Работа газа при расширении. Двигатель внутреннего сгорания - Тепловые процессы

Физический словарик

Мотор (от лат. motor - приводящий в движение) - двигатель.

Мотороллер (от нем. motoroller - буквально: катящийся с помощью мотора) - разновидность мотоцикла.

Мотоцикл (от лат. motor - двигатель и греч. kyklos - круг, колесо) - одноколейное двухколесное транспортное средство, снабженное двигателем внутреннего сгорания (ДВС).

Историческая справка

Одним из первых воспользоваться движущей силой пара попытался французский физик Дени Папен. Он пришел к идее пароатмосферного двигателя, представляющего собой цилиндр с поршнем, который мог подниматься под давлением пара и опускаться при его конденсации. Однако ученый так и не смог создать работоспособное устройство.

В 1696 г. английский инженер Томас Севери изобрел паровой насос для подъема воды. В 1707 г. насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. Английский механик Томас Ньюкомен создал в 1705 г. паровую машину для откачки воды из шахт.

В 1765 г. Джеймс Уатт сконструировал принципиально новый паровой двигатель. Его машина могла не только откачивать воду, но и приводить в движение станки, корабли и экипажи.

В 1769-1770 гг. французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо сконструировал паровую повозку - предшественницу автомобиля. Она до сих пор хранится в Музее искусств и ремесел в Париже. Американец Роберт Фултон провел в 1807 г. построенный им колесный пароход «Клермонт» по реке Гудзон.

25 июля 1814 г. локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона протащил по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4 км/ч. В 1839 г. Джеймс Несмит создал мощный паровой молот, совершивший настоящий переворот в металлургическом производстве.

История ДВС

Интенсивное развитие промышленности в Англии и Франции в конце XVIII - начале XIX вв., основанное на широком применении паровых машин, происходило в условиях, когда теория тепловых явлений только начинала создаваться. На рубеже веков вновь обострились дискуссии о природе тепла, что привело к ряду важных экспериментальных исследований. Тем не менее в первой четверти XIX в. наука о тепловых явлениях и теплотехника развивались фактически независимо. Первым исследователем, попытавшимся разрушить этот барьер, был французский инженер Сади Карно.

Никола Леонар Сади Карно родился 1 июня 1796 г. в Париже. Он был старшим сыном выдающегося военачальника, политического деятеля и ученого Л. Карно, бывшего в то время членом Директории. Сади получил прекрасное домашнее воспитание и образование и некоторое время учился в лицее Карла Великого. Во время учебы в Политехнической школе Карно мог слушать лекции Пуассона, Гей-Люссака, Ампера, Араго. Он окончил школу и в числе лучших был направлен в инженерную школу в Метце.

Общение с Клеманом, а также посещение заводов и фабрик пробудили у Карно интерес к проблеме совершенствования паровых машин.

В 1812 г. Сади посетил в Магдебурге отца, высланного из Франции. Обсуждение с ним научно-технических проблем послужило толчком к исследованию эффективности тепловых машин, завершившемуся изданием в 1824 г. сочинения «Размышление о движущей силе огня». В своей работе Карно ввел в научный обиход множество понятий, сохранившихся в термодинамике до наших дней, в частности понятия идеальной тепловой машины, идеального цикла, обратимости процесса как условия его предельной эффективности.

Интересные факты

Самым воинственным растением является бешеный огурец. В диком виде этот «артиллерист» часто встречается в Крыму. От обычного этот огурец можно отличить по щетинкам, покрывающим его поверхность. И листья, и плод, и цветки как у обычного огурца. В «бешенство» он приходит, когда полностью созревает. Происходит это внезапно и может серьезно испугать человека или животное. Огурец с треском отрывается от своей ножки, подпрыгивает, вертится волчком. А из отверстия, где только что была ножка плода, бьет на 6-8 м струя липкого сока, смешанного с семенами. Оказывается, пока плод зреет, внутри него накапливаются газы. К моменту созревания их давление в огурце достигает 3 атм!

Качественные задачи и вопросы

1. Какие устройства называются тепловыми двигателями? (Устройства, в которых внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.)

2. Из каких основных частей состоит карбюраторный ДВС? Какое отличие от карбюраторного двигателя имеют двигатели Дизеля? (Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень, соединенный при помощи шатуна с коленчатым валом. На валу укреплен тяжелый маховик. В верхней части цилиндра имеются два клапана, предназначенные для впуска смеси горючего и воздуха и выпуска отработанных газов, и свеча, которая воспламеняет горючую смесь. В дизельном двигателе горючая смесь воспламеняется сжатым воздухом.)

3. Каков принцип работы карбюраторного ДВС? (Основными циклами работы карбюраторного двигателя являются четыре процесса: впуск горючей смеси; сжатие и воспламенение; рабочий ход; выпуск продуктов сгорания.)

4. Можно ли огнестрельное оружие отнести к тепловым двигателям? (Да.)

5. Можно ли человеческий организм отнести к тепловому двигателю? (Да.)

6. Почему ДВС не используют в подводных лодках при подводном плавании? (Под водой для работы двигателя внутреннего сгорания необходим воздух, а его там нет, либо необходимо брать сжатый воздух, но это нерентабельно и усложняет процесс.)

7. Почему при сгорании топлива давление в цилиндре двигателя сильно увеличивается? (При увеличении внутренней энергии газов скорость молекул увеличивается, давление газов, следовательно, тоже увеличивается.)

8. Изменяется ли температура пара в турбине? (Да, уменьшается.)

Задачи для любителей литературы

1. «Азазелло, который сидел отвернувшись от подушки, вынул из кармана фрачных брюк черный автоматический пистолет, положил дуло его на плечо и, не поворачиваясь к кровати, выстрелил, вызвав веселый испуг в Маргарите» (М. А. Булгаков. Мастер и Маргарита).

Какие превращения энергии происходят при выстреле из пистолета, и можно ли пистолет считать тепловым двигателем? (При выстреле внутренняя энергия газов превращается в кинетическую энергию пули или снаряда, поэтому пистолет можно считать тепловым двигателем.)

По загадкам

2. Огнем дышит,

Полымем пышет. (Ружье.)

Можно ли ружье назвать тепловым двигателем? (Можно. При выстреле внутренняя энергия пороха превращается в механическую энергию.)

3. С одного конца хитро, с другого мудреней того, а в середине ум за разум заходит. (Паровая машина.)

Каков принцип действия паровой машины? (Преобразование потенциальной энергии сжатого водяного пара в механическую работу)

Задача для любителей географии

Исландия - первое и пока единственное государство, в больших масштабах использующее термальные воды для отопления и горячего водоснабжения. Для этой цели в столице страны Рейкьявике в 1930-х гг. создана система трубопроводов и специальных резервуаров, откуда горячая вода подается потребителям. Благодаря теплицам с геотермальным отоплением Исландия полностью обеспечивает себя яблоками, помидорами, дынями и даже бананами. В России первая геотермальная электростанция (ГеоТЭС) сооружена на юге Камчатского полуострова. На станции насыщенный пар из пробуренных скважин направляется в сепаратор, а затем непосредственно в паровые турбины. Мощность одной из двух турбин Паужетской ГеоТЭС - 2,5 МВт.

Какую работу можно совершить за час, используя энергию, полученную от одной турбины Паужетской ГеоТЭС? (9 ГДж.)

Проверка знаний и умений.

Физический диктант

1

2

1. Плавлением называется... (...процесс превращения твердого вещества в жидкость). 2. Парообразованием называется... (...процесс превращения - жидкости в газ). 3. Тепловым двигателем называется... (...устройство, в котором внутренняя энергия вещества преобразуется в механическую энергию). 4. Свеча в ДВС выполняет функцию... (...воспламенителя топлива). 5. ДВС состоит из... (...цилиндра, который включает в себя поршень, клапаны, шатун, свечу, коленчатый вал, маховик). 6. Смесь, поступающая в цилиндр ДВС, состоит из... (...топлива и воздуха).

1. Кристаллизацией называется... (...процесс превращения жидкости в твердое вещество). 2. Конденсацией называется... (...процесс превращения газа в жидкость). 3. Виды тепловых двигателей... (...ДВС, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель и т. д.). 4. Маховое колесо в ДВС служит для... (...уменьшения неравномерного вращения вала). 5. Цикл двигателя состоит из... (...впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска). 6. Карбюраторный ДВС работает на... (...бензине или природном газе).