"Физика (базовый уровень)", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А.; под ред. Пурышевой Н.С.
Сжатый газ способен совершать механическую работу: расширяясь, он давит на поршень или вращает лопатки. Это свойство используют в пневматических машинах, двигателях внутреннего сгорания, газовых турбинах и реактивных двигателях. В тепловых двигателях энергия топлива сначала нагревает газ, а затем частично превращается в полезную работу. Чтобы понять принцип устройств, нужно проследить, как давление создаёт силу и как движется газ.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Сжатый газ — газ, находящийся под повышенным давлением и способный совершать работу при расширении. При расширении он давит на окружающие тела и может перемещать их. Этим свойством пользуются, когда нужно привести в движение поршень или рабочий инструмент.
Пневматическая машина — устройство, в котором работа сжатого газа используется для перемещения деталей или выполнения полезной работы. Газ подают к рабочей детали, например к поршню, и давление заставляет её двигаться. Такие машины нужны там, где движение удобно передавать потоком воздуха.
Двигатель внутреннего сгорания — тепловой двигатель, в котором топливо сгорает внутри рабочего цилиндра, а расширяющиеся газы перемещают поршень. Тепловым его называют потому, что энергия топлива сначала превращается во внутреннюю энергию горячих газов. Двигатель нужен, чтобы получить механическую работу для движения машины или другого механизма.
Газовая турбина — тепловая машина, в которой поток горячего газа вращает рабочие лопатки турбины. Газ передаёт лопаткам часть своей энергии, поэтому ротор начинает вращаться. Такой принцип позволяет получать вращательное движение без поршня и цилиндра.
Газ может совершать механическую работу, потому что его давление действует на поверхность поршня. Если давление внутри цилиндра больше давления снаружи, возникающая сила направлена на поршень и перемещает его. При перемещении поршня газ передаёт ему энергию, а тот может приводить в движение другие детали или поднимать груз.
В пневматической машине сжатый газ поступает по каналам к рабочей камере. Давление передаётся во все стороны, в том числе на поверхность поршня или другого подвижного элемента. Поскольку сила равна произведению давления на площадь, увеличение площади поршня позволяет получить большую силу при том же давлении; перемещение детали и есть полезный результат.
Четырёхтактный двигатель выполняет цикл за четыре хода поршня. На впуске открывается впускной клапан, и в цилиндр поступает смесь воздуха с топливом либо воздух; на сжатии клапаны закрыты, а поршень сжимает содержимое цилиндра. При сжатии газ нагревается, что помогает последующему быстрому сгоранию топлива и расширению газов.
На рабочем ходе топливо сгорает, горячий газ расширяется и толкает поршень вниз. Именно здесь газ совершает основную полезную работу, передавая энергию через поршень и шатун вращающимся деталям. На выпуске открывается выпускной клапан, и поршень вытесняет из цилиндра отработавшие газы, чтобы освободить место для следующего цикла.
При сгорании химическая энергия топлива превращается во внутреннюю энергию газа: его температура и давление увеличиваются. Расширяясь, газ совершает работу, но не вся энергия топлива становится механической — часть нагревает детали и уходит с выхлопом. Газовая турбина получает энергию от непрерывного потока горячего газа, который вращает лопатки; в поршневом двигателе газ толкает поршень внутри цилиндра. В реактивном двигателе полезный эффект создаёт выбрасываемая назад струя газа, толкающая двигатель вперёд.
| Устройство | Что делает газ | Источник энергии | Полезный результат | Основной процесс |
|---|---|---|---|---|
| Пневматическая машина | Давит на рабочую деталь и перемещает её | Энергия сжатого газа | Движение инструмента или механизма | Расширение газа |
| Двигатель внутреннего сгорания | Расширяется и толкает поршень | Химическая энергия топлива | Механическая работа двигателя | Сгорание топлива и расширение газа |
| Газовая турбина | Вращает рабочие лопатки потоком | Энергия топлива, переданная горячему газу | Вращение ротора | Движение горячего газа через турбину |
| Реактивный двигатель | Выбрасывается струёй назад | Химическая энергия топлива | Тяга, перемещающая аппарат вперёд | Ускорение и выброс газа |
Сравнивайте устройства по тому, откуда берётся энергия и каким движением газа она передаётся. Это помогает отличить работу сжатого воздуха от преобразования энергии топлива в тепловом двигателе. Последний столбец показывает основной процесс, а столбец с результатом — для чего устройство применяют.
Условие. Давление воздуха равно p, площадь поршня равна S; требуется определить силу давления. Числовые значения не заданы, поэтому ответ выразим через известные величины. Предполагаем, что давление одинаково действует на всю площадь поршня.
Запишем определение давления: p = F/S. Оно показывает, какая сила приходится на единицу площади.
Выразим силу: умножим обе части равенства на S. Получим F = pS.
Подставим известные p и S, если они заданы в условии. Произведение давления в паскалях на площадь в квадратных метрах даёт силу в ньютонах.
Ответ: сила давления воздуха на поршень F = pS.
Условие. При сгорании топлива двигатель получил количество теплоты Qзатр и совершил полезную работу Aпол. Нужно найти КПД. КПД показывает, какая доля полученной энергии перешла в полезную работу.
Выберем формулу η = Aпол/Qзатр. Полезную работу ставим в числитель, а затраченную энергию — в знаменатель.
Подставим данные задачи в одинаковых единицах, например в джоулях. Если КПД требуется в процентах, умножим полученное отношение на 100 %.
Проверим результат: полезная работа не может быть больше энергии, полученной от топлива. Поэтому КПД должен быть меньше единицы, или меньше 100 %.
Ответ: η = Aпол/Qзатр; в процентах η = (Aпол/Qзатр) · 100 %.
Условие. Нужно объяснить работу четырёхтактного двигателя и указать превращение энергии на каждом такте. Для ответа проследим за движением поршня и клапанами. Главный признак рабочего такта — расширение горячих газов, толкающих поршень.
Впуск: поршень движется вниз, впускной клапан открыт, в цилиндр поступает горючая смесь или воздух. Энергия вращающихся деталей расходуется на движение поршня.
Сжатие: поршень идёт вверх при закрытых клапанах и сжимает газ. Механическая энергия движения поршня увеличивает внутреннюю энергию газа.
Рабочий ход: после сгорания горячий газ расширяется и толкает поршень вниз. Внутренняя энергия газа превращается в механическую работу.
Выпуск: выпускной клапан открыт, поршень выталкивает отработавший газ. Движение поршня обеспечивается вращением механизма и инерцией.
Ответ: основная полезная работа совершается на рабочем ходе, когда энергия горячего газа передаётся поршню.
Ошибка — считать, что газ действует на поршень только в момент сгорания топлива. Сгорание повышает температуру и давление, но работу над поршнем совершает расширяющийся газ. Проверка: найдите, какое тело непосредственно давит на поршень и перемещает его.
Давление часто путают с силой, хотя давление показывает силу, приходящуюся на единицу площади. Так ошибаются, потому что обе величины описывают действие газа на поверхность. Проверка: используйте p = F/S и помните, что при одинаковом давлении сила зависит от площади поршня.
Неверно называть каждый такт двигателя рабочим ходом. Поршень действительно движется на всех четырёх тактах, но расширяющийся газ совершает основную полезную работу только на одном. Проверка: проследите, когда газ толкает поршень, а когда поршень сжимает газ или удаляет выхлоп.
КПД иногда вычисляют как отношение затраченной энергии к полезной работе. При такой перестановке величин можно получить число больше единицы, что противоречит смыслу КПД. Проверка: полезная работа должна стоять в числителе, затраченная энергия — в знаменателе, а результат не может превышать 100 %.
Для понимания применения газов нужны знания о давлении газа, работе, внутренней энергии, количестве теплоты, первом законе термодинамики и КПД теплового двигателя. Связь с механикой проявляется в цепочке: давление создаёт силу, сила перемещает поршень, а перемещение позволяет газу совершить работу. Позже эти идеи пригодятся при изучении тепловых машин, энергетики, транспорта, холодильных установок и экологических последствий сжигания топлива.
Почему сжатый газ способен поднимать груз?
При расширении газ давит на стенки сосуда и на поршень. Если сила давления на поршне достаточна, поршень перемещается и через механизм поднимает груз.
Чем пневматическая машина отличается от гидравлической?
В пневматической машине работу передаёт сжатый газ, а в гидравлической — жидкость. Газ заметно сжимается, тогда как жидкость сжимается очень мало, поэтому поведение и применение этих устройств различаются.
Почему двигатель внутреннего сгорания называют тепловым двигателем?
При сгорании топлива выделяется энергия, которая нагревает газ в цилиндре. Расширяясь, горячий газ совершает работу над поршнем, то есть часть тепловой энергии превращается в механическую.
На каком такте четырёхтактного двигателя совершается полезная работа?
Главным образом на рабочем ходе, когда горячие газы расширяются и толкают поршень. На остальных тактах поршень перемещается за счёт инерции движущихся частей или работы других цилиндров.
Почему КПД двигателя не может быть равен 100 процентам?
Часть энергии топлива уходит на нагрев деталей и окружающей среды, трение и отвод выхлопных газов. Поэтому полезная работа всегда меньше полученной от топлива энергии.
§35. Применение газов
