Machine à vapeur. Les premières machines à vapeur universelles pratiquement fonctionnelles ont été créées par l'inventeur russe Ivan Ivanovitch Polzunov et l'Anglais James Watt.

Dans la machine de Polzunov, la vapeur provenant de la chaudière traversait des tuyaux à une pression légèrement supérieure à la pression atmosphérique s'écoulait alternativement dans deux cylindres à pistons. Pour améliorer l'étanchéité, les pistons étaient remplis d'eau. Au moyen de tiges munies de chaînes, le mouvement des pistons était transmis aux soufflets de trois fours de fusion de cuivre.

La construction de la machine de Polzunov fut achevée en août 1766. Elle avait une hauteur de 11 m, une capacité de chaudière de 7 m3, une hauteur de cylindre de 2,8 m et une puissance de 29 kW.

La machine de Polzunov a créé une force continue et a été la première machine universelle, qui pourrait être utilisé pour piloter n’importe quel mécanisme d’usine.

Dans la machine à vapeur de D. Watt, deux cylindres ont été remplacés par un seul fermé. La vapeur circulait alternativement des deux côtés du piston, le poussant dans un sens ou dans l'autre. Dans une telle machine à double effet, la vapeur d'échappement n'était pas condensée dans le cylindre, mais dans un récipient séparé de celui-ci - un condenseur. La vitesse constante du volant était maintenue par un régulateur centrifuge. Développement machine à vapeur a été achevé par D. Watt en 1784.

Le principal inconvénient des premières machines à vapeur était leur faible rendement. Le rendement des locomotives à vapeur ne dépassait pas 9 %.

Moteurs thermiques et transports. Différentes sortes Les moteurs thermiques constituent la base des transports modernes. Les moteurs thermiques entraînent des voitures et des locomotives diesel, des navires fluviaux et maritimes, des avions et des fusées spatiales. L'un des moteurs thermiques les plus couramment utilisés dans divers Véhicules, c'est le moteur combustion interne.
Moteurs thermiques et sécurité environnement Le développement continu de l'énergie, de l'automobile et d'autres types de transports, l'augmentation de la consommation de charbon, de pétrole et de gaz dans l'industrie et pour les besoins domestiques augmentent les possibilités de répondre aux besoins vitaux de l'humanité. Cependant, à l'heure actuelle, la quantité de carburant chimique brûlée chaque année dans divers moteurs thermiques est si importante que la protection de l'environnement contre les effets nocifs des produits de combustion devient un problème de plus en plus difficile.

L'impact négatif des moteurs thermiques sur l'environnement est associé à l'action de divers facteurs.

Premièrement, lors de la combustion de carburant, l’oxygène de l’air atmosphérique est utilisé, de sorte que la teneur en oxygène de l’air diminue progressivement. Si en URSS la quantité d'oxygène produite par les forêts dépasse encore la quantité d'oxygène consommée par l'industrie, alors, par exemple, aux États-Unis, les forêts ne restituent que 60 % de l'oxygène utilisé par l'industrie.

Deuxièmement, la combustion de carburant s’accompagne du rejet de dioxyde de carbone dans l’atmosphère. Au cours des vingt dernières années, la teneur en dioxyde de carbone de l'atmosphère terrestre a augmenté d'environ 5 %.

Les molécules de monoxyde de carbone sont capables d'absorber le rayonnement infrarouge. Par conséquent, une augmentation de la teneur en dioxyde de carbone de l’atmosphère modifie sa transparence. Le rayonnement infrarouge émis par la surface terrestre est de plus en plus absorbé par l'atmosphère. Une nouvelle augmentation significative de la concentration de dioxyde de carbone dans l’atmosphère pourrait entraîner une augmentation de sa température.

Troisièmement, lorsque le charbon et le pétrole sont brûlés, l’atmosphère est polluée par des composés azotés et soufrés, nocifs pour la santé humaine. Cette pollution est particulièrement importante dans les grandes villes et les centres industriels.

Plus de la moitié de la pollution atmosphérique provient des transports. En plus du monoxyde de carbone et des composés azotés, les moteurs des voitures émettent chaque année 2 à 3 millions de tonnes de plomb dans l'atmosphère. Des composés de plomb sont ajoutés à l'essence moteur pour empêcher la détonation du carburant dans le moteur, c'est-à-dire une combustion trop rapide du carburant, entraînant une diminution de la puissance du moteur et une usure rapide. Étant donné que les moteurs automobiles jouent un rôle essentiel dans la pollution de l’air urbain, il est difficile d’améliorer considérablement moteur de voiture représente l’un des problèmes scientifiques et techniques les plus urgents.

L'un des moyens de réduire la pollution de l'environnement consiste à passer de l'utilisation de moteurs à essence à carburateur dans les voitures à l'utilisation de moteurs diesel, dont le carburant n'ajoute pas de composés de plomb.

Le développement et les tests de voitures dans lesquelles, au lieu de moteurs à essence, sont utilisés un moteur électrique alimenté par une batterie ou un moteur utilisant de l'hydrogène comme carburant sont prometteurs. Dans ce dernier type de moteur, la combustion de l'hydrogène produit de l'eau.

But des moteurs thermiques. Éléments de base des moteurs thermiques cycliques.

Processus thermodynamique circulaire (cycle). Cycle de Carnot.

Un moteur thermique idéal fonctionnant sur le cycle de Carnot. Efficacité maximale moteur thermique.

Échelle de température thermodynamique. Égalité des températures absolues et thermodynamiques.

Machines frigorifiques (pompes à chaleur).

Chauffage dynamique.

Générateurs magnétohydrodynamiques.

Radiation solaire.

Les moteurs thermiques comprennent les machines qui utilisent l'énergie du mouvement thermique d'une substance ou d'un champ électromagnétique. Les moteurs thermiques sont divisés en moteurs thermiques, convertissant l'énergie du mouvement thermique chaotique de particules de matière ou d'un champ électromagnétique en énergie d'un objet régulier mouvement mécanique les systèmes macroscopiques, et machines frigorifiques, assurant le transfert de chaleur des systèmes à températures plus basses vers les systèmes à températures plus élevées. Comme on le sait, dans la nature, il y a un transfert spontané de chaleur uniquement des systèmes à températures plus élevées vers des systèmes à températures plus basses, ce qui conduit à une égalisation des températures de ces systèmes.

Les questions fondamentales de la création de moteurs thermiques à action cyclique (périodique) ont été posées et résolues pour la première fois par l'ingénieur et scientifique français S. Carnot (1796 - 1832) dans son ouvrage « Réflexions sur la force motrice du feu et sur les machines capables de développer cette force », publié en 1824. et ne fait que 45 pages. Le style de pensée conceptuel de Carnot, qui envisageait les processus dans un moteur thermique à partir des positions les plus générales basées sur la relation entre le mouvement mécanique et thermique, n'a pas été immédiatement compris, même par des scientifiques aussi éminents que Laplace, Fourier, Ampère, Arago, Gay-Lussac, etc. Le travail de Carnot a reçu une reconnaissance générale seulement 10 ans après la publication en 1834 de l'article de E. Clapeyron, où les idées de Carnot étaient présentées sous une forme mathématique accessible à l'aide de graphiques visuels illustrant les processus thermodynamiques.

Sans tenir compte de la conception et des détails des moteurs thermiques utilisés, Carnot a identifié trois éléments fondamentaux de tout moteur thermique cyclique : 1) chauffage de température T 1, servant de réservoir à l'énergie thermique utilisée, 2) réfrigérateur avec température T 2< Т 1 , который также является резервуаром тепловой энергии и используется для сброса теплоты при работе двигателя, 3) Fluide de travail, qui effectue un travail mécanique pendant le cycle.

Faire du vélo est un processus circulaire thermodynamique dans lequel l'état final du système coïncide avec son état initial. Dans les diagrammes de processus thermodynamiques, où n'importe quelle paire de grandeurs thermodynamiques peut être utilisée comme variables et où chaque point du plan désigne un état d'équilibre, le cycle est décrit par une courbe fermée. Dans ce qui suit, on suppose qu'il n'y a pas de pertes d'énergie, que tous les processus du cycle sont réversibles et que le chauffage, le réfrigérateur et le fluide de travail sont uniquement dans des états d'équilibre. Dans ces conditions, le rendement des moteurs thermiques est le plus grand.

Pendant le cycle, le fluide de travail du moteur thermique reçoit une quantité de chaleur Q 1 du réchauffeur, effectue le travail A et libère une certaine quantité de chaleur Q 2< Q 1 холодильнику. Все процессы совершаются quasi-statiquement, ce qui assure leur réversibilité. S'il n'y a pas de pertes d'énergie liées au frottement et au transfert de chaleur vers le milieu extérieur (moteur thermique idéal), selon première loi de la thermodynamique

Q1 = A + Q2. (3.1)

Puisque le fluide de travail revient à son état initial, son changement complet énergie interne par cycle

Par définition, le coefficient action utile moteur thermique

Valeur d'efficacité η dépend du cycle du fluide de travail. Carnot a proposé un cycle qui portera plus tard son nom - Cycle Carnot, qui fournit la valeur d'efficacité maximale si la température maximale du radiateur et la température minimale du réfrigérateur sont spécifiées. Cependant, il n'est pas possible de mettre en œuvre pratiquement le cycle de Carnot, il n'est donc utilisé que dans les études théoriques. D'autres cycles ont été utilisés dans les moteurs thermiques réels, notamment le cycle Otto (moteurs à combustion interne à carburateur), le cycle Diesel (moteurs diesel) et le cycle Clausius-Rankine (moteurs liquides). moteurs de fusée) etc.

Les lois de la thermodynamique ne dépendent donc pas de la nature physique du fluide de travail pour en trouver l'efficacité. un moteur thermique fonctionnant selon le cycle de Carnot est le plus simple à utiliser comme fluide de travail gaz parfait. Le cycle de Carnot pour un gaz parfait est représenté dans le diagramme VP (Fig. 3.1). Cette boucle 12341 est constituée de isothermes 12 à la température de chauffage T 1, adiabatiques 23, où le gaz thermiquement isolé se dilate, isothermes 34à température du réfrigérateur T 2 et adiabatiques 41, où le gaz thermiquement isolé est comprimé et revient à l'état d'équilibre initial 1. Dans la section de l'isotherme 12, le gaz reçoit une quantité de chaleur du réchauffeur, et dans la section de l'isotherme 34, le gaz transfère la quantité de chaleur au réfrigérateur.

Réfrigérateur

Riz. 2.31. Moteur thermique

Chauffage

Fluide de travail du moteur

2.12 Moteurs thermiques

En bref, moteurs thermiques transformer la chaleur en travail ou, à l'inverse, le travail en chaleur.

Les moteurs thermiques sont de deux types selon la direction des processus qui s'y déroulent.

1. Les moteurs thermiques convertissent la chaleur d'une source externe en travail mécanique.

Un moteur à combustion interne automobile est un exemple de moteur thermique. Il convertit la chaleur dégagée lors de la combustion du carburant en énergie mécanique de la voiture.

2. Les machines frigorifiques transfèrent la chaleur d'un corps moins chauffé à un autre plus chauffé en raison de travail mécanique source externe.

Un réfrigérateur domestique qui se trouve dans votre appartement est un exemple de machine frigorifique. Dans celui-ci, la chaleur est évacuée de la chambre frigorifique et transférée à l'espace environnant.

Examinons plus en détail ces types de moteurs thermiques.

2.12.1 Moteurs thermiques

Nous savons que travailler sur un corps est l'un des moyens de modifier son énergie interne : le travail effectué semble se dissoudre dans le corps, se transformant en énergie de mouvement aléatoire et d'interaction de ses particules.

Un moteur thermique est un appareil qui, au contraire, extrait un travail utile de l'énergie interne « chaotique » du corps. L’invention du moteur thermique a radicalement changé le visage de la civilisation humaine.

Le schéma de principe d'un moteur thermique peut être représenté comme suit (Fig. 2.31). Voyons ce que signifient les éléments de ce diagramme.

Le fluide de travail du moteur est le gaz. Il se dilate, déplace le piston et effectue ainsi une mécanique utile.

travail technique.

Mais pour forcer le gaz à se dilater, en surmontant les forces extérieures, il est nécessaire de le chauffer à une température nettement supérieure à la température ambiante. Pour ce faire, le gaz est mis en contact avec le radiateur en brûlant du carburant.

Lors de la combustion du carburant, une énergie importante est libérée, dont une partie est utilisée pour chauffer le gaz. Le gaz reçoit la quantité de chaleur Q1 du radiateur. C'est grâce à cette chaleur que le moteur effectue un travail utile A.

Tout cela est clair. Qu'est-ce qu'un réfrigérateur et pourquoi est-il nécessaire ?

Avec une seule détente de gaz, nous pouvons utiliser la chaleur entrante le plus efficacement possible et la convertir entièrement en travail. Pour

Pour ce faire, le gaz doit se dilater de manière isotherme : la première loi de la thermodynamique, comme on le sait, nous donne dans ce cas A = Q1.

Mais personne n’a besoin d’une extension ponctuelle. Le moteur doit fonctionner de manière cyclique, assurant une répétition périodique des mouvements du piston. Par conséquent, une fois l’expansion terminée, le gaz doit être comprimé pour le ramener à son état d’origine.

Durant le processus de détente, le gaz effectue un travail positif A1. Pendant le processus de compression, un travail positif A2 est effectué sur le gaz (et le gaz lui-même effectue un travail négatif A2). Finalement travail utile gaz par cycle : A = A1 A2.

Bien sûr, il doit y avoir A > 0, ou A2< A1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Comment y parvenir ? Réponse : comprimez le gaz sous des pressions plus faibles que lors de la détente. En d’autres termes, sur le diagramme pV, le processus de compression doit être inférieur au processus d’expansion, c’est-à-dire que le cycle doit se dérouler dans le sens des aiguilles d’une montre (Fig. 2.32).

Riz. 2.32. Cycle du moteur thermique

Par exemple, dans le cycle de la figure, le travail effectué par le gaz lors de la détente est égal à l'aire du trapèze courbe V1 1a2V2. De même, le travail effectué par un gaz lors de la compression est égal à l'aire du trapèze courbe V1 1b2V2 avec un signe moins. De ce fait, le travail A du gaz par cycle s'avère positif et égal à l'aire du cycle 1a2b1.

D'accord, mais comment forcer le gaz à revenir à son état d'origine le long d'une courbe inférieure, c'est-à-dire à travers des états avec des pressions plus faibles ? Rappelons que pour un volume donné, plus la température est basse, plus la pression du gaz est faible. Par conséquent, une fois comprimé, le gaz doit traverser des états où les températures sont plus basses.

C’est exactement à cela que sert un réfrigérateur : refroidir le gaz pendant le processus de compression. Le réfrigérateur peut être de l'atmosphère (pour les moteurs à combustion interne) ou de l'eau courante de refroidissement (pour Turbines à vapeur).

Une fois refroidi, le gaz dégage une certaine quantité de chaleur Q2 au réfrigérateur. La quantité totale de chaleur reçue par le gaz par cycle s'avère être égale à Q1 Q2. D'après la première loi de la thermodynamique :

Q1 Q2 = A + U ;

où U est la variation de l'énergie interne du gaz par cycle. Elle est égale à zéro : U = 0, puisque le gaz est revenu à son état initial (et l'énergie interne, on s'en souvient, est fonction de l'état). De ce fait, le travail du gaz par cycle est égal à :

A = Q1 Q2 :

Comme vous pouvez le constater, A< Q1 : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику для обеспечения цикличности процесса.

voitures

Réfrigérateur

Riz. 2.33. Machine frigorifique

Chauffage

Fluide de travail de réfrigération

Un indicateur de l'efficacité de la conversion de l'énergie de combustion du carburant en travail mécanique est l'efficacité d'un moteur thermique.

Le rendement d'un moteur thermique est le rapport du travail mécanique A à la quantité de chaleur

vous Q1 avez reçu du radiateur :

R : Q1

En tenant compte de la relation (2.12), on a aussi

	T1T2

Le rendement d'un moteur thermique, on le voit, est toujours inférieur à l'unité. Par exemple, le rendement des turbines à vapeur est d'environ 25 % et celui des moteurs à combustion interne est d'environ 40 %.

2.12.2 Machines frigorifiques

L'expérience quotidienne et les expériences physiques nous apprennent que lors du processus d'échange thermique, la chaleur est transférée d'un corps plus chauffé à un corps moins chauffé, mais pas l'inverse. Il n'y a jamais eu de processus dans lesquels, en raison de l'échange de chaleur, l'énergie est spontanément transférée d'un corps froid à un corps chaud, ce qui fait que le corps froid se refroidirait encore plus et que le corps chaud se réchaufferait encore plus.

Le mot clé ici est « spontanément ». Si vous utilisez une source d'énergie externe, il est alors tout à fait possible de réaliser le processus de transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud. C'est ce que font les machines frigorifiques.

Par rapport à un moteur thermique, les processus dans une machine frigorifique se déroulent dans le sens opposé (Fig. 2.33).

Le fluide de travail d'une machine frigorifique est également appelé

qui absorbe la chaleur lors de la dilatation et la restitue lors de la compression21.

Le réfrigérateur d'une machine frigorifique est un corps dont la chaleur est évacuée. Le réfrigérateur transmet le travail

au corps (gaz) la quantité de chaleur Q2, à la suite de laquelle le gaz se dilate.

Lors de la compression, le gaz transfère la chaleur Q1 à un corps plus chaud vers le réchauffeur. Pour qu'un tel transfert de chaleur se produise, le gaz doit être comprimé à plus hautes températures qu’ils ne l’étaient lors de l’expansion. Ceci n’est possible que grâce au travail A0 effectué par une source externe (par exemple un moteur électrique)22. Par conséquent, la quantité de chaleur

que vous avez transférée au radiateur s'avère supérieure à la quantité de chaleur extraite du froid

dilnik, juste par la valeur de A0 :

Q1 = Q2 + A0 :

21 En vrai unités de réfrigération Un réfrigérant est une solution volatile à bas point d’ébullition qui absorbe la chaleur lors de l’évaporation et la restitue lors de la condensation.

22 Dans les unités de réfrigération réelles, le moteur électrique crée une basse pression dans l'évaporateur, ce qui fait que le réfrigérant bout et évacue de la chaleur ; au contraire, dans un condensateur le moteur électrique crée haute pression, sous lequel le réfrigérant se condense et libère de la chaleur.

Ainsi, sur le diagramme pV, le cycle de travail de la machine frigorifique se déroule dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La zone de cycle est le travail A0 effectué par une source externe (Fig. 2.34).

Riz. 2.34. Cycle de refroidissement

L'objectif principal d'une machine frigorifique est de refroidir un certain réservoir (par exemple un congélateur). Dans ce cas, ce réservoir joue le rôle de réfrigérateur, et l'environnement sert de chauffage : la chaleur évacuée du réservoir y est dissipée.

Un indicateur de l'efficacité d'une machine frigorifique est le coefficient de réfrigération, égal au rapport de la chaleur évacuée du réfrigérateur au travail d'une source externe :

Q R 2 0 :

Le coefficient de réfrigération peut être supérieur à un. Dans les vrais réfrigérateurs, il prend des valeurs d'environ 1 à 3.

Il existe une autre application intéressante : une machine frigorifique peut fonctionner comme une pompe à chaleur. Son objectif est ensuite de chauffer un certain réservoir (par exemple, chauffer une pièce) grâce à la chaleur évacuée de l'environnement. Dans ce cas, ce réservoir sera un appareil de chauffage et l'environnement sera un réfrigérateur.

Un indicateur de l'efficacité d'une pompe à chaleur est le coefficient de chauffage, égal au rapport de la quantité de chaleur transférée au réservoir chauffé au travail

source externe:

Q R 1 0 :

Les valeurs du coefficient de chauffage des vraies pompes à chaleur sont généralement comprises entre 3 et 5.

2.12.3 Moteur thermique Carnot

Les caractéristiques importantes d'un moteur thermique sont les températures les plus élevées et les plus basses du fluide de travail pendant le cycle. Ces valeurs sont appelées respectivement température du chauffage et température du réfrigérateur.

Nous avons vu que le rendement d'un moteur thermique est strictement inférieur à l'unité. Une question naturelle se pose : quel est le rendement le plus élevé possible d'un moteur thermique avec des valeurs fixes de température de chauffage T1 et de température de réfrigérateur T2 ?

Supposons, par exemple, que la température maximale du fluide de travail du moteur soit de 1 000 K et la température minimale de 300 K. Quelle est la limite théorique de l'efficacité d'un tel moteur ?

La réponse à cette question a été donnée par le physicien et ingénieur français Sadi Carnot en 1824. Il a inventé et étudié un moteur thermique remarquable avec gaz parfait comme

Fluide de travail. Cette machine fonctionne selon un cycle de Carnot composé de deux isothermes et de deux adiabatiques.

Considérons le cycle direct de la machine de Carnot, dans le sens des aiguilles d'une montre (Fig. 2.35). Dans ce cas, la machine fonctionne comme un moteur thermique.

T23

Riz. 2.35. Cycle Carnot

Isotherme 1 ! 2. Sur le site 1 ! 2, le gaz est mis en contact thermique avec le réchauffeur thermique T1 et se détend de manière isotherme. La quantité de chaleur Q1 provient du chauffage et est entièrement convertie en travail dans cette section : A12 = Q1.

Adiabète 2 ! 3. Pour une compression ultérieure, il est nécessaire de transférer le gaz vers une zone de plus grande basses températures. Pour ce faire, le gaz est isolé thermiquement puis se dilate de manière adiabatique dans la section 2 ! 3. En expansion, le gaz effectue un travail positif A23, et de ce fait son énergie interne diminue : U23 = A23.

Isotherme 3 ! 4. L'isolation thermique est retirée, le gaz est mis en contact thermique avec le réfrigérateur à la température T2. Une compression isotherme se produit. Le gaz transfère la quantité de chaleur Q2 au réfrigérateur et effectue un travail négatif A34 = Q2.

Adiabète 4 ! 1. Cette section est nécessaire pour remettre le gaz dans son état d'origine. Lors de la compression adiabatique, le gaz effectue un travail négatif A41, et la variation de l'énergie interne est positive : U41 = A41. Le gaz est chauffé jusqu'à la température initiale T1.

Carnot a trouvé l'efficacité de ce cycle (les calculs dépassent malheureusement le cadre du programme scolaire) :

	T1T2

De plus, il a prouvé que le rendement du cycle de Carnot est le maximum possible pour tous les moteurs thermiques avec une température de chauffage T1 et une température de refroidissement T2.

Ainsi, dans l’exemple ci-dessus (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) on a :

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

Quel est l'intérêt d'utiliser des isothermes et des adiabatiques, et non certains autres processus ? Il s'avère que les processus isothermes et adiabatiques rendent la machine de Carnot réversible. Il peut fonctionner en cycle inverse (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) entre le même radiateur et le même réfrigérateur, sans impliquer d'autres appareils. Dans ce cas, la machine Carnot fonctionnera comme une machine frigorifique.

La capacité de faire fonctionner une machine Carnot dans les deux sens joue un rôle très important grand rôle en thermodynamique. Par exemple, ce fait sert de lien dans la preuve de l'efficacité maximale du cycle de Carnot. Nous y reviendrons dans le prochain article sur la deuxième loi de la thermodynamique.

1. Moteurs thermiques.

un appareil qui convertit la chaleur en travail mécanique (moteur thermique) ou le travail mécanique en chaleur (réfrigérateur). La transformation s'effectue en modifiant l'énergie interne du fluide de travail, en pratique, il s'agit généralement d'un liquide ou d'un gaz.

Bref, les moteurs thermiques transformer la chaleur en travail ou, à l'inverse, le travail en chaleur.

Exemples de moteurs thermiques : Moteur à combustion interne (ICE) a) moteur à carburateur b) moteur diesel V) moteur d'avion Turbines à vapeur et à gaz.

1.1. Histoire de la création des moteurs thermiques.

Beaucoup pensent que l’histoire des machines à vapeur n’a commencé qu’à la fin du XVIIe siècle en Angleterre. Mais ce n’est pas tout à fait vrai.

Au premier siècle avant JC, l'un des grands scientifiques de la Grèce antique, Héron d'Alexandrie, a écrit le traité « Pneumatique ». Il décrivait des machines utilisant de l’énergie thermique. Les plus intéressants pour nous étaient deux moteurs thermiques.

Aeolipile - la boule "Aeolus", tournait autour de son axe sous l'influence de la vapeur qui s'en échappait. En fait c'étaitprototype des futures turbines à vapeur.

Un autre dispositif remarquable du Héron d'Alexandrie était l'ouverture des portes du temple, qui s'ouvraient sous l'influence du feu allumé sur l'autel. À analyse détaillée dans ce système complexe de mécanismes, nous pouvons voirpremière pompe à vapeur.

Tous les moteurs thermiques créés par Héron d'Alexandrie n'étaient utilisés que comme jouets. Ils n’étaient pas très demandés à l’époque.

Histoire vraie les machines à vapeur n'ont commencé qu'au 17ème siècle. L'un des premiers à créerprototype fonctionnel d'une machine à vapeur, était Denis Papin. La machine à vapeur de Papen n’était en réalité qu’un croquis, un modèle. Il n'a jamais réussi à créer une véritable machine à vapeur pouvant être utilisée en production. 1680 Inventeur de la chaudière à vapeur en 1681. Equipé d'une soupape de sécurité 1690. Il fut le premier à utiliser la vapeur pour soulever un piston et décrire le cycle thermodynamique fermé d'une machine à vapeur. 1707 Fourni une description de votre moteur. Mais ses œuvres ne furent pas oubliées pendant des millénaires comme celles de Héron. Toutes ses idées ont trouvé une application dans la prochaine génération de machines à vapeur.

S'il est très difficile d'établir exactement qui a été le premier dans l'histoire de la technologie à créer une machine à vapeur, alors qui a été le premier à breveter et à mettre en pratique sa machine à vapeur est connu de manière fiable. En 1698, l'Anglais Thomas Severi enregistra le premierbrevet pour un dispositif « permettant de faire monter l’eau et d’obtenir le mouvement de tous types de production à l’aide de la force motrice du feu… ». Comme vous pouvez le constater, la description du brevet est très vague. En fait, il a créé la première pompe à vapeur. La seule chose qu'il pouvait faire était de faire monter l'eau. Dans le même temps, l'efficacité de la pompe était extrêmement faible et la consommation de charbon était tout simplement énorme. C’est pourquoi la pompe était principalement utilisée dans les mines de charbon. Ils ont pompé les eaux souterraines.

En 1712, le monde a vu machine à vapeur Thomas Newcomen. Machine à vapeur de Newcomen incorporée meilleures idées de la machine à vapeur Papen et de la pompe à vapeur Severi. Il utilisait un cylindre à vapeur avec un piston pour effectuer le mouvement, tout comme dans la machine à vapeur de Papen. Dans ce cas, la vapeur était produite séparément, dans une chaudière à vapeur, comme dans la pompe à vapeur Severi.

Malgré une avancée majeure dans la création de machines à vapeur, la machine de Newcomen n'a reçu sa distribution principale que comme entraînement pour pompes à eau. Les principaux inconvénients de la machine à vapeur de Newcomen étaient sa taille énorme et sa consommation élevée de charbon. Les tentatives visant à l'utiliser pour conduire des bateaux à vapeur ont échoué.

Plus de 50 ans Machine à vapeur Newcomen est resté inchangé. En 1763, James Watt, qui travaillait comme mécanicien à l'Université de Glasgow, se vit proposer de réparer la machine à vapeur de Newcomen. En travaillant avec la machine de Newcomen, Watt vient à l'idée qu'il serait bien de l'améliorer.

Tout d’abord, Watt décide que le cylindre à vapeur doit rester constamment chaud. Cela réduira la consommation de charbon. Pour ce faire, il crée un condenseur pour refroidir la vapeur. La prochaine chose qu'il fait est de changer la façon dont fonctionne le cylindre à vapeur. Si dans la machine à vapeur de Newcomen, la machine effectuait sa course de travail sous l'influence de la pression atmosphérique, alors dans la machine à vapeur de Watt, le piston accomplissait sa course de travail sous l'influence de la pression de la vapeur. Grâce à cela, il a été possible d'augmenter la pression dans le cylindre et de réduire la taille de la machine à vapeur.

En 1773, Watt construisit son premiermachine à vapeur en état de marche. Et en 1774, avec l'industriel Matthew Bolton, Watt ouvrit une entreprise de production de machines à vapeur. De 1775 à 1785, l'entreprise de Watt a construit 56 machines à vapeur. De 1785 à 1795 la même entreprise en a déjà fourni 144. Les choses allaient bien et Bolton demanda à Watt de créer une machine à vapeur pour sa nouvelle usine de laminage de tôles.

En 1884, Watt crée le premiermachine à vapeur universelle.Son objectif principal est de piloter des machines industrielles. Désormais, la machine à vapeur n’est plus liée aux mines de charbon. Ils commencent à l’utiliser dans les usines, à l’installer sur les navires et à créer des trains.

C'est la machine à vapeur de Watt qui a réalisé une percée technologique. Cela a ouvert une nouvelle ère dans l’histoire de la technologie : l’ère des machines à vapeur.

La première voiture à vapeur 1770. Jean Cugnot, ingénieur français, a construit le premier chariot automoteur conçu pour déplacer des pièces d'artillerie

"Jeune frère" - locomotive à vapeur 1803 ¶ inventeur anglais Richard Trevithick a conçu la première locomotive à vapeur. Après 5 ans, Trevithick construit une nouvelle locomotive. il atteignait des vitesses allant jusqu'à 30 km/h. En 1816, n'ayant aucun soutien, Trevithick fit faillite et partit pour l'Amérique du Sud.

Rôle décisif 1781-1848 Designer et inventeur anglais George Stephenson 1814 Commence à construire des locomotives à vapeur. 1823 Fonde la première usine de locomotives à vapeur au monde en 1829. Au concours des meilleures locomotives, la locomotive à vapeur "Rocket" de Stephenson a pris la première place. Sa puissance était de 13 ch et sa vitesse de 47 km/h.

Moteur à combustion interne 1860Le mécanicien français Lenoir a inventé le moteur à combustion interne en 1878. L'inventeur allemand Otto a conçu un moteur à combustion interne à quatre temps. 1825 L'inventeur allemand Daimler a créé un moteur à combustion interne à essence. Moteur à gaz a été développé par Kostovich en Russie.

Appareil spécial. Carburateur.L'ingénieur allemand Rudolf Diesel a conçu un moteur à combustion interne dans lequel ce n'est pas un mélange combustible qui est comprimé, mais de l'air. Ce sont les moteurs thermiques les plus économiques 1) fonctionnent avec des types de carburant bon marché 2) ont un rendement de 31 à 44 % le 29 septembre 1913. Je suis monté à bord d'un bateau à destination de Londres. Le lendemain matin, il n'a pas été retrouvé dans la cabane. On pense qu'il s'est suicidé en sautant dans les eaux de la Manche pendant la nuit.

1.2. Le principe de fonctionnement d'un moteur thermique.

Les moteurs thermiques peuvent être conçus de différentes manières, mais dans tout moteur thermique, il doit y avoir une substance ou un corps de travail qui effectue un travail mécanique dans la partie active de la machine, un appareil de chauffage où la substance de travail reçoit de l'énergie et un réfrigérateur qui prend la chaleur de le fluide de travail.

La substance active peut être de la vapeur d'eau ou du gaz.

1.3. Types de moteurs thermiques.

Les moteurs thermiques sont de deux types, selon la direction des processus qui s'y déroulent :
1. Moteurs thermiquesconvertir la chaleur provenant d'une source externe en travail mécanique.

Machines frigorifiquestransférer la chaleur d'un corps moins chauffé à un autre plus chauffé en raison du travail mécanique d'une source externe.

Examinons plus en détail ces types de moteurs thermiques.

1.3.1. Moteurs thermiques.

Nous savons que travailler sur un corps est l'un des moyens de modifier son énergie interne : le travail effectué semble se dissoudre dans le corps, se transformant en énergie de mouvement aléatoire et d'interaction de ses particules.

Un moteur thermique est un appareil qui, au contraire, extrait un travail utile de l'énergie interne « chaotique » du corps. L’invention du moteur thermique a réellement changé le visage de la civilisation humaine.

Le schéma de principe d'un moteur thermique peut être représenté comme suit :

Voyons ce que signifient les éléments de ce diagramme.

Fluide de travail le moteur est à essence. Il se dilate, déplace le piston et effectue ainsi un travail mécanique utile.

Mais pour forcer le gaz à se dilater, en surmontant les forces extérieures, il est nécessaire de le chauffer à une température nettement supérieure à la température ambiante. Pour ce faire, le gaz est mis en contact avec un radiateur brûlant du carburant.

Lors de la combustion du carburant, une énergie importante est libérée, dont une partie est utilisée pour chauffer le gaz. Le gaz reçoit du radiateur la quantité de chaleur Qн . C'est grâce à cette chaleur que le moteur fait un travail utile. UN .

Tout est clair, mais qu’est-ce qu’un réfrigérateur et pourquoi est-il nécessaire ?

Avec une seule détente de gaz, nous pouvons utiliser la chaleur entrante le plus efficacement possible et la convertir entièrement en travail. Pour ce faire, il faut dilater le gaz de manière isotherme : la première loi de la thermodynamique, comme on le sait, nous donne dans ce cas A = Qn.

Mais personne n’a besoin d’une extension ponctuelle. Le moteur doit tourner de manière cyclique assurer la répétabilité périodique des mouvements du piston. Par conséquent, une fois l’expansion terminée, le gaz doit être comprimé pour le ramener à son état d’origine.

Pendant le processus de détente, le gaz effectue un travail utile A1. Pendant le processus de compression, un travail positif A2 est effectué sur le gaz (et le gaz lui-même effectue un travail négatif A2). De ce fait, le travail utile du gaz pour le cycle est A = A1-A2.

Bien sûr, il doit y avoir A>0 ou A2<А1 (иначе никакого смысла в двигателе нет). Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Comment y parvenir ? Réponse : Comprimez le gaz sous des pressions plus faibles que lors de la détente. En d'autres termes, sur le diagramme pV, le processus de compression doit descendre en dessous du processus d'expansion, c'est-à-dire Cycle doit être fait dans le sens des aiguilles d’une montre.

Par exemple, dans le cycle de la figure, le travail effectué par le gaz lors de la détente est égal à l'aire du trapèze courbe V11a2V2. De même, le travail effectué lors de la compression des gaz est égal à l'aire du trapèze courbe V11b2V2 avec un signe moins. De ce fait, le travail A du gaz par cycle s'avère positif et égal à l'aire du cycle 1a2b1.

D'accord, mais comment faire revenir le gaz à son état initial le long d'une courbe plus basse, c'est-à-dire e) À travers des États dotés de divisions plus petites ? Rappelons que pour un volume donné, plus la température est basse, plus la pression du gaz est faible. Par conséquent, une fois comprimé, le gaz doit traverser des états où les températures sont plus basses.

C'est exactement à cela que sert un réfrigérateur : cool gaz en cours de compression. Le réfrigérateur peut être de l'atmosphère (pour les moteurs à combustion interne) ou de l'eau courante de refroidissement (pour les turbines à vapeur).

Une fois refroidi, le gaz dégage une certaine quantité de chaleur Q2 au réfrigérateur. La quantité totale de chaleur reçue par le gaz par cycle devient égale à Q1-Q2. D'après la première loi de la thermodynamique :
Q 1- Q 2= A + deltaU,

où deltaU change l'énergie interne du gaz par cycle. Il est égal à zéro deltaU=0, puisque le gaz est revenu à son état d'origine (et l'énergie interne, on s'en souvient, est fonction d'état). De ce fait, le travail du gaz par cycle est égal à :
A = Q1-Q2.

Comme vous pouvez le constater, A

Un indicateur de l'efficacité de la conversion de l'énergie de combustion du carburant en travail mécanique est l'efficacité d'un moteur thermique.

Efficacité du moteur thermiqueil s'agit du rapport entre le travail mécanique A et la quantité de chaleur Q1 reçue du radiateur.

Le rendement d'un moteur thermique, on le voit, est toujours inférieur à l'unité. Par exemple, le rendement des turbines à vapeur est d'environ 25 % et celui des moteurs à combustion interne est d'environ 40 %.

1.3.2. Machines frigorifiques.

L'expérience quotidienne et les expériences physiques nous apprennent que lors du processus d'échange thermique, la chaleur est transférée d'un corps plus chauffé à un corps moins chauffé, mais pas l'inverse. Il n'y a jamais eu de processus dans lesquels, en raison de l'échange de chaleur, l'énergie est spontanément transférée d'un corps froid à un corps chaud, ce qui fait que le corps froid se refroidirait encore plus et que le corps chaud se réchaufferait encore plus.

Le mot clé ici est « spontanément ». Si vous utilisez une source d'énergie externe, il est alors tout à fait possible de réaliser le processus de transfert de chaleur d'un corps froid à un corps chaud. C'est ce que font les machines frigorifiques.

Par rapport à un moteur thermique, les processus dans une machine frigorifique vont dans le sens opposé. (Fig.86).

Fluide de travail la machine frigorifique est également appelée réfrigérant (dans les vrais groupes frigorifiques, le réfrigérant est une solution volatile à bas point d'ébullition, qui absorbe de la chaleur lors de l'évaporation et la restitue lors de la condensation). Pour simplifier, nous le considérerons comme un gaz qui absorbe de la chaleur lors de la détente et la restitue lors de la compression.

Réfrigérateur (T2) dans une machine frigorifique le corps duquel la chaleur est évacuée. Le réfrigérateur transfère la quantité de chaleur Q2 au fluide de travail (gaz), ce qui entraîne la dilatation du gaz.

Pendant la compression, le gaz transfère la chaleur Q1 vers un réchauffeur de corps plus chaud (T1). Pour qu’un tel transfert de chaleur se produise, le gaz doit être comprimé à des températures plus élevées que lors de la détente. Ceci n'est possible que grâce au travail A effectué par une source externe (par exemple, un moteur électrique) (dans les unités de réfrigération réelles, le moteur électrique crée une basse pression dans l'évaporateur, à la suite de laquelle le réfrigérant bout et évacue de la chaleur ; au contraire, dans le condenseur, le moteur électrique crée une haute pression sous laquelle le réfrigérant se condense et dégage de la chaleur). Par conséquent, la quantité de chaleur transférée au radiateur s’avère supérieure à la quantité de chaleur extraite du réfrigérateur, juste de la valeur A.

Q1= Q2+A.

Ainsi, sur le diagramme pV, le cycle de fonctionnement de la machine frigorifique va dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. La zone du cycle est le travail A effectué par une source externe,

L'objectif principal d'une machine frigorifique est de refroidir un certain réservoir (par exemple un congélateur). Dans ce cas, ce réservoir joue le rôle de réfrigérateur, et l'environnement sert de chauffage : la chaleur évacuée du réservoir y est dissipée.

Un indicateur de l’efficacité d’une machine frigorifique est coefficient de performance, égal au rapport entre la chaleur extraite du réfrigérateur et le travail d'une source externe :

A = Q2/A

Le coefficient de réfrigération peut être supérieur à un. Dans les vrais réfrigérateurs, il prend des valeurs d'environ 1 à 3.

Il existe une autre application intéressante : une machine frigorifique peut fonctionner comme une pompe à chaleur. Son objectif est ensuite de chauffer un certain réservoir (par exemple, chauffer une pièce) grâce à la chaleur évacuée de l'environnement. Dans ce cas, ce réservoir sera un radiateur et l'environnement sera un réfrigérateur.

Un indicateur de l’efficacité d’une pompe à chaleur est coefficient de chauffage, égal au rapport de la quantité de chaleur transférée au réservoir chauffé au travail de la source externe.

Les valeurs du coefficient de chauffage des vraies pompes à chaleur sont généralement comprises entre 3 et 5.

1.4. Moteur thermique Carnot.

Les caractéristiques importantes d'un moteur thermique sont les températures les plus élevées et les plus basses du fluide de travail pendant le cycle. Ces valeurs sont appelées en conséquencetempérature du radiateur Et température du réfrigérateur.

Nous avons vu que le rendement d'un moteur thermique est strictement inférieur à l'unité. Une question naturelle se pose : quel est le rendement le plus élevé possible d'un moteur thermique avec des valeurs fixes de température de chauffage T1 et de température de réfrigérateur T2 ?

Supposons, par exemple, que la température corporelle maximale d'un moteur en fonctionnement soit de 1 000 K et la température minimale de 300 K. Quelle est la limite théorique de l'efficacité d'un tel moteur ?

La réponse à cette question a été donnée par le physicien et ingénieur français Sadi Carnot en 1824. Il a inventé et étudié un moteur thermique remarquable avec un gaz parfait comme fluide de travail. Cette machine fonctionne sur le cycle Carnot , composé de deux isothermes et de deux adiabatiques.

Envisagez un cycle avancé Machine Carnot se déplaçant dans le sens des aiguilles d’une montre. Dans ce cas, la machine fonctionne comme un moteur thermique.

Isotherme 1-2. Dans la section 1-2, le gaz est mis en contact thermique avec le réchauffeur thermique T1 et se dilate de manière isotherme. La quantité de chaleur Q1 provient du chauffage et est entièrement convertie en travail dans cette section : A12 = Q1.

Adiabète 2-3. Pour la compression suivante, le gaz doit être transféré dans une zone de températures plus basses. Pour ce faire, le gaz est isolé thermiquement puis se dilate de manière adiabatique dans la section 2-3. En expansion, le gaz effectue un travail positif A23, et de ce fait son énergie interne diminue : deltaU23 = - A23.

Isotherme 3-4. L'isolation thermique est retirée, le gaz est mis en contact thermique avec un réfrigérateur à température T2. Une compression isotherme se produit. Le gaz transfère la quantité de chaleur Q2 au réfrigérateur et effectue un travail négatif A34 = - Q2.

Adiabète 4-1. Cette section est nécessaire pour remettre le gaz dans son état d'origine. Lors de la compression adiabatique, le gaz effectue un travail négatif A41. Le gaz est chauffé jusqu'à la température initiale T1.

Carnot a trouvé l'efficacité de ce cycle (les calculs dépassent malheureusement le cadre du programme scolaire).

De plus, il a prouvé queLe rendement du cycle de Carnot est le maximum possible pour tous les moteurs thermiques de température de chauffage T1 et de température de refroidissement T2.. Ainsi, dans l’exemple ci-dessus (T1=1000 K, T2=300 K) nous avons :

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

Quel est l'intérêt d'utiliser des isothermes et des adiabatiques, et non certains autres processus ?

Il s'avère que les processus isothermes et adiabatiques rendent la machine de Carnot réversible . Il peut être lancé par cycle inverse (dans le sens inverse des aiguilles d'une montre) entre le même radiateur et le même réfrigérateur, sans impliquer d'autres appareils. Dans ce cas, la machine Carnot fonctionnera comme une machine frigorifique.

La capacité de faire fonctionner une machine de Carnot dans les deux sens joue un rôle très important en thermodynamique. Par exemple, ce fait sert de lien dans la preuve de l'efficacité maximale du cycle de Carnot.

2. Fusée.

- (de l'italien rocchetta petit fuseau en passant par l'allemand Rakete ou le néerlandais raket) avion se déplaçant dans l'espace sous l'action de la poussée du jet, résultant uniquement du rejet d'une partie de sa propre masse (fluide de travail) de l'appareil et sans le utilisation de substances provenant de l'environnement . Le vol d’une fusée ne nécessitant pas nécessairement la présence d’un environnement aérien ou gazeux environnant, il est possible non seulement dans l’atmosphère, mais également dans le vide. Le mot « fusée » fait référence à une large gamme d’engins volants, depuis les pétards festifs jusqu’aux lanceurs spatiaux.

Dans la terminologie militaire, le mot missile fait référence à une classe, généralement de véhicules aériens sans pilote, utilisée pour détruire des cibles lointaines et utilisant le principe de la propulsion à réaction pour le vol. En raison de l’utilisation diversifiée des missiles dans les forces armées et dans les différentes branches de l’armée, une large classe de différents types d’armes de missiles a vu le jour.

1.1. Histoire de la science des fusées.

On suppose qu'une sorte de fusée a été conçue à l'époqueLa Grèce antique par Alix Sin. Nous parlons de la colombe volante en bois d'Archytas de Tarente.Son invention est mentionnée dans l'ouvrageÉcrivain romain antique Aulus Gellius « Nuits du grenier ».Le livre dit que l'oiseau a été soulevé à l'aide de poids et mis en mouvement par un souffle d'air caché et caché. Cela n'est pas encore établi : le pigeon s'est-il mis en mouvement sous l'influence de l'air intérieur ou de l'air qui soufflait sur lui de l'extérieur ? On ne sait toujours pas comment Archytas aurait pu obtenir de l'air comprimé à l'intérieur du pigeon. Dans l'ancienne traditionLa pneumatique n’a pas d’analogue à cette utilisation de l’air comprimé.

La plupart des historiens datent les origines des fusées à l'époqueDynastie Han de Chine (206 avant JC - 220 après JC), à la découverte de la poudre à canon et à son utilisation pour les feux d'artifice et les divertissements. La force générée par l’explosion d’une charge de poudre était suffisante pour déplacer divers objets.Plus tard, ce principe trouva application dans la création du premierfusils et mousquets. Obus d'armes à poudrepouvaient voler sur de longues distances, mais n'étaient pas des fusées, car ils n'avaient pas leurs propres réserves carburant. Cependant, c'est l'invention de la poudre à canon qui est devenue la principale condition préalable à l'émergence de véritables fusées.

La première fusée a été créée par l’homme il y a au moins 700 ans. Au XIIIe siècle, les Chinois ont utilisé pour la première fois des roquettes, ou « flèches de feu », comme on les appelait alors, contre les envahisseurs mongols et ont plongé l'ennemi dans la confusion et la panique.

Lors de la bataille de Kaiken en 1232, les Chinois ont tiré des « flèches de feu », auxquelles était attaché un tube de papier compacté, ouvert uniquement à l'arrière et rempli d'une composition inflammable. Cette charge était allumée et la flèche était ensuite lâchée à l'aide d'un arc. De telles flèches furent utilisées dans de nombreux cas lors du siège des fortifications, contre les navires et la cavalerie. Après la bataille de Kaiken, les Mongols ont commencé à produire leurs propres fusées et ont contribué à diffuser la première technologie de fusée en Europe.

Du XIIIe au XVe siècle, diverses expériences avec des fusées ont été rapportées. En Angleterre, un moine nommé Roger Bacon travaillait sur une nouvelle formule de poudre à canon qui augmenterait la portée des projectiles des fusées. En France, Jean Froissart a découvert que le vol d'un projectile pouvait être plus précis si la fusée était lancée à travers un tube. L'idée de Froissart a donné l'impulsion à la création de missiles antichar comme le bazooka plusieurs siècles plus tard. En Italie, Gian de Fontana a développé un missile en forme de torpille qui se déplaçait à la surface de l'eau pour incendier les navires ennemis.

Cependant, l'innovateur de la technologie moderne des fusées peut être appelé le prince indien Haidar Ali, qui régnait sur le royaume de Mysore (ou Karnataka), dans le sud de l'Inde. Pendant les guerres entre Mysore et la British Haidar East India Trading Company, Ali a déployé des missiles et des régiments de missiles en tant que troupes régulières. La principale innovation technologique était l'utilisation d'une coque métallique de haute qualité dans laquelle était placée une charge de poudre à canon (c'est ainsi qu'est apparue la première chambre de combustion). Haidar Ali a également créé des escouades de missiles spécialement entraînées, capables de guider les missiles vers des cibles distantes avec une précision raisonnable. L'utilisation de missiles dans les guerres anglo-Mysore a donné aux Britanniques l'idée d'utiliser ce type d'armes. William Congreve, un officier des forces britanniques qui a capturé plusieurs missiles indiens, a envoyé ces obus en Angleterre pour une étude et un développement plus approfondis. En 1804, Congreve, fils du chef de l'arsenal royal de Woolwich, près de Londres, commença à développer un programme de fusées et à produire en série des fusées. Congreve a fabriqué un nouveau mélange combustible et développé un moteur-fusée et un tuyau métallique avec une pointe en forme de cône. Ces fusées, pesant 15 kg, étaient appelées « Congreve Rockets ».

L'artillerie à fusée a été largement utilisée jusqu'à la fin du XIXe siècle. Les roquettes étaient plus légères et plus mobiles que les pièces d'artillerie. La précision et l'exactitude des tirs de missiles étaient faibles, mais comparables à celles des canons d'artillerie de l'époque. Cependant, dans la seconde moitié du XIXe siècle, des pièces d'artillerie rayées sont apparues, offrant une plus grande précision et précision de tir, et l'artillerie à roquettes a été retirée du service partout. Seulement des feux d'artifice etfusées éclairantes.

À la fin du XIXe siècle, des tentatives ont été faites pour expliquer mathématiquement la propulsion à réaction et créer des fusées plus efficaces. En Russie, Nikolaï Tikhomirov fut l’un des premiers à s’attaquer à cette question en 1894.

La théorie de la propulsion à réaction a été étudiée par Konstantin Tsiolkovsky. Il a avancé l'idée d'utiliser des fusées pour les vols spatiaux et a fait valoir que le carburant le plus efficace pour elles serait une combinaison d'oxygène liquide et d'hydrogène. Il a conçu une fusée pour les communications interplanétaires en 1903.

Le scientifique allemand Hermann Oberth a également exposé les principes du vol interplanétaire dans les années 1920. En outre, il a effectué des essais au banc de moteurs de fusée.

Le scientifique américain Robert Goddart a commencé à développer un moteur-fusée à propergol liquide en 1923 et un prototype fonctionnel a été créé à la fin de 1925. 16 mars 1926 Il a lancé la première fusée à propergol liquide, utilisant de l'essence et de l'oxygène liquide comme carburant.

Le 17 août 1933, le missile GIRD 9 est lancé, qui peut être considéré comme le premier missile anti-aérien soviétique. Il atteignait une hauteur de 1,5 km. Et la fusée suivante, GIRD 10, lancée le 25 novembre 1933, atteignait déjà une altitude de 5 km.

Le 14 mars 1931, Johannes Winkler, membre du VfR, réalise le premier lancement réussi d'une fusée à propergol liquide en Europe.

En 1957 En URSS, sous la direction de Sergueï Korolev, le premier missile balistique intercontinental R-7 au monde a été créé comme moyen de transport d'armes nucléaires, qui a été utilisé la même année pour lancer le premier satellite artificiel terrestre au monde. C’est ainsi qu’a commencé l’utilisation de fusées pour les vols spatiaux.

2.2. Forces agissant sur une fusée en vol.

La science qui étudie les forces agissant sur les fusées ou autres engins spatiaux s’appelle l’astrodynamique.

Les principales forces agissant sur une fusée en vol :

Poussée du moteur.

Lorsque vous vous déplacez dans l'atmosphère - toute résistance.

Force de levage. Généralement petit, mais important pour les avions-fusées.

2.3. Utilisation de missiles.

2.3.1.Affaires militaires.

Les roquettes sont utilisées comme méthode pour livrer des armes à une cible. La petite taille et la vitesse élevée des missiles leur confèrent une faible vulnérabilité. Puisqu’un pilote n’est pas nécessaire pour contrôler un missile de combat, celui-ci peut transporter des charges d’une grande puissance destructrice, y compris nucléaires. Les systèmes modernes de guidage et de navigation confèrent aux missiles une plus grande précision et maniabilité.

Il existe de nombreux types de missiles militaires qui diffèrent par leur portée de vol, ainsi que par le site de lancement et le lieu de frappe de la cible (« sol », « air »). Les systèmes de défense antimissile sont utilisés pour combattre les missiles militaires.

Il existe également des fusées éclairantes et des fusées éclairantes.

2.3.2. Recherche scientifique.

Des fusées géophysiques et météorologiques sont utilisées à la place des avions et des ballons à des altitudes supérieures à 30 à 40 kilomètres. Les fusées n'ont pas de plafond restrictif et sont utilisées pour sonder les couches supérieures de l'atmosphère, principalement la mésosphère et l'ionosphère.

Il existe une division des fusées en fusées météorologiques légères, capables d'élever un ensemble d'instruments à une altitude d'environ 100 kilomètres, et en fusées géophysiques lourdes, qui peuvent transporter plusieurs ensembles d'instruments et dont l'altitude de vol est pratiquement illimitée.

En règle générale, les fusées scientifiques sont équipées d'instruments permettant de mesurer la pression atmosphérique, le champ magnétique, le rayonnement cosmique et la composition de l'air, ainsi que d'équipements permettant de transmettre les résultats des mesures par radio au sol. Il existe des modèles de fusées dans lesquels les instruments contenant les données obtenues lors de l'ascension sont descendus au sol à l'aide de parachutes.

La recherche météorologique sur les fusées a précédé la recherche sur les satellites, de sorte que les premiers satellites météorologiques disposaient des mêmes instruments que les fusées météorologiques. La première fois qu'une fusée a été lancée pour étudier les paramètres de l'environnement aérien, c'était le 11 avril 1937, mais les lancements réguliers de fusées ont commencé dans les années 1950, lorsqu'une série de fusées scientifiques spécialisées ont été créées.

2.3.3. Cosmonautes.

La fusée est jusqu’à présent le seul véhicule capable de lancer un vaisseau spatial dans l’espace. Des moyens alternatifs pour mettre les engins spatiaux en orbite, tels que «l'ascenseur spatial», les canons électromagnétiques et conventionnels, sont encore au stade de la conception.

2.3.4. Sport.

Il y a des gens passionnés par la modélisation de fusées, dont le passe-temps est de construire et de lancer des modèles réduits de fusées. Les fusées sont également utilisées dans les feux d’artifice amateurs et professionnels.

3. Moteur à réaction.

Un moteur qui crée la force de traction nécessaire au mouvement en convertissant l'énergie interne du carburant en énergie cinétique du jet du fluide de travail. Le fluide de travail, en ce qui concerne les moteurs, est compris comme une substance (gaz, liquide, solide) à l'aide de laquelle l'énergie thermique libérée lors de la combustion du carburant est convertie en travail mécanique utile. Différents types d’énergie (chimique, nucléaire, électrique, solaire) peuvent être convertis en énergie cinétique (vitesse) d’un jet dans un avion-fusée. La base d'un moteur à réaction est la chambre de combustion, où le carburant est brûlé (la source d'énergie primaire) et le fluide de travail est généré - les gaz chauds (produits de combustion du carburant). La principale caractéristique de la force réactive est qu’elle résulte de l’interaction de parties du système sans aucune interaction avec des corps externes.

3.1. Histoire des moteurs à réaction.

L’histoire des moteurs à réaction est inextricablement liée à l’histoire de l’aviation. Les progrès de l'aviation tout au long de son existence ont été assurés principalement par les progrès des moteurs d'avion, et les exigences toujours croissantes imposées aux moteurs par l'aviation ont été un puissant stimulant pour le développement de la construction de moteurs d'avion. Considéré comme le premier avion, le Flyer 1 était équipé d'un moteur à combustion interne à pistons, et cette solution technique est restée indispensable dans l'aviation pendant quarante ans. Les moteurs à pistons d'aviation ont été améliorés, leur puissance et le rapport poussée/poids de l'avion lui-même ont augmenté.

Au tout début des années 30, des travaux ont commencé en URSS liés à la création d'un moteur à réaction pour avions. L'ingénieur soviétique F.A. Tsander a exprimé l'idée d'un avion-fusée à haute altitude en 1920. Son moteur OR-2, fonctionnant à l'essence et à l'oxygène liquide, était destiné à être installé sur un prototype d'avion.

En 1939, des essais en vol de statoréacteurs (statoréacteurs) ont eu lieu en URSS sur l'avion I-15 conçu par N.N. Polikarpov. Des moteurs statoréacteurs conçus par I.A. Merkulov ont été installés sur les plans inférieurs de l'avion comme moteurs supplémentaires. Les premiers vols ont été effectués par le pilote d'essai expérimenté P.E. Loginov. À une altitude donnée, il a accéléré la voiture jusqu'à la vitesse maximale et a démarré les moteurs à réaction. La poussée des statoréacteurs supplémentaires augmentait la vitesse de vol maximale. En 1939, la fiabilité du démarrage des moteurs en vol et la stabilité du processus de combustion ont été testées. Pendant le vol, le pilote pouvait allumer et éteindre le moteur à plusieurs reprises et ajuster sa poussée. Le 25 janvier 1940, après des essais en usine des moteurs et une vérification de leur sécurité lors de nombreux vols, un test officiel eut lieu : le vol d'un avion équipé d'un statoréacteur. Décollant de l'aérodrome central de Frunze à Moscou, le pilote Loginov a démarré les réacteurs à basse altitude et a effectué plusieurs cercles au-dessus de la zone de l'aérodrome.

Au cours de l'été 1940, ces moteurs furent installés et testés sur le chasseur I-153 « Chaika » conçu par N.N. Polikarpov. Ils ont augmenté la vitesse de l'avion de 40 à 50 km/h.

Cependant, aux vitesses de vol que les avions à hélices pouvaient atteindre, des moteurs à réaction supplémentaires sans compresseur consommaient beaucoup de carburant. Le statoréacteur présente un autre inconvénient important : un tel moteur ne fournit pas de poussée en place et ne peut donc pas assurer un décollage indépendant de l'avion. Cela signifie qu'un avion équipé d'un tel moteur doit être équipé d'une sorte de groupe auxiliaire de lancement, par exemple une hélice, sinon il ne décollera pas.

Les travaux sur la création d'avions à réaction de combat ont été largement menés à l'étranger.

En juin 1942 eut lieu le premier vol du chasseur-intercepteur à réaction allemand Me-163 conçu par Messerschmitt. Seule la neuvième version de cet avion entra en production de masse en 1944.

Pour la première fois, cet avion doté d'un moteur à ergol liquide fut utilisé en situation de combat au milieu de l'année 1944 lors de l'invasion des forces alliées en France. Il était destiné à combattre les bombardiers et chasseurs ennemis sur le territoire allemand. L'avion était un monoplan sans empennage horizontal, ce qui était possible grâce au grand balayage de l'aile.

En Italie, en août 1940, le premier vol de 10 minutes de l'avion à réaction monoplan Campini-Caproni SS-2 a été effectué. Cet avion était équipé d'un moteur à réaction dit à moteur-compresseur (ce type de moteur à réaction n'a pas été pris en compte dans l'examen des moteurs à réaction, car il s'est avéré peu rentable et n'était pas répandu).

En mai 1941, le premier vol d'essai de l'avion expérimental Gloucester « E-28/39 » équipé d'un turboréacteur à compresseur centrifuge conçu par Whittle a eu lieu en Angleterre.

A 17 000 tours par minute, ce moteur développait une poussée d'environ 3 800 newtons. L'avion expérimental était un chasseur monoplace doté d'un seul turboréacteur situé dans le fuselage derrière le cockpit. L'avion était équipé d'un train d'atterrissage à trois roues escamotable en vol.

Un an et demi plus tard, en octobre 1942, le premier essai en vol du chasseur à réaction américain Ercomet P-59A équipé de deux turboréacteurs conçus par Whittle fut réalisé. C'était un monoplan à aile médiane avec une queue haute. Lors des essais en vol, une vitesse de 800 kilomètres par heure a été atteinte.

Parmi les autres avions à turboréacteur de cette période, il faut noter le chasseur Gloster Meteor, dont le premier vol a eu lieu en 1943. Ce monoplan monoplace entièrement métallique s'est avéré être l'un des chasseurs à réaction les plus performants de l'époque. Deux turboréacteurs ont été installés sur une aile en porte-à-faux basse. L'avion de combat en série a atteint une vitesse de 810 kilomètres par heure. La durée du vol était d'environ 1,5 heure, le plafond était de 12 kilomètres. L'avion disposait de 4 canons automatiques de calibre 20 mm. La voiture avait une bonne maniabilité et une bonne contrôlabilité à toutes les vitesses. En novembre 1941, un record mondial de vitesse de vol de 975 kilomètres par heure fut établi sur une version record spéciale de cette machine.

Déjà au cours de la période initiale de développement des avions à réaction, les formes d'avions familières précédentes avaient subi des changements plus ou moins importants. Par exemple, le chasseur à réaction anglais Vampire, doté d'une conception à deux flèches, semblait très inhabituel.

Dans notre pays, pendant la Grande Guerre patriotique, de vastes travaux de recherche ont commencé sur la création d'avions de combat équipés de turboréacteurs. La guerre imposait la tâche de créer un avion de combat doté non seulement d'une vitesse élevée, mais également d'une durée de vol importante : après tout, les chasseurs à réaction développés équipés de moteurs à propergol liquide avaient une durée de vol très courte de seulement 8 à 15 minutes. Des avions de combat dotés d'un système de propulsion combiné (hélice et avion à réaction) ont été développés. Par exemple, les chasseurs La-7 et La-9 étaient équipés de propulseurs à réaction.

Les travaux sur l'un des premiers avions à réaction soviétiques ont commencé en 1943-1944. Ce véhicule de combat a été créé par une équipe de conception dirigée par le général du service d'ingénierie aéronautique Artem Ivanovich Mikoyan. Il s'agissait d'un chasseur I-250 doté d'une centrale électrique combinée, composée d'un moteur d'avion à pistons refroidi par liquide du type VK-107 A avec une hélice et une hélice dont le compresseur était entraîné en rotation par le moteur à pistons. L'I-250 a effectué son premier vol en mars 1945. Lors des essais en vol, des vitesses dépassant largement les 800 kilomètres par heure ont été atteintes.

Bientôt, la même équipe de concepteurs créa le chasseur à réaction MIG-9. Il était équipé de deux turboréacteurs de type RD-20. Le 24 avril 1946, le pilote d'essai A.N. Grinchik effectuait le premier vol à bord de l'avion MIG-9. Comme l'avion BI, cette machine différait peu dans sa conception des avions à pistons. La vitesse maximale du MIG-9 dépassait 900 kilomètres par heure. Fin 1946, cette machine fut mise en production en série.

En avril 1946, le premier vol fut effectué sur un chasseur à réaction conçu par A.S. Yakovlev.

Le travail créatif persistant des équipes de recherche, de conception et de production a été couronné de succès : les nouveaux avions à réaction nationaux n'étaient en rien inférieurs à la technologie aéronautique mondiale de l'époque. Parmi les avions à réaction à grande vitesse créés en URSS en 1946-1947, le chasseur à réaction conçu par A.I. Mikoyan et M.I. Gurevich « MIG-15 », avec une aile et un empennage en flèche, se distingue par ses caractéristiques tactiques et opérationnelles de vol élevées. . L'utilisation d'ailes en flèche et de surfaces empennages a augmenté la vitesse de vol horizontal sans changements significatifs dans sa stabilité et sa contrôlabilité. L'augmentation de la vitesse de l'avion a également été grandement facilitée par une augmentation de son alimentation électrique : un nouveau turboréacteur doté d'un compresseur centrifuge RD-45 d'une poussée d'environ 19,5 kilonewtons à 12 000 tours par minute y a été installé. Les vitesses horizontales et verticales de cette machine dépassaient tout ce qui avait été atteint auparavant sur les avions à réaction.

Le bureau d'études, travaillant sous la direction de S.A. Lavochkin, parallèlement à la sortie du MIG-15, a créé un nouveau chasseur à réaction, le La-15. Il avait une aile en flèche située au-dessus du fuselage. Il disposait d’armes puissantes à bord. De tous les chasseurs à ailes en flèche qui existaient à cette époque, le La-15 avait le poids en vol le plus faible. Grâce à cela, l'avion La-15 équipé du moteur RD-500, qui avait moins de poussée que le moteur RD-45 installé sur le MIG-15, possédait à peu près les mêmes données tactiques de vol que le MIG-15. 15".

Le balayage et le profil spécial des ailes et de la queue des avions à réaction réduisaient considérablement la résistance de l'air lors du vol à la vitesse du son. Or, lors d’une crise de vague, la résistance n’a pas augmenté de 8 à 12 fois, mais seulement de 2 à 3 fois. Cela a été confirmé par les premiers vols supersoniques d'avions à réaction soviétiques.

3.2. Application de la technologie des avions à réaction à l'aviation civile.

Bientôt, des moteurs à réaction ont commencé à être installés sur les avions de l'aviation civile.

En 1955, l’avion à réaction multiplace « Kometa-1 » a commencé à être exploité à l’étranger. Cette voiture de tourisme équipée de quatre turboréacteurs avait une vitesse d'environ 800 kilomètres par heure à une altitude de 12 kilomètres. L'avion pouvait transporter 48 passagers. La portée de vol était d'environ 4 000 kilomètres. Cependant, après un accident majeur de cet avion en mer Méditerranée, son exploitation a été interrompue. Bientôt, une version design de cet avion, le « Kometa-3 », a commencé à être utilisée.

En 1959, l'avion de ligne français Caravel est entré en service. L'avion avait un fuselage rond d'un diamètre de 3,2 mètres, équipé d'un compartiment pressurisé de 25,4 mètres de long. La centrale électrique était composée de deux turboréacteurs d'une poussée de 40 kilonewtons chacun. La vitesse de l'avion était d'environ 800 kilomètres par heure.

En URSS, déjà en 1954, sur l'une des compagnies aériennes, la livraison de marchandises et de courrier urgents était effectuée par des avions à réaction à grande vitesse Il-20.Cet avion, doté de deux turboréacteurs d'une poussée de 80 kilonewtons chacun, présentait d'excellentes formes aérodynamiques.

«TU-104» a été très apprécié tant dans notre pays qu'à l'étranger. Des experts étrangers, s'exprimant dans la presse, ont déclaré qu'après avoir commencé le transport régulier de passagers à bord d'avions à réaction TU-104, l'Union soviétique avait deux ans d'avance sur les États-Unis, l'Angleterre et d'autres pays occidentaux dans l'exploitation massive d'avions à turboréacteurs de passagers : L'avion à réaction américain Boeing 707 » et le « Comet-IV » anglais ne sont entrés dans les lignes aériennes qu'à la fin de 1958, et le « Caravel » français - en 1959.

Type intermédiaire TVD de centrale aéronautique. Bien que les gaz sortant de la turbine soient évacués par une tuyère et que leur réaction produise une certaine poussée, la majorité de la poussée est générée par l'hélice en fonctionnement, tout comme un avion conventionnel à hélice.

Le moteur de théâtre ne s'est pas répandu dans l'aviation de combat, car il ne peut pas fournir la même vitesse que les moteurs à réaction purs. Il est également inadapté aux lignes express de l'aviation civile, où la vitesse est le facteur décisif et où les questions d'efficacité et de coût du vol passent au second plan. Mais il est conseillé d'utiliser des avions à turbopropulseurs sur des itinéraires de différentes longueurs, sur lesquels les vols sont effectués à des vitesses d'environ 600 à 800 kilomètres par heure. Il faut tenir compte du fait que, comme l'expérience l'a montré, le transport de passagers sur une distance de 1 000 kilomètres coûte 30 % moins cher que sur des avions à hélices équipés de moteurs d'avion à pistons.

3.3. Le principe de fonctionnement des moteurs à réaction.

Le moteur à réaction est basé sur la conception d’une fusée ordinaire. Cela fonctionne comme suit. Dans une chambre spéciale, dotée d'une sortie avec une buse tubulaire en forme de cône, la combustion du carburant a lieu. Les produits de combustion gazeux s'échappent par la buse à une vitesse fulgurante. Lorsque le carburant brûle, une pression accrue pouvant atteindre 80 × 100 atmosphères se forme dans la chambre. Cette pression agit dans toutes les directions avec la même force. Les pressions sur les parois latérales de la chambre sont mutuellement équilibrées. La force agissant sur la paroi avant n'est compensée par rien, puisque du côté opposé les gaz s'échappent librement par le trou. Par conséquent, la résultante de toutes les forces de pression sur les parois de la chambre oblige le moteur-fusée à effectuer un mouvement de translation.

À la suite de la sortie du fluide de travail de la tuyère du moteur, une force réactive est générée sous la forme d'une réaction (recul) du jet, déplaçant le moteur et l'appareil qui lui est structurellement connecté dans l'espace dans la direction opposée à la sortie du jet. Différents types d’énergie (chimique, nucléaire, électrique, solaire) peuvent être convertis en énergie cinétique (vitesse) d’un jet dans un avion-fusée. Un moteur à réaction directe (moteur à réaction directe) combine le moteur lui-même avec un dispositif de propulsion, c'est-à-dire qu'il assure son propre mouvement sans la participation de mécanismes intermédiaires.

Pour créer la poussée du jet utilisée par les moteurs-fusées, les éléments suivants sont nécessaires : une source d'énergie initiale (primaire), qui est convertie en énergie cinétique du jet stream ;

le fluide de travail, qui est éjecté du jet sous la forme d'un courant-jet ; Le R.D. lui-même est un convertisseur d’énergie. L'énergie initiale est stockée à bord d'un avion ou autre véhicule équipé d'un moteur-fusée (carburant chimique, combustible nucléaire), ou (en principe) peut provenir de l'extérieur (énergie solaire). Pour obtenir le fluide de travail dans R.D. Canutiliser une substance extraite de l'environnement (par exemple, l'air ou l'eau) ; une substance située dans les réservoirs de l'appareil ou directement dans la chambre R.D. ; un mélange de substances provenant de l'environnement et stockées à bord du véhicule. Dans l’énergie nucléaire moderne, l’énergie chimique est le plus souvent utilisée comme énergie primaire. Dans ce cas, le fluide de travail est constitué de gaz chauds - produits de combustion de combustibles chimiques. Pendant le fonctionnement d'un moteur à réaction, l'énergie chimique des substances de combustion est convertie en énergie thermique des produits de combustion et l'énergie thermique des gaz chauds est convertie en énergie mécanique du mouvement de translation du jet stream et, par conséquent, de l'appareil sur sur lequel le moteur est installé. La partie principale de tout moteur à combustion est la chambre de combustion dans laquelle le fluide de travail est généré. La partie finale de la chambre, qui sert à accélérer le fluide de travail et à produire un jet, est appelée buse à jet.

Tout le monde sait qu'après un coup de feu, une arme à feu ou un fusil recule. Cela se produit parce qu’un projectile ou une balle sort de la bouche d’une arme à feu ou d’un canon de fusil à grande vitesse. Et l'arme elle-même, en raison de la réaction, reçoit un mouvement dans la direction opposée. Les obus sont expulsés par les gaz formés lors de la combustion de la poudre à canon. Si nous n'avions pas renforcé la bouche du pistolet sur le chariot, mais lui avions permis de se déplacer librement, après le tir, la bouche aurait volé vers l'arrière comme une fusée.

Le vol d’avions conventionnels est impossible dans un espace dépourvu d’air. La portance d'un avion est créée uniquement par l'action du courant d'air sur ses ailes. Un dirigeable ou un ballon ne peut voler que s'il est plus léger que l'air de même volume.

En ce sens, les moteurs-fusées présentent un énorme avantage par rapport aux avions conventionnels. Un moteur-fusée fonctionne indépendamment de son environnement et ne nécessite pas d’appui aérien. Les véhicules équipés de moteurs-fusées peuvent voler non seulement dans un air très raréfié, mais même dans un espace sans air.

Ces dernières années, diverses expériences plus ou moins réussies ont été menées sur l'utilisation de moteurs à réaction pour différents types de véhicules.
Dans tous les moteurs, il existe deux processus de conversion d'énergie. Premièrement, l'énergie chimique du carburant est convertie en énergie thermique des produits de combustion, puis l'énergie thermique est utilisée pour effectuer un travail mécanique. Ces moteurs comprennent les moteurs à pistons des voitures, les locomotives diesel, les turbines à vapeur et à gaz des centrales électriques, etc.

Considérons ce processus par rapport aux moteurs à réaction. Commençons par la chambre de combustion du moteur, dans laquelle un mélange combustible a déjà été créé d'une manière ou d'une autre, selon le type de moteur et le type de carburant. Il peut s'agir, par exemple, d'un mélange d'air et de kérosène, comme dans le turboréacteur d'un avion à réaction moderne, ou d'un mélange d'oxygène liquide et d'alcool, comme dans certains moteurs de fusée liquides, ou enfin d'une sorte de carburant solide. pour les fusées à poudre. Le mélange inflammable peut brûler, c'est-à-dire entrer dans une réaction chimique avec libération rapide d’énergie sous forme de chaleur. La capacité à libérer de l'énergie lors d'une réaction chimique est l'énergie chimique potentielle des molécules du mélange. L'énergie chimique des molécules est liée aux caractéristiques de leur structure, plus précisément à la structure de leurs coques électroniques, c'est-à-dire ce nuage d'électrons qui entoure les noyaux des atomes qui composent la molécule. À la suite d’une réaction chimique au cours de laquelle certaines molécules sont détruites et d’autres créées, une restructuration des couches électroniques se produit naturellement. Dans cette restructuration, il y a une source d'énergie chimique libérée. On peut voir que les carburants pour moteurs à réaction ne peuvent être que des substances qui, lors d'une réaction chimique dans le moteur (combustion), dégagent beaucoup de chaleur et forment également une grande quantité de gaz. Tous ces processus se produisent dans la chambre de combustion, mais concentrons-nous sur la réaction non pas au niveau moléculaire (cela a déjà été discuté ci-dessus), mais sur les « phases » de travail. Jusqu’au début de la combustion, le mélange dispose d’une grande réserve d’énergie chimique potentielle. Mais ensuite la flamme a englouti le mélange, un instant de plus – et la réaction chimique était terminée. Désormais, au lieu de molécules du mélange combustible, la chambre est remplie de molécules de produits de combustion, plus densément « emballées ». L'énergie de liaison excédentaire, qui est l'énergie chimique de la réaction de combustion qui a eu lieu, est libérée. Les molécules possédant cet excès d'énergie l'ont transféré presque instantanément à d'autres molécules et atomes à la suite de collisions fréquentes avec eux. Toutes les molécules et atomes de la chambre de combustion ont commencé à se déplacer de manière aléatoire, chaotique, à une vitesse nettement plus élevée, et la température des gaz a augmenté. C'est ainsi que l'énergie chimique potentielle du combustible était convertie en énergie thermique des produits de combustion.

Une transition similaire a été réalisée dans tous les autres moteurs thermiques, mais les moteurs à réaction en sont fondamentalement différents en ce qui concerne le sort ultérieur des produits de combustion chauds.

Après que des gaz chauds contenant une grande énergie thermique ont été générés dans un moteur thermique, cette énergie doit être convertie en énergie mécanique. Après tout, les moteurs servent à effectuer un travail mécanique, à « déplacer » quelque chose, à le mettre en action, qu'il s'agisse d'une dynamo, si on leur demande de les compléter par des dessins d'une centrale électrique, d'une locomotive diesel, d'une voiture ou d'un véhicule. avion.

Pour que l’énergie thermique des gaz se transforme en énergie mécanique, il faut que leur volume augmente. Avec une telle expansion, les gaz effectuent un travail qui consomme leur énergie interne et thermique.

Dans le cas d'un moteur à piston, les gaz en expansion appuient sur le piston se déplaçant à l'intérieur du cylindre, le piston pousse la bielle, qui fait alors tourner le vilebrequin du moteur. L'arbre est relié au rotor d'une dynamo, aux essieux moteurs d'une locomotive ou d'une voiture diesel ou à une hélice d'avion - le moteur effectue un travail utile. Dans une machine à vapeur ou une turbine à gaz, les gaz, en se dilatant, forcent à tourner la roue reliée à l'arbre de la turbine - ici il n'y a pas besoin d'un mécanisme de transmission manivelle, ce qui est l'un des grands avantages de la turbine.

Bien entendu, les gaz se dilatent également dans un moteur à réaction, car sans cela, ils ne fonctionnent pas. Mais dans ce cas, le travail d’expansion n’est pas consacré à la rotation de l’arbre. Associé à un mécanisme d'entraînement, comme dans les autres moteurs thermiques. Le but d'un moteur à réaction est différent - créer une poussée de jet, et pour cela il est nécessaire qu'un flux de gaz - produits de combustion - s'écoule du moteur à grande vitesse : la force de réaction de ce flux est la poussée du moteur . Par conséquent, le travail de détente des produits gazeux issus de la combustion du carburant dans le moteur doit être consacré à l'accélération des gaz eux-mêmes. Cela signifie que l'énergie thermique des gaz dans un moteur à réaction doit être convertie en leur énergie cinétique - le mouvement thermique chaotique aléatoire des molécules doit être remplacé par leur flux organisé dans une direction commune à tous.

L'une des pièces les plus importantes du moteur, la tuyère à jet, remplit cet objectif. Quel que soit le type auquel appartient tel ou tel moteur à réaction, il est nécessairement équipé d'une tuyère à travers laquelle les gaz chauds - les produits de la combustion du carburant dans le moteur - s'écoulent du moteur à grande vitesse. Dans certains moteurs, les gaz pénètrent dans la tuyère immédiatement après la chambre de combustion, par exemple dans les moteurs-fusées ou les statoréacteurs. Dans d'autres, des turboréacteurs, les gaz traversent d'abord une turbine à laquelle ils cèdent une partie de leur énergie thermique. Dans ce cas, il sert à entraîner le compresseur qui comprime l’air devant la chambre de combustion. Mais, d'une manière ou d'une autre, la buse est la dernière partie du moteur : les gaz la traversent avant de quitter le moteur.

La buse à jet peut avoir différentes formes, et de plus, différentes conceptions selon le type de moteur. L'essentiel est la vitesse à laquelle les gaz s'échappent du moteur. Si cette vitesse d'écoulement ne dépasse pas la vitesse à laquelle les ondes sonores se propagent dans les gaz sortant, alors la buse est une simple section de tuyau cylindrique ou conique. Si la vitesse d'écoulement doit dépasser la vitesse du son, la buse a alors la forme d'un tuyau en expansion ou d'abord en rétrécissement puis en expansion (buse Lavl). Ce n'est que dans un tuyau de cette forme, comme le montrent la théorie et l'expérience, que le gaz peut être accéléré jusqu'à des vitesses supersoniques et franchir le « mur du son ».

) ou vice versa - travailler à chaud (réfrigérateur). Le fonctionnement d'un moteur thermique repose sur le cycle thermodynamique effectué par le fluide moteur (gaz, vapeur d'eau, etc.). Pour un moteur thermique idéal, le fluide de travail fonctionne de manière égale à la différence entre les quantités de chaleur fournie et la chaleur évacuée. Le rendement d'un moteur thermique est caractérisé par son facteur de rendement.

Encyclopédie moderne. 2000 .

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