczna. Gaz daje lodówce ilość ciepła Q2 i wykonuje pracę ujemną A34 = - Q2.

Adiabata 4-1. Ta sekcja jest niezbędna do przywrócenia gazu do pierwotnego stanu. Podczas kompresji adiabatycznej gaz wykonuje pracę ujemną A41. Gaz jest podgrzewany do temperatury początkowej T1.

Carnot stwierdził skuteczność tego cyklu (obliczenia niestety wykraczają poza ramy szkolnego programu nauczania).

Co więcej, udowodnił, żeWydajność cyklu Carnota jest maksymalna możliwa dla wszystkich silników cieplnych z temperaturą grzałki T1 i temperaturą chłodni T2... Tak więc w powyższym przykładzie (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) mamy:

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

Jaki jest sens stosowania izoterm i adiabatów, a nie innych procesów?

Okazuje się, że procesy izotermiczne i adiabatyczne powodują, że maszyna Carnota jest odwracalna ... Może być prowadzony przez pętla odwrotna (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara) między tym samym grzejnikiem a lodówką, bez angażowania innych urządzeń. W takim przypadku maszyna Carnot będzie działać jako agregat chłodniczy.

Możliwość prowadzenia maszyny Carnota w obu kierunkach odgrywa bardzo ważną rolę w termodynamice. Na przykład fakt ten służy jako ogniwo dowodu na maksymalną wydajność cyklu Carnota.

2. Rakieta.

- (z wł. rocchetta - małe wrzeciono przez niego. Rakete lub holenderskie. raket) - samolot poruszający się w kosmosie na skutek działania ciągu odrzutowego, powstający dopiero w wyniku odrzucenia części własnej masy (ciała roboczego ) aparatu i bez użycia materii z otoczenia... Ponieważ lot rakiety niekoniecznie wymaga obecności otaczającego powietrza lub środowiska gazowego, jest to możliwe nie tylko w atmosferze, ale także w próżni. Słowo „rakieta” odnosi się do szerokiej gamy urządzeń latających, od świątecznej petardy po kosmiczny pojazd nośny.

W terminologii wojskowej słowo rakieta oznacza z reguły klasę bezzałogowych statków powietrznych wykorzystywanych do zwalczania odległych celów i wykorzystujących do lotu zasadę napędu odrzutowego. W związku z różnorodnym wykorzystaniem rakiet w siłach zbrojnych, przez różne rodzaje wojska, ukształtowała się szeroka klasa różnych rodzajów broni rakietowej.

1.1. Historia nauki o rakietach.

Zakłada się, że jakieś pozory rakiety zostały zaprojektowane wStarożytna Grecja autorstwa Alix Sin. Mówimy o latającym drewnianym gołębiu Archit of Tarentum.Jego wynalazek jest wymieniony w pracystarożytny rzymski pisarz Aulus Gellius „Noce na poddaszu”.Książka mówi, że ptak został podniesiony ciężarami i wprawiony w ruch przez powiew ukrytego i ukrytego powietrza. Nie zostało to jeszcze ustalone: ​​czy gołąb był wprawiany w ruch przez powietrze znajdujące się w jego wnętrzu, czy też powietrze, które nadmuchiwało go z zewnątrz? Nie jest jasne, w jaki sposób Archytas mógł uzyskać sprężone powietrze wewnątrz gołębia. W starożytnej tradycjipneumatyka nie ma odpowiednika takiego wykorzystania sprężonego powietrza.

Większość historyków przypisuje początki rakiet czasomChińska dynastia Han (206 pne - 220 ne), do odkrycia prochu i rozpoczęcia jego wykorzystania do fajerwerków i rozrywki. Siła generowana przez eksplozję ładunku proszkowego była wystarczająca do poruszania różnych obiektów.Później tę zasadę zastosowano przy tworzeniu pierwszegobroń i muszkiety. Pociski prochowemogły latać na duże odległości, ale nie były pociskami, ponieważ nie miały własnych zapasów paliwo. Niemniej jednak to wynalezienie prochu stało się głównym warunkiem pojawienia się prawdziwych pocisków.

Pierwsza rakieta została stworzona przez człowieka co najmniej 700 lat temu. W XIII wieku Chińczycy po raz pierwszy użyli rakiet lub, jak ich wówczas nazywano, „ognistych strzał” przeciwko najeźdźcom mongolskim i pogrążyli wroga w zamęcie i panice.

W bitwie pod Kaiken w 1232 roku Chińczycy wypuścili „ogniste strzały”, do których przymocowano rurkę wykonaną ze zbitego papieru, otwartą tylko z tyłu i wypełnioną palną mieszanką. Ten ładunek został podpalony, a następnie strzała została wystrzelona z łuku. Takie strzały były używane w wielu przypadkach podczas oblężenia fortyfikacji, przeciwko okrętom i kawalerii. Po bitwie pod Kaiken Mongołowie zaczęli produkować własne rakiety i rozpowszechniać pierwszą technologię rakietową w Europie.

Od XIII do XV wieku pojawiły się doniesienia o różnych eksperymentach z rakietami. W Anglii mnich imieniem Roger Bacon pracował nad nową formułą prochu, która zwiększyłaby zasięg pocisków rakietowych. We Francji Jean Froissart odkrył, że lot pocisku mógłby być dokładniejszy, gdyby rakieta została wystrzelona przez rurę. Po kilku stuleciach pomysł Froissarda dał impuls do stworzenia pocisków przeciwpancernych, takich jak bazooka. We Włoszech Gian de Fontana opracował podobny do torpedy pocisk, który poruszał się po powierzchni wody i podpalał wrogie statki.

Jednak indyjskiego księcia Haydara Ali, który rządził w królestwie Mysore (lub Karnataka), na południu Indii, można nazwać współcześnie innowatorem technologii rakietowej. Podczas wojen między Mysore a Brytyjską Kompanią Handlową Wschodnioindyjską Haydar Ali używał rakiet i pułków rakietowych w postaci regularnych oddziałów. Główną innowacją technologiczną było zastosowanie wysokiej jakości łuski metalowej, w którą umieszczono ładunek prochu (tak pojawiła się pierwsza komora spalania). Haydar Ali stworzył również specjalnie wyszkolone oddziały rakietowe, które mogły kierować pociski na odległe cele z akceptowalną dokładnością. Użycie rakiet w wojnach Anglo-Mysore skłoniło Brytyjczyków do pomysłu użycia tego typu broni. William Congreve, oficer sił brytyjskich, który jako trofeum zdobył kilka indyjskich rakiet, wysłał te pociski do Anglii w celu dalszych badań i opracowania. W 1804 r. Congreve, syn szefa królewskiego arsenału w Woolwich pod Londynem, zaczął opracowywać program rakietowy i masowo produkować rakiety. Congreve stworzył nową mieszankę paliwową i opracował silnik rakietowy oraz metalową rurkę ze zwężającą się końcówką. Rakiety te, które ważyły ​​15 kg, nazwano Congreve Rockets.

Artyleria rakietowa była powszechnie używana do końca XIX wieku. Rakiety były lżejsze i bardziej mobilne niż działa artyleryjskie. Dokładność i celność wystrzeliwania pocisków była niewielka, ale porównywalna z ówczesnymi działami artyleryjskimi. Jednak w drugiej połowie XIX wieku pojawiły się działa artyleryjskie gwintowane, zapewniające większą celność i celność ognia, a artyleria rakietowa została wszędzie wycofana ze służby. Tylko fajerwerki iflary sygnałowe.

Pod koniec XIX wieku podjęto próby matematycznego wyjaśnienia napędu odrzutowego i stworzenia skuteczniejszej broni rakietowej. W Rosji Nikołaj Tichomirow jako jeden z pierwszych zajął się tym problemem w 1894 roku.

Konstantin Tsiołkowski studiował teorię napędu odrzutowego. Wysunął pomysł wykorzystania rakiet do lotów w kosmos i przekonywał, że najbardziej wydajnym paliwem dla nich będzie połączenie ciekłego tlenu i wodoru. Zaprojektował rakietę do komunikacji międzyplanetarnej w 1903 roku.

Niemiecki naukowiec Hermann Obert również przedstawił zasady lotów międzyplanetarnych w latach 20. XX wieku. Ponadto prowadził testy laboratoryjne silników rakietowych.

Amerykański naukowiec Robert Goddart rozpoczął prace nad silnikiem rakietowym na paliwo ciekłe w 1923 roku, a działający prototyp ukończono pod koniec 1925 roku. 16 marca 1926 wystrzelił pierwszą rakietę na paliwo ciekłe, wykorzystując jako paliwo benzynę i ciekły tlen.

17 sierpnia 1933 wystrzelono rakietę GIRD 9, którą można uznać za pierwszą sowiecką rakietę przeciwlotniczą. Osiągnęła wysokość 1,5 km. A kolejna rakieta „GIRD 10”, wystrzelona 25 listopada 1933 r., Osiągnęła już wysokość 5 km.

14 marca 1931 członek VfR Johannes Winkler przeprowadził pierwszy w Europie udany start rakiety na paliwo ciekłe.

W 1957 r. w ZSRR pod kierownictwem Siergieja Korolowa powstał pierwszy na świecie międzykontynentalny pocisk balistyczny R-7 jako środek dostarczania broni jądrowej, który w tym samym roku został użyty do wystrzelenia pierwszego na świecie sztucznego satelity Ziemi. Tak zaczęło się wykorzystywanie rakiet do lotów kosmicznych.

2.2. Siły działające na rakietę w locie.

Nauka o badaniu sił działających na rakiety lub inne statki kosmiczne nazywa się astrodynamiką.

Główne siły działające na rakietę w locie:

Ciąg silnika.

Podczas poruszania się w atmosferze - wszelki opór.

Siła podnoszenia. Zwykle mały, ale istotny dla szybowców rakietowych.

2.3. Użycie rakiet.

2.3.1 Wojsko.

Pociski są wykorzystywane jako metoda dostarczania broni do celu. Niewielkie rozmiary i duża prędkość pocisków zapewniają im małą podatność na ataki. Ponieważ pilot nie jest potrzebny do kierowania pociskiem bojowym, może on przenosić ładunki o dużej sile rażenia, w tym nuklearne. Nowoczesne systemy naprowadzania i nawigacji zapewniają rakietom większą celność i zwrotność.

Istnieje wiele rodzajów pocisków bojowych różniących się zasięgiem lotu, a także miejscem wystrzelenia i miejscem trafienia w cel („ziemia” – „powietrze”). Systemy obrony przeciwrakietowej są wykorzystywane do zwalczania pocisków przeciwrakietowych.

Są też flary i flary.

2.3.2. Badania naukowe.

Rakiety geofizyczne i meteorologiczne są używane zamiast samolotów i balonów na wysokości ponad 30-40 kilometrów. Rakiety nie posiadają pułapu ograniczającego i służą do sondowania górnych warstw atmosfery, głównie mezosfery i jonosfery.

Istnieje podział rakiet na lekkie rakiety meteorologiczne, zdolne wznieść jeden zestaw instrumentów na wysokość około 100 kilometrów, oraz ciężkie rakiety geofizyczne, które mogą przenosić kilka zestawów instrumentów i których wysokość lotu jest praktycznie nieograniczona.

Zazwyczaj rakiety naukowe są wyposażone w przyrządy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego, pola magnetycznego, promieniowania kosmicznego i składu powietrza, a także w sprzęt do transmisji wyników pomiarów drogą radiową na Ziemię. Istnieją modele rakiet, w których instrumenty z danymi uzyskanymi podczas wznoszenia są opuszczane na ziemię za pomocą spadochronów.

Badania meteorologiczne rakiet poprzedzały badania satelitarne, więc pierwsze satelity meteorologiczne miały te same instrumenty, co rakiety meteorologiczne. Rakieta została wystrzelona po raz pierwszy w celu zbadania parametrów środowiska lotniczego 11 kwietnia 1937 roku, ale regularne starty rakiet rozpoczęły się w latach 50. XX wieku, kiedy stworzono serię specjalistycznych rakiet naukowych.

2.3.3. Kosmonautyka.

Rakieta jest nadal jedynym pojazdem zdolnym do wystrzelenia statku kosmicznego w kosmos. Alternatywne sposoby podnoszenia statku kosmicznego na orbitę, takie jak „winda kosmiczna”, działa elektromagnetyczne i konwencjonalne, są wciąż na etapie projektowania.

2.3.4. Sport.

Są ludzie sportów rakietowych, których hobby to budowanie i wypuszczanie modeli rakiet. Rakiety są również wykorzystywane w fajerwerkach amatorskich i profesjonalnych.

3. Silnik odrzutowy.

Silnik, który wytwarza siłę ciągu niezbędną do ruchu, przekształcając energię wewnętrzną paliwa w energię kinetyczną strumienia cieczy roboczej. Przez ciecz roboczą w odniesieniu do silników rozumie się substancję (gaz, ciecz, ciało stałe), za pomocą której energia cieplna uwalniana podczas spalania paliwa jest przekształcana w użyteczną pracę mechaniczną. Różne rodzaje energii (chemiczna, jądrowa, elektryczna, słoneczna) można przekształcić w energię kinetyczną (szybkoobrotową) strumienia odrzutowego w silniku rakietowym. Podstawą silnika odrzutowego jest komora spalania, w której spalane jest paliwo (źródło energii pierwotnej) i wytwarzany jest płyn roboczy - gorące gazy (produkty spalania paliw). Główną cechą siły reaktywnej jest to, że powstaje w wyniku interakcji części układu bez interakcji z ciałami zewnętrznymi.

3.1. Historia silników odrzutowych.

Historia silników odrzutowych jest nierozerwalnie związana z historią lotnictwa. Postęp w lotnictwie przez całe jego istnienie zapewniany był głównie przez rozwój silników lotniczych, a wszelkie rosnące wymagania stawiane silnikom przez lotnictwo były potężnym stymulatorem rozwoju budowy silników lotniczych. Flyer-1, uważany za pierwszy samolot, był wyposażony w tłokowy silnik spalinowy, a to rozwiązanie techniczne przez czterdzieści lat było niezbędne w lotnictwie. Ulepszono samolotowe silniki tłokowe, zwiększono ich moc i stosunek ciągu do masy samego samolotu.

Na samym początku lat 30. w ZSRR rozpoczęto prace nad stworzeniem silnika odrzutowego do samolotów. Już w 1920 roku radziecki inżynier F.A. Tsander przedstawił pomysł samolotu rakietowego na dużej wysokości. Jego silnik OR-2, zasilany benzyną i ciekłym tlenem, był przeznaczony do montażu na prototypowym samolocie.

W 1939 r. w ZSRR odbyły się próby w locie silników strumieniowych (silników strumieniowych) na samolocie I-15 zaprojektowanym przez NN Polikarpowa. Silnik strumieniowy zaprojektowany przez I.A. Merkulova został zainstalowany na dolnych płaszczyznach samolotu jako silniki dodatkowe. Pierwsze loty wykonał doświadczony pilot testowy P.E. Loginov. Na danej wysokości przyspieszył samochód do maksymalnej prędkości i włączył silniki odrzutowe. Ciąg dodatkowych silników strumieniowych zwiększał maksymalną prędkość lotu. W 1939 roku opracowano niezawodne uruchamianie silnika w locie oraz stabilność procesu spalania. W locie pilot mógł wielokrotnie włączać i wyłączać silnik oraz regulować jego ciąg. 25 stycznia 1940 r., po rozpracowaniu w fabryce silników i sprawdzeniu ich bezpieczeństwa, na wielu lotach odbył się oficjalny test - lot samolotu z silnikiem strumieniowym. Startując z lotniska centralnego Frunze w Moskwie, pilot Loginov włączył silniki odrzutowe na małej wysokości i wykonał kilka okrążeń nad lotniskiem.

Latem 1940 roku silniki te zostały zainstalowane i przetestowane na myśliwcu I-153 „Czajka” zaprojektowanym przez NN Polikarpova. Zwiększyli prędkość samolotu o 40-50 km/h.

Jednak przy prędkościach lotu, jakie mogłyby rozwinąć samoloty napędzane śmigłami, dodatkowe bezsprężarkowe silniki odrzutowe zużywały dużo paliwa. Siłownik ma jeszcze jedną ważną wadę: taki silnik nie zapewnia ciągu w miejscu, a zatem nie może zapewnić niezależnego startu samolotu. Oznacza to, że samolot z podobnym silnikiem musi być koniecznie wyposażony w jakiś rodzaj pomocniczego napędu startowego, na przykład napędzany śmigłem, w przeciwnym razie nie wystartuje.

Prace nad stworzeniem bojowych samolotów odrzutowych były szeroko prowadzone za granicą.

W czerwcu 1942 roku odbył się pierwszy lot niemieckiego myśliwca przechwytującego „Me-163” zaprojektowanego przez Messerschmitta. Dopiero dziewiąta wersja tego samolotu została wprowadzona do masowej produkcji w 1944 roku.

Po raz pierwszy ten samolot z silnikiem na paliwo płynne został użyty w sytuacji bojowej w połowie 1944 roku podczas inwazji sił alianckich na Francję. Miał walczyć z bombowcami i myśliwcami wroga nad terytorium Niemiec. Samolot był jednopłatowcem bez usterzenia poziomego, co było możliwe dzięki dużemu załamaniu skrzydła.

We Włoszech w sierpniu 1940 roku wykonano pierwszy 10-minutowy lot jednopłatowca Campini-Caproni SS-2. Samolot ten był wyposażony w tak zwaną sprężarkę silnikową VRM (ten typ VRM nie był brany pod uwagę w przeglądzie silników odrzutowych, ponieważ okazał się nieopłacalny i nie otrzymał dystrybucji).

W maju 1941 roku odbył się w Anglii pierwszy lot testowy eksperymentalnego samolotu Gloucester „E-28/39” z silnikiem turboodrzutowym ze sprężarką odśrodkową Whittle.

Przy 17 tysiącach obrotów na minutę silnik ten rozwijał ciąg około 3800 niutonów. Eksperymentalny samolot był myśliwcem jednomiejscowym z jednym silnikiem turboodrzutowym umieszczonym w kadłubie za kokpitem. Samolot posiadał trójkołowe podwozie chowane w locie.

Półtora roku później, w październiku 1942 roku, przeprowadzono pierwszy test w locie amerykańskiego myśliwca odrzutowego „Ercomet” R-59A z dwoma silnikami turboodrzutowymi zaprojektowanymi przez Whittle'a. Był to średniopłatowy jednopłat z wysoko umieszczonym ogonem. Podczas prób w locie osiągnięto prędkość 800 kilometrów na godzinę.

Wśród innych samolotów turboodrzutowych tego okresu na uwagę zasługuje myśliwiec Gloucester Meteor, którego pierwszy lot odbył się w 1943 roku. Ten jednomiejscowy, całkowicie metalowy jednopłat okazał się jednym z najbardziej utytułowanych myśliwców odrzutowych tamtego okresu. Na nisko położonym skrzydle wspornikowym zainstalowano dwa silniki turboodrzutowe. Seryjny samolot bojowy rozwijał prędkość 810 kilometrów na godzinę. Lot trwał około 1,5 godziny, pułap 12 kilometrów. Samolot posiadał 4 automatyczne armaty kalibru 20 mm. Samochód miał dobrą manewrowość i sterowność przy wszystkich prędkościach. W listopadzie 1941 r. na specjalnej, rekordowej wersji tej maszyny ustanowiono światowy rekord prędkości wynoszący 975 kilometrów na godzinę.

Już w początkowym okresie rozwoju silników odrzutowych dawne znane formy samolotów ulegały mniej lub bardziej znaczącym zmianom. Na przykład brytyjski myśliwiec odrzutowy „Wampir” o konstrukcji dwubomowej wyglądał bardzo nietypowo.

W naszym kraju podczas Wielkiej Wojny Ojczyźnianej rozpoczęto szeroko zakrojone prace badawcze nad stworzeniem samolotów bojowych z silnikami turboodrzutowymi. Wojna postawiła sobie zadanie - stworzyć myśliwiec, który będzie miał nie tylko dużą prędkość, ale także znaczny czas lotu: w końcu opracowane myśliwce odrzutowe z silnikami na paliwo ciekłe miały bardzo krótki czas lotu - tylko 8-15 minut. Samoloty bojowe zostały opracowane z połączonym systemem napędowym - napędzanym śmigłem i odrzutowym. Na przykład myśliwce Ła-7 i Ła-9 były wyposażone w dopalacze odrzutowe.

Prace nad jednym z pierwszych sowieckich samolotów odrzutowych rozpoczęły się w latach 1943-1944. Ten pojazd bojowy został stworzony przez zespół projektowy kierowany przez generała Służby Inżynierii Lotniczej Artema Iwanowicza Mikojana. Był to myśliwiec I-250 z kombinowaną elektrownią, która składała się z chłodzonego cieczą tłokowego silnika lotniczego typu VK-107 A ze śmigłem i WFD, którego sprężarka była obracana przez silnik tłokowy. I-250 wykonał swój pierwszy lot w marcu 1945 roku. Podczas testów w locie osiągnięto prędkość znacznie ponad 800 kilometrów na godzinę.

Wkrótce ten sam zespół konstruktorów stworzył myśliwiec odrzutowy MIG-9. Zainstalowano na nim dwa silniki turboodrzutowe typu „RD-20”. 24 kwietnia 1946 roku pilot doświadczalny A.N. Grinchik wykonał pierwszy lot na samolocie MIG-9. Podobnie jak samolot BI, ten samolot niewiele różnił się konstrukcją od samolotów tłokowych. Maksymalna prędkość MIG-9 przekroczyła 900 kilometrów na godzinę. Pod koniec 1946 maszyna ta została wprowadzona do produkcji seryjnej.

W kwietniu 1946 roku wykonano pierwszy lot myśliwcem odrzutowym zaprojektowanym przez A.S. Jakowlewa.

Wytrwała praca twórcza zespołów badawczych, projektowych i produkcyjnych została zwieńczona sukcesem: nowe krajowe samoloty odrzutowe w niczym nie ustępowały światowej technologii lotniczej tamtego okresu. Wśród szybkich samolotów odrzutowych stworzonych w ZSRR w latach 1946-1947 myśliwiec odrzutowy zaprojektowany przez AI Mikojana i MI Gurevicha „MIG-15” ze skośnym skrzydłem i ogonem wyróżnia się wysokimi właściwościami taktycznymi w locie i operacyjnym . Zastosowanie skośnego skrzydła i usterzenia sterowego zwiększyło prędkość lotu poziomego bez znaczących zmian w jego stabilności i sterowności. Wzrostowi prędkości samolotu sprzyjał również w dużej mierze wzrost jego stosunku mocy do masy: zainstalowano na nim nowy silnik turboodrzutowy ze sprężarką odśrodkową RD-45 o ciągu około 19,5 kiloniutonów przy 12 tys. obrotów na minutę . Prędkości poziome i pionowe tej maszyny przewyższały wszystko, co wcześniej osiągano w samolotach odrzutowych.

Biuro projektowe, działające pod kierownictwem S.A. Ławoczkina, jednocześnie z wydaniem MIG-15, stworzyło nowy myśliwiec odrzutowy Ła-15. Miał skośne skrzydło umieszczone nad kadłubem. Miał potężną broń na pokładzie. Ze wszystkich myśliwców o skośnych skrzydłach, jakie istniały w tym czasie, Ła-15 miał najmniejszą masę w locie. Z tego powodu samolot Ła-15 z silnikiem RD-500, który miał mniejszy ciąg niż silnik RD-45 zainstalowany na MIG-15, miał w przybliżeniu takie same dane lotu i taktyczne jak MIG-15".

Zakrzywienie i specjalny profil skrzydeł i ogona samolotu odrzutowego radykalnie zmniejszyły opór powietrza podczas lotu z prędkością rozchodzenia się dźwięku. Teraz, w czasie kryzysu falowego, opór wzrósł nie 8-12 razy, ale tylko 2-3 razy. Potwierdziły to również pierwsze naddźwiękowe loty sowieckich samolotów odrzutowych.

3.2. Zastosowanie technologii odrzutowych w lotnictwie cywilnym.

Wkrótce na cywilnych samolotach zaczęto instalować silniki odrzutowe.

W 1955 roku wielomiejscowy odrzutowiec pasażerski „Kometa-1” rozpoczął działalność za granicą. Ten samochód osobowy z czterema silnikami turboodrzutowymi miał prędkość około 800 kilometrów na godzinę na wysokości 12 kilometrów. Samolot mógł przewozić 48 pasażerów. Zasięg lotu wynosił około 4 tysięcy kilometrów. Jednak po poważnym wypadku tego samolotu na Morzu Śródziemnym przerwano jego eksploatację. Wkrótce zaczęto używać konstruktywnej wersji tego samolotu - "Kometa-3".

W 1959 roku rozpoczęła się eksploatacja francuskiego samolotu pasażerskiego „Caravel”. Samolot miał okrągły kadłub o średnicy 3,2 metra, który został wyposażony w przedział ciśnieniowy o długości 25,4 metra. Elektrownia składała się z dwóch silników turboodrzutowych o ciągu 40 kiloniutonów każdy. Prędkość samolotu wynosiła około 800 kilometrów na godzinę.

W ZSRR już w 1954 r. Na jednej z tras lotniczych dostarczanie pilnych ładunków i poczty odbywało się szybkim samolotem odrzutowym „Ił-20”.Ten samolot z dwoma silnikami turboodrzutowymi o ciągu 80 kiloniutonów każdy miał doskonałe kształty aerodynamiczne.

"TU-104" cieszył się dużym uznaniem zarówno w kraju jak i za granicą. Zagraniczni eksperci, wypowiadając się w druku, stwierdzili, że po rozpoczęciu regularnych przewozów pasażerskich samolotami odrzutowymi „TU-104” Związek Radziecki wyprzedził o dwa lata Stany Zjednoczone, Anglię i inne kraje zachodnie w masowej eksploatacji pasażerskich samolotów turboodrzutowych: Amerykański samolot odrzutowy „Boeing-707 ”I angielski„ Comet-IV ”wyleciał na linie lotnicze dopiero pod koniec 1958 r., A francuski„ Caravel ”- w 1959 r.

TVD jest elektrownią lotniczą typu pośredniego. Chociaż gazy opuszczające turbinę są wyrzucane przez dyszę, a ich reakcja wytwarza pewien ciąg, główny ciąg jest wytwarzany przez działające śmigło, jak w konwencjonalnym samolocie o napędzie śmigłowym.

Teatr działań nie stał się powszechny w lotnictwie bojowym, ponieważ nie może zapewnić takiej prędkości ruchu, jak silniki czysto odrzutowe. Nie nadaje się również na ekspresowe linie lotnictwa cywilnego, gdzie prędkość jest decydującym czynnikiem, a kwestie ekonomii i kosztu lotu schodzą na dalszy plan. Wskazane jest jednak stosowanie samolotów turbośmigłowych na trasach o różnej długości, na których loty odbywają się z prędkością rzędu 600-800 kilometrów na godzinę. Należy pamiętać, że jak pokazało doświadczenie, przewóz pasażerów na nich na dystansie 1000 kilometrów jest o 30% tańszy niż na samolotach śmigłowych z silnikami tłokowymi.

3.3. Zasada działania silników odrzutowych.

Silnik odrzutowy oparty jest na urządzeniu zwykłej rakiety. Działa to w następujący sposób. W specjalnej komorze, która ma jeden wylot ze stożkową rurką - dyszą, spalane jest paliwo. Gazowe produkty spalania wylatują przez dyszę z kolosalną prędkością. Podczas spalania paliwa w komorze powstaje zwiększone ciśnienie do 80-100 atmosfer. To ciśnienie działa we wszystkich kierunkach z jednakową siłą. Naciski na ścianach bocznych komory wzajemnie się równoważą. Siła działająca na ścianę przednią nie jest niczym równoważona, ponieważ po przeciwnej stronie gazy swobodnie ulatniają się przez otwór. Dlatego wypadkowa wszystkich sił nacisku na ścianki komory sprawia, że ​​silnik rakiety porusza się do przodu.

W wyniku wypływu płynu roboczego z dyszy silnika powstaje siła reakcji w postaci reakcji (odrzutu) strumienia, który porusza w przestrzeni silnik i aparaturę z nim konstrukcyjnie połączoną. kierunek przeciwny do wypływu strumienia. Różne rodzaje energii (chemiczna, jądrowa, elektryczna, słoneczna) można przekształcić w energię kinetyczną (szybkoobrotową) strumienia odrzutowego w silniku rakietowym. R. d. (Silnik reakcji bezpośredniej) łączy w sobie sam silnik ze śmigłem, czyli zapewnia własny ruch bez udziału mechanizmów pośrednich.

Do wytworzenia ciągu odrzutowego wykorzystywanego przez silnik rakietowy potrzebne są: źródło energii początkowej (pierwotnej), która jest zamieniana na energię kinetyczną strumienia odrzutowego;

płyn roboczy, który jest wyrzucany z reaktora w postaci strumienia strumieniowego; sam R. d. jest konwerterem energii. Energia początkowa jest magazynowana na pokładzie samolotu lub innego aparatu wyposażonego w paliwo radioaktywne (paliwo chemiczne, paliwo jądrowe) lub (w zasadzie) może pochodzić z zewnątrz (energia słoneczna). Aby uzyskać płyn roboczy w R. d. Możeużywać substancji pobranej ze środowiska (na przykład powietrza lub wody); substancja znajdująca się w zbiornikach aparatu lub bezpośrednio w komorze R.d.; mieszanina substancji pochodzących ze środowiska i przechowywanych w pojeździe. W nowoczesnej produkcji energii energia chemiczna jest najczęściej wykorzystywana jako energia pierwotna. W tym przypadku płynem roboczym są gorące gazy - produkty spalania paliwa chemicznego. Podczas pracy silnika rakietowego energia chemiczna substancji palnych zamieniana jest na energię cieplną produktów spalania, a energia cieplna gorących gazów zamieniana jest na energię mechaniczną ruchu postępowego strumienia, a w konsekwencji urządzenia na którym zainstalowany jest silnik. Główną częścią każdej komory spalania jest komora spalania, w której wytwarzany jest płyn roboczy. Końcowa część komory, która służy do przyspieszenia płynu roboczego i uzyskania strumienia strumieniowego, nazywana jest dyszą strumieniową.

Każdy wie, że po strzale oddaje się broń lub karabin. Dzieje się tak, ponieważ pocisk lub kula z dużą prędkością wylatuje z lufy pistoletu lub lufy karabinu. A sama broń, dzięki sile reakcji, otrzymuje ruch w przeciwnym kierunku. Pociski są wypychane przez gazy powstałe podczas spalania proszku. Gdybyśmy nie wzmocnili lufy na wózku, ale pozwolili jej swobodnie się poruszać, to po strzale lufa odleciała jak rakieta.

Lot konwencjonalnych samolotów jest niemożliwy w przestrzeni pozbawionej powietrza. Siła nośna samolotu jest tworzona tylko przez działanie strumienia powietrza na jego skrzydła. Sterowiec lub balon mogą latać tylko wtedy, gdy są lżejsze od powietrza o tej samej objętości.

W tym sensie silniki rakietowe mają ogromną przewagę nad konwencjonalnymi samolotami. Silnik rakietowy działa niezależnie od otoczenia, nie potrzebuje wsparcia z powietrza. Urządzenia wyposażone w silniki rakietowe mogą latać nie tylko w bardzo rozrzedzonym powietrzu, ale nawet w przestrzeni pozbawionej powietrza.

W ostatnich latach przeprowadzono wiele mniej lub bardziej udanych eksperymentów nad zastosowaniem silników odrzutowych w różnych typach pojazdów.
Wszystkie silniki mają dwa procesy konwersji energii. Najpierw energia chemiczna paliwa jest zamieniana na energię cieplną produktów spalania, a następnie energia cieplna jest wykorzystywana do wykonania pracy mechanicznej. Takie silniki obejmują silniki tłokowe samochodów, lokomotywy wysokoprężne, turbiny parowe i gazowe elektrowni itp.

Rozważmy ten proces w odniesieniu do silników odrzutowych. Zacznijmy od komory spalania silnika, w której w taki czy inny sposób została już wytworzona palna mieszanka, w zależności od typu silnika i rodzaju paliwa. Może to być np. mieszanina powietrza z naftą, jak w turboodrzutowym silniku nowoczesnych samolotów odrzutowych, lub mieszanina ciekłego tlenu z alkoholem, jak w niektórych silnikach rakietowych na paliwo ciekłe, czy wreszcie paliwo stałe do rakiety proszkowe. Mieszanka palna może się palić, tj. wejść w reakcję chemiczną z gwałtownym uwolnieniem energii w postaci ciepła. Zdolność do uwolnienia energii podczas reakcji chemicznej to potencjalna energia chemiczna cząsteczek w mieszaninie. Energia chemiczna cząsteczek jest związana z osobliwościami ich struktury, a dokładniej ze strukturą ich powłok elektronicznych, tj. chmury elektronowej otaczającej jądra atomów tworzących cząsteczkę. W wyniku reakcji chemicznej, w której niektóre cząsteczki ulegają zniszczeniu, a inne powstają, w naturalny sposób następuje przegrupowanie powłok elektronowych. Ta restrukturyzacja jest źródłem uwolnionej energii chemicznej. Widać, że jedynymi substancjami, które mogą służyć jako paliwo do silników odrzutowych, są te, które podczas reakcji chemicznej w silniku (spalania) wydzielają dużo ciepła, a także tworzą dużą ilość gazów. Wszystkie te procesy zachodzą w komorze spalania, ale zastanówmy się nad reakcją nie na poziomie molekularnym (to już było omówione powyżej), ale na „fazach” pracy. Do momentu rozpoczęcia spalania mieszanina posiada duży magazyn potencjalnej energii chemicznej. Ale potem płomień pochłonął mieszaninę, jeszcze jedna chwila - i reakcja chemiczna się skończyła. Teraz zamiast cząsteczek mieszanki palnej komora jest wypełniona cząsteczkami produktów spalania, gęściej „upakowanymi”. Uwalnia się nadmiar energii wiązania, która jest energią chemiczną poprzedniej reakcji spalania. Cząsteczki posiadające tę nadwyżkę energii niemal natychmiast przekazały ją innym cząsteczkom i atomom w wyniku częstych z nimi zderzeń. Wszystkie cząsteczki i atomy w komorze spalania zaczęły poruszać się losowo, chaotycznie ze znacznie większą prędkością, temperatura gazów wzrosła. W ten sposób potencjalna energia chemiczna paliwa została przekształcona w energię cieplną produktów spalania.

Podobne przejście miało miejsce we wszystkich innych silnikach cieplnych, ale silniki odrzutowe zasadniczo różnią się od nich dalszym losem żarowych produktów spalania.

Po utworzeniu się w silniku cieplnym gorących gazów, zawierających dużą energię cieplną, energia ta musi zostać zamieniona na energię mechaniczną. Silniki są przecież używane do wykonywania prac mechanicznych, do „przesuwania” czegoś, do wprawiania w ruch, nie ma znaczenia, czy jest to dynamo, gdy poproszono o dodanie rysunków do elektrowni, lokomotywy spalinowej, samochód lub samolot.

Aby energia cieplna gazów mogła przejść w energię mechaniczną, ich objętość musi wzrosnąć. Dzięki tej ekspansji gazy wykonują pracę, która zużywa ich energię wewnętrzną i cieplną.

W przypadku silnika tłokowego rozprężające się gazy naciskają na poruszający się w cylindrze tłok, który popycha korbowód, który już obraca wał korbowy silnika. Wał jest połączony z wirnikiem prądnicy, osiami napędowymi lokomotywy spalinowej lub samochodu lub śmigłem samolotu - silnik wykonuje pożyteczną pracę. W silniku parowym, czy turbinie gazowej gazy rozprężają się, wymuszając obrót koła połączonego z wałem turbiny – tutaj nie ma potrzeby stosowania mechanizmu korbowego przekładni, co jest jedną z wielkich zalet turbiny.

Gazy rozszerzają się oczywiście w silniku odrzutowym, bo bez tego nie wykonują pracy. Ale praca nad rozbudową w tym przypadku nie jest poświęcana na obrót wału. Związany z mechanizmem napędowym, jak w innych silnikach cieplnych. Cel silnika odrzutowego jest inny - wytworzenie ciągu odrzutowego, a do tego konieczne jest, aby strumień gazów - produkty spalania wypływały z silnika z dużą prędkością - siłą reakcji tego strumienia jest ciąg silnika . W konsekwencji praca polegająca na rozprężaniu gazowych produktów spalania paliwa w silniku musi być poświęcona na przyspieszanie samych gazów. Oznacza to, że energia cieplna gazów w silniku odrzutowym musi zostać zamieniona na ich energię kinetyczną – przypadkowy chaotyczny ruch termiczny cząsteczek musi zostać zastąpiony ich zorganizowanym przepływem we wspólnym dla wszystkich kierunku.

Służy do tego jedna z najważniejszych części silnika, tzw. dysza strumieniowa. Bez względu na rodzaj odrzutowca, do którego należy dany silnik odrzutowy, koniecznie jest on wyposażony w dyszę, przez którą z dużą prędkością wypływają gorące gazy - produkty spalania paliwa w silniku. W niektórych silnikach gazy dostają się do dyszy bezpośrednio za komorą spalania, na przykład w silnikach rakietowych lub strumieniowych. W innych, turboodrzutowych, gazy najpierw przechodzą przez turbinę, do której oddają część swojej energii cieplnej. Zużywa w tym przypadku napęd kompresora, który służy do sprężania powietrza przed komorą spalania. Ale tak czy inaczej dysza jest ostatnią częścią silnika - gazy przepływają przez nią przed opuszczeniem silnika.

Dysza strumieniowa może mieć różne kształty, a ponadto różne konstrukcje w zależności od typu silnika. Najważniejsza jest prędkość, z jaką gazy wypływają z silnika. Jeżeli ta prędkość wypływu nie przekracza prędkości, z jaką fale dźwiękowe rozchodzą się w wychodzących gazach, to dysza jest prostym cylindrycznym lub zwężającym się odcinkiem rury. Jeżeli prędkość wypływu musi przekraczać prędkość dźwięku, wówczas dyszy nadaje się kształt rozszerzającej się rury lub najpierw zwężającej się, a następnie rozszerzającej (Lovely dysza). Tylko w rurze o takim kształcie, jak pokazuje teoria i doświadczenie, gaz może zostać przyspieszony do prędkości ponaddźwiękowych, a „bariera dźwięku” może zostać przekroczona.

Temat: „Zasada działania silnika cieplnego. Silnik cieplny o najwyższej sprawności ”.

Formularz: Lekcja łączona z wykorzystaniem technologii komputerowej.

Cele:

• Pokaż, jak ważne jest używanie silnika cieplnego w życiu człowieka.
• Zbadanie zasady działania rzeczywistych silników cieplnych oraz silnika idealnego działającego zgodnie z cyklem Carnota.
• Rozważ możliwe sposoby poprawy wydajności prawdziwego silnika.
• Rozwijać ciekawość uczniów, zainteresowanie kreatywnością techniczną, szacunek dla dorobku naukowego naukowców i inżynierów.

Plan lekcji.

Materiał teoretyczny

Od czasów starożytnych człowiek chciał uwolnić się od wysiłku fizycznego lub odciążyć go podczas poruszania czymś, aby mieć więcej siły, szybkości.
Powstawały legendy o dywanach, samolotach, siedmiomilowych butach i czarodziejach, którzy za pomocą machania różdżką przenosili człowieka do odległych krain. Niosąc ciężary, ludzie wymyślili wózki, bo łatwiej toczyć. Potem adaptowali zwierzęta – woły, jelenie, psy, a przede wszystkim konie. Tak powstały wozy i powozy. W załogach ludzie dążyli do komfortu, coraz bardziej je doskonaląc.
Chęć ludzi do zwiększania prędkości przyspieszyła również zmianę wydarzeń w historii rozwoju transportu. Z greckiego "autos" - "self" i łacińskiego "mobilis" - "mobile" w językach europejskich, powstał przymiotnik "samobieżny", dosłownie "auto - mobile".

Dotyczyło to zegarków, automatycznych lalek, wszelkiego rodzaju mechanizmów, w ogóle wszystkiego, co służyło jako uzupełnienie „kontynuacji”, „ulepszania” osoby. W XVIII wieku starali się zastąpić siłę roboczą parą i używali terminu „samochód” do powozów bezszynowych.

Dlaczego wiek samochodu liczy się od pierwszych „samochodów benzynowych” z silnikiem spalinowym, wynalezionych i zbudowanych w latach 1885-1886? Jakby zapominając o załogach parowych i akumulatorowych (elektrycznych). Faktem jest, że silnik spalinowy dokonał prawdziwej rewolucji w technologii transportu. Przez długi czas okazała się najbardziej spójna z ideą samochodu i dlatego na długo zachowała swoją dominującą pozycję. Udział samochodów z silnikami spalinowymi stanowi dziś ponad 99,9% światowego transportu drogowego.<Aneks 1 >

Główne części silnika cieplnego

W nowoczesnych technologiach energię mechaniczną uzyskuje się głównie z energii wewnętrznej paliwa. Urządzenia, w których zachodzi przemiana energii wewnętrznej w energię mechaniczną, nazywane są silnikami cieplnymi.<Załącznik 2 >

Do wykonania pracy polegającej na spalaniu paliwa w urządzeniu zwanym grzałką można wykorzystać cylinder, w którym gaz nagrzewa się i rozszerza i porusza tłokiem.<Dodatek 3 > Gaz, którego rozprężanie powoduje ruch tłoka, nazywany jest płynem roboczym. Gaz rozszerza się, ponieważ jego ciśnienie jest wyższe niż ciśnienie zewnętrzne. Ale gdy gaz rozszerza się, jego ciśnienie spada i prędzej czy później zrówna się z ciśnieniem zewnętrznym. Wtedy rozprężanie się gazu zakończy się i przestanie działać.

Co zrobić, aby praca silnika cieplnego się nie zatrzymała? Aby silnik pracował w sposób ciągły, konieczne jest, aby tłok po rozprężeniu gazu każdorazowo powracał do swojego pierwotnego położenia, sprężając gaz do pierwotnego stanu. Sprężenie gazu może nastąpić tylko pod działaniem siły zewnętrznej, która w tym przypadku wykonuje pracę (siła ciśnienia gazu w tym przypadku działa ujemnie). Po tym mogą ponownie wystąpić procesy rozszerzania i kurczenia się gazu. Oznacza to, że praca silnika cieplnego powinna składać się z cyklicznie powtarzających się procesów (cykli) rozprężania i kurczenia.

Rysunek 1 przedstawia graficznie procesy rozprężania gazu (linia AB) i kompresja do oryginalnej objętości (linia PŁYTA CD). Praca gazu w procesie rozprężania jest dodatnia ( AF> 0 ABEF... Praca gazu podczas sprężania jest ujemna (ponieważ AF< 0 ) i jest liczbowo równa powierzchni figury CDEF. Praca użyteczna dla tego cyklu jest liczbowo równa różnicy pól pod krzywymi AB oraz Płyta CD(wypełnione na rysunku).
Obecność grzałki, płynu roboczego i lodówki jest zasadniczo niezbędnym warunkiem ciągłej cyklicznej pracy dowolnego silnika cieplnego.

Sprawność silnika cieplnego

Płyn roboczy, odbierając pewną ilość ciepła Q1 z grzałki, oddaje część tej ilości ciepła, modulo |Q2|, do lodówki. Dlatego wykonywanej pracy nie może być więcej A = Q 1 - | Q 2 |. Stosunek tej pracy do ilości ciepła odbieranego przez rozprężający się gaz z nagrzewnicy nazywa się efektywność maszyna cieplna:

Sprawność silnika cieplnego pracującego w obiegu zamkniętym jest zawsze mniejsza niż jeden. Zadaniem energetyki cieplnej jest jak najwyższa sprawność, czyli wykorzystanie jak największej ilości ciepła odebranego z nagrzewnicy do pracy. Jak można to osiągnąć?
Po raz pierwszy najdoskonalszy proces cykliczny, składający się z izoterm i adiabatów, zaproponował francuski fizyk i inżynier S. Carnot w 1824 roku.

Cykl Carnota.

Załóżmy, że gaz znajduje się w cylindrze, którego ścianki i tłok wykonane są z materiału termoizolacyjnego, a dno z materiału o wysokiej przewodności cieplnej. Objętość zajmowana przez gaz wynosi V 1.

Doprowadzimy butlę do kontaktu z grzałką (rysunek 2) i pozwolimy gazowi rozprężać się izotermicznie i wykonywać pracę . Jednocześnie gaz odbiera pewną ilość ciepła z grzałki. Pytanie 1. Proces ten graficznie przedstawia izoterma (krzywa AB).

Gdy objętość gazu osiągnie określoną wartość V 1 '< V 2 , spód cylindra jest odizolowany od grzałki , potem gaz rozszerza się adiabatycznie do pewnej objętości V 2, odpowiadające maksymalnemu możliwemu skokowi tłoka w cylindrze (adiabat Słońce). W takim przypadku gaz jest schładzany do temperatury T 2< T 1 .
Schłodzony gaz można teraz sprężyć izotermicznie w temperaturze T2. Aby to zrobić, musi wejść w kontakt z ciałem o tej samej temperaturze T 2, czyli z lodówką , i sprężyć gaz siłą zewnętrzną. Jednak w tym procesie gaz nie powróci do swojego pierwotnego stanu – jego temperatura zawsze będzie niższa niż T 1.
Dlatego kompresja izotermiczna jest doprowadzana do pewnej objętości pośredniej V2 '> V1(izoterma Płyta CD). W takim przypadku gaz oddaje pewną ilość ciepła do lodówki. Q 2, równa wykonanej na nim pracy kompresyjnej. Następnie gaz zostaje sprężony adiabatycznie do określonej objętości V 1, podczas gdy jego temperatura wzrasta do T1(adiabat DA). Teraz gaz powrócił do swojego pierwotnego stanu, w którym jego objętość jest równa V 1, temperatura wynosi T 1, nacisk - p 1, a cykl można powtórzyć.

Tak więc na stronie ABC gaz działa (A>0), i na stronie CDA praca jest wykonywana na gazie (A< 0). Na działkach Słońce oraz OGŁOSZENIE praca odbywa się tylko poprzez zmianę energii wewnętrznej gazu. Od czasu zmiany energii wewnętrznej UBC = -UDA, to praca w procesach adiabatycznych jest równa: ABC = –ADA. W konsekwencji całkowita praca wykonana w cyklu jest określona przez różnicę między pracą wykonaną podczas procesów izotermicznych (sekcje AB oraz Płyta CD). Liczbowo praca ta jest równa powierzchni figury ograniczonej krzywą cyklu ABCD.
Tylko część ilości ciepła jest faktycznie przetwarzana na użyteczną pracę. QT, otrzymane z grzejnika, równe QT 1 - |QT 2 |. Tak więc w cyklu Carnota przydatna praca A = QT 1 - | QT 2 |.
Maksymalną wydajność idealnego cyklu, jak pokazuje S. Carnot, można wyrazić w postaci temperatury grzałki (T1) i lodówka (T 2):

V prawdziwe silniki nie przeprowadza cyklu składającego się z idealnych procesów izotermicznych i adiabatycznych. Dlatego sprawność cyklu realizowanego w rzeczywistych silnikach jest zawsze mniejsza niż sprawność cyklu Carnota (przy tych samych temperaturach nagrzewnic i lodówek):

Ze wzoru wynika, że ​​im wyższa temperatura grzałki i niższa temperatura lodówki, tym wyższa sprawność silników.

Numer problemu 703

Silnik pracuje zgodnie z cyklem Carnota. Jak zmieni się sprawność silnika cieplnego, jeśli przy stałej temperaturze lodówki 17°C temperatura grzałki wzrośnie ze 127 do 447°C?

Numer problemu 525

Definiować Sprawność silnika ciągnik, który do wykonania pracy 1,9 107 J/kg wymagał 1,5 kg paliwa o wartości opałowej 4,2 107 J/kg.

Wykonywanie testu komputerowego na dany temat.<Dodatek 4 > Praca z modelem silnika cieplnego.