U teoretskom modelu toplinskog stroja razmatraju se tri tijela: grijač, radna tekućina I frižider.

Grijač je toplinski spremnik (veliko tijelo) čija je temperatura stalna.

U svakom ciklusu rada motora radna tekućina prima određenu količinu topline od grijača, širi se i vrši mehanički rad. Prijenos dijela energije primljene od grijača do hladnjaka neophodan je za vraćanje radnog fluida u prvobitno stanje.

Budući da model pretpostavlja da se temperatura grijača i hladnjaka ne mijenja tijekom rada toplinskog stroja, kada se završi ciklus: grijanje-ekspanzija-hlađenje-kompresija radnog fluida, smatra se da se stroj vraća na prvobitnu stanje.

Za svaki ciklus, na temelju prvog zakona termodinamike, možemo napisati da je količina topline Q toplina primljena od grijača, količina topline | Q hladno|.dano hladnjaku, a rad koji obavlja radno tijelo A međusobno su povezani relacijom:

A = Q toplina – | Q hladno|.

U stvarnom tehnički uređaji, koji se nazivaju toplinski motori, radni fluid se zagrijava zbog topline koja se oslobađa pri izgaranju goriva. Dakle, u parnoj turbini elektrane grijač je peć s vrućim ugljenom. U motoru s unutarnjim izgaranjem (ICE) produkti izgaranja mogu se smatrati grijačem, a višak zraka radnim fluidom. Kao hladnjak koriste atmosferski zrak ili vodu iz prirodnih izvora.

Učinkovitost toplinskog motora (stroja)

Učinkovitost toplinskog motora (učinkovitost) je omjer rada motora i količine topline primljene od grijača:

Učinkovitost bilo kojeg toplinskog stroja manja je od jedinice i izražava se u postocima. Nemogućnost pretvaranja cjelokupne količine topline primljene od grijača u mehanički rad cijena je za potrebu organiziranja cikličkog procesa i proizlazi iz drugog zakona termodinamike.

U stvarnim toplinskim strojevima učinkovitost je određena eksperimentalnom mehaničkom snagom N motora i količine goriva izgorjelog u jedinici vremena. Dakle, ako na vrijeme t masa izgorjelog goriva m i specifična toplina izgaranja q, To

Za vozila je referentna karakteristika često volumen V spaljeno gorivo na putu s pri mehaničkoj snazi ​​motora N i na brzinu. U ovom slučaju, uzimajući u obzir gustoću r goriva, možemo napisati formulu za izračun učinkovitosti:

Drugi zakon termodinamike

Postoji nekoliko formulacija drugi zakon termodinamike. Jedna od njih kaže da je nemoguće imati toplinski stroj koji bi radio samo zahvaljujući izvoru topline, tj. bez hladnjaka. Svjetski oceani mogli bi mu poslužiti kao praktički neiscrpan izvor unutarnje energije (Wilhelm Friedrich Ostwald, 1901.).

Ostale formulacije drugog zakona termodinamike ekvivalentne su ovoj.

Clausiusova formulacija(1850): nemoguć je proces u kojem bi toplina spontano prelazila s manje zagrijanih tijela na više zagrijana tijela.

Thomsonova formulacija(1851): nemoguć je kružni proces čiji bi jedini rezultat bila proizvodnja rada smanjenjem unutarnje energije toplinskog spremnika.

Clausiusova formulacija(1865): svi spontani procesi u zatvorenom neravnotežnom sustavu odvijaju se u smjeru u kojem se povećava entropija sustava; u stanju toplinske ravnoteže je maksimalan i konstantan.

Boltzmannova formulacija(1877): zatvoreni sustav mnogih čestica spontano prelazi iz uređenijeg stanja u manje uređeno. Sustav ne može spontano napustiti svoj ravnotežni položaj. Boltzmann je uveo kvantitativnu mjeru nereda u sustavu koji se sastoji od mnogo tijela - entropija.

Učinkovitost toplinskog stroja s idealnim plinom kao radnim fluidom

Ako je zadan model radnog fluida u toplinskom stroju (npr. idealni plin), tada je moguće izračunati promjenu termodinamičkih parametara radnog fluida tijekom širenja i kompresije. To omogućuje izračunavanje učinkovitosti toplinskog stroja na temelju zakona termodinamike.

Na slici su prikazani ciklusi za koje se može izračunati učinkovitost ako je radni fluid idealni plin, a parametri su navedeni na prijelazima jednog termodinamičkog procesa u drugi.

	Izobarni-izohorni
	Izohorno-adijabatski
	Izobarno-adijabatsko
	Izobarni-izohorni-izotermni
	Izobarni-izohorni-linearni

Carnotov ciklus. Učinkovitost idealnog toplinskog stroja

Najveća učinkovitost pri zadanim temperaturama grijača T grijač i hladnjak T dvorana ima toplinski stroj, gdje se radna tekućina širi i skuplja prema Carnotov ciklus(Sl. 2), čiji se graf sastoji od dvije izoterme (2–3 i 4–1) i dvije adijabate (3–4 i 1–2).

Carnotov teorem dokazuje da učinkovitost takvog motora ne ovisi o korištenom radnom fluidu, pa se može izračunati pomoću termodinamičkih odnosa za idealni plin:

Ekološke posljedice toplinskih strojeva

Intenzivna uporaba toplinskih strojeva u prometu i energetici (termo i nuklearne elektrane) značajno utječe na biosferu Zemlje. Iako postoje znanstveni sporovi o mehanizmima utjecaja ljudske aktivnosti na klimu na Zemlji, mnogi znanstvenici ističu čimbenike zbog kojih se takav utjecaj može dogoditi:

1. Efekt staklenika je povećanje koncentracije ugljičnog dioksida (produkt izgaranja u grijačima toplinskih motora) u atmosferi. Ugljični dioksid propušta vidljivo i ultraljubičasto zračenje Sunca, ali apsorbira infracrveno zračenje koje u svemir ide sa Zemlje. To dovodi do porasta temperature nižih slojeva atmosfere, pojačanih uraganskih vjetrova i globalnog otapanja leda.
2. Izravni učinak otrovnih ispušnih plinova na divlje životinje(kancerogene tvari, smog, kisele kiše iz nusproizvodi izgaranje).
3. Uništavanje ozonskog omotača tijekom letova zrakoplova i lansiranja raketa. Ozon u gornjim slojevima atmosfere štiti sav život na Zemlji od prekomjernog ultraljubičastog zračenja Sunca.

Izlaz iz novonastale ekološke krize leži u povećanju učinkovitosti toplinskih strojeva (učinkovitost suvremenih toplinskih strojeva rijetko prelazi 30%); korištenje ispravnih motora i neutralizatora štetnih ispušnih plinova; korištenje alternativnih izvora energije ( solarne ploče i grijalice) i alternativna prijevozna sredstva (bicikli i sl.).

Faktor učinkovitosti (učinkovitost) je karakteristika performansi sustava u odnosu na pretvorbu ili prijenos energije, koja je određena omjerom iskorištene korisne energije prema ukupnoj energiji koju sustav prima.

Učinkovitost- bezdimenzijska veličina, obično izražena kao postotak:

Koeficijent učinkovitosti (učinkovitosti) toplinskog stroja određuje se formulom: , gdje je A = Q1Q2. Učinkovitost toplinskog stroja uvijek je manja od 1.

Carnotov ciklus je reverzibilni kružni plinski proces koji se sastoji od dva izotermna i dva adijabatska procesa koji se odvijaju s radnom tekućinom uzastopno.

Kružni ciklus, koji uključuje dvije izoterme i dvije adijabate, odgovara maksimalnoj učinkovitosti.

Francuski inženjer Sadi Carnot 1824. godine izveo je formulu za maksimalnu učinkovitost idealnog toplinskog stroja, gdje je radni fluid idealan plin, čiji se ciklus sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate, tj. Carnotov ciklus. Carnotov ciklus je pravi radni ciklus toplinskog stroja koji obavlja rad zbog topline dovedene radnom fluidu u izotermnom procesu.

Formula za učinkovitost Carnotovog ciklusa, odnosno najveću učinkovitost toplinskog stroja, ima oblik: , gdje je T1 apsolutna temperatura grijača, T2 apsolutna temperatura hladnjaka.

Toplinski strojevi- to su strukture u kojima se toplinska energija pretvara u mehaničku.

Toplinski strojevi su raznoliki i po dizajnu i po namjeni. To uključuje parni strojevi, parne turbine, motori s unutarnjim izgaranjem, mlazni motori.

No, unatoč raznolikosti, načelno rad različitih toplinskih strojeva ima zajedničke značajke. Glavne komponente svakog toplinskog motora su:

• grijač;
• radna tekućina;
• frižider.

Grijač oslobađa toplinsku energiju, dok zagrijava radnu tekućinu koja se nalazi u radnoj komori motora. Radni fluid može biti para ili plin.

Prihvativši količinu topline, plin se širi, jer njegov je tlak veći od vanjskog tlaka i pomiče klip, stvarajući pozitivan rad. Istodobno mu pada tlak i povećava se volumen.

Ako komprimiramo plin, prolazeći kroz ista stanja, ali u suprotnom smjeru, tada ćemo izvršiti istu apsolutnu vrijednost, ali negativan rad. Kao rezultat toga, sav rad po ciklusu bit će nula.

Da bi rad toplinskog stroja bio različit od nule, rad kompresije plina mora biti manji od rada širenja.

Da bi rad kompresije postao manji od rada ekspanzije, potrebno je da se proces kompresije odvija na nižoj temperaturi; za to se radni fluid mora ohladiti, zbog čega konstrukcija toplinskog motora uključuje hladnjak. Radna tekućina prenosi toplinu na hladnjak kada dođe u dodir s njim.

Toplotna mašina – uređaj koji pretvara unutarnju energiju izgorjelog goriva u mehaničku energiju. Vrste toplinskih strojeva : 1) motori s unutarnjim izgaranjem: a) dizel, b) karburator; 2) parni strojevi; 3) turbine: a) plinske, b) parne.

Svi navedeni toplinski motori imaju drugačiji dizajn, ali se sastoje od tri glavna dijela Dodatna oprema: auto grijač, radna tekućina i hladnjak. Grijač osigurava toplinu motoru. Radna tekućina dio primljene topline pretvara u mehanički rad. Frižider oduzima dio topline radnom fluidu.

T 1– temperatura grijača;

T 2– temperatura hladnjaka;

P 1– primljena toplina

iz grijača;

Q 2- dana toplina

hladnjak;

A"- obavljen posao

motor.

Rad svakog toplinskog stroja sastoji se od ponavljajućih cikličkih procesa - ciklusa. Ciklus je slijed termodinamičkih procesa uslijed kojih se sustav vraća u početno stanje.

Faktor učinkovitosti (učinkovitost) toplinskog stroja je omjer rada koji motor izvrši i količine topline primljene od grijača: .

Francuski inženjer Sadi Carnot smatrao je idealan toplinski stroj s idealnim plinom kao radnim fluidom. Pronašao je optimalni idealni ciklus toplinskog stroja koji se sastoji od dva izotermna i dva adijabatska reverzibilna procesa - Carnotov ciklus . Učinkovitost takvog toplinskog stroja s grijačem na temperaturi i hladnjakom na temperaturi: . Bez obzira na konstrukciju, izbor radnog fluida i vrstu procesa u toplinskom stroju, njegova učinkovitost ne može biti veća od učinkovitosti toplinskog stroja koji radi po Carnotovom ciklusu i ima iste temperature grijača i hladnjaka kao dani toplinski stroj.

Učinkovitost toplinskih strojeva je mala, pa je najvažniji tehnički zadatak njezino povećanje. Toplinski motori imaju dva značajna nedostatka. Prvo, većina toplinskih motora koristi fosilna goriva, čija ekstrakcija ubrzano iscrpljuje resurse planeta. Drugo, kao rezultat izgaranja goriva, ogromna količina goriva ispušta se u okoliš. štetne tvari, što stvara značajne ekološke probleme.

Proučavanje pitanja maksimalne učinkovitosti toplinskih motora povezano je s otkrićem njemačkog fizičara R. Clasiusa 1850. drugi zakon termodinamike : nemoguć je proces u kojem bi toplina spontano prelazila s hladnijih tijela na toplija tijela.

Fizikalne veličine i njihove mjerne jedinice:

Naziv vrijednosti	Oznaka	Mjerna jedinica	Formula
Relativna molekularna težina	gosp(hm ovaj)	bezdimenzionalna količina
Masa jedne molekule (atoma)	m 0	kg
Težina	m	kg
Molarna masa	M
Količina tvari	ν (gol)	krtica(mol)	;
Broj čestica	N(en)	bezdimenzionalna količina
Pritisak	str(peh)	Godišnje(paskal)
Koncentracija	n(en)
Volumen	V(ve)
Prosječna kinetička energija translatornog gibanja molekule		J(džul)
Temperatura u Celzijevim stupnjevima	t	°C
Kelvinova temperatura	T	DO(kelvin)
Srednja kvadratna brzina molekula
Površinska napetost	σ (sigma)
Apsolutna vlažnost	ρ (ro)
Relativna vlažnost zraka	φ (fi)	%
Unutarnja energija	U(y)	J(džul)
Posao	A(A)	J(džul)
Količina topline	Q(ku)	J(džul)

Cilj: upoznati toplinske strojeve koji se koriste u suvremenom svijetu.

U našem radu pokušali smo odgovoriti na sljedeća pitanja:

• 
  Što je toplinski stroj?
• 
  Koji je princip njegovog rada?
• 
  Učinkovitost toplinskog motora?
• 
  Koje vrste toplinskih motora postoje?
• 
  Gdje se koriste?

Termički motor.

Zalihe unutarnje energije u zemljinoj kori i oceanima mogu se smatrati praktički neograničenima. Ali nije dovoljno imati rezerve energije. Potrebno je moći koristiti energiju za pokretanje alatnih strojeva u tvornicama i tvornicama, vozila, traktora i drugih strojeva, za okretanje rotora generatora električne struje itd. Čovječanstvu su potrebni motori - uređaji sposobni za obavljanje rada. Većina motora na Zemlji su toplinski motori.

U najjednostavnijem pokusu, koji se sastoji u tome da se u epruvetu ulije malo vode i zakuha (epruveta je u početku zatvorena čepom), čep se pod pritiskom nastale pare podigne i iskoči. Drugim riječima, energija goriva se pretvara u unutarnju energiju pare, a para, šireći se, radi, izbijajući čep. Tako unutarnja energija para se pretvara u kinetičku energiju čepa.

Ako se epruveta zamijeni čvrstim metalnim cilindrom, a čep klipom koji čvrsto priliježe uz stijenke cilindra i slobodno se po njima kreće, tada se dobiva najjednostavniji toplinski motor.

Toplinski strojevi su strojevi u kojima se unutarnja energija goriva pretvara u mehaničku energiju.

Principi rada toplinskih strojeva.

Da bi motor mogao raditi, mora postojati razlika u tlaku s obje strane klipa motora ili lopatica turbine. Kod svih toplinskih motora ta se razlika tlaka postiže povećanjem temperature radnog fluida za stotine ili tisuće stupnjeva u usporedbi s temperaturom okruženje. Ovo povećanje temperature događa se kada gorivo izgara.

Radna tekućina svih toplinskih strojeva je plin koji prilikom širenja obavlja rad. Označimo početnu temperaturu radnog fluida (plina) s T 1 . Tu temperaturu u parnim turbinama ili strojevima postiže para u parnom kotlu.

U motorima s unutarnjim izgaranjem i plinskim turbinama do porasta temperature dolazi dok gorivo izgara unutar samog motora. Temperatura T 1 naziva se temperatura grijača.

Tijekom rada plin gubi energiju i neizbježno se hladi na određenu temperaturu T2. Ta temperatura ne može biti niža od temperature okoline, jer će inače tlak plina postati manji od atmosferskog i motor neće moći obavljati rad. Tipično, temperatura T2 je malo viša od temperature okoline. Zove se temperatura hladnjaka. Hladnjak je atmosfera ili posebni uređaji za hlađenje i kondenzaciju otpadne pare - kondenzatori. U potonji slučaj Temperatura hladnjaka može biti niža od temperature atmosfere.

Dakle, u motoru radna tekućina tijekom ekspanzije ne može predati svu svoju unutarnju energiju za obavljanje rada. Dio topline neizbježno se prenosi u hladnjak (atmosferu) zajedno s otpadnom parom ili ispušnim plinovima iz motora s unutarnjim izgaranjem i plinskih turbina. Ovaj dio unutarnje energije se gubi.

Toplinski stroj radi koristeći unutarnju energiju radnog fluida. Štoviše, u tom se procesu toplina prenosi s toplijih tijela (grija se) na hladnija (hladnjak).

P
Shematski dijagram prikazan je na slici.

Koeficijent djelovanja (učinkovitosti) toplinskog stroja.

Nemogućnost potpunog pretvaranja unutarnje energije plina u rad toplinskih strojeva posljedica je nepovratnosti procesa u prirodi. Kad bi se toplina mogla spontano vratiti iz hladnjaka u grijač, tada bi se unutarnja energija mogla potpuno pretvoriti u koristan rad pomoću bilo kojeg toplinskog stroja.

Faktor iskoristivosti toplinskog stroja η je postotni omjer korisnog rada A p koji je motor izvršio i količine topline Q 1 primljene od grijača.

Formula:

Budući da svi motori predaju određenu količinu topline hladnjaku, tada je η

Maksimalna vrijednost učinkovitosti

Z Zakoni termodinamike omogućuju nam izračunavanje najveće moguće učinkovitosti toplinskog stroja. To je prvi učinio francuski inženjer i znanstvenik Sadi Carnot (1796.-1832.) u svom djelu “Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o strojevima sposobnim razviti tu silu” (1824.).

DO
Arno je došao do idealnog toplinskog stroja s idealnim plinom kao radnim fluidom. Dobio je sljedeću vrijednost za učinkovitost ovog stroja:

T 1 – temperatura grijača

T 2 – temperatura hladnjaka

Glavno značenje ove formule je da, kako je dokazao Carnot, bilo koja pravi toplinski stroj koji radi s grijačem temperature T 1 , te hladnjak s temperaturom T 2 , ne može imati učinkovitost veću od one idealnog toplinskog motora.

Formula daje teorijsku granicu za najveću vrijednost učinkovitosti toplinskih motora. To pokazuje da što je viša temperatura grijača i niža temperatura hladnjaka, to je toplinski stroj učinkovitiji.

Ali temperatura hladnjaka ne može biti niža od temperature okoline. Možete povećati temperaturu grijača. Međutim, svaki materijal (čvrsto tijelo) ima ograničenu otpornost na toplinu, odnosno otpornost na toplinu. Kada se zagrijava, postupno gubi elastična svojstva, a na dovoljno visokoj temperaturi se topi.

Sada su glavni napori inženjera usmjereni na povećanje učinkovitosti motora smanjenjem trenja njihovih dijelova, gubitaka goriva zbog nepotpunog izgaranja itd. Stvarne mogućnosti za povećanje učinkovitosti ovdje su još uvijek velike.

Motor s unutarnjim izgaranjem

Motor s unutarnjim izgaranjem je toplinski stroj koji kao radni fluid koristi plinove visoka temperatura, nastaje tijekom izgaranja tekućeg ili plinovitog goriva izravno unutar komore klipnog motora.

Građa četverotaktnog automobilskog motora.

• 
  cilindar,
• 
  komora za izgaranje,
• 
  klip,
• 
  ulazni ventil;
• 
  izlazni ventil,
• 
  svijeća;
• 
  klipnjača;
• 
  zamašnjak.

Neke informacije o motorima	Vrsta motora
	Karburator	Dizel
Radna tekućina	Zrak zasićen benzinskim parama	Zrak
Gorivo	Benzin	Lož ulje, ulje
Maksimalni tlak u komori	610 5 Pa	1,510 6 - 3,510 6 Pa
Temperatura postignuta tijekom kompresije radnog fluida	360-400 ºS	500-700 ºS
Temperatura produkata izgaranja goriva	1800 ºS	1900 ºS
Učinkovitost: za serijske strojeve za najbolje uzorke

Rad motora

1 bar- "usisavanje" klip se pomiče prema dolje, zapaljiva smjesa benzinske pare i zraka usisava se u komoru za izgaranje kroz usisni ventil. Na kraju takta, usisni ventil se zatvara;

2 mjera- "kompresija" - klip se podiže, sabijajući zapaljivu smjesu. Na kraju takta u svijeći skoči iskra i zapaljiva se smjesa zapali;

3 mjera- “power stroke” - plinoviti produkti izgaranja postižu visoku temperaturu i tlak, velikom silom pritišću klip koji se spušta, te uz pomoć klipnjače i ručice dovodi do okretanja radilice;

4 mjera- “ispuh” - klip se podiže i kroz izlazni ventil potiskuje ispušne plinove u atmosferu. Temperatura emitiranih plinova 500 0

U U automobilima se najčešće koriste četverocilindrični motori. Rad cilindara usklađen je na način da se radni hod događa u svakom od njih redom, a radilica uvijek dobiva energiju od jednog od klipova. Dostupni su i osmocilindrični motori. Višecilindrični motori osiguravaju bolju ujednačenost vrtnje vratila i imaju veću snagu.

Karburatorski motori koriste se u osobnim automobilima relativno male snage. Dizel - u težim vozilima velike snage (traktori, tegljači, dizel lokomotive),
na raznim vrstama brodova.

Parna turbina

5– osovina, 4 – disk, 3 – para, 2 – lopatice,

1 – lopatice.

P Parna turbina je glavni dio parne elektrane. U parnoj elektrani pregrijana vodena para temperature oko 300-500 0 C i tlaka 17-23 MPa izlazi iz kotla u parovod. Para pokreće rotor parne turbine, koja pokreće rotor električnog generatora, proizvodeći električna struja. Otpadna para ulazi u kondenzator, gdje se pretvara u tekućinu, nastala voda se pumpom dovodi u parni kotao i pretvara natrag u paru.

Raspršeno tekuće ili kruto gorivo izgara u ložištu zagrijavajući kotao.

Struktura turbine

• 
  Bubanj sa sustavom mlaznica - ekspandirajuće cijevi posebne konfiguracije;
• 
  rotor - rotirajući disk sa sustavom lopatica.

Princip rada

Mlazovi pare, sa ogromna brzina(600-800 m/s) koji izlaze iz mlaznica usmjeravaju se na lopatice rotora turbine, vršeći pritisak na njih i uzrokujući da se rotor vrti velikom brzinom (50 okretaja u sekundi). Unutarnja energija pare pretvara se u mehaničku energiju rotacije rotora turbine. Para, koja se širi dok napušta mlaznicu, radi i hladi se. Ispušna para izlazi u parni vod, njegova temperatura u ovom trenutku postaje malo iznad 100 ° C, zatim para ulazi u kondenzator, čiji je tlak nekoliko puta manji od atmosferskog. Kondenzator se hladi hladnom vodom.

Prvu parnu turbinu koja je našla praktičnu primjenu proizveo je G. Laval 1889. godine.

Korišteno gorivo: kruto - ugljen, škriljevac, treset; tekućina - ulje, lož ulje. Prirodni plin.

Turbine se postavljaju u termoelektranama i nuklearnim elektranama. Oni proizvode više od 80% električne energije. Snažne parne turbine postavljaju se na velike brodove.

plinska turbina

Važna prednost ove turbine je pojednostavljena pretvorba unutarnje energije plina u rotacijsko gibanje osovine

Princip rada

Kompresorom se u komoru za izgaranje plinske turbine dovodi stlačeni zrak temperature približno 200°C, a pod visokim tlakom ubrizgava se tekuće gorivo (kerozin, loživo ulje). Tijekom izgaranja goriva zrak i produkti izgaranja zagrijavaju se na temperaturu od 1500-2200°C. Plin koji se kreće velikom brzinom usmjerava se na lopatice turbine. Prelazeći s jednog rotora turbine na drugi, plin odustaje od svoje unutarnje energije, što uzrokuje rotaciju rotora.

Kada se ispušta iz plinske turbine, plin ima temperaturu od 400-500 0 C.

Rezultirajuća mehanička energija koristi se, primjerice, za rotaciju propelera zrakoplova ili rotora električnog generatora.

Plinske turbine su motori velike snage, zbog čega se koriste u zrakoplovstvu

Mlazni motori

Princip rada

U komori za izgaranje gori raketno gorivo (na primjer, barutno punjenje) i nastali plinovi velikom snagom pritišću stijenke komore. Na jednoj strani komore nalazi se mlaznica kroz koju produkti izgaranja izlaze u okolni prostor. S druge strane, plinovi koji se šire vrše pritisak na raketu, poput klipa, i guraju je naprijed.

P Nut rakete su motori na kruta goriva. Uvijek su spremni za rad, lako se pokreću, ali je takav motor nemoguće zaustaviti ili kontrolirati.

Raketni motori na tekuće gorivo, čija se opskrba gorivom može regulirati, mnogo su pouzdaniji za upravljanje.

Godine 1903. K. E. Tsiolkovsky predložio je dizajn takve rakete.

Mlazni motori koriste se u svemirskim raketama. Ogromni zrakoplovi opremljeni su turbomlaznim i mlaznim motorima.

Korišteni resursi

• 
  Fizika. Priručnik za učenike. Znanstveni razvoj i kompilacija T. Feščenko, V. Vožegova: M.: Filološko društvo “Slovo”, Tvrtka “Ključ-S”, 1995. – 576 str.
• 
  G.Ya. Myakishev, B.B. Bukhovcev. Fizika: Udžbenik. za 10. razred prosj. škola – 2. izd. – M.: Obrazovanje, 1992. – 222 str.: ilustr.
• 
  ON. Baranova. Završni rad polaznika naprednih tečajeva u Ruskom centru za obrazovno obrazovanje u okviru programa „Internet tehnologije za predmetne nastavnike“. Prezentacija “Toplinski strojevi”, 2005
• 
  http://pla.by.ru/art_altengines.htm - modeli motora i animirane slike
• 
  http://festival.1september.ru/2004_2005/index.php?numb_artic=211269 Festival pedagoških ideja “Otvorena lekcija 2004-2005” L.V. Samojlova

• 
  http://old.prosv.ru/metod/fadeeva7-8-9/07.htm Fizika 7-8-9 Knjiga za učitelja A.A. Fadeeva, A.V. Vijak

Tema trenutne lekcije bit će razmatranje procesa koji se odvijaju u vrlo konkretnim, a ne apstraktnim, kao u prethodnim lekcijama, uređajima - toplinskim motorima. Definirat ćemo takve strojeve, opisati njihove glavne komponente i princip rada. Također tijekom ove lekcije razmotrit ćemo pitanje pronalaženja učinkovitosti - faktora učinkovitosti toplinskih motora, kako stvarnog tako i maksimalnog mogućeg.

Tema: Osnove termodinamike
Lekcija: Kako radi toplinski stroj

Tema zadnje lekcije bio je prvi zakon termodinamike, koji je definirao odnos između određene količine topline koja je predana dijelu plina i rada tog plina tijekom širenja. A sada je došlo vrijeme da se kaže da je ova formula zanimljiva ne samo u nekim teoretskim proračunima, već iu sasvim praktičnoj primjeni, jer rad plina nije ništa drugo nego koristan rad, koji izvlačimo pri uporabi toplinskih motora.

Definicija. Toplotna mašina- uređaj u kojem se unutarnja energija goriva pretvara u mehanički rad (slika 1).

Riža. 1. Razni primjeri toplinski strojevi (), ()

Kao što možete vidjeti sa slike, toplinski motori su svi uređaji koji rade na gore navedenom principu, a variraju od nevjerojatno jednostavnih do vrlo složenih konstrukcija.

Bez iznimke, svi toplinski strojevi funkcionalno su podijeljeni u tri komponente (vidi sliku 2):

• Grijač
• Radna tekućina
• Frižider

Riža. 2. Funkcionalni dijagram toplinskog stroja ()

Grijač je proces izgaranja goriva, koji, kada se spali, prenosi veliki broj zagrijavanje plina, zagrijavanje do visokih temperatura. Vrući plin, koji je radni fluid, širi se zbog povećanja temperature, a time i tlaka, vršeći rad. Naravno, budući da uvijek postoji prijenos topline s tijelom motora, okolnim zrakom itd., rad neće biti brojčano jednak prenesenoj toplini - dio energije odlazi u hladnjak, koji je u pravilu okoliš .

Najlakše je zamisliti proces koji se odvija u jednostavnom cilindru ispod klipa koji se kreće (na primjer, cilindar motora s unutarnjim izgaranjem). Naravno, da bi motor radio i imao smisla, proces se mora odvijati ciklički, a ne jednokratno. To jest, nakon svake ekspanzije, plin se mora vratiti u svoj prvobitni položaj (slika 3).

Riža. 3. Primjer cikličkog rada toplinskog stroja ()

Da bi se plin vratio u početni položaj potrebno je na njemu izvršiti rad (rad vanjske sile). A kako je rad plina jednak radu na plinu suprotnog predznaka, da bi plin izvršio ukupan pozitivan rad tijekom cijelog ciklusa (inače ne bi bilo smisla u motoru), potrebno je da rad vanjskih sila bude manji od rada plina. Odnosno, graf cikličkog procesa u P-V koordinate treba izgledati kao: zatvorena petlja s premosnicom u smjeru kazaljke na satu. Pod tim uvjetom rad plina (u dijelu grafikona gdje se volumen povećava) veći je od rada plina (u dijelu gdje se volumen smanjuje) (slika 4).

Riža. 4. Primjer grafa procesa koji se odvija u toplinskom stroju

Budući da je riječ o određenom mehanizmu, nužno je reći kolika je njegova učinkovitost.

Definicija. Učinkovitost (koeficijent učinka) toplinskog stroja- omjer korisnog rada radnog fluida i količine topline prenesene na tijelo od grijača.

Ako uzmemo u obzir očuvanje energije: energija koja napušta grijač nigdje ne nestaje - dio se uklanja u obliku rada, ostatak ide u hladnjak:

Dobivamo:

Ovo je izraz za učinkovitost u dijelovima; ako trebate dobiti vrijednost učinkovitosti u postocima, morate pomnožiti dobiveni broj sa 100. Učinkovitost u SI mjernom sustavu je veličina bez dimenzija i, kao što se može vidjeti iz formule, ne može biti više od jednog (ili 100).

Također treba reći da se ovaj izraz naziva realna učinkovitost ili učinkovitost pravog toplinskog stroja (toplinskog stroja). Ako pretpostavimo da se nekako uspijemo u potpunosti riješiti nedostataka konstrukcije motora, tada ćemo dobiti idealan motor, a njegova učinkovitost će se izračunati pomoću formule za učinkovitost idealnog toplinskog stroja. Ovu formulu je dobio francuski inženjer Sadi Carnot (slika 5):