Imenovanje toplotnih motorjev. Glavni elementi toplotnih motorjev cikličnega delovanja.

Krožni termodinamični proces (cikel). Carnotov cikel.

Idealen toplotni motor, ki deluje po Carnotovem ciklu. Največja učinkovitost toplotni motor.

Termodinamična temperaturna lestvica. Enakost absolutnih in termodinamičnih temperatur.

Hladilni stroji (toplotne črpalke).

Dinamično ogrevanje.

Magnetohidrodinamični generatorji.

Sončno sevanje.

Toplotni motorji so stroji, ki uporabljajo energijo toplotnega gibanja snovi ali elektromagnetnega polja. Toplotni motorji se delijo na toplotnih motorjev pretvarjanje energije kaotičnega toplotnega gibanja delcev snovi ali elektromagnetnega polja v energijo rednega mehanskega gibanja makroskopskih sistemov, in hladilne stroje ki zagotavljajo prenos toplote iz sistemov z nižjo temperaturo v sisteme z višjo temperaturo. Kot veste, v naravi opazimo spontani prenos toplote le iz sistemov z višjo temperaturo v sisteme z nižjo temperaturo, kar vodi do izenačitve temperatur teh sistemov.

Temeljna vprašanja ustvarjanja toplotnih motorjev cikličnega (periodičnega) delovanja je prvi postavil in rešil francoski inženir in znanstvenik S. Carnot (1796 - 1832) v svojem delu "Razmišljanja o gonilni sili ognja in o strojih, ki lahko to razvijejo". sila", objavljena leta 1824. in šteje le 45 strani. Carnotov konceptualni slog razmišljanja, ki je procese v toplotnem stroju obravnaval z najsplošnejših stališč na podlagi razmerja med mehanskim in toplotnim gibanjem, niso takoj razumeli niti tako ugledni znanstveniki, kot so Laplace, Fourier, Ampere, Arago, Gay. -Lussac in drugi Carnotovo delo je dobilo splošno priznanje šele 10 let po objavi leta 1834 članka E. Clapeyrona, kjer so bile Carnotove ideje predstavljene v dostopni matematični obliki z vizualno grafiko, ki ponazarja termodinamične procese.

Odmik od struktur in delov uporabljenih toplotnih motorjev je Carnot izpostavil tri bistveno pomembne elemente katerega koli cikličnega toplotnega motorja: 1) grelec s temperaturo T 1, ki služi kot rezervoar za porabljeno toplotno energijo, 2) hladilnik s temperaturo T2< Т 1 , который также является резервуаром тепловой энергии и используется для сброса теплоты при работе двигателя, 3) delovno telo, ki med ciklom opravlja mehansko delo.

Cikel Je termodinamični krožni proces, pri katerem končno stanje sistema sovpada z njegovim začetnim stanjem. V diagramih termodinamičnih procesov, kjer lahko kot spremenljivko uporabimo kateri koli par termodinamičnih veličin in vsaka točka ravnine označuje neko ravnotežno stanje, je cikel opisan z zaprto krivuljo. V nadaljevanju se predpostavlja, da ni izgub energije, vsi ciklični procesi so reverzibilni, grelec, hladilnik in delovna tekočina pa so le v ravnotežnih stanjih. V teh pogojih je učinkovitost toplotnih motorjev največja.

Med ciklom delovna tekočina toplotnega motorja prejme količino toplote Q 1 od grelnika, opravi delo A in odda določeno količino toplote Q 2< Q 1 холодильнику. Все процессы совершаются kvazistatično, kar zagotavlja njihovo reverzibilnost.Če ni izgub energije, povezanih s trenjem in prenosom toplote v zunanje okolje (idealni toplotni motor), po prvi zakon termodinamike

Q 1 = A + Q 2. (3.1)

Ker se delovna tekočina vrne v začetno stanje, je popolna sprememba njene notranje energije na cikel

Po definiciji je učinkovitost toplotnega motorja

Vrednost učinkovitosti η odvisno od cikla delovne tekočine. Carnot je predlagal cikel, ki je bil kasneje poimenovan po njem - Carnotov cikel, ki zagotavlja največjo vrednost izkoristka, če sta nastavljeni najvišja temperatura grelnika in najnižja temperatura hladilnika. Vendar Carnotovega cikla ni mogoče uresničiti v praksi, zato se uporablja le v teoretičnih študijah. V resničnih toplotnih motorjih so našli uporabo tudi drugi cikli, vključno z Ottovim ciklom (motorji uplinjača notranje zgorevanje), dizelski cikel (dizelski motorji), Clausius-Rankinov cikel (raketni motorji na tekoča goriva) itd.

Zakoni termodinamike niso odvisni od fizične narave delovne tekočine, da bi torej našli učinkovitost toplotni motor, ki deluje po Carnotovem ciklu, je najlažje uporabiti kot delovno tekočino idealen plin. Carnotov cikel za idealen plin prikazano na diagramu VP (slika 3.1). Ta cikel 12341 je sestavljen iz izoterm 12 pri temperaturi grelnika T 1, adiabati 23 kjer se izolirani plin širi, izoterme 34 pri temperaturi hladilnika T 2 in adiabati 41, kjer se toplotno izoliran plin stisne in se vrne v začetno ravnotežno stanje 1. V odseku izoterme 12 plin prejme količino toplote od grelnika, v odseku izoterme 34 pa plin daje hladilniku količino toplote.

Parni motor. Prve praktično delujoče univerzalne parne stroje sta ustvarila ruski izumitelj Ivan Ivanovič Polzunov in Anglež James Watt.

V Polzunovem avtomobilu se je para iz kotla po ceveh s tlakom, ki nekoliko presega atmosferski, izmenično dovajala v dva cilindra z bati. Za izboljšanje tesnjenja so bati napolnili z vodo. S pomočjo palic z verigami se je gibanje batov prenašalo na meh za tri talilne peči bakra.

Gradnja Polzunovega stroja je bila končana avgusta 1766. Imel je višino 11 m, prostornino kotla 7 m3, višino valja 2,8 m in moč 29 kW.

Polzunov stroj je ustvaril neprekinjeno silo in je bil prvi univerzalni stroj, ki bi se lahko uporabljal za pogon vseh tovarniških mehanizmov.

V parnem stroju D. Watta sta bila dva cilindra zamenjana z enim zaprtim. Para je tekla izmenično na obeh straneh bata in ga potiskala v eno ali drugo smer. V takem stroju z dvojnim delovanjem se izpušna para kondenzira ne v valju, temveč v posodi, ločeni od njega - kondenzatorju. Hitrost vztrajnika je vzdrževal konstantno centrifugalni regulator. Razvoj parnega stroja je leta 1784 zaključil D. Watt.

Glavna pomanjkljivost prvih parnih strojev je bila njihova nizka učinkovitost. Učinkovitost parnih lokomotiv ni presegla 9%.

Toplotni motorji in transport. Različne vrste toplotni motorji so hrbtenica sodobnega prometa. Termični motorji, ki poganjajo avtomobile in dizelske lokomotive, rečne in morske ladje, letala in vesoljske rakete. Eden najpogostejših toplotnih motorjev, ki se uporabljajo v različnih vozil je motor z notranjim zgorevanjem.
Toplotni motorji in varnost okolje Nenehni razvoj energetskega, avtomobilskega in drugih vrst prometa, povečanje porabe premoga, nafte in plina v industriji in za gospodinjske potrebe povečuje možnosti zadovoljevanja vitalnih potreb človeka. Vendar pa je trenutno količina kemičnega goriva, ki se letno zgori v različnih toplotnih motorjih, tako velika, da postaja vse težji problem varovanja okolja pred škodljivimi učinki produktov zgorevanja.

Negativni vpliv toplotnih motorjev na okolje je povezan z delovanjem različnih dejavnikov.

Prvič, pri zgorevanju goriva se uporablja kisik iz atmosferskega zraka, zato se vsebnost kisika v zraku postopoma zmanjšuje. Če v ZSSR količina kisika, ki ga proizvajajo gozdovi, še vedno presega količino kisika, ki ga porabi industrija, potem, na primer, v ZDA gozdovi obnavljajo le 60% kisika, ki ga porabi industrija.

Drugič, zgorevanje goriva spremlja sproščanje ogljikovega dioksida v ozračje. V zadnjih dvajsetih letih se je vsebnost ogljikovega dioksida v zemeljskem ozračju povečala za približno 5%.

Molekule ogljikovega monoksida so sposobne absorbirati infrardeče sevanje. Zato povečanje vsebnosti ogljikovega dioksida v ozračju spremeni njegovo preglednost. Infrardeče sevanje, ki ga oddaja zemeljska površina, se vse bolj absorbira v ozračje. Nadaljnje znatno povečanje koncentracije ogljikovega dioksida v ozračju lahko povzroči zvišanje njegove temperature.

Tretjič, ko se kurita premog in nafta, je ozračje onesnaženo z dušikovimi in žveplomi spojinami, ki so škodljive za zdravje ljudi. To onesnaževanje je še posebej pomembno v velikih mestih in industrijskih središčih.

Več kot polovico vsega onesnaženja zraka povzroči promet. Poleg ogljikovega monoksida in dušikovih spojin avtomobilski motorji letno izpustijo v ozračje 2-3 milijone ton svinca. Svinčeve spojine se dodajajo motornemu bencinu, da preprečijo detonacijo goriva v motorju, torej prehitro zgorevanje goriva, kar vodi do zmanjšanja moči motorja in hitre obrabe motorja. Ker imajo avtomobilski motorji ključno vlogo pri onesnaževanju zraka v mestih, je problem bistvenega izboljšanja avtomobilski motor predstavlja enega najbolj perečih znanstvenih in tehničnih problemov.

Eden od načinov za zmanjšanje onesnaževanja okolja je prehod z bencinskih motorjev z uplinjačem v avtomobilih na uporabo dizelskih motorjev, ki gorivu ne dodajajo svinčevih spojin.

Obeta se razvoj in testiranje avtomobilov, pri katerih se namesto bencinskih motorjev uporablja elektromotor, ki ga poganja baterija, ali motor, ki kot gorivo uporablja vodik. Pri slednjem tipu motorja voda nastane med zgorevanjem vodika.

) ali obratno - delajte na toplem (hladilnik). Delovanje toplotnega motorja temelji na termodinamičnem ciklu, ki ga izvaja delovna tekočina (plin, vodna para itd.). Za idealen toplotni motor delovna tekočina opravi delo, ki je enako razliki v količini dovedene in odvzete toplote. Za učinkovitost toplotnega motorja je značilna učinkovitost.

Sodobna enciklopedija. 2000 .

Poglejte, kaj je "HEAT STROJ" v drugih slovarjih:

TOPLOTNI STROJ- stroj (toplotni motor, toplotna črpalka ipd.), pri katerem se notranja energija goriva pretvori v mehansko energijo, ki se nato lahko pretvori v električno in katero koli drugo energijo, ter stroj, ki pretvarja delo v ... ... Velika politehniška enciklopedija

Veliki enciklopedični slovar

Toplotni stroj je naprava, ki pretvarja toplotno energijo v mehansko delo (toplotni stroj) ali mehansko delo v toploto (hladilnik). Preobrazba se izvede s spreminjanjem notranje energije delovne tekočine v ... ... Wikipedia

Stroj (toplotni motor, toplotna črpalka itd.), ki pretvarja toploto v delo ali delo v toploto. Delovanje toplotnega motorja temelji na krožnem procesu (termodinamičnem ciklu), ki ga izvaja delovna tekočina (plin ... enciklopedijski slovar

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 posebne opreme, nameščene na šasiji terenskega vozila. Njegova posebna oprema je sestavljena iz naslednjih glavnih sistemov in sklopov: turboreaktivni motor, rotacijski aparat, kabina operaterja, ... ... Slovar za nujne primere

posebna obdelava toplotnih motorjev- 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

- ... Wikipedia

Toplotni stroj je naprava, ki pretvarja toplotno energijo v mehansko delo (toplotni stroj) ali mehansko delo v toploto (hladilnik). Transformacija se izvaja s spreminjanjem notranje energije delovne tekočine v praksi ... ... Wikipedia

knjige

• Thermoelectricity, A. Bernstein Ta knjiga bo izdelana po vašem naročilu s tehnologijo Print-on-Demand. Ali veste, kako deluje klasična termoelektrarna? Premog, ki gori v pečeh, ogreva kotle ...
• Termoelektrika, Bernstein A.S.. Ali veste, kako deluje običajna termoelektrarna? Premog, ki gori v pečeh, segreva kotle parnih strojev. Stroji poganjajo električne generatorje, ki proizvajajo električne ...

1. Ogrevalni stroji.

- naprava, ki pretvarja toploto v mehansko delo (toplotni motor) ali mehansko delo v toploto (hladilnik). Transformacija se izvaja s spreminjanjem notranje energije delovne tekočine - v praksi običajno tekoče ali plinaste.

V kratkem, toplotnih strojev spremenite toploto v delo ali, nasprotno, delo v toplino.

Primeri toplotnih motorjev: motor z notranjim zgorevanjem (ICE) a) uplinjač motorja b) dizelski motor v) reaktivni motor Parne in plinske turbine.

1.1. Zgodovina nastanka toplotnih motorjev.

Mnogi verjamejo, da se je zgodovina parnih strojev začela šele v poznem 17. stoletju v Angliji. Vendar to ni povsem res.

Še v prvem stoletju pred našim štetjem je eden od velikih znanstvenikov antične Grčije, Heron Aleksandrijski, napisal razpravo "Pnevmatika". Opisal je stroje, ki uporabljajo toplotno energijo. Za nas sta bila najbolj zanimiva dva toplotna motorja.

Eolipil - krogla "Eola", ki se vrti okoli svoje osi pod delovanjem pare, ki izhaja iz nje. Pravzaprav je biloprototip bodočih parnih turbin.

Druga izjemna naprava heroja Aleksandrije je bil pogon vrat templja, ki so se odprla pod delovanjem ognja, prižganega na oltarju. Ob podrobna analiza v tem zapletenem sistemu mehanizmov lahko vidimoprva parna črpalka.

Vsi toplotni motorji, ki jih je ustvaril Hero of Alexandria, so bili uporabljeni samo kot igrače. Takrat niso bili iskani.

Prava zgodovina parnih strojev se začne šele v 17. stoletju. Eden prvih, ki je ustvarildelujoči prototip parnega stroja, je bil Denis Papin. Papenov parni stroj je bil pravzaprav le skica, model. Nikoli mu ni uspelo ustvariti pravega parnega stroja, ki bi ga lahko uporabili v proizvodnji. 1680 - Leta 1681 je izumil parni kotel. - Opremljen je z varnostnim ventilom 1690. - Bil je prvi, ki je s paro dvignil bat in opisal zaprt termodinamični cikel parnega stroja. 1707 - Podal opis njegovega motorja. Toda njegova dela niso bila pozabljena tisočletja kot Heronova dela. Vse njegove ideje so bile uporabljene v naslednji generaciji parnih strojev.

Če je zelo težko ugotoviti, kdo je prvi v zgodovini tehnologije ustvaril parni stroj, potem je zanesljivo znano, kdo je prvi patentiral in uporabil v praksi svoj parni stroj. Leta 1698 je Anglež Thomas Severi registriral prvegapatent za napravo "za dvigovanje vode in za pridobivanje premikanja vseh vrst proizvodnje z uporabo gonilne sile ognja ..."... Kot lahko vidite, je opis patenta zelo nejasen. Pravzaprav je ustvaril prvo parno črpalko. Edino, kar je lahko storil, je dvigniti vodo. Hkrati je bila učinkovitost črpalke izjemno nizka, poraba premoga pa preprosto ogromna. Zato so črpalko uporabljali predvsem v rudnikih premoga. Izčrpali so podtalnico.

Leta 1712 je svet videl parni stroj Thomas Newcomen. Newcomenov parni stroj absorbiran najboljše ideje iz parnega stroja Papen in parne črpalke Severi. V njem je bil za izvajanje gibanja uporabljen parni cilinder z batom, kot v parnem stroju Papen. V tem primeru smo paro pridobivali ločeno, v parnem kotlu, kot v parni črpalki Severi.

Kljub velikemu preboju pri ustvarjanju parnih strojev je stroj Newcomen dobil svojo glavno distribucijo le kot pogon za vodne črpalke. Glavne pomanjkljivosti parnega stroja Newcomen so bile njegova velika velikost in velika poraba premoga. Poskusi uporabe za pogon parnikov so bili neuspešni.

Več kot 50 let Parni motor Newcomen je ostal nespremenjen. Leta 1763 so Jamesa Watta, mehanika na univerzi v Glasgowu, prosili, naj popravi Newcomenov parni stroj. V procesu dela z Newcomenovim strojem Watt pride do zaključka, da bi ga bilo lepo izboljšati.

Najprej se Watt odloči, da bo parni valj ves čas vroč. To bo zmanjšalo porabo premoga. Za to ustvari kondenzator za hlajenje pare. Naslednja stvar je, da spremeni način delovanja parnega cilindra. Če je pri Newcomenovem parnem stroju stroj opravil svoj delovni hod pod vplivom atmosferskega tlaka, potem je v Wattovem parnem stroju bat opravil svoj delovni hod pod vplivom parnega tlaka. To je omogočilo povečanje tlaka v jeklenki in zmanjšanje velikosti parnega stroja.

Leta 1773 je Watt zgradil svojo prvodelujoč parni stroj... In leta 1774 je Watt skupaj z industrialcem Matthewom Boltonom odprl podjetje za proizvodnjo parnih strojev. Od leta 1775 do 1785 je podjetje Watt zgradilo 56 parnih strojev. Od 1785 do 1795 - Isto podjetje je že dobavilo 144 teh strojev. Stvari so šle dobro in Bolton prosi Watta, naj ustvari parni stroj za njegovo novo valjarno pločevine.

Leta 1884 je Watt ustvaril prvouniverzalni parni stroj.Njegov glavni namen je pogon industrijskih obdelovalnih strojev. Od te točke naprej parni stroj ni več vezan na premogovnike. Začnejo ga uporabljati v tovarnah, ga nameščajo na parnike in ustvarjajo vlake.

Prav Wattov parni stroj je naredil tehnološki preboj v tehnologiji. Odprla je novo obdobje v zgodovini tehnologije - obdobje parnih strojev.

Prvi parni avtomobil iz leta 1770... Jean Cugno - francoski inženir, je zgradil prvi samohodni voziček, zasnovan za premikanje topniških kosov

"Mlajši brat" - parna lokomotiva leta 1803. - Angleški izumitelj Richard Trevithick je zasnoval prvo parno lokomotivo. Po 5 letih je Trevithick zgradil novo parno lokomotivo. razvil je hitrost do 30 km / h. Leta 1816 je Trevithick brez podpore bankrotiral in odšel v Južno Ameriko

Odločilna vloga 1781-1848. - Angleški oblikovalec in izumitelj George Stephenson 1814. - Začel je graditi parne lokomotive. 1823 Leta 1829 je ustanovil prvo tovarno parnih lokomotiv na svetu. Stephensonova parna lokomotiva Raketa je zasedla prvo mesto na tekmovanju za najboljše lokomotive. Njegova moč je bila 13 KM, hitrost pa 47 km / h.

Motor z notranjim zgorevanjem 1860- Francoski mehanik Lenoir je leta 1878 izumil motor z notranjim zgorevanjem. - Nemški izumitelj Otto je zasnoval štiritaktni motor z notranjim zgorevanjem. 1825 - Nemški izumitelj Daimler je približno v istem času ustvaril bencinski motor z notranjim zgorevanjem Plinski motor je v Rusiji razvil Kostovich.

Posebna naprava. Uplinjač.Nemški inženir Rudolf Diesel je zasnoval motor z notranjim zgorevanjem, v katerem ni stisnjena gorljiva mešanica, ampak zrak. To so najbolj ekonomični toplotni motorji 1) delujejo na poceni vrste goriva 2) imajo 29. septembra 1913 izkoristek 31-44 %. Vkrcali smo se na parnik za London. Naslednje jutro ga v koči niso našli. Domneva se, da je storil samomor tako, da se je ponoči vrgel v vode Rokavskega preliva.

1.2. Načelo delovanja toplotnega motorja.

Toplotne motorje je mogoče razporediti na različne načine, vendar mora v vsakem toplotnem stroju obstajati delovna snov ali telo, ki opravlja mehansko delo v delovnem delu stroja, grelec, kjer delovna snov prejema energijo, in hladilnik, ki odvaja toploto. iz delovnega telesa.

Delovni medij je lahko para ali plin.

1.3. Vrste toplotnih motorjev.

Toplotni motorji so dveh vrst - odvisno od smeri procesov, ki se v njih odvijajo:
1. Toplotni motorjipretvarjanje toplote, ki prihaja iz zunanjega vira, v mehansko delo.

Hladilni strojiprenos toplote z manj segretega telesa na bolj segreto zaradi mehansko delo zunanji vir.

Oglejmo si te vrste toplotnih motorjev podrobneje.

1.3.1. Toplotni motorji.

Vemo, da je delo na telesu eden od načinov za spreminjanje njegove notranje energije: opravljeno delo se tako rekoč raztopi v telesu in se spremeni v energijo kaotičnega gibanja in interakcije njegovih delcev.

Toplotni motor je naprava, ki, nasprotno, črpa koristno delo iz "kaotične" notranje energije telesa. Izum toplotnega motorja je resnično spremenil podobo človeške civilizacije.

Shematski diagram toplotnega motorja je mogoče prikazati na naslednji način:

Poglejmo, kaj pomenijo elementi tega diagrama.

Delovno telo motor je plinski. Razširja se, premika bat in tako opravlja uporabno mehansko delo.

Toda, da bi plin prisilili, da se razširi in premaga zunanje sile, ga je treba segreti na temperaturo, ki je bistveno višja od temperature okolice. Za to se plin pripelje v stik z grelnikom - goreče gorivo.

V procesu zgorevanja goriva se sprosti znatna energija, katere del se porabi za ogrevanje plina. Plin od grelnika prejme količino toplote Qн ... Prav zaradi te toplote motor opravlja koristno delo. A.

Vse je jasno, toda kaj je hladilnik in zakaj je potreben?

Z eno samo ekspanzijo plina lahko vhodno toploto izkoristimo čim bolj učinkovito in jo v celoti pretvorimo v delo. Če želite to narediti, morate plin izotermno razširiti: prvi zakon termodinamike, kot vemo, nam v tem primeru daje A = Qn.

Vendar nihče ne potrebuje enkratne razširitve. Motor mora delovati ciklično, zagotavlja periodično ponovljivost gibov bata. Zato je treba na koncu ekspanzije plin stisniti in ga vrniti v prvotno stanje.

V procesu ekspanzije plin opravi nekaj koristnega dela A1. V procesu stiskanja se na plinu izvede pozitivno delo A2 (Plin sam pa opravi negativno delo A2). Končno koristno delo plina na cikel A = A1-A2.

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

Kako je to mogoče doseči? Odgovor: Stisnite plin pri nižjih tlakih kot pri ekspanziji. Z drugimi besedami, na pV-diagramu mora biti proces stiskanja pod procesom ekspanzije, tj. je treba premikati v smeri urinega kazalca.

Na primer, v ciklu na sliki je delo plina med raztezanjem enako površini ukrivljenega trapeza V11a2V2. Podobno je delo pri stiskanju plina enako površini ukrivljenega trapeza V11b2V2 z znakom minus. Posledično se delo A plina na cikel izkaže za pozitivno in enako površini cikla 1a2b1.

V redu, ampak kako doseči, da se plin vrne v prvotno stanje po spodnji krivulji, tj. e. Prek držav z manjšimi delitvami? Spomnimo se, da je za dano prostornino nižja temperatura, nižji je tlak plina. Zato mora plin, ko je stisnjen, preiti skozi stanja z nižjimi temperaturami.

Prav za to je hladilnik: za kul plin v procesu stiskanja. Hladilnik je lahko atmosfera (za motorje z notranjim zgorevanjem) ali hladilna tekoča voda (za parne turbine).

Ko se ohladi, odda plin v hladilnik določeno količino toplote Q2. Skupna količina toplote, ki jo prejme plin na cikel, postane enaka Q1-Q2. Po prvem zakonu termodinamike:
Q 1- Q 2 = A + deltaU,

kjer je deltaU sprememba notranje energije plina na cikel. Enaka je nič deltaU = 0, saj se je plin vrnil v prvotno stanje (in notranja energija, kot se spomnimo, je državna funkcija). Posledično je delo plina na cikel enako:
A = Q 1 - Q 2.

Kot lahko vidite, A

Kazalec učinkovitosti pretvorbe energije goriva za zgorevanje v mehansko delo je izkoristek toplotnega motorja.

Učinkovitost toplotnega motorjaJe razmerje med mehanskim delom A in količino toplote Q1, ki jo dovaja grelnik.

Učinkovitost toplotnega motorja, kot lahko vidimo, je vedno manjša od enote. Na primer, izkoristek parnih turbin je približno 25 %, izkoristek motorja z notranjim zgorevanjem pa približno 40 %.

1.3.2. Hladilni stroji.

Vsakodnevne izkušnje in fizikalni poskusi nam povedo, da se v procesu toplotne izmenjave toplota prenaša z bolj segretega telesa na manj segreto, ne pa obratno. Nikoli niso opazili procesov, pri katerih bi zaradi izmenjave toplote energija spontano prehajala iz hladnega telesa v vroče, zaradi česar bi se hladno telo še bolj ohladilo, vroče pa še bolj segrelo.

Ključna beseda tukaj je "spontano". Če uporabljate zunanji vir energije, je povsem mogoče izvesti postopek prenosa toplote iz hladnega telesa v vroče. To počnejo hladilni stroji.

V primerjavi s toplotnim motorjem imajo procesi v hladilnem stroju nasprotno smer. (slika 86).

Delovno telo hladilni stroj se imenuje tudi hladilno sredstvo (v pravih hladilnih napravah je hladilno sredstvo hlapna raztopina z nizkim vreliščem, ki med izhlapevanjem jemlje toploto in jo med kondenzacijo vrača nazaj). Zaradi poenostavitve ga bomo šteli za plin, ki absorbira toploto med raztezanjem in oddaja med stiskanjem.

Hladilnik (T2) v hladilnem stroju je telo, iz katerega se odvaja toplota. Hladilnik prenese količino toplote Q2 na delovno tekočino (plin), zaradi česar se plin razširi.

Med stiskanjem plin odda toploto Q1 bolj segretemu telesu - grelniku (T1). Za takšen prenos toplote je treba plin stisniti pri višjih temperaturah, kot je bil med ekspanzijo. To je mogoče le zaradi dela A, ki ga opravi zunanji vir (na primer elektromotor) (v pravih hladilnih enotah elektromotor ustvari nizek tlak v uparjalniku, zaradi česar hladilno sredstvo zavre in odvzame toploto ; nasprotno, elektromotor ustvari visok tlak v kondenzatorju, pod katerim se hladilno sredstvo kondenzira in odda toploto). Zato se izkaže, da je količina toplote, ki se prenese na grelnik, večja od količine toplote, odvzete iz hladilnika, samo za vrednost A.

Q 1 = Q 2 + A.

Tako na pV-diagramu poteka cikel delovanja hladilnega stroja v nasprotni smeri urinega kazalca... Območje cikla je delo A, ki ga opravi zunanji vir,

Glavni namen hladilnega stroja je hlajenje določenega rezervoarja (na primer zamrzovalnika). V tem primeru ta rezervoar igra vlogo hladilnika, okolje pa služi kot grelec - toplota, odstranjena iz rezervoarja, se razprši vanj.

Kazalnik učinkovitosti hladilnega stroja je hladilni koeficientenako razmerju med toploto, odvzeto iz hladilnika, in delom zunanjega vira:

A = Q 2 / A

Hladilni koeficient je lahko več kot ena. V pravih hladilnikih ima vrednosti od približno 1 do 3.

Obstaja še ena zanimiva uporaba: hladilnik lahko deluje kot toplotna črpalka. Potem je njegov namen ogrevanje določenega rezervoarja (na primer ogrevanje prostora) zaradi toplote, odvzete iz okolja. V tem primeru bo ta rezervoar grelec, okolje pa hladilnik.

Kazalnik učinkovitosti toplotne črpalke je koeficient ogrevanjaenako razmerju med količino toplote, prenesene v ogrevan rezervoar, in delom zunanjega vira.

Vrednosti ogrevalnega koeficienta pravih toplotnih črpalk so običajno v območju od 3 do 5.

1.4. Carnotov toplotni motor.

Najpomembnejše značilnosti toplotnega motorja so najvišje in najnižje vrednosti temperature delovne tekočine med ciklom. Te vrednosti so ustrezno poimenovanetemperatura grelca in temperatura hladilnika.

Videli smo, da je učinkovitost toplotnega motorja strogo manjša od enote. Postavlja se naravno vprašanje: kakšen je največji možni izkoristek toplotnega motorja s fiksnimi vrednostmi temperature grelnika T1 in temperature hladilnika T2?

Naj je na primer najvišja telesna temperatura delujočega motorja 1000 K, najmanjša pa 300 K. Kakšna je teoretična meja izkoristka takega motorja?

Odgovor na to vprašanje je dal francoski fizik in inženir Sadi Carnot leta 1824. Izumil in raziskoval je čudovit toplotni motor z idealnim plinom kot delovno tekočino. Ta stroj deluje po Carnotovem ciklu. sestavljen iz dveh izoterm in dveh adiabat.

Razmislite o zanki naprej Carnot stroj v smeri urinega kazalca. V tem primeru stroj deluje kot toplotni motor.

Izoterma 1-2. V odseku 1-2 pride plin v toplotni stik s temperaturnim grelnikom T1 in se izotermično razširi. Količina toplote Q1 se dovaja iz grelnika in se v tem delu popolnoma pretvori v delo: A12 = Q1.

Adiabat 2-3. Za naslednjo kompresijo je treba plin prenesti v območje nižjih temperatur. Za to se plin toplotno izolira, nato pa se adiabatno širi v odseku 2-3. Pri ekspanziji plin opravi pozitivno delo A23 in zaradi tega se njegova notranja energija zmanjša: deltaU23 = - A23.

Izoterma 3-4. Toplotna izolacija se odstrani, plin se spravi v toplotni stik s hladilnikom temperature T2. Pojavi se izotermična kompresija. Plin daje hladilniku količino toplote Q2 in opravi negativno delo A34 = - Q2.

Adiabat 4-1. Ta razdelek je potreben za vrnitev plina v prvotno stanje. Med adiabatnim stiskanjem plin opravi negativno delo A41. Plin se segreje na začetno temperaturo T1.

Carnot je ugotovil učinkovitost tega cikla (izračuni so žal izven obsega šolskega kurikuluma).

Poleg tega je to tudi dokazalUčinkovitost Carnotovega cikla je največja možna za vse toplotne motorje s temperaturo grelnika T1 in temperaturo hladilnika T2... Torej, v zgornjem primeru (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) imamo:

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

V čem je smisel uporabe izoterm in adiabatov in ne nekih drugih procesov?

Izkazalo se je, da izotermični in adiabatski procesi naredijo Carnotov stroj reverzibilen ... Lahko ga vodi povratna zanka (v nasprotni smeri urnega kazalca) med istim grelnikom in hladilnikom, ne da bi vključevali druge naprave. V tem primeru bo stroj Carnot deloval kot hladilnik.

Sposobnost vožnje Carnotovega stroja v obe smeri igra zelo pomembno vlogo v termodinamiki. To dejstvo na primer služi kot povezava v dokazu največje učinkovitosti Carnotovega cikla.

2. Raketa.

- (iz ital. rocchetta - majhno vreteno skozi njo. Rakete ali nizozemsko. raket) - letalo, ki se giblje v vesolju zaradi delovanja reaktivnega potiska, ki nastane le kot posledica zavrnitve dela lastne mase (delovno telo ) aparata in brez uporabe snovi iz okolja ... Ker let rakete ne zahteva nujno prisotnosti zunanjega zraka ali plinskega okolja, je možen ne samo v atmosferi, ampak tudi v vakuumu. Beseda "raketa" se nanaša na široko paleto letečih naprav, od praznične petarde do vesoljske nosilne rakete.

V vojaški terminologiji beseda raketa označuje praviloma razred brezpilotnih letal, ki se uporabljajo za napad na oddaljene cilje in za letenje uporabljajo princip reaktivnega pogona. V zvezi z raznovrstno uporabo raket v oboroženih silah s strani različnih vej vojske se je oblikoval širok razred različnih vrst raketnega orožja.

1.1. Zgodovina raketne znanosti.

Obstaja domneva, da je bil nekje podoben raketi zasnovan nazajStara Grčija avtorja Alix Sin. Govorimo o letečem lesenem golobu Archita iz Tarentuma.Njegov izum je omenjen v delustarorimski pisatelj Aulus Gellius "Podstrešne noči".Knjiga pravi, da so ptico dvignili z utežmi in jo spravili v gibanje z vdihom skritega in skritega zraka. Ni še ugotovljeno: ali je goloba sprožil zrak v njem ali zrak, ki je nanj pihal od zunaj? Še vedno ni jasno, kako bi lahko Archytas dobil stisnjen zrak v goloba. V starodavni tradicijipnevmatike ni analoga takšne uporabe stisnjenega zraka.

Večina zgodovinarjev izvor raket pripisuje časuKitajska dinastija Han (206 pr.n.št. - 220 n.št.), do odkritja smodnika in začetka njegove uporabe za ognjemet in zabavo. Sila, ki je nastala pri eksploziji smodniškega naboja, je zadostovala za premikanje različnih predmetov.Kasneje so to načelo uporabili pri ustvarjanju prvegapuške in muškete. Naboji za smodniško orožjeso lahko leteli na velike razdalje, vendar niso bili raketi, saj niso imeli lastnih zalog gorivo. Kljub temu je bil izum smodnika glavni predpogoj za nastanek pravih raket.

Prvo raketo je človek ustvaril pred vsaj 700 leti. V 13. stoletju so Kitajci proti mongolskim zavojevalcem prvič uporabili rakete ali, kot so jih takrat imenovali, "ognjene puščice" in sovražnika pahnili v zmedo in paniko.

V bitki pri Kaikenu leta 1232 so Kitajci sprožili »ognjene puščice«, na katere je bila pritrjena cev iz stisnjenega papirja, odprta le na zadnjem koncu in napolnjena z gorljivo spojino. Ta naboj je bil vžgan, nato pa je bila puščica izstreljena z lokom. Takšne puščice so bile v številnih primerih uporabljene med obleganjem utrdb, proti ladjam in konjenici. Po bitki pri Kaikenu so Mongoli začeli proizvajati lastne rakete in širiti prvo raketno tehnologijo v Evropi.

Od 13. do 15. stoletja so poročali o različnih poskusih z raketami. V Angliji je menih po imenu Roger Bacon delal na novi formuli prahu, ki bi povečala doseg raketnih izstrelkov. V Franciji je Jean Froissart odkril, da bi bil let izstrelka lahko natančnejši, če bi raketo izstrelili skozi cev. Po več stoletjih je Froissardova ideja dala zagon ustvarjanju protitankovskih raketnih granat, kot je baza. V Italiji je Gian de Fontana razvil raketo, podobno torpedu, ki se je premikala po površini vode, da bi zažgala sovražne ladje.

Vendar pa lahko indijskega princa Haydarja Alija, ki je vladal v kraljestvu Mysore (ali Karnataka), na jugu Indije, imenujemo inovator raketne tehnologije v njihovem sodobnem času. Med vojnami med Mysorejem in britanskim East India Trading Company Haydar je Ali uporabljal rakete in raketne polke v obliki rednih čet. Glavna tehnološka novost je bila uporaba visokokakovostne kovinske lupine, v katero je bil vstavljen naboj smodnika (tako se je pojavila prva zgorevalna komora). Haydar Ali je ustvaril tudi posebne izurjene raketne enote, ki so lahko s sprejemljivo natančnostjo usmerjale rakete na oddaljene cilje. Uporaba raket v vojnah Anglo-Mysore je Britance pripeljala do ideje o uporabi te vrste orožja. William Congreve, častnik britanskih sil, ki je kot trofejo ujel več indijskih raket, je te granate poslal v Anglijo na nadaljnje študije in razvoj. Leta 1804 je Congreve, sin vodje kraljevega arzenala v Woolwichu blizu Londona, začel razvijati raketni program in množično proizvodnjo raket. Congreve je izdelal novo mešanico goriva in razvil raketni motor ter kovinsko cev s stožčasto konico. Te rakete, ki so tehtale 15 kg, so se imenovale Congreve Rockets.

Raketno topništvo je bilo široko uporabljeno vse do konca 19. stoletja. Rakete so bile lažje in gibljivejše od topniških kosov. Natančnost in natančnost streljanja izstrelkov je bila majhna, vendar primerljiva s topniškimi deli tistega časa. Vendar pa so se v drugi polovici 19. stoletja pojavile topniške puške z narezki, ki so zagotavljale večjo natančnost in natančnost ognja, raketno topništvo pa je bilo povsod umaknjeno iz uporabe. Samo ognjemet insignalne rakete.

Konec 19. stoletja so se poskušali matematično razložiti reaktivni pogon in ustvariti učinkovitejše raketno orožje. V Rusiji se je Nikolaj Tihomirov leta 1894 med prvimi ukvarjal s tem vprašanjem.

Konstantin Tsiolkovsky je študiral teorijo reaktivnega pogona. Predstavil je zamisel o uporabi raket za vesoljske polete in trdil, da bi bila najučinkovitejše gorivo zanje kombinacija tekočega kisika in vodika. Leta 1903 je zasnoval raketo za medplanetarne komunikacije.

Nemški znanstvenik Hermann Obert je v dvajsetih letih prejšnjega stoletja postavil tudi načela medplanetarnega letenja. Poleg tega je izvajal namizne preizkuse raketnih motorjev.

Ameriški znanstvenik Robert Goddart je začel razvijati raketni motor na tekoče gorivo leta 1923, delovni prototip pa je bil dokončan do konca leta 1925. 16. marca 1926 izstrelil je prvo raketo na tekoče gorivo z bencinom in tekočim kisikom kot gorivom.

17. avgusta 1933 je bila izstreljena raketa GIRD 9, ki jo lahko štejemo za prvo sovjetsko protiletalsko raketo. Dosegla je višino 1,5 km. In naslednja raketa "GIRD 10", izstreljena 25. novembra 1933, je že dosegla višino 5 km.

14. marca 1931 je član VfR Johannes Winkler izvedel prvo uspešno izstrelitev rakete na tekoče gorivo v Evropi.

Leta 1957. v ZSSR je pod vodstvom Sergeja Koroljeva nastala prva medcelinska balistična raketa na svetu R-7 kot sredstvo za dostavo jedrskega orožja, ki je bila istega leta uporabljena za izstrelitev prvega umetnega satelita Zemlje. Tako se je začela uporaba raket za vesoljske polete.

2.2. Sile, ki delujejo na raketo med letom.

Znanost o preučevanju sil, ki delujejo na rakete ali druga vesoljska plovila, se imenuje astrodinamika.

Glavne sile, ki delujejo na raketo med letom:

Potisk motorja.

Pri premikanju v atmosferi - kakršen koli upor.

Dvižna sila. Običajno majhen, a pomemben za jadralna letala.

2.3. Uporaba raket.

2.3.1 Vojska.

Rakete se uporabljajo kot način dostave orožja do cilja. Majhna velikost in visoka hitrost raket jim zagotavljata nizko ranljivost. Ker pilot ni potreben za nadzor bojne rakete, lahko nosi naboje velike uničujoče moči, vključno z jedrskimi. Sodobni sistemi za usmerjanje in navigacijo dajejo raketam večjo natančnost in manevriranje.

Obstaja veliko vrst bojnih raket, ki se razlikujejo po dosegu letenja, pa tudi po kraju izstrelitve in kraju zadeti tarčo ("zemlja" - "zrak"). Sistemi protiraketne obrambe se uporabljajo za boj proti raketam.

Obstajajo tudi bakle in bakle.

2.3.2. Znanstvena raziskava.

Namesto letal in balonov se uporabljajo geofizične in meteorološke rakete na višini več kot 30-40 kilometrov. Rakete nimajo omejevalnega stropa in se uporabljajo za sondiranje zgornje atmosfere, predvsem mezosfere in ionosfere.

Rakete se delijo na lahke meteorološke rakete, ki lahko dvignejo en sklop instrumentov na višino približno 100 kilometrov, in težke geofizične rakete, ki lahko nosijo več sklopov instrumentov in katerih višina letenja je praktično neomejena.

Znanstvene rakete so običajno opremljene z instrumenti za merjenje atmosferskega tlaka, magnetnega polja, kozmičnega sevanja in sestave zraka ter opremo za prenos rezultatov meritev po radiu na zemljo. Obstajajo modeli raket, kjer se instrumenti s podatki, pridobljenimi med vzponom, spuščajo na tla s padali.

Raketne meteorološke raziskave so bile pred satelitskimi raziskavami, zato so imeli prvi meteorološki sateliti enake instrumente kot meteorološke rakete. Prvič so raketo izstrelili za preučevanje parametrov zračnega okolja 11. aprila 1937, vendar so se redni izstrelitvi raket začeli v 50. letih prejšnjega stoletja, ko je nastala serija specializiranih znanstvenih raket.

2.3.3. Kozmonavtika.

Raketa je še vedno edino vozilo, ki lahko izstreli vesoljsko plovilo v vesolje. Alternativni načini za dvig vesoljskih plovil v orbito, kot so "vesoljsko dvigalo", elektromagnetne in običajne puške, so še vedno v fazi načrtovanja.

2.3.4. Šport.

Obstaja nekaj ljudi, ki se ukvarjajo z raketnimi športi, katerih hobi je gradnja in lansiranje raketnih modelov. Prav tako se rakete uporabljajo v amaterskih in profesionalnih ognjemetih.

3. Reaktivni motor.

Motor, ki ustvarja silo potiska, potrebno za gibanje, s pretvorbo notranje energije goriva v kinetično energijo curka toka delovne tekočine. Delovno tekočino v zvezi z motorji razumemo kot snov (plin, tekočino, trdno snov), s pomočjo katere se toplotna energija, ki se sprosti pri zgorevanju goriva, pretvori v koristno mehansko delo. Različne vrste energije (kemična, jedrska, električna, sončna) lahko pretvorimo v kinetično (visokohitrostno) energijo reaktivnega toka v raketnem motorju. Osnova reaktivnega motorja je zgorevalna komora, kjer se zgoreva gorivo (vir primarne energije) in nastaja delovna tekočina - vroči plini (produkti zgorevanja goriva). Glavna značilnost reaktivne sile je, da nastane kot posledica interakcije delov sistema brez interakcije z zunanjimi telesi.

3.1. Zgodovina reaktivnih motorjev.

Zgodovina reaktivnih motorjev je neločljivo povezana z zgodovino letalstva. Napredek letalstva je ves čas njegovega obstoja zagotavljal predvsem napredek letalskih motorjev, vse naraščajoče zahteve letalstva do motorjev pa so bile močan spodbujevalec razvoja letalske motorje. Flyer-1, ki velja za prvo letalo, je bil opremljen z batnim motorjem z notranjim zgorevanjem in ta tehnična rešitev je ostala nepogrešljiva v letalstvu štirideset let. Letalski batni motorji so bili izboljšani, povečala se je njihova moč in razmerje potiska in teže samega letala.

Na samem začetku 30-ih let prejšnjega stoletja so se v ZSSR začela dela na ustvarjanju reaktivnega motorja za letala. Leta 1920 je sovjetski inženir F. A. Tsander predstavil idejo o raketnem letalu na visoki višini. Njegov motor OR-2, ki je deloval na bencin in tekoči kisik, je bil namenjen vgradnji na prototip letala.

Leta 1939 so v ZSSR potekali preizkusi letenja ramjet motorjev (ramjet motorjev) na letalu I-15, ki ga je zasnoval NN Polikarpov. Ramjet motor, ki ga je zasnoval I. A. Merkulov, je bil nameščen na spodnji ravnini letala kot dodatni motorji. Prve lete je izvedel izkušeni testni pilot P.E. Loginov. Na določeni višini je avto pospešil do največje hitrosti in vklopil reaktivne motorje. Potisk dodatnih ramjet motorjev je povečal največjo hitrost leta. Leta 1939 je bil izdelan zanesljiv zagon motorja med letom in stabilnost procesa zgorevanja. Med letom je pilot lahko večkrat vklopil in ugasnil motor ter prilagodil njegov potisk. 25. januarja 1940 je po tovarniški obdelavi motorjev in preverjanju njihove varnosti potekal uradni preizkus na številnih poletih - let letala z ramjet motorjem. Pilot Loginov je začel z osrednjega letališča Frunze v Moskvi na nizki višini vklopil reaktivne motorje in naredil več krogov nad območjem letališča.

Poleti 1940 so bili ti motorji nameščeni in preizkušeni na lovcu I-153 "Chaika", ki ga je zasnoval NN Polikarpov. Hitrost letala so povečali za 40-50 km / h.

Vendar pa so pri hitrostih letenja, ki bi jih lahko razvila propelerska letala, dodatni zračni reaktivni motorji brez kompresorja porabili veliko goriva. Ramjet ima še eno pomembno pomanjkljivost: tak motor ne zagotavlja potiska na mestu in zato ne more zagotoviti samostojnega vzleta letala. To pomeni, da mora biti letalo s podobnim motorjem nujno opremljeno s kakšno pomožno lansirno elektrarno, na primer propelersko, sicer ne bo vzletelo.

Delo na ustvarjanju bojnih reaktivnih letal je bilo široko izvedeno v tujini.

Junija 1942 se je zgodil prvi polet nemškega reaktivnega lovca-prestreznika "Me-163", ki ga je zasnoval Messerschmitt. Leta 1944 je bila v množično proizvodnjo dana šele deveta različica tega letala.

Prvič je bilo to letalo z motorjem na tekoče gorivo uporabljeno v bojnih razmerah sredi leta 1944 med invazijo zavezniških sil na Francijo. Namenjen je bil boju proti sovražnikovim bombnikom in lovcem nad nemškim ozemljem. Letalo je bilo monoplano brez vodoravnega repa, kar je bilo mogoče zaradi velikega zamaha krila.

V Italiji je bil avgusta 1940 opravljen prvi 10-minutni let monoplana Campini-Caproni SS-2. Na tem letalu je bil nameščen tako imenovani motorni kompresor VRM (ta vrsta VRM ni bila upoštevana pri pregledu reaktivnih motorjev, saj se je izkazala za nedonosno in ni prejela distribucije).

Maja 1941 se je v Angliji zgodil prvi testni let Gloucester "E-28/39" poskusnega letala s turboreaktivnim motorjem s centrifugalnim kompresorjem, ki ga je izdelal Whittle.

Pri 17 tisoč vrtljajih na minuto je ta motor razvil potisk približno 3800 Newtonov. Eksperimentalno letalo je bilo enosedežni lovec z enim turboreaktivnim motorjem, ki se nahaja v trupu za pilotsko kabino. Letalo je imelo triciklično podvozje, ki se je lahko uvlečilo med letom.

Leto in pol pozneje, oktobra 1942, je bil izveden prvi preizkus letenja ameriškega reaktivnega lovca "Ercomet" R-59A z dvema turboreaktivnima motorjema, ki jih je zasnoval Whittle. To je bilo srednjekrilno monoplano z visokim repom. Med testi letenja je bila dosežena hitrost 800 kilometrov na uro.

Med drugimi letali s turboreaktivnimi motorji tega obdobja je treba omeniti lovec Gloucester Meteor, katerega prvi let je bil leta 1943. To enosedežno popolnoma kovinsko monoplano se je izkazalo za enega najuspešnejših reaktivnih lovcev tistega obdobja. Na nizko ležečem konzolnem krilu sta bila nameščena dva turboreaktivna motorja. Serijsko bojno letalo je razvilo hitrost 810 kilometrov na uro. Trajanje leta je bilo približno 1,5 ure, strop je bil 12 kilometrov. Letalo je imelo 4 avtomatske topove kalibra 20 mm. Avto je imel dobro manevriranje in vodljivost pri vseh hitrostih. Novembra 1941 je bil na posebni rekordni različici tega stroja postavljen svetovni hitrostni rekord 975 kilometrov na uro.

Že v začetnem obdobju razvoja reaktivnih motorjev so prej poznane oblike letal doživele bolj ali manj pomembne spremembe. Na primer, britanski reaktivni lovec "Vampire" z zasnovo z dvema krakoma je bil videti zelo nenavaden.

Pri nas se je med veliko domovinsko vojno začelo obsežno raziskovalno delo pri ustvarjanju bojnih letal s turboreaktivnimi motorji. Vojna je postavila nalogo - ustvariti lovsko letalo, ki ima ne le veliko hitrost, ampak tudi znatno trajanje leta: navsezadnje so imeli razviti reaktivni lovci z motorji na tekoče gorivo zelo kratko trajanje leta - le 8-15 minut. Bojna letala so bila razvita s kombiniranim pogonskim sistemom - propelerskim in reaktivnim. Na primer, lovci La-7 in La-9 so bili opremljeni z reaktivnimi ojačevalniki.

Delo na enem prvih sovjetskih reaktivnih letal se je začelo v letih 1943-1944. To bojno vozilo je ustvarila oblikovalska skupina, ki jo je vodil general letalske inženirske službe Artem Ivanovič Mikoyan. Šlo je za lovec I-250 s kombinirano elektrarno, ki je bila sestavljena iz tekočinsko hlajenega batnega letalskega motorja tipa VK-107 A s propelerjem in WFD, katerega kompresor je vrtel batni motor. I-250 je svoj prvi polet opravil marca 1945. Med preizkusi letenja je bila dosežena hitrost krepko čez 800 kilometrov na uro.

Kmalu je ista ekipa oblikovalcev ustvarila reaktivni lovec MIG-9. Na njem sta bila nameščena dva turboreaktivna motorja tipa "RD-20". 24. aprila 1946 je testni pilot A. N. Grinchik opravil prvi let na letalu MIG-9. Tako kot letalo BI se je tudi to letalo po svoji zasnovi malo razlikovalo od batnih letal. Največja hitrost MIG-9 je presegla 900 kilometrov na uro. Konec leta 1946 so ta stroj začeli množično proizvodnjo.

Aprila 1946 je bil opravljen prvi let na reaktivnem lovcu, ki ga je zasnoval A.S. Yakovlev.

Vztrajno ustvarjalno delo raziskovalnih, oblikovalskih in proizvodnih ekip je bilo kronano z uspehom: nova domača reaktivna letala niso bila nič slabša od svetovne letalske tehnologije tistega obdobja. Med hitrimi reaktivnimi letali, ustvarjenimi v ZSSR v letih 1946-1947, reaktivni lovec, ki sta ga zasnovala AI Mikoyan in MI Gurevich "MIG-15", z zamašenim krilom in repom, izstopa po svojih visokih letalsko-taktičnih in operativnih značilnostih. . Uporaba zamašenega krila in perja je povečala vodoravno hitrost leta brez bistvenih sprememb v njegovi stabilnosti in vodljivosti. K povečanju hitrosti letala je v veliki meri pripomoglo tudi povečanje razmerja med močjo in maso: nameščen je bil nov turboreaktivni motor s centrifugalnim kompresorjem RD-45 s potiskom približno 19,5 kilonewtonov pri 12 tisoč vrtljajih na minuto. Horizontalna in navpična hitrost tega stroja je presegla vse, kar je bilo prej doseženo na reaktivnih letalih.

Konstruktorski biro, ki je delal pod vodstvom S. A. Lavochkina, je hkrati z izdajo MIG-15 ustvaril nov reaktivni lovec La-15. Imel je zamašeno krilo nad trupom. Imel je močno orožje na krovu. Od vseh takratnih lovcev z zamašenimi krili je imel La-15 najmanjšo letno težo. Zahvaljujoč temu je imelo letalo La-15 z motorjem RD-500, ki je imelo manjši potisk od motorja RD-45, nameščenega na MIG-15, približno enake letne in taktične podatke kot MIG-15.

Zamah in poseben profil kril in repa reaktivnega letala sta močno zmanjšala zračni upor pri letenju s hitrostjo širjenja zvoka. Zdaj, med valovno krizo, se je upor povečal ne 8-12-krat, ampak le 2-3-krat. To so potrdili tudi prvi nadzvočni leti sovjetskih reaktivnih letal.

3.2. Uporaba reaktivne tehnologije v civilnem letalstvu.

Kmalu so na civilna letala začeli nameščati reaktivne motorje.

Leta 1955 je v tujini začelo delovati večsedežno potniško letalo Kometa-1. Ta osebni avtomobil s štirimi turboreaktivnimi motorji je imel hitrost okoli 800 kilometrov na uro na višini 12 kilometrov. Letalo je lahko prevažalo 48 potnikov. Domet letenja je bil približno 4 tisoč kilometrov. Vendar je bilo po večji nesreči tega letala v Sredozemlju njegovo delovanje prekinjeno. Kmalu se je začela uporabljati konstruktivna različica tega letala - "Kometa-3".

Leta 1959 se je začelo delovanje francoskega potniškega letala "Caravel". Letalo je imelo krožni trup s premerom 3,2 metra, ki je bil opremljen s prostorom pod tlakom dolžine 25,4 metra. Elektrarno je sestavljala dva turboreaktivna motorja s potiskom po 40 kilonewtonov. Hitrost letala je bila približno 800 kilometrov na uro.

V ZSSR je že leta 1954 na eni od zračnih poti dostava nujnega tovora in pošte potekala s hitrim reaktivnim letalom "Il-20".To letalo z dvema turboreaktivnima motorjema s potiskom po 80 kilonewtonov je imelo odlične aerodinamične oblike.

"TU-104" je bil zelo cenjen tako pri nas kot v tujini. Tuji strokovnjaki so v tisku povedali, da je Sovjetska zveza z začetkom rednega potniškega prometa na reaktivnem letalu "TU-104" dve leti pred ZDA, Anglijo in drugimi zahodnimi državami v množičnem izkoriščanju potniških turboreaktivnih letal: Ameriško reaktivno letalo "Boeing-707 "In angleški" Comet-IV "so šli na letalske linije šele konec leta 1958, francoski" Caravel "- leta 1959.

TVD je vmesna vrsta letalske elektrarne. Čeprav se plini, ki izstopajo iz turbine, odvajajo skozi šobo in njihova reakcija ustvari nekaj potiska, glavni potisk ustvari delujoči propeler, kot pri običajnem letalu, ki ga poganja propeler.

Prizorišče operacij v bojnem letalstvu ni postalo razširjeno, saj ne more zagotoviti takšne hitrosti gibanja kot čisto reaktivni motorji. Neprimeren je tudi na hitrih linijah civilnega letalstva, kjer je hitrost odločilni dejavnik, vprašanja ekonomičnosti in stroškov leta pa bledijo v ozadje. Vendar pa je priporočljivo uporabljati turbopropelerska letala na poteh različnih dolžin, na katerih letijo s hitrostmi reda 600-800 kilometrov na uro. Upoštevati je treba, da je, kot kažejo izkušnje, prevoz potnikov na njih na razdalji 1000 kilometrov za 30 % cenejši kot na letalih na propelerski pogon z batnimi letalskimi motorji.

3.3. Načelo delovanja reaktivnih motorjev.

Reaktivni motor temelji na napravi navadne rakete. Deluje na naslednji način. V posebni komori, ki ima en izhod s stožčasto cevjo - šobo, se gorivo zgoreva. Plinasti produkti zgorevanja letijo skozi šobo z ogromno hitrostjo. Ko se gorivo zgori, se v komori tvori povečan tlak do 80-100 atmosfer. Ta pritisk deluje v vse smeri z enako silo. Pritiski na stranskih stenah komore so medsebojno uravnoteženi. Sila, ki deluje na sprednjo steno, ni nič uravnotežena, saj na nasprotni strani plini prosto uhajajo skozi luknjo. Zato rezultat vseh sil pritiska na stene komore povzroči, da se raketni motor premakne naprej.

Zaradi odtoka delovne tekočine iz šobe motorja nastane reaktivna sila v obliki reakcije (odboja) curka, ki premika motor in z njim strukturno povezane naprave v prostoru v prostoru. smer v nasprotni smeri od izliva curka. Različne vrste energije (kemična, jedrska, električna, sončna) lahko pretvorimo v kinetično (visokohitrostno) energijo reaktivnega toka v raketnem motorju. R. d. (Motor neposredne reakcije) v sebi združuje sam motor s propelerjem, torej zagotavlja lastno gibanje brez sodelovanja vmesnih mehanizmov.

Za ustvarjanje reaktivnega potiska, ki ga uporablja raketni motor, so potrebni: vir začetne (primarne) energije, ki se pretvori v kinetično energijo curka;

delovna tekočina, ki se izvrže iz reaktorja v obliki curka; sam R. d. je pretvornik energije. Začetna energija je shranjena na krovu letala ali druge naprave, opremljene z radioaktivnim gorivom (kemično gorivo, jedrsko gorivo), ali (načeloma) lahko prihaja od zunaj (sončna energija). Za pridobitev delovne tekočine v R. d. Mogočeuporabite snov, vzeto iz okolja (na primer zrak ali vodo); snov, ki se nahaja v rezervoarjih aparata ali neposredno v komori R. d.; mešanica snovi, ki prihajajo iz okolja in so shranjene na vozilu. V sodobni proizvodnji energije se kot primarna energija najpogosteje uporablja kemična energija. V tem primeru so delovna tekočina vroči plini - produkti zgorevanja kemičnega goriva. Med delovanjem raketnega motorja se kemična energija gorljivih snovi pretvori v toplotno energijo produktov zgorevanja, toplotna energija vročih plinov pa se pretvori v mehansko energijo translacijskega gibanja curka in posledično aparata. na katerega je nameščen motor. Glavni del katere koli zgorevalne komore je zgorevalna komora, v kateri nastaja delovna tekočina. Končni del komore, ki služi za pospeševanje delovne tekočine in pridobivanje curka, se imenuje curka šoba.

Vsi vedo, da se po strelu vrne pištolo ali puško. To se zgodi, ker izstrelek ali krogla z veliko hitrostjo prileti iz gobca pištole ali puške. In samo orožje zaradi sile reakcije prejme gibanje v nasprotni smeri. Izstrelke izrivajo plini, ki nastanejo pri zgorevanju smodnika. Če ne bi utrdili cevi puške na loncu, ampak bi jo pustili prosto premikati, bi po strelu cev odletela nazaj kot raketa.

Let običajnih letal je nemogoč v prostoru brez zraka. Dvižna sila letala nastane le z delovanjem zračnega curka na njegova krila. Cepelin ali balon lahko leti le, če je lažji od zraka enake prostornine.

V tem smislu imajo raketni motorji veliko prednost pred običajnimi letali. Raketni motor deluje neodvisno od okolja, ne potrebuje zračne podpore. Naprave, opremljene z raketnimi motorji, lahko letijo ne le v zelo redkem zraku, ampak celo v brezzračnem prostoru.

V zadnjih letih so bili izvedeni številni bolj ali manj uspešni poskusi uporabe reaktivnih motorjev na različnih tipih vozil.
Vsi motorji imajo dva procesa pretvorbe energije. Najprej se kemična energija goriva pretvori v toplotno energijo produktov zgorevanja, nato pa se toplotna energija uporabi za opravljanje mehanskega dela. Takšni motorji vključujejo batne motorje avtomobilov, dizelske lokomotive, parne in plinske turbine elektrarn itd.

Oglejmo si ta proces v zvezi z reaktivnimi motorji. Začnimo z zgorevalno komoro motorja, v kateri je tako ali drugače že nastala gorljiva mešanica, odvisno od tipa motorja in vrste goriva. To je lahko na primer mešanica zraka s kerozinom, kot v turboreaktivnem motorju sodobnega reaktivnega letala, ali mešanica tekočega kisika z alkoholom, kot v nekaterih raketnih motorjih na tekoče gorivo, ali končno nekaj trdnega goriva za prahne rakete. Gorljiva zmes lahko gori, t.j. vstopijo v kemično reakcijo z nasilnim sproščanjem energije v obliki toplote. Sposobnost sproščanja energije med kemično reakcijo je potencialna kemična energija molekul v zmesi. Kemična energija molekul je povezana s posebnostmi njihove strukture, natančneje s strukturo njihovih elektronskih lupin, t.j. elektronskega oblaka, ki obdaja jedra atomov, ki sestavljajo molekulo. Kot posledica kemične reakcije, pri kateri se nekatere molekule uničijo, druge pa nastanejo, pride do preureditve elektronskih lupin. To prestrukturiranje je vir sproščene kemične energije. Vidimo, da so edine snovi, ki lahko služijo kot gorivo za reaktivne motorje, tiste, ki med kemično reakcijo v motorju (zgorevanje) sproščajo veliko toplote in tvorijo tudi veliko količino plinov. Vsi ti procesi potekajo v zgorevalni komori, vendar se osredotočimo na reakcijo ne na molekularni ravni (o tem smo že razpravljali), temveč na "fazah" dela. Dokler se zgorevanje ne začne, ima mešanica veliko zalogo potencialne kemične energije. Potem pa je plamen zajel mešanico, še en trenutek - in kemične reakcije je konec. Zdaj je namesto molekul gorljive zmesi komora napolnjena z molekulami produktov zgorevanja, bolj gosto "pakiranih". Odvečna energija vezave, ki je kemična energija pretekle reakcije zgorevanja, se sprosti. Molekule, ki imajo to presežno energijo, so jo zaradi pogostih trkov z njimi skoraj v trenutku prenesle na druge molekule in atome. Vse molekule in atomi v zgorevalni komori so se začele premikati naključno, kaotično z veliko večjo hitrostjo, temperatura plinov se je povečala. Tako se je potencialna kemična energija goriva pretvorila v toplotno energijo produktov zgorevanja.

Podoben prehod je bil izveden pri vseh drugih toplotnih motorjih, vendar se reaktivni motorji bistveno razlikujejo od njih glede na nadaljnjo usodo produktov zgorevanja z žarilno nitko.

Ko se v toplotnem stroju tvorijo vroči plini, ki vsebujejo veliko toplotno energijo, je treba to energijo pretvoriti v mehansko energijo. Navsezadnje se motorji uporabljajo za opravljanje mehanskega dela, za "premikanje" nečesa, za to, da to sprožijo, ni pomembno, ali gre za dinamo stroj, ko ga prosimo, da doda risbe elektrarni, dizelski lokomotivi, avto ali letalo.

Da bi toplotna energija plinov prešla v mehansko energijo, se mora njihov volumen povečati. Pri tej ekspanziji plini opravljajo delo, ki porablja njihovo notranjo in toplotno energijo.

Pri batnem motorju ekspandirajoči plini pritiskajo na bat, ki se giblje v notranjosti cilindra, bat pa potiska ojnico, ki že vrti ročično gred motorja. Gred je povezana z rotorjem dinama, pogonskimi osemi dizelske lokomotive ali avtomobila ali propelerjem letala - motor opravlja koristno delo. V parnem stroju ali plinski turbini se plini širijo, zaradi česar se kolo, povezano z gredjo turbine, vrti - tukaj ni potrebe po prenosnem ročičnem mehanizmu, kar je ena od velikih prednosti turbine.

Plini se seveda širijo v reaktivnem motorju, saj brez tega ne opravljajo dela. Toda delo raztezanja v tem primeru se ne porabi za vrtenje gredi. Povezan s pogonskim mehanizmom, tako kot pri drugih toplotnih motorjih. Namen reaktivnega motorja je drugačen - ustvariti reaktivni potisk in za to je potrebno, da curek plinov - produktov zgorevanja izteka iz motorja z veliko hitrostjo: reakcijska sila tega curka je potisk motorja. . Posledično je treba delo širjenja plinastih produktov zgorevanja goriva v motorju porabiti za pospeševanje samih plinov. To pomeni, da je treba toplotno energijo plinov v reaktivnem motorju pretvoriti v njihovo kinetično energijo – naključno kaotično toplotno gibanje molekul je treba nadomestiti z njihovim organiziranim pretokom v eni smeri, ki je skupna vsem.

V ta namen služi eden najpomembnejših delov motorja, tako imenovana jet šoba. Ne glede na to, kateri tip reaktivnega motorja pripada določenemu reaktivnemu motorju, je nujno opremljen s šobo, skozi katero z veliko hitrostjo iz motorja iztekajo vroči plini - produkti zgorevanja goriva v motorju. Pri nekaterih motorjih plini vstopijo v šobo takoj za zgorevalno komoro, na primer pri raketnih ali ramjet motorjih. Pri drugih, turboreaktivnih, plini najprej preidejo skozi turbino, ki ji oddajo del svoje toplotne energije. V tem primeru porabi za pogon kompresorja, ki služi za stiskanje zraka pred zgorevalno komoro. Toda tako ali drugače je šoba zadnji del motorja - plini tečejo skozi njo, preden zapustijo motor.

Reaktivna šoba ima lahko različne oblike, poleg tega pa različne oblike, odvisno od vrste motorja. Glavna stvar je hitrost, s katero iztekajo plini iz motorja. Če ta iztočna hitrost ne presega hitrosti, s katero se zvočni valovi širijo v odhajajočih plinih, potem je šoba preprost cilindrični ali ožji cevni segment. Če mora hitrost iztoka preseči hitrost zvoka, potem šoba dobi obliko raztezne cevi ali najprej zožitve in nato razširitve (Lovely šoba). Le v cevi te oblike, kot kažejo teorija in izkušnje, je mogoče plin pospešiti do nadzvočnih hitrosti, "zvočno pregrado" pa je mogoče prestopiti.

Hladilnik

riž. 2.31. Toplotni motor

Grelec

Delovno telo motorja

2.12 Toplotni stroji

Skratka, toplotni motorji pretvarjajo toploto v delo ali, nasprotno, delo v toploto.

Toplotni motorji so dveh vrst, odvisno od smeri procesov, ki se v njih odvijajo.

1. Toplotni motorji pretvarjajo toploto iz zunanjega vira v mehansko delo.

Avtomobilski motor z notranjim zgorevanjem je primer toplotnega motorja. Toploto, ki se sprosti pri zgorevanju goriva, pretvarja v mehansko energijo vozila.

2. Hladilni stroji zaradi mehanskega dela zunanjega vira prenašajo toploto z manj segretega telesa na bolj segreto.

Gospodinjski hladilnik v vašem stanovanju je primer hladilnega stroja. V njej se toplota odstrani iz hladilne komore in prenese v okoliški prostor.

Oglejmo si te vrste toplotnih motorjev podrobneje.

2.12.1 Toplotni motorji

Vemo, da je delo na telesu eden od načinov za spreminjanje njegove notranje energije: opravljeno delo se tako rekoč raztopi v telesu in se spremeni v energijo kaotičnega gibanja in interakcije njegovih delcev.

Toplotni motor je naprava, ki, nasprotno, črpa koristno delo iz "kaotične" notranje energije telesa. Izum toplotnega motorja je korenito spremenil obraz človeške civilizacije.

Shematski diagram toplotnega motorja je mogoče prikazati na naslednji način (slika 2.31). Razumimo, kaj pomenijo elementi tega diagrama.

Delovna tekočina motorja je plin. Razširja se, premika bat in tako naredi uporaben mehanizem.

nichuyu delo.

Toda, da bi plin prisilili, da se razširi in premaga zunanje sile, ga je treba segreti na temperaturo, ki je bistveno višja od temperature okolice. Za to pride plin v stik z grelnikom goriva na zgorevanje.

V procesu zgorevanja goriva se sprosti znatna energija, katere del se porabi za ogrevanje plina. Plin od grelnika prejme količino toplote Q1. Zaradi te toplote motor opravlja koristno delo A.

To je vse jasno. Kaj je hladilnik in zakaj je potreben?

Z eno samo ekspanzijo plina lahko vhodno toploto izkoristimo čim bolj učinkovito in jo v celoti pretvorimo v delo. Za

To zahteva izotermno širitev plina: prvi zakon termodinamike, kot vemo, nam v tem primeru daje A = Q1.

Vendar nihče ne potrebuje enkratne razširitve. Motor mora delovati ciklično, kar zagotavlja periodične ponovljive premike bata. Zato je treba na koncu ekspanzije plin stisniti in ga vrniti v prvotno stanje.

V procesu ekspanzije plin opravi nekaj pozitivnega dela A1. V procesu stiskanja se na plinu izvede pozitivno delo A2 (in sam plin opravi negativno delo A2). Kot rezultat, uporabno delo plina na cikel: A = A1 A2.

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

Kako je to mogoče doseči? Odgovor: stisniti plin pri nižjih tlakih, kot so bili med ekspanzijo. Z drugimi besedami, na pV-diagramu mora iti proces stiskanja pod procesom ekspanzije, to pomeni, da mora cikel potekati v smeri urinega kazalca (slika 2.32).

riž. 2.32. Cikel toplotnega motorja

Na primer, v ciklu na sliki je delo plina med raztezanjem enako površini ukrivljenega trapeza V1 1a2V2. Podobno je delo plina pri stiskanju enako površini ukrivljenega trapeza V1 1b2V2 z znakom minus. Posledično se delo A plina na cikel izkaže za pozitivno in enako površini cikla 1a2b1.

V redu, toda kako doseči, da se plin vrne v prvotno stanje po nižji krivulji, torej skozi stanja z nižjimi tlaki? Spomnimo se, da je za dano prostornino nižja temperatura, nižji je tlak plina. Posledično mora plin med stiskanjem preiti skozi stanja z nižjimi temperaturami.

Hladilnik je prav za to: za hlajenje plina med kompresijskim postopkom. Hladilnik je lahko atmosfera (za motorje z notranjim zgorevanjem) ali hladilna tekoča voda (za parne turbine).

Ko se ohladi, odda plin v hladilnik določeno količino toplote Q2. Skupna količina toplote, ki jo prejme plin na cikel, je enaka Q1 Q2. Po prvem zakonu termodinamike:

Q1 Q2 = A + U;

kjer je U sprememba notranje energije plina na cikel. Enaka je nič: U = 0, saj se je plin vrnil v prvotno stanje (in notranja energija, kot se spomnimo, je funkcija stanja). Posledično je delo plina na cikel enako:

A = Q1 Q2:

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

avtomobili

Hladilnik

riž. 2.33. Hladilni stroj

Grelec

Delovno telo za hlajenje

Kazalec učinkovitosti pretvorbe energije goriva za zgorevanje v mehansko delo je izkoristek toplotnega motorja.

Učinkovitost toplotnega motorja je razmerje med mehanskim delom A in količino toplote

Q1 ste prejeli od grelnika:

O: V1

Ob upoštevanju relacije (2.12) imamo tudi

	Q 1Q 2

Učinkovitost toplotnega motorja, kot lahko vidimo, je vedno manjša od enote. Na primer, izkoristek parnih turbin je približno 25 %, izkoristek motorjev z notranjim zgorevanjem pa približno 40 %.

2.12.2 Hladilni stroji

Vsakodnevne izkušnje in fizikalni poskusi nam povedo, da se v procesu toplotne izmenjave toplota prenaša z bolj segretega telesa na manj segreto, ne pa obratno. Nikoli ne opazimo procesov, pri katerih zaradi izmenjave toplote energija spontano prehaja iz hladnega telesa v vroče, zaradi česar bi se hladno telo še bolj ohladilo, vroče telo pa še bolj segrelo.

Ključna beseda tukaj je "spontano". Če uporabljate zunanji vir energije, je povsem mogoče izvesti postopek prenosa toplote iz hladnega telesa v vroče. To počnejo hladilni stroji.

V primerjavi s toplotnim motorjem imajo procesi v hladilnem stroju nasprotno smer (slika 2.33).

Imenuje se tudi delovno telo hladilnega stroja

ki med raztezanjem absorbira toploto in med stiskanjem odda21.

Hladilnik v hladilniku je telo, iz katerega se odvaja toplota. Hladilnik prenese delovanje

Za telo (plin), količina toplote Q2, zaradi katere se plin razširi.

Med stiskanjem plin odda toploto Q1 bolj segretemu telesu, grelniku. Za takšen prenos toplote je treba plin stisniti pri višjih temperaturah, kot je bil med ekspanzijo. To je mogoče le zaradi dela A0, ki ga opravi zunanji vir (na primer električni motor) 22. Zato je količina toplote

ki ste ga prenesli na grelec, se izkaže, da je več kot količina toplote, odvzeta iz mraza

za vrednost A0:

Q1 = Q2 + A0:

21 V resničnih hladilnih sistemih je hladilno sredstvo hlapna raztopina z nizkim vreliščem, ki med izhlapevanjem prevzema toploto in oddaja med kondenzacijo.

22 V pravih hladilnih enotah elektromotor ustvari nizek tlak v uparjalniku, zaradi česar hladilno sredstvo zavre in se segreje; nasprotno, elektromotor ustvarja visok tlak v kondenzatorju, pod katerim hladilno sredstvo kondenzira in oddaja toploto.

Tako na pV-diagramu obratovalni cikel hladilnega stroja poteka v nasprotni smeri urinega kazalca. Območje cikla je delo A0, ki ga opravi zunanji vir (slika 2.34).

riž. 2.34. Cikel hladilnika

Glavni namen hladilnega stroja je hlajenje rezervoarja (na primer zamrzovalnika). V tem primeru ima ta rezervoar vlogo hladilnika, okolje pa služi kot grelec, toplota, odstranjena iz rezervoarja, pa se vanj razprši.

Kazalec učinkovitosti hladilnega stroja je hladilni koeficient, ki je enak razmerju toplote, odvzete iz hladilnika, in delovanju zunanjega vira:

Q A 2 0:

Koeficient uspešnosti je lahko več kot ena. V pravih hladilnikih ima vrednosti od približno 1 do 3.

Obstaja še ena zanimiva uporaba: hladilnik lahko deluje kot toplotna črpalka. Potem je njegov namen ogrevanje določenega rezervoarja (na primer za ogrevanje prostora) zaradi toplote, odvzete iz okolja. V tem primeru bo ta rezervoar grelec, okolje pa hladilnik.

Kazalnik učinkovitosti toplotne črpalke je ogrevalni koeficient, ki je enak razmerju med količino toplote, ki se prenese v ogrevan rezervoar, in delom

zunanji vir:

Q A 1 0:

Vrednosti ogrevalnega koeficienta pravih toplotnih črpalk so običajno v območju od 3 do 5.

2.12.3 Toplotni stroj Karnot

Najpomembnejše značilnosti toplotnega motorja so najvišje in najnižje vrednosti temperature delovne tekočine med ciklom. Te vrednosti se imenujejo temperatura grelca in temperatura hladilnika.

Videli smo, da je učinkovitost toplotnega motorja strogo manjša od enote. Postavlja se naravno vprašanje: kakšen je največji možni izkoristek toplotnega motorja s fiksnimi vrednostmi temperature grelnika T1 in temperature hladilnika T2?

Naj je na primer najvišja temperatura delovne tekočine motorja 1000 K, najnižja pa 300 K. Kakšna je teoretična meja izkoristka takega motorja?

Odgovor na to vprašanje je dal francoski fizik in inženir Sadi Carnot leta 1824. Izumil in raziskoval je čudovit toplotni motor z idealnim plinom kot

delovna tekočina. Ta stroj deluje po Carnotovem ciklu, ki je sestavljen iz dveh izoterm in dveh adiabat.

Razmislite o neposrednem ciklu Carnotovega stroja v smeri urnega kazalca (slika 2.35). V tem primeru stroj deluje kot toplotni motor.

T 23

riž. 2.35. Carnotov cikel

Izoterma 1! 2. Na mestu 1! 2, plin pride v toplotni stik s temperaturnim grelnikom T1 in se izotermično razširi. Količina toplote Q1 se dovaja iz grelnika in se v tem delu popolnoma pretvori v delo: A12 = Q1.

Adiabat 2! 3. Za namen naknadnega stiskanja je potrebno plin prenesti v območje nižjih temperatur. Za to je plin toplotno izoliran, nato pa se adiabatsko razširi na odseku 2! 3. Plin med ekspanzijo opravi pozitivno delo A23 in zaradi tega se njegova notranja energija zmanjša: U23 = A23.

Izoterma 3! 4. Toplotna izolacija je odstranjena, plin se spravi v toplotni stik s hladilnikom pri temperaturi T2. Pojavi se izotermična kompresija. Plin daje hladilniku količino toplote Q2 in opravi negativno delo A34 = Q2.

Adiabat 4! 1. Ta razdelek je potreben za vrnitev plina v prvotno stanje. Med adiabatnim stiskanjem plin opravi negativno delo A41, sprememba notranje energije pa je pozitivna: U41 = A41. Plin se segreje na začetno temperaturo T1.

Carnot je ugotovil učinkovitost tega cikla (izračuni so žal izven obsega šolskega kurikuluma):

	T 1T 2

Poleg tega je dokazal, da je izkoristek Carnotovega cikla največji možni pri vseh toplotnih motorjih s temperaturo grelca T1 in temperaturo hladilnika T2.

Torej, v zgornjem primeru (T1 = 1000 K, T2 = 300 K) imamo:

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

V čem je smisel uporabe izoterm in adiabatov in ne nekih drugih procesov? Izkazalo se je, da izotermični in adiabatski procesi naredijo Carnotov stroj reverzibilen. Lahko se zažene v obratnem ciklu (v nasprotni smeri urinega kazalca) med istim grelnikom in hladilnikom, brez vključevanja drugih naprav. V tem primeru bo stroj Carnot deloval kot hladilnik.

Sposobnost vožnje Carnotovega stroja v obe smeri igra zelo pomembno vlogo v termodinamiki. To dejstvo na primer služi kot povezava v dokazu največje učinkovitosti Carnotovega cikla. K temu se bomo vrnili v naslednjem članku, posvečenem drugemu zakonu termodinamike.