Історія промислового застосування теплових двигунів починається з парової машини, яку створив англійський учений Джеймс Вaтт у 1768 р. Протягом декількох років Ватт удосконалював її конструкцію. Від 1776 р. машини Ватта почали широко застосовувати в шахтах і на металургійних заводах Англії. У XX ст. на зміну першим паровим машинам прийшли сучасні двигуни внутрішнього згоряння, парові й газові турбіни, реактивні двигуни. На цій сторінці ви дізнаєтесь, як працюють деякі з них.
Парова турбіна (від латин, turbo — вихор, швидке обертання) — один із прикладів парових теплових двигунів.
У парових двигунах енергія, яка виділяється під час згоряння палива, йде на утворення водяної пари та її нагрівання, а вже потім нагріта пара, розширюючись, виконує механічну роботу.
Отже, робочим тілом парової турбіни є пара, яка утворюється з води й у спеціальних парових котлах нагрівається до температури близько 600 °С. Із котла пара під високим тиском надходить до турбіни.
Парові турбіни широко використовують на електростанціях, де механічна енергія обертання турбіни перетворюється на електричну. На транспорті парові турбіни не набули широкого застосування в основному через великі габарити.
Одним із найпоширеніших видів теплових двигунів, що використовують у транспортних засобах, є двигун внутрішнього згоряння, який сконструював німецький винахідник Ніколаус Отто.
У процесі роботи двигуна внутрішнього згоряння паливо згоряє безпосередньо всередині його циліндрів, звідси й походження назви двигуна. Двигуни внутрішнього згоряння працюють на рідкому паливі або газі.
У двигуні внутрішнього згоряння (ДВЗ) теплова енергія, яка виділяється внаслідок згоряння палива в його циліндрах, перетворюється на механічну роботу - обертання колінчастого вала.
Робочий цикл чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння з електричним запалюванням складається відповідно із чотирьох тактів.
І такт — усмоктування (впуск). Поршень рухається вниз, у циліндрі падає тиск. У цей час відкривається впускний клапан і пальна суміш усмоктується в циліндр. Наприкінці І такту впускний клапан закривається.
ІІ такт — стиснення (стиск). Поршень рухається вгору і стискає пальну суміш. Коли поршень доходить до крайнього верхнього положення, проскакує іскра і пальна суміш займається. Обидва клапани закриті.
ІІІ такт — розширення (робочий хід). Паливо горить, і розжарені гази штовхають поршень униз. Рух поршня передається шатуну, який штовхає колінчастий вал і примушує його обертатися, — двигун виконує корисну роботу. Наприкінці III такту відкривається випускний клапан.
IV такт — випускання (випуск). Поршень рухається вгору і через випускну трубу виштовхує продукти згоряння в атмосферу. Наприкінці IV такту випускний клапан закривається. Випускання відпрацьованих газів супроводжується передачею деякої кількості теплоти довкіллю.
Як і в будь-якому тепловому двигуні, у двигуні внутрішнього згоряння є нагрівник (повітряна суміш, що горить), робоче тіло (розжарені гази), холодильник (довкілля).
За цикл гази штовхають поршень тільки один раз, тому для рівномірної роботи двигунів ставлять чотири, шість і більше циліндрів.
В техніці також застосовують дизельні двигуни, названі на честь німецького інженера Рудольфа Дізеля. Ці двигуни, зокрема, не мають запальних свічок, вони можуть бути й двотактними, їхній ККД більш високий. У двигунів, описаних вище, ККД становить 20-25 %, у дизельних — 40 %.
Інтерактивна симуляція "Фізика в школі" (Чотиритактний двигун)
Інтерактивна симуляція "Фізика в школі" (Двотактний двигун)
По-перше, практично всі види палива містять невелику кількість сірки, яка із часом перетворюється на шкідливу сульфатну кислоту.
По-друге, на більшості теплових станцій вугілля подається в топки в подрібненому вигляді. Ці частинки, згоряючи, перетворюються на попіл, і певна його кількість розлітається на місцевості, забруднюючи її.
По-третє, в автомобільному двигуні паливо не завжди згоряє повністю, тому у вихлопних газах міститься значна частка отруйного чадного газу (СО).
І це далеко не вичерпний перелік шкідливих чинників!
Існує кілька основних напрямів боротьби з негативними наслідками використання теплових двигунів:
У XX ст. альтернативні джерела енергії стали відігравати помітну роль в енергетиці. Прикладами таких джерел є гідроелектростанції, атомні електростанції, вітрогенератори, сонячні батареї.
Cпалювання вугілля, нафти й газу потребує великої кількості кисню: щоб спалити 1 кг вугілля, необхідно 2,7 кг кисню, 1 кг нафти — 3,4 кг кисню, 1 кг природного газу (метану) — 4 кг.
Основні напрями розв’язання проблеми майбутнього «енергетичного голоду».
За оцінками вчених, за 200 років інтенсивної роботи теплових машин в атмосферу було викинуто близько одного трильйона (1012) тонн СO2. Ця величезна кількість вуглекислого газу спричинила так званий парниковий ефект — підвищення температури поверхні Землі. Через парниковий ефект середня температура поверхні Землі підвищилася на 0,6 °С.
Рішення щодо зменшення викидів бензинових двигунів: