Исследовательский проект по физике « Эволюция тепловых двигателей»
проект по физике (8 класс) на тему

  МБОУ «Умётская средняя общеобразовательная школа»

Исследовательский проект по физике

« Эволюция тепловых двигателей»

   Выполнили: Айрапетян Роза и Пугаева Виктория, ученицы 8 класса

   Руководитель: Максакова Елена Викторовна,  учитель физики

п. Умёт

2016 г.

Содержание проектной работы « Эволюция тепловых двигателей»

Введение…………………………………………………………….. ………………...3

1. Что такое Двигатели?.………………………………………………………………4

2. Классификация двигателей………………................................................................4

3. История  теплового двигателя…………………………………………………........4

        3.1. Изобретение первой паровой машины……………………………………...3

        3.2.  Первый паровоз Ричарда Тревитика…………………………......................4

        3.3.  Паровозы Джорджа Стефенсона …...............................................................4

        3.4.  Паровоз Черепановых.....................................................................................4

4. Двигатель внутреннего сгорания ……………………………..................................5

5. Паровая турбина..........................................................................................................5

6. Газовая турбина …......................................................................................................7

7. Реактивный двигатель.................................................................................................8

 Заключение …………………………………………………………………………….9

Список использованных источников………………………………………………….10

Приложения…………………………………………………………………………......11

Введение

Данный проект реализован нами при изучении тем «Двигатель внутреннего сгорания», «Паровая турбина». Работая над проектом, мы познакомились с историей создания тепловых двигателей, принципом действия, разнообразием и применением.                                                                

 Цель  исследования: выявить  возможности применения тепловых двигателей

Для достижения цели были поставлены задачи:  

- Изучить  историю изобретения тепловых двигателей и их эволюцию;

  - Выявить сферы  применения;  

     - Изучить литературу  разных источников;

- Сделать анализ всех фактов.

   Тема актуальна, т.к.  тепловой двигатель, является самыми распространёнными видом двигателя  на сегодняшний день.

Объект исследования:  тепловой двигатель

Предмет исследования: значение физических в изучении тепловых двигателей

Методы:

1.Изучение теоретической информации по теме;

2.Поиск информации в сети Интернет;

3.Метод сравнения и анализа

Гипотеза: тепловой двигатель не потерял своей актуальности из-за постоянного усовершенствования

Структура работы: работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка источников, приложения.

1.Что такое Двигатели?                                                                                              Двигатель — это устройство, преобразующее какой-либо вид энергии в механическую работу. Термин «мотор» заимствован в первой половине XIX века из немецкого языка и преимущественно им называют электрические двигатели и двигатели внутреннего сгорания.                           

 2. Классификация двигателей

Типы двигателей.  Двигатели подразделяют на первичные и вторичные. К первичным двигателям относят непосредственно преобразующие природные энергетические ресурсы в  механическую работу, а к вторичным — преобразующие  энергию, выработанную или накопленную другими источниками.  Двигатели прошли длительный путь развития, и на данный момент можно выделить пять видов тепловых двигателей.                                                                                       

  Виды тепловых двигателей

• Паровая машина
• Двигатель внутреннего сгорания
• Паровая турбина
• Газовая турбина
• Реактивный двигатель

Применение  тепловых двигателей  чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, ракеты, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах. Давайте проследим эволюцию тепловых двигателей.

3. История  теплового двигателя

3.1 Изобретение первой паровой машины  В 1773 году Уатт провёл испытания своего изобретения - паровой машины. В основе машины был паровой насос. С него ещё в 1698 году начали свой путь  паровые машины. Но усовершенствования были заметны сразу.  Потребление угля стало значительно ниже. Принцип действия таков: тепло, полученное при сгорании дерева или угля, нагревают до температуры кипения налитую в котёл воду , которая начинает превращаться в пар.(Ввёл мерку Лошадиные силы)

Паровые двигатели стали применяться в производстве и произвели НТР в промышленности, но не сразу удалось  применить их в транспорте.

 32.Первый паровоз Ричарда Тревитика. Первый паровоз был сконструирован в 1803 году английским изобретателем Ричардом Тревитиком. Масса паровоза составляла 5 тонн. Когда его начали использовать на конной чугунной дороге, он начал ломать рельсы. Через 5 лет Тревитик построил новый паровоз. Он назывался «Поймай меня, кто сможет!» и развивал скорость до 30 км/ч.

 3.3.Паровозы Джорджа Стефенсона. Огромную роль в развитии парового железнодорожного транспорта принадлежит английскому конструктору и изобретателю Джорджу Стефенсону. Паровозостроением он начал заниматься в 1814 году. Уже в 1823 году им был создан первый в мире завод по производству паровозов. Одним из его изобретений являлся паровоз «Ракета», занявший первое место на соревнованиях лучших локомотивов  в 1829 году. Его мощность  составляла 13 лошадиных сил , а максимальная скорость достигала 47км/ч.

3.4 Паровоз Черепановых . В 1834 году, в России был построен паровоз, созданный крепостными мастерами-самоучками отцом и сыном Ефимом и Мироном Ефимовичем Черепановыми . Выпуск паровозов в нашей стране был прекращён только в 1956 году, так как они стали заменяться электровозами и тепловозами. Вместо паровых машин стали применять электрические двигатели ( на электровозах) и двигатели внутреннего сгорания( на тепловозах).

Приложение 1

4. Двигатель внутреннего сгорания

     Двигатель внутреннего сгорания является самым распространённым тепловым двигателем. Он работает не на угле, а на жидком топливе. Благодаря его изобретению, стало возможным появление безрельсового транспорта.

Строение двигателя внутреннего сгорания. Двигатель внутреннего сгорания состоит из : 1.впускного клапана, 2.выпускного ,    3. Поршня, 4. Шатуна, 5.коленчатого вала, 6 свечи.                                                                    

Этапы работы четырёхтактного ДВС.  Один рабочий цикл в двигателе состоит из 4х этапов (тактов) : впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска.

Первый такт: В начале первого такта при повороте вала двигателя,поршень движется вниз, объём над поршнем увеличивается. Вследствие чего, в цилиндре создаётся разряжение. В это время открывается впускной клапан и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта , цилиндр заполняется горючей смесью, а впускной клапан закрывается.

Второй такт: Во втором такте при повороте вала, поршень движется вверх и сжимает горючую смесь. В конце второго такта, когда поршень дойдёт до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется(от электрической искры) и быстро сгорает.

Третий такт: Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз. Под действием расширяющихся нагретых газов двигатель совершает работу, поэтому этот такт называется рабочим ходом. Движение поршня передаётся шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком, получив сильный толчок. После этого маховик продолжает вращаться по инерции и перемещает скреплённый с ним поршень при следующих тактах.

Четвёртый такт: В конце третьего такта открывается выпускной клапан, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу. Выпуск продуктов сгорания продолжается и в течении четвёртого такта, когда поршень движется вверх. В конце четвертого такта выпускной клапан закрывается.

Использование ДВС. Чаще всего, четырёхцилиндровые двигатели внутреннего сгорания используют в автомобилях.

Слово «автомобиль» означает «самодвижущийся». В наше время автомобиль - самое распространенное средство механического транспорта. Во всем мире насчитывается более 300 млн. автомобилей. Первые попытки создать самодвижущуюся повозку были сделаны еще два века назад. Впервые общественный транспорт появился в Париже в начале19 века. По улицам стали ездить омнибусы (в переводе с английского , означает- для всех). Уже в 80-е годы появились трамваи на электрической тяге. Трамвайные рельсы тянулись по всем городам, кварталам. Города росли, меняли свой облик. Когда первые изобретатели выпустили на улицы городов свои  самодвижущиеся машины, люди не могли отреагировать спокойно. Они привыкли к повседневным повозкам с лошадьми. Бывало, что при виде этого «чуда», люди впадали в панику. Даже законом было установлено правило, что перед машинами должны были идти сопровождающие с красными флажками, тем самым, предупреждая людей. С годами транспортные средства совершенствовались, совершенствовались и их двигатели.

Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно. Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, ракеты, тепловозы. Мощные двигатели внутреннего сгорания устанавливают на речных и морских судах.

Приложение 2

    5. Паровая турбина

Устройство паровой турбины. В современной технике широко применяется другой тип  теплового двигателя. В нём  пар или нагретый до высокой температуры газ вращает вал двигателя без помощи поршня, шатуна и коленчатого вала. Такие двигатели называют турбинами.

На картинке, мы можем увидеть устройство простейшей паровой турбины. На вал(4) насажен диск(3), по ободу которого закреплены лопатки(2). Около лопаток расположены трубы-сопла(1), в которые поступает пар из котла. Струи пара, вырывающиеся из сопел, оказывают значительное давление на лопатки и приводят диск турбины в быстрое вращательное движение. В современных турбинах применяют не один, а несколько дисков, насаженных на общий вал. Пар последовательно проходит через лопатки всех дисков, отдавая каждому из них часть своей энергии.

 Использование паровой турбины. Паровые турбины применяются на тепловых электростанциях и на кораблях.

Приложение 3

6. Газовая турбина

Устройство газовой турбины. На экране показана схема газотурбинного двигателя. Ротационный компрессор (9), находящийся на одном валу (8) с газовой турбиной (7), засасывает воздух из атмосферы, сжимает его и нагнетает в камеру сгорания (3). Топливный насоc( 1), также приводимый в движение от вала турбины, нагнетает топливо в форсунку( 2), установленную в камере сгорания. Газообразные продукты сгорания поступают через направляющий аппарат (4) на рабочие лопатки (5) колеса газовой турбины (7) и заставляют его вращаться в одном, определенном направлении. Газы, отработавшие в турбине, выпускаются в атмосферу через патрубок (6). Вал (8) газовой турбины вращается в подшипниках (10). По сравнению с поршневыми двигателями внутреннего сгорания газотурбинный двигатель обладает весьма существенными преимуществами. Характеризуя газовую турбину, прежде всего, следует отметить, что она, как и паровая турбина, может развивать большие обороты. Вращательное движение вала является по существу единственным видом движения в газовой турбине. Газотурбинные двигатели не требуют специальных устройств  для охлаждения. Отсутствие трущихся деталей при минимальном количестве подшипников обеспечивают длительную работоспособность и высокую надежность газотурбинного двигателя. Для питания газотурбинного двигателя используется керосин либо топлива типа дизельных, т.е. более дешевые, чем бензин.

Использование газотурбинного двигателя. На судах и кораблях многих стран мира в составе газотурбинных и дизель-газотурбинных энергетических установок широко применяются главные и вспомогательные газотурбинные двигатели, так как они обладают важными положительными качествами. Газотурбинные и дизель-газотурбинные энергетические установки обеспечивают кораблю высокие боевые возможности, связанные со значительной полной боевой скоростью, большой автономностью, повышенными запасами боеприпасов из-за минимальных массогабаритных показателей установок. Газотурбинные двигатели и установки обладают высокой экономичностью на режимах полной мощности и одновременно небольшими размерами и массой. Кроме того, имеют высокую манёвренность и хорошие динамические характеристики. Комбинированные установки, в составе которых имеются форсажные газотурбинные двигатели и маршевые двигатели внутреннего сгорания, применяют  на противолодочных кораблях, фрегатах, сторожевых кораблях, которым много времени приходится находиться в районе поиска подводных лодок, двигаясь при этом малыми скоростями, а при необходимости на повышенных скоростях выходить в заданный район или точку атаки. Корабли ещё большего водоизмещения, такие как, тяжёлые крейсера и авианесущие корабли пока ещё редко имеют газотурбинные энергетические установки.

Приложение 4

7. Реактивный двигатель

Устройство реактивного двигателя. Реактивный двигатель состоит из: компрессора, камеры сгорания, турбины, сопла. И делится на две секции: холодную    

Принцип действия таков: забортный воздух (в ракетных двигателях — жидкий кислород) засасывается в турбину, там смешивается с топливом, и сгорая, в конце турбины образует  “рабочее тело” (реактивную струю), которое и двигает машину. 
В начале турбины стоит вентилятор, который засасывает воздух из внешней среды в турбины. Основных задач две — первичный забор воздуха и охлаждение всего двигателя в целом, путем прокачивания воздуха между внешней оболочкой двигателя и внутренними деталями. Это охлаждает камеры смешивания и сгорания и не дает им разрушиться. 
За вентилятором стоит мощный компрессор, который нагнетает воздух под большим давлением в камеру сгорания. 

Камера сгорания смешивает топливо с воздухом. После образования топливно-воздушной смеси, она поджигается. В процессе возгорания происходит значительный разогрев смеси и окружающих деталей, а также объемное расширение. Фактически, реактивный двигатель использует для движения управляемый взрыв.                                                                                                    

Камера сгорания реактивного двигателя - одна из самых горячих его частей. Ей необходимо постоянное интенсивное охлаждение. Но и этого недостаточно. Температура в ней достигает 2700 градусов, поэтому её часто делают из керамики. После камеры сгорания, горящая топливно-воздушная смесь направляется непосредственно в турбину.    

Турбина состоит из сотен лопаток, на которые давит реактивный поток, приводя турбину во вращение. Турбина в свою очередь вращает вал, на котором находятся вентилятор и компрессор. Таким образом, система замыкается и требует лишь подвода топлива и воздуха для своего функционирования. 
      Воздушно-реактивные двигатели — реактивный двигатель, в котором атмосферный воздух применяется как основное рабочее тело в термодинамическом цикле, а также при создании реактивной тяги двигателя. Такие двигатели используют энергию окисления горючего кислородом воздуха, забираемого из атмосферы. Рабочее тело этих двигателей представляет собой смесь продуктов горения с остальными компонентами забранного воздуха. 

Использование реактивного двигателя. Существует два основных класса реактивных двигателей:         Ракетные двигатели — содержат все компоненты рабочего тела на борту и способны работать в любой среде, в том числе и в безвоздушном пространстве. Поток воздуха направляется в сопло. Сопло реактивного двигателя формирует непосредственно реактивную струю. Классический реактивный двигатель — используется в основном на истребителях в различных модификациях.   Турбовинтовой - такой двигатель позволяет большим самолетам летать на приемлемых скоростях и тратить меньше горючего.

Турбовентиляторный реактивный двигатель – этот тип двигателя является более экономичным родственником классического типа. Главное отличие в том, что на входе ставится вентилятор большего диаметра, который подает воздух не только в турбину, но и создает достаточно мощный поток вне неё. Таким образом, достигается повышенная экономичность. Используется на лайнерах и больших самолетах.

Приложение 5

Заключение

Тепловые двигатели играют  важнейшую роль в жизни человечества. Они имеют широкое применение в хозяйственной, промышленной, военной сфере.  Но кроме положительного эффекта от использования тепловых двигателей,  имеется и отрицательный – загрязнение окружающей среды: повышение температуры атмосферы Земли, загрязнение земель сельскохозяйственного назначения, шумовые загрязнения, разлив нефти в воды мирового океана, выбросы канцерогенов. Люди стараются сделать как можно больше для сохранения природы: создают автомобили с полным сгоранием топлива и минимальным выбросом углекислого газа в атмосферу, а так же разрабатывают автомобили, в которых вместо бензиновых двигателей используется электродвигатель, питающийся от аккумулятора, или двигатель в котором в качестве топлива используется водород (а при сгорании водорода образуется вода).

Список использованных источников

1. Г. Черненко. «От паровоза до магнитоплана

2.  https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%B0%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B0

3.http://www.iq-coaching.ru/razvitie-mashinostroeniya/vidy-dvigatelei/68.html

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B1%D0%B8%D0%BD%D0%B0

5.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A0%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C

Приложение 1

Паровая машина Джеймса Уатта

Первые паровозы

 Паровоз «Ракета» Джорджа Стефенсона                            Паровоз Черепановых

Приложение 2

Строение двигателя внутреннего сгорания

             1-впускной клапан

             2-выпускной клапан

             3-поршень

             4-шатун

             5-коленчатый вал

             6-свеча

Применение двигателя внутреннего сгорания

Приложение 3

        Устройство паровой турбины

                                                 1-сопло

                                                 2 -лопатки

                                                 3-диск

                                                 4-вал

 Использование паровой турбины

Приложение 4

Устройство газовой турбины

1-топливной насос

2-форсунка

3-камера сгорания

4-направляющий аппарат

5-рабочие лопатки

6-патрубок

7-колёса газовой турбины

8-вал

9-ротационный компрессор 

10-подшипники

Использование газотурбинного двигателя

2016 г

Приложение 5

Устройство реактивного двигателя

Применение и эволюция реактивного двигателя