การใช้เครื่องยนต์ความร้อนในระบบเศรษฐกิจ บทบาทของพลังงานความร้อนในสมดุลพลังงานโลก การจำแนกประเภทของเครื่องยนต์ความร้อน
เครื่องจักรความร้อน (เครื่องจักรไอน้ำ) ได้เล่นและยังคงมีบทบาทสำคัญในการพัฒนาอารยธรรมของเราต่อไป การประดิษฐ์และการนำไปใช้ในการผลิต การขนส่ง และกิจกรรมอื่นๆ ของมนุษย์ทำให้เกิดการปฏิวัติอุตสาหกรรมในศตวรรษที่ 18 และเปิดโลกทัศน์ใหม่ในชีวิตของเรา
การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจะขึ้นอยู่กับการกระทำของไอน้ำหรือก๊าซอื่นๆ อุปกรณ์ที่ใช้การกระทำแบบยืดหยุ่นของอากาศและไอน้ำเป็นที่รู้จักในโลกยุคโบราณ ที่มีชื่อเสียงที่สุดได้รับการออกแบบโดยนักประดิษฐ์ชาวกรีกโบราณจากเมืองอเล็กซานเดรีย: Ctesibius, Philo และ Heron
ตั้งแต่ช่วงทศวรรษที่ 80 ของศตวรรษที่ 18 เครื่องจักรความร้อนอเนกประสงค์ของวัตต์ได้ถูกนำไปใช้อย่างแพร่หลายในทุกภาคส่วนของเศรษฐกิจของหลายประเทศ ตัวอย่างเช่น ในสหราชอาณาจักร พวกเขาสร้างเครื่องยนต์ดังกล่าวมากกว่า 300 เครื่องสำหรับอุตสาหกรรมสิ่งทอ เหมืองแร่ โลหะ และอาหาร เครื่องจักรไอน้ำกระตุ้นการพัฒนาเครื่องจักรทำงานและการขนส่งแบบใหม่
นี่คือวิธีที่เครื่องจักรไอน้ำถือกำเนิดและก่อตั้งในสาขาต่างๆ กับ
ในขณะนั้นเครื่องยนต์ความร้อนได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างที่โดดเด่นคือการพัฒนาตู้รถไฟไอน้ำและเครื่องยนต์สันดาปภายใน แต่สิ่งเหล่านี้เป็นเรื่องราวที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิง และแม้ว่าตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 ในหลายกรณีเครื่องจักรไอน้ำจะถูกแทนที่ด้วยเครื่องยนต์ไฟฟ้า แต่ก็มีบทบาทพิเศษในความก้าวหน้าทางเทคนิคของมนุษยชาติและการออกแบบการประชุมเชิงปฏิบัติการหลายร้อยรายการของเครื่องยนต์ความร้อนในวันที่ 18 - ศตวรรษที่ 20 เป็นตัวอย่างของการเจริญรุ่งเรืองของอัจฉริยะมนุษย์ด้านวิทยาศาสตร์ เทคนิค และวิศวกรรมศาสตร์
43. ประเภทของเครื่องยนต์ แนวโน้มการพัฒนาการออกแบบเครื่องยนต์
เครื่องยนต์, เครื่องยนต์(ตั้งแต่ lat. เครื่องยนต์การขับขี่) - อุปกรณ์ที่แปลงพลังงานประเภทใดก็ได้เป็นพลังงานกล คำนี้ใช้มาตั้งแต่ปลายศตวรรษที่ 19 ควบคู่ไปกับคำว่า "มอเตอร์" ซึ่งตั้งแต่กลางศตวรรษที่ 20 มักเรียกถึงมอเตอร์ไฟฟ้าและเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) มากกว่า
มอเตอร์แบ่งออกเป็นประถมศึกษาและมัธยมศึกษา ปัจจัยหลัก ได้แก่ ทรัพยากรที่แปลงทรัพยากรพลังงานธรรมชาติเป็นงานเครื่องกลโดยตรง และปัจจัยรอง ได้แก่ ทรัพยากรที่แปลงพลังงานที่สร้างหรือสะสมจากแหล่งอื่น
ตัวขับเคลื่อนหลัก (PM) ได้แก่ วงล้อลมที่ใช้พลังงานลม กังหันน้ำ และกลไกน้ำหนัก ซึ่งขับเคลื่อนด้วยแรงโน้มถ่วง (น้ำที่ตกลงมาและแรงดึงดูด) เครื่องยนต์ที่ให้ความร้อน ซึ่งพลังงานเคมีของเชื้อเพลิง หรือพลังงานนิวเคลียร์ถูกแปลงเป็นพลังงานประเภทอื่น เครื่องยนต์รอง (SE) ได้แก่ มอเตอร์ไฟฟ้า (มอเตอร์ไฟฟ้า) มอเตอร์นิวแมติก และมอเตอร์ไฮดรอลิก (มอเตอร์ไฮดรอลิก)
เครื่องยนต์ลูกสูบ - ห้องเผาไหม้เป็นกระบอกสูบที่พลังงานเคมีของเชื้อเพลิงถูกแปลงเป็นพลังงานกลซึ่งจากการเคลื่อนที่แบบลูกสูบของลูกสูบจะถูกแปลงเป็นแบบหมุนโดยใช้กลไกข้อเหวี่ยง ICE ถูกจัดประเภท: ก) ตามวัตถุประสงค์ - แบ่งออกเป็นการขนส่ง เครื่องเขียน และพิเศษ b) ตามประเภทของเชื้อเพลิงที่ใช้ - ของเหลวเบา (น้ำมันเบนซิน, แก๊ส), ของเหลวหนัก (เชื้อเพลิงดีเซล) c) ตามวิธีการก่อตัวของส่วนผสมที่ติดไฟได้ - ภายนอก (คาร์บูเรเตอร์) และภายในสำหรับเครื่องยนต์สันดาปภายในดีเซล d) ตามวิธีการจุดระเบิด ไม่ว่าจะเป็นประกายไฟหรือการบีบอัด e) ตามจำนวนและตำแหน่งของกระบอกสูบ พวกมันแบ่งออกเป็นในแนวตรง แนวนอน แนวตั้ง รูปตัว V และตรงข้าม
พลังงานสำรองภายในเปลือกโลกและมหาสมุทรถือได้ว่าไม่มีขีดจำกัดในทางปฏิบัติ แต่การมีพลังงานสำรองไม่เพียงพอ จำเป็นต้องใช้พลังงานเพื่อติดตั้งเครื่องมือกลเคลื่อนที่ในโรงงานและโรงงาน ยานพาหนะ รถแทรกเตอร์ และเครื่องจักรอื่นๆ เพื่อหมุนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า ฯลฯ มนุษยชาติต้องการเครื่องยนต์ - อุปกรณ์ที่สามารถทำงานได้
กระบวนการที่ไม่สามารถย้อนกลับได้ในธรรมชาติทำให้เกิดข้อ จำกัด บางประการเกี่ยวกับความเป็นไปได้ในการใช้พลังงานภายในเพื่อทำงานในเครื่องยนต์ความร้อน
บทบาทของเครื่องยนต์ความร้อนในการพัฒนาวิศวกรรมพลังงานความร้อนและการขนส่งเครื่องยนต์ส่วนใหญ่บนโลกเป็นเครื่องยนต์ความร้อน กล่าวคือ อุปกรณ์ที่แปลงพลังงานภายในของเชื้อเพลิงให้เป็นพลังงานกล
สิ่งที่สำคัญที่สุดคือการใช้เครื่องยนต์ความร้อน (กังหันไอน้ำที่ทรงพลังเป็นหลัก) ในโรงไฟฟ้าพลังความร้อนซึ่งพวกมันขับเคลื่อนโรเตอร์ของเครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า มากกว่า 80% ของไฟฟ้าทั้งหมดในประเทศของเราผลิตจากโรงไฟฟ้าพลังความร้อน
เครื่องยนต์ระบายความร้อน กังหันไอน้ำ ก็ได้รับการติดตั้งที่โรงไฟฟ้านิวเคลียร์ทุกแห่งเช่นกัน ที่สถานีเหล่านี้ พลังงานของนิวเคลียสของอะตอมจะถูกนำมาใช้เพื่อผลิตไอน้ำอุณหภูมิสูง
นอกจากนี้ การขนส่งสมัยใหม่ทุกประเภทที่สำคัญยังใช้เครื่องยนต์ความร้อนเป็นหลัก ในการขนส่งทางถนน เครื่องยนต์ลูกสูบแบบสันดาปภายในจะใช้กับรูปแบบภายนอกของส่วนผสมที่ติดไฟได้ (เครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์) และเครื่องยนต์ที่มีการก่อตัวของส่วนผสมที่ติดไฟได้โดยตรงภายในกระบอกสูบ (ดีเซล) ในการเกษตร
ในการขนส่งทางรถไฟจนถึงกลางศตวรรษที่ 20 เครื่องยนต์หลักคือเครื่องจักรไอน้ำ ตอนนี้พวกเขาใช้ตู้รถไฟดีเซลและตู้รถไฟไฟฟ้าเป็นหลัก แต่ในที่สุดตู้รถไฟไฟฟ้าก็ได้รับพลังงานจากเครื่องยนต์พลังความร้อนของโรงไฟฟ้าเป็นหลัก
การขนส่งทางน้ำใช้ทั้งเครื่องยนต์สันดาปภายในและกังหันไอน้ำอันทรงพลังสำหรับเรือขนาดใหญ่
ในการบิน เครื่องยนต์ลูกสูบถูกติดตั้งบนเครื่องบินเบา และเครื่องยนต์เทอร์โบเจ็ทและไอพ่นซึ่งเป็นของเครื่องยนต์ระบายความร้อนก็ติดตั้งบนเครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่ เครื่องยนต์ไอพ่นยังใช้กับจรวดอวกาศด้วย
หากไม่มีเครื่องยนต์ความร้อน อารยธรรมสมัยใหม่ก็เป็นสิ่งที่คิดไม่ถึง เราจะไม่มีไฟฟ้าราคาถูกมากมาย และจะขาดการคมนาคมที่รวดเร็วทุกรูปแบบ
เงื่อนไขหลักในการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนในเครื่องยนต์ที่ให้ความร้อนทั้งหมด เชื้อเพลิงในระหว่างการเผาไหม้จะทำให้อุณหภูมิของของไหลทำงานเพิ่มขึ้นหลายร้อยหรือหลายพันองศาเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อม ในกรณีนี้ ความดันของของไหลทำงานจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับความดันของสิ่งแวดล้อม เช่น บรรยากาศ และร่างกายทำงานเนื่องจากพลังงานภายใน สารทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนทั้งหมดคือแก๊ส
ไม่มีเครื่องยนต์ความร้อนใดที่สามารถทำงานที่อุณหภูมิของของไหลทำงานและสิ่งแวดล้อมเท่ากันได้ ในสภาวะสมดุลทางความร้อน ไม่มีกระบวนการที่มองเห็นด้วยตาเปล่าเกิดขึ้น โดยเฉพาะไม่มีงานใดที่สามารถทำได้
เครื่องยนต์ความร้อนทำงานโดยใช้พลังงานภายในในกระบวนการถ่ายเทความร้อนจากวัตถุที่ร้อนกว่าไปยังวัตถุที่เย็นกว่า ในกรณีนี้ งานที่ทำจะน้อยกว่าปริมาณความร้อนที่เครื่องยนต์ได้รับจากตัวร้อน (ตัวทำความร้อน) เสมอ ความร้อนบางส่วนถูกถ่ายเทไปยังวัตถุที่เย็นกว่า (ตู้เย็น)
บทบาทของตู้เย็นมาดูกันว่าเหตุใดเมื่อเครื่องยนต์ความร้อนทำงาน ความร้อนบางส่วนจึงถูกส่งไปยังตู้เย็นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้
ในระหว่างการขยายตัวของอะเดียแบติกของก๊าซในกระบอกสูบ (รูปที่ 45) งานจะเกิดขึ้นเนื่องจากพลังงานภายในลดลงโดยไม่มีการถ่ายเทความร้อนไปยังตู้เย็น ตามสูตร (4.14) ในกระบวนการไอโซเทอร์มอล ความร้อนทั้งหมดที่ถ่ายเทไปยังแก๊สจะเท่ากับงาน -
อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการที่หนึ่งและที่สอง งานจะดำเนินการระหว่างการขยายตัวของก๊าซครั้งเดียวจนมีความดันเท่ากับความดันภายนอก (เช่น ความดันบรรยากาศ) เครื่องยนต์จะต้องทำงานเป็นเวลานาน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อทุกส่วนของเครื่องยนต์ (ลูกสูบ, วาล์ว ฯลฯ) มีการเคลื่อนไหวซ้ำๆ ในช่วงเวลาที่กำหนด เครื่องยนต์จะต้องกลับสู่สถานะเดิมเป็นระยะหลังจากรอบการทำงานหนึ่งรอบ หรือเครื่องยนต์จะต้องผ่านกระบวนการที่ไม่แปรเปลี่ยนตามเวลา (หยุดนิ่ง) (เช่น การหมุนกังหันอย่างต่อเนื่อง)
ในการคืนก๊าซในกระบอกสูบให้กลับสู่สถานะเดิมนั้นจะต้องถูกบีบอัด ในการบีบอัดแก๊สจะต้องดำเนินการแก้ไขแก๊สนั้น งานอัดจะน้อยกว่างานที่ทำโดยตัวแก๊สในระหว่างการขยายตัว ถ้าแก๊สถูกอัดที่อุณหภูมิต่ำกว่าและด้วยความดันต่ำกว่า กว่าสิ่งที่เกิดขึ้นระหว่างการขยายตัวของแก๊ส ในการทำเช่นนี้จำเป็นต้องทำให้แก๊สเย็นลงก่อนการบีบอัดหรือในระหว่างกระบวนการอัดโดยถ่ายเทความร้อนจำนวนหนึ่งไปยังตู้เย็น
ในเครื่องยนต์ที่ใช้ในทางปฏิบัติ ก๊าซ (หรือไอน้ำ) ที่ทำงานเสร็จแล้ว (ไอเสีย) จะไม่เย็นลงก่อนการบีบอัดครั้งต่อไป แต่จะถูกปล่อยออกจากเครื่องยนต์และรอบการทำงานถัดไปจะเริ่มต้นด้วยก๊าซส่วนใหม่ ก๊าซไอเสียมีอุณหภูมิสูงกว่าวัตถุที่อยู่รอบๆ และถ่ายเทความร้อนบางส่วนไปให้พวกเขา
ในการหมุนกังหันไอน้ำ ไอร้อนภายใต้แรงดันสูงจะถูกส่งไปยังใบพัดอย่างต่อเนื่อง ซึ่งหลังจากเสร็จสิ้นการทำงานแล้ว จะถูกทำให้เย็นลงและนำออกจากกังหัน เมื่อไอน้ำเย็นลงและควบแน่น ก็จะถ่ายเทความร้อนไปยังวัตถุที่อยู่รอบๆ
ในกังหันไอน้ำหรือเครื่องจักร เครื่องทำความร้อนคือหม้อต้มไอน้ำ และตู้เย็นคือบรรยากาศหรืออุปกรณ์พิเศษสำหรับระบายความร้อนและควบแน่นไอน้ำไอเสีย - คอนเดนเซอร์ ในเครื่องยนต์สันดาปภายใน อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเกิดขึ้นเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้ภายในเครื่องยนต์ และ "เครื่องทำความร้อน" คือผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้ที่ร้อนนั่นเอง ตู้เย็นยังทำหน้าที่เป็นบรรยากาศในการปล่อยก๊าซไอเสีย
แผนผังของเครื่องยนต์ให้ความร้อนแสดงอยู่ในสีที่ใส่เข้าไป น้ำมันทำงานของเครื่องยนต์จะได้รับความร้อนจากเครื่องทำความร้อน ทำงาน A และถ่ายเทปริมาณความร้อนไปยังตู้เย็น
อีกสูตรหนึ่งของกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ความเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงพลังงานภายในให้เป็นงานในเครื่องยนต์ความร้อนโดยสมบูรณ์ซึ่งจะกลับสู่สถานะเดิมเป็นระยะ ๆ นั้นเกิดจากการที่กระบวนการในธรรมชาติไม่สามารถย้อนกลับได้และอยู่ภายใต้การกำหนดกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์อีกประการหนึ่ง
สูตรนี้เป็นของนักวิทยาศาสตร์ชาวอังกฤษ W. Kelvin: เป็นไปไม่ได้ที่จะดำเนินการตามกระบวนการเป็นระยะซึ่งผลลัพธ์เดียวก็คือการผลิตงานเนื่องจากความร้อนที่นำมาจากแหล่งเดียว
กฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ทั้งสองสูตรกำหนดซึ่งกันและกัน หากความร้อนสามารถถ่ายเทจากตู้เย็นไปยังเครื่องทำความร้อนได้เอง พลังงานภายในสามารถเปลี่ยนเป็นงานได้อย่างสมบูรณ์โดยใช้เครื่องยนต์ความร้อน
บทเรียนฟิสิกส์ในเกรด 10
ฟิสิกส์โมเลกุลและอุณหพลศาสตร์
พื้นฐานของอุณหพลศาสตร์*
บทเรียน #6
เรื่อง. บทบาทของเครื่องยนต์ความร้อนต่อเศรษฐกิจของประเทศ ปัญหาสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการใช้งาน
เป้าหมาย: เพื่อเพิ่มพูนความรู้ของนักเรียนเกี่ยวกับหลักการทางกายภาพของการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน การใช้งานทางเศรษฐกิจ เพื่อทำให้นักเรียนคุ้นเคยกับความสำเร็จของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการปรับปรุงเครื่องยนต์ความร้อน พัฒนาความสามารถในการสื่อสารความสามารถในการวิเคราะห์สรุปผล เพื่อสร้างทัศนคติที่ใส่ใจต่อการปกป้องสิ่งแวดล้อม เพื่อปลูกฝังความสนใจของนักเรียนในวิชาฟิสิกส์ เพื่อกระตุ้นกิจกรรมสร้างสรรค์ของนักเรียน
ประเภทบทเรียน: บทเรียนเรื่องลักษณะทั่วไปและการจัดระบบความรู้
รูปแบบการจัดส่ง: บทเรียน-สัมมนา.
อุปกรณ์: การ์ดที่มีจารึก: นักประวัติศาสตร์ นักนิเวศวิทยา รูปเหมือนของนักฟิสิกส์
ครั้งที่สอง การแสดงของวงดนตรี
นักประวัติศาสตร์ ในปี 1696 วิศวกรชาวอังกฤษ Thomas Severi (1650-1715) ได้ประดิษฐ์ปั๊มไอน้ำเพื่อยกน้ำ ใช้สำหรับสูบน้ำในเหมืองดีบุก งานนี้มีพื้นฐานมาจากการระบายความร้อนด้วยไอน้ำร้อน ซึ่งเมื่อถูกบีบอัดจะทำให้เกิดสุญญากาศที่ดึงน้ำจากเหมืองเข้าไปในท่อ
ในปี 1707 มีการติดตั้งปั๊ม Severi ในสวนฤดูร้อนในเซนต์ปีเตอร์สเบิร์ก ช่างเครื่องชาวอังกฤษ Thomas Newcomen (1663-1729) ได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำในปี 1705 เพื่อสูบน้ำจากเหมือง ในปี 1712 Newcomen ได้สร้างเครื่องจักรที่ใช้ในเหมืองของอังกฤษจนถึงกลางศตวรรษที่ 18 โดยใช้แนวคิดของ Papin และ Severi
เครื่องจักรสากลที่ใช้งานได้จริงเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นโดยนักประดิษฐ์ชาวรัสเซีย I. Polzunov (1766) และชาวอังกฤษ D. Watt (1774)
เครื่องจักรไอน้ำของ Polzunov มีความสูง 11 ม. ปริมาตรหม้อไอน้ำ 7 ลบ.ม. ความสูงของกระบอกสูบ 2.8 ม. และกำลัง 29 กิโลวัตต์ เครื่องจักรนี้ใช้งานได้นานในโรงงานขุดแห่งหนึ่งในรัสเซีย
นักประวัติศาสตร์ ในปี พ.ศ. 2308 เจ. วัตต์ได้ออกแบบและปรับปรุงเครื่องจักรไอน้ำประเภทใหม่โดยพื้นฐานในเวลาต่อมา เครื่องจักรของเขาไม่เพียงสูบน้ำออกเท่านั้น แต่ยังช่วยให้เครื่องจักร เรือ และลูกเรือเคลื่อนที่ได้ด้วย จนถึงปี ค.ศ. 1784 การสร้างเครื่องจักรไอน้ำอเนกประสงค์เกือบจะเสร็จสมบูรณ์ และกลายเป็นวิธีการหลักในการผลิตพลังงานในการผลิตทางอุตสาหกรรม ระหว่างปี ค.ศ. 1769-1770 นักประดิษฐ์ชาวฝรั่งเศส Nicolas Joseph Cugnot (1725-1804) ได้ออกแบบรถม้าที่ขับเคลื่อนด้วยไอน้ำ ซึ่งเป็นบรรพบุรุษของรถยนต์ ยังคงถูกเก็บรักษาไว้ที่พิพิธภัณฑ์ศิลปะและหัตถกรรมในกรุงปารีส
American Robert Fulton (1765-1815) ล่องเรือกลไฟ Clermont ซึ่งเขาสร้างขึ้น เลียบแม่น้ำ Hudson ในปี 1807 เมื่อวันที่ 25 กรกฎาคม พ.ศ. 2357 หัวรถจักรของนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ George Stephenson (พ.ศ. 2324-2391) ได้บรรทุกสินค้า 30 ตันในรถ 8 คันด้วยความเร็ว 6.4 กม. / ชม. ไปตามทางรถไฟสายแคบ ในปี พ.ศ. 2366 สตีเฟนสันได้ก่อตั้งงานรถจักรไอน้ำแห่งแรก ทางรถไฟสายแรกจากสต็อกตันถึงดาร์ลิงตันเริ่มให้บริการในปี พ.ศ. 2368 และในปี พ.ศ. 2373 เส้นทางรถไฟสาธารณะเริ่มให้บริการระหว่างศูนย์กลางอุตสาหกรรมของลิเวอร์พูลและแมนเชสเตอร์ James Nesmith (1808-1890) ได้สร้างค้อนไอน้ำที่ทรงพลังอย่างยิ่งในปี 1839 ซึ่งปฏิวัติการผลิตทางโลหะวิทยา นอกจากนี้เขายังพัฒนาเครื่องจักรงานโลหะใหม่ๆ หลายเครื่องอีกด้วย
ดังนั้นความเจริญรุ่งเรืองของอุตสาหกรรมและการรถไฟจึงเริ่มต้นขึ้น - ครั้งแรกในบริเตนใหญ่และจากนั้นในประเทศอื่น ๆ ของโลก
ครู. จำหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนกัน
ช่างเครื่อง. เครื่องยนต์ความร้อนเป็นเครื่องจักรที่พลังงานภายในถูกแปลงเป็นพลังงานกล
เครื่องยนต์ความร้อนมีหลายประเภท: เครื่องยนต์ไอน้ำ เครื่องยนต์สันดาปภายใน กังหันไอน้ำและก๊าซ เครื่องยนต์ไอพ่น ในเครื่องยนต์ทั้งหมดนี้ พลังงานเชื้อเพลิงจะถูกแปลงเป็นพลังงานก๊าซ (ไอน้ำ) ก่อน ก๊าซ (ไอน้ำ) ขยายตัวเพิ่มขึ้นและในเวลาเดียวกันก็เย็นตัวลง พลังงานภายในส่วนหนึ่งก็กลายเป็นพลังงานกล ดังนั้นเครื่องยนต์ความร้อนจึงมีฮีตเตอร์ สารทำงาน และตู้เย็น สิ่งนี้ก่อตั้งขึ้นในปี พ.ศ. 2367 โดยนักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Sadi Carnot หลักการทำงานของเครื่องดังกล่าวสามารถแสดงเป็นแผนภาพได้ (รูปที่ 1)
นอกจากนี้ Carnot ยังกำหนดว่าเครื่องยนต์จะต้องทำงานในวงจรปิด และวงจรที่ทำกำไรได้มากที่สุดคือวงจรที่ประกอบด้วยกระบวนการไอโซเทอร์มอลสองกระบวนการและอะเดียแบติกสองกระบวนการ เรียกว่าวัฏจักรคาร์โนต์และสามารถแสดงเป็นภาพกราฟิกได้ (รูปที่ 2)
จากกราฟเป็นที่ชัดเจนว่าของไหลทำงานทำงานที่มีประโยชน์ซึ่งมีตัวเลขเท่ากับพื้นที่ที่อธิบายโดยวัฏจักรนั่นคือ พื้นที่ 1 - 2 - 3 - 4 - 1
กฎการอนุรักษ์และการเปลี่ยนแปลงของพลังงานสำหรับวัฏจักรการ์โนต์คือพลังงานที่ได้รับจากของไหลทำงานจากสิ่งแวดล้อมเท่ากับพลังงานที่ถ่ายเทไปยังสิ่งแวดล้อม เครื่องยนต์ความร้อนทำงานได้เนื่องจากแรงดันแก๊สที่แตกต่างกันบนพื้นผิวของลูกสูบหรือใบพัดกังหัน ความแตกต่างของความดันนี้เกิดจากความแตกต่างของอุณหภูมิ นี่คือหลักการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อน
ช่างเครื่อง. เครื่องยนต์ความร้อนประเภทหนึ่งที่พบบ่อยที่สุดคือเครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ซึ่งปัจจุบันใช้ในยานพาหนะต่างๆ มาจำโครงสร้างของเครื่องยนต์กันดีกว่า: องค์ประกอบหลักคือกระบอกสูบที่มีลูกสูบซึ่งเชื้อเพลิงเผาไหม้อยู่ภายใน
กระบอกสูบมีสองวาล์ว - ทางเข้าและไอเสีย นอกจากนี้การทำงานของเครื่องยนต์ยังมั่นใจได้เมื่อมีหัวเทียนกลไกก้านสูบและเพลาข้อเหวี่ยงที่เชื่อมต่อกับล้อรถ เครื่องยนต์ทำงานในสี่จังหวะ (รูปที่ 3): และจังหวะคือปริมาณของส่วนผสมที่ติดไฟได้ Stroke II - การบีบอัดเมื่อสิ้นสุดการจุดเชื้อเพลิงด้วยประกายไฟจากหัวเทียน Stroke III - จังหวะกำลัง ในระหว่างจังหวะนี้ ก๊าซที่เกิดจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงจะทำงานโดยดันลูกสูบลง Stroke IV - ไอเสียเมื่อมีก๊าซหมดและระบายความร้อนออกมา กราฟวงจรปิดซึ่งแสดงลักษณะการเปลี่ยนแปลงสถานะของก๊าซระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์นี้แสดงไว้ในรูปที่ 1 4.
งานที่มีประโยชน์ในหนึ่งรอบจะเท่ากับพื้นที่ของรูปที่ 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2 โดยประมาณ การแพร่กระจายของเครื่องยนต์ดังกล่าวเกิดจากการที่มีน้ำหนักเบา กะทัดรัด และมี ประสิทธิภาพค่อนข้างสูง (ตามทฤษฎีสูงถึง 80% แต่ในทางปฏิบัติเพียง 30%) ข้อเสียคือใช้เชื้อเพลิงราคาแพง มีความซับซ้อนในการออกแบบ มีความเร็วการหมุนของเพลาเครื่องยนต์สูงมาก และก๊าซไอเสียก่อให้เกิดมลพิษในชั้นบรรยากาศ
นักนิเวศวิทยา เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเผาไหม้ของเครื่องยนต์เบนซิน (เพิ่มค่าออกเทน) จะมีการเพิ่มสารต่าง ๆ ลงไปส่วนใหญ่เป็นของเหลวเอทิลซึ่งมีตะกั่วเตตระเอทิลซึ่งมีบทบาทเป็นสารป้องกันการน็อค (ประมาณ 70% ของสารประกอบตะกั่วถูกปล่อยออกมา ขึ้นไปในอากาศในขณะที่เครื่องยนต์กำลังทำงาน) การมีสารตะกั่วในเลือดแม้แต่น้อยก็นำไปสู่การเจ็บป่วยร้ายแรง สติปัญญาลดลง ความตื่นเต้นมากเกินไป การพัฒนาความก้าวร้าว การไม่ตั้งใจ หูหนวก ภาวะมีบุตรยาก การชะลอการเจริญเติบโต ความผิดปกติของการทรงตัว ฯลฯ
ปัญหาอีกประการหนึ่งคือการปล่อยก๊าซคาร์บอน (II) ออกไซด์ เราสามารถจินตนาการถึงปริมาณความเสียหายจาก CO ได้หากมีรถยนต์เพียงคันเดียวปล่อยคาร์บอน (II) ออกไซด์ประมาณ 3.65 กิโลกรัมสู่อากาศต่อวัน (ที่จอดรถเกิน 500 ล้านคัน และความหนาแน่นของการจราจร เช่น บนทางหลวง Kyiv สูงถึง 50- รถยนต์ 100,000 คันต่อวัน พร้อมปล่อย CO2 สู่อากาศ 1,800-9,000 กิโลกรัมทุกชั่วโมง!)
ความเป็นพิษของ CO สำหรับมนุษย์คือ เมื่อมันเข้าสู่กระแสเลือด มันจะทำให้เม็ดเลือดแดง (เซลล์เม็ดเลือดแดง) ไม่สามารถขนส่งออกซิเจนได้ ส่งผลให้ขาดออกซิเจน หายใจไม่ออก เวียนศีรษะ และถึงขั้นเสียชีวิตได้ นอกจากนี้ เครื่องยนต์สันดาปภายในยังมีส่วนทำให้เกิดมลพิษทางความร้อนในบรรยากาศ อุณหภูมิอากาศในเมืองที่มีรถยนต์จำนวนมากจะสูงกว่าอุณหภูมิภายนอกเมือง 3-5 °C เสมอ
นักประวัติศาสตร์ ในปี พ.ศ. 2439-2440 วิศวกรชาวเยอรมัน G. Diesel เสนอเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพสูงกว่าเครื่องยนต์รุ่นก่อน ในปี พ.ศ. 2442 เครื่องยนต์ดีเซลได้รับการปรับเปลี่ยนให้ทำงานกับเชื้อเพลิงเหลวหนัก ซึ่งนำไปสู่การใช้อย่างแพร่หลายมากขึ้น
ครู. เครื่องยนต์สันดาปภายในดีเซลและคาร์บูเรเตอร์แตกต่างกันอย่างไร?
ช่างเครื่อง. เครื่องยนต์ดีเซลไม่ได้ด้อยกว่าในการจำหน่ายเครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์ โครงสร้างเกือบจะเหมือนกัน: กระบอกสูบ ลูกสูบ วาล์วไอดีและไอเสีย ก้านสูบ เพลาข้อเหวี่ยง มู่เล่ และไม่มีหัวเทียน
นี่เป็นเพราะความจริงที่ว่าเชื้อเพลิงไม่ได้ติดไฟจากประกายไฟ แต่จากอุณหภูมิสูงที่สร้างขึ้นเหนือลูกสูบเนื่องจากการอัดอากาศอย่างกะทันหัน เชื้อเพลิงถูกฉีดเข้าไปในอากาศร้อนนี้ และเผาไหม้จนกลายเป็นส่วนผสมที่ใช้งานได้ เครื่องยนต์นี้เป็นแบบ chotiritactic แผนภาพการทำงานของมันแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.
งานที่มีประโยชน์ของเครื่องยนต์เท่ากับพื้นที่ของรูปที่ 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 2 เครื่องยนต์ดังกล่าวใช้เชื้อเพลิงประเภทราคาถูกประสิทธิภาพอยู่ที่ประมาณ 40% ข้อเสียเปรียบหลักคือการทำงานขึ้นอยู่กับอุณหภูมิโดยรอบมาก (ที่อุณหภูมิต่ำไม่สามารถทำงานได้)
นักนิเวศวิทยา ความก้าวหน้าที่สำคัญของเครื่องยนต์ดีเซลทำให้เครื่องยนต์เหล่านี้ "สะอาด" มากกว่าเครื่องยนต์เบนซิน ใช้ในรถยนต์นั่งได้สำเร็จแล้ว
ก๊าซไอเสียดีเซลแทบไม่มีคาร์บอนออกไซด์ที่เป็นพิษเลย เนื่องจากน้ำมันดีเซลไม่มีสารตะกั่วเตตระเอทิล นั่นคือเครื่องยนต์ดีเซลก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าเครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์มาก
นักประวัติศาสตร์ เครื่องยนต์ความร้อนถัดไปที่เราจะพิจารณาคือกังหันไอน้ำและก๊าซ เนื่องจากเครื่องจักรดังกล่าวส่วนใหญ่ใช้ในโรงไฟฟ้า (ความร้อนและนิวเคลียร์) เวลาของการแนะนำเทคโนโลยีจึงควรพิจารณาในช่วงครึ่งหลังของทศวรรษที่ 30 ของศตวรรษที่ 20 แม้ว่าโครงการเล็ก ๆ แรกของหน่วยดังกล่าวจะดำเนินการย้อนกลับไปในยุค 80 ของศตวรรษที่ 19 V. M. Makhovsky ควรได้รับการพิจารณาให้เป็นผู้ออกแบบกังหันก๊าซอุตสาหกรรมเครื่องแรก
ในปี พ.ศ. 2426 วิศวกรชาวสวีเดน G. Dach ได้เสนอการออกแบบกังหันไอน้ำแบบขั้นตอนเดียวเป็นครั้งแรก และในปี พ.ศ. 2427-2428 ชาวอังกฤษ C. Parson ออกแบบกังหันหลายใบพัดเครื่องแรก Charles Parson ใช้มันที่โรงไฟฟ้าพลังน้ำในเมือง Elberfeld (เยอรมนี) ในปี 1899
ช่างเครื่อง. การทำงานของกังหันจะขึ้นอยู่กับการหมุนของล้อด้วยใบพัดภายใต้แรงดันไอน้ำหรือก๊าซ ดังนั้นส่วนการทำงานหลักคือโรเตอร์กังหัน - ดิสก์ที่ติดตั้งอยู่บนเพลาโดยมีใบมีดอยู่ตามขอบ ไอน้ำจากหม้อต้มไอน้ำจะถูกส่งตรงโดยช่องพิเศษ (หัวฉีด) ไปยังใบพัดโรเตอร์ ไอน้ำขยายตัวในหัวฉีด ความดันลดลง แต่อัตราการไหลเพิ่มขึ้น เช่น พลังงานภายในของไอน้ำจะถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ของไอพ่น
กังหันไอน้ำมีสองประเภท: กังหันแบบแอคทีฟ, การหมุนของโรเตอร์ที่เกิดขึ้นเนื่องจากการกระแทกของสตรูมินีบนใบพัด, และกังหันปฏิกิริยาซึ่งวางใบพัดไว้เพื่อให้ไอน้ำหลุดออกจากช่องว่าง ระหว่างนั้นจะสร้างแรงขับไอพ่น ข้อดีของกังหันไอน้ำ ได้แก่ ความเร็วสูง กำลังสูง และความหนาแน่นของกำลังสูง ประสิทธิภาพของกังหันไอน้ำถึง 25% สามารถเพิ่มขึ้นได้หากกังหันมีระดับแรงดันหลายระดับ ประกอบด้วยหัวฉีดและใบพัดที่สลับกัน ความเร็วของไอน้ำในกังหันจะลดลงที่ใบมีดทำงาน จากนั้น (หลังจากผ่านหัวฉีด) จะเพิ่มขึ้นอีกครั้งเนื่องจากแรงดันลดลง ดังนั้นจากระดับหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง แรงดันไอน้ำจะลดลงอย่างต่อเนื่อง และจะทำงานซ้ำหลายครั้ง ในกังหันสมัยใหม่จำนวนขั้นตอนถึง 30
ข้อเสียของกังหันคือความเฉื่อย ไม่สามารถควบคุมความเร็วในการหมุนได้ และขาดการเคลื่อนที่ย้อนกลับ
นักนิเวศวิทยา การใช้กังหันไอน้ำในโรงไฟฟ้าจำเป็นต้องจัดสรรพื้นที่ขนาดใหญ่สำหรับบ่อเพื่อระบายความร้อนด้วยไอน้ำเสีย ด้วยกำลังการผลิตไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น ความต้องการน้ำก็เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว นอกจากนี้ ความร้อนจำนวนมากถูกปล่อยออกสู่สิ่งแวดล้อมซึ่งเป็นผลมาจากการระบายความร้อนด้วยไอน้ำ ซึ่งนำไปสู่การกระตุ้นความร้อนและอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นอีกครั้ง โลก.
นักประวัติศาสตร์ เครื่องยนต์ความร้อนรวมถึงเครื่องยนต์ไอพ่น ทฤษฎีของเครื่องยนต์ดังกล่าวได้รับการทำซ้ำในผลงานของ E.K. Tsiolkovsky ซึ่งเขียนเมื่อต้นศตวรรษที่ 20 และการแนะนำของพวกเขาเกี่ยวข้องกับชื่อของนักประดิษฐ์ชาวยูเครนอีกคน - S.P. Korolev โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ภายใต้การนำของเขา เครื่องยนต์ไอพ่นลำแรกที่ใช้กับเครื่องบินได้ถูกสร้างขึ้น (พ.ศ. 2485) และต่อมา (พ.ศ. 2500) ก็มีการปล่อยดาวเทียมอวกาศลำแรกและยานอวกาศบรรจุคนขับลำแรก (พ.ศ. 2504) หลักการทำงานของเครื่องยนต์ไอพ่นคืออะไร?
ช่างเครื่อง. เครื่องยนต์ความร้อนที่ใช้ระบบขับเคลื่อนด้วยไอพ่นและการรั่วไหลของก๊าซเรียกว่าเครื่องยนต์ไอพ่น หลักการทำงานคือเมื่อเชื้อเพลิงถูกเผาไหม้จะกลายเป็นก๊าซซึ่งไหลออกจากหัวฉีดของเครื่องยนต์ด้วยความเร็วสูงบังคับให้เครื่องบินเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม ลองดูเครื่องยนต์ประเภทนี้หลายประเภท
หนึ่งในการออกแบบที่ง่ายที่สุดคือเครื่องยนต์แรมเจ็ท นี่คือท่อที่กระแสที่กำลังไหลเข้ามาบังคับให้อากาศและเชื้อเพลิงเหลวถูกฉีดเข้าไปและติดไฟ ก๊าซร้อนจะลอยออกจากท่อด้วยความเร็วสูงทำให้เกิดแรงผลักดัน ข้อเสียของเครื่องยนต์นี้คือการสร้างแรงขับจะต้องเคลื่อนที่สัมพันธ์กับอากาศ กล่าวคือ ไม่สามารถบินขึ้นเองได้ ความเร็วสูงสุดอยู่ที่ 6,000 - 7,000 กม./ชม.
หากเครื่องยนต์ไอพ่นมีกังหันและคอมเพรสเซอร์ เครื่องยนต์ดังกล่าวเรียกว่าเทอร์โบคอมเพรสเซอร์ ในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์ อากาศจะเข้าสู่คอมเพรสเซอร์ผ่านทางไอดี ซึ่งจะถูกบีบอัดและส่งไปยังห้องเผาไหม้ซึ่งมีการฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง ที่นี่มันถูกจุดไฟ ผลิตภัณฑ์จากการเผาไหม้จะผ่านกังหัน ซึ่งจะหมุนคอมเพรสเซอร์ และไหลออกผ่านหัวฉีด ทำให้เกิดแรงขับของไอพ่น
เครื่องยนต์เหล่านี้แบ่งออกเป็นเทอร์โบเจ็ทและเทอร์โบพร็อป ขึ้นอยู่กับการกระจายกำลัง แบบแรกใช้พลังงานส่วนใหญ่ไปกับแรงขับของเครื่องบินไอพ่น ในขณะที่แบบหลังใช้พลังงานส่วนใหญ่ไปกับการหมุนกังหันก๊าซ
ข้อดีของเครื่องยนต์เหล่านี้คือมีกำลังมากกว่าซึ่งให้ความเร็วสูงที่จำเป็นสำหรับการยกขึ้นสู่อวกาศ ข้อเสียคือมีขนาดใหญ่ ประสิทธิภาพต่ำ และเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อม
นักนิเวศวิทยา เนื่องจากเครื่องยนต์ไอพ่นยังเผาผลาญเชื้อเพลิง พวกมันก็เหมือนกับเครื่องยนต์ความร้อนอื่นๆ ที่สร้างมลภาวะต่อสิ่งแวดล้อมด้วยสารอันตรายที่ปล่อยออกมาระหว่างการเผาไหม้ เหล่านี้ได้แก่ คาร์บอนไดออกไซด์ (CO 2) คาร์บอนมอนอกไซด์ (CO) สารประกอบซัลเฟอร์ ไนโตรเจนออกไซด์ และอื่นๆ หากในระหว่างการทำงานของเครื่องยนต์รถยนต์ มวลของสารเหล่านี้มีจำนวนเป็นกิโลกรัม ตอนนี้จะมีหน่วยเป็นตันและเซนเนอร์ นอกจากนี้การบินในระดับสูงของเครื่องบินการปล่อยจรวดอวกาศและการบินของขีปนาวุธทางทหารส่งผลเสียต่อชั้นโอโซนของชั้นบรรยากาศและทำลายมัน ประมาณว่าการปล่อยกระสวยอวกาศติดต่อกันหนึ่งร้อยครั้งสามารถทำลายชั้นโอโซนป้องกันของชั้นบรรยากาศโลกได้เกือบทั้งหมดอาจารย์ เครื่องยนต์แห่งอนาคตควรเป็นอย่างไร? ช่างเครื่อง. ผู้เชี่ยวชาญส่วนใหญ่เชื่อว่าสิ่งเหล่านี้ควรเป็นเครื่องยนต์ไฮโดรเจน ซึ่งก็คือเครื่องยนต์ที่ไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ส่งผลให้เกิดการก่อตัวของน้ำ การพัฒนาที่ดำเนินการในทิศทางนี้ทำให้มีการออกแบบเครื่องยนต์ที่แตกต่างกันมากมาย ตั้งแต่เครื่องยนต์ที่เติมก๊าซที่เหมาะสมลงในถัง ไปจนถึงเครื่องจักรที่ใช้เชื้อเพลิงเป็นน้ำเชื่อม นอกจากนี้ยังมีการออกแบบที่เชื้อเพลิงเป็นน้ำมัน แอลกอฮอล์ และแม้แต่ของเสียทางชีวภาพ แต่จนถึงขณะนี้ เครื่องยนต์ทั้งหมดเหล่านี้มีอยู่ในรูปแบบของตัวอย่างทดลองเท่านั้น ซึ่งยังห่างไกลจากการนำเข้าสู่การผลิตทางอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตามแม้การพัฒนาเหล่านี้ก็ยังมีความหวังว่าในอนาคตเราจะมีรถยนต์ที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่ารถยนต์สมัยใหม่ และถึงแม้ว่าเรายังไม่ประสบความสำเร็จในการสร้างเครื่องจักรความร้อนที่จะไม่ก่อให้เกิดมลพิษต่อสิ่งแวดล้อมเลย แต่เราจะพยายามเพื่อสิ่งนี้
สาม. การบ้าน
ทำแบบทดสอบการบ้านของคุณ
ตัวเลือกที่ 1
1. แรงดันแก๊สใต้ลูกสูบอยู่ที่ 490 kPa ก๊าซจะทำงานได้มากเพียงใดหากได้รับความร้อนที่ความดันคงที่จนถึงอุณหภูมิสองเท่าของอุณหภูมิเริ่มต้น ปริมาตรก๊าซเริ่มต้นคือ 10 ลิตร
2. ไอน้ำเข้าสู่กังหันที่อุณหภูมิ 500 °C และออกที่อุณหภูมิ 30 °C สมมติว่ากังหันเป็นเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ ให้คำนวณประสิทธิภาพของกังหัน
3.หรืออากาศในห้องจะเย็นลงถ้าเปิดประตูตู้เย็นแบบเสียบปลั๊กทิ้งไว้?
ตัวเลือกที่ 2
1. พลังงานภายในของฮีเลียม 200 กรัมเปลี่ยนแปลงไปเท่าใดเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น 20 เคลวิน
2. อุณหภูมิของเครื่องทำความร้อนในอุดมคติคือ 117 °C และอุณหภูมิตู้เย็นคือ 27 °C ปริมาณความร้อนที่เครื่องได้รับจากฮีตเตอร์ใน 1 วินาทีคือ 60 kJ คำนวณประสิทธิภาพของเครื่อง ปริมาณความร้อนที่ตู้เย็นใช้ใน 1 วินาที และกำลังไฟของเครื่อง
3. เมื่อใดประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนจะสูงขึ้น: ในสภาพอากาศหนาวเย็นหรือร้อน?
ภาคผนวก 1
เครื่องจักรไอน้ำโดย I. Polzunov
James Watt ปรับปรุงปั๊มไอน้ำของ Newcomen เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ เครื่องยนต์ไอน้ำของเขาซึ่งผลิตในปี พ.ศ. 2318 ใช้งานในโรงงานหลายแห่งในบริเตนใหญ่
รายละเอียดเครื่องยนต์บางส่วน |
เครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์ |
เครื่องยนต์ดีเซล |
ของเหลวทำงาน |
ผลิตภัณฑ์การเผาไหม้ของน้ำมันเบนซิน |
ผลิตภัณฑ์การเผาไหม้เชื้อเพลิงดีเซล |
น้ำมันดีเซล |
||
แรงดันกระบอกสูบ |
1.5 106-3.5 106 ป่า |
|
อุณหภูมิอากาศอัด |
||
อุณหภูมิของผลิตภัณฑ์ที่เผาไหม้ |
||
20-25% (มากถึง 35%) |
30-38% (มากถึง 45%) |
|
การใช้งาน |
ในยานพาหนะเคลื่อนที่ขนาดเล็กที่ใช้พลังงานค่อนข้างต่ำ (รถยนต์โดยสาร รถจักรยานยนต์ ฯลฯ) |
ในรถบรรทุกกำลังสูง รถแทรกเตอร์ รถขนย้ายหัวรถจักร หัวรถจักรดีเซล ในการติดตั้งโรงไฟฟ้าพลังความร้อนแบบอยู่กับที่ |
ประวัติความเป็นมาของการทรงสร้าง |
ได้รับการจดสิทธิบัตรครั้งแรกในปี พ.ศ. 2403 โดยชาวฝรั่งเศส เลอนัวร์; ในปี พ.ศ. 2421 มีการสร้างเครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพ = 2% (นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน Otto และวิศวกร Langen) |
สร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2436 โดยวิศวกรชาวเยอรมัน R. Diesel |
ภาคผนวก 3
แผนภาพการออกแบบเครื่องยนต์ไอพ่น
คำอธิบายการนำเสนอเป็นรายสไลด์:
1 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
เครื่องยนต์ร้อน ประสิทธิภาพ เครื่องยนต์ความร้อน บทบาทของเครื่องยนต์ความร้อนต่อเศรษฐกิจของประเทศ
2 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
เครื่องยนต์ความร้อนเป็นอุปกรณ์ที่พลังงานภายในถูกแปลงเป็นพลังงานกล ตัวอย่างของเครื่องยนต์ความร้อน: เครื่องยนต์สันดาปภายใน (ICE) ก) เครื่องยนต์คาร์บูเรเตอร์ ข) เครื่องยนต์ดีเซล ค) เครื่องยนต์ไอพ่น กังหันไอน้ำและก๊าซ เครื่องยนต์ความร้อนคืออะไร?
3 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
ใครเป็นผู้คิดค้นเครื่องยนต์ความร้อนเครื่องแรกและเมื่อใด Devi Papin เป็นนักฟิสิกส์ชาวอังกฤษ หนึ่งในผู้ประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำ 1680 – ประดิษฐ์หม้อต้มไอน้ำในปี พ.ศ. 2224 – ติดตั้งวาล์วนิรภัย 1690. – เขาเป็นคนแรกที่ใช้ไอน้ำเพื่อยกลูกสูบและอธิบายวัฏจักรทางอุณหพลศาสตร์แบบปิดของเครื่องจักรไอน้ำ 1707 – ระบุคำอธิบายเครื่องยนต์ของคุณ
4 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
ใครเป็นคนสร้างมันและเมื่อไหร่? ปลายศตวรรษที่ 18 - มีการสร้างเครื่องจักรไอน้ำเครื่องแรก พ.ศ. 2317 (ค.ศ. 1774) – เจมส์ วัตต์ นักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ ได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำสากลเครื่องแรก ตั้งแต่ปี พ.ศ. 2318 ถึง พ.ศ. 2328 บริษัทของวัตต์ได้สร้างเครื่องยนต์ไอน้ำจำนวน 56 เครื่อง ตั้งแต่ ค.ศ. 1785 ถึง 1795 – บริษัทเดียวกันนี้ได้จัดหาเครื่องจักรดังกล่าวไปแล้ว 144 เครื่อง
5 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
รถจักรไอน้ำคันแรก พ.ศ. 2313 Jean Cugnot - วิศวกรชาวฝรั่งเศส ได้สร้างรถเข็นขับเคลื่อนด้วยตัวเองคันแรกที่ออกแบบมาเพื่อเคลื่อนย้ายชิ้นส่วนปืนใหญ่
6 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
“ น้องชาย” - รถจักรไอน้ำ 2346 – Richard Trevithick นักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ ออกแบบรถจักรไอน้ำคันแรก หลังจากผ่านไป 5 ปี Trevithick ได้สร้างหัวรถจักรใหม่ สามารถเร่งความเร็วได้ถึง 30 กม./ชม. ในปี พ.ศ. 2359 – เมื่อไม่ได้รับการสนับสนุน Trevithick ก็ยากจนและเดินทางไปอเมริกาใต้
7 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
บทบาทชี้ขาด พ.ศ. 2324-2391 – นักออกแบบและนักประดิษฐ์ชาวอังกฤษ George Stephenson 1814 – เริ่มสร้างรถจักรไอน้ำ 1823 – ก่อตั้งโรงงานรถจักรไอน้ำแห่งแรกของโลกในปี พ.ศ. 2372 – ในการแข่งขันตู้รถไฟที่ดีที่สุด รถจักรไอน้ำ "Rocket" ของ Stephenson เกิดขึ้นเป็นที่หนึ่ง กำลังของมันคือ 13 แรงม้า และความเร็วของมันคือ 47 กม./ชม.
8 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
เครื่องยนต์สันดาปภายใน พ.ศ. 2403 – ช่างเครื่องชาวฝรั่งเศส เลอนัวร์ คิดค้นเครื่องยนต์สันดาปภายในในปี พ.ศ. 2421 – นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน Otto ออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในสี่จังหวะ พ.ศ. 2368 – นักประดิษฐ์ชาวเยอรมัน เดมเลอร์ ได้สร้างเครื่องยนต์สันดาปภายในแบบใช้น้ำมันเบนซิน ในช่วงเวลาเดียวกัน เครื่องยนต์เบนซินได้รับการพัฒนาโดย Kostovich ในรัสเซีย
สไลด์ 9
คำอธิบายสไลด์:
เครื่องยนต์ดีเซล พ.ศ. 2439 – วิศวกรชาวเยอรมัน รูดอล์ฟ ดีเซล ออกแบบเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งไม่ใช่ส่วนผสมที่ติดไฟได้ที่ถูกอัด แต่เป็นอากาศ เหล่านี้เป็นเครื่องยนต์ความร้อนที่ประหยัดที่สุด 1) ใช้งานกับเชื้อเพลิงประเภทราคาถูก 2) มีประสิทธิภาพ 31-44% 29 กันยายน 2456 ฉันลงเรือมุ่งหน้าสู่ลอนดอน เช้าวันรุ่งขึ้นไม่พบเขาในกระท่อม เชื่อกันว่าเขาฆ่าตัวตายด้วยการกระโดดลงน่านน้ำของช่องแคบอังกฤษในเวลากลางคืน
10 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
เครื่องยนต์ความร้อนสามารถออกแบบได้หลายวิธี แต่ในเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ จะต้องมีสารทำงาน หรือร่างกายที่ทำงานทางกลในส่วนการทำงานของเครื่องจักร เครื่องทำความร้อน ซึ่งสารทำงานได้รับพลังงาน และตู้เย็นที่รับพลังงาน ระบายความร้อนออกจากของไหลทำงาน สารที่ใช้งานอาจเป็นไอน้ำหรือก๊าซ
11 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
12 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน (เครื่องจักร) ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน (ประสิทธิภาพ) คืออัตราส่วนของงานที่เครื่องยนต์ทำต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อน: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนใด ๆ น้อยกว่าหนึ่งและแสดงออกมา เป็นเปอร์เซ็นต์ ความเป็นไปไม่ได้ที่จะแปลงปริมาณความร้อนทั้งหมดที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนไปเป็นงานเครื่องกลคือราคาที่ต้องจ่ายสำหรับความจำเป็นในการจัดระเบียบกระบวนการแบบวงกลมและตามมาจากกฎข้อที่สองของอุณหพลศาสตร์ มันคืออะไร?
สไลด์ 13
คำอธิบายสไลด์:
วงจรการ์โนต์ ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนในอุดมคติ ประสิทธิภาพสูงสุดที่อุณหภูมิที่กำหนดของเครื่องทำความร้อน โรงละครและตู้เย็น Tcol มีเครื่องยนต์ความร้อนที่ของไหลทำงานขยายตัวและหดตัวตามวัฏจักรคาร์โนต์ กราฟประกอบด้วยสองไอโซเทอร์ม (2–3 และ 4 –1) และอะเดียบัตสองตัว (3–4 และ 1–2)
14 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
ในเครื่องยนต์ที่ใช้ความร้อนจริง ประสิทธิภาพถูกกำหนดโดยกำลังทางกลทดลอง N ของเครื่องยนต์และปริมาณเชื้อเพลิงที่เผาผลาญต่อหน่วยเวลา ดังนั้น หากในช่วงเวลา t เชื้อเพลิงที่มีมวล m และความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้ q ถูกเผา ดังนั้นสำหรับรถยนต์ คุณลักษณะอ้างอิงมักจะเป็นปริมาตร V ของเชื้อเพลิงที่ถูกเผาตามเส้นทาง s ที่กำลังเครื่องยนต์กล N และที่ความเร็ว ในกรณีนี้ เมื่อคำนึงถึงความหนาแน่น r ของเชื้อเพลิง เราสามารถเขียนสูตรในการคำนวณประสิทธิภาพได้:
15 สไลด์
สไลด์ 17
คำอธิบายสไลด์:
ปรากฏการณ์เรือนกระจกคือการเพิ่มขึ้นของความเข้มข้นของคาร์บอนไดออกไซด์ (ผลจากการเผาไหม้ในเครื่องทำความร้อนของเครื่องยนต์ความร้อน) ในชั้นบรรยากาศ คาร์บอนไดออกไซด์ช่วยให้รังสีอัลตราไวโอเลตและรังสีอัลตราไวโอเลตที่มองเห็นจากดวงอาทิตย์ผ่านไปได้ แต่จะดูดซับรังสีอินฟราเรดจากโลกสู่อวกาศ สิ่งนี้นำไปสู่การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิชั้นล่างของบรรยากาศ ลมพายุเฮอริเคนที่เพิ่มขึ้น และการละลายของน้ำแข็งทั่วโลก ผลกระทบโดยตรงของก๊าซไอเสียที่เป็นพิษต่อสัตว์ป่า (สารก่อมะเร็ง หมอกควัน ฝนกรดจากผลพลอยได้จากการเผาไหม้) การทำลายชั้นโอโซนระหว่างการบินและการปล่อยจรวด โอโซนในบรรยากาศชั้นบนช่วยปกป้องทุกชีวิตบนโลกจากรังสีอัลตราไวโอเลตส่วนเกินจากดวงอาทิตย์ ผลที่ตามมาจากสิ่งแวดล้อมของเครื่องยนต์ความร้อน
18 สไลด์
คำอธิบายสไลด์:
บุคคลหนึ่งกำลังวางแผนที่จะซื้อรถยนต์เป็นระยะเวลาสามปี แต่ไม่สามารถตัดสินใจได้ว่าจะซื้อรถยนต์ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซลซึ่งมีราคา 23,000 ดอลลาร์ หรือรถยนต์ที่มีเครื่องยนต์เบนซินซึ่งมีราคา 20,000 ดอลลาร์ กำลังของรถยนต์เท่าเดิมและเท่ากับ 100 กิโลวัตต์ ตลอดหนึ่งปีเขาวางแผนที่จะขับรถประมาณ 10,000 กิโลเมตร ความเร็วเฉลี่ย 72 กม./ชม. ตัวเลือกการซื้อใดที่จะทำกำไรได้มากกว่า? ราคาต่อลิตร: น้ำมันดีเซล 15 รูเบิล, น้ำมันเบนซิน 18 รูเบิล ความหนาแน่นของน้ำมันเบนซิน 710 กก./ลบ.ม. ดีเซล อัตราสิ้นเปลืองเชื้อเพลิง 820 กก./ลบ.ม. ความร้อนจำเพาะของการเผาไหม้คือ 156*10^6 J/kg ตามลำดับ 127*10^6 เจ/กก.
ปัจจุบันเป็นไปไม่ได้ที่จะตั้งชื่อกิจกรรมการผลิตของมนุษย์เพียงส่วนเดียวซึ่งไม่ได้ใช้การติดตั้งระบบระบายความร้อน เทคโนโลยีอวกาศ โลหะวิทยา การสร้างเครื่องมือกล การขนส่ง พลังงาน เกษตรกรรม อุตสาหกรรมเคมี การผลิตอาหาร นี่ไม่ใช่รายชื่อภาคส่วนต่างๆ ของเศรษฐกิจของประเทศทั้งหมดที่ต้องแก้ไขปัญหาทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิคที่เกี่ยวข้องกับการติดตั้งความร้อน
ในเครื่องยนต์ความร้อนและการติดตั้งระบบระบายความร้อน ความร้อนจะถูกแปลงเป็นงานหรืองานเป็นความร้อน
กังหันไอน้ำเป็นเครื่องจักรความร้อนซึ่งพลังงานศักย์ของไอน้ำถูกแปลงเป็นพลังงานจลน์ และพลังงานจลน์เป็นพลังงานกลของการหมุนของโรเตอร์ โรเตอร์กังหันเชื่อมต่อโดยตรงกับเพลาของเครื่องทำงานซึ่งอาจเป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้า ใบพัด ฯลฯ
การใช้เครื่องยนต์ความร้อนในการขนส่งทางรถไฟมีขนาดใหญ่เป็นพิเศษเพราะว่า ด้วยการถือกำเนิดของตู้รถไฟดีเซลบนทางรถไฟ การขนส่งสินค้าจำนวนมากและผู้โดยสารในทุกทิศทางจึงได้รับการอำนวยความสะดวก ตู้รถไฟดีเซลปรากฏบนรถไฟโซเวียตเมื่อกว่าครึ่งศตวรรษที่แล้วตามความคิดริเริ่มของ V.I. เลนิน. เครื่องยนต์ดีเซลขับเคลื่อนหัวรถจักรดีเซลโดยตรงและด้วยความช่วยเหลือของระบบส่งกำลังไฟฟ้า เครื่องกำเนิดกระแสไฟฟ้า และมอเตอร์ไฟฟ้า บนเพลาเดียวกันกับหัวรถจักรดีเซลแต่ละคันจะมีเครื่องกำเนิดไฟฟ้ากระแสตรง กระแสไฟฟ้าที่สร้างโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเข้าสู่มอเตอร์ฉุดที่อยู่บนเพลาของหัวรถจักรดีเซล หัวรถจักรดีเซลมีความซับซ้อนมากกว่าหัวรถจักรไฟฟ้าและมีราคาสูงกว่า แต่ไม่จำเป็นต้องมีเครือข่ายการติดต่อหรือสถานีย่อยแบบฉุดลาก หัวรถจักรดีเซลสามารถใช้งานได้ทุกที่ที่มีรางรถไฟ และนี่คือข้อได้เปรียบอย่างมาก ดีเซลเป็นเครื่องยนต์ที่ประหยัดเชื้อเพลิงสำรองของหัวรถจักรดีเซลก็เพียงพอสำหรับการเดินทางระยะไกล ในการขนส่งสินค้าขนาดใหญ่และหนัก รถบรรทุกหนักถูกสร้างขึ้น โดยแทนที่เครื่องยนต์เบนซินด้วยเครื่องยนต์ดีเซลที่ทรงพลังกว่า เครื่องยนต์แบบเดียวกันนี้ทำงานบนรถแทรกเตอร์ รถผสม และเรือ การใช้เครื่องยนต์เหล่านี้ช่วยอำนวยความสะดวกในการทำงานของมนุษย์อย่างมาก ในปี พ.ศ. 2440 อาร์. ดีเซล วิศวกรชาวเยอรมันได้เสนอเครื่องยนต์จุดระเบิดด้วยการอัดที่สามารถทำงานได้ไม่เพียงแต่กับน้ำมันเบนซินเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเชื้อเพลิงอื่นๆ ด้วย เช่น น้ำมันก๊าด น้ำมัน เครื่องยนต์เรียกอีกอย่างว่าดีเซล
ประวัติศาสตร์ของเครื่องยนต์ความร้อนย้อนกลับไปไกลมาก เมื่อกว่าสองพันปีก่อน ในศตวรรษที่ 3 ก่อนคริสต์ศักราช ในยุคนั้น ช่างกลและนักคณิตศาสตร์ชาวกรีกผู้ยิ่งใหญ่ อาร์คิมิดีส ได้สร้างปืนใหญ่ที่ยิงด้วยไอน้ำ
ปัจจุบันมีเครื่องยนต์ความร้อนหลายร้อยล้านเครื่องในโลก ตัวอย่างเช่น มีการติดตั้งเครื่องยนต์สันดาปภายในในรถยนต์ เรือ รถแทรกเตอร์ เรือยนต์ ฯลฯ การสังเกตว่าการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิของร่างกายนั้นมาพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงของปริมาตรอยู่ตลอดเวลาอย่างไรก็ตาม การพิจารณาของสัมบูรณ์ มูลค่าของอัตราส่วนของการเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เป็นของยุคปัจจุบันเท่านั้น ก่อนที่จะมีการประดิษฐ์เทอร์โมมิเตอร์ แน่นอนว่าไม่สามารถนึกถึงคำจำกัดความดังกล่าวได้ แต่ด้วยการพัฒนาเทอร์โมมิเตอร์ การศึกษาการเชื่อมต่อนี้อย่างถูกต้องจึงจำเป็นอย่างยิ่ง ยิ่งไปกว่านั้น ในช่วงปลายศตวรรษที่ 18 ที่ผ่านมาและต้นศตวรรษที่ 19 ในปัจจุบัน ปรากฏการณ์ต่างๆ มากมายได้สะสมจนทำให้เกิดการตรวจวัดการขยายตัวของร่างกายจากความร้อนอย่างระมัดระวัง สิ่งเหล่านี้ได้แก่: ความจำเป็นในการแก้ไขการอ่านค่าความกดอากาศเมื่อกำหนดระดับความสูง การพิจารณาการหักเหของแสง คำถามเกี่ยวกับความยืดหยุ่นของก๊าซและไอระเหย การใช้โลหะที่ค่อยๆ เพิ่มขึ้นสำหรับเครื่องมือทางวิทยาศาสตร์และวัตถุประสงค์ทางเทคนิค เป็นต้น
ก่อนอื่นเลย โดยธรรมชาติแล้ว ฉันหันไปหาคำจำกัดความของการขยายตัวของอากาศ ซึ่งมีขนาดที่โดดเด่นที่สุดและดูเหมือนวัดได้ง่ายที่สุด ในไม่ช้านักฟิสิกส์หลายคนก็ได้รับผลลัพธ์จำนวนมาก แต่บางคนก็ค่อนข้างขัดแย้งกัน เพื่อควบคุมเทอร์โมมิเตอร์ปกติของ Amonton เขาจึงวัดการขยายตัวของอากาศเมื่อได้รับความร้อนจาก 0° ถึง 80° R และกำหนดได้อย่างแม่นยำว่าเป็น 0.380 ของปริมาตรที่ 0° ในทางกลับกัน Nuge ในปี 1705 โดยใช้อุปกรณ์ที่ดัดแปลงเล็กน้อย ครั้งหนึ่งได้ตัวเลขใหญ่ขึ้นสองเท่า และอีกครั้งก็ใหญ่กว่าถึง 16 เท่า La Hire (1708) ได้รับ 1.5 และ 3.5 แทนหมายเลข Amonton Goakesby (1709) พบหมายเลข 0.455; คริวคิอุส (1720) -- 0.411; บันทึก -- 0.333; บอนน์ -- 0.462; มูเชนเบร็ค -- 0.500; แลมเบิร์ต (“ Pyrometrie”, หน้า 47) - 0.375; เดลุค -- 0.372; I. T. Meyer - 0.3755 และ 0.3656; โซซูร์ -- 0.339; Vandermonde, Berthollet และ Monge ได้รับ (1786) - 0.4328 พรีสต์ลีย์ซึ่งได้รับจำนวน 0.9375 ซึ่งเบี่ยงเบนไปจากจำนวนที่แท้จริงสำหรับการขยายตัวของอากาศอย่างมีนัยสำคัญ แย้งว่ายิ่งกว่านั้น ออกซิเจน ไนโตรเจน ไฮโดรเจน กรดคาร์บอนิก ไอระเหยของไนตริก ไฮโดรคลอริก ซัลฟิวริก กรดไฮโดรฟลูออริก และแอมโมเนีย - พวกมันต่างกันทั้งหมด ในการขยายตัวจากอากาศ G. G. Schmidt (“Green’s Neues Journ.”, IV, p. 379) ได้รับจากการขยายตัวของอากาศหมายเลข 0.3574, สำหรับออกซิเจน 0.3213 และสุดท้ายสำหรับไฮโดรเจน, กรดคาร์บอนิก และไนโตรเจน 0.4400, 0 .4352, 0.4787 ดูเวอร์นอยเข้าข้างความคิดเห็นของพรีสต์ลีย์ แต่โดยทั่วไปพบว่าการขยายตัวของก๊าซไม่ได้เป็นสัดส่วนกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิโดยสิ้นเชิง
วัสดุทางทฤษฎี
ตั้งแต่สมัยโบราณ มนุษย์ต้องการเป็นอิสระจากความพยายามทางกายภาพหรือเพื่อบรรเทาความลำบากในการเคลื่อนย้ายบางสิ่ง เพื่อให้มีความแข็งแกร่งและความเร็วมากขึ้น
ตำนานถูกสร้างขึ้นเกี่ยวกับพรมเครื่องบิน รองเท้าบู๊ตเจ็ดลีก และพ่อมดที่อุ้มบุคคลไปยังดินแดนอันห่างไกลด้วยคลื่นแห่งไม้กายสิทธิ์ เมื่อบรรทุกของหนัก ผู้คนคิดค้นรถเข็นขึ้นมาเพราะว่าม้วนได้ง่ายกว่า จากนั้นพวกเขาก็ดัดแปลงสัตว์ต่างๆ เช่น วัว กวาง สุนัข และม้าเกือบทั้งหมด นี่คือลักษณะของเกวียนและรถม้า ในรถม้า ผู้คนแสวงหาความสะดวกสบายและพัฒนาพวกเขามากขึ้นเรื่อยๆ
ความปรารถนาของผู้คนในการเพิ่มความเร็วยังเร่งให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเหตุการณ์ในประวัติศาสตร์การพัฒนาระบบขนส่งอีกด้วย จากภาษากรีก "รถยนต์" - "ตัวเอง" และภาษาละติน "mobilis" - "มือถือ" คำคุณศัพท์ "ตัวขับเคลื่อน" หรือ "รถยนต์" อย่างแท้จริงถูกสร้างขึ้นในภาษายุโรป
มันนำไปใช้กับนาฬิกาตุ๊กตาอัตโนมัติกับกลไกทุกประเภทโดยทั่วไปกับทุกสิ่งที่ทำหน้าที่เป็นส่วนเสริมของ "ความต่อเนื่อง" "การปรับปรุง" ของบุคคล ในศตวรรษที่ 18 พวกเขาพยายามแทนที่กำลังคนด้วยพลังไอน้ำ และใช้คำว่า "รถยนต์" กับเกวียนไร้ร่องรอย
เหตุใดอายุของรถยนต์จึงเริ่มต้นจาก “รถยนต์เบนซิน” รุ่นแรกที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในซึ่งคิดค้นและผลิตขึ้นในปี พ.ศ. 2428-2429 ราวกับลืมทีมงานไอน้ำและแบตเตอรี่ (ไฟฟ้า) ไปได้เลย ความจริงก็คือเครื่องยนต์สันดาปภายในทำให้เกิดการปฏิวัติเทคโนโลยีการขนส่งอย่างแท้จริง เป็นเวลานานที่มันกลายเป็นสิ่งที่สอดคล้องกับแนวคิดเรื่องรถยนต์มากที่สุดและจึงรักษาตำแหน่งที่โดดเด่นมาเป็นเวลานาน ปัจจุบันส่วนแบ่งของยานพาหนะที่มีเครื่องยนต์สันดาปภายในคิดเป็นสัดส่วนมากกว่า 99.9% ของการขนส่งทางถนนทั่วโลก<Приложение 1>
ชิ้นส่วนหลักของเครื่องยนต์ความร้อน
ในเทคโนโลยีสมัยใหม่ พลังงานกลได้มาจากพลังงานภายในของเชื้อเพลิงเป็นหลัก อุปกรณ์ที่พลังงานภายในถูกแปลงเป็นพลังงานกลเรียกว่าเครื่องยนต์ความร้อน ในการทำงานโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงในอุปกรณ์ที่เรียกว่าฮีตเตอร์ คุณสามารถใช้กระบอกสูบที่ให้ความร้อนและขยายแก๊สแล้วเคลื่อนลูกสูบได้<Приложение 3>ก๊าซที่การขยายตัวทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่เรียกว่าสารทำงาน ก๊าซขยายตัวเนื่องจากความดันสูงกว่าความดันภายนอก แต่เมื่อก๊าซขยายตัว ความดันของมันจะลดลง และไม่ช้าก็เร็วมันก็จะเท่ากับแรงดันภายนอก จากนั้นการขยายตัวของแก๊สก็จะสิ้นสุดลงและจะหยุดทำงาน
ควรทำอย่างไรเพื่อให้การทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนไม่หยุด? เพื่อให้เครื่องยนต์ทำงานอย่างต่อเนื่อง หลังจากขยายแก๊สแล้ว ลูกสูบจะกลับสู่ตำแหน่งเดิมทุกครั้ง โดยลูกสูบจะบีบอัดแก๊สให้กลับสู่สภาพเดิม การบีบอัดก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้ภายใต้อิทธิพลของแรงภายนอกเท่านั้น ซึ่งในกรณีนี้จะทำงานได้ (แรงดันแก๊สในกรณีนี้จะทำงานเชิงลบ) หลังจากนี้ กระบวนการขยายและอัดก๊าซสามารถเกิดขึ้นได้อีกครั้ง ซึ่งหมายความว่าการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนจะต้องประกอบด้วยกระบวนการ (รอบ) ของการขยายและการบีบอัดซ้ำเป็นระยะๆ
ภาพที่ 1
รูปที่ 1 แสดงให้เห็นกระบวนการขยายก๊าซ (เส้น AB) และการบีบอัดจนถึงปริมาตรดั้งเดิม (เส้น CD) เป็นภาพกราฟิก งานที่ทำโดยแก๊สในระหว่างกระบวนการขยายตัวจะเป็นค่าบวก (AF > 0) และมีค่าเท่ากับตัวเลขเท่ากับพื้นที่ของรูป ABEF การทำงานของแก๊สระหว่างการบีบอัดเป็นลบ (เนื่องจาก AF< 0) и численно равна площади фигуры CDEF. Полезная работа за этот цикл численно равна разности площадей под кривыми АВ и CD (закрашена на рисунке).
การมีเครื่องทำความร้อน สารทำงาน และตู้เย็นเป็นเงื่อนไขที่จำเป็นขั้นพื้นฐานสำหรับการทำงานของเครื่องยนต์ความร้อนแบบวนรอบอย่างต่อเนื่อง
ประสิทธิภาพความร้อนของเครื่องยนต์
สารทำงานที่ได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q1 จากเครื่องทำความร้อน จะส่งความร้อนส่วนหนึ่งของปริมาณนี้ซึ่งมีหน่วยเป็นโมดูลัส |Q2| ให้กับตู้เย็น ดังนั้นงานที่ทำจะต้องไม่มากกว่า A = Q1 -- |Q2| อัตราส่วนของงานนี้ต่อปริมาณความร้อนที่ได้รับจากก๊าซที่ขยายตัวจากเครื่องทำความร้อนเรียกว่าประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อน:
ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ความร้อนที่ทำงานในวงจรปิดจะน้อยกว่าหนึ่งเสมอ หน้าที่ของวิศวกรรมพลังงานความร้อนคือการทำให้ประสิทธิภาพสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ กล่าวคือ ใช้ความร้อนที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ในการผลิตงาน สิ่งนี้จะเกิดขึ้นได้อย่างไร?
เป็นครั้งแรกที่ S. Carnot นักฟิสิกส์และวิศวกรชาวฝรั่งเศสเสนอกระบวนการไซคลิกที่สมบูรณ์แบบที่สุด ซึ่งประกอบด้วยไอโซเทอร์มและอะเดียบัตในปี 1824
วงจรการ์โนต์
สมมติว่าก๊าซอยู่ในกระบอกสูบ ผนังและลูกสูบทำจากวัสดุฉนวนความร้อน และด้านล่างทำจากวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูง ปริมาตรที่ก๊าซครอบครองเท่ากับ V1
รูปที่ 2
ให้เรานำกระบอกไปสัมผัสกับเครื่องทำความร้อน (รูปที่ 2) และปล่อยให้ก๊าซขยายตัวแบบไอโซเทอร์มอลและทำงานได้ ก๊าซได้รับความร้อนจำนวนหนึ่ง Q1 จากเครื่องทำความร้อน กระบวนการนี้แสดงเป็นกราฟิกด้วยไอโซเทอร์ม (เส้นโค้ง AB)
รูปที่ 3
เมื่อปริมาตรก๊าซเท่ากับค่าที่กำหนด V1"< V2, дно цилиндра изолируют от нагревателя, после этого газ расширяется адиабатно до объема V2, соответствующего максимально возможному ходу поршня в цилиндре (адиабата ВС). При этом газ охлаждается до температуры T2 < T1.
ก๊าซเย็นสามารถถูกอัดด้วยความร้อนที่อุณหภูมิ T2 ได้แล้ว ในการทำเช่นนี้จะต้องสัมผัสกับร่างกายที่มีอุณหภูมิ T2 เท่ากันนั่นคือกับตู้เย็นและจะต้องบีบอัดก๊าซด้วยแรงภายนอก อย่างไรก็ตาม ในกระบวนการนี้ ก๊าซจะไม่กลับสู่สถานะเดิม เนื่องจากอุณหภูมิจะต่ำกว่า T1 เสมอ
ดังนั้นการบีบอัดไอโซเทอร์มอลจึงถูกนำไปสู่ปริมาตรระดับกลาง V2">V1 (ไอโซเทอร์มซีดี) ในกรณีนี้ ก๊าซจะให้ความร้อนจำนวนหนึ่ง Q2 แก่ตู้เย็น ซึ่งเท่ากับการทำงานของการบีบอัดที่เกิดขึ้น หลังจากนี้ ก๊าซถูกอัดแบบอะเดียแบติกจนได้ปริมาตร V1 ในขณะที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง T1 (อะเดียแบติก DA) ตอนนี้ก๊าซกลับคืนสู่สถานะเดิม โดยปริมาตรคือ V1 อุณหภูมิคือ T1 ความดันเป็น p1 และวัฏจักรสามารถเป็นได้ ซ้ำอีกครั้ง
ดังนั้น ในส่วน ABC แก๊สจะทำงาน (A > 0) และในส่วน CDA แก๊สจะทำงาน (A > 0)< 0). На участках ВС и AD работа совершается только за счет изменения внутренней энергии газа. Поскольку изменение внутренней энергии UBC = -UDA, то и работы при адиабатных процессах равны: АВС = -АDA. Следовательно, полная работа, совершаемая за цикл, определяется разностью работ, совершаемых при изотермических процессах (участки АВ и CD). Численно эта работа равна площади фигуры, ограниченной кривой цикла ABCD.
ปริมาณความร้อน QT ที่ได้รับจากเครื่องทำความร้อนเพียงบางส่วนเท่านั้น ซึ่งเท่ากับ QT1- |QT2| จะถูกแปลงเป็นงานที่มีประโยชน์จริงๆ ดังนั้น ในวงจรคาร์โนต์ งานที่มีประโยชน์คือ A = QT1 - |QT2|