Практичне застосування теплових машин та екологічні наслідки.

                                                                    План

1.Значення теплових двигунів. Теплові двигуни й охорона навколишнього середовища.

                       ·         Значення теплових двигунів.

                       ·         Теплові двигуни й охорона природи.

2. Принцип дії теплових двигунів.

3.Деякі теплові машини

                       ·         Двигун внутрішнього згоряння(ДВЗ).

                       ·         Парові газові турбіни.

                       ·         Реактивні двигуни.

4. Холодильна машина і тепловий насос.

5. Посилання на сайти,які були використані при виконанні даної роботи:

6. Використана література:

1.Значення теплових двигунів. Теплові двигуни й охорона навколишнього середовища.

                    · Значення теплових двигунів. Найбільше значення має використання теплових двигунів(в основному потужніх парових турбін)на теплових електростанціях,де вони приводять у рух ротори генераторів електричного струму. Понад 80% усієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях.

Теплові двигуни(парові турбіни)встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для добування пари високої температури використовується енергія атомних ядер. І на всіх основних видах сучасного транспорту переважно використовується теплові  двигуни.

На автомобільному транспорті застосовують поршневі двигуни внутрішнього згоряння із зовнішнім утворенням пальної суміші (карбюраторні двигуни) та двигуни з утворенням пальної суміші безпосередньо  всередині циліндрів(дизелі). Ці двигуни встановлюють також на тракторах,незамінних у сільському господарстві.

На залізничному транспорті до середини XX ст. Основним двигуном була парова машина. А тепер в основному використовують тепловози з дизельними установками й електровози. Але й електровози,зрештою,дістають енергію переважно від теплових двигунів електростанцій.

На водному транспорті використовують і двигуни внутрішнього згоряння,і потужні парові турбіни для великих судин.

В авіації на легких літаках установлюють поршневі двигуни,а на величезних лайнерах-турбореактивні й реактивні двигуни,які також належать до теплових двигунів. Реактивні двигуни встановлюють  і на космічних ракетах.

                  ·  Теплові двигуни й охорона природи.  Повсюдне застосування теплових двигунів для добування зручної у використанні енергії негативно впливає на навколишнє середовище.

  За законами термодинаміки електричну й механічну енергію у принципі неможливо виробляти без відведення в навколишнє середовище  значної  кількості  теплоти.  Це не може не призводити до поступового підвищення середньої температури на Землі. Тепер споживана потужність двигунів становить приблизно 10¹⁰кВт. Коли ця потужність досягне 3*10¹² кВт, то середня температура підвищиться приблизно на один градус. Дальше підвищення температури може створити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня Світового океану.

   Крім  того, температура на Землі може загрозливо підвищитися внаслідок збільшення в атмосфері кількості вуглекислого газу (СО₂), який виділяється в процесі згорання палива у великих масштабах. Вуглекислий газ в атмосфері поряд з водяною парою призводить до виникнення « парникового ефекту». Атмосфера в малій кількості  поглинає видиме сонячне проміння, яке нагріває поверхню Землі.  Нагріта поверхня Землі в  свою чергу випромінює невидиме (теплове) проміння, яке поглинається в основному атмосферним вуглекислим  газом.  При ясній погоді  лише  10-20% сонячного  проміння, що падає на Землю, повертається в космос. Температура  на поверхні  Землі  внаслідок «парникового ефекту»  приблизно на 35⁰С вища за ту,яка була б без нього. Збільшення концентрації  СО₂ призведе до ще більшого поглинання теплового проміння з поверхні Землі. Це  спричинеть підвищення температури Землі.

Об’ємна концентрація вуглекичлого газу в атмосфері становить 0,0314% від усіх газів атмосфери. Є серйозні підстави побоюватися,що навіть незначне збільшення цієї концентрації здатне різко порушити тепловий баланс Землі. А вже тепер кожного року в атмосферу викидається  близько   5млрд.т CO₂.

Але цим далеко не вичерпуються негативні наслідки використання теплових двигунів. Топки теплових електростанцій,двигуни внутрішнього згоряння автомобілів безперервно викидають в атмосферу шкідливі для рослин,тварин і людей речовини:сірчисті сполуки (під час згоряння кам’яного вугілля),оксиди азоту,вуглеводні,оксиди вуглецю(ІІ)СО тощо. Особливу небезпеку щодо цього становлять автомобілі,кількість яких загрозливо зростає,а очищення відпрацьованих газів становить складний процес. На атомних електростанціях постає проблема захворювання небезпечних радіоактивних відходів.

Крім того,застосування парових турбін на електростанціях потребує відведення великих площ під ставки,в яких охолоджується відпрацьована пара. Із збільшенням потужностей електростанцій різко зростає потреба у воді. У 1980 р. в нашій країні вона становила близько 200 км³ води,35% водопостачання всіх галузей господарства.

Усе це ставить ряд серйозних проблем перед суспільством. Поряд з дуже важливим завданням підвищення ККД теплових двигунів вживаються заходи щодо охорони навколишнього середовища.  Необхідно підвищувати ефективність споруд,які запобігають викиданню в атмосферу шкільнивих речовин,добиватися якомога повнішого згоряння палива в автомобільних двигунах. Уже тепер не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом СО у відпрацьованих газах. Обговорюється можливість створення електромобілів,здатних конкурувати із звичайними,та можливість використання пального без шкідливих речовин у відпрацьованих газах,наприклад у двигунах,що працюють на суміші водню з киснем.

Доцільно для економії площі й водних ресурсів споруджувати комплекси електростанцій,насамперед атомних,із зімкнутим циклом водопостачання.

Інший напрям зусиль-це підвищення ефективності використання енергії,боротьба за її економію.

Розв’язання проблем,розглянутих вище,має життєво важливе значення для людства. Організація охорони навколишнього середовища вимагає зусиль у маштабі земної кулі.

Основні типии теплових двигунів-парові турбіни,двигуни внутрішнього згоряння і реактивні двигуни. Всі вони під час роботи виділяють велику кількість теплоти і викидають в атмосферу шкідливі для рослин і тварин хімічні сполуки. Це ставить серйозні проблеми охорони навколишнього середовища.

                                 2. Принцип дії теплових двигунів.

Внаслідок виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, напавки,за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. Внутрішня енергія є одним з найдешевших видів енергії. Її дістають,спалюючи різні види палива,використовуючи енергію сонячних променів тощо. Разом з тим,на виробництві,транспорті,для роботи різних механізмів неоюхідна механічна енергія. Тому перетворення внутрішньої енергії в механічну є надзвичайно важливим для практичної діяльності людей. Здійснюється таке перетворення за допомогою теплових машин.

Як робоче тіло використовується газ(пара).Під час розширення газу в циліндрі з рухомим поршнем виконується робота і внутрішне енергія газу(головним чином кінетична енергія молекул) частково перетворюється в механічну енергію поршня. Газ може розширятися  ізотермічно чи адіабатично. Щою при ізотермічному розширенні температура залишалася сталою,газові необхідно передавати кількість теплоти, що дорівнює її зміні внутрішньої енергії при розширенні і виконаній поршнем роботі. Під час адіабатичного розширення  виконана рухомим поршнем робота дорівнює зменшенню внутрішньої енергії газу.

Циліндр має обмежені розміри, тому за один хід поршня можна перетворити в механічну енергію обмежену кількість теплоти. Щоб газ міг виконувати роботу і далі, його слід повернути у початковий стан з більшою внутрішньою енергію. Таку сукупність змін стану газу називають круговим  процесом  або циклом.

З яких змін стану можна дістати цикл?Очевидно, якщо здійснити спочатку розширення газу при деякому процесі,а потім стискання при цьому ж процесі,то в данному випадку не буде виконана корисна робота,оскільки додатна робота розширення газу дорівнюватиме від'ємній роботі стискання. Для одержання в результаті здійснення циклу корисної роботи необхідно розширити газу вести при високому тиску і температурі, а стискання при нижчому тиску й температурі. Французький фізик  Саді Карно у 1824 році показав, що найбільш вигідним є цикл з двох процесів-ізотермічного й адіабатичного.

Нехай ідеальний газ міститься в закритому циліндрі з поршнем у початковому стані з об'ємом V₁ і під тиском  P₁. Поставимо цилідр на нагрівгик,температура якого  T₁ підтримується сталою(мал.. 108, а). При  ізотермічному (дуже повільному) розширенні газу до об’єму  V₂ і

  тиску P₂ він виконує роботу A₁ за рахунок кількості теплоти Q₁. На графіку в системі координат P,V процес зображується ізотермою 1-2(мал.109).

Припустимо,що ми теплоізоллювали циліндр і надали газу можливість розширятися адіабатно від стану з об’ємом V₂ і тиском P₂ до стану з об’ємом V₃ і тиском P₃(мал.108,б). Газ виконує додатну роботу розширення  A₂ за рахунок внутрішньої енергії,тоді температура його знижується від T₁ до T₂. Цьому процесову ( мал. 109)відповідає адіабата 2-3.

Далі  приведемо циліндр у контакт з холодильником,температура якого T₂  підтримується сталою. Стискатимемо газ ізотермічно від стану з об’ємом V₃ і тиском P₄ (мал. 108,в).Стан V₄,P₄ добираємо так,щоб подальше адіабатне стискання придосягненні температури T₁ привело газ до об’єму V₁ інакше цикл не замкнеться.) Зовнішні сили виконують у даному випадку від’ємну роботу по стисканню газу-A₃і,щоб температура газу не змінилася,він має віддати холодильнику еквівалентну кількість теплоти:Q₂=A₃ (мал. 109)ізотерма 3-4.

Нарешті,знову тепло ізолюємо циліндр(мал. 1080г) і адіабатним стисканням повернемо газ у початковий стан(мал. 108,д). на графіку(мал. 109) цьому процесу відповідає адіабата 4-1. При стисканні газу відбувається збільшення його внутрішньої енергії і підвищення температури до T₁.

В результаті здійснено один цикл роботи ідеальної теплової машини,який складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів. Він дістав назву цикл Карно. При розширеннях робоче тіло виконує роботу,а при стисканнях роботу над ним виконують зовнішні сили. В результаті кожного циклу робоче тіло повертається до початкового стану.

З графіка(мал. 109) видно,що в результаті даного циклу робоче тіло виконує корисну роботу,яка чисельно дорівнює площі,описаній циклом,тобто площі 12341. Справді робота розширення газу чисельно дорівнює площі 123V₃V₁1,а робота стискання газу чисельно дорівнює площі  143V₃V₁1. Різниця  цих робіт якраз і дорівнює площі,обмежиній циклом.

Закон збереження й перетворення енергії для циклу Карно полягає в тому,що енергія,одержана робочим тілом від навколишнього середовища,дорівнює енергії,переданій

 ним цьому ж  сердовищу.Зовнішнім середовищем передана кількість теплоти Q₁ при розширенні робочого  тіла і виконана робота A₃+A₄  при стисканні(мал.110).  Робоче тіло здійснює роботу A₁+A₂ при розширенні і передає кількість  теплоти Q₂  при  стисканні. Отже,Q₁+A₃+A₄=Q₂+A₁+A₂,або,враховуючи,що A₂=A₄,

                                                                        A₁-A₃=Q₁-Q₂ .                                                     (46.1)

Різниця A₁-A₃ є корисною роботою, виконаною робочим тілом у даному циклічному процесі. Вона дорівнює різниці кількостей теплоти,підведеної при розширенні  газу і відведеної при стисканні.

Для характеристики ефективності циклу,а  отже і теплової машини,яка перетворює внутрішню енергію в механічну,вводиться коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу або машини. Він дорівнює відношенню роботи A₁-A₃, фактично використаної в даному циклі,до роботи A₁, яку можна було б дістати при повному перетворенні в неї всієї кількості теплоти Q₁,південої до газу:

                                                                          ŋ=A₁-A₃/A₁                                                        (46.2)

фбо,враховуючи (46.1),

                                                                       ŋ=Q₁-Q₂/Q₁=1-Q₂-Q₁.                                  (46.3)

Утермодинаміці доводиться,що при  ідеальному процесі перетворення внутрішньої енергії в механічну і за відсутності теплових втрат найвищий тепловий ККД був би

                                                                      ŋ _max=T₁-T₂/T₁                                                   (46.4)

де T₁- максимальна температура робочого тіла(газу,пари),T₂- мінімальна температура,при якій робоче тіло віддає частину внутрішньої енергії холодильнику. Оскільки T₂- температура холодильника або відпрацьованих продуктів горіння-не може дорівнювати абсолютному нулю,то максимальний тепловий ККД машини не може дорівнювати 1.

З(46.4) випливає,що для збільшення ККД теплових машин необхідно прагнути до підвищення температури нагрівника і до зниження  холодильника. Тому в сучасній техніці використовують пару високих  параметрів(температури і тиску)або,що значно вигідніше,застосовують газові двигуни внутрішнього згоряння і газові турбіни,в яких можуть бути досягнуті ще вищі температури.

Максимальна температура нагрівника T₁  навіть теоретично не може перевищувати температуру плавлення матеріалів,з яких виготовлено двигун. Тому збільшувати ККД двигуна за рахунок підвищення T₁ можна лише в певних межах. На жаль,небагато можна досягти і за рахунок зниження температури холодильника T₂,оскільки практично не має сенсу братии температури T₂  нижчою за температуру навколишнього повітря. Тому для підвищення ККД прагнуть підвищити жаростійкість і жароміцність матеріалів для виготовлення двигунів.

Крім температури нагрівника й холодильника істотну роль у підвищенні ККД теплової машини відіграють й інші фактории,наприклад,зниження втрат енергії на подолання тертя в деталях машин,зменшення теплопередачі  навколишньому повітрю тощо. Тому ККД теплової машини залежить і від її конструкції та характеру процесів,які відбуваються під час її роботи.

У таблиці 7 вказано кілька типів теплових машин,їх ККД і найближені значення температур,які можна прийняти  за температуру нагрівника і холодильника. З таблиці видно,що ККД реальних машин значно нижчий за максимально можливі його значення.

Описаний принцип дії теплової машини передає,зрозуміло,лише найістотніші з погляду фізики риси кожного теплового двигуна,а сааме:робочим тілом в них служить газ або пара,холодильником-навколишнє середовище, нагрівником у двигунах внутрішнього згоряння-пальне,а в парових двигунах-паровий котел.

Ті ж три частини є необхідним і для холодильної машини,в якій цикл проходить у зворотному напрямі. В ній розширення робочого тіла відбувається під час контакту з холодильником. Цим холоднее тіло охолоджується ще сильніше. Далі,щоб цикл став можливим,робоче тіло стискається і йому передається певна кількість теплоти від холодильника. Це виконується при контакті робочого тіла з нагрівником,який,таким чином,нагрівається ще сильніше.

                                                                                                                                                          Таблиця7

Теплова      Машина	Робоче         тіло	Температура  Нагрівника,К	Температура Холодильника,К	ŋ,%	ККД    машини,%
Поршнева парова машина	Пара	480	300	37	7-15
Парова турбіна	Пара	850	380	55	20-25
Дизель	Продукти    згоряння     палива	2100	380	82	30-39
Карбюраторний двигун	Продукти    згоряння      палива	2100	380	82	18-24

                                                           

                                                   3.Деякі теплові машини

Зрозуміло,що ідеальний цикл Карно не можна здійснити з багатьох причин:не існує ідеального газу; ізотермічний процесс має проходити нескінченно повільно тощо. Однак форму реальних циклів корисно робити схожою на цикл Карно; для підвищення ККД реальних машин слід збільшувати різницю температур нагрівника і холодильника та по можливості знижувати температуру останнього.

Розглянемо роботу найбільш поширених теплових машин.

                    ·   Двигун внутрішнього згоряння(ДВЗ).Чотиритактний ДВЗ складається з одного чи кількох  циліндрів.У середині кожного циліндра рухається  поршень (мал.111),з'єднаний з кривошипно-шатунним механізмом,на колінчастий вал якого насаджено маховик. Розподілювальний пристрій у відповідні моменти відкриває і закриває клапани-впускний 1,кріз який в циліндр засмоктується пальне,і випускний2,з'яднаний з атмосферою. Для запалювання пального на електроди свічки С,встановленої вциліндр,подається висока напруга,і між ними проскакує іскра.

Нагадуємо принцип роботи чотиритактного двигуна. В першому такті під час руху поршеня вниз відбувається всмоктування крізь відкриий впускний клапан пального,випускний клапан закритий. При зворотному русі поршень у другому такті стискає(обидва клапани закриті) пальне,яке при цьому нагрівається. Коли поршень піднімається майже до крайнього верхнього положення,стиснуте

пальне підпалюється електричною іскрою. Розжарені гази-продукти згоряння пального-тиску 

на поршень і штовхаючи його вниз. Рух поршня передається шітуну,а через нього колінчастому валу з маховиком,і поршень виконує корисну роботу. Діставши сильний поштовх,маховик продовжує обертання за інерцією і переміщає з'єднаний з ним поршень при наступних тактах. Таким чином,цей (третій) такт є єдиним робочим тактом з чотирьох. До моменту   досягнення поршнем крайнього нижнього положення гази сильно охолоджуються при розширенні і тиск у циліндрі падає до (2-3)*10⁵Па. Обидва клапани протягом третього такту закриті. Нарешті,в четвертому такті поршень повертається в крайнє верхнє положення,виштовхуючи відпрацьовані гази через випускний клапан,який в цей час відкривається(випускний клапан закритий). Графік(P.V-діаграма)зміни стану газу в циліндрі двигуна (мал.112). Перший такт 1-2-відкрито впускний клапан,йде засмоктування пального. Другий такт 2-3- обидва клапани закриті,поршень стискає пальне-стискання. В кінці стискання за допомогою електричної іскри запалюється пальне,відбувається вибух-тиск стрибком 3-4 підвищується і починається третій такт 4-5-робочий хід(клапани,як і раніше,закриті).В кінці його (точка 5)відкривається випускний клапан,тиск різко зменшується і під тиском,трохи більшим за атмосферний, відпрацьовані гази виштовхуються в навколишнє середовище,відбувається четвертий такт 6-7-вихлоп. Цикл завершено,закривається випускний клапан,відкривається впускний,і починається новий цикл. Корисна робота за один цикл приблизно дорівнює площі фігури 2-3-4-5-6-2.

Мала масса,компактність,порівняно високий ККД(температура в цилідрі при згорянні палива досягає 1200°С,отже,теоретичний ККД дорівноє ŋ=(Т₁-Т₂)/Т₁=1200/1500=0,8,або 80%;практично ККД цього двигуна близько 30%) зумовили широке поширення таких двигунів.

ДВЗ цього типу будуються потужністю від 0,4 до 440кВт. Однак вони не позбавлені істотних недоліків:працюють на дорогому високоякісному пальному,складні за конструкцією,мають дуже  велику швидкість обертання вала двигуна,вихлопні гази забруднюють атмосферу тощо.

Більш екологічним є чотиритактний    д и з е л ь н и й    д в и г у н   в н у т р і ш н ь о г о    з г о р я н н я. Він працює на дешевих сортах рідкого пального і позбавлений більшості вказаних вище недоліків. Працює він так. При ході поршня вниз через впускний клапан у робочий циліндр засмоктується не пальне,а атмосферне повітря. На P,V  діаграмі (мал.113) цей такт зображається ізобарою 1-2. При подальшому обертанні маховика поршень при зворотному русі вгору адіабатно стискає повітря в циліндрі (впускний клапан закритий) до тиску =1,2*10⁶ Па,що веде до підвищення його температури в кінці цього такта (2-3) до 500-700°С. У стиснуте й розжарене повітря вприскується за допомогою паливного насоса і форсунки дизельне пальне; воно загоряється і горить значно довше за бензин. Утворені при цьому гази тиснуть на поршень і виконують корисну роботу під час всього поршня вниз. Тиск газу при розширенні підтримується приблизно сталим (ізобара 3-4). Після закінчення горіння вприснутої порції пального відбувається розширення газу(адіабата 4-5),і,нарешті,відкривається випускний клапан. Тиск падає по ізохорі 5-6. При зворотному русі поршень виштовхує(вихлоп) продукти згоряння в атмосферу (ізобара 6-7),і на цьому цикл завершується. Таким чином,на P,V діаграмі робочий хід зображений ділянкою 3-4-5, а корисна робота за цикл приблизно дорівнює площі фігури 2-3-4-5-6-2. ККД цього двигуна становить близько 40%.

Дизельні двигуни встановлюють  на тракторах і автомобілях,річних і морських теплоходах,дизель-електроходах,тепловозах,на електростанціях невеликої потужності.

                            ·Парові газові турбіни. Головною робочою частиною турбін є ротор-закріплений на валу диск з лопатками по обводу. Пара з котла спрямовується через спеціальні канали(сопла) на лопатки ротора. В соплах пара  розширюється,тиск її падає,зате зростає швидкість витікання пари,тобто відбувається перетворення її внутрішньої енергії в кінетичну енергію струмини. Парові турбіни бувають двох типів:активної дії,обертання роторів яких відбувається в результаті удару струмини пари в лопатки,і реактивної дії,в яких лопатки розміщені так,що пара,вириваючись з щілин між ними,створює реактивну тягу.

Найпростіша турбіна активної дії(мал.114). Вона складається з насадженого на вал 1 одного ротора 2 і тому називається одноступеневою. Проти зігнути стальний лопаток 3 розміщене одне(або кілька) сопло 4. Корпус 5 турбін забезпечений випускним патрубком 6.

У такій турбіні пара розширюється тільки в каналі сопла. Міжлопаткові канали сопла мають сталий переріз,пара,проходячи ними,не розширюється,а тільки змінює напрям свого руху,діючи на лопатку з деякою силою. Ця сила змушує ротор і вал обертатися,виконуючи роботу за рахунок кінетичної енергії пари.

Одноступеневі турбіни мають низький ККД,їх будують тільки малої потужності для приведення в рух невеликих машин. Сучасні потужні турбіни роблять багатоступеневими(мал.1150,тобто ротори таких турбін мають кілька рядів робочих лопаток,розділених нерухомими перегородками.

До позитивних якостей парової турбіни слід віднести швидкохідність,компактність,значну потужність і велику питому потужність(потіжність,яка припадає на одиницю маси двигуна).

ККД парових турбін досягає 25%. Недоліками їх є інерційність(необхідність значного часу для пуску й зупинки),неможливість регулювання швидкості обертання в широких межах,відсутність зворотного ходу.

   Перспективний двигун - г а з о в а   т у р б і н а . Працює вона аналогічно до парової,але робочим тілом в ній служить розжарений газ. Оскільки його температура значно вища за температуру пари,ККД газової турбіни набагато перевищує ККД парової,досягаючи 60-65%.Великою перевагою газових турбіни передає паровими є відсутність громіздкої установки,що дає можливість використовувати їх  не тільки для вироблення електроенергії на теплових і атомних електростанціях,а й на транспорті. Як двигуни газові турбіни встановлюються на автобусах і в потягах(газотурбовоз),на суднах,у літаках і ракетах. Особливо широке застосування знайшли газотурбінні двигуни в авіації.

             ·Реактивні двигуни. Теплові двигуни,які використовують реактивну тягу витікаючи газів,називається  р е а к т и в н и м и. Оскільки пальне згоряє в них всередині спеціальних камер,їх відносять до ДВЗ. Безперервно діюча реактивна тяга таких двигунів дає змогу досягти великих швидкостей.

    Один з найпростіших за конструкцією – п р я м о т о ч н и й   п о в і т я н о – р е а к т и в н и й   д в и г у н(мал.116). Він має вигляд труби,в яку зустрічний потік нагнітає повітря,а рідке пальне впорскується  в неї і примусово підпалюється. Розжарені гази вилітають з труби з великою швидкістю,надаючи їй(за законом збереження імпульсу)реактивної тяги. 

Недоліком цього двигуна є те,що для створення тяги він має рухатися відносно повітря,тобто самостійно злетіти він не може,його слід спочатку розігнати за допомогою двигуна іншого типу. Прямоточний повітряно-реактивний двигун ефективно працює при швидкостях порядку 2000-3000 км/год,а найбільшу силу тяги розвиває при швидкості 6000-700км/год.

                                                             Мал.117

Якщо в реактивному двигуні є турбіна,яка працює за рахунок енергії витікаючої струмини газів,і компресор,який всмоктує повітря і нагнітає його в камеру згоряння,то такий двигун називається т у р б о к о м п р е с о р н и м (мал.117). Двигуни цього типу вже багато років застосовуються в авіації. При запуску двигуна стартер починає обертатися вал,на якому розміщені турбокомпресор 2 і газова турбіна 4. Через забірник 1 повітря,стискуване турбокомпресором,надходять у камеру згоряння 3,куди впорскують пальне. Тут воно підпалюється,утворені при його згорянні розжарені гази,пройшовши через газову турбіну 4,яка обертає компресор,вилітають крізь реактивне сопло 5,створюючи реактивну тягу.

Залежно від розподілу потужності ці двигуни ділять на  т у р б о р е а к т и в н і  і  т у р б о г в и н т о в і. В турбореактивних менша частина енергії пального йде на обертання газової турбіни(яка приводить у дію тільки компресор),а більша частина створює реактивну тягу. У турбогвинтових,навпаки,більша частина енергії пального витрачається на обертання газової турбіни,яка,крім компресора,обертає і повітряний гвинт(пропелер),а менша частина енергії йде на створення реактивної тяги.

                            4.Холодильна машина і тепловий насос.

Будь-яку теплову машину можна змусити за допомогою другою двигуна здійснити цикл у зворотному напрямі. Такий процес є обернений до прямого циклу Карно і на діаграмі зобразиться тим самим чотирикутником 1234(мал.118),лише точка,яка описує стан газу,рухатиметься на діаграмі проти годинникової стрілки. Тепер газ,розширюється по ізотермі 4-3,відбирає від холодильника з температурою T₀ кількість теплоти Q₀,виконуючи при цьому роботу А_4-3:Q=A_4-3.

При ізотермічному стисканні газ віддає кількість теплоти IQI тілу з температурою Т>Т₀,яка дорівнює роботі стискання ІА_2-1І:ІQI=IA_2-1I. Повна робота газу за цикл А від’ємна ,і її абсолютне значення дорівнює абсолютному значенню суми робіт А_2-1+А_4-3 газу на ізотермах:ІАІ=ІА_2-1І-А_4-3=IQI-Q₀. Звідси випливає,що кількість теплоти IQI,віддана на ізотермі 2-1,дорівнює:

                                                       IQI=Q₀+IAI.

Сума робіт газу по розширенню і стисканню на адіабатах дорівнює нулю.

В оберненому циклі Карно за традицією тіло,яке має низьку температуру,прийнято називати холодильником,а тіло,яке має високу темпаературу,-нагрівником,хоча ролі вони виконують протилежні:холодильник віддає певну кількість теплоти,а нагрівник її одержує. За оберненим циклом працюють холодильні машини і теплові насоси.

Холодильна машина призначена для підтримання в холодильній камері температури,нижчої за температуру навколишнього середовища. Це можливо,якщо робоче тіло теплової машини провести за обертаним циклом,аналогічним оберненому циклу Карно. Розглянемо принцип дії холодильної машини на прикладі роботи побутового холодильника.

У лівій частині холодильника(мал.119)є невеликий компресор К,який приводиться в рух електродвигуном Е. Система холодильного агрегату заповнюється робочою речовиною-рідиною,яка легко випаровується(має низьку температуру кипіння). Найчастіше це аміак або фреон-12(дифтордихлорметан СF₂CI₂). Компресор холодильника засмоктує пару фреону з кожуха компресора через клапан П₁. Канал,який циркулює фреон,має звуження у вигляді трубки-капіляра А. Під час руху потоку фреону на кінцях капіляра виникає велика різниця тисків,яка необхідна,з одного боку,для збереження високого тиску в конденсаторі,який би не давав рідині можливості випаровуватися в його трубках,а з другого боку,для забезпечення малого тиску у випарнику,що обумовлювало б інтенсивне випаровування поступаючої в нього рідини.

Компресор стискає пару фреону і виштовхує її через клапан П₂ в конденсатор Р. Робота, виконана компресором при стисканні,збільшує внутрішню енергію фреону, оскільки стискання йде швидко, майже адіабатно. Температура стиснутого фреону зростає. Для охолодження фреону конденсатор забезпечений радіатором (Р). Радіатор-металева поверхня великої площі,яка має добрий тепловий контакт з трубкою,якою тече фпеон. Радіатор охолоджується повітрям  кімнатної температури. Фреон віддає певну кількість теплоти радіатору,охолоджується і частково конденсується. Температура фреону наближається до кімнатної.

Потім фреон просочується через капіляр А. За капіляром міститься змійовик,прокладений в стінках охолоджуваного об’єму Х. Оскільки по другий бік капіляра тиск нижчий,то фреон,який

проник сюди,випаровується. На випаровування затрачається певна кількість теплоти,яка відбирається від стінок холодильної камери і від предметів,які в ній містяться. Ця кількість теплоти плюс кількість теплоти,яка виділяється за рахунок роботи двигуна,виконаної над газом за цикл,віддається повітрю кімнати. В результаті цього температура всередині холодильника знижується,а в кімнаті підвищується. Процес зниження температури всередині холодильника звичайно швидко завершується,оскільки стінки холодильної шафи,хоч і погано,але проводять тепло. В стаціонарному режимі,коли температура всередині камери підтримується сталою,кількісті теплоти,відібрана від холодильника за одиницю часу,дорівнює кількості теплоти,яка надходить всередину холодильної шафи крізь стінки. Холодильник працює мов насос,перекачуючи внутрішню енергіювід одного тіла-холодильної камери-до другого-радіатора,де енергія віддається навколишньому повітрю.

Ефективність холодильної машини оцінюється за холодильним коефіцієнтом:

                                                                   k=Q₀/A,

тобто за відношенням кількості теплоти,відібраної за цикл від холодильної камери,до роботи зовнішніх сил над газом за цикл. Для холодильної машини,яка працює за оберненим циклом Карно,холодильний коефіцієнт дорівнює:

                                                                 k=T₀/T-T₀.

Чим менша різниця температур між холодильною камерою і навколишнім середовищем,тим менше треба затратити механічної(або електричної)енергії для «перекачування теплоти» від холодного тіла до гарячого. Природно,що в цьому випадку підвищується і холодильний коефіцієнт. Зверніть увагу,що холодильний коефіцієнт може бути більший за 100%. Це аж ніяк не суперечить тому,що ККД теплового двигуна завжди значно менший за 100%.

Під час роботи холодильна машина передає навколишньому середовищу більшу кількість теплоти,ніж відбирає від холодної камери. Це означає,що холодильну машину можна використати для обігрівання приміщень у холодну пору року. Для цього холодильну камеру слід винести на вулицю,а решту агрегатів холодильної машини залишити в приміщенні.

Якщо опалювати приміщення за допомогою звичайних електронагрівників,то кількість теплоти,що виділяється в нагрівних елементах,точно дорівнює витраті електроенергії. Коли ж електроенергію використати для приведення в дію холодильної машини,в якій нагрівником служить опалюване приміщення,а холодильною камерою-зовнішня атмосфера,то опалюване приміщення дістане більшу кількість теплоти,ніж її виділення дістане більшу кількість теплоти,ніж її виділилося б при безпосередньому перетворенні електроенергії у внутрішню в нагрівниках типу електроплиток,електропечей тощо.

Справді,виконавши роботу А(за рахунок електричної енергії мережі) і відібравши від зовнішньої атмосфери кількість теплоти Q₂,ми передаємо в опалюване приміщення кількість теплоти Q₁=A+Q₂>A. В реальній установці внаслідок втрат Q₁<Q₂+A. Та все ж і за наявності втрат можна при добрій конструкції машини дістати Q₁>A. Зрозуміло,що ніякої суперечності з законом збереження енергії немає-додаткова енергія відбирається від холодного зовнішнього повітря.

Холодильна машина,яка так працює,називається  т е п л о в и м   н а с о с о м,тому що вона «перекачує» певну кількість теплоти ззовні всередину приміщення. В результаті роботи теплового насоса в приміщенні стає тепліше,а на вулиці-ще холодніше(останній ефект,звичайно ж,мізерною малий). ККД теплового насоса ŋ_н визначається відношенням одержаної приміщенням кількості теплоти Q₁ до необхідної для цього зовнішньої роботи А(затрат електроенергії). В ідеальному випадку він дорівнює ŋ_{н мах}=Q₁/A=Q₁/Q₁-Q₂=T₁/T₁-T₂ і завжди більший за одиницю. Для прикладу розглянемо випадок,коли температура навколишнього повітря -20°С(Т₂=253 К),а всередині будинку слід підтримувати температуру +20°С(Т₁=293 К). Тоді ŋ_н=293/40=7,3,тобто,використовуючи електричну енергію для теплового насоса,ми можемо дістати в сім разів більшу кількість теплоти,ніж користуючись електронагрівним приладом. Звичайно,реальний ККД завжди нижчий,до того ж електродвигун теплового насоса також перетворює в роботу не всю споживну енергію. І все ж використання теплового насоса виявляється в кілька разів ефективнішим за використання електронагрівника,ґрунту тощо.

Перша промислова тепло насосна станція тепло забезпечення запрацювала в 1986р.у Криму. Вона цілий рік забезпечує теплою водою міжнародний пансіонат «Дружба». Теплонасосні станції працюють в багатьох європейських,особливо,скандинавських країнах,у південних районах США. В нашій країні теплонасосні  установки,на жаль,не дістали належного поширення,хоча їх застосування могло б дали значну економію енергоресурсів.

5.Посилання на сайти,які були використані при виконанні даної роботи:

1.http://www.youtube.com/watch?v=Rhi9yWF5SLs

2.http://www.youtube.com/watch?v=bZ7W97_rqiM

6.Використана література:

1.С.У.Гончаренко"Фізика"10 клас(1995р.)

2.Г.Я.Макишев,Б.Б.Буховцев"Фізика"10 клас(1990р.)