Содержание

Принцип работы теплового двигателя

Тепловой двигатель — это устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

    Согласно механическую работу за счет охлаждения окружающих тел, если он не только получает теплоту от более горячего те­ла (нагревателя), но при этом отдает теплоту менее нагретому телу (холодильнику). Следовательно, на совершение работы идет не все количество теплоты, полученное от нагревателя, а только часть ее.

    Таким образом, основными элементами любого теплового двигателя являются:

    1) рабочее тело (газ или пар), совершающее работу;

    2) нагреватель, сообщающий энергию рабочему телу;

    3) холодильник, поглощающий часть энергии от рабочего те­ла.

     

    Тепловые двигатели: принцип действия, устройство, схема

    Рассмотрим тепловые двигатели, принцип действия этих механизмов. В земной коре и мировом океане запасы внутренней энергии можно считать неограниченными. Для того чтобы решать практические задачи, ее явно недостаточно. Устройство и принцип действия теплового двигателя необходимо знать для того, чтобы приводить в движение токарные станки, транспортные средства. Человек нуждается в таких устройствах, которые могут совершать полезную работу.

    Тепловые двигатели, принцип действия которых мы рассмотрим, являются основными на нашей планете. Именно в них происходит превращение внутренней энергии в механический вид.

    Особенности теплового двигателя

    Каков принцип действия теплового двигателя? Кратко его можно представить на простом опыте. Если в пробирку налить воду, закрыть пробкой, довести до кипения, она вылетит. Причина выскакивания пробки заключается в совершении паром внутренней работы. Процесс сопровождается превращением внутренней энергии пара в кинетическую величину для пробки. Тепловые двигатели, принцип действия которых аналогичен описанному эксперименту, отличаются строением. Вместо пробирки используется металлический цилиндр. Пробка заменена поршнем, плотно прилегающим к стенкам, перемещающимся вдоль цилиндра.

    Алгоритм действия

    Тепловыми машинами называют механизмы, где наблюдается превращение внутренней энергии топлива в механический вид.

    Для совершения двигателем полезной работы, должна быть создана разность давлений с обеих сторон поршня либо лопастей мощной турбины. Для достижения такой разности давлений происходит повышение температуры рабочего тела на тысячи градусов в сравнении с ее средним показателем в окружающей среде. Происходит подобное повышение температуры в процессе сгорания топлива.

    Изменения температур

    У всех современных тепловых машин выделяют рабочее тело. Им принято называть газ, совершающий в процессе расширения полезную работу. Начальную температуру, обозначаемую Т1, он приобретает в паровом котле машины или турбины. Называют этот показатель температурой нагревателя. В процессе совершения работы происходит постепенная потеря газом энергии. Это приводит к неизбежному охлаждению рабочего тела до некоторого показателя Т2. Значение температуры должно быть ниже показателя окружающей среды, иначе давление газа будет иметь меньший показатель, чем атмосферное давление, и работа двигателем не будет совершена.

    Показатель Т2 называют температурой холодильника. В его качестве выступает атмосфера либо специальное устройство, необходимое для конденсации и охлаждения отработанного пара.

    Некоторые факты

    Итак, тепловые двигатели, принцип действия которых основывается на расширении рабочего тела, не способны отдавать для совершения работы всю внутреннюю энергию. В любом случае часть тепла будет передаваться атмосфере (холодильнику) вместе с отработанным паром либо выхлопными газами турбин или двигателей внутреннего сгорания.

    КПД тепловых машин

    Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

    Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Схема его понятна и проста, доступна даже ученикам средней школы. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

    Изобретение тепловой машины

    Первым изобретателем машины, использующей тепло, стал Сади Карно. Он разработал идеальную машину, в которой рабочим телом выступал идеальный газ. Кроме того, ученому удалось определить показатель КПД для такого устройства, используя значения температуры холодильника и нагревателя.

    Карно удалось определить зависимость между реальной тепловой машиной, функционирующей на основе нагревателя, и холодильником, в качестве которого выступает воздух или конденсатор. Благодаря математической формуле, предложенной Карно для его первой идеальной тепловой машины, определяется максимальное значение КПД. Между температурой нагревателя и холодильника существует прямая связь.

    Для того чтобы машина полноценно функционировала, значение температуры не должно быть меньше ее показателя в окружающем воздухе. При желании можно повышать температуру нагревателя, не забывая о том, что у каждого твердого тела есть определенная жаропрочность. По мере нагревания оно теряет свою упругость, а при достижении температуры плавления просто плавится.

    Благодаря инновациям, которые достигнуты в современной инженерной промышленности, происходит постепенное повышение КПД теплового двигателя. Например, снижается трение между его отдельными частями, устраняются потери, возникающие из-за неполного сгорания топлива.

    Двигатель внутреннего сгорания

    Он представляет собой тепловую машину, где в виде рабочего тела применяют высокотемпературные газы, получаемые в процессе сгорания разного вида топлива внутри камеры. Выделяют четыре такта в работе автомобильного двигателя. Среди составных его частей назовем впускной и выпускной клапаны, камеру сгорания, поршень, цилиндр, свечу, шатун, а также маховик.

    На первом этапе наблюдается плавное передвижение клапана вниз, процесс происходит благодаря заполнению камеры рабочей смесью. В конце первого такта впускной клапан закрывается. Далее поршень передвигается вверх, при этом происходит сжатие рабочей смеси. Появление искры в свече приводит к воспламенению горючей смеси. Давление, которое оказывают пары воздуха и бензина на поршень, приводят к его самопроизвольному движению вниз, поэтому такт называют «рабочим ходом». В движение приводится коленчатый вал. На четвертом этапе открывается выпускной клапан, происходит выталкивание в атмосферу отработанных газов.

    Принципы действия тепловых машин

     

    КПД тепловых машин

    Каков принцип действия тепловой машины? КПД теплового двигателя зависит от величины полезной работы, совершаемой газом. С учетом того, что невозможно полностью превратить внутреннюю энергию в работу теплового двигателя, можно объяснить необратимость природных процессов и явлений. В том случае, если бы наблюдалось самопроизвольное возвращение теплоты к нагревателю от холодильника, внутренняя энергия в полном объеме превращалась бы в полезную работу посредством теплового двигателя.

    Коэффициентом полезного действия называют отношение полезной работы, совершаемой тепловым двигателем, к тому количеству тепла, которое передано холодильнику. В физике принято выражать данную величину в процентах. Таков принцип действия теплового двигателя. Законы термодинамики дают возможность проводить вычисления максимального значения коэффициента полезного действия.

    Как работают тепловые двигатели

    Функция тепловых двигателей – преобразование тепловой энергии в полезную механическую работу. Рабочим телом в таких установках служит газ. Он с усилием давит на лопатки турбины или на поршень, приводя их в движение. Самые простые примеры тепловых двигателей – это паровые машины, а также карбюраторные и дизельные двигатели внутреннего сгорания.

    Инструкция

    1. Поршневые тепловые двигатели имеют в своем составе один или несколько цилиндров, внутри которых находится поршень. В объеме цилиндра происходит расширение горячего газа. При этом поршень под воздействием газа перемещается и совершает механическую работу. Такой тепловой двигатель преобразует возвратно-поступательное движение поршневой системы во вращение вала. Для этой цели двигатель оснащается кривошипно-шатунным механизмом.

    2. К тепловым двигателям внешнего сгорания относятся паровые машины, в которых рабочее тело разогревается в момент сжигания топлива за пределами двигателя. Нагретый газ или пар под сильным давлением и при высокой температуре подается в цилиндр. Поршень при этом перемещается, а газ постепенно охлаждается, после чего давление в системе становится почти равным атмосферному.

    3. Отработавший свое газ выводится из цилиндра, в который немедленно подается очередная порция. Для возврата поршня в начальное положение применяют маховики, которые крепят на вал кривошипа. Подобные тепловые двигатели могут обеспечивать одинарное или двойное действие. В двигателях с двойным действием на один оборот вала приходится две стадии рабочего хода поршня, в установках одинарного действия поршень совершает за то же время один ход.

    4. Отличие двигателей внутреннего сгорания от описанных выше систем состоит в том, что горячий газ здесь получается при сжигании топливно-воздушной смеси непосредственно в цилиндре, а не вне его. Подвод очередной порции горючего и выведение отработанных газов производится через систему клапанов. Они позволяют подавать горючее в строго ограниченном количестве и в нужное время.

    5. Источник тепла в двигателях внутреннего сгорания – химическая энергия топливной смеси. Для данного типа теплового двигателя не нужен котел или нагреватель внешнего типа. В качестве рабочего тела здесь выступают самые разные горючие вещества, из которых самым распространенным являются бензин или дизельное топливо. К недостаткам двигателей внутреннего сгорания можно отнести их высокую чувствительность к качеству топливной смеси.

    6. Двигатели внутреннего сгорания по своей конструкции могут быть двух- и четырехтактными. Устройства первого вида проще в конструкции и не так массивны, но при одинаковой мощности требуют значительно больше топлива, чем четырехтактные. Двигатели, работа которых построена на двух тактах, чаще всего применяют в небольших мотоциклах или газонокосилках. Более серьезные машины оснащают тепловыми двигателями четырехтактного типа.

    Видео по теме

    //www.youtube.com/embed/wfZuvZiU4Qk

    Как устроены и как работают тепловые двигатели

    Наша сегодняшняя встреча посвящена тепловым двигателям. Именно они приводят в движение большинство видов транспорта, позволяют получать электроэнергию, несущую нам тепло, свет и комфорт. Как устроены и каков принцип действия тепловых машин?

    Понятие и виды тепловых двигателей

    Тепловые двигатели — устройства, обеспечивающие превращение химической энергии топлива в механическую работу.

    Осуществляется это следующим образом: расширяющийся газ давит либо на поршень, вызывая его перемещение, либо на лопасти турбины, сообщая ей вращение.

    Взаимодействие газа (пара) с поршнем имеет место в паровых машинах, карбюраторных и дизельных двигателях (ДВС).

    Примером действия газа, создающим вращение является работа авиационных турбореактивный двигателей.

    Структурная схема работы теплового двигателя

    Несмотря на отличия в их конструкции, все тепловые машины имеют нагреватель, рабочее вещество (газ или пар) и холодильник.

    В нагревателе происходит сгорание топлива, в результате чего выделяется количество теплоты Q1, а сам нагреватель при этом нагревается до температуры T1. Рабочее вещество, расширяясь, совершает работу A.

    Но теплота Q1 не может полностью превратится в работу. Определенная ее часть Q2 через теплопередачу от нагревшегося корпуса, выделяется в окружающую среду, условно называемую холодильником с температурой T2.

    Понравилась статья? Расскажите друзьям:

    Оцените статью, для нас это очень важно:

    Проголосовавших: 12 чел.
    Средний рейтинг: 4.5 из 5.

    Тепловой двигатель – принцип действия, примеры, определение и кпд кратко

    4. 2

    Средняя оценка: 4.2

    Всего получено оценок: 89.

    4.2

    Средняя оценка: 4.2

    Всего получено оценок: 89.

    Тепловые двигатели нашли широчайшее применение в технике в последние 200 лет. Первоначально это были паровые двигатели, потом двигатели внутреннего сгорания. Рассмотрим принципы действия тепловых двигателей.

    Превращение внутренней энергии в работу

    Согласно законам молекулярно-кинетической теории, тепло представляет собой энергию движения молекул вещества. Нулевая энергия соответствует абсолютному нулю температуры, чем температура выше, тем средняя энергия молекулы выше.

    Запасы внутренней тепловой энергии на Земле огромны. Однако, Второе Начало термодинамики налагает жесткое ограничение на их использование. Действительно, если некоторая часть внутренней энергии будет превращена в энергию движения макроскопических тел, то внутренняя энергия уменьшится, уменьшив температуру молекул. Согласно же Второму Началу термодинамики, тепловая энергия молекул без дополнительных усилий может переходить только от более нагретого тела к менее нагретому. Для передачи энергии от менее нагретого тела к более нагретому, требуется совершить дополнительную работу.

    Рис. 1. Второе начало термодинамики.

    Таким образом, даже располагая большой внутренней энергией в окружающей среде, превратить ее в работу оказывается далеко не всегда возможно. Ведь при этом должно произойти охлаждение окружающей среды без наличия более холодных тел. А этого не может быть.

    То есть, превращение внутренней энергии вещества в работу возможно только при наличии «потока тепла», который может быть организован только при наличии двух тел с разной температурой. Такие тела в теории тепловых двигателей называются Нагревателем и Холодильником. Тепло от Нагревателя переходит к Холодильнику, при этом совершается полезная работа.

    Рабочее тело теплового двигателя

    Для совершения полезной работы необходимо создать движение под действием силы. Такое движение в тепловом двигателе совершается при расширении порции газа, называемого рабочим телом. Во всех тепловых двигателях рабочее тело получает тепло от Нагревателя, затем расширяется, совершая работу. При расширении оно охлаждается и отдает тепло Холодильнику.

    Для всех применяемых тепловых двигателей Холодильником является окружающая среда. Нагреватели же зависят от типа двигателя. Для парового двигателя Нагревателем является топка парового котла. Для двигателя внутреннего сгорания (ДВС) Нагревателем является само рабочее тело – горючая газовая смесь.

    Рис. 2. Схема теплового двигателя.

    КПД теплового двигателя

    В любом тепловом двигателе рабочее тело разогревается до некоторой высокой температуры $T_1$, а затем совершает работу, охлаждаясь до температуры $T_2 < T_1$.

    Поскольку температура $T_2$ не равна абсолютному нулю, в рабочем теле остается еще некоторая внутрення энергия. Но, получить ее запрещает Второе Начало термодинамики. Эта энергия безвозвратно уходит. Отсюда следует важный вывод: тепловой двигатель имеет ограниченный коэффициент полезного действия (КПД), менее единицы.

    В самом деле, Первое Начало термодинамики утверждает, что изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил над системой и количества теплоты, переданной системе. А значит, работа теплового двигателя равна разности энергии, полученной от Нагревателя и отданной Холодильнику:

    $$A=Q_н-Q_х$$

    Для определения КПД теплового двигателя надо учесть, что КПД равен отношению полезной работы к полученной энергии. Допустим, рассматриваемый двигатель идеален, и потерь на трение нет:

    $$\eta = {A \over Q_н} = {Q_н-Q_х \over Q_н}<1$$

    Полученная формула идеального теплового двигателя показывает, что его КПД менее единицы даже без потерь на трение, поскольку часть полученной энергии рабочее тело передает Холодильнику.

    Простейшим примером теплового двигателя является ночной светильник «Лампа с пузырьками» (лавовая лампа). Несмотря на простоту, в этом светильнике есть все части, необходимые для теплового двигателя – Нагреватель (лампа накаливания или спираль), Холодильник (окружающий воздух), рабочее тело (пузырьки парафина). Движение пузырьков в светильнике продолжается до тех пор, пока существует разница температур Нагревателя и Холодильника.

    Рис. 3. Светильник Лавовая лампа.

    Что мы узнали?

    В тепловом двигателе рабочее тело получает тепло от Нагревателя, расширяется, совершая работу и отдавая тепло Холодильнику. Поскольку на совершение полезной работы идет только часть энергии, полученной от Нагревателя, КПД теплового двигателя всегда меньше единицы.

    Тест по теме

    Доска почёта

    Чтобы попасть сюда — пройдите тест.


      Пока никого нет. Будьте первым!

    Оценка доклада

    4.2

    Средняя оценка: 4.2

    Всего получено оценок: 89.

    А какая ваша оценка?

    Как работают тепловые двигатели?

    Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

    Вы здесь:
    Домашняя страница >
    Инжиниринг >
    Двигатели

    • Дом
    • индекс А-Я
    • Случайная статья
    • Хронология
    • Учебное пособие
    • О нас
    • Конфиденциальность и файлы cookie

    Реклама

    В наш век топливных элементов и
    электромобили, паровозы (и
    даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.
    Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие
    паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были
    используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза
    миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали
    искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают
    все сами по себе. Скажем иначе: люди были без
    двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

    Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись
    их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или
    самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет
    просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его.
    От мостов и туннелей до небоскребов
    и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми.
    в последние пару столетий был построен с помощью
    двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров.
    их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших
    еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться
    круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит
    на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как
    работа!

    Фото: Паровоз «в паре» (на самом деле работает) в Железнодорожном музее Мид-Континент в Норт-Фридом, штат Висконсин. Фото предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит,
    Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

    Содержание

    1. Что такое тепловая машина?
    2. Как двигатель приводит машину в движение?
    3. Типы двигателей
      • Двигатели внешнего сгорания
      • Двигатели внутреннего сгорания
    4. Двигатели в теории
      • Цикл Карно
      • Насколько эффективен двигатель?
      • Каков максимальный КПД двигателя?
    5. Узнать больше

    Что такое тепловая машина?

    Двигатель — машина, которая вращает
    энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет
    очевидное использование
    кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в
    однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для
    заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое верно
    других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С
    двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они
    позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает
    химическая реакция, называемая горение , когда топливо сгорает в
    кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

    “ Всем известно, что тепло может производить движение.
    В том, что оно обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться…     »

    Николя Сади Карно, 1824 г.

    Существуют два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания.
    сгорание:

    • В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи
      и вдали от основной части двигателя, где сила и движение
      производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь
      на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает
      плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно.
      движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно,
      заводской станок или колеса паровоза). Это внешний
      двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые
      расстояние от цилиндра и поршня.
    • В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри
      цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть
      что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин
      постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии.
      цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит
      стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

    Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним
    двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от
    огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

    Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

    Фото: Паровой двигатель — это двигатель внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

    Как двигатель приводит машину в движение?

    Работа: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

    В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят,
    непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный
    движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на
    на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, вращательный
    движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения.
    движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели
    пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса.
    приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой
    рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что
    колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

    Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
    заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер
    Джеймс Уатт (1736–1819) решил сделать это в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он
    Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути,
    уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как
    солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен
    колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем
    стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.


    Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

    Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в
    возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в
    противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это
    некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде
    бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо
    заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого
    яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и
    вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит
    возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

    Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в
    электрическая зубная щетка, которая делает
    щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

    Рекламные ссылки

    Типы двигателей

    Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

    Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

    Двигатели внешнего сгорания

    Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

    Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания
    и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом.
    (1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый
    и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад.
    Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре.
    В цилиндр закачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая
    пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад
    другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением,
    но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

    Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

    Паровые машины

    В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее
    меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар
    двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара
    двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели
    которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

    Двигатели Стирлинга

    Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные.
    Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный
    двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа
    езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией).
    источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии.
    подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по
    челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри
    двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое
    регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает
    экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание,
    хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

    Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, датируемых 18 веком. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он был слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

    Двигатели внутреннего сгорания

    Бензиновые (бензиновые) двигатели

    В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе
    Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг.).00) и Герман Николаус Отто
    (1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали
    бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929).
    подключить один из этих двигателей к трехколесному
    карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать далее
    в нашей статье об автомобильных двигателях.

    Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

    Дизельные двигатели

    Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель
    (1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее
    двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива.
    В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее.
    он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию
    заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения.
    тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
    Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

    Роторные двигатели

    Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они
    нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их
    мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал
    постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция
    двигателя внутреннего сгорания, в котором
    «цилиндры» (которые не всегда цилиндрические
    форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала.
    Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно,
    самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля ,
    особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о
    Роторный двигатель Ванкеля
    хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

    Двигатели в теории

    Фото: машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

    Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые.
    Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками.
    Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию
    того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения.
    Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в
    Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива).
    Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить
    Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя
    теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

    Фото: Паровые двигатели по своей природе неэффективны.
    Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе
    как это нужно перегреть (так что это выше его
    обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают возможность максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

    Цикл Карно

    Тепловая машина Карно — достаточно простая математическая модель
    того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель,
    бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно .
    Мы не будем вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см.
    Страница цикла НАСА Карно
    и превосходная страница «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

    Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла,
    расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

    Насколько эффективен двигатель?

    “ Мы не должны рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих веществ. »

    Николя Сади Карно, 1824

    Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя
    (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает     .
    С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до
    Tmin (его минимальная температура):

    (Tmax−Tmin) / Tmax

    , где обе температуры измеряются в кельвинах (K).
    Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур.
    Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.
    Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax.
    Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают
    при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных
    материалов, таких как сплавы и керамика).

    Каков максимальный КПД двигателя?

    Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно
    Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство
    настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C,
    это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар.
    до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания
    (0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

    Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

    Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик
    и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давление пара , чем у таких людей, как Томас Ньюкомен.
    Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее:
    при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.
    При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%.
    с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление).
    является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).
    Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности;
    реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов.
    Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

    Узнайте больше

    На этом сайте

    • Дизельные двигатели
    • Энергия
    • Бензиновые двигатели
    • Тепло
    • Реактивные двигатели
    • Паровые машины
    • Двигатели Стирлинга

    На других сайтах

    Один из лучших способов понять двигатели — посмотреть их анимацию в работе.
    Вот два очень хороших сайта, на которых исследуется широкий спектр различных движков:

    • Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые вы только можете себе представить, с простыми для понимания анимациями и очень четкими письменными описаниями.
    • Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

    Книги

    Введение
    • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).
    Более сложный
    • Цикл Карно и тепловой двигатель. Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
    • Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
    • Размышления о движущей силе тепла Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Уайли, 1897. Прочитайте идеи Карно его собственными словами.
    Детские книги
    • «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

    Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

    Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

    Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования.

    Подпишитесь на нас

    Оцените эту страницу

    Пожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid.

    Сохранить или поделиться этой страницей

    Нажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней друзьям:

    Цитировать эту страницу

    Вудфорд, Крис. (2009/2019) Двигатели. Получено с https://www.explainthatstuff.com/engines.html. [Доступ (вставьте дату здесь)]

    Подробнее на нашем веб-сайте…

    • Связь
    • Компьютеры
    • Электричество и электроника
    • Энергия
    • Машиностроение
    • Окружающая среда

    • Гаджеты
    • Домашняя жизнь
    • Материалы
    • Наука
    • Инструменты и инструменты
    • Транспорт

    ↑ Вернуться к началу

    Как работают тепловые двигатели?

    Как работают тепловые двигатели? — Объясните этот материал

    Вы здесь:
    Домашняя страница >
    Инжиниринг >
    Двигатели

    • Дом
    • индекс А-Я
    • Случайная статья
    • Хронология
    • Учебное пособие
    • О нас
    • Конфиденциальность и файлы cookie

    Реклама

    В наш век топливных элементов и
    электромобили, паровозы (и
    даже автомобили с бензиновым двигателем) может показаться ужасно старой технологией.
    Но взгляните на историю шире, и вы увидите, что даже древнейшие
    паровой двигатель действительно очень современное изобретение. Люди были
    используя инструменты, чтобы увеличить свою мышечную силу примерно в 2,5 раза
    миллионов лет, но только за последние 300 лет мы усовершенствовали
    искусство создания «мускулов» — машин с двигателем, — которые работают
    все сами по себе. Скажем иначе: люди были без
    двигатели более 99,9 процента нашего существования на Земле!

    Теперь у нас есть двигатели, без которых, конечно, не обойтись
    их. Кто мог представить себе жизнь без автомобилей, грузовиков, кораблей или
    самолеты — все они приводились в движение мощными двигателями. И двигателей нет
    просто перемещают нас по миру, они помогают нам радикально изменить его.
    От мостов и туннелей до небоскребов
    и плотины, практически каждое крупное здание и сооружение, построенное людьми.
    в последние пару столетий был построен с помощью
    двигателей — кранов, экскаваторов, самосвалов и бульдозеров.
    их. Двигатели также подпитывают современную сельскохозяйственную революцию: значительная часть всех наших
    еда теперь собирается или транспортируется с использованием мощности двигателя. Двигатели не заставляют мир двигаться
    круглые, но они участвуют практически во всем остальном, что происходит
    на нашей планете. Рассмотрим подробнее, что они из себя представляют и как
    работа!

    Фото: Паровоз «в паре» (на самом деле работает) в Железнодорожном музее Мид-Континент в Норт-Фридом, штат Висконсин. Фото предоставлено архивом Кэрол М. Хайсмит,
    Библиотека Конгресса, Отдел эстампов и фотографий.

    Содержание

    1. Что такое тепловая машина?
    2. Как двигатель приводит машину в движение?
    3. Типы двигателей
      • Двигатели внешнего сгорания
      • Двигатели внутреннего сгорания
    4. Двигатели в теории
      • Цикл Карно
      • Насколько эффективен двигатель?
      • Каков максимальный КПД двигателя?
    5. Узнать больше

    Что такое тепловая машина?

    Двигатель — машина, которая вращает
    энергия, заключенная в топливе, превращается в силу и движение. Уголь — нет
    очевидное использование
    кто-нибудь: это грязный, старый, каменный материал, зарытый под землю. Сожги это в
    однако двигатель, и вы можете высвободить содержащуюся в нем энергию для
    заводские машины, автомобили, лодки или локомотивы. То же самое верно
    других видов топлива, таких как природный газ, бензин, древесина и торф. С
    двигатели работают, сжигая топливо для выделения тепла, иногда они
    позвонил тепловые двигатели . Процесс сжигания топлива включает
    химическая реакция, называемая горение , когда топливо сгорает в
    кислород в воздухе, чтобы сделать углекислый газ и пар. (Как правило, двигатели также загрязняют воздух, потому что топливо не всегда на 100% чистое и не сгорает идеально чисто.)

    “ Всем известно, что тепло может производить движение.
    В том, что оно обладает огромной движущей силой, никто не может сомневаться…     »

    Николя Сади Карно, 1824 г.

    Существуют два основных типа тепловых двигателей: внешнего сгорания и внутреннего сгорания.
    сгорание:

    • В двигателе внешнего сгорания топливо сгорает снаружи
      и вдали от основной части двигателя, где сила и движение
      производятся. Хорошим примером является паровая машина: есть угольный огонь
      на одном конце, который нагревает воду, чтобы сделать пар. Пар подается в прочный металлический цилиндр , где он перемещает
      плотно прилегающий плунжер, называемый поршнем туда и обратно.
      движущийся поршень приводит в действие все, к чему прикреплен двигатель (возможно,
      заводской станок или колеса паровоза). Это внешний
      двигатель внутреннего сгорания, потому что уголь горит снаружи и некоторые
      расстояние от цилиндра и поршня.
    • В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри
      цилиндр. В типичном автомобильном двигателе, например, есть
      что-то вроде четырех-шести отдельных цилиндров, внутри которых бензин
      постоянно горит кислородом с выделением тепловой энергии.
      цилиндры «зажигаются» поочередно, чтобы гарантировать, что двигатель производит
      стабильная подача мощности, которая приводит в движение колеса автомобиля.

    Двигатели внутреннего сгорания, как правило, гораздо более эффективны, чем двигатели с внешним
    двигатели внутреннего сгорания, потому что энергия не тратится впустую на передачу тепла от
    огонь и котел к цилиндру; все происходит в одном месте.

    Художественное произведение: В двигателе внешнего сгорания (например, паровом двигателе) топливо сгорает вне цилиндра, и тепло (обычно в виде горячего пара) должно отводиться на некоторое расстояние. В двигателе внутреннего сгорания (например, в автомобильном) топливо сгорает прямо внутри цилиндров, что гораздо эффективнее.

    Фото: Паровой двигатель — это двигатель внешнего сгорания, потому что уголь горит в топке (там, где стоит машинист) на некотором расстоянии от цилиндра, где вырабатывается фактическая мощность.

    Как двигатель приводит машину в движение?

    Работа: Основная концепция тепловой машины: машина, которая преобразует тепловую энергию в работу, перемещаясь между высокой температурой и более низкой. Типичный тепловой двигатель питается от сжигания топлива (внизу слева) и использует расширяющийся-сжимающийся поршень (вверху в центре) для передачи энергии топлива на вращающееся колесо (внизу справа).

    В двигателях используются поршни и цилиндры, поэтому мощность, которую они производят,
    непрерывный возвратно-поступательный, толкающий и тянущий или возвратно-поступательный
    движение. Проблема в том, что многие машины (и практически все транспортные средства) полагаются на
    на колесах, которые вращаются и вращаются, другими словами, вращательный
    движение. Существуют различные способы поворота возвратно-поступательного движения.
    движение во вращательное (или наоборот). Если вы когда-нибудь смотрели
    пыхтя паровой машины, вы, должно быть, заметили, как крутятся колеса.
    приводимый в движение кривошипом и шатуном: простой
    рычажно-рычажный механизм, соединяющий одну сторону колеса с поршнем, так что
    колесо вращается, когда поршень качает вперед и назад.

    Альтернативный способ преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное
    заключается в использовании передач. Это то, что гениальный шотландский инженер
    Джеймс Уатт (1736–1819) решил сделать это в 1781 году, когда открыл кривошипно-шатунный механизм, который он
    Необходимость использовать в своей усовершенствованной конструкции паровой двигатель была, по сути,
    уже защищен патентом. Конструкция Уатта известна как
    солнечная и планетарная шестерни ) и состоит из двух или более шестерен
    колеса, одно из которых (планета) толкается вверх и вниз поршнем
    стержень, движущийся вокруг другой шестерни (Солнца) и приводящий ее во вращение.


    Фото: Два способа преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное: Первое фото: Солнечная и планетарная передача. Когда поршень движется вверх и вниз, шестерни крутятся. Второе фото: На этом токарном станке с ножным приводом просто решена проблема преобразования движения вверх-вниз в круговое. Когда вы нажимаете вверх и вниз на педаль (педаль), вы заставляете струну подниматься и опускаться. Это заставляет вал, к которому прикреплена струна, вращаться со скоростью, приводя в действие токарный станок и сверло или другой инструмент, прикрепленный к нему. Обе фотографии сделаны в Музее науки Think Tank в Бирмингеме, Англия.

    Некоторым двигателям и машинам необходимо преобразовать вращательное движение в
    возвратно-поступательное движение. Для этого вам нужно что-то, что работает в
    противоположное коленчатому валу, а именно кулачок. Кулачок — это
    некруглое (обычно яйцевидное) колесо, имеющее что-то вроде
    бар, опирающийся на него. Когда ось поворачивает колесо, колесо
    заставляет штангу подниматься и опускаться. Не можете представить это? Попробуйте представить автомобиль, колеса которого
    яйцевидный. По мере движения колеса (кулачки) вращаются, как обычно, но кузов автомобиля подпрыгивает вверх и
    вниз одновременно, поэтому вращательное движение производит
    возвратно-поступательные движения (подпрыгивания) у пассажиров!

    Кулачки работают во всех видах машин. Есть камера в
    электрическая зубная щетка, которая делает
    щетка двигается вперед и назад, когда электрический двигатель внутри вращается.

    Рекламные ссылки

    Типы двигателей

    Фото: Внешнее сгорание: Эта стационарная паровая машина использовалась для подачи природного газа в дома людей с 1864 года. Фотография сделана в Think Tank.

    Существует полдюжины или около того основных типов двигателей, которые вырабатывают мощность за счет сжигания топлива:

    Двигатели внешнего сгорания

    Лучевые двигатели (атмосферные двигатели)

    Первые паровые двигатели были гигантскими машинами, заполнявшими целые здания
    и они обычно использовались для откачки воды из затопленных шахт. Создан англичанином Томасом Ньюкоменом.
    (1663/4–1729) в начале 18 века имели одноцилиндровый
    и поршень, прикрепленный к большой балке, которая качалась вперед и назад.
    Тяжелая балка обычно была наклонена вниз, так что поршень находился высоко в цилиндре.
    В цилиндр закачивали пар, затем впрыскивали воду, охлаждая
    пар, создавая частичный вакуум и заставляя луч наклоняться назад
    другой путь, прежде чем процесс был повторен. Лучевые двигатели были важным технологическим достижением,
    но они были слишком большими, медленными и неэффективными, чтобы приводить в действие заводские машины и поезда.

    Работа: Как работает атмосферный (лучевой) двигатель (упрощенно). Двигатель состоит из тяжелой балки (серая), установленной на башне (черная), которая может качаться вверх и вниз. Обычно балка наклоняется вниз и вправо под весом прикрепленного к ней насосного оборудования. Водогрейный котел (1) подает пар (2) вверх в цилиндр (3). Когда цилиндр заполнен, из резервуара (4) впрыскивается холодная вода. Это конденсирует пар, создавая более низкое давление в цилиндре. Поскольку атмосферное давление (воздуха) над поршнем выше, чем давление под ним, поршень толкается вниз, вся балка наклоняется влево, а насос тянет вверх, выкачивая воду из шахты (5).

    Паровые машины

    В 1760-х годах Джеймс Уатт значительно усовершенствовал паровую машину Ньюкомена, сделав ее
    меньше, эффективнее и мощнее — и эффективно превращает пар
    двигателей в более практичные и доступные машины. Работа Уатта привела к созданию стационарного пара
    двигатели, которые можно было бы использовать на заводах, и компактные движущиеся двигатели
    которые могли бы привести в действие паровозы. Подробнее читайте в нашей статье о паровых двигателях.

    Двигатели Стирлинга

    Не все двигатели внешнего сгорания большие и неэффективные.
    Шотландский священник Роберт Стирлинг (179 г.0–1878) изобрел очень умный
    двигатель с двумя цилиндрами с поршнями, приводящими в действие два кривошипа
    езда на одном колесе. Один цилиндр постоянно поддерживается горячим (нагревается внешней энергией).
    источником, который может быть чем угодно, от угольного пожара до геотермальной энергии.
    подачи), в то время как другой остается постоянно холодным. Двигатель работает по
    челночный тот же объем газа (постоянно запечатанный внутри
    двигатель) туда и обратно между цилиндрами через устройство, называемое
    регенератор , который помогает сохранить энергию и значительно увеличивает
    экономичность двигателя. Двигатели Стирлинга не обязательно включают сгорание,
    хотя они всегда питаются от внешнего источника тепла. Узнайте больше в нашей основной статье о двигателях Стирлинга.

    Фото: Машинный зал Think Tank (музей науки в Бирмингеме, Англия) представляет собой удивительную коллекцию энергетических машин, датируемых 18 веком. Экспонаты включают огромный паровой двигатель Smethwick, самый старый работающий двигатель в мире. На этом снимке он не показан, в основном потому, что он был слишком большим, чтобы его можно было сфотографировать!

    Двигатели внутреннего сгорания

    Бензиновые (бензиновые) двигатели

    В середине 19 века несколько европейских инженеров, в том числе
    Француз Жозеф Этьен Ленуар (1822–1819 гг.).00) и Герман Николаус Отто
    (1832–1891) усовершенствовали двигатели внутреннего сгорания, которые сжигали
    бензин. Это был короткий шаг для Карла Бенца (1844–1929).
    подключить один из этих двигателей к трехколесному
    карету и сделать первый в мире автомобиль, работающий на газе. Читать далее
    в нашей статье об автомобильных двигателях.

    Фото: Мощный бензиновый двигатель внутреннего сгорания от спортивного автомобиля Jaguar.

    Дизельные двигатели

    Позже, в 19 веке, другой немецкий инженер, Рудольф Дизель
    (1858–1919 гг.)13), понял, что может сделать гораздо более мощное внутреннее
    двигатель внутреннего сгорания, который мог работать на всех видах топлива.
    В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели сжимают топливо намного сильнее.
    он самопроизвольно воспламеняется и выделяет тепловую энергию
    заперта внутри него. Сегодня дизельные двигатели по-прежнему являются предпочтительными машинами для вождения.
    тяжелые транспортные средства, такие как грузовики, корабли и строительные машины, а также многие автомобили.
    Подробнее читайте в нашей статье о дизельных двигателях.

    Роторные двигатели

    Одним из недостатков двигателей внутреннего сгорания является то, что они
    нужны цилиндры, поршни и вращающийся коленчатый вал, чтобы использовать их
    мощность: цилиндры неподвижны, а поршни и коленчатый вал
    постоянно перемещаются. Роторный двигатель — это принципиально другая конструкция
    двигателя внутреннего сгорания, в котором
    «цилиндры» (которые не всегда цилиндрические
    форме) вращаются вокруг неподвижного коленчатого вала.
    Хотя роторные двигатели относятся к 19 веку, возможно,
    самый известный дизайн — относительно современный Роторный двигатель Ванкеля ,
    особенно используется в некоторых японских автомобилях Mazda. Статья в Википедии о
    Роторный двигатель Ванкеля
    хорошее введение с блестящей маленькой анимацией.

    Двигатели в теории

    Фото: машинист: гениальный Николя Сади Карно, 17 лет.

    Пионерами двигателей были инженеры, а не ученые.
    Ньюкомен и Уатт были практическими, практическими «деятелями», а не головоломными теоретиками.
    Так продолжалось до тех пор, пока француз Николя Сади Карно (1796–1832) появился в 1824 году — более чем через столетие после того, как Ньюкомен построил свой первый паровой двигатель, — что были предприняты какие-либо попытки понять теорию
    того, как работают двигатели и как их можно улучшить с истинно научной точки зрения.
    Карно интересовался тем, как сделать двигатели более эффективными (в
    Другими словами, как больше энергии можно получить из того же количества топлива).
    Вместо того, чтобы возиться с настоящим паровым двигателем и пытаться его улучшить
    Методом проб и ошибок (подобный подход применил Уатт к двигателю Ньюкомена) он сделал себя
    теоретический движок — на бумаге — и вместо этого поиграл с математикой.

    Фото: Паровые двигатели по своей природе неэффективны.
    Работа Карно говорит нам, что для максимальной эффективности пар в двигателе
    как это нужно перегреть (так что это выше его
    обычная температура кипения 100 ° C), а затем ему дают возможность максимально расшириться и остыть в цилиндрах, чтобы он отдавал как можно больше энергии поршням.

    Цикл Карно

    Тепловая машина Карно — достаточно простая математическая модель
    того, как в теории мог бы работать наилучший поршневой и цилиндровый двигатель,
    бесконечно повторяя четыре шага, которые теперь называются Цикл Карно .
    Мы не будем вдаваться здесь в детальную теорию или математику (если вам интересно, см.
    Страница цикла НАСА Карно
    и превосходная страница «Тепловые двигатели: цикл Карно» Майкла Фаулера с превосходной флэш-анимацией).

    Базовый двигатель Карно состоит из газа, заключенного в цилиндр с поршнем. Газ получает энергию от источника тепла,
    расширяется, охлаждается и выталкивает поршень. Когда поршень возвращается в цилиндр, он сжимает и нагревает газ, так что газ завершает цикл при точно таком же давлении, объеме и температуре, с которых он начал. Двигатель Карно не теряет энергию на трение или окружающую среду. Это полностью обратимо — теоретически совершенная и совершенно теоретическая модель работы двигателей. Но это многое говорит нам и о реальных двигателях.

    Насколько эффективен двигатель?

    “ Мы не должны рассчитывать когда-либо использовать на практике всю движущую силу горючих веществ. »

    Николя Сади Карно, 1824

    Стоит отметить вывод, к которому пришел Карно: КПД двигателя
    (реальная или теоретическая) зависит от максимальной и минимальной температур, в пределах которых он работает     .
    С математической точки зрения, КПД двигателя Карно, работающего в диапазоне от Tmax (его максимальная температура) до
    Tmin (его минимальная температура):

    (Tmax−Tmin) / Tmax

    , где обе температуры измеряются в кельвинах (K).
    Повышение температуры жидкости внутри цилиндра в начале цикла делает его более эффективным; снижение температуры на противоположном конце цикла также делает его более эффективным. Другими словами, действительно эффективная тепловая машина работает при максимально возможной разнице температур.
    Другими словами, мы хотим, чтобы Tmax была как можно выше, а Tmin как можно ниже.
    Вот почему такие вещи, как паровые турбины на электростанциях, должны использовать градирни для максимально возможного охлаждения своего пара: именно так они могут получать больше энергии из пара и производить больше электроэнергии. В реальном мире движущиеся транспортные средства, такие как автомобили и самолеты, очевидно, не могут иметь ничего похожего на градирни, и трудно достичь низких температур Tmin, поэтому вместо этого мы обычно сосредотачиваемся на повышении Tmax.
    Настоящие двигатели — в автомобилях, грузовиках, реактивных самолетах и ​​космических ракетах — работают
    при чрезвычайно высоких температурах (поэтому они должны быть построены из высокотемпературных
    материалов, таких как сплавы и керамика).

    Каков максимальный КПД двигателя?

    Есть ли предел эффективности тепловой машины? Да! Tmin никогда не может быть меньше нуля (при абсолютном нуле), поэтому, согласно
    Согласно нашему уравнению, приведенному выше, ни один двигатель не может быть более эффективным, чем Tmax/Tmax = 1, что соответствует 100-процентному КПД, и большинство
    настоящие двигатели и близко к этому не подходят. Если бы у вас была паровая машина, работающая при температуре от 50°C до 100°C,
    это было бы около 13 процентов эффективности. Чтобы получить 100-процентную эффективность, вам нужно охладить пар.
    до абсолютного нуля (-273°C или 0K), что, очевидно, невозможно. Даже если бы вы могли охладить его до замерзания
    (0 ° C или 273 K), вы все равно получите только 27-процентную эффективность.

    Таблица: Тепловые двигатели более эффективны, когда они работают при больших перепадах температур. Предполагая постоянную минимальную температуру льда (0 ° C или 273 K), эффективность медленно растет по мере повышения максимальной температуры. Но обратите внимание, что мы получаем убывающую отдачу: с каждым повышением температуры на 50 ° C эффективность растет с каждым разом меньше. Другими словами, мы никогда не сможем достичь 100-процентной эффективности, просто повысив максимальную температуру.

    Это также помогает нам понять, почему более поздние паровые двигатели (созданные такими инженерами, как Ричард Тревитик
    и Оливер Эванс) использовали намного более высокие давление пара , чем у таких людей, как Томас Ньюкомен.
    Двигатели более высокого давления были меньше, легче и их было проще устанавливать на движущихся транспортных средствах, но они также были намного эффективнее:
    при более высоких давлениях вода закипает при более высоких температурах, и это дает нам большую эффективность.
    При удвоенном атмосферном давлении вода кипит при температуре около 120°C (393K), что дает КПД 30%.
    с минимальной температурой 0°С; при четырехкратном атмосферном давлении температура кипения составляет 143°C (417K), а эффективность близка к 35%. Это большое улучшение, но все еще далеко от 100 процентов. Паровые турбины на электростанциях используют очень высокое давление (более чем в 200 раз превышающее атмосферное давление).
    является типичным). При 200 атмосферах вода кипит при температуре около 365°C (~640K), что дает максимальный теоретический КПД около 56 процентов, если мы также сможем охладить воду до точки замерзания (и если нет других потерь тепла или неэффективности).
    Даже в этих экстремальных и идеальных условиях мы все еще очень далеки от 100-процентной эффективности;
    реальные турбины с большей вероятностью достигают 35–45 процентов.
    Создание эффективных тепловых двигателей намного сложнее, чем кажется!

    Узнайте больше

    На этом сайте

    • Дизельные двигатели
    • Энергия
    • Бензиновые двигатели
    • Тепло
    • Реактивные двигатели
    • Паровые машины
    • Двигатели Стирлинга

    На других сайтах

    Один из лучших способов понять двигатели — посмотреть их анимацию в работе.
    Вот два очень хороших сайта, на которых исследуется широкий спектр различных движков:

    • Анимированные движки: Этот отличный сайт охватывает практически все виды движков, которые вы только можете себе представить, с простыми для понимания анимациями и очень четкими письменными описаниями.
    • Посмотрите, как работают двигатели: коллекция очень красиво нарисованных анимаций реальных двигателей из Лондонского музея науки. (Архивировано через Wayback Machine.)

    Книги

    Введение
    • Шесть легких пьес Ричарда П. Фейнмана. Penguin, 1998. Глава 4 представляет собой очень оригинальное объяснение сохранения энергии, включая довольно простое объяснение того, почему ни один двигатель или машина не является более эффективным, чем полностью обратимый (идеальный).
    Более сложный
    • Цикл Карно и тепловой двигатель. Основы и приложения Мишеля Фейдта (ред.). MDPI AG, 2020. Сборник коротких статей об эффективности тепловых двигателей и смежных темах.
    • Механический КПД тепловых двигателей, Джеймс Р. Сенфт. Издательство Кембриджского университета, 2007. Исследует и сравнивает термодинамические циклы в различных тепловых двигателях.
    • Размышления о движущей силе тепла Н. Сади Карно, Нью-Йорк, Уайли, 1897. Прочитайте идеи Карно его собственными словами.
    Детские книги
    • «Паровой двигатель — прорыв в энергетике» Ричарда Теймса. Heinemann, 1999. В этом 32-страничном введении (для детей 9–12 лет) рассматривается влияние паровых двигателей на общество.

    Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.

    Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.

    Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2019.

Posted inДвигатель