В этой статье я расскажу о основах действия тепловых двигателей. Об условиях влияющих на КПД двигателя внутреннего сгорания(теплового), о невозможности на данный этап премини создать идеальный двигатель со 100% КПД.
Двигатель внутреннего сгорания - это устройство, в котором происходит превращение внутренней энергии в механическую, а принцип его работы заключается в разности давления, которая достигается сожжением топлива в цилиндре, то есть внутри двигателя, от сюда и название.
Первое условие.
Когда топливо сгорает, оно превращается в газ огромной температуры и давления, расширяясь этот газ двигает поршень, поршень двигает коленчатый вал, тот лопасти и т.д. Чем больше газа выделится при сгорании и чем больше будет его температура с давлением, тем больший импульс(толчок) получит поршень.
Газ двигает поршень, потому что его температура и давление намного больше окружающей среды, если бы температура газа и окружающей среды была одинакова, то поршень стоял на месте. Стоял бы без движения потому, что давление внутри цилиндра и снаружи было бы одинаковым.
Вывод: Чем меньше давление окружающей среды и выше давление внутри цилиндра с поршнем, тем большим будет эффект от сгорания топлива и соответственно КПД.
Минимальное давление окружающей среды может наступить, если ее температура станет равной абсолютному нулю. Абсолютный ноль(по шкале кельвина) T = 0 К(кельвинов) или ( - 273 С по Цельсию). При этой температуре равной абсолютному нулю все молекулы вещества практически прекращают движение, это самая низка температура во вселенной, и по этому давление становится равным нулю.
Получается, чтобы убрать давление со стороны окружающей среды, нужно, чтобы ее температура должны быть равной абсолютному нулю.
Напомню, что давление окружающей среды проявляется в виде ударения молекул ,например, воздуха о об нижнюю часть поршня. Чем выше температура, тем большей кинетической и потенциальной энергией обладают молекулы вещества, соответственно и выше давление при более высокой температуре, оказываемое этим веществом.
Кинетическая энергия молекул - это энергия движения. Увеличение кинетической энергии проявляется в увеличении скорости молекул.
Потенциальная энергия - это энергия взаимодействия тел. Увеличение потенциальной энергии проявляется в увеличении силы молекулярного взаимодействия(силы, с корой будут взаимодействовать молекулы).
Второе условие 100% КПД.
Вторая загвоздка заключается в том, что происходит теплообмен между сгоревшим топливом(рабочим телом - газом) и окружающей средой(холодильником). Это не обратимый процесс, о которых я уже рассказывал.
Необратимость процессов в природе. Второе начало термодинамики. | Обитель физика. |
Когда топливо загорается, его температура повышается и начинает происходить теплообмен, какая-то часть внутренней энергии топлива передается окружающей среде, поэтому выделенная внутренняя энергия при сгорании топлива не вся переходит в механическую( в толчек), так как происходят потери.
Вывод: КПД двигателя не может быть 100% потому что происходит теплообмен с окружающей средой.
Из картинки можно вывести определение КПД.
КПД (Коэффициент полезного действия) - это отношение проделанной работы к количеству затраченной энергии.
Чтобы происходило меньше теплообмена, цилиндры стали покрывать специальным теплоизолирующим веществом, которое уменьшает теплообмен, подобно термосу, поэтому такой процесс можно считать адиабатным.
Адиабатные процессы. | Обитель физика. |
На самом же деле КПД двигателя зависит от многих условия, от состояния двигателя, терния деталей друг об друга, от качества топлива и прочее. Поэтому нельзя рассчитать КПД опираясь только на теплообмен и давление окружающей среды. Из всех двигателей внутреннего сгорания самый больший КПД имеет двигатель Дизеля, он составляет 44%. Сейчас основные старания инженеров направленный на снижение сил трения между деталями, на предотвращение убытков топлива в следствии неполного сгорания.
Почему невозможно на данный момент сделать идеальный двигатель?
На данный момент человечество не может создать искусственно абсолютный температурный нуль, да и поместить цилиндр с поршнем в такую температуру будет не выгодно, потому что потери энергии при теплообмене будут огромны. Точно так же мы не можем на данный момент поместить в вакуум поршень с цилиндром, точнее можем, и окислитель закачать в топливо можем, но это будет очень дорого и будут очень часто возникать проблемы(поломки) связанные с вакуумом вокруг поршня и цилиндра. Также такие улучшения сильно увеличат стоимость машины, стоимость и сложность ремонта, так что пока это находится в стадии - развития.
Это интересно.
Раз тут пошла тема по поводу теплового двигателя, я затрону тему резонанса в двигателе внутреннего сгорания.
Дело в том, что топливо подается в цилиндр в поджигается в определенный момент, если взять в пример четырехтактные двигатели, то это третий такт. Чтобы создать резонанс, то есть максимальный эффект от приложенной силы, нужно подавать энергию в конце полного колебания, когда силы колеблющейся системы и вынуждающей силы совпадают по направлению.
Ну, а на этом все!
Подписывайся, дальше будет много интересного, ставь лайк, мне будет очень приятно. Пиши комментарий, задавай вопросы, с удовольствием отвечу. Всего доброго, читатель!
