Тепловой двигатель - это любое устройство, преобразующее тепловую энергию в
механическую работу.
Основная идея лежащая в основе
любого теплового двигателя, состоит в следующем: механическая энергия может
быть получена за счет тепловой, только если дать возможность тепловой энергии
переходить из области с высокой температурой в область с низкой температурой,
причем в процессе этого перехода часть тепловой энергии может перейти в
механическую работу.
В настоящее время используется множество тепловых машин. Рассмотрим два
тепловых двигателя - это паровой и внутреннего сгорания.
|
В основном используется два паровых двигателя: возвратного типа и паровая
турбина.
В двигателях возвратного типа (рис.4) нагретый пар проходит через впускной
клапан и затем расширяется в пространстве под поршнем, вынуждая его тем самым
двигаться. Затем, когда поршень возвращается в исходное положение, он
вытесняет пар через выпускной клапан.
В паровых турбинах по существу происходит тоже самое. Различие состоит в том,
что возвратно-поступательный поршень заменен турбиной (рис.5), напоминающей
гребное колесо.
|
Наиболее распространенным двигателем сейчас является четырёхтактный двигатель
внутреннего сгорания (рис.6).
На рисунке 6 буквами обозначены следующие процессы:
а. Смесь воздуха с бензином всасывается в цилиндр, при движении поршня вниз.
б. Поршень движется вверх и сжимает смесь.
в. Искра от свечи воспламеняет смесь. При этом температура смеси резко
возрастает.
г. Газы, находящиеся при высоких температуре и давлении, расширяются,
перемещая при этом поршень вниз (рабочий ход двигателя).
д. Отработавшие газы выбрасываются через выпускной клапан; затем весь цикл
повторяется.
Вещество, которое нагревают и охлаждают (в паровых машинах - пар), называют
рабочим телом.
Для практической работы любого теплового двигателя необходима разность
температур. Почему? Что бы ответить на этот вопрос представим себе паровую
машину (как на рис.4), но без конденсатора и насоса. В таком случае пар имел
бы одинаковую температуру во всей системе. Это означало бы, что давление пара
при его выпуске было бы таким же, как и при впуске. Тогда работа, которую
совершил пар над поршнем при своем расширении, в точности была бы равна
работе, которую совершил поршень над паром при его выпуске, то есть не было
бы совершено никакой результирующей работы. В реальном двигателе выпускаемый
газ охлаждается до более низкой температуры и конденсируется, так что
давление при выпуске меньше, чем при впуске. В таком случае работа, которую
должен совершить поршень для выталкивания газа из цилиндра, будет меньше, чем
работа, совершаемая газом работа над цилиндром. Таким образом может быт
получена результирующая работа. Аналогично и с паровой турбиной: если бы не
было разности давлений по обе стороны лопаток, то турбина не стала бы
вращаться.
В паровых двигателях разность температур достигается за счет сжигания
топлива, при этом нагревается пар. В двигателе внутреннего сгорания за счет
сгорания рабочей смеси внутри цилиндра двигателя.
Принцип действия холодильника или теплового насоса состоит в обращении
рабочих стадий теплового двигателя.
Работа обычно совершается мотором компрессора (рис.7).
В обычном холодильнике цикл состоит из нескольких стадий:
а. Пар сжимается компрессором, нагреваясь при этом.
б. Нагретый пар поступает в конденсатор образуется горячая жидкость.
в. Через расширительный клапан горячая жидкость поступает в теплообменник,
где испаряясь охлаждается.
г. Затем пар снова поступает в компрессор и цикл повторяется.