История создания теплового двигателя сообщение физика 8 класс кратко

Обновлено: 04.07.2024

Тип урока: урок изучения нового материала.

рассмотреть применение закона сохранения и превращения энергии в тепловых двигателях;
объяснить принцип действия тепловых двигателей;
показать значение тепловых двигателей в жизни человека;
рассмотреть, в чем заключается вредное воздействие тепловых двигателей на окружающую среду и здоровье человека;
выяснить пути охраны окружающей среды;
развивать монологическую речь учащихся;
содействовать формированию навыков сравнения, выделения главного и второстепенного в изучаемом материале, обобщения, логического мышления.
поддерживать интерес к предмету, желание учиться.

Оборудование: компьютер, мультимедийная приставка, экран; модели: ДВС, паровой турбины; плакаты по устройству тепловых двигателей; жидкостный манометр, теплоприемник, нагревательный элемент (электрическая плитка).

“Загрязнение окружающей среды в Саратовской области”.
“Основные источники загрязнения окружающей среды в Заводском районе г. Саратова”.
“Пути решения проблем, связанных с использованием тепловых двигателей: новые двигатели, биологическое топливо, использование газа, полное сгорание топлива, управление движением городского транспорта, особое покрытие дорог, экологическое воспитание водителей”.

принцип работы тепловых двигателей;
устройство и осуществление технической задачи работы ТД;
классификация ТД;
достоинства и недостатки ТД;
способы ликвидации вредных воздействий ТД;
закрепление изученного

– Вы уже знакомы с законом сохранения и превращения энергии и знаете, что внутреннюю энергию тел можно использовать для совершения механической работы. В тепловых машинах внутренняя энергия, освобождаемая при сгорании топлива, преобразуется в механическую энергию. Машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую, называются тепловыми двигателями Это преобразование объясняется так: тела, расширяясь при нагревании, совершают работу. Т.к. газы и пары расширяются наиболее сильно, они используются в качестве рабочего тела.
Важно то, что речь идет не об однократном расширении. Для того чтобы тепловая машина работала непрерывно, нужно, чтобы акты расширения многократно повторялись. Повторяемость актов расширения означает периодический возврат системы в исходное состояние. Но каждое возвращение в исходное состояние требует совершения работы.
Очевидно, что полезный выход работы возможен в том случае, если работа возвращения в исходное состояние меньше, чем работа, получаемая при расширении.
Демонстрация принципа действия теплового двигателя: в трубку жидкостного манометра налита подкрашенная вода. Одно колено трубки соединено с теплоприемником. Теплоприемник нагревается, над нагретой электроплиткой, охлаждается погружением в холодную воду.
Наличие холодильника является обязательным условием действия любого теплового двигателя потому, что полезный выход работы может быть только в процессе передачи тепла от горячего тела (нагревателя) более холодному (холодильнику).
Рабочее тело может совершать работу, когда оно не находится в тепловом равновесии с окружающей средой.

Что называется коэффициентом полезного действия? (Это физическая величина равная отношению полезной работы к затраченной. КПД = ( А_п / А_з)100%)
Что нам известно об этой величине? (Эта величина выражается в процентах. Ее значение ни при каких условиях не может быть больше 100%.)
Что в тепловых машинах совершает полезную работу? (Полезную работу совершает рабочее тело – газ или пар.)
Какая энергия тратится в тепловых двигателях? (Энергия , которую газ получает от нагревателя – топлива.)

Существует несколько видов тепловых двигателей. (Слайды № 2)

Классификация тепловых двигателей

Паровая машина
Паровая и газовая турбина

Историческая справка

Одним из первых воспользоваться движущей силой пара попытался французский физик Дени Папен. Он пришёл к идее пароатмосферного двигателя, представляющего собой цилиндр с поршнем, который мог подниматься под давлением пара и опускаться при его конденсации. Однако учёный так и не смог создать работоспособное устройство.

В 1698 г. английский инженер Томас Севери изобрёл паровой насос для подъёма воды. В 1707 г. насос Севери был установлен в Летнем саду в Петербурге. (Слайд № 3. Насос Томаса Севери: 1 – резервуар, 2 – паровой котел, 3 – водосборник, 4 – резервуар, 5 – кран, 6 и 7 – клапаны, 8 – резервуар)

Английский механик Томас Ньюкомен создал в 1711 г. паровую машину для откачки воды из шахт. Пароатмосферная машина непрерывного действия создана Ползуновым И.И. в 1764 г. (Слайд № 4: 1 – цилиндр, 2 – поршень, 3 – балансир, 4 – меха, 5 – котел, 6 – парораспределительный кран, 7 – водораспределительнцй кран, 8 – бак.)

1765 г. Джеймс Уатт сконструировал принципиально новый паровой двигатель. Его машина могла не только откачивать воду, но и приводить в движение станки, корабли и экипажи. (Слайд № 5). В 1769 – 1770 гг. французский изобретатель Никола Жозеф Кюньо сконструировал паровую повозку – предшественницу автомобиля. Она до сих пор хранится в Музее искусств и ремёсел в Париже. Американец Роберт Фултон провёл в 1807 г. построенный им колёсный пароход “Клермонт” по реке Гудзон.

25 июля 1814 г. локомотив английского изобретателя Джорджа Стефенсона протащила по узкоколейке 30 т груза в 8 вагонах со скоростью 6,4 км/ч. Джемс Несмит создал мощный паровой молот, совершивший настоящий переворот в металлургическом производстве. А предшествовали этому простейшие, на первый взгляд, изобретения прообразов паровых турбин: шар Герона (слайд № 10: 1 - котел, 2 - шар) и турбина Бранка. (Слайд № 6: 1 – паровой котел, 2 – сопло, 3 – лопости колеса.)

Современные турбины имеют всё тот же принцип работы (Слайд № 7, плакат, модель)

Достоинства и недостатки тепловых двигателей. (Слайды № 8 – 11)

Слово учащимся, подготовившим доклады на темы экологических проблем, связанных с применением тепловых двигателей.

Способы ликвидаций вредных воздействий тепловых двигателей на окружающую среду

Использование экологически чистых источников энергии
Техническое усовершенствование двигателей
Создание объездных дорог
Создание “зелёных” дорог
Преумножать зелёный покров земли
Не пользоваться личным транспортом без особой нужды
Экономично использовать электроэнергию, воду
Бережно относиться к зелёным насаждениям
Собирать макулатуры в целях экономии леса, сдавать вторсырьё

Закрепление нового материала

Заполнить диаграмму (слайд № 12). Проверить степень усвоения материала (слайд №13).

исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса.

Введение.
История создания теплового двигателя.
Детали и принцип работы паровой машины.
Применение тепловых двигателей.
Практическая часть исследовательской работы.

- Изготовление моделей тепловых двигателей

Тепловым двигателем называется устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу. Механическая работа в тепловых двигателях производится в процессе расширения некоторого вещества, которое называется рабочим телом. В качестве рабочего тела обычно используются газообразные вещества (пары бензина, воздух, водяной пар). Рабочее тело получает (или отдает) тепловую энергию в процессе теплообмена с телами, имеющими большой запас внутренней энергии. Однократный акт преобразования теплоты в работу не представляет интереса для техники. Реально существующие тепловые двигатели (паровые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. д.) работают циклически. Процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу периодически повторяется.

Действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса? Такой вопрос я поставил перед собой перед началом работы.

Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение:

- в жизни человеческого общества,

- в развитии техники,

- в развитии энергетики;

- в развитии транспорта.

Очень важное значение для перехода к машинному производству было изобретение паровой машины, сделало возможным изобретение парохода(1807) и паровоза (1814). Изобретение паровой турбины позволило резко увеличить мощности электростанций. Сегодня паровая турбина—основной первичный двигатель на тепловых и атомных электростанциях. Изобретение двигателя внутреннего сгорания вызвало к жизни автомобилестроение и авиацию.

2. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Первое известное устройство, приводимое в движение паром, было описано Героном Александрийским в первом столетии. Пар, выходящий по касательной из дюз, закреплённых на шаре, заставлял последний вращаться.

Реальная паровая турбина была изобретена намного позже, в средневековом Египте, турецким астрономом, физиком и инженером XVI века Такиюддином аш-Шами. Он предложил метод вращения вертела посредством потока пара, направляемого на лопасти, закреплённые по ободу колеса

Подобную машину предложил в 1629 году итальянский инженер Джованни Бранка для вращения цилиндрического анкерного устройства, которое поочерёдно поднимало и отпускало пару пестов в ступах. Паровой поток в этих ранних паровых турбинах был не концентрированным, и большая часть его энергии рассеивалась во всех направлениях, что приводило к значительным потерям энергии.

Паровая машина была создана испанским изобретателем Иеронимо Аянсом де Бомонт, изобретения которого повлияли на патент Т. Севери (см. ниже). Принцип действия и применение паровых машин были описаны также в 1655 году англичанином Эдвардом Сомерсетом. В 1663 году он опубликовал проект и установил приводимое в движение паром устройство для подъёма воды на стену Большой башни в замке Реглан (углубления в стене, где двигатель был установлен, были ещё заметны в 19-м столетии). Однако никто не был готов рисковать деньгами для этой новой революционной концепции, и паровая машина осталась неразработанной.

Одним из опытов французского физика и изобретателя Дени Папена было создание вакуума в закрытом цилиндре. В середине 1670-х в Париже он в сотрудничестве с голландским физиком Гюйгенсом работал над машиной, которая вытесняла воздух из цилиндра путём взрыва пороха в нём. Видя неполноту вакуума, создаваемого при этом, Папен после приезда в Англию в 1680 году создал вариант такого же цилиндра, в котором получил более полный вакуум с помощью кипящей воды, которая конденсировалась в цилиндре. Таким образом, он смог поднять груз, присоединённый к поршню верёвкой, перекинутой через шкив. Система работала только как демонстрационная модель: для повторения процесса весь аппарат должен был быть демонтирован и повторно собран. Папен быстро понял, что для автоматизации цикла пар должен быть произведён отдельно в котле. Поэтому Папен считается изобретателем парового котла, проложив таким образом путь к паровому двигателю Ньюкомена. Однако конструкцию действующей паровой машины он не предложил. Папен также проектировал лодку, приводимую в движение колесом с реактивной силой в комбинации концепций Таки ад-Дина и Севери; ему также приписывают изобретение множества важных устройств, например, предохранительного клапана.

Иван Ползунов родился 14 марта 1728 года в Екатеринбурге в семье солдата государственных строительных работ, выходца из крестьян Туринского уезда Тобольской губернии Ивана Алексеевича Ползунова и его жены Дарьи Абрамовны. В 1738—1742 годах Иван обучался арифметике и словесности в Горнозаводской школе при Екатеринбургском металлургическом заводе, после чего был определён учеником к главному механику уральских заводов Н. Бахареву. У него Ползунов прошёл полный цикл ученических работ: механику, расчёты, чертежи, знакомство с работой заводских машин и металлургическим производством

Для работы паровой машины потребуется паровой котёл. Поступающий из него пар, расширяется и воздействует на поршень или же на лопатки паротурбины, затем их движение передаётся на другие механические части устройства. Движение поршня через шток, ползун, шатун и кривошип передаётся на главный вал, который несет маховик, необходимый для снижения неравномерности вращения.

Самое востребованное и практически незаменимое применение паровых машин ( как не странно) на танкерах.
Там они необходимы для привода грузовых насосов. Перекачка мазута, дизельного топлива, керосина, бензина и т. д.
Отсутствие появления статистического электричества, в поршневом насосе, приводимым в действие паровой машиной обеспечивает максимальную пожаробезопасность

Маховик представляет собой деталь двигателя, которая служит для регулировки поступления энергии. Он накапливает энергию, когда ее поступает больше, нежели используется машиной, и отдает, когда ее потребление превышает поступление.

Основная деталь насосов, компрессоров и поршневых двигателей внутреннего сгорания, служащая для преобразования энергии сжатого газа в энергию поступательного движения (в компрессорах - наоборот). Для дальнейшего преобразования энергии в крутящий момент служат остальные детали КШМ — шатуны и коленчатый вал. Первый поршневой ДВС создан французским инженером Ленуаром в 1861 году , , до этого поршни применялись в паровых машинах и насосах.
Цили́ндр поршневого двигателя я представляет собой рабочую камеру объемного вытеснения. Внутренние и наружные части цилиндров испытывают различный нагрев и обычно выполняются отдельно: внутренняя — рабочая втулка или гильза цилиндр, стержень круглого сечения, соединяющий поршень с ползуном (крейцкопфом) в поршневых машинах (насосах, компрессорах, паровых двигателях, некоторых двигателях внутреннего сгорания и т.д.)

Ползуны относительно друг друга расположены под углом 90°, поэтому двигатель может быть выполнен по Х и V-образным схемам. . Техническим результатом для всех трех вариантов является повышение экономичности и ресурса двигателя за счет уменьшения трения поршней о стенки цилиндра .

Деталь (или узел деталей в случае составного вала ) сложной формы, имеющая шейки для крепления шатунов, от которых воспринимает усилия и преобразует их в крутящий момент

4. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

* Первый в России паровоз - Черепановых, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49) построили первый в России паровоз.

*Первый мотоцикл - в 1869 году во Франции братьями Пьером и Эрнестом Мишо был создан первый мотоцикл. Он представлял собой велосипед с маленьким одноцилиндровым паровым двигателем. Блок на двигателе соединялся с блоком на заднем колесе с помощью гибкого кожаного ремня. Автомобиль (от авто. и лат. mobilis — подвижной, легко двигающийся), транспортная безрельсовая машина главным образом на колесном ходу, приводимая в движение собственным двигателем (внутреннего сгорания, электрическим или паровым).

* Первый автомобиль с паровым двигателем построен Ж. Кюньо (Франция) в 1769-70, с двигателем внутреннего сгорания — Г. Даймлером, К. Бенцем (Германия) в 1885-86. Различают автомобили пассажирские (легковые и автобусы), грузовые, специальные (пожарные, санитарные и др.) и гоночные. Скорость легковых автомобилей до 300 км/ч, гоночных до 1020 км/ч (1993), грузоподъемность грузовых автомобилей до 180 т. Создателем первого автомобиля является немецкий инженер Карл Бенц. Но существуют более ранние модели самодвижущихся повозок, такие как мусколоход улитка Деметрия Фалернского, созданный около 2000 лет назад.

* Бенц, в 1885 году построил трехколесный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания собственной конструкции, но за пределы фабрики на нем не выезжал. Когда 29 января 1886 года он оформил патент ДРП 37435 на самодвижущийся экипаж как таковой, стало возможным провести публичную демонстрацию своего детища. Выезд состоялся 3 июля 1886 года.

Пробирку с водой плотно закрываем пробкой, в которую вставлена стеклянная трубочка. Из фольги делаем вертушку и крепим её на булавке к деревянной планке, которую вставляем в штатив. Пробирку устанавливаем наклонно на другом штативе и поджигаем сухой спирт. Образующийся водяной пар под большим давлением вырывается через трубочку, попадает на вертушку и заставляет её вращаться.

Водяной пар, имеющий избыточное давление по сравнению с окружающей средой, совершает работу, вращая вертушку, внутренняя энергия пара уменьшается, он охлаждается.

Из алюминиевой фольги делаем корпус парохода, на дно в металлическую крышечку кладем сухой спирт. Из яйца через два отверстия, проделанных иголкой, выдуваем содержимое, пустое яйцо промываем, одно отверстие заклеиваем, заполняем с помощью шприца на треть водой и устанавливаем с помощью алюминиевого держателя на пароход. Спирт поджигаем - вода закипает, образуется пар. Вырываясь струёй, он заставляет пароходик двигаться в противоположную сторону.

Внутренняя энергия топлива превратилась во внутреннюю энергию воды, а затем водяного пара. Пар, расширяясь, вырывается из отверстия и , совершая работу, охлаждается. Пароходик движется.

Целью моей работы было - исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса. В ходе изучения истории развития тепловых двигателей, я могу высказать своё мнение: создание и развитие тепловых двигателей это действительно большой шаг к развитию научно- технического прогресса.

В дальнейшем возможно рассмотреть, какое пагубное влияние оказывают тепловые двигатели на окружающую среду, какие существуют пути решения этих экологических проблем .

Глазунов А.Т. Техника в курсе физики средней школы, М.. Просвещение, 1977.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Муниципальное казенное общеобразовательное учреждение основная общеобразовательная школа с.Мякиши Верхошижемского района Кировской области

История развития тепловых двигателей-

Работу выполнили ученицы 8 класса

Под руководством учителя физики

Гониной Любовь Алексеевны

История развития тепловых двигателей

исследовать, действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса.

Содержание работы:

2. История создания теплового двигателя.

3. История создания двигателя внутреннего сгорания.

4. Применение тепловых двигателей.

5. Практическая часть исследовательской работы.

- Изготовление моделей тепловых двигателей.

Действительно ли история развития тепловых двигателей - это история прогресса? Такой вопрос мы поставили перед собой перед началом работы.

Тепловые двигатели имеют исключительно важное значение:

- в жизни человеческого общества,

- в развитии техники,

- в развитии энергетики;

- в развитии транспорта.

2. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ТЕПЛОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро.
Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

* Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром (эолипил). Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. По существу, эолипил - это не что иное, как паровая реактивная турбина. Конечно, эолипил не соответствует определению теплового двигателя, так как он ничего не приводит в движение, это просто красивая игрушка, но в нем, безусловно, теплота превращается в механическую работу, а идея использования энергии пара путем разгона его и подачи струй в окружном направлении была позднее использована при создании паровых турбин.

* Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.

* Дени Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

Папен человек очень интересной судьбы, член многих академий, работал вначале в Париже с известным голландским физиком Христианом Гюйгенсом, а в 1675 г. переселился в Лондон, где долгое время работал с другим известным физиком Робертом Бойлем. Предложения Гюйгенса и Готфейля были очень похожи. В цилиндр помещали поршень и под ним поджигали порох. Под действием продуктов сгорания поршень поднимался, его фиксировали в этом положении, продукты сгорания охлаждали. В результате их объем уменьшался, под поршнем возникало разрежение. Под действием атмосферного давления поршень опускался и мог совершать полезную работу.
Вклад Папена в науку и технику не ограничивается работами над созданием паровой машины. До сих пор успешно применяется его изобретение - автоклав. Ему же принадлежит изобретение предохранительного клапана. Известны его работы по изучению свойств водяного пара. На родине Папена, в маленьком французском городке Блуа, ему установлен красивый памятник. На вершине лестницы мраморный пьедестал, на котором стоит бронзовая фигура, прижимающая к боку цилиндр паровой машины.

Первый универсальный тепловой двигатель был создан в России выдающимся изобретателем, механиком Воскресенских заводов на Алтае И. И. Ползуновым.
Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро - и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину.
Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г. К нему прикомандировали четырех учеников, которых он должен был обучить не только теории, но и ремеслам. Машина была изготовлена в декабре 1765 г. А в мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно. Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

*Вклад Уатта в создание паровых машин очень велик .Уатт родился в 1736 г. в Шотландии. В 1754 г. он был отправлен в Глазго для обучения профессии механика, но перебрался в Лондон, а затем вновь вернулся в Глазго и работал там в качестве университетского механика. Там он поддерживал отношения со многими учеными и основательно изучал литературу по паротехнике.
Уже около 1760 г. Уатт начинает заниматься самостоятельными разработками в области паротехники. Известно, что он прочел книги Дезагюлье и Белидора о паровых машинах, принимал участие в опытах Кевендиша и Пристли по анализу воды, измерял теплоту испарения воды и составил таблицу упругости водяного пара. В 1765 году он заинтересовался моделью паровой машины Ньюкомена.
Затратив на изготовление машины все имеющиеся у него средства, Уатт смог уже в конце этого года продемонстрировать работу своей паровой машины. Вскоре Уатт познакомился с Мэтью Болтоном. Можно было заняться ее производством и начать получать прибыль. Но нужно было заинтересовать потребителей, привыкших к хорошо зарекомендовавшим себя машинам Ньюкомена. И Уатт с Болтоном предлагают приобретать у них машины на очень заманчивых условиях. Они дают свои машины бесплатно. Но, для того чтобы не потерять прибыль, Уатту и Болтону приходилось содержать штат высококвалифицированных инженеров, следивших за исправностью и правильной эксплуатацией. Кроме того, нужно было позаботиться о сроке действия патента, так как он был выдан на 14 лет, из которых уже прошло 6, и Уатт занялся хлопотами о его продлении. После долгих хлопот 22 мая 1775 г. его патент был продлен еще на 25 лет.

* Карно (Никола Леонар) Сади (1796-1832), французский физики инженер, один из основателей термодинамики. Труд Карно был, по существу, первым серьезным теоретическим исследованием принципов работы тепловых машин. Хотя он пользовался уже в его время отвергавшимся многими физиками представлением о теплороде, приток которого вызывает нагревание, а отток — охлаждение вещества, ему удалось открыть целый ряд положений, играющих определяющую роль в работе этих машин. Попытки Карно напрямую связать коэффициент полезного действия(КПД) тепловой машины (это — тоже его термин) с температурой нагревателя и холодильника не увенчалась успехом только потому, что в то время еще не была известна абсолютная шкала температур. Так, он дал глубокий анализ того, что водяной пар или воздух выгоднее использовать в качестве рабочего вещества в тепловой машине, доказал, что максимальный теоретически возможный КПД не зависит от конструкции тепловой машины, а определяется только температурой нагревателя и холодильника, и установил много других важнейших положений.

3. ИСТОРИЯ СОЗДАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

* Двигатель внутреннего сгорания, тепловой двигатель, в котором химическая энергия топлива, сгорающего в рабочей полости, преобразуется в механическую работу. Идея создания ДВС родилась в 17 веке и принадлежит французскому изобретателю Дени Папену. Он задумал сделать из артиллерийского орудия машину, способную совершать полезную работу. Вместо ствола Папен решил поставить вертикальный цилиндр с поршнем внутри. К поршню прикрепили шнур, перекинутый через блоки, а к концу шнура привязали гирю. Взрыв пороха подбрасывал поршень вверх. Затем цилиндр снаружи охлаждали водой, поршень опускался вниз, а гиря поднималась. При первом же испытании машина была разрушена взрывом. В середине 19 века научились получать новое топливо- светильный газ. Тогда-то и вернулись к идее Папена.

* Французский изобретатель Этьен Ленуар ( 1822- 1900) применил для зажигания газовой смеси в цилиндре ДВС. По конструкции он почти ничем не отличался от парового двигателя , но в цилиндр поступал не пар, а смесь светильного газа с воздухом, поджигаемая искрой. Продукты сгорания выбрасывались в атмосферу. Двигатель Ленуара работал во многих странах мира, он обладал бесспорным преимуществом перед паровым двигателем: компактностью, лёгкостью, простотой пуска и эксплуатации.

Однако его КПД не превышал 5%, да и светильный газ в то время стоил дорого. В истории ДВС начался новый этап - борьба за повышение КПД.

*Французский инженер Бо де Роша пришёл к выводу, что газ в цилиндре перед сжиганием надо сжать. Он придумал схему четырёхтактного рабочего цикла нового двигателя. Свои идеи Бо де Роша изложил в книге ,опубликованной в 1862 году, но экспериментальную модель двигателя делать не стал.

*В 1876 году немецкий конструктор Николаус Отто ( 1832- 1891) создал первый четырёхтактный ДВС, КПД которого был равен 22%. Двигатель Отто работал только на смеси светильного газа с воздухом. Для транспортных целей был нужен двигатель, работающий на топливе, которое удобно перевозить.

*В 1880-х гг. О. С. Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.

* В 1901 в США был разработан первый трактор с ДВС.

*Дальнейшее развитие автомобильных ДВС позволило братьям О. и У.Райт построить первый самолёт с ДВС, начавший свои полёты в 1903.

*В 1924 по проекту Я. М.Гаккеля в Ленинграде был создан первый удовлетворяющий практическим требованиям поездной тепловоз.

* По роду топлива ДВС разделяются на двигатели жидкого топлива и газовые.

*По способу заполнения цилиндра свежим зарядом — на 4-тактные и 2-тактные. По способу приготовления горючей смеси из топлива и воздуха - на двигатели с внешним и внутренним смесеобразованием.

*К двигателям с внешним смесеобразованием относятся карбюраторные, в которых горючая смесь из жидкого топлива и воздуха образуется в карбюраторе, и газосмесительные, в которых горючая смесь из газа и воздуха образуется в смесителе. В ДВС с внешним смесеобразованием зажигание рабочей смеси в цилиндре производится электрической искрой.

*В двигателях с внутренним смесеобразованием (дизелях) топливо самовоспламеняется при впрыскивании его в сжатый воздух, нагретый до высокой температуры. Газовые ДВС работают большей частью на природном газе и газах, получаемых при производстве жидкого топлива.

Газовые двигатели, использующие природные газы, применяются на стационарных электростанциях, компрессорных газоперекачивающих установках и т. п. Сжиженные бутано-пропановые смеси используются для автомобильного транспорта (газобаллонный двигатель).

* Максимальный эффективный КПД наиболее совершенных ДВС около 44%. Основным преимуществом ДВС, так же как и других тепловых двигателей (например, реактивных двигателей ), перед двигателями гидравлическими и электрическими является независимость от постоянных источников энергии (водных ресурсов, электростанций и т. п.), в связи с чем установки, оборудованные ДВС, могут свободно перемещаться и располагаться в любом месте. Это обусловило широкое применение ДВС на транспортных средствах (автомобилях, с.-х. и строительно-дорожных машинах, самоходной военной технике и т. п.).

4. ПРИМЕНЕНИЕ ТЕПЛОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ.

* Первый в России паровоз - Черепановы, российские изобретатели, крепостные заводчиков Демидовых: отец Ефим Алексеевич (1774-1842) и сын Мирон Ефимович (1803-49) построили первый в России паровоз.

5. Практическая часть исследовательской работы.

- используя оборудование, определить, какое количество теплоты выделяется при сгорании топлива (сухого горючего), необходимого для нагревания воды от комнатной температуры до 50 0 С,

- рассчитать, какое количество теплоты пошло на нагревание воды,

- рассчитать КПД нагревательной установки,

- попробовать объяснить полученные результаты,

- в ходе выполнения работы, заполнить таблицу.

Физическая величина, единицы измерения

Объем воды в мензурке V , см 3

Масса этой воды m ₁ , кг

Удельная теплоемкость воды c , Дж/(кг∙ 0 С)

Начальная температура воды t ₁ , 0 С

Конечная температура воды t _2, 0 С

Количество теплоты, пошедшее на нагревание воды Q ₁ , Дж

Масса кусочка спирта до нагревания m ₂ , кг

Масса кусочка спирта после нагревания m ₃ , кг

Масса сгоревшего спирта ∆ m , кг

Удельная теплота сгорания спирта q , Дж/ кг

Количество теплоты Q ₂ , выделившееся при сгорании ∆ m спирта _, Дж

Коэффициент полезного действия нагревательной установки КПД, %

Выводы по работе:

В тепловых двигателях не вся внутренняя энергия пара или газа превращается в механическую энергию. Тепловой двигатель состоит из: нагревателя (камеры сгорания, парового котла); рабочего тела (газ, пар) и холодильника (внешняя среда, конденсатор). Важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в полезную работу, т.е. в ту работу, ради которой он создан. Чем больше эта часть энергии, тем двигатель экономичнее

ТЕПЛОВОЙ ДВИГАТЕЛЬ - это машина, в котором энергия сгорания топлива преобразуется в механическую работу.

Виды тепловых двигателей

Паровая машина

Двигатель внутреннего сгорания

Паровая и газовая турбины

Реактивный двигатель

Первые тепловые двигатели

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара. Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии — культурном и богатом городе на африканском побережье Средиземного моря — жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. Герон оставил несколько сочинений, дошедших до нас, в которых он описал различные машины, приборы, механизмы, известные в те времена. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром.

Первые попытки

Появление тепловых двигателей связано с возникновением и развитием промышленного производства в начале XVII в. главным образом в Англии. Копи, в которых добывали руду, нуждались в устройствах для откачки воды. Глубина шахт стала достигать 200 м. Приходилось держать до пятисот лошадей на одном руднике. Эта чисто практическая задача и стала причиной того, что первым тепловым двигателем стала машина для откачки воды.

Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали.Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. Для практических целей он не годился: слишком уж сложен был технологический цикл его работы (засыпка и поджигание пороха, обливание водой, и это на протяжении всей работы двигателя). Кроме того, применение подобного двигателя было далеко не безопасным. Однако нельзя не усмотреть в первой машине Папена черты современного двигателя внутреннего сгорания.

Классификация тепловых двигателей

Двигатели внешнего сгорания

Паровая машина

Паровая и газовая турбина

История двигателя внутреннего сгорания

Главное устройство любого транспортного средства, в том числе наземного, является силовая установка — двигатель, преобразующий различные разновидности энергии в механическую работу.

В ходе исторического развития транспортных двигателей механическая работа осуществлялась за счет применения:

1) мускульной силы человека и животных;

2) силы ветра и потоков воды;

3) тепловой энергии пара и различных видов газообразного, жидкого и твердого топлива;

4) электрической и химической энергии;

5) солнечной и ядерной энергии.

Эта коляска, вполне вместительная для перевозки нескольких человек, приводилась в движение мускульной силой двух человек. Первый педальный металлический велосипед, близкий по конструкции к современным, был изготовлен крепостным крестьянином Верхотрусского уезда Пермской губернии Артамоновым на рубеже XVIII и XIX вв.

Гидравлические и ветряные двигатели

Древнейшими силовыми установками, правда, не транспортными, являются гидравлические двигатели — водяные колеса, приводящиеся в движение потоком (весом) падающей воды, а также ветряные двигатели. Сила ветров с древних времен использовалась для движения парусных судов, а значительно позднее и роторных. Использование ветра в роторных судах осуществлялось с помощью вертикальных вращающихся колонн, заменивших паруса.

Появление в XVII в. водяных двигателей, а позднее и паровых сыграло важную роль в зарождении и развитии мануфактурного производства, а затем и промышленной революции. .Однако большие надежды изобретателей самоходных экипажей по применению первых паровых двигателей для транспортных средств не оправдались. Первый паровой самоход грузоподъемностью 2,5 т, построенный в 1769 г. французским инженером Жозефом Каньо, получился очень громоздким, тихоходным и требующим обязательных остановок через каждые 15 минут движения.

Только в конце XIX в. во Франции были созданы весьма удачные образцы самоходных экипажей с паровыми двигателями. Начиная с 1873 г. французский конструктор Адеме Боле построил несколько удачных паровых двигателей. В 1882 г. появились паровые автомобили Дион-Бутона.

Паровой автомобиль Дион-Бутона

Паровые автомобили Серполле конкурировали с бензиновыми автомобилями на многих гонках и скоростных состязаниях вплоть до 1907 г.

Автомобиль Леона Серполле

Совершенствование паровых машин и развитие двигателей внутреннего сгорания во второй половине XIX в. сопровождалось попытками ряда изобретателей использовать электрическую энергию для транспортных двигателей. Накануне третьего тысячелетия Россия отметила столетие со дня использования городского наземного электрического транспорта — трамвая. Немногим более ста лет назад, в 80-е годы XIX в., появились и первые электрические автомобили.

Электрические автомобили

Появление электрических автомобилей связано с созданием в 1860-е годы свинцовых аккумуляторов. Однако слишком большая удельная масса и недостаточная емкость не позволили электромобилям принять участие в конкуренции с паровыми машинами и газобензиновыми двигателями. Электромобили с более легкими и энергоемкими серебряно-цинковыми аккумуляторами также не нашли широкого применения. В России талантливый конструктор И. В. Романов создал в конце XIX в. несколько типов электромобилей с достаточно легкими аккумуляторами.

Электромобиль И.В. Романова

Попытки создания поршневых двигателей внутреннего сгорания предпринимались еще в конце XVIII в. Так, в 1799 г. англичанин Д. Барбер предложил двигатель, работавший на смеси воздуха с газом, полученным путем перегонки древесины. Другой изобретатель газового двигателя Этьен Ленуар использовал в качестве топлива светильный газ.

Первый стационарный двигатель нового типа, работающий по четырехтактному циклу с предварительным сжатием смеси, был спроектирован и построен в 1862 г. кельнским механиком Н. Отто.

Практическое применение двигателей внутреннего сгорания для транспортных экипажей началось в 70 — 80 гг. XIX в. на основе использования в качестве топлива газовых и бензовоздушных смесей и предварительного сжатия в цилиндрах.

Готлиб Даймлер, построивший по патенту от 29 августа 1885 г. мотоцикл с бензиновым двигателем;

Карл Бенц, построивший по патенту от 25 марта 1886 г. трехколесный экипаж с бензиновым двигателем;

Рудольф Дизель, получивший в 1892 г. патент на двигатель с самовоспламенением смеси воздуха с жидким топливом за счет теплоты, выделяющейся при сжатии.

Трёхколёсный экипаж К.Бенца

В 1899 г. в Петербурге создан первый в мире экономичный и работоспособный двигатель с воспламенением от сжатия. Протекание рабочего цикла в этом двигателе отличалось от двигателя, предложенного немецким инженером Р. Дизелем, который предполагал осуществить цикл Карно со сгоранием по изотерме. В России в течение короткого времени была усовершенствована конструкция нового двигателя — бескомпрессорного дизеля, и уже в 1901 г. в России были построены бескомпрессорные дизели конструкции Г. В. Тринклера, а конструкции Я. В. Мамина — в 1910 г.

Основными критериями при конструировании и производстве двигателей вплоть до 70-х годов XX в. оставалось стремление к повышению литровой мощности, а следовательно, и к получению наиболее компактного двигателя.

Карбюраторные двигатели, долгие годы не имевшие конкурентов по компактности и литровой мощности, не отвечают сегодня экологическим требованиям. Даже карбюраторы с электронным управлением не могут обеспечить выполнение современных требований по токсичности отработавших газов на большинстве рабочих режимов двигателя. Коренная перестройка двигателестроения крупнейшими автомобильными компаниями мира в последнее десятилетие XX в. совпала с третьим периодом торможения российского двигателестроения. Из-за кризисных явлений в экономике страны отечественная промышленность не смогла обеспечить своевременный перевод двигателестроения на выпуск новых типов двигателей. Современные наземные виды транспорта обязаны своим развитием главным образом применению в качестве силовых установок поршневых двигателей внутреннего сгорания. Именно поршневые ДВС до настоящего времени являются основным видом силовых установок, преимущественно используемых на автомобилях, тракторах, сельскохозяйственных, дорожно-транспортных и строительных машинах.

Основные конкуренты поршневых двигателей — газотурбинные и электрические, солнечные и реактивные силовые установки — пока еще не вышли из этапа создания экспериментальных образцов и небольших опытных партий, хотя работы по их доводке и совершенствованию в качестве автотракторных двигателей продолжаются во многих компаниях и фирмах всего мира.

Читайте также: