Теплові машини

Принцип дії теплових машин.

Досить нескладно одержати теплову енергію за рахунок роботи, наприклад досить потерти два предмети один об одний і виділиться теплова енергія. Однак одержати механічну роботу за рахунок теплової енергії набагато важче, і практично корисний пристрій для цього було винайдено лише близько 1700 р.

Тепловий двигун - це будь-який пристрій, який перетворює теплову енергію в механічну роботу.

Основна ідея, яка лежить в основі будь-якого теплового двигуна, полягає в наступному: механічна енергія може бути отримана за рахунок теплової, тільки якщо дати можливість тепловій енергії переходити з області з високою температурою в область з низькою температурою, причому в процесі цього переходу частина теплової енергії може перейти в механічну роботу.

В даний час використовується безліч теплових машин. Розглянемо два теплових двигуни - це паровий і внутрішнього згоряння.

В основному використовується два парових двигуни: поворотного типу і парова турбіна.

Мал.1Мал.2

У двигунах поворотного типу (мал.1) нагріта пара проходить через впускний клапан і потім розширюється в просторі під поршнем, змушуючи його тим самим рухатися. Потім, коли поршень повертається у вихідне положення, він витісняє пару через випускний клапан.

У парових турбінах власне кажучи відбувається теж саме. Відмінність полягає в тому, що зворотно-поступальний поршень замінений турбіною (мал.2), що нагадує гребне колесо.

Найбільш розповсюдженим двигуном зараз є чотиритактний двигун внутрішнього згоряння (мал.3).

На малюнку 3 літерами позначені наступні процеси:

Мал.3.

а. Суміш повітря з бензином всмоктується в циліндр, при русі поршня вниз.

б. Поршень рухається нагору і стискає суміш.

в. Іскра від свічі запалює суміш. При цьому температура суміші різко зростає.

г. Гази, що знаходяться при високих температурі і тиску, розширюються, переміщаючи при цьому поршень вниз (робітник хід двигуна).

д. гази, що відпрацювали, викидаються через випускний клапан; потім весь цикл повторюється.

Речовина, що нагрівають і прохолоджують (у парових машинах - пар), називають робочим тілом.

Для практичної роботи будь-якого теплового двигуна необхідна різниця температур. Чому? Що б відповісти на це питання уявимо собі парову машину (як на мал.4), але без конденсатора і насоса. У такому випадку пар мав би однакову температуру у всій системі. Це означало б, що тиск пари при його випуску було б таким же, як і при впуску. Тоді робота, що зробив пару над поршнем при своєму розширенні, у точності була б дорівнює роботі, що зробив поршень над парою при його випуску, тобто не було б зроблене ніякої результуючої роботи. У реальному двигуні газ, що випускається, прохолоджується до більш низької температури і конденсується, так що тиск при випуску менше, ніж при впуску. У такому випадку робота, що повинна зробити поршень для виштовхування газу з циліндра, буде менше, ніж робота чинена газом робота над циліндром. У такий спосіб може побут отриманий результуюча робота. Аналогічно і з паровою турбіною: якби не було різниці тисків по обох сторони лопаток, то турбіна не стала б обертатися.