Реферат: Роль термодинамики в современной физике

В конце рабочего такта от­крывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окру­жающей атмосферой. Выпуск от­работанных газов сопровождает­ся передачей количества тепла Q2 окружащему воздуху, играюще­му роль охладителя.

??? ????????? ?????????? ??????????? ???????? ?????? ???????????????, ???????????? ??????? ???????? ??????? ? ???????????? ???????? ?? ???????? ???, ???????? ??????? ?????? ??????? ?????:

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. В карбюраторных дви­гателях увеличению степени сжа­тия выше 8—9 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 высо­ких степеней сжатия без детонации удалось увеличением скорос­ти движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со специальными антидетонационными присадками.

Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широко применяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти все легковые и многие грузовые автомобили.

Двигатель Дизеля. Для дельнейшего повышения КПД двига­теля внутреннего сгорания в 1892 г. немецкий инженер Ру­дольф Дизель предложил испсльзовать еще большие степени сжа­тия рабочего тела.

Высокая степень сжатия без детонации достигается в двигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыс­кивается горючее. Для его за­жигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени адиабати­ческого 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, а происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп.

Современные дизели имеют степень сжатия e=16 — 21 и КПД около 40%. Более высокий коэффициент полезного действия ди­зельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси (480— 630 °С) у них выше, чем у кар­бюраторных двигателей (330— 480 °С). Этим обеспечивается бо­лее полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на су­дах речного и морского транс­порта, тепловозах.

Газовая турбина. Все более широкое применение в современ­ном транспорте получают газо­турбинные двигатели. Газотур­бинная установка состоит из воз­душного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 2). Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.

При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух заса­сывается в компрессор, несколь­ко ступеней лопаток компрес­сора обеспечивают повышение давления воздуха в 5—7 раз.

Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до темпера­туры 200 °С и более.

Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыс­кивается под большим давлением жидкое топливо — керосин, ма­зут.

При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, полу­чает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500— 2200 °С. Нагревание воз­духа происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расши­ряется и скорость его движения увеличивается.

Рис. 2

Движущийся с большой ско­ростью воздух и продукты горе­ния направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение комп­рессора, а остальная использует­ся для вращения винта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля.

Вместо вращения винта само­лета, теплохода или ротора электрогенератора 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 транспорта.

Турбореактивными двигате­лями оборудованы известные все­му миру самолеты ИЛ-62, ТУ-154.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении хотелось бы отметить о взаимодействии тепловых машин и окружающей средой. Непрерыв­ное развитие энергетики, авто­мобильного и других видов тран­спорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промыш­ленности и на бытовые нужды увеличивает возможности удов­летворения жизненных потреб­ностей человека. Однако в на­стоящее время количество еже­годно сжигаемого в различных тепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния про­дуктов сгорания.

Отрицательное влияние тепло­вых машин на окружающую сре-ДУ связано с действием разных факторов.

Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, пре­вышает количество кислорода, потребляемого промышленностьо, то, например, в США леса восстанавливают лишь 60% используе­мого промышленностью кислорода.

Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. За последние двадцать лет содержание углекислого газа в ат­мосфере Земли увеличилось при­мерно на 5%.

Молекулы оксида углерод способны поглощать инфракрас­ное излучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее прозрач­ность. Инфракрасное излучений, испускаемое земной поверхно­стью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение концен­трации углекислого газа в атмос­фере может привести к повыше­нию ее температуры.

В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениеями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.

Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильная двигатели ежегодно выбрасыва­ют в атмосферу 2—3 млн. т свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива, приводящего к снижению мощности двигателя и его быстрому износу. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема существенного усовершенствования автомобильного двигателя представляет одну из наиболее актуальных научно-технических проблем.

Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды – переход от использования в автомобилях карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединения свинца.

Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель, питающийся от аккумулятора, или двигатель, использующий в качестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бернал Дж. Наука в истории общества.М.,1956.

2. Енохович А.С. Справочник по физике и технике. – М.: Просвещение, 1983.

3. Кабардин О.Ф. Физика. – М.: Просвещение, 1988.