Работа газа и пара при расширении. Двигатель внутреннего сгорания

Введение

С древнейших времён человек стремился использовать энергию природы для облегчения труда. Сначала это была сила воды и ветра, затем — энергия пара, а позже — энергия, выделяемая при сгорании топлива. Сегодня без тепловых машин невозможно представить современный мир: они приводят в движение автомобили, поезда, корабли, самолёты и даже электрогенераторы.
Чтобы понять, как работают такие машины, нужно изучить, как газ или пар выполняют работу при расширении, и как это явление используется в двигателях внутреннего сгорания.

Виды энергии и машины

Энергия — это способность совершать работу. В физике различают несколько видов энергии:

• Механическая энергия — связана с движением и положением тел.

• Тепловая энергия — энергия движения и взаимодействия частиц вещества.

• Химическая энергия — заключена в топливе и высвобождается при его сгорании.

Машины, которые преобразуют тепловую энергию в механическую, называются тепловыми машинами. К ним относятся паровые машины, паровозы, автомобильные двигатели и реактивные двигатели.

Опыт с работой пара при расширении

Чтобы понять, как пар может выполнять работу, рассмотрим простой опыт.
Возьмём цилиндр с подвижным поршнем и нальём немного воды. Если нагреть цилиндр, вода закипит и начнёт выделяться пар. При нагревании объём пара увеличивается, и он давит на поршень, заставляя его подниматься.

Таким образом, при расширении пар совершает работу, передавая энергию окружающим телам.
Этот опыт показывает, что тепловая энергия может превращаться в механическую, что и является основой работы всех тепловых машин.

Тепловая машина Герона и паровой двигатель Уатта

Ещё в I веке н.э. древнегреческий учёный Герон Александрийский создал устройство — эолипил Герона, которое считается прообразом паровой турбины. Это был шар с изогнутыми трубками, из которых выходил пар. Реактивная сила заставляла шар вращаться. Хотя машина Герона не использовалась в быту, она показала, что пар может выполнять механическую работу.

Настоящую революцию произвёл Джеймс Уатт в XVIII веке. Он усовершенствовал паровую машину, добавив конденсатор, который позволил повысить её эффективность. Машина Уатта могла приводить в движение насосы, станки и транспорт.
Позже изобретатели создали паровоз — самоходную машину, где пар, расширяясь в цилиндрах, двигал колёса. Так началась эпоха парового транспорта.

Создание двигателя внутреннего сгорания

С развитием техники стало ясно, что паровые машины громоздки и требуют времени для нагрева. Учёные задумались: можно ли использовать теплоту прямо от сгорания топлива внутри цилиндра?
Так появился двигатель внутреннего сгорания (ДВС). В нём топливо сгорает внутри самого цилиндра, и газы, расширяясь, толкают поршень.

Первые рабочие модели таких двигателей появились в XIX веке. Значительный вклад внесли Отто, Дизель и Ленуар.

• Отто создал четырёхтактный двигатель, который стал основой большинства современных бензиновых двигателей.

• Дизель разработал двигатель, работающий на более дешёвом топливе — дизельном, и отличающийся высокой эффективностью.

Устройство и принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим четырёхтактный двигатель Отто, который используется в автомобилях. Он состоит из цилиндра, поршня, клапанов, свечи зажигания и коленчатого вала.

Четыре такта работы двигателя:

1. Впуск. В цилиндр поступает смесь воздуха и топлива.

2. Сжатие. Поршень поднимается, сжимая смесь.

3. Рабочий ход. Смесь воспламеняется от искры свечи, газы расширяются и толкают поршень вниз — совершается работа.

4. Выпуск. Отработавшие газы выходят через клапан, и цикл повторяется.

Так тепловая энергия, выделяющаяся при сгорании топлива, превращается в механическую энергию вращения вала, которая затем передаётся колёсам автомобиля или другому механизму.

Связь работы газа с законами физики

Работа газа при расширении описывается формулой:

где

• A — работа газа,

• p — давление,

• ΔV — изменение объёма газа.

При расширении газ совершает положительную работу, при сжатии — отрицательную.
Именно это свойство лежит в основе действия всех тепловых двигателей.

Значение тепловых машин

Тепловые машины стали основой современной цивилизации.

• Паровые машины привели к промышленной революции.

• Паровозы сделали возможным массовое передвижение грузов и людей.

• Двигатели внутреннего сгорания позволили создать автомобили, самолёты и корабли.

Однако эффективность таких двигателей ограничена законами термодинамики: не вся теплота превращается в работу, часть рассеивается в виде потерь. Современные инженеры продолжают искать способы повысить КПД двигателей и сделать их более экологичными.

Вопросы для самопроверки

1. Какую работу совершает газ при расширении?

2. В чём заключается принцип действия паровой машины?

3. Кто создал первый паровой двигатель и в чём заключалось его преимущество?

4. Чем отличается двигатель внутреннего сгорания от парового?

5. Опиши четыре такта работы двигателя внутреннего сгорания.

6. Почему не вся теплота топлива превращается в полезную работу?

7. В каких устройствах сегодня используются двигатели внутреннего сгорания?