Роль термодинамики в современной физике

При движении поршня от верхнего положения до нижнего  через выпускной клапан происходит засасывание горючей смеси в  цилиндр (рис.1). Этот процесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинается сжатие горючей  смеси. Сжатие происходит быстро, и  поэтому процесс близок к адиабатическому.

В конце такта сжатия происходит воспламенение горючей  смеси электрической искрой. Быстрое  сгорание паров бензина сопровождается передачей рабочему телу — воздуху  — количества тепла, резким возрастанием температуры, давления воздуха и  продуктов сгорания. За короткое время  горения смеси поршень практически  не изменяет своего положения в цилиндре, поэтому процесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим. 
Под действием давления горячих газов поршень совершает рабочий ход, газы адиабатически расширяются от объема vi до объема V2. 
В конце рабочего такта открывается выпускной клапан и рабочее тело соединяется с окружающей атмосферой. Выпуск отработанных газов сопровождается передачей количества тепла Q2 окружающему воздуху, играющему роль охладителя. 
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важной характеристикой, определяющей полноту сгорания топлива и значительно влияющей на величину 
КПД, является степень сжатия горючей смеси:

где V2 и V1 — объемы в начале и в конце сжатия. С  увеличением степени сжатия возрастает начальная температура горючей  смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному  ее сгоранию. В карбюраторных двигателях увеличению степени сжатия выше 8—9 препятствует самовоспламенение 
(детонация) горючей смеси, происходящее еще до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающее действие на двигатель и снижает его мощность и КПД. Достигнуть высоких степеней сжатия без детонации удалось увеличением скорости движения поршня при повышении числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина со специальными антидетонационными присадками.

Карбюраторные двигатели  внутреннего сгорания широко применяются  в автомобильном транспорте. Они  приводят в движение почти все  легковые и многие грузовые автомобили.

Двигатель Дизеля. Для  дельнейшего повышения КПД двигателя  внутреннего сгорания в 1892 г. немецкий инженер Рудольф Дизель предложил  использовать еще большие степени  сжатия рабочего тела.

Высокая степень сжатия без детонации достигается в  двигателе Дизеля за счет того, что  сжатию подвергается не горючая смесь, а только воздух. По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыскивается  горючее. Для его зажигания не требуется никакого специального устройства, так как при высокой степени  адиабатического сжатия воздуха  его температура повышается до 600 — 700 С. Горючее, впрыскиваемое с  помощью топливного насоса через  форсунку, воспламеняется при соприкосновении  с раскаленным воздухом.

Подача топлива  управляется особым регулятором, в  результате чего процесс горения  протекает не столь кратковременно, как в карбюраторном двигателе, а происходит изобарно, а затем  адиабатно. При обратном движении поршня осуществляется выхлоп.

Современные дизели имеют степень сжатия (=16 — 21 и  КПД около 40%. Более высокий коэффициент  полезного действия дизельных двигателей обусловлен тем, что вследствие более  высокой степени сжатия начальная  температура горения смеси (480— 630 °С) у них выше, чем у карбюраторных  двигателей (330— 480°С). Этим обеспечивается более полное сгорание дизельного топлива. 
Дизельные двигатели используются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на судах речного и морского транспорта, тепловозах. 
Газовая турбина. Все более широкое применение в современном транспорте получают газотурбинные двигатели. Газотурбинная установка состоит из воздушного компрессора 1, камер сгорания 2 и газовой турбины 3  
Компрессор состоит из ротора, укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата. 
При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопатки ротора имеют такую форму, что при их вращении давление перед компрессором понижается, а за ним повышается. Воздух засасывается в компрессор, несколько ступеней лопаток компрессора обеспечивают повышение давления воздуха в 5—7 раз. 
Процесс сжатия протекает адиабатно, поэтому температура воздуха повышается до температуры 200 °С и более. 
Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременно через форсунку в нее впрыскивается под большим давлением жидкое топливо — керосин, мазут. 
При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, получает некоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500— 2200 °С. Нагревание воздуха происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расширяется, и скорость его движения увеличивается.

Движущийся с большой  скоростью воздух и продукты горения  направляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают свою кинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергии расходуется на вращение компрессора, а остальная используется для вращения винта самолета, винта  морского корабля или колес автомобиля. 
Вместо вращения винта самолета, теплохода или ротора электрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивный двигатель. Воздух и продукты горения выбрасываются из газовой турбины с большой скоростью. 
Реактивная сила тяги, возникшая при этом, может быть использована для движения самолета, теплохода или железнодорожного транспорта. 
Турбореактивными двигателями оборудованы известные всему миру самолеты ИЛ- 
62, ТУ-154. 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении хотелось бы отметить о взаимодействии тепловых машин и окружающей средой. Непрерывное  развитие энергетики, автомобильного и других видов транспорта, возрастание  потребления угля, нефти и газа в промышленности и на бытовые  нужды увеличивает возможности  удовлетворения жизненных потребностей человека. Однако в настоящее время  количество ежегодно сжигаемого в различных  тепловых машинах химического топлива  настолько велико, что все более  сложной проблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния  продуктов сгорания. 
Отрицательное влияние тепловых машин на окружающую среду связано с действием разных факторов. 
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород из атмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенно уменьшается. 
Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, превышает количество кислорода, потребляемого промышленностью, то, например, в США леса восстанавливают лишь 60% используемого промышленностью кислорода. 
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением в атмосферу углекислого газа. За последние двадцать лет содержание углекислого газа в атмосфере Земли увеличилось примерно на 5%. 
Молекулы оксида углерод способны поглощать инфракрасное излучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяет ее прозрачность. Инфракрасное излучений, испускаемое земной поверхностью, все в большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличение концентрации углекислого газа в атмосфере может привести к повышению ее температуры. 
В-третьих, при сжигании угля и нефти атмосфера загрязняется азотными и серными соединениями, вредными для здоровья человека. Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах. 
Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт. Кроме оксида углерода и соединений азота, автомобильные двигатели ежегодно выбрасывают в атмосферу 2—3 млн. т свинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращения детонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива, приводящего к снижению мощности двигателя и его быстрому износу. Так как автомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах, проблема существенного усовершенствования автомобильного двигателя представляет одну из наиболее актуальных научно- технических проблем. 
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды – переход от использования в автомобилях карбюраторных бензиновых двигателей к использованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединения свинца. 
Перспективными являются разработки и испытания автомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель, питающийся от аккумулятора, или двигатель, использующий в качестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водорода образуется вода.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Бернал Дж. Наука  в истории общества.М.,1956.

2.Енохович А.С.  Справочник по физике и технике.  – М.: Просвещение, 1983.

3.Кабардин О.Ф.  Физика. – М.: Просвещение, 1988.

4.Курс общей физики. – Киев.: Днепр, 1994.