Toplotni motor je idealan toplotni motor. Toplotne mašine i njihova primena

Imenovanje toplotnih motora. Glavni elementi toplotnih motora cikličkog djelovanja.

Kružni termodinamički proces (ciklus). Carnot ciklus.

Idealan toplotni motor koji radi po Carnot ciklusu. Maksimalna efikasnost toplotni motor.

Termodinamička temperaturna skala. Jednakost apsolutnih i termodinamičkih temperatura.

Mašine za hlađenje (toplotne pumpe).

Dinamičko grijanje.

Magnetohidrodinamički generatori.

Sunčevo zračenje.

Toplotni motori su mašine koje koriste energiju toplotnog kretanja supstance ili elektromagnetnog polja. Toplotni motori se dijele na toplotnih motora pretvaranje energije haotičnog toplotnog kretanja čestica supstance ili elektromagnetnog polja u energiju pravilnog mehaničkog kretanja makroskopskih sistema, i rashladnih mašina koji obezbeđuju prenos toplote iz sistema sa nižom temperaturom u sisteme sa višom temperaturom. Kao što znate, u prirodi se spontani prenos toplote primećuje samo iz sistema sa višom temperaturom u sisteme sa nižom temperaturom, što dovodi do izjednačavanja temperatura ovih sistema.

Temeljna pitanja stvaranja termičkih mašina cikličkog (periodičnog) djelovanja prvi je postavio i riješio francuski inženjer i naučnik S. Carnot (1796 - 1832) u svom djelu "Razmišljanja o pokretačkoj sili vatre i o mašinama sposobnim za razvoj ovog sila", objavljena 1824. i broji samo 45 stranica. Carnotov konceptualni stil razmišljanja, koji je procese u toplotnom stroju razmatrao sa najopštijih pozicija na osnovu odnosa između mehaničkih i termičkih kretanja, nisu odmah shvatili čak ni tako istaknuti naučnici kao što su Laplace, Fourier, Ampere, Arago, Gay. -Lussac, i dr.. Carnotov rad je dobio opće priznanje samo 10 godina nakon objavljivanja 1834. članka E. Clapeyrona, gdje su Karnoove ideje predstavljene u pristupačnoj matematičkoj formi koristeći vizuelnu grafiku koja ilustruje termodinamičke procese.

Odstupajući od struktura i dijelova korištenih toplinskih motora, Carnot je izdvojio tri fundamentalno važna elementa svakog cikličkog toplinskog motora: 1) grijač sa temperaturom T 1, koja služi kao rezervoar za utrošenu toplotnu energiju, 2) frižider sa temperaturom T2< Т 1 , который также является резервуаром тепловой энергии и используется для сброса теплоты при работе двигателя, 3) radno tijelo, koji obavlja mehanički rad tokom ciklusa.

Ciklus To je termodinamički kružni proces, gdje se konačno stanje sistema poklapa sa njegovim početnim stanjem. U dijagramima termodinamičkih procesa, gdje se bilo koji par termodinamičkih veličina može koristiti kao varijabla i svaka tačka ravni označava neko stanje ravnoteže, ciklus je opisan zatvorenom krivom. U nastavku se pretpostavlja da nema gubitaka energije, svi ciklusni procesi su reverzibilni, a grijač, hladnjak i radni fluid su samo u ravnotežnim stanjima. U ovim uslovima efikasnost toplotnih motora je najveća.

U toku ciklusa radni fluid toplotnog motora prima količinu toplote Q 1 od grejača, obavlja rad A i odaje određenu količinu toplote Q 2< Q 1 холодильнику. Все процессы совершаются kvazistatički, što osigurava njihovu reverzibilnost. Ako nema gubitaka energije povezanih s trenjem i prijenosom topline u vanjsko okruženje (idealni toplinski motor), prema prvi zakon termodinamike

Q 1 = A + Q 2. (3.1)

Budući da se radni fluid vraća u svoje početno stanje, dolazi do potpune promjene njegove unutrašnje energije po ciklusu

Po definiciji, efikasnost toplotnog motora

Vrijednost efikasnosti η zavisi od ciklusa radnog fluida. Carnot je predložio ciklus koji je kasnije nazvan po njemu - Carnot ciklus, koji obezbeđuje maksimalnu vrednost efikasnosti, ako je podešena maksimalna temperatura grejača i minimalna temperatura frižidera. Međutim, Carnotov ciklus nije moguće realizovati u praksi, pa se koristi samo u teorijskim studijama. U pravim toplotnim motorima, drugi ciklusi su našli primenu, uključujući Otto ciklus (motori karburatora). unutrašnjim sagorevanjem), Dizel ciklus (dizel motori), Clausius-Rankin ciklus (raketni motori na tečno gorivo) itd.

Zakoni termodinamike ne zavise od fizičke prirode radnog fluida, dakle, da bi se pronašla efikasnost toplotni stroj koji radi po Carnot ciklusu je najlakši za korištenje kao radni fluid idealan gas. Carnot ciklus za idealan gas prikazano na VP dijagramu (slika 3.1). Ovaj ciklus 12341 sastoji se od izoterme 12 na temperaturi grijača T 1, adijabati 23 gde se izolovani gas širi, izoterme 34 na temperaturi frižidera T 2 i adijabati 41, gdje se toplinski izolirani plin komprimira i vraća u početno ravnotežno stanje 1. U dijelu izoterme 12, plin prima količinu topline od grijača, a u dijelu izoterme 34, plin daje hladnjaku količinu topline.

Parna mašina. Prve praktično funkcionalne univerzalne parne mašine stvorili su ruski izumitelj Ivan Ivanovič Polzunov i Englez James Watt.

U Polzunovom automobilu, para iz kotla kroz cijevi s tlakom koji je neznatno veći od atmosferskog dovođena je naizmjenično u dva cilindra s klipovima. Da bi se poboljšalo brtvljenje, klipovi su napunjeni vodom. Putem šipki sa lancima kretanje klipova se prenosilo na mijeh za tri peći za topljenje bakra.

Izgradnja mašine Polzunov završena je u avgustu 1766. godine. Imala je visinu od 11 m, kapacitet kotla od 7 m3, visinu cilindra 2,8 m i snagu od 29 kW.

Polzunovljev stroj stvarao je kontinuiranu silu i bio je prvi univerzalna mašina, koji bi se mogao koristiti za pogon svih fabričkih mehanizama.

U parnoj mašini D. Watt-a dva cilindra su zamijenjena jednim zatvorenim. Para je tekla naizmjenično s obje strane klipa, gurajući ga u jednom ili drugom smjeru. U takvoj mašini dvostrukog djelovanja, ispušna para se kondenzirala ne u cilindru, već u posudi odvojenoj od njega - kondenzatoru. Brzina zamašnjaka održavana je konstantnom pomoću centrifugalnog regulatora. Razvoj parne mašine je završio D. Watt 1784. godine.

Glavni nedostatak prvih parnih mašina bila je njihova niska efikasnost. Efikasnost parnih lokomotiva nije prelazila 9%.

Toplotni motori i transport. Različite vrste toplotni motori su okosnica modernog transporta. Termički motori puštaju u pogon automobile i dizel lokomotive, riječne i morske brodove, avione i svemirske rakete. Jedan od najčešćih toplotnih motora koji se koristi u raznim vozila je motor sa unutrašnjim sagorevanjem.
Toplotni motori i sigurnost okruženje Kontinuirani razvoj energetskog, automobilskog i drugih vidova transporta, povećanje potrošnje uglja, nafte i gasa u industriji i za potrebe domaćinstva povećavaju mogućnosti zadovoljenja vitalnih potreba čoveka. Međutim, trenutno je količina hemijskog goriva koja se godišnje sagorijeva u različitim toplinskim motorima tolika da postaje sve teži problem zaštiti okoliša od štetnog djelovanja produkata izgaranja.

Negativan uticaj toplotnih motora na životnu sredinu povezan je sa delovanjem različitih faktora.

Prvo, kada se gorivo sagorijeva, koristi se kisik iz atmosferskog zraka, pa se sadržaj kisika u zraku postepeno smanjuje. Ako u SSSR-u količina kisika proizvedenog u šumama i dalje premašuje količinu kisika koju troši industrija, onda, na primjer, u SAD-u šume obnavljaju samo 60% kisika koji koristi industrija.

Drugo, sagorijevanje goriva je praćeno oslobađanjem ugljičnog dioksida u atmosferu. U posljednjih dvadesetak godina sadržaj ugljičnog dioksida u Zemljinoj atmosferi porastao je za oko 5%.

Molekuli ugljičnog monoksida su sposobni apsorbirati infracrveno zračenje. Stoga povećanje sadržaja ugljičnog dioksida u atmosferi mijenja njenu transparentnost. Infracrveno zračenje koje emituje Zemljina površina sve se više apsorbuje u atmosferi. Dalje značajno povećanje koncentracije ugljičnog dioksida u atmosferi može dovesti do povećanja njene temperature.

Treće, kada se sagorevaju ugalj i nafta, atmosfera je zagađena jedinjenjima azota i sumpora, koja su štetna po ljudsko zdravlje. Ovo zagađenje je posebno značajno u velikim gradovima i industrijskim centrima.

Više od polovine ukupnog zagađenja vazduha nastaje transportom. Osim ugljičnog monoksida i jedinjenja dušika, automobilski motori godišnje emituju 2-3 miliona tona olova u atmosferu. Jedinjenja olova se dodaju motornom benzinu kako bi se spriječila detonacija goriva u motoru, odnosno prebrzo sagorijevanje goriva, što dovodi do smanjenja snage motora i brzog habanja motora. Budući da automobilski motori igraju ključnu ulogu u zagađenju zraka u gradovima, problem je značajnog poboljšanja motor automobila predstavlja jedan od najhitnijih naučnih i tehničkih problema.

Jedan od načina da se smanji zagađenje životne sredine je prelazak sa upotrebe benzinskih motora sa karburatorima u automobilima na upotrebu dizel motora koji ne dodaju olovna jedinjenja u gorivo.

Obećavaju se razvoj i testiranje automobila u kojima se umjesto benzinskih motora koristi elektromotor na baterije ili motor koji koristi vodonik kao gorivo. U potonjem tipu motora, voda nastaje tokom sagorijevanja vodonika.

) ili obrnuto - raditi na toplom (frižider). Rad toplotnog motora zasniva se na termodinamičkom ciklusu koji obavlja radni fluid (gas, vodena para, itd.). Za idealan toplotni motor, radni fluid obavlja rad jednak razlici u količini dovedene i odvedene toplote. Efikasnost toplotnog motora karakteriše efikasnost.

Moderna enciklopedija. 2000 .

Pogledajte šta je "HEAT MACHINE" u drugim rječnicima:

HEAT MACHINE- mašina (toplotni motor, toplotna pumpa, itd.), u kojoj se unutrašnja energija goriva pretvara u mehaničku energiju, koja se zatim može pretvoriti u električnu i bilo koju drugu energiju, kao i mašina koja pretvara rad u ... ... Velika politehnička enciklopedija

Veliki enciklopedijski rječnik

Toplotna mašina je uređaj koji pretvara toplotnu energiju u mehanički rad (toplotni motor) ili mehanički rad u toplotu (hladnjak). Transformacija se provodi promjenom unutrašnje energije radnog fluida u ... ... Wikipedia

Mašina (toplotni motor, toplotna pumpa, itd.), koja pretvara toplotu u rad ili rad u toplotu. Rad toplotnog motora zasniva se na kružnom procesu (termodinamičkom ciklusu) koji obavlja radni fluid (gas ... enciklopedijski rječnik

toplotni motor- šiluminė mašina statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. toplotni motor vok. Wärmekraftmaschine, f rus. toplotni motor, f pranc. machine thermique, f… Fizikos terminų žodynas

Komplet specijalne opreme postavljene na šasiju terenskog vozila. Njenu specijalnu opremu čine sledeći glavni sistemi i sklopovi: turbomlazni motor, rotacioni uređaj, kabina operatera, ... ... Emergency Dictionary

specijalni tretman toplotnih motora- šiluminė specialiojo švarinimo mašina statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Specialiojo švarinimo įrenginys, kuriame naudojamas aviacinis reaktyvinis variklis; švarinama dujų ir lašų arba tiktai dujų srautu. Gali būti ... ... Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas

- ... Wikipedia

Toplotna mašina je uređaj koji pretvara toplotnu energiju u mehanički rad (toplotni motor) ili mehanički rad u toplotu (hladnjak). Transformacija se vrši promjenom unutrašnje energije radnog fluida u praksi ... ... Wikipedia

Knjige

Thermoelectricity, A. Bernstein Ova knjiga će biti proizvedena prema vašoj narudžbi koristeći tehnologiju Print-on-Demand. Znate li kako funkcionira konvencionalna termoelektrana? Ugalj, gori u pećima, grije kotlove...
Thermoelectricity, Bernstein A.S.. Znate li kako radi konvencionalna termoelektrana? Ugalj, koji gori u pećima, zagrijava kotlove parnih mašina. Mašine pokreću električne generatore koji proizvode električne ...

1.Mašine za grijanje.

- uređaj koji pretvara toplotu u mehanički rad (toplotni motor) ili mehanički rad u toplotu (hladnjak). Transformacija se vrši promjenom unutrašnje energije radnog fluida - u praksi obično tekućine ili plina.

Ukratko, toplotne mašine pretvoriti toplinu u rad ili, obrnuto, rad u toplinu.

Primeri toplotnih motora: motor sa unutrašnjim sagorevanjem (ICE) a) karburatorski motor b) dizel motor v) mlazni motor Parne i gasne turbine.

1.1. Istorija stvaranja toplotnih motora.

Mnogi veruju da je istorija parnih mašina počela tek krajem 17. veka u Engleskoj. Ali to nije sasvim tačno.

Još u prvom veku pre nove ere, jedan od velikih naučnika antičke Grčke, Heron Aleksandrijski, napisao je raspravu "Pneumatika". Opisuje mašine koje koriste toplotnu energiju. Najzanimljivija su nam bila dva toplotna motora.

Eolipil - lopta "Eola", rotirana oko svoje ose pod dejstvom pare koja izlazi iz nje. U stvari i jesteprototip budućih parnih turbina.

Još jedan izuzetan uređaj Aleksandrijskog heroja bio je pogon vrata hrama, koja su se otvarala pod dejstvom vatre zapaljene na oltaru. At detaljna analiza u ovom složenom sistemu mehanizama možemo vidjetiprva parna pumpa.

Svi toplotni motori koje je stvorio Heroj Aleksandrije korišteni su samo kao igračke. U to vrijeme nisu bili traženi.

Prava istorija parnih mašina počinje tek u 17. veku. Jedan od prvih koji je kreiraooperativni prototip parne mašine, bio je Denis Papin. Papenova parna mašina je zapravo bila samo skica, model. Nikada nije uspio stvoriti pravu parnu mašinu koja bi se mogla koristiti u proizvodnji. 1680 - Izumio je parni kotao 1681. - Opremljen je sigurnosnim ventilom 1690. - On je prvi koristio paru za podizanje klipa i opisao zatvoreni termodinamički ciklus parne mašine. 1707 - Dao opis njegovog motora. Ali njegova djela nisu zaboravljena milenijumima kao Heronova djela. Sve njegove ideje primijenjene su u sljedećoj generaciji parnih strojeva.

Ako je veoma teško tačno utvrditi ko je prvi u istoriji tehnologije napravio parnu mašinu, onda se sa sigurnošću zna ko je prvi patentirao i primenio u praksi svoju parnu mašinu. Prvi je 1698. godine registrovao Englez Thomas Severipatent za uređaj "za dizanje vode i za postizanje kretanja svih vrsta proizvodnje uz pomoć pokretačke sile vatre..."... Kao što vidite, opis patenta je vrlo nejasan. U stvari, stvorio je prvu parnu pumpu. Jedino što je mogao je da podigne vodu. Istovremeno, efikasnost pumpe je bila izuzetno niska, a potrošnja uglja jednostavno ogromna. Stoga se pumpa uglavnom koristila u rudnicima uglja. Ispumpali su podzemne vode.

Godine 1712. svijet je vidio parna mašina Thomas Newcomen. Newcomenova parna mašina apsorbirana najbolje ideje iz parne mašine Papen i parne pumpe Severi. U njemu je za izvođenje pokreta korišten parni cilindar s klipom, kao u Papenovom parnom stroju. U ovom slučaju para se dobija odvojeno, u parnom kotlu, kao u parnoj pumpi Severi.

Uprkos velikom napretku u stvaranju parnih mašina, Newcomen mašina je svoju glavnu distribuciju dobila samo kao pogon za vodene pumpe. Glavni nedostaci parne mašine Newcomen bili su njena ogromna veličina i velika potrošnja uglja. Pokušaji da se njime upravljaju parobrodi bili su neuspješni.

Preko 50 godina Parna mašina Newcomen je ostao nepromijenjen. Godine 1763. James Watt, mehaničar na Univerzitetu u Glazgovu, dobio je ponudu da popravi Newcomenov parni stroj. U procesu rada sa Newcomenovom mašinom, Watt dolazi do zaključka da bi bilo dobro da je poboljša.

Prvo, Watt odlučuje da parni cilindar uvijek bude vruć. To će smanjiti potrošnju uglja. Da bi to učinio, on stvara kondenzator za hlađenje pare. Sljedeće što radi je promjena načina rada parnog cilindra. Ako je u parnoj mašini Newcomen mašina svoj radni hod izvodila pod dejstvom atmosferskog pritiska, onda je u parnoj mašini Watt klip svoj radni hod obavljao pod dejstvom pritiska pare. To je omogućilo povećanje pritiska u cilindru i smanjenje veličine parne mašine.

Godine 1773. Watt gradi svoj prvirad parne mašine... A 1774. godine, zajedno s industrijalcem Matthewom Boltonom, Watt je otvorio kompaniju za proizvodnju parnih motora. Od 1775. do 1785. godine firma Watt je izgradila 56 parnih mašina. Od 1785. do 1795. godine - Ista kompanija je već isporučila 144 ovih mašina.Stvari su išle dobro i Bolton traži od Watta da napravi parni stroj za njegovu novu valjaonicu lima.

1884. Watt stvara prviuniverzalna parna mašina.Njegova glavna namjena je pogon industrijskih alatnih mašina. Od ovog trenutka, parni stroj više nije vezan za rudnike uglja. Počinju da ga koriste u fabrikama, instaliraju ga na parobrode i stvaraju vozove.

Upravo je Wattova parna mašina napravila tehnološki proboj u tehnologiji. Ona je otvorila novu eru u istoriji tehnologije - eru parnih mašina.

Prvi parni automobil 1770... Jean Cugno - francuski inženjer, napravio je prva samohodna kolica, dizajnirana za pomicanje artiljerijskih oruđa

"Mlađi brat" - parna lokomotiva 1803. - Engleski pronalazač Richard Trevithick dizajnirao je prvu parnu lokomotivu. Nakon 5 godina Trevithick je napravio novu parnu lokomotivu. razvijao je brzinu do 30 km/h. 1816. godine, bez podrške, Trevithick je bankrotirao i otišao u Južnu Ameriku

Odlučujuća uloga 1781-1848. - Engleski dizajner i pronalazač George Stephenson 1814. - Počeo je da pravi parne lokomotive. 1823 Osnovao je prvu tvornicu parnih lokomotiva na svijetu 1829. Stephensonova parna lokomotiva Raketa zauzela je prvo mjesto na takmičenju za najbolje lokomotive. Snaga mu je bila 13 KS, a brzina 47 km/h.

Motor sa unutrašnjim sagorevanjem 1860- Francuski mehaničar Lenoir izumeo je motor sa unutrašnjim sagorevanjem 1878. godine. - Njemački pronalazač Otto dizajnirao je četverotaktni motor s unutrašnjim sagorijevanjem. 1825 - Nemački pronalazač Daimler je otprilike u isto vreme stvorio benzinski motor sa unutrašnjim sagorevanjem Plinski motor je razvio Kostovich u Rusiji.

Specijalni uređaj. Karburator.Njemački inženjer Rudolf Diesel dizajnirao je motor s unutarnjim sagorijevanjem u kojem nije komprimirana zapaljiva smjesa, već zrak. Ovo su najekonomičniji toplotni motori 1) rade na jeftinim vrstama goriva 2) imaju efikasnost od 31-44% 29. septembra 1913. godine. Ukrcao se na parobrod za London. Sljedećeg jutra ga nisu našli u kabini. Vjeruje se da je izvršio samoubistvo bacivši se noću u vode Lamanša.

1.2. Princip rada toplotnog motora.

Toplotni strojevi se mogu rasporediti na razne načine, ali u svakom toplotnom stroju mora postojati radna tvar ili tijelo koje obavlja mehanički rad u radnom dijelu mašine, grijač, gdje radna tvar prima energiju, i hladnjak koji uklanja toplote iz radnog tela.

Radni medij može biti para ili plin.

1.3. Vrste toplotnih motora.

Toplotni motori su dvije vrste - ovisno o smjeru procesa koji se u njima odvijaju:
1. Toplotni motoripretvaraju toplinu koja dolazi iz vanjskog izvora u mehanički rad.

Rashladne mašineprenosi toplotu sa manje zagrejanog tela na više zagrejano zbog mehanički rad eksterni izvor.

Razmotrimo ove vrste toplotnih motora detaljnije.

1.3.1. Toplotni motori.

Znamo da je rad na tijelu jedan od načina da se promijeni njegova unutrašnja energija: završeni rad se, takoreći, rastvara u tijelu, pretvarajući se u energiju haotičnog kretanja i interakcije njegovih čestica.

Toplotni stroj je uređaj koji, naprotiv, izvlači koristan rad iz "haotične" unutrašnje energije tijela. Pronalazak toplotnog motora zaista je promijenio lice ljudske civilizacije.

Šematski dijagram toplotnog motora može se prikazati na sljedeći način:

Pogledajmo šta znače elementi ovog dijagrama.

Radno tijelo motor je gas. Širi se, pomiče klip i tako obavlja koristan mehanički rad.

Ali da bi se gas natjerao da se širi, savladavajući vanjske sile, potrebno ga je zagrijati na temperaturu koja je znatno viša od temperature okoline. Za to se plin dovodi u kontakt s grijačem - gorivom koje gori.

U procesu sagorijevanja goriva oslobađa se značajna energija čiji se dio koristi za zagrijavanje plina. Plin prima od grijača količinu topline Qn ... Zbog te topline motor obavlja koristan posao. A .

Sve je jasno, ali šta je frižider i zašto je potreban?

Sa jednom ekspanzijom gasa, možemo iskoristiti ulaznu toplotu što je moguće efikasnije i u potpunosti je pretvoriti u rad. Da biste to učinili, morate izotermno proširiti plin: prvi zakon termodinamike, kao što znamo, daje nam u ovom slučaju A = Qn.

Ali nikome nije potrebno jednokratno proširenje. Motor mora raditi ciklično, obezbeđujući periodičnu ponovljivost pokreta klipa. Stoga, na kraju ekspanzije, plin mora biti komprimiran, vraćajući ga u prvobitno stanje.

U procesu ekspanzije, plin obavlja koristan rad A1. U procesu kompresije, na plinu se vrši pozitivan rad A2 (A sam plin radi negativan rad A2). Na kraju koristan rad gas po ciklusu A = A1-A2.

Naravno, mora postojati A> 0 ili A2<А1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Kako se to može postići? Odgovor: Komprimirajte plin pri nižim pritiscima nego tokom ekspanzije. Drugim riječima, na pV-dijagramu proces kompresije mora ići ispod procesa ekspanzije, tj. ciklusa treba preći u smjeru kazaljke na satu.

Na primjer, u ciklusu na slici, rad plina tijekom širenja jednak je površini zakrivljenog trapeza V11a2V2. Slično, rad pri kompresiji plina jednak je površini zakrivljenog trapeza V11b2V2 sa predznakom minus. Kao rezultat, rad A plina po ciklusu ispada da je pozitivan i jednak površini ciklusa 1a2b1.

Dobro, ali kako postići da se gas vrati u prvobitno stanje duž donje krivulje, tj. e. Kroz države sa manjim podjelama? Podsjetimo da za datu zapreminu, što je niža temperatura, to je niži pritisak plina. Stoga, kada je komprimiran, plin mora proći kroz stanja s nižim temperaturama.

Upravo za to služi frižider: da cool gas u procesu kompresije. Hladnjak može biti atmosfera (za motore sa unutrašnjim sagorevanjem) ili rashladna tekuća voda (za parne turbine).

Kada se ohladi, gas odaje određenu količinu toplote Q2 frižideru. Ukupna količina toplote koju gas primi po ciklusu postaje jednaka Q1-Q2. Prema prvom zakonu termodinamike:
Q 1- Q 2 = A + deltaU,

gde je deltaU promena unutrašnje energije gasa po ciklusu. Jednaka je nuli deltaU = 0, pošto se gas vratio u prvobitno stanje (a unutrašnja energija, kao što se sjećamo, je državna funkcija). Kao rezultat, rad gasa po ciklusu je jednak:
A = Q 1- Q 2.

Kao što vidite, A

Pokazatelj efikasnosti pretvaranja energije goriva za sagorevanje u mehanički rad je efikasnost toplotnog motora.

Efikasnost toplotnog motoraJe li omjer mehaničkog rada A i količine topline Q1 dovedene iz grijača.

Efikasnost toplotnog motora, kao što vidimo, uvek je manja od jedinice. Na primer, efikasnost parnih turbina je oko 25%, a efikasnost motora sa unutrašnjim sagorevanjem je oko 40%.

1.3.2. Mašine za hlađenje.

Svakodnevno iskustvo i fizički eksperimenti govore nam da se u procesu razmjene topline toplina prenosi sa više zagrijanog tijela na manje zagrijano, ali ne i obrnuto. Nikada nisu uočeni procesi u kojima bi usled razmene toplote energija spontano prelazila sa hladnog na toplo, usled čega bi se hladno telo još više ohladilo, a vruće još više zagrejalo.

Ključna riječ ovdje je "spontano". Ako koristite vanjski izvor energije, tada je sasvim moguće provesti proces prijenosa topline s hladnog tijela na toplo. To rade rashladne mašine.

U poređenju sa toplotnim motorom, procesi u rashladnoj mašini imaju suprotan smer. (Sl. 86).

Radno tijelo rashladna mašina se takođe naziva rashladno sredstvo (u pravim rashladnim postrojenjima, rashladno sredstvo je isparljiva otopina s niskom tačkom ključanja, koja uzima toplinu tokom isparavanja i vraća je prilikom kondenzacije). Radi jednostavnosti, smatraćemo ga gasom koji apsorbuje toplotu tokom ekspanzije i odaje tokom kompresije.

Frižider (T2) u rashladnoj mašini je tijelo iz kojeg se odvodi toplina. Frižider prenosi količinu toplote Q2 na radni fluid (gas), usled čega se gas širi.

Tokom kompresije, gas odaje toplotu Q1 zagrejanijem telu - grejaču (T1). Da bi se takav prijenos topline dogodio, plin mora biti komprimiran na višim temperaturama nego što je bio tijekom ekspanzije. To je moguće samo zbog rada A koji obavlja vanjski izvor (na primjer, električni motor) (u stvarnim rashladnim jedinicama, elektromotor stvara nizak tlak u isparivaču, zbog čega rashladno sredstvo ključa i uzima toplinu ; naprotiv, elektromotor stvara visok pritisak u kondenzatoru, pod kojim se rashladno sredstvo kondenzuje i odaje toplotu). Stoga se ispostavlja da je količina topline koja se prenosi na grijač veća od količine topline oduzete iz hladnjaka, samo za vrijednost A.

Q 1 = Q 2 + A.

Tako se na pV-dijagramu odvija radni ciklus rashladne mašine u smjeru suprotnom od kazaljke na satu... Područje ciklusa je rad A, koji obavlja vanjski izvor,

Glavna svrha rashladne mašine je hlađenje određenog rezervoara (na primjer, zamrzivača). U ovom slučaju, ovaj rezervoar igra ulogu hladnjaka, a okolina služi kao grijač - toplina uklonjena iz rezervoara se raspršuje u njega.

Pokazatelj efikasnosti rashladne mašine je koeficijent hlađenjajednak omjeru topline uklonjene iz hladnjaka i rada vanjskog izvora:

A = Q 2 / A

Koeficijent hlađenja može biti više od jedan. U pravim frižiderima, uzima vrednosti od približno 1 do 3.

Postoji još jedna zanimljiva primjena: rashladni uređaj može djelovati kao toplotna pumpa. Tada je njegova svrha zagrijavanje određenog rezervoara (na primjer, grijanje prostorije) zbog topline koja se uklanja iz okoline. U ovom slučaju, ovaj rezervoar će biti grijač, a okoliš će biti hladnjak.

Pokazatelj efikasnosti toplotne pumpe je koeficijent grijanjajednak omjeru količine topline prenesene u zagrijani rezervoar i rada vanjskog izvora.

Vrijednosti koeficijenta grijanja stvarnih toplotnih pumpi obično su u rasponu od 3 do 5.

1.4. Carnot toplotni motor.

Najvažnije karakteristike toplotnog motora su najviše i najniže vrednosti temperature radnog fluida tokom ciklusa. Ove vrijednosti su imenovane u skladu s timtemperatura grejača i temperatura frižidera.

Videli smo da je efikasnost toplotnog motora striktno manja od jedinice. Postavlja se prirodno pitanje: koja je najveća moguća efikasnost toplotnog motora sa fiksnim vrijednostima temperature grijača T1 i temperature hladnjaka T2?

Neka je, na primjer, maksimalna temperatura tijela radnog motora 1000 K, a minimalna 300 K. Koja je teorijska granica efikasnosti takvog motora?

Odgovor na ovo pitanje dao je francuski fizičar i inženjer Sadi Carnot 1824. godine. Izumio je i istražio divan toplotni motor sa idealnim gasom kao radnim fluidom. Ova mašina radi po Carnot ciklusu. koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate.

Razmotrite petlju naprijed Carnot mašina ide u smjeru kazaljke na satu. U ovom slučaju, mašina radi kao toplotni motor.

Izoterma 1-2. U sekciji 1-2, plin se dovodi u toplinski kontakt sa temperaturnim grijačem T1 i izotermno se širi. Količina topline Q1 se dovodi iz grijača i potpuno se pretvara u rad u ovoj sekciji: A12 = Q1.

Adiabat 2-3. Za sljedeću kompresiju potrebno je plin prebaciti u zonu nižih temperatura. Za to se plin toplinski izolira, a zatim se adijabatski širi u dijelu 2-3. Pri ekspanziji, plin radi pozitivan rad A23 i zbog toga se njegova unutrašnja energija smanjuje: deltaU23 = - A23.

Izoterma 3-4. Termoizolacija se uklanja, gas se dovodi u termički kontakt sa frižiderom temperature T2. Dolazi do izotermne kompresije. Plin daje frižideru količinu toplote Q2 i vrši negativan rad A34 = - Q2.

Adiabat 4-1. Ovaj dio je neophodan za vraćanje plina u prvobitno stanje. Tokom adijabatske kompresije, gas vrši negativan rad A41. Plin se zagrijava do početne temperature T1.

Carnot je utvrdio efikasnost ovog ciklusa (proračuni su, nažalost, izvan okvira školskog programa).

Štaviše, on je to i dokazaoEfikasnost Carnot ciklusa je maksimalna moguća za sve toplotne mašine sa temperaturom grejača T1 i temperaturom frižidera T2... Dakle, u gornjem primjeru (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) imamo:

Maksimalna efikasnost = (1000-300): 1000 = 0,7 (= 70%)

Koja je svrha korištenja izotermi i adijabata, a ne nekih drugih procesa?

Ispostavilo se da izotermni i adijabatski procesi čine Carnotovu mašinu reverzibilnom ... Može se upravljati obrnuta petlja (u smjeru suprotnom od kazaljke na satu) između istog grijača i hladnjaka, bez uključivanja drugih uređaja. U ovom slučaju, Carnot mašina će raditi kao rashladni uređaj.

Mogućnost pokretanja Carnot mašine u oba smjera igra vrlo važnu ulogu u termodinamici. Na primjer, ova činjenica služi kao karika u dokazu maksimalne efikasnosti Carnotovog ciklusa.

2. Raketa.

- (od italijanskog rocchetta - malo vreteno kroz njega. Rakete ili holandski. raket) - letelica koja se kreće u svemiru usled dejstva mlaznog potiska, koji nastaje samo kao rezultat odbacivanja dela sopstvene mase (radnog tela ) aparata i bez upotrebe materija iz okoline... Budući da let rakete ne zahtijeva nužno prisustvo okolnog zraka ili plinskog okruženja, moguć je ne samo u atmosferi, već iu vakuumu. Riječ "raketa" odnosi se na širok spektar letećih uređaja, od svečane petarde do svemirskog lansirnog vozila.

U vojnoj terminologiji riječ raketa označava klasu, po pravilu, bespilotnih letjelica koje se koriste za gađanje udaljenih ciljeva i koriste princip mlaznog pogona za let. U vezi sa raznovrsnom upotrebom projektila u oružanim snagama, od strane različitih rodova vojske, formirana je široka klasa različitih tipova raketnog naoružanja.

1.1. Istorija raketne nauke.

Postoji pretpostavka da je neki privid rakete dizajniran nazadAntička Grčka, Alix Sin. Govorimo o letećem drvenom golubu Archita iz Tarentuma.Njegov izum se spominje u djelustarorimski pisac Aulus Gelije "Tavanske noći".Knjiga kaže da je ptica podignuta tegovima i pokrenuta dahom skrivenog i skrivenog vazduha. Još nije utvrđeno: da li je goluba pokrenuo vazduh u njemu ili vazduh koji je duvao na njega spolja? Ostaje nejasno kako je Archytas mogao dobiti komprimirani zrak unutar goluba. U drevnoj tradicijipneumatika nema analoga takvoj upotrebi komprimiranog zraka.

Većina historičara porijeklo raketa pripisuje vremenuKineska dinastija Han (206. pne - 220. ne), do otkrića baruta i početka njegove upotrebe za vatromet i zabavu. Sila nastala eksplozijom barutnog punjenja bila je dovoljna za pomicanje raznih predmeta.Kasnije je ovaj princip primijenjen pri kreiranju prvogpuške i muskete. Granate od barutnog oružjamogli su letjeti na velike udaljenosti, ali nisu bili projektili, jer nisu imali vlastite zalihe gorivo. Ipak, upravo je pronalazak baruta postao glavni preduvjet za pojavu pravih projektila.

Prvu raketu stvorio je čovjek prije najmanje 700 godina. U 13. veku, Kinezi su prvi upotrebili rakete ili, kako su ih tada zvali, "vatrene strele" protiv mongolskih osvajača i gurnuli neprijatelja u zbunjenost i paniku.

U bici kod Kajkena 1232. Kinezi su ispalili "vatrene strijele", na koje je bila pričvršćena cijev od zbijenog papira, otvorena samo na zadnjem kraju i napunjena zapaljivim jedinjenjem. Ovo punjenje je zapaljeno, a zatim je strijela ispaljena lukom. Takve su strijele korištene u brojnim slučajevima tokom opsade utvrđenja, protiv brodova i konjice. Nakon bitke kod Kajkena, Mongoli su počeli proizvoditi vlastite rakete i širiti prvu raketnu tehnologiju u Evropi.

Od 13. do 15. stoljeća, postojali su izvještaji o raznim eksperimentima s raketama. U Engleskoj, monah po imenu Roger Bacon radio je na novoj formuli praha koja bi povećala domet raketnih projektila. U Francuskoj je Jean Froissart otkrio da bi let projektila mogao biti precizniji ako bi raketa bila ispaljena kroz cijev. Nakon nekoliko stoljeća, Froissardova ideja je dala poticaj za stvaranje protutenkovskih projektila poput baze. U Italiji je Gian de Fontana razvio projektil nalik torpedu koji se kretao po površini vode kako bi zapalio neprijateljske brodove.

Međutim, indijski princ Haydar Ali, koji je vladao u kraljevstvu Mysore (ili Karnataka), na jugu Indije, može se nazvati inovatorom raketne tehnologije u današnje vrijeme. Tokom ratova između Mysorea i britanske istočnoindijske trgovačke kompanije Haydar, Ali je koristio rakete i raketne pukove u obliku regularnih trupa. Glavna tehnološka inovacija bila je upotreba visokokvalitetne metalne školjke, u koju je stavljeno punjenje baruta (tako se pojavila prva komora za sagorijevanje). Haydar Ali je također stvorio specijalne obučene raketne odrede koji su mogli usmjeravati projektile na udaljene ciljeve sa prihvatljivom preciznošću. Upotreba projektila u Anglo-Mysore ratovima navela je Britance na ideju upotrebe ove vrste oružja. William Congreve, oficir britanskih snaga koji je zarobio nekoliko indijskih raketa kao trofej, poslao je ove granate u Englesku na dalje proučavanje i razvoj. Godine 1804, Congreve, sin šefa kraljevskog arsenala u Woolwichu, blizu Londona, počeo je razvijati raketni program i masovnu proizvodnju raketa. Congreve je napravio novu mješavinu goriva i razvio raketni motor i metalnu cijev sa suženim vrhom. Ove rakete, koje su bile teške 15 kg, zvale su se Congreve Rockets.

Raketna artiljerija bila je u širokoj upotrebi sve do kraja 19. veka. Rakete su bile lakše i pokretljivije od artiljerijskih oruđa. Preciznost i preciznost ispaljivanja projektila bila je mala, ali uporediva sa topničkim oruđama tog vremena. Međutim, u drugoj polovini 19. stoljeća pojavljuju se topovi s puškom, koji su davali veću preciznost i točnost vatre, a raketna artiljerija je svuda uklonjena iz upotrebe. Samo vatromet isignalne baklje.

Krajem 19. vijeka pokušano je matematički objasniti mlazni pogon i stvoriti efikasnije raketno oružje. U Rusiji je Nikolaj Tihomirov bio jedan od prvih koji se bavio ovim pitanjem 1894. godine.

Konstantin Ciolkovski je proučavao teoriju mlaznog pogona. Iznio je ideju korištenja raketa za letove u svemir i tvrdio da bi najefikasnije gorivo za njih bila kombinacija tekućeg kisika i vodika. Projektovao je raketu za međuplanetarne komunikacije 1903. godine.

Njemački naučnik Hermann Obert također je iznio principe međuplanetarnog leta 1920-ih. Osim toga, vršio je i stend testove raketnih motora.

Američki naučnik Robert Goddart započeo je razvoj raketnog motora na tečno gorivo 1923. godine, a radni prototip je završen do kraja 1925. godine. 16. marta 1926 lansirao je prvu raketu na tečno gorivo koristeći benzin i tečni kiseonik kao gorivo.

17. avgusta 1933. lansirana je raketa GIRD 9, koja se može smatrati prvom sovjetskom protivavionskom raketom. Dostigla je visinu od 1,5 km. I sljedeća raketa "GIRD 10", lansirana 25. novembra 1933. godine, već je dostigla visinu od 5 km.

14. marta 1931. član VfR Johannes Winkler izveo je prvo uspješno lansiranje rakete na tečno gorivo u Evropi.

Godine 1957. u SSSR-u, pod vodstvom Sergeja Koroljova, stvorena je prva svjetska interkontinentalna balistička raketa R-7 kao sredstvo za isporuku nuklearnog oružja, koja je iste godine korištena za lansiranje prvog umjetnog satelita Zemlje. Tako je počela upotreba raketa za svemirske letove.

2.2. Snage koje djeluju na raketu u letu.

Nauka o proučavanju sila koje djeluju na rakete ili druge svemirske letjelice naziva se astrodinamika.

Glavne sile koje djeluju na raketu u letu:

Potisak motora.

Prilikom kretanja u atmosferi - bilo kakav otpor.

Sila dizanja. Obično mali, ali značajan za raketne jedrilice.

2.3. Upotreba raketa.

2.3.1 Vojska.

Rakete se koriste kao metoda isporuke oružja do cilja. Mala veličina i velika brzina projektila pružaju im nisku ranjivost. Pošto pilot nije potreban za upravljanje borbenim projektilom, on može nositi punjenja velike razorne moći, uključujući i nuklearna. Moderni sistemi za navođenje i navigaciju daju raketama veću preciznost i manevarsku sposobnost.

Postoji mnogo tipova borbenih projektila koji se razlikuju po dometu leta, kao i po mjestu lansiranja i mjestu pogađanja cilja ("zemlja" - "vazduh"). Sistemi protivraketne odbrane koriste se za borbu protiv raketa.

Tu su i baklje i baklje.

2.3.2. Naučno istraživanje.

Umjesto aviona i balona na visini većoj od 30-40 kilometara koriste se geofizičke i meteorološke rakete. Rakete nemaju granični plafon i koriste se za sondiranje gornjih slojeva atmosfere, uglavnom mezosfere i jonosfere.

Postoji podjela raketa na lake meteorološke rakete, sposobne da podignu jedan set instrumenata na visinu od oko 100 kilometara, i teške geofizičke rakete, koje mogu nositi više kompleta instrumenata i čija je visina leta praktično neograničena.

Naučne rakete obično su opremljene instrumentima za merenje atmosferskog pritiska, magnetnog polja, kosmičkog zračenja i sastava vazduha, kao i opremom za prenošenje rezultata merenja putem radija na Zemlju. Postoje modeli raketa, gde se instrumenti sa podacima dobijenim tokom uspona spuštaju na zemlju pomoću padobrana.

Raketna meteorološka istraživanja prethodila su satelitskim istraživanjima, tako da su prvi meteorološki sateliti imali iste instrumente kao i meteorološke rakete. Raketa je prvi put lansirana radi proučavanja parametara vazdušnog okruženja 11. aprila 1937. godine, ali su redovna lansiranja počela 1950-ih, kada je stvorena serija specijalizovanih naučnih raketa.

2.3.3. Kosmonautika.

Raketa je i dalje jedino vozilo koje može lansirati svemirski brod u svemir. Alternativni načini podizanja svemirskih letjelica u orbitu, poput "svemirskog lifta", elektromagnetnih i konvencionalnih topova, još su u fazi projektovanja.

2.3.4. Sport.

Ima ljudi koji se bave raketnim sportom čiji je hobi pravljenje i lansiranje modela raketa. Takođe, rakete se koriste u amaterskim i profesionalnim vatrometima.

3. Mlazni motor.

Motor koji stvara silu potiska potrebnu za kretanje pretvaranjem unutrašnje energije goriva u kinetičku energiju mlazne struje radnog fluida. Radni fluid, u odnosu na motore, podrazumeva se kao supstanca (gas, tečnost, čvrsta supstanca), uz pomoć koje se toplotna energija koja se oslobađa pri sagorevanju goriva pretvara u koristan mehanički rad. Različite vrste energije (hemijska, nuklearna, električna, solarna) mogu se pretvoriti u kinetičku (brzu) energiju mlaznog toka u raketnom motoru. Osnova mlaznog motora je komora za sagorevanje, u kojoj se sagoreva gorivo (izvor primarne energije) i stvara radni fluid - vrući gasovi (proizvodi sagorevanja goriva). Glavna karakteristika reaktivne sile je da nastaje kao rezultat interakcije dijelova sistema bez ikakve interakcije sa vanjskim tijelima.

3.1. Istorija mlaznih motora.

Istorija mlaznih motora neraskidivo je povezana sa istorijom avijacije. Napredak vazduhoplovstva tokom čitavog njegovog postojanja bio je obezbeđen uglavnom napretkom avionskih motora, a svi sve veći zahtevi koje je vazduhoplovstvo postavljalo pred motore bili su snažan stimulator razvoja avio-motorstva. Flyer-1, koji se smatra prvim avionom, bio je opremljen klipnim motorom sa unutrašnjim sagorevanjem, a ovo tehničko rešenje ostalo je neophodno u vazduhoplovstvu četrdeset godina. Unaprijeđeni su klipni motori aviona, povećana je njihova snaga i omjer potiska i težine samih aviona.

Na samom početku 30-ih godina u SSSR-u su počeli radovi na stvaranju mlaznog motora za avione. Još 1920. godine sovjetski inženjer F.A. Tsander iznio je ideju raketnog aviona na velikoj visini. Njegov motor OR-2, koji je radio na benzin i tečni kiseonik, bio je namenjen za ugradnju na prototip aviona.

Godine 1939. u SSSR-u su izvršena letačka ispitivanja ramjet motora (ramjet) na avionu I-15 koji je dizajnirao NN Polikarpov. Ramjet motor koji je dizajnirao I. A. Merkulov ugrađen je na donje ravni aviona kao dodatni motori. Prve letove izveo je iskusni probni pilot P.E. Loginov. Na određenoj visini, ubrzao je automobil do maksimalne brzine i uključio mlazne motore. Potisak dodatnih ramjet motora povećao je maksimalnu brzinu leta. Godine 1939. razrađeno je pouzdano pokretanje motora u letu i stabilnost procesa sagorijevanja. U letu, pilot je mogao više puta da uključuje i gasi motor i podešava njegov potisak. 25. januara 1940. godine, nakon fabričke obrade motora i provjere njihove sigurnosti, izvršeno je službeno testiranje na mnogim letovima - let aviona sa ramjet motorom. Polazeći sa Centralnog aerodroma Frunze u Moskvi, pilot Loginov je uključio svoje mlazne motore na maloj visini i napravio nekoliko krugova iznad područja aerodroma.

U ljeto 1940. ovi motori su instalirani i testirani na lovcu I-153 "Čajka" koji je dizajnirao NN Polikarpov. Povećali su brzinu aviona za 40-50 km/h.

Međutim, pri brzinama leta koje bi avioni na propelerski pogon mogli razviti, dodatni zračni mlazni motori bez kompresora trošili su mnogo goriva. Ramjet ima još jedan važan nedostatak: takav motor ne daje potisak na mjestu i stoga ne može osigurati samostalno uzlijetanje aviona. To znači da avion sa sličnim motorom mora nužno biti opremljen nekom vrstom pomoćne lansirne elektrane, na primjer, propelernom, inače neće poletjeti.

Radovi na stvaranju borbenih mlaznih aviona uveliko su se odvijali u inostranstvu.

U junu 1942. godine izvršen je prvi let njemačkog mlaznog lovca-presretača "Me-163" koji je dizajnirao Messerschmitt. Tek deveta verzija ovog aviona puštena je u masovnu proizvodnju 1944. godine.

Prvi put ovaj avion sa tečnim pogonom je upotrebljen u borbenoj situaciji sredinom 1944. godine tokom invazije savezničkih snaga na Francusku. Bio je namijenjen za borbu protiv neprijateljskih bombardera i lovaca nad njemačkom teritorijom. Avion je bio monoplan bez horizontalnog repa, što je bilo moguće zahvaljujući velikom zamahu krila.

U Italiji je u avgustu 1940. godine izvršen prvi desetominutni let monoplana Campini-Caproni SS-2. Na ovom avionu je ugrađen takozvani motor-kompresor VRM (ovaj tip VRM-a nije razmatran u pregledu mlaznih motora, jer se pokazao neisplativ i nije dobio distribuciju).

U maju 1941. u Engleskoj je obavljen prvi probni let eksperimentalnog aviona Gloucester "E-28/39" sa turbomlaznim motorom sa centrifugalnim kompresorom koji je konstruisao Whittle.

Pri 17 hiljada okretaja u minuti, ovaj motor je razvio potisak od oko 3800 Njutna. Eksperimentalni avion je bio lovac sa jednim sjedištem s jednim turbomlaznim motorom smještenim u trupu iza kokpita. Avion je imao stajni trap tricikla koji se uvlačio u letu.

Godinu i po kasnije, u oktobru 1942. godine, izvršeno je prvo letno testiranje američkog mlaznog lovca "Ercomet" R-59A sa dva turbomlazna motora koju je dizajnirao Whittle. Bio je to monoplan srednjeg krila sa visokim repom. Tokom testiranja leta postignuta je brzina od 800 kilometara na sat.

Od ostalih turbomlaznih aviona ovog perioda treba istaći lovac Gloucester Meteor, čiji je prvi let obavljen 1943. godine. Ovaj jednosjed, potpuno metalni monoplan pokazao se kao jedan od najuspješnijih mlaznih lovaca tog perioda. Dva turbomlazna motora postavljena su na nisko postavljeno konzolno krilo. Serijski borbeni avion razvijao je brzinu od 810 kilometara na sat. Let je trajao oko 1,5 sat, plafon je bio 12 kilometara. Avion je imao 4 automatska topa kalibra 20 mm. Automobil je imao dobru upravljivost i upravljivost pri svim brzinama. U novembru 1941. godine na specijalnoj rekordnoj verziji ove mašine postavljen je svjetski rekord brzine od 975 kilometara na sat.

Već u početnom periodu razvoja mlaznih motora nekadašnji poznati oblici aviona pretrpjeli su manje ili više značajne promjene. Na primjer, britanski mlazni lovac "Vampire" dizajna s dvije grane izgledao je vrlo neobično.

U našoj zemlji, tokom Velikog domovinskog rata, započeo je opsežan istraživački rad na stvaranju borbenih aviona sa turbomlaznim motorima. Rat je postavio zadatak - stvoriti borbeni avion koji ima ne samo veliku brzinu, već i značajno trajanje leta: uostalom, razvijeni mlazni lovci s motorima na tekuće gorivo imali su vrlo kratko trajanje leta - samo 8-15 minuta. Borbeni avioni su razvijeni sa kombinovanim pogonskim sistemom - propelernim i mlaznim. Na primjer, lovci La-7 i La-9 bili su opremljeni mlaznim pojačivačima.

Rad na jednom od prvih sovjetskih mlaznih aviona započeo je još 1943-1944. Ovo borbeno vozilo kreirao je dizajnerski tim na čelu sa generalom vazduhoplovne inženjerske službe Artemom Ivanovičem Mikojanom. Bio je to lovac I-250 sa kombinovanom elektranom, koji se sastojao od tečno hlađenog klipnog avionskog motora tipa VK-107 A s propelerom i WFD, čiji je kompresor rotirao klipni motor. I-250 je izveo svoj prvi let u martu 1945. Tokom testiranja leta postignuta je brzina od preko 800 kilometara na sat.

Ubrzo je isti tim dizajnera stvorio mlazni lovac MIG-9. Na njemu su ugrađena dva turbomlazna motora tipa "RD-20". 24. aprila 1946. godine, probni pilot A.N. Grinchik izveo je prvi let na avionu MIG-9. Poput aviona BI, ovaj avion se malo razlikovao po svom dizajnu od klipnih aviona. Maksimalna brzina MIG-9 premašila je 900 kilometara na sat. Krajem 1946. godine ova mašina je puštena u masovnu proizvodnju.

U aprilu 1946. izveden je prvi let na mlaznom lovcu koji je dizajnirao A.S. Yakovlev.

Uporni kreativni rad istraživačkih, dizajnerskih i proizvodnih timova okrunjen je uspjehom: novi domaći mlazni avioni ni po čemu nisu bili inferiorni u odnosu na svjetsku avijacijsku tehnologiju tog perioda. Među brzim mlaznim avionima stvorenim u SSSR-u 1946-1947, mlazni lovac koji su dizajnirali AI Mikoyan i MI Gurevich "MIG-15", sa zamašenim krilom i repom, ističe se po svojim visokim letačko-taktičkim i operativnim karakteristikama. . Upotreba zamašenog krila i perja povećala je horizontalnu brzinu leta bez značajnih promjena u njegovoj stabilnosti i upravljivosti. Povećanju brzine aviona uvelike je doprinijelo i povećanje njegovog omjera snage i težine: ugrađen je novi turbomlazni motor sa centrifugalnim kompresorom RD-45 s potiskom od oko 19,5 kilonjutona pri 12 hiljada okretaja u minuti. Horizontalne i vertikalne brzine ove mašine nadmašile su sve što je ranije postignuto na mlaznim avionima.

Konstruktorski biro, koji je radio pod vodstvom S.A. Lavočkina, istovremeno s izdavanjem "MIG-15" stvorio je novi mlazni lovac "La-15". Imao je zamašeno krilo smješteno iznad trupa. Imao je moćno oružje. Od svih lovaca sa zamašenim krilima koji su postojali u to vrijeme, La-15 je imao najmanju letnu težinu. Zahvaljujući tome, avion La-15 sa motorom RD-500, koji je imao manji potisak od motora RD-45 ugrađenog na MIG-15, imao je približno iste letne i taktičke podatke kao i MIG-15".

Zamah i poseban profil krila i repa mlaznog aviona drastično su smanjili otpor vazduha pri letenju brzinom širenja zvuka. Sada, tokom talasne krize, otpor se povećao ne 8-12 puta, već samo 2-3 puta. To su potvrdili i prvi nadzvučni letovi sovjetskih mlaznih aviona.

3.2. Primena mlazne tehnologije u civilnom vazduhoplovstvu.

Ubrzo su mlazni motori počeli da se ugrađuju na civilne avione.

Godine 1955. putnički avion sa više sedišta „Kometa-1” počeo je sa radom u inostranstvu. Ovaj putnički automobil sa četiri turbomlazna motora imao je brzinu od oko 800 kilometara na sat na visini od 12 kilometara. Avion je mogao da preveze 48 putnika. Domet leta bio je oko 4 hiljade kilometara. Međutim, nakon velike nesreće ovog aviona na Mediteranu, njegovo djelovanje je prekinuto. Ubrzo je počela da se koristi konstruktivna verzija ovog aviona - "Kometa-3".

1959. godine počinje rad francuskog putničkog aviona "Caravel". Avion je imao kružni trup prečnika 3,2 metra, koji je bio opremljen odjeljkom pod pritiskom dužine 25,4 metra. Elektrana se sastojala od dva turbomlazna motora sa potiskom od 40 kilonjutona svaki. Brzina aviona bila je oko 800 kilometara na sat.

U SSSR-u, već 1954. godine, na jednoj od vazdušnih ruta, dostava hitnog tereta i pošte obavljala se brzim mlaznim avionom "Il-20".Ovaj avion sa dva turbomlazna motora sa potiskom od 80 kilonjutona svaki imao je odlične aerodinamičke oblike.

"TU-104" je bio veoma cenjen kako u našoj zemlji, tako iu inostranstvu. Strani stručnjaci su, govoreći u štampi, rekli da je Sovjetski Savez, otpočevši sa redovnim prevozom putnika mlaznim avionima "TU-104", bio dvije godine ispred Sjedinjenih Država, Engleske i drugih zapadnih zemalja u masovnoj eksploataciji putničkih turbomlaznih aviona: Američki mlazni avion "Boeing-707" i engleski" Comet-IV" krenuli su na vazdušne linije tek krajem 1958., a francuski "Caravel" - 1959. godine.

TVD je srednji tip avionske elektrane. Iako se gasovi koji izlaze iz turbine ispuštaju kroz mlaznicu i njihova reakcija stvara određeni potisak, glavni potisak stvara radni propeler, kao u konvencionalnom avionu na pogon propelerom.

Pozorište operacija nije postalo široko rasprostranjeno u borbenoj avijaciji, jer ne može pružiti takvu brzinu kretanja kao čisto mlazni motori. Neprikladan je i na ekspresnim linijama civilne avijacije, gdje je brzina odlučujući faktor, a pitanja ekonomičnosti i cijene leta padaju u drugi plan. Međutim, preporučljivo je koristiti turboelisne avione na rutama različitih dužina, letovi na kojima se obavljaju brzinama od 600-800 kilometara na sat. Treba imati na umu da je, kako je iskustvo pokazalo, prevoz putnika na njima na udaljenosti od 1000 kilometara jeftiniji za 30% nego na elisnim avionima sa klipnim avionskim motorima.

3.3. Princip rada mlaznih motora.

Mlazni motor je baziran na uređaju obične rakete. Radi na sljedeći način. U posebnoj komori, koja ima jedan izlaz sa konusnom cijevi - mlaznicom, sagorijeva se gorivo. Plinoviti produkti sagorijevanja izlaze kroz mlaznicu ogromnom brzinom. Kada se gorivo sagori, u komori se stvara povećani pritisak do 80-100 atmosfera. Ovaj pritisak djeluje u svim smjerovima jednakom silom. Pritisci na bočnim zidovima komore su međusobno uravnoteženi. Sila koja djeluje na prednji zid nije ničim uravnotežena, jer na suprotnoj strani plinovi slobodno izlaze kroz rupu. Dakle, rezultanta svih sila pritiska na zidove komore čini da se raketni motor kreće naprijed.

Kao rezultat istjecanja radnog fluida iz mlaznice motora, stvara se reaktivna sila u obliku reakcije (povratka) mlaza, koja pokreće motor i uređaj koji je strukturno povezan s njim u prostoru u prostoru. smjeru suprotnom od izlivanja mlaza. Različite vrste energije (hemijska, nuklearna, električna, solarna) mogu se pretvoriti u kinetičku (brzu) energiju mlaznog toka u raketnom motoru. R. d. (Motor direktne reakcije) kombinuje u sebi sam motor sa propelerom, odnosno obezbeđuje sopstveno kretanje bez učešća međumehanizama.

Za stvaranje mlaznog potiska koji koristi raketni motor potrebno je: izvor početne (primarne) energije, koja se pretvara u kinetičku energiju mlazne struje;

radni fluid, koji se izbacuje iz reaktora u obliku mlazne struje; sam R. d. je pretvarač energije. Početna energija se pohranjuje u avionu ili drugom aparatu opremljenom radioaktivnim gorivom (hemijsko gorivo, nuklearno gorivo) ili (u principu) može doći izvana (solarna energija). Za nabavku radnog fluida u R. d. Moždakoristiti supstancu uzetu iz okoline (na primjer, zrak ili vodu); supstanca koja se nalazi u rezervoarima aparata ili direktno u komori R. d.; mješavina supstanci koje dolaze iz okoline i pohranjene u vozilu. U savremenoj proizvodnji energije, hemijska energija se najčešće koristi kao primarna energija. U ovom slučaju radni fluid su vrući gasovi - proizvodi sagorevanja hemijskog goriva. Tokom rada raketnog motora, hemijska energija zapaljivih materija pretvara se u toplotnu energiju produkata sagorevanja, a toplotna energija vrućih gasova pretvara se u mehaničku energiju translacionog kretanja mlazne struje i, posledično, aparata. na koji je motor ugrađen. Glavni dio svake komore za sagorijevanje je komora za sagorijevanje u kojoj se stvara radni fluid. Krajnji dio komore, koji služi za ubrzavanje radnog fluida i dobivanje mlazne struje, naziva se mlaznica.

Svi znaju da se nakon pucnja vraća pištolj ili puška. To se događa zato što projektil ili metak velikom brzinom izleti iz otvora cijevi pištolja ili puške. I samo oružje, zbog snage reakcije, prima kretanje u suprotnom smjeru. Projektili se istiskuju gasovima koji nastaju tokom sagorevanja praha. Ako ne bismo ojačali cijev topa na lafetu, već bismo je pustili da se slobodno kreće, onda bi cijev nakon hica odletjela natrag kao raketa.

Let konvencionalnih aviona je nemoguć u prostoru bez vazduha. Sila podizanja aviona nastaje samo djelovanjem vazdušnog mlaza na njegova krila. Dirižabl ili balon mogu letjeti samo ako su lakši od zraka iste zapremine.

U tom smislu, raketni motori imaju ogromnu prednost u odnosu na konvencionalne avione. Raketni motor radi nezavisno od okoline, nije mu potrebna vazdušna podrška. Uređaji opremljeni raketnim motorima mogu letjeti ne samo u vrlo razrijeđenom zraku, već čak iu svemiru bez zraka.

Posljednjih godina provedeno je niz manje ili više uspješnih eksperimenata na primjeni mlaznih motora na različite tipove vozila.
Svi motori imaju dva procesa konverzije energije. Prvo se hemijska energija goriva pretvara u toplotnu energiju produkata sagorevanja, a zatim se toplotna energija koristi za obavljanje mehaničkog rada. Takvi motori uključuju klipne motore automobila, dizel lokomotive, parne i plinske turbine elektrana itd.

Razmotrimo ovaj proces u odnosu na mlazne motore. Počnimo s komorom za sagorijevanje motora, u kojoj je na ovaj ili onaj način već stvorena zapaljiva mješavina, ovisno o vrsti motora i vrsti goriva. To može biti, na primer, mešavina vazduha sa kerozinom, kao u turbomlaznom motoru modernog mlaznog aviona, ili mešavina tečnog kiseonika sa alkoholom, kao u nekim raketnim motorima na tečno gorivo, ili, konačno, neko čvrsto gorivo za barutne rakete. Zapaljiva smjesa može izgorjeti, tj. ulaze u hemijsku reakciju sa nasilnim oslobađanjem energije u obliku toplote. Sposobnost oslobađanja energije tokom hemijske reakcije je potencijalna hemijska energija molekula u smeši. Hemijska energija molekula povezana je sa posebnostima njihove strukture, tačnije sa strukturom njihovih elektronskih omotača, tj. elektronskog oblaka koji okružuje jezgra atoma koji čine molekul. Kao rezultat kemijske reakcije, u kojoj se neki molekuli uništavaju, a drugi nastaju, prirodno dolazi do preuređivanja elektronskih ljuski. Ovo restrukturiranje je izvor oslobođene hemijske energije. Vidi se da jedine supstance koje mogu poslužiti kao goriva za mlazne motore su one koje tokom hemijske reakcije u motoru (sagorevanje) oslobađaju mnogo toplote, a takođe stvaraju veliku količinu gasova. Svi se ovi procesi odvijaju u komori za sagorijevanje, ali hajde da se zadržimo na reakciji ne na molekularnom nivou (o tome je već bilo riječi), već na "fazama" rada. Dok sagorijevanje ne počne, mješavina ima veliku zalihu potencijalne hemijske energije. Ali onda je plamen zahvatio smjesu, još jedan trenutak - i hemijska reakcija je gotova. Sada, umjesto molekula zapaljive smjese, komora je ispunjena molekulima produkata sagorijevanja, gušće "nabijenim". Oslobađa se višak energije vezivanja, koja je hemijska energija prethodne reakcije sagorevanja. Molekuli koji posjeduju ovaj višak energije prenijeli su je gotovo trenutno na druge molekule i atome kao rezultat čestih sudara s njima. Svi molekuli i atomi u komori za sagorevanje počeli su da se kreću nasumično, haotično mnogo većom brzinom, temperatura gasova se povećavala. Tako je potencijalna hemijska energija goriva transformisana u toplotnu energiju produkata sagorevanja.

Sličan prijelaz izvršen je u svim ostalim toplinskim motorima, ali se mlazni motori bitno razlikuju od njih s obzirom na dalju sudbinu produkata izgaranja sa žarnom niti.

Nakon što se u toplotnom stroju formiraju vrući plinovi koji sadrže veliku toplinsku energiju, ova energija se mora pretvoriti u mehaničku energiju. Na kraju krajeva, motori služe za obavljanje mehaničkih poslova, da se nešto "pomakne", da to sprovede u akciju, nije bitno da li je to dinamo mašina kada se traži da doda crteže elektrani, dizel lokomotivi, auto ili avion.

Da bi toplinska energija plinova prešla u mehaničku energiju, njihov volumen se mora povećati. Sa ovom ekspanzijom, gasovi obavljaju rad, koji troši njihovu unutrašnju i toplotnu energiju.

U slučaju klipnog motora, ekspandirajući plinovi pritiskaju klip koji se kreće unutar cilindra, klip gura klipnjaču koja već rotira radilicu motora. Osovina je povezana sa rotorom dinamo, pogonskim osovinama dizel lokomotive ili automobila, ili propelerom aviona - motor radi koristan posao. U parnoj mašini, odnosno gasnoj turbini, gasovi se šire, terajući točak spojen na osovinu turbine da se okreće – ovde nema potrebe za mjenjačom radilice, što je jedna od velikih prednosti turbine.

Gasovi se šire, naravno, u mlaznom motoru, jer bez toga ne obavljaju posao. Ali rad ekspanzije u tom slučaju se ne troši na rotaciju osovine. Povezan sa pogonskim mehanizmom, kao i kod drugih toplotnih motora. Svrha mlaznog motora je drugačija - da stvori mlazni potisak, a za to je potrebno da mlaz gasova - produkata sagorevanja izlazi iz motora velikom brzinom: reakciona sila ovog mlaza je potisak motora . Slijedom toga, rad na širenju plinovitih produkata sagorijevanja goriva u motoru mora se potrošiti na ubrzavanje samih plinova. To znači da se toplotna energija gasova u mlaznom motoru mora pretvoriti u njihovu kinetičku energiju - nasumično haotično toplotno kretanje molekula mora biti zamenjeno njihovim organizovanim tokom u jednom zajedničkom pravcu.

U tu svrhu služi jedan od najvažnijih dijelova motora, takozvana mlaznica. Bez obzira kojoj vrsti mlaznog motora pripada određeni mlazni motor, on je nužno opremljen mlaznicom kroz koju velikom brzinom iz motora izlaze vrući plinovi - produkti sagorijevanja goriva u motoru. Kod nekih motora, plinovi ulaze u mlaznicu odmah nakon komore za sagorijevanje, na primjer, u raketnim ili ramjet motorima. Kod drugih, turbomlaznih, gasovi prvo prolaze kroz turbinu, kojoj odaju dio svoje toplotne energije. On se u ovom slučaju troši za pogon kompresora, koji služi za komprimiranje zraka ispred komore za sagorijevanje. Ali, na ovaj ili onaj način, mlaznica je posljednji dio motora - plinovi prolaze kroz nju prije nego što napuste motor.

Mlaznica može imati različite oblike i, osim toga, različite dizajne ovisno o vrsti motora. Glavna stvar je brzina kojom gasovi izlaze iz motora. Ako ova brzina istjecanja ne prelazi brzinu kojom se zvučni valovi šire u izlaznim plinovima, tada je mlaznica jednostavan cilindrični ili sužavajući segment cijevi. Ako brzina istjecanja mora premašiti brzinu zvuka, tada se mlaznici daje oblik cijevi koja se širi ili se prvo sužava, a zatim širi (Lovely sapnica). Samo u cijevi ovakvog oblika, kako pokazuju teorija i iskustvo, gas se može ubrzati do nadzvučnih brzina, a "zvučna barijera" se može preći.

Frižider

Rice. 2.31. Toplotni motor

Heater

Radno tijelo motora

2.12 Mašine za zagrevanje

Ukratko, toplotni motori pretvaraju toplotu u rad ili, obrnuto, rad u toplotu.

Toplotni motori su dvije vrste, ovisno o smjeru procesa koji se u njima odvija.

1. Toplotni motori pretvaraju toplinu iz vanjskog izvora u mehanički rad.

Automobilski motor sa unutrašnjim sagorevanjem je primer toplotnog motora. On pretvara toplotu oslobođenu tokom sagorevanja goriva u mehaničku energiju vozila.

2. Rashladne mašine prenose toplotu sa manje zagrejanog tela na više zagrejano usled mehaničkog rada spoljašnjeg izvora.

Kućni frižider u vašem stanu primjer je rashladne mašine. U njemu se toplina uklanja iz rashladne komore i prenosi u okolni prostor.

Razmotrimo ove vrste toplotnih motora detaljnije.

2.12.1 Toplotni motori

Toplotni stroj je uređaj koji, naprotiv, izvlači koristan rad iz "haotične" unutrašnje energije tijela. Pronalazak toplotnog motora radikalno je promijenio lice ljudske civilizacije.

Šematski dijagram toplotnog motora može se prikazati na sljedeći način (slika 2.31). Hajde da shvatimo šta znače elementi ovog dijagrama.

Radni fluid motora je gas. Širi se, pomiče klip i tako čini korisnu mehanizaciju.

nichuyu rad.

U procesu sagorijevanja goriva oslobađa se značajna energija čiji se dio koristi za zagrijavanje plina. Plin prima količinu toplote Q1 od grijača. Zbog te topline motor obavlja koristan rad A.

Ovo je sve jasno. Šta je frižider i zašto je potreban?

Sa jednom ekspanzijom gasa, možemo iskoristiti ulaznu toplotu što je moguće efikasnije i u potpunosti je pretvoriti u rad. Za

To zahtijeva izotermno širenje plina: prvi zakon termodinamike, kao što znamo, daje nam u ovom slučaju A = Q1.

Ali nikome nije potrebno jednokratno proširenje. Motor mora raditi ciklično, osiguravajući periodična ponovljiva kretanja klipa. Stoga, na kraju ekspanzije, plin mora biti komprimiran, vraćajući ga u prvobitno stanje.

U procesu ekspanzije, plin vrši pozitivan rad A1. U procesu kompresije, na plinu se vrši pozitivan rad A2 (a sam plin radi negativan rad A2). Kao rezultat, korisni rad gasa po ciklusu: A = A1 A2.

Naravno, mora postojati A> 0, ili A2< A1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Kako se to može postići? Odgovor: komprimirati plin na nižim pritiscima nego što su bili tokom ekspanzije. Drugim riječima, na pV-dijagramu proces kompresije mora ići ispod procesa ekspanzije, odnosno ciklus mora ići u smjeru kazaljke na satu (slika 2.32).

Rice. 2.32. Ciklus grijanja motora

Na primjer, u ciklusu na slici, rad plina tijekom širenja jednak je površini zakrivljenog trapeza V1 1a2V2. Slično tome, rad plina u kompresiji jednak je površini zakrivljenog trapeza V1 1b2V2 sa predznakom minus. Kao rezultat, rad A plina po ciklusu ispada da je pozitivan i jednak površini ciklusa 1a2b1.

U redu, ali kako postići da se gas vrati u prvobitno stanje duž niže krivulje, odnosno kroz stanja sa nižim pritiscima? Podsjetimo da za datu zapreminu, što je niža temperatura, to je niži pritisak plina. Shodno tome, tokom kompresije, gas mora proći kroz stanja sa nižim temperaturama.

Upravo za to služi frižider: da hladi gas tokom procesa kompresije. Hladnjak može biti atmosfera (za motore sa unutrašnjim sagorevanjem) ili rashladna tekuća voda (za parne turbine).

Kada se ohladi, gas odaje određenu količinu toplote Q2 frižideru. Ukupna količina toplote koju gas primi po ciklusu jednaka je Q1 Q2. Prema prvom zakonu termodinamike:

Q1 Q2 = A + U;

gdje je U promjena unutrašnje energije gasa po ciklusu. Jednaka je nuli: U = 0, pošto se gas vratio u prvobitno stanje (a unutrašnja energija je, kao što se sjećamo, funkcija stanja). Kao rezultat, rad gasa po ciklusu je jednak:

A = Q1 Q2:

Kao što vidite, A< Q1 : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику для обеспечения цикличности процесса.

automobili

Frižider

Rice. 2.33. Mašina za hlađenje

Heater

Rashladno radno tijelo

Pokazatelj efikasnosti pretvaranja energije goriva za sagorevanje u mehanički rad je efikasnost toplotnog motora.

Efikasnost toplotnog motora je odnos mehaničkog rada A i količine toplote

ste dobili Q1 od grijača:

O: Q1

Uzimajući u obzir relaciju (2.12), također imamo

	Q 1Q 2

Efikasnost toplotnog motora, kao što vidimo, uvek je manja od jedinice. Na primer, efikasnost parnih turbina je oko 25%, a efikasnost motora sa unutrašnjim sagorevanjem je oko 40%.

2.12.2 Rashladne mašine

Ključna riječ ovdje je "spontano". Ako koristite vanjski izvor energije, tada je sasvim moguće provesti proces prijenosa topline s hladnog tijela na toplo. To rade rashladne mašine.

U poređenju sa toplotnim motorom, procesi u rashladnoj mašini imaju suprotan smer (slika 2.33).

Naziva se i radno tijelo rashladne mašine

koji apsorbuje toplotu tokom ekspanzije i odaje tokom kompresije21.

Frižider u hladnjaku je tijelo iz kojeg se odvodi toplina. Frižider prenosi rad

Za tijelo (gas), količina topline Q2, uslijed koje se plin širi.

Tokom kompresije, gas odaje toplotu Q1 zagrejanijem telu, grejaču. Da bi se takav prijenos topline dogodio, plin mora biti komprimiran na višim temperaturama nego što je bio tijekom ekspanzije. To je moguće samo zahvaljujući radu A0 koji obavlja vanjski izvor (na primjer, električni motor) 22. Dakle, količina toplote

koju ste prenijeli na grijač ispostavilo se da je više od količine topline uzete iz hladnoće

za vrijednost A0:

Q1 = Q2 + A0:

21 U stvarnim rashladnim sistemima, rashladno sredstvo je isparljiva otopina s niskom tačkom ključanja, koja prikuplja toplinu tokom isparavanja i odaje tokom kondenzacije.

22 U stvarnim rashladnim jedinicama, elektromotor stvara nizak pritisak u isparivaču, usled čega rashladno sredstvo ključa i uzima toplotu; naprotiv, elektromotor stvara visok pritisak u kondenzatoru, pod kojim se rashladno sredstvo kondenzuje i odaje toplotu.

Dakle, na pV-dijagramu radni ciklus rashladne mašine ide suprotno od kazaljke na satu. Područje ciklusa je rad A0 koji obavlja vanjski izvor (slika 2.34).

Rice. 2.34. Ciklus hladnjaka

Glavna svrha rashladne mašine je hlađenje rezervoara (na primjer, zamrzivača). U ovom slučaju, ovaj rezervoar igra ulogu frižidera, a okolina služi kao grijač, a toplina uklonjena iz rezervoara se raspršuje u njega.

Pokazatelj efikasnosti rashladne mašine je koeficijent hlađenja, koji je jednak omjeru topline odvedene iz hladnjaka i rada vanjskog izvora:

Q A 2 0:

Koeficijent performansi može biti više od jedan. U pravim frižiderima, uzima vrednosti od približno 1 do 3.

Postoji još jedna zanimljiva primjena: rashladni uređaj može djelovati kao toplotna pumpa. Tada je njegova svrha zagrijati određeni rezervoar (na primjer, zagrijati prostoriju) zbog topline koja se uklanja iz okoline. U ovom slučaju, ovaj rezervoar će biti grijač, a okoliš će biti hladnjak.

Pokazatelj efikasnosti toplotne pumpe je koeficijent grijanja, koji je jednak omjeru količine topline prenijete u zagrijani spremnik na rad

vanjski izvor:

Q A 1 0:

Vrijednosti koeficijenta grijanja stvarnih toplotnih pumpi obično su u rasponu od 3 do 5.

2.12.3 Grejna mašina Karnot

Najvažnije karakteristike toplotnog motora su najviše i najniže vrednosti temperature radnog fluida tokom ciklusa. Ove vrijednosti se nazivaju temperatura grijača i temperatura hladnjaka.

Neka je, na primjer, maksimalna temperatura radnog fluida motora 1000 K, a minimalna temperatura 300 K. Koja je teorijska granica efikasnosti takvog motora?

Odgovor na ovo pitanje dao je francuski fizičar i inženjer Sadi Carnot 1824. godine. Izmislio je i istražio divan toplotni motor sa idealnim plinom kao

radni fluid. Ova mašina radi po Carnot ciklusu, koji se sastoji od dvije izoterme i dvije adijabate.

Zamislite direktan ciklus Carnot mašine u smeru kazaljke na satu (slika 2.35). U ovom slučaju, mašina radi kao toplotni motor.

T 23

Rice. 2.35. Carnot ciklus

Izoterma 1! 2. Na lokaciji 1! 2, plin se dovodi u termički kontakt s temperaturnim grijačem T1 i izotermno se širi. Količina topline Q1 se dovodi iz grijača i potpuno se pretvara u rad u ovoj sekciji: A12 = Q1.

Adiabat 2! 3. U svrhu naknadne kompresije potrebno je gas prebaciti u zonu nižih temperatura. Za to se plin toplinski izolira, a zatim se adijabatski širi na dijelu 2! 3. Prilikom ekspanzije, gas vrši pozitivan rad A23, pa se zbog toga njegova unutrašnja energija smanjuje: U23 = A23.

Izoterma 3! 4. Termoizolacija se uklanja, gas se dovodi u termički kontakt sa frižiderom na temperaturi T2. Dolazi do izotermne kompresije. Plin daje frižideru količinu toplote Q2 i vrši negativan rad A34 = Q2.

Adiabat 4! 1. Ovaj dio je neophodan za vraćanje plina u prvobitno stanje. Tokom adijabatske kompresije, gas vrši negativan rad A41, a promena unutrašnje energije je pozitivna: U41 = A41. Plin se zagrijava do početne temperature T1.

Carnot je utvrdio efikasnost ovog ciklusa (proračuni su, nažalost, izvan okvira školskog kurikuluma):

	T 1T 2

Osim toga, dokazao je da je efikasnost Carnotovog ciklusa najveća moguća za sve toplinske strojeve s temperaturom grijača T1 i temperaturom hladnjaka T2.

Dakle, u gornjem primjeru (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) imamo:

max = 1000 300 = 0; 7 (= 70%): 1000

Koja je svrha korištenja izotermi i adijabata, a ne nekih drugih procesa? Ispostavilo se da izotermni i adijabatski procesi čine Carnotovu mašinu reverzibilnom. Može se pokrenuti u obrnutom ciklusu (u smjeru suprotnom od kazaljke na satu) između istog grijača i hladnjaka, bez uključivanja drugih uređaja. U ovom slučaju, Carnot mašina će raditi kao rashladni uređaj.

Mogućnost pokretanja Carnot mašine u oba smjera igra vrlo važnu ulogu u termodinamici. Na primjer, ova činjenica služi kao karika u dokazu maksimalne efikasnosti Carnotovog ciklusa. Na to ćemo se vratiti u sljedećem članku posvećenom drugom zakonu termodinamike.