Как тепло заставляет двигаться

Spectrum · 15 · ПОЛНОЕ ЧТЕНИЕ

01. От тепла к движению

Топливо само по себе не вращает колёса. При его сгорании выделяется энергия: газ нагревается, его давление возрастает. Газ давит на поршень или передаёт энергию лопаткам турбины. Механизм приводит в движение вал, а вал — колёса, насос или генератор. В этом уроке мы проследим эту цепочку и разберём два устройства: четырёхтактный бензиновый двигатель и паровую турбину. Предполагается, что ты уже знаком с внутренней энергией, работой и превращением воды в пар.

02. Когда газ совершает работу

В цилиндре под подвижным поршнем находится газ. Его молекулы непрерывно сталкиваются со стенками и поршнем: так возникает давление. Если сила со стороны газа преодолевает сопротивление, поршень перемещается, а объём газа увеличивается. Газ совершает механическую работу. При расширении часть его внутренней энергии может перейти в энергию движения поршня и поднятого груза. Если газу не подводят теплоту, его внутренняя энергия при такой работе уменьшается. Нагрев и расширение — разные процессы: газ может расширяться и одновременно получать теплоту.

03. Что показывает опыт с грузом

Интерактив показывает один подъём груза. Мы задаём массу и высоту, принимаем g = 10 Н/кг и пренебрегаем массой поршня, трением и изменением скорости груза. Тогда работа газа против веса груза A = mgh. Например, при m = 2 кг и h = 0,10 м получаем A = 2 · 10 · 0,10 = 2 Дж. Это полезная работа подъёма. Она не равна всей работе газа: в реальном устройстве газ также может преодолевать давление воздуха и трение. Температуру и давление газа по этой модели определить нельзя — нужны дополнительные данные.

04. Один ход ещё не двигатель

Поршень дошёл до края цилиндра. Он не может продолжать двигаться в том же направлении бесконечно. Чтобы устройство работало снова, поршень нужно вернуть, а условия в цилиндре — подготовить к следующему расширению. Последовательность повторяющихся процессов называют рабочим циклом. Возврат требует энергии и правильного управления газом. Поэтому одного нагревания закрытого цилиндра недостаточно для непрерывной работы двигателя. Наша схема подъёма иллюстрирует один рабочий ход, а не самостоятельно работающую паровую машину.

05. Что называют тепловым двигателем

Тепловой двигатель превращает часть энергии, полученной при нагревании рабочего тела, в механическую работу. Рабочее тело — газ или пар, который непосредственно давит на движущиеся детали. В двигателе внутреннего сгорания это смесь газов в цилиндре; в паровой машине или паровой турбине — водяной пар. Энергия может поступать от сгорания топлива, но у паровой турбины источник нагрева бывает и другим: например, тепло ядерного реактора или недр Земли. Для непрерывной работы нужны повторение процессов или постоянный поток рабочего тела.

06. Детали бензинового двигателя

В цилиндре движется поршень. Верхний конец шатуна соединён с поршнем через поршневой палец. Нижний конец охватывает шейку кривошипа, смещённую относительно оси коленчатого вала. Благодаря этому движение поршня вверх-вниз связано с вращением вала. Если прикрепить шатун прямо к оси вращения, такой механизм не сможет работать. Впускной клапан пропускает свежую смесь воздуха и топлива, выпускной выводит отработавшие газы. Свеча зажигания создаёт искру. Маховик запасает энергию вращения и помогает механизму пройти участки цикла между рабочими ходами. В реальном двигателе есть охлаждение, смазка и механизм управления клапанами. В схеме показаны главные связи деталей; управление клапанами упрощено.

07. Первый такт: впуск

Поршень движется вниз. Впускной клапан открыт, выпускной закрыт. В цилиндр поступает смесь воздуха и бензина. Она ещё не горит. Движение поршня обеспечивается вращением вала, запасённой энергией маховика и, в многоцилиндровом двигателе, работой других цилиндров. В учебной схеме смесь подаётся через впускной канал. У современных двигателей способ впрыска может отличаться, поэтому схему нельзя считать устройством всех бензиновых моторов.

08. Второй такт: сжатие

Поршень движется вверх, оба клапана закрыты. Объём смеси уменьшается, её давление и температура повышаются: над газом совершается работа. Вблизи конца сжатия свеча даёт искру. После зажигания начинается быстрое горение. В реальном двигателе момент искры подбирают по условиям работы; для наглядности на странице он обозначен у границы сжатия и рабочего хода. Искра запускает горение, но основную энергию даёт топливо.

09. Третий такт: рабочий ход

Горение нагревает газы. Они расширяются и толкают поршень вниз, передавая энергию через шатун коленчатому валу. Оба клапана в упрощённой схеме закрыты. Именно этот такт обеспечивает основной положительный вклад газа в работу двигателя. Часть энергии остаётся в газах, часть передаётся деталям и охлаждающей системе. По цвету на схеме нельзя узнать точную температуру: он только различает свежую смесь и горячие продукты сгорания.

10. Четвёртый такт: выпуск

Поршень движется вверх. Выпускной клапан открыт, впускной закрыт. Поршень вытесняет отработавшие газы. Далее начинается новый впуск. Четыре такта занимают два полных оборота коленчатого вала — 720°. Один такт соответствует примерно половине оборота. Это школьное упрощение: в настоящих двигателях открытие клапанов не всегда точно совпадает с началом и концом такта. «Четырёхтактный» описывает цикл, а не число цилиндров.

11. Почему двигатель вращается между вспышками

В одном цилиндре четырёхтактного двигателя рабочий ход происходит один раз за два оборота. На остальных тактах нужно перемещать поршень и газ. Маховик продолжает вращаться благодаря накопленной кинетической энергии и отдаёт часть этой энергии механизму. В нескольких цилиндрах рабочие ходы распределены по времени, что делает вращение ровнее. Маховик не создаёт энергию: он временно запасает и возвращает её. При недостаточной скорости и слишком большой нагрузке двигатель может остановиться.

12. Бензиновый двигатель и дизель

В выбранном бензиновом двигателе смесь воспламеняет свеча. В дизеле сначала сжимают воздух: он сильно нагревается. Затем впрыскивают топливо, которое загорается в горячем воздухе. Обычная искровая свеча для этого не нужна. У некоторых дизелей есть свечи накаливания для облегчения пуска, но это другой прибор. Четырёхтактный цикл применяют в обоих типах двигателей. Не все двигатели четырёхтактные: существуют и двухтактные конструкции, в том числе крупные судовые дизели.

13. Паровая турбина

В паровой турбине нет поршня, который нужно возвращать после каждого хода. Пар проходит через направляющие каналы или сопла и воздействует на лопатки ротора. Сопло может разогнать поток за счёт уменьшения его внутренней энергии. Изменяя направление движения на лопатках, поток передаёт им энергию и заставляет ротор вращаться. Вал соединяет ротор с нагрузкой. В нашей схеме показано действие струи на одно колесо — это упрощённая модель импульсной ступени. По ней нельзя вычислить обороты или мощность настоящей турбины.

14. Зачем турбине много рядов лопаток

В большой турбине пар отдаёт энергию постепенно, проходя несколько ступеней. На неподвижных направляющих лопатках поток получает нужное направление, а на движущихся лопатках ротора совершает работу. При расширении плотность пара уменьшается, поэтому ближе к выходу обычно требуется большая площадь прохода. Это помогает понять, почему последние ряды лопаток могут быть крупнее первых. Наш разрез показывает три ступени: бронзовые направляющие закреплены на корпусе, стальные рабочие лопатки — на дисках вала. Эти цвета помогают различить крепления. Число ступеней и размеры настоящих турбин бывают другими.

15. Турбина и генератор — разные устройства

Турбина превращает энергию потока во вращение. Генератор, соединённый с её валом, превращает механическую энергию в электрическую. Пар не проходит через электрические обмотки генератора. На тепловой электростанции воду нагревают в котле, пар вращает турбину, затем его охлаждают в конденсаторе. Насос возвращает воду в контур. Это упрощённая цепочка паросиловой установки. Источником тепла может быть топливо, ядерный реактор, солнечный нагрев или геотермальное тепло. В прямом соединении, показанном на иллюстрации, оси валов турбины и генератора совпадают. Муфта соединяет их концы и передаёт вращение.

16. Что улучшил Джеймс Уатт

Уатт не создал первую паровую машину. Он существенно улучшил существующие конструкции. Одно важное решение — отдельный конденсатор: пар охлаждали в отдельной камере, а рабочий цилиндр можно было сохранять горячим. Это уменьшало расход топлива на повторное нагревание цилиндра. На иллюстрации показан принцип: пар из рабочего цилиндра попадает по трубе в отдельную камеру. Охлаждающая вода находится снаружи этой камеры; внутри собирается вода, образовавшаяся из пара. Подача пара и насосы полного двигателя здесь не показаны. Исторический факт связан с физикой: нагревание металла тоже требует энергии, даже если этот металл не является полезной нагрузкой.

17. Где ещё нужны тепловые двигатели

Двигатель может вращать колёса, гребной винт, насос или электрический генератор. Название нагрузки не меняет основной принцип превращения энергии. Электромотор работает иначе: получает электрическую энергию и превращает её в механическую, поэтому его не называют тепловым двигателем только из-за того, что он нагревается. Нагревание деталей — ещё не главный источник полезной работы. Гидро- и ветротурбины тоже вращают генераторы, но используют движение воды или воздуха; их не следует автоматически относить к тепловым двигателям.

18. Главные выводы и границы модели

Главная цепочка: источник энергии → нагрев рабочего тела → работа газа или пара → движение механизма. Поршневой двигатель повторяет такты, турбина получает энергию от непрерывного потока. В четырёхтактном бензиновом двигателе последовательность такова: впуск, сжатие, рабочий ход, выпуск. На схемах размеры, цвета и моменты открытия клапанов упрощены; они показывают связи, а не измеренные режимы. Энергия не создаётся в поршне, маховике или турбине. Полезная работа — лишь часть энергии, поступившей в установку. Подробно оценивать эту долю будем в следующем уроке о КПД.

Проверь себя

1. Почему давление газа может двигать поршень?

Газ действует силой на поверхность поршня. Когда эта сила преодолевает сопротивление, поршень перемещается.

2. Что меняется при расширении газа под поршнем?

Объём газа увеличивается. Если поршень двигает нагрузку, газ совершает работу.

3. Газ совершил работу без подвода теплоты. Откуда энергия?

Из внутренней энергии газа; при этих условиях она уменьшается.

4. Подняли 3 кг на 20 см. Какова полезная работа?

A = 3 · 10 · 0,20 = 6 Дж при g = 10 Н/кг.

5. Почему нельзя бесконечно нагревать один закрытый цилиндр и получать новые ходы?

Поршень достигает конца. Для повторения нужны возврат и подготовка рабочего тела.

6. Какое устройство называют тепловым двигателем?

Оно превращает часть энергии нагретого рабочего тела в механическую работу.

7. Зачем нужен шатун?

Соединяет поршень с кривошипом коленчатого вала.

8. Какие клапаны открыты при впуске?

Впускной открыт, выпускной закрыт в нашей упрощённой схеме.

9. Куда движется поршень при сжатии?

Вверх; оба клапана закрыты, объём газа уменьшается.

10. Искра даёт основную энергию двигателю?

Нет, она запускает горение. Основную энергию даёт топливо.

11. Чем рабочий ход отличается от впуска?

В обоих случаях поршень идёт вниз. При впуске входит смесь, а при рабочем ходе горячие газы совершают работу; оба клапана закрыты.

12. Сколько оборотов занимает полный четырёхтактный цикл?

Два оборота, то есть 720°.

13. Зачем выпускной клапан открывается?

Чтобы вывести отработавшие газы перед новым впуском.

14. Маховик создаёт энергию?

Нет. Он запасает энергию вращения и возвращает её механизму.

15. Как в дизеле загорается топливо?

Его впрыскивают в воздух, сильно нагретый сжатием.

16. Четырёхтактный означает четыре цилиндра?

Нет, четыре такта в цикле. Цилиндров может быть разное число.

17. Что движется в паровой турбине?

Поток пара действует на лопатки, вращается ротор с валом.

18. Почему струя, направленная мимо лопаток, не приводит колесо в движение?

Она не передаёт лопаткам энергию этим путём. В нашей модели механической связи нет.

19. Где энергия вращения становится электрической?

В генераторе, соединённом с турбиной.

20. Зачем Уатт отделил конденсатор от цилиндра?

Чтобы охлаждать пар, сохраняя рабочий цилиндр горячим, и меньше тратить на его повторный нагрев.

Учителю

Два занятия по 40–45 минут. Первое: расширение и работа, устройство двигателя, ручной разбор четырёх тактов. Второе: сборка цикла, поиск ошибок, турбина и цепочка электростанции. Попросите ученика объяснить по схеме, какой клапан открыт, куда идёт поршень и кто передаёт энергию кому. Не требуйте расчётов давления и температуры по декоративным цветам. Работа подъёма A=mgh связывает тему с механикой 7 класса; полного повторного урока механики здесь нет. Схема бензинового двигателя использует упрощённое газораспределение без перекрытия клапанов; искра обозначена на границе тактов. Турбина — одна импульсная ступень, а не точная модель промышленной установки. Факты об источниках тепла и Уатте расширяют тему. Опыты с закрытыми нагреваемыми сосудами и горючими смесями дома не предлагать. Это интерактивное изучение механизмов, а не отчёт о выполненной реальной лабораторной работе. КПД оставлен следующему уроку.

Словарь RU / EN