Главная >> Учебник по физике 10 класс. Базовый уровень. Пурышева

 

 

 

Глава 6. Свойства газов

 

       

§ 36. Принципы работы тепловых двигателей

Основные части теплового двигателя

1. Одним из главных направлений научно-технического прогресса является развитие энергетики, в том числе теплоэнергетики. Теплоэнергетика — это отрасль народного хозяйства, связанная с использованием внутренней энергии тел. Для того чтобы использовать внутреннюю энергию, нужны специальные устройства, которые могли бы за счёт этой энергии совершать работу.

Устройство, совершающее механическую работу за счёт внутренней энергии топлива, называют тепловым двигателем.

Существуют разные типы тепловых двигателей: паровая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель и др. Несмотря на различие конструкций двигателей и некоторые особенности их работы, принципы их действия одинаковы.

Все тепловые двигатели, независимо от их особенностей, имеют три части: нагреватель, рабочее тело, холодильник. Рассмотрим их назначение.

В тепловом двигателе происходит преобразование внутренней энергии в механическую энергию. Следовательно, необходимо иметь систему, за счёт внутренней энергии которой совершалась бы механическая работа. Такую систему называют рабочим телом двигателя. Механическая работа совершается при сжатии и расширении рабочего тела. Чем больше сжатие или расширение, тем большая работа совершается. Газы расширяются и сжимаются легче, чем жидкости и тем более твёрдые тела, поэтому в качестве рабочего тела чаще всего используют газ или пар. Так, в паровой турбине рабочим телом является пар, в двигателе внутреннего сгорания — газ, состоящий из смеси паров бензина и воздуха.

Поскольку работа совершается за счёт внутренней энергии рабочего тела, то для увеличения внутренней энергии рабочее тело следует нагреть до некоторой температуры Т1. Поэтому в состав теплового двигателя входит нагреватель.

В двигателе внутреннего сгорания нагревание рабочего тела происходит непосредственно в цилиндре при сгорании горючей смеси, которая впрыскивается в цилиндр. Нагреватель может быть и самостоятельным устройством, как в случае паровой турбины. Рабочее тело — пар нагревается в паровом котле, при этом энергия топлива превращается в энергию пара.

Круговой процесс

2. Рабочее тело, нагретое в нагревателе до температуры T1 расширяясь, совершает работу. Так, пар, попадая на лопасти турбины, расширяется и приводит турбину во вращение. Горючая смесь в двигателе внутреннего сгорания, достигая высокой температуры, оказывает большое давление на поршень, расширяется и совершает работу.

На рисунке 98 приведён график зависимости давления газа от объёма. Площадь фигуры под графиком АаВ равна работе, которую совершает рабочее тело при расширении.

    график зависимости давления газа от объёма

В соответствии с первым законом термодинамики невозможно совершить неограниченную работу за счёт первоначально полученного запаса внутренней энергии. Поэтому отработанный пар должен вернуться в исходное состояние и снова нагреться. Таким образом, для того чтобы двигатель работал непрерывно, он должен каждый раз возвращаться в исходное состояние, т. е. совершать круговой процесс, или цикл. Такой двигатель называют циклическим.

Холодильник

3. Чтобы вернуть рабочее тело в исходное состояние, его необходимо сжать. Если сжатие производить при тех же значениях давления, что и расширение, то работа сжатия будет равна работе расширения, а полная работа окажется равной нулю. Чтобы получить полную работу, отличную от нуля, нужно производить сжатие при меньших значениях давления, чем расширение.

Продолжение >>>