Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания
1. Виды энергии и машины
На этом уроке мы рассмотрим работу газа и пара при расширении, а также изучим двигатель внутреннего сгорания.
В 7 классе мы изучали различные виды энергии, в частности, рассматривали потенциальную энергию и кинетическую энергию. Далее, в 8 классе был изучен ещё один вид энергии – внутренняя энергия. Внутренняя энергия любого тела характеризуется температурой, может изменяться, но самое главное, что внутренняя энергия может быть запасена в таком веществе, как топливо. Топливо может быть разным: жидким, твердым, газообразным, но самая главная его особенность – при сжигании топлива выделяется тепло.
В нашей жизни используется достаточно большое количество машин, и эти машины используют различные виды энергии. Общей чертой всех машин является то, что это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.
2. Опыт с работой пара при расширении
В нашей жизни используется достаточно большое количество машин, и эти машины используют различные виды энергии. Общей чертой всех машин является то, что это устройство, которое преобразует один вид энергии в другой.
Вначале рассмотрим следующий простой опыт. Возьмём пробирку, нальём туда немного воды и заткнём её пробкой. Затем начнём эту пробирку нагревать. Через некоторое время пар, образовавшийся в этой пробирке от закипающей жидкости, вытолкнет пробку наружу (Рис. 1). Что же произошло? Это следствие работы пара. То есть пар получил энергию от сожженного топлива при нагревании и, расширяясь, совершил полезную работу.
Рис. 1.
Если теперь вместо пробирки взять металлический цилиндр, а вместо пробки – поршень, то получится простейший тепловой двигатель.
3. Тепловая машина Герона и паровой двигатель Уатта
Определение
Тепловой двигатель – это устройство, которое преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
Значение механической работы в жизни человека переоценить тяжело: эта работа определяет движение транспорта, перевозку и подъём грузов и многое другое. Задача любой машины – преобразовать энергию в эту работу.
Рассмотрим подробнее историю создания первых машин. Человек давно задумывался о том, как построить соответствующие машины.
Первым таким человеком (по дошедшим до нас сведениям) был Герон Александрийский, инженер-изобретатель, который жил в I (по некоторым данным, во II) нашей эры (Рис. 2).
Рис. 2. Герон Александрийский
Он первым создал свою знаменитую паровую машину, которая называется тепловой машиной Герона (Рис. 3).
Рис. 3. Тепловая машина Герона
Принцип действия этой машины заключался в следующем: в сосуд с отверстиями наливалась вода и помещалась над огнем. Вода закипала, через отверстия с большой скоростью вырывался пар, и часть, подвешенная над огнем, начинала вращаться. Это и был прообраз первой тепловой машины.
Первый тепловой двигатель, который использовался в работе (а не был демонстрацией превращения внутренней энергии в механическую работу), был построен в 1768 году в Англии знаменитым инженером Джеймсом Уаттом (Рис. 4) (в честь Уатта потом была названа единица мощности).
Рис. 4. Джеймс Уатт
В 1768 году Уатт впервые сконструировал двигатель, который называется паровым. В этом двигателе использовалась энергия расширяющегося пара, которая превращалась в механическую работу. В результате помощи одного из крупных банкиров и заводчиков Уатту удалось открыть фирму по производству паровых машин (Рис. 5–6). Паровые машины использовались на шахтах и заводах. В первые десятилетия фирмы было создано 44 такие машины. В следующее десятилетие их было создано уже больше 100.
|
|
|
Рис. 5–6. Паровая машина Уатта
Правда, существует версия, что на два года раньше Уатта в 1766 году на Барнаульском заводе была изготовлена первая паровая машина в России. Изобретателем этой машины был Иван Ползунов (Рис. 7). Считается, что он сделал эту машину специально для завода, чтобы использовать ее при ковке больших деталей. Сам Иван Ползунов работы этой машины не увидел, но 27 мая 1766 года эта машина была запущена. Она проработала больше двух месяцев. За это время она полностью себя окупила и выполнила огромный объем работы. Но затем из-за небольшой неполадки машина вышла из строя, и починить её не удалось. Поэтому на сегодняшний день во всем мире считается, что первым человеком, который построил первый тепловой двигатель, был Джеймс Уатт. Джеймс Уатт, в свою очередь, был против того, чтобы использовать паровую машину на транспорте. И поэтому только позже, уже другими изобретателями паровая машина была поставлена «на колеса».
Рис. 7. Памятник Ивану Ползунову
4. Создание паровоза и двигатель внутреннего сгорания
Первую самодвижущуюся тележку удалось сделать во Франции в 1770 году. Эта тележка с укрепленным на ней паровым двигателем перемещалась со скоростью около 
и была предназначена для перевозки тяжелых орудий. Первая поездка этого сооружения оказалась неудачной. Дело все в том, что с разгона тележка въехала в стену, сломала её и угол дома. После этого было принято решение, чтобы тележку обязательно сопровождали посторонние люди. Кстати, слово «шофер» – французское, и на современный язык можно перевести это слово как «истопник», т. е. «кочегар». Человек, который ухаживал за этой машиной, и был, по сути, истопником, потому что машина была паровая и топилась дровами.
В 1803 году появился первый паровоз в Англии, но широкого применения не получил. Дело в том, что именно в этом транспорте увидели конкуренцию все, кто занимался в то время перевозками, поэтому старались каким-то образом помешать внедрению нового вида транспорта.
Кроме того, первый паровоз оказался довольно тяжелым: он был массой около пяти тонн, и, когда он двигался по рельсам, которые тогда использовались для передвижения конки, рельсы и шпалы начинали ломаться. В дальнейшем был построен другой паровоз, который использовался как аттракцион: катал людей в вагонах в парке.
Но, поскольку прогресс остановить нельзя, в дальнейшем паровые двигатели заменили так называемые двигатели внутреннего сгорания.
Дело в том, что есть двигатели внутреннего сгорания и двигатели внешнего сгорания. Паровая машина относится к двигателям внешнего сгорания (топка, где сжигается топливо, находится вне парового котла).
Двигатель внутреннего сгорания – это двигатель, где сгорание происходит внутри самого двигателя.
Такой двигатель был изобретен в конце XVII века во Франции, и первые результаты этого двигателя был достаточно успешными. В итоге этот двигатель стали использовать на различных видах транспорта. В 1860 году французский инженер Ленуар изобрел и построил так называемый двигатель внутреннего сгорания Ленуара. В этот двигатель поступала смесь светильного газа и воздуха, которая сгорала внутри двигателя и тем самым обеспечивала его работу.
В дальнейшем этот двигатель усовершенствовал немецкий инженер Отто. Двигатель Ленуара-Отто просуществовал очень долгое время. Его использовали в различных транспортных средствах.
Следом за двигателем Ленуара-Отто немецкому инженеру Готтлибу Даймлеру удалось создать бензиновый двигатель. С этого момента начинается история немецкого автопрома.
На сегодняшний день двигатель внутреннего сгорания хорошо изучен и многократно усовершенствован.
Рассмотрим макет основной части двигателя внутреннего сгорания (Рис. 8).
Рис. 8. Схема ДВС
5. Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания
Главная часть любого двигателя внутреннего сгорания – это цилиндр. В этом цилиндре располагается поршень. Поршень через шатун соединяется с коленвалом (в данной схеме на рис. 8. – маховиком). Также в этом двигателе предусмотрены два клапана: впускной и выпускной. И есть ещё один неотъемлемый элемент двигателя, – свеча зажигания.
Как же работает такой двигатель? Такой двигатель называется четырехтактным. Потому что вся работа двигателя совершается в четыре такта. При этом движение поршня происходит верх и вниз. Давайте опишем работу двигателя подробнее.
Верхняя точка, в которой располагается поршень, называется верхней мертвой точкой. Внизу такая же точка называется нижней мертвой точкой, а весь ход поршня от одной точки до другой называется ходом. Итак, что же происходит? В первый такт открывается впускной клапан, и через него происходит впуск топлива. В этот момент срабатывает свеча зажигания, загорается топливо. Топливо сгорает и толкает поршень вниз. По инерции маховое колесо срабатывает, прокручивает дальше. Следующий шаг: открывается другой клапан и через него выбрасывается отработанное топливо. То есть, вкратце схему работы двигателя можно описать так: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск, впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск, … (Рис. 9).
Рис. 9. Принцип работы двигателя
Частота, с которой происходит движение, достаточно высока. За одну минуту может происходить 3000 и даже 7000 таких вот движений (оборотов). В некоторых случаях доходит даже до 15000 оборотов в минуту.
В заключение стоит сказать, что количество топлива (бензина, керосина, природного газа), на котором работает большинство нынешних двигателей, ограничено и стремительно убывает. Поэтому в ближайшее время возникнет острая необходимость придумывать новые виды транспорта, в которых будут использоваться другие виды двигателей.
Тепловые двигатели представляют собой достаточно опасный объект в плане загрязнения окружающей среды. Поэтому необходимо сказать, что при проектировании двигателей внутреннего сгорания необходимо помнить об их экономичности и чистоте того воздуха, который после этих двигателей остаётся.
Итак, мы рассмотрели работу газа и пара при расширении, а также познакомились со схемой и устройством двигателя внутреннего сгорания.
На следующем уроке мы рассмотрим другой вид теплового двигателя – паровую турбину.