从能量角度了解蒸汽机、内燃机等热机工作原理及发展历程

第23章。加热引擎的工作原理

从能量的角度来看，蒸汽机，内燃烧发动机的工作是通过将燃料中的化学能量转换为工作物质的内部能量，然后消耗工作物质的内部能量并在外部进行工作的内部能量来完成外部。我们称这些电源机械加热器。

蒸汽机和汽轮机

蒸汽机是该行业，农业和运输行业中广泛使用的第一个热力学机械。在蒸汽机，英国人，新移民（T.，1663-1729）和瓦特（J. Watt，1736-1819）的开发中，连续开发和改进了蒸汽机（图2.3-1），使蒸汽机成为可以广泛使用的蒸汽机。

图2.3-1早期蒸汽机

如图2.3-2所示，蒸汽发动机的工作原理是：加热时锅炉中的水变成水蒸气，水蒸气通过管道E进入蒸汽室D。它由滑动阀S控制。蒸汽从蒸汽路径E和蒸汽路径G中转向缸体，并驱动了蒸汽机原理，驱动了手动驾驶，以便对外部进行工作。

图2.3-2蒸汽机的工作原理

蒸汽机中的工作物质是水蒸气，它吸收了从加热器中吸收热量，其中一部分用于推动活塞进行工作，其余的热量被排放到冷凝器中。蒸汽机非常效率低下，现在已从历史阶段撤回。

在1880年代，出现了使用新蒸汽技术的加热发动机，该加热发动机使用高压水蒸气，其压力高达数千万的，以驱动叶轮以驱动转子旋转。蒸汽轮机具有很高的速度，可以输出强大的功率，该功率被热发电厂广泛使用。

图2.3-3蒸汽轮机内燃机和燃气轮机的工作原理

汽车中的汽油发动机和柴油发动机用于燃烧气缸中的燃料，并直接使用气缸中产生的高温和高压气体来推动活塞进行工作。因此，这样的热发动机称为内燃机（ - ）。这种燃烧方法可以大大提高热发动机的效率。

汽油发动机和柴油发动机的工作过程相似。让我们以汽油发动机为例，以简要介绍。

汽油发动机最初是由德国工程师Otto（。1832-1891）设计的，因此也称为Otto 。它的工作周期包括四个中风：吸入，压缩，工作和排气。

图2.3-4汽油发动机的四笔笔触

吸气中风和压缩冲程：空气进入气缸并被压缩。汽油发动机在吸盘中很烂的是汽油和空气的混合物，这在压缩冲程末端被电火花点燃。

工作中风：燃烧汽油后，形成高温和高压气体，推动活塞进行工作。在此过程中，气体的温度下降，压力降低。

排气中风：完成工作后，飞轮由于惯性而继续旋转，驾驶活塞从气缸中排出排气气，为下一个进气冲程循环做准备。

柴油发动机，也称为柴油内燃机，最初是由德国工程师柴油设计的（R.，1858-1913）。柴油发动机不依赖电动火花点火。它的压缩冲程大于汽油发动机的压缩冲程，因此气缸中的温度更高。压缩后，将柴油注入其中，可以在高温压缩空气中自发点燃。其他冲程的工作条件与汽油发动机的工作条件相似。

燃气轮机（图2.3-5）没有气缸和活塞。工作时，将燃料注入燃烧室。燃烧后，产生高温和高压气体，驱动涡轮机旋转。燃气轮机具有简单的结构，易于维护，并且摩擦成分很少，效率高达50％至60％。燃气轮机被广泛用于喷气飞机。

图2.3-5燃气轮机制冷机的工作原理

现代社会中的人们正在享受科学技术带来的好处。在炎热的夏天，您可以在冰箱里吃食物，并感觉到空调带来的微风。冰箱和空调都是冰箱（）。

从广义上讲，冰箱，例如蒸汽机和内燃机，是加热发动机，但这两个功能恰恰相反。热发动机使用吸收热的部分进行工作并同时排放另一部分（图2.3-6a）；当热发电机使用外界完成的工作以从物体中取出热量并将其排放到高温物体中（图2.3-6b）。

图2.3-6

冰箱的压缩机确实在电动机的驾驶等下工作。液体制冷剂进入蒸发区后，它通过非常薄的管道膨胀和蒸发，在此过程中冷藏温度降低。然后再次输入压缩机准备下一个周期。

图2.3-7冰箱的结构和工作原理

冰箱可以使用不同的制冷剂。弗雷恩过去经常被使用，但是由于弗莱恩会破坏大气的臭氧层，因此它已用于其他制冷剂，例如R134A。

科学漫步

制冷技术的发展

为了冷藏食物或较低的室温，我的国家已经形成了一套在春季和秋季期间和交战状态时期收集天然冰块的方法。天气炎热时，贵族成员喜欢这些冰块。现代冰箱和空调需要制冷技术。

在19世纪初期，美国人发明了一种制冷方法来蒸发乙醚。 50年后，苏格兰人哈里森（ ）在澳大利亚成功使用了自己的制冷机。很快，人们制作了家居冰箱来制作小冰块。

在19世纪末，德国工程师林德（C. Linde，1842 - 1934年）生产并销售了10,000多个冰箱。该冰箱使用一个小型蒸汽泵，该蒸汽泵反复蒸发并压缩氨水以形成制冷循环。到1920年代，两名瑞典工程师使用电动机代替了蒸汽泵来驱动压缩机，这已经是真正的“电动”冰箱。由于氨和以太对人体有害，因此新的制冷剂弗莱恩出现在1930年代，逐渐取代了其他制冷剂。

制冷技术的另一个应用是空调。在1920年代，美国人首先制造了家居空调和设计的窗户空调和拆分空调。

在1980年代，人们发现弗莱恩对环境有破坏性，因此研究了一些新的制冷剂。 R134A目前使用的频率更高。

科学足迹

1。活塞点火器

在柴油机内燃机中，压缩冲程将气缸中的空气温度提高到近1,000摄氏度，并且注入柴油后将自动点燃柴油。据说，这种通过压缩空气获得高温的方法可能起源于中国古代。

居住在云南（）地区的人，我的国家历史悠久。 的祖先发明了一种点火工具（图2.3-8），该工具使用牛角作为袖子，而则连接到枪管中木制推杆的前端。开火时，用一只手握住袖子，用另一只手将推杆推开，莫克斯天鹅绒点燃。然后拉出杆，用嘴吹莫克斯天鹅绒，并出现火焰。这种点火器的发明无法得到验证，但不迟于明朝的最新发明。

图2.3-8 的点火器（模型）

据说，这种点火器是通过东南亚传输到欧洲的。法国科学家拉普拉斯（M.，1749 - 1827年）使用玻璃缸代替牛角和玻璃棒，而不是木制的推杆，改善了这种点火器。欧洲人称该设备为“活塞点火器”。化学家道尔顿（J.1766 - 1844）研究了这种点火方法，并在1800年写了一篇论文，“通过机械压缩和空气的稀疏性，关于热量和冷的产生”。后来，制冷技术的创始人琳德（Linde）根据压缩空气的原理在1877年左右生产了烟火仪。柴油在1897年制造了柴油发动机。柴油后来声称它是受到他发明柴油发动机的点火方法的启发。因此，可以说，通过压缩空气的点火技术可能是吉扬人民的点火器。

2。火箭的家乡

火药是古代中国的四个伟大发明之一，它是在唐朝中部发明的。火药在武器的发展中发挥了重要作用，并促进了人们的娱乐活动。在北部的歌曲王朝期间，已经有“火”可以飞入天空，而“地面老鼠”飞过地面。这些是使用后坐力技术的最早玩具。

图2.3-9武的乐趣

在南部歌曲王朝期间，中国军事技术人员发明了群集火箭。掌握了这项技术后，蒙古军队在第二次西方探险队的战争中使用了它。在明朝，“一群蜜蜂”（同时开火或数十个火箭）和“神圣的火乌鸦”（将几枚火箭绑在炸弹上，使炸弹进一步飞行）。

图2.3-10神的火乌鸦

明朝发明的“从水中出来的火龙”是次要火箭。当第一阶段火箭的燃料燃烧出来时，第二阶段的火箭被点燃，火箭继续向前移动。它的范围可以达到1公里。 “飞砂管”也是第二阶段的火箭。它的第二阶段火箭与第一阶段火箭的方向相反，因此第二阶段的火箭可以使火箭完成任务，然后飞回发射场。这种火箭可以被视为返回火箭的祖先。

图2.3-11从水中消失的龙

据传说称，一个名叫旺胡（Wanhu）的人在载人飞行中进行了实验。他将47枚火箭绑在椅子后面，并将自己绑在椅子上，朝前，每只手都握着一个大风筝。他想利用火箭的推力和风筝的力量飞行。但是，在燃烧了这些大型火箭之后，旺胡被大声爆炸杀死。尽管实验失败了，但他的勇气和创新精神受到后代的钦佩。他被西方称为“第一个尝试使用火箭作为运输方式的人”和“第一个尝试使用火箭飞行的人”。

现代中国火箭技术的发展吸引了世界的注意。自1950年代后期以来，中国开始开发现代火箭。除了军事火箭之外，它还成功地开发了“漫长的游行”一系列火箭。使用这些火箭，自1970年代以来，中国推出了各种人造地球卫星，例如“东方红色”系列卫星，“ ”系列卫星和多个通信卫星。中国已经开发并推出了“永恒”航天器系列，成为世界上第三个独立发展和推出载人航天器的国家。

图2.3-12“长期3月2F”火箭将“ v”的载人航天器成功升空。

降落在月球上是中国人民的千年梦想。自远古时代以来，就有一个美丽的传说“ chang'e飞向月球”。我的国家启动了一个名为“ Chang'e ”的月球勘探计划，我的国家肯定会在深空探索领域中占有一席之地。

问题和练习

1。简要描述内燃机的结构和工作过程。

2。从自行车上找到一个泵，然后将空气喷嘴连接到没有空气的篮球上。重复并迅速压缩泵的活塞以使篮球充气。当篮球充满空气时，用手触摸泵的外墙。温度会发生什么变化？

3。一辆轮船连续航行了6天和晚上。众所周知，船中使用的内燃机的功率为50 000 kW，效率为25％，柴油的燃烧值为4.27×107 J/kg。至少要求这艘船消耗多少柴油。

4。加热发动机（电源发动机）和冰箱的工作原理是什么相同和不同的？

5.使用冰箱或空调时，哪些技巧可以节省能源？

在工业上，获得低温的过程称为“制冷”。由于“冷”不是一种物质，因此物理学中的过程称为“冷却”。这里讨论了获得低温的机制，因此使用工业习惯。

文件下载（791个下载）