|
Тепловой машиной называется периодический действующий двигатель, совершающий работу за счет получаемого извне тепла. Любая тепловая машина работает по принципу кругового (циклического) процесса, т.е. возвращается в исходное состояние (рис. 5.1). Но чтобы при этом была совершена полезная работа, возврат должен быть произведен с наименьшими затратами. Полезная работа равна разности работ расширения и сжатия, т.е. равна площади, ограниченной замкнутой кривой. Обязательными частями тепловой машины являются нагреватель (источник энергии), холодильник, рабочее тело (газ, пар). Зачем холодильник? Так как в тепловой машине реализуется круговой процесс, то вернуться в исходное состояние можно с меньшими затратами, если отдать часть тепла. Или если охладить пар, то его легче сжать, следовательно работа сжатия будет меньше работы расширения. Поэтому в тепловых машинах используется холодильник. Рис. 5.3 Прямой цикл используется в тепловом двигателе – периодически действующей тепловой машине, совершающей работу за счет полученной извне теплоты. Рассмотрим схему теплового двигателя (рис. 5.3). От термостата с более высокой температурой Т1, называемого нагревателем, за цикл отнимается количество теплоты Q1, а термостату с более низкой температурой Т2, называемому холодильником, за цикл передается количество теплоты Q2 и совершается работа A:
|
ens.tpu.ru
Развитие энергетики является одной из важнейших предпосылок научно-технического прогресса. Мощный расцвет промышленности и транспорта в XIX в. был связан с изобретением и усовершенствованием первого теплового двигателя — паровой машины. Создание паровых, а затем газовых турбин и двигателей внутреннего сгорания полностью преобразовало всю энергетику, позволило создать крупные морские суда, автомобильный и воздушный транспорт, создать космические ракеты, построить тепловые электростанции и на этой основе реорганизовать всю промышленность.
Впервые практически действующие универсальные паровые машины были созданы И. И. Ползуновым (1763 г.) и Д. Уаттом (1764 г.).
Конструкция первых паровых машин имела основные части всех последующих тепловых машин: нагреватель, в котором освобождалась энергия топлива; водяной пар как рабочее тело и поршень с цилиндром, преобразующий внутреннюю энергию пара в механическую энергию; охладитель, необходимый для снижения температуры и давления пара.
Первые паровые машины, естественно, имели серьезные конструктивные недостатки. Например, желание сделать котел дешевым и безопасным в работе приводило к необходимости использовать пар низкого давления, а для получения большей мощности это вынуждало делать цилиндры диаметром около 2 м с ходом поршня 3 м. Соответственно этому приходилось увеличивать и все другие детали машины. Так, водоподъемная машина Ньюкомена - Коули достигала высоты 4-5-этажного дома.
Дальнейшее усовершенствование паровых машин, повышение температуры и давления пара позволило существенно уменьшить их размеры и повысить мощность. Это сделало возможным использование паровых машин на судах (пароходы) и на железнодорожных локомотивах (паровозы), а также в стационарных установках для привода станков.
Главным недостатком паровых машин был низкий КПД, не превышающий 9%.
Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей один оказался особенно плодотворным. Сущность его состояла в уменьшении потерь теплоты за счет перенесения места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрь цилиндра. Отсюда и происхождение названия «двигатель внутреннего сгорания» (ДВС). Естественно, что для двигателей внутреннего сгорания наиболее удобным топливом является газообразное или жидкое.
Первый двигатель внутреннего сгорания был создан в 1860 г. французским инженером Э. Ленуаром. Этот двигатель не имел трубы, топки и котла, но в основном конструктивно не отличался от паровой машины. Вместо пара в цилиндр при движении поршня засасывалась смесь светильного газа и воздуха. Когда поршень проходил расстояние, равное половине своего хода, закрывался впускной клапан и горючая смесь воспламенялась электрической искрой. Под давлением продуктов сгорания поршень двигался дальше, совершая рабочий ход. В конце рабочего хода открывался выпускной клапан, и поршень при обратном ходе выталкивал продукты сгорания из цилиндра.
КПД первого двигателя внутреннего сгорания был 3,3%. Однако новые двигатели вскоре были значительно усовершенствованы. В 1862 г. французским инженером Боде Роша было предложено использовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: всасывание, сжатие, горение и расширение, выхлоп. Эта идея была использована немецким изобретателем Н. Отто, построившим в 1878 г. первый четырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателя достигал 22%, что превосходило значения, полученные при использовании двигателей всех предшествующих типов.
Развитие нефтяной промышленности в конце XIX в. дало новые виды топлива — керосин, бензин. В бензиновом двигателе для более полного сгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальных смесителях, называемых карбюраторами. Воздушно-бензиновую смесь называют горючей смесью.
Расчеты показывают, что для полного сгорания смеси на единицу массы бензина должно приходиться не менее 15 единиц массы воздуха. Это означает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактически является воздух, а не пары бензина. Топливо здесь сжигается для нагревания воздуха. При движении поршня от верхнего положения до нижнего через впускной клапан происходит всасывание горючей смеси в цилиндр (рис. 3.27). Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горючей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок к адиабатному.
Рис. 3.27
В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей смеси электрической искрой. Быстрое сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу количества теплоты Q1, резким возрастанием температуры и давления воздуха и продуктов сгорания. За короткое время горения смеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать почти изохорным.
Под действием высокого давления поршень далее совершает рабочий ход от верхнего положения до нижнего. Этот процесс расширения рабочего тела близок к адиабатному.
В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей количества теплоты Q2 окружающему воздуху, играющему роль охладителя.
При длительной работе двигателя описанный цикл повторяется много-кратно. Но перед началом каждого цикла необходимо освободить цилиндр от продуктов сгорания, не содержащих кислорода, и произвести всасывание горючей смеси. Это осуществляется во время двух подготовительных тактов впуска и выпуска.
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на значение КПД, является степень сжатия горючей смеси: ε = V2/V1, где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию. У современных карбюраторных двигателей степень сжатия обычно составляет 8-9. Дальнейшему увеличению степени сжатия препятствует самовоспламенение (детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть указанных степеней сжатия без детонации удалось путем увеличения скорости движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5-6 тыс. об/мин и применения бензина со специальными антидетонационными присадками.
Чтобы повысить КПД двигателя внутреннего сгорания, немецкий инженер Р. Дизель в 1892 г. предложил использовать еще большие степени сжатия рабочего тела и расширение при постоянном давлении.
Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а воздух. По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыскивается горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабатного сжатия воздуха его температура повышается до 600-700 °С. Горючее, впрыскиваемое с помощью топливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении с раскаленным воздухом.
Подача топлива управляется особым регулятором, в результате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе. Поэтому часть процесса расширения, пока осуществляется подача топлива, происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выпуск.
Современные дизели имеют степень сжатия 16-21 и КПД около 40%.
Попытки сконструировать паровую турбину, способную конкурировать с паровой машиной, до середины XIX в. были безуспешными, так как в механическую энергию вращения турбины удавалось преобразовывать лишь незначительную часть кинетической энергии струи пара.
Первая паровая турбина, нашедшая практическое применение, была изготовлена шведским инженером Г. Лавалем в 1889 г. Ее мощность была меньше 4 кВт при частоте вращения ротора 500 об/с. При конструировании паровой турбины надо решить две проблемы. Во-первых, следует добиться, чтобы внутренняя энергия пара в максимальной степени превращалась в кинетическую энергию струи, вырывающейся из сопла. Во-вторых, следует добиться, чтобы кинетическая энергия струи в максимальной степени пере-давалась лопаткам ротора турбины. Обе эти задачи Лаваль решил.
Для экономичной работы турбины требуются сверхзвуковые скорости вращения ротора. Но при таких скоростях ротор турбины должен разрушиться силами инерции. Для разрешения этого противоречия приходится конструировать турбины, ротор которых вращается со скоростью, меньшей оптимальной. Чтобы полнее использовать кинетическую энергию струи пара, турбины делают многоступенчатыми, насаживая на общий вал несколько роторов возрастающего диаметра. Из-за недостаточно большой скорости вращения пар отдает только часть своей кинетической энергии ротору меньшего диаметра. Затем пар, отработавший в первой ступени, направляется на второй ротор большего диаметра, где отдает его лопаткам часть оставшейся кинетической энергии, и т. д. Отработавший пар конденсируется в охладителе-конденсаторе, а теплая вода направляется в котел.
КПД современных паровых турбин достигает 40%. Поэтому электрические генераторы всех тепловых и атомных электростанций приводятся в действие паровыми турбинами.
Так как температура пара, применяемого в современных паротурбинных установках, не превышает 580 °С, а температура пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С, максимальный КПД паротурбинной установки как тепловой машины равен 64%, а реальные значения КПД паротурбинных конденсационных электростанций достигают лишь около 40%.
Паротурбинные двигатели нашли широкое применение на водном транспорте. Их применению на сухопутном транспорте и тем более в авиации препятствует необходимость иметь топку и котел для получения пара, а также большое количество воды для использования в качестве рабочего тела.
Мысль об устранении топки и котла в тепловой машине типа турбины за счет сжигания топлива в самом рабочем теле давно занимала конструкторов. Но разработка таких турбин внутреннего сгорания, в которых рабочим телом является не пар, а расширяющийся от нагревания воздух, сдерживалась отсутствием материалов, способных работать длительное время при высоких температурах и больших механических нагрузках.
Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора 1, камер сгорания 2, газовой турбины 3 и выпускного сопла 4 (рис. 3.28).
Рис. 3.28
Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата. При работе турбины ротор компрессора вращается, засасывая воздух; давление воздуха за первым рядом лопаток повышается. За первым рядом лопаток ротора расположен ряд лопаток неподвижного направляющего аппарата компрессора, с помощью которого изменяется направление движения воздуха и обеспечивается возможность его дальнейшего сжатия с помощью лопаток второй ступени ротора и т. д. Несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5-7 раз. Процесс сжатия протекает почти адиабатно, поэтому температура воздуха значительно повышается, достигая 200 °С и более.
Сжатый воздух поступает в камеру сгорания 2. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо — керосин, мазут. При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, нагревается до 1500-2200 °С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется и скорость его движения увеличивается.
Движущиеся с большой скоростью воздух и продукты горения направляются в турбину 3. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам ротора турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется, например, для вращения винта самолета или ротора электрического генератора.
Для предохранения лопаток турбины от разрушающего действия раскаленной и высокоскоростной газовой струи в камеру сгорания нагнетается значительно больше воздуха, чем необходимо для полного сжигания топлива. Воздух, входящий в камеру сгорания за зоной горения топлива, снижает температуру газовой струи, направляемой на лопатки турбины. Понижение температуры газа в турбине ведет к снижению КПД, поэтому ученые и конструкторы ведут поиски путей повышения верхнего предела рабочей температуры в газовой турбине. В некоторых современных авиационных газотурбинных двигателях на входе в турбину температура газа достигает 1330 °С.
Отработавший воздух вместе с продуктами сгорания при давлении, близком к атмосферному, и температуре более 500 °С со скоростью более 500 м/с выбрасывается в атмосферу либо (для повышения КПД) направляется в теплообменник, где отдает часть энергии на нагревание воздуха, поступающего в камеру сгорания.
Цикл работы газовой турбины аналогичен циклу поршневого ДВС. Разница лишь в том, что в поршневом ДВС его четыре такта происходят последовательно во времени в одном месте — цилиндре, а в газовой турбине те же такты происходят одновременно в разных участках: всасывание и сжатие воздуха — в компрессоре, сжигание топлива — в камере сгорания, рабочий ход — в турбине и выпуск — в выпускном сопле.
КПД газотурбинных установок достигает 25-30%. У газотурбинных двигателей нет громоздких паровых котлов, как у паровых машин и паровых турбин, нет поршней и механизмов, преобразующих возвратно-поступательное движение во вращательное, как у паровых машин и двигателей внутреннего сгорания. Поэтому газотурбинный двигатель занимает втрое меньше места, чем дизель той же мощности, а его удельная масса (отношение массы к мощности) в 6-9 раз меньше, чем у авиационного поршневого ДВС. Компактность и быстроходность в сочетании с большой мощностью на единицу массы определили первую практически важную область применения газотурбинных двигателей — авиацию.
Самолеты с винтом, насаженным на вал газотурбинного двигателя, по-явились в 1944 г. Турбовинтовые двигатели имеют такие известные самолеты, как Ил-18, Ан-22, Ан-124 «Руслан».
Газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного состава.
Основное отличие турбореактивного двигателя от турбовинтового заключается в том, что в нем газовая турбина используется только для приведения в действие воздушного компрессора и отнимает у газовой струи, вы-ходящей из камеры сгорания, лишь небольшую часть энергии. В результате газовая струя имеет на выходе из сопла высокую скорость и создает реактивную силу тяги.
Успешное применение турбореактивных двигателей в авиации началось в 40-х годах созданием реактивных истребителей, а первый в нашей стране реактивный пассажирский самолет Ту-104 вышел на линию Москва - Иркутск в 1956 г. Турбореактивными двигателями оборудованы самолеты Ил-62, Ту-154, Ил-86.
Реактивные двигатели, не использующие для своей работы окружающую среду, например воздух земной атмосферы, называют ракетными двигателями. Основные части ракетного двигателя — камера сгорания и сопло. В принципе для ракетного двигателя могут быть использованы различные источники энергии, но на практике пока применяют в основном химические. При сжигании горючего в камере сгорания химического ракетного двигателя образуются продукты горения в газообразном состоянии. Выход струи газа через сопло приводит к возникновению реактивной силы.
Конструкцию космической ракеты с жидкостным реактивным двигателем (рис. 3.29) впервые предложил в 1903 г. К. Э. Циолковский.
Рис. 3.29
Первая отечественная жидкостная ракета «ГИРД-09» была создана в 1933 г. по проекту М. К. Тихонравова. Двигатель ракеты работал на жидком кислороде и бензине.
Дальнейшая успешная разработка ракетно-космической техники, вы-полненная под руководством академика С. П. Королева, позволила осуществить в нашей стране запуск первого в мире искусственного спутника Земли (4 октября 1957 г.), полет вокруг Земли первого в мире космонавта Ю. А. Гагарина (12 апреля 1961 г.), запуск межпланетных станций на Луну, Марс, Венеру. Жидкостные реактивные двигатели для этих космических ракет разработаны под руководством академика В. П. Глушко.
Мощность первой ступени ракеты-носителя «Восток» с ЖРД достигала 15 ГВт.
В 1987 г. прошла успешные испытания новая мощная универсальная ракета-носитель «Энергия». Она имеет стартовую массу свыше 2000 т, способна выводить на орбиту более 100 т полезного груза.
Физика: Учеб. пособие для 10 кл. шк. и классов с углубл. изуч. физики/ О. Ф. Кабардин, В. А. Орлов, Э. Е. Эвенчик и др.; Под ред. А. А. Пинского. — 2-е изд. — М.: Просвещение, 1995. — С. 185-192.
www.physbook.ru
Под действием сил трения и сопротивления механическая энергия переходит во внутреннюю. А возможен ли обратный переход, при котором внутренняя энергия превращалась бы в механическую или позволяла бы совершать механическую работу? Оказывается, возможен. Для этого используются так называемые тепловые машины (двигатели), совершающие механическую работу за счет внутренней энергии системы. Тепловые двигатели позволяют использовать огромные запасы внутренней энергии различных энергоносителей (топлива) для нужд цивилизации.
Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя 1, рабочего тела 2 (газ или пар) и холодильника 3. Нагреватель (теплоотдатчик) передает рабочему телу тепловой машины энергию в виде тепла. Холодильник (теплоприемник) забирает от рабочего тела неизрасходованную часть тепловой энергии. Чаще всего в качестве холодильника используется окружающая среда. Система, которая обменивается энергией (теплотой) с внешней средой или другими системами и совершает работу, называется рабочим телом (веществом).
Работа любой тепловой машины состоит из повторяющихся циклических или круговых процессов (циклов). Циклическим или круговым процессом называется такая последовательность термодинамических процессов, в результате которых система возвращается в начальное состояние.
Каждый цикл включает в себя:
1) получение рабочим телом энергии от нагревателя;
2) расширение рабочего тела и совершение им работы;
3) передачу неиспользованной части энергии холодильнику и возвращение в исходное состояние.
Рассмотренный круговой процесс представляет собой схему работы любой тепловой машины, преобразующей тепло в работу. Газ получает от нагревателя количество теплоты
ΔQ1 часть его ΔQ2 отдает холодильнику. Так как рабочее тело вернулось в исходное состояние, то его внутренняя энергия не изменилась. Согласно первому началу термодинамики разность полученного и отданного количества теплоты (ΔQ = ΔQ1 — ΔQ2) и есть совершенная работа (ΔQ = A).
Коэффициент полезного действия (КПД)тепловой машины определяют как отношение совершенной машиной работы А к количеству тепла ΔQ1, полученному от нагревателя:
КПД характеризует степень преобразования внутренней энергии в механическую в данном тепловом двигателе. Другими словами, это эффективность работы тепловой машины, выраженная количественно.
С изучением вопроса о максимальном КПД тепловых машин исторически связано открытие второго начала термодинамики, которое определяет принцип действия тепловых машин. В 1850 г. немецкий физик Рудольф Клаузиус дал следующую формулировку второго начала термодинамики:
невозможен такой процесс, при котором теплота самопроизвольно переходила бы от более холодных тел к более горячим телам.
В 1851 г. Томсон предложил свою формулировку второго начала термодинамики:
невозможно построить такую циклически действующую тепловую машину, вся деятельность которой сводилась бы только к совершению механической работы и соответствующему охлаждению нагревателя.
Формулировки Клаузиуса и Томсона эквивалентны, т. е. следуют одна из другой. В настоящее время второе начало термодинамики формулируют следующим образом:
в природе невозможен такой циклический процесс, единственным результатом которого было бы превращение теплоты, получаемой системой от нагревателя или окружающей среды, в работу.
Подчеркнем, что речь идет о невозможности циклического обратимого процесса, т. е. нециклический процесс, в ходе которого все количество подведенной извне теплоты преобразуется в работу, в природе существовать может. Для примера вспомним изотермическое расширение идеального газа, при котором вся подводимая теплота переходит в работу газа. Однако, как только необходимо будет повторить этот процесс вновь, потребуется вернуть газ в начальное состояние. Для того чтобы газ сжать, нужно либо совершить работу над ним, либо его просто охладить. И если первое условие нас не удовлетворяет, ибо необходимо создать машину, которая сама совершает работу, то второй способ подходит вполне. Но охлаждение газа не может произойти само по себе. Лишнюю теплоту нужно передать какой-либо системе. А это означает, что система, получив теплоту, или нагреется, или сама совершит работу, или произойдет одновременно и то, и другое. В любом случае состояние системы изменится. О чем, собственно, и идет речь во втором начале термодинамики.
Поскольку всю полученную теплоту рабочее тело не может преобразовать в работу, то какое-то количество теплоты оно будет «терять», т. е. отдавать холодильнику. Это означает, что КПД тепловой машины никогда не может быть равным единице. Таким образом, второе начало термодинамики ставит непреодолимое препятствие перед любым желающим сконструировать вечный двигатель второго рода, в котором должен быть достигнут КПД, равный единице, т. е. все подводимое тепло переходило бы в работу. Отметим, что нарушения первого начала термодинамики при этом не наступало бы — такие вечные двигатели «разрешены» первым началом термодинамики.
Итак, краткая формулировка второго начала термодинамики:
нельзя построить вечный двигатель второго рода.
Билет 21
cyberpedia.su
Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями.
Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства.
Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника.
Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx..
Эффективность работы двигателя характеризует коэффициент полезного действия (КПД).
Он равен отношению работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя. 
Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые, в конечном счете, приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.Тепловые машины широко используют на производстве и в быту. По железнодорожным магистралям водят составы мощные тепловозы, по водным путям – теплоходы. Миллионы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания перевозят грузы и пассажиров. Поршневыми, турбовинтовыми и турбореактивными двигателями снабжены самолеты и вертолеты. С помощью ракетных двигателей осуществляются запуски искусственных спутников, космических кораблей и станций. Двигатели внутреннего сгорания являются основой механизации производственных процессов в сельском хозяйстве. Их устанавливают на тракторах, комбайнах, самоходных шасси, насосных станциях. Тепловоз - автономный локомотив, на котором в качестве силовой энергетической установки используется тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания - дизельный двигатель, величина эффективного кпд которого достигает 40—45%. Применение дизельного двигателя вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий уровень кпд тепловоза (26-31%), превышающий кпд паровоза в 4-5 раз.
Билет № 14
Элементарный электрический заряд; два вида электрических зарядов, закон сохранения электрического заряда; закон Кулона. Электрическое поле: напряженность электрического поля, линии напряженности электрического поля.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
· Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными.
· Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому.. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
· Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.
· Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду
e =1,6 
.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов.
В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.
Точечным зарядомназывают заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:
Взаимодействие неподвижных электрических зарядовназывают электростатическим или кулоновским взаимодействием.
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ- существует вокруг электрического заряда, материально.Основное свойство электрического поля: действие с силой на электрический заряд, внесенный в него.Электростатическое поле- поле неподвижного электрического заряда.Напряженность электрического поля- силовая характеристика электрического поля.- это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда.- не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.
Силовые линии электрического поля - непрерывные линии, касательными к которым являются векторы напряженности эл.поля в этих точках.Однородное эл.поле - напряженность поля одинакова во всех точках этого поля.Свойства силовых линий: не замкнуты (идут от + заряда к -), непрерывны, не пересекаются,их густота говорит о напряженности поля (чем гуще линии, тем больше напряженность).
Билет № 15
Читайте также:
lektsia.com
РЕФЕРАТ
ПО ТЕМЕ:
Реактивные Двигатели и Основы Работы Тепловой Машины .
НАПИСАЛ: Лукин А.В.
ПРОВЕРИЛА: Шелкунова Т.В.
г.НОВОКУЗНЕЦК
-1-
Знание закона сохранения импульса во многих случаях даёт возможность выполнить расчёты результата взаимодействия тел, когда значения действующих сил неизвестны.
Тепловой машиной называется устройство, которое преобразует энергию теплового движения в механическую энергию. Существуют два типа тепловых машин: нециклические тепловые машины и циклические тепловые машины. Рассмотрим принцип действия машин второго типа. В основе теоретического обоснования тепловых машин лежит второй закон термодинамики, который утверждает: невозможно создать циклически работающий тепловой двигатель, единственным результатом действия которого получения от источника количества теплоты и превращение его полностью в механическую энергию. Чтобы тепловая машина могла циклически работать, она обязательно должна включать:
-Нагреватель.
-Холодильник.
-Рабочее тело.
Принцип работы такой машины состоит в следующем: рабочее тело, находясь в контакте с негревателем, получает от него в результате теплообмена количество теплоты Q1, нагреваясь до температуры T1. Затем контакт прерывается и рабочее тело переходит в контакт с холодильником.
В процессе перехода рабочее тело совершает механическую работу A. Придя в контакт с холодильником, оно отдаёт ему некоторое количество теплоты Q2 и охлаждается. Затем рабочее тело переходит в контакт с нагревателем и процесс повторяется.
1)*Для начала возмём для рассмотрения прямоточный воздушно-реактивный двигатель. Он имеет наиболее простую схему работы.
-2-
Передний край трубки вбирает в себя воздух, - это воздухозаборник. Из сопла - задней части трубки – выходят отработанные газы. Средняя часть камера сгорания.
В камере сгорания горит воздушно-топливная смесь. Температура газа при этом повышается, возрастает скорость его движения. Раскалённые газы с силой выбрасываются через сопло, создавая реактивную тягу.
Но ПВРД может работать если на входе имеется скоростной поток воздуха, но самолёт самостоятельно стартовать с таким двигателем не может. Его нужно предварительно разогнать.
Обычный самолёт разгоняется при помощи воздушного винта. Но ведь ведь таким винтом – пропеллером можно разогнать и поток воздуха на входе двигателя. Так появился ТРД – турбореактивный двигатель. Чтобы запустить его к компрессору присоединяют стартёр, и компрессор создаёт первоначальный напор воздуха на входе. Затем уже начинает работать сам реактивный двигатель.
На пути раскалённых газов они поставили газовую турбину и соединили её с компрессором единым валом. Выходящие газ вращают турбину, соединённый с ней компрессор нагнетает воздушный поток в камеру сгорания, топливно-воздушная смесь горит, горячие газы вытекают из сопла, и цикл повторяется.
С помощью мощного и компактного турбореактивного самолёты очень скоро превысили скорость звука. Тяга турбореактивного двигателя может быть увеличена путём дополнительного сгорания топлива в форсажной камере, расположенной между турбиной и реактивным соплом.
Однако такие двигатели не всегда выгодны экономически. Для огромных транспортных самолётов, которые летают со скоростями 650-700 км/ч и поднимают в воздух одновременно десятки тонн груза, лучше использовать турбовинтовые двигатели – ТВД. Турбина может вращать и обычный воздушный винт. Для этого нужно удлинить вал, соединяющий её с компрессором, добавить
-3-
редуктор, который снизит частоту вращения винта (иначе воздушный поток станет срываться с лопастей и пропеллер в основном будет вращаться вхолостую).
2)*Рассмотрим в качестве примера действие реактивного двигателя. При сгорании топлива газы, нагретые до высокой температуры, выбрасываются из сопла ракеты со скоростью v.Ракета и выбрасываемые её двигателем газы взаимодействуют между собой. На основании закона сохранения импульса при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остаётся постоянной. До начала работы двигателей импульс ракеты и горючего был равен нулю; следовательно, и после включения двигателей сумма векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:
MV + MV = 0, Где М – масса ракеты; V – скорость ракеты; m – масса выброшенных газов; v – скорость истечения газов.V=(m/M) v.
Эта формула применима для вычисления модуля скорости V ракеты при условии небольшого изменения массы M ракеты в результате работы её двигателей.
Реактивный двигатель обладает многими замечательными особенностями, но главная из них заключается в следующем. Ракете для движения не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, так как она движется в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому ракета может двигаться в безвоздушном пространстве.
-4-
К. Э. Циолковский – основоположник теории космических полётов. Научное доказательство возможности использования ракеты для полётов в космическое пространство, за пределы земной атмосферы и к другим планетам Солнечной системы было дано впервые русским учёным и изобретателем Константином Эдуардовичем Циолковским.
*:1)-Описание реактивного двигателя.
2)-Описание в формулах реактивного двигателя.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА :
1) Энциклопедический Словарь Юного Техника
Автор : Зубков.Б.В.
Чумаков.С.В.
2) Тепловые Явления В Технике
Автор : Билимович.Б.Ф.
3) Физика
Автор : Кабардин.О.Ф.
4)Физика
Автор : Евфремов.А.П.
Кутузов.Ю.А.
mirznanii.com
