Физика для всех. Движение. Теплота - Александр Китайгородский

Цилиндр бензинового двигателя снабжен двумя клапанами, один из которых предназначен для впуска горючей смеси, а другой для выпуска отработанных газов. Для того чтобы двигатель начал работать, его надо прокрутить, используя энергию какого-либо постороннего источника. Пусть в какой-то момент поршень пошел вниз, а впускной клапан открыт. В цилиндр всасывается смесь распыленного бензина и воздуха. Впускной клапан сблокирован с валом двигателя таким образом, что закрывается в тот момент, когда поршень достигает крайнего нижнего положения. При дальнейшем прокручивании вала поршень идет вверх. Автоматический привод клапанов держит их в течение этого хода закрытыми, поэтому горючая смесь сжимается. Когда поршень находится в верхнем положении, сжатая смесь зажигается электрической искрой, проскакивающей между электродами запальной свечи. Смесь вспыхивает, расширяющиеся продукты горения работают, с силой посылая поршень вниз. Вал двигателя получает мощный толчок, маховик, сидящий на валу, запасает значительную кинетическую энергию. За счет этой энергии происходят все три последующих подготовительных такта: сначала выпуск, когда выпускной клапан открыт, а поршень идет вверх, выталкивая отработанные газы из цилиндра, потом – известные уже нам всасывание и сжатие, затем – новая вспышка. Двигатель заработал.

Бензиновые двигатели имеют мощности от долей лошадиной силы до 4000 л.с., КПД – до 40 %, вес на лошадиную силу – до 300 г. Этими хорошими показателями объясняется их широкое применение в автомобилях и самолетах.

Каким образом можно было бы повысить КПД бензинового двигателя? Главный путь – повышение степени сжатия. Ведь холодильником для всех транспортных тепловых двигателей является окружающий воздух. Поэтому КПД можно увеличить лишь повышением температуры рабочей смеси, а для этого смесь надо как можно сильнее сжать перед воспламенением. Но при этом возникает серьезное осложнение: сильно сжатая смесь детонирует (см. стр. 358). Рабочий ход приобретает характер сильного взрыва, который может повредить двигатель. Приходится принимать специальные меры, уменьшающие детонационные свойства бензина, а это сильно удорожает и без того не дешевое топливо (см. стр. 359).

Проблемы повышения температуры при рабочем ходе, устранения детонации и удешевления топлива удачно решены в дизельном двигателе.

Дизельный двигатель по конструкции очень напоминает бензиновый, но рассчитан на более дешевые и низкокачественные продукты перегонки нефти, чем бензин. Цикл начинается с всасывания в цилиндр чистого воздуха. Затем воздух сжимается поршнем примерно до 20 атм. Добиться такого сильного сжатия, прокручивая двигатель рукой, было бы очень трудно. Поэтому дизель запускают специальным пусковым мотором, обычно бензиновым, или сжатым воздухом.

При сильном сжатии температура воздуха в цилиндре поднимается настолько, что становится достаточной для воспламенения горючей смеси. Но как впустить ее в цилиндр, где достигнуто высокое давление? Впускной клапан здесь не годится. Его заменяют форсункой, через крошечное отверстие нагнетающей топливо в цилиндр. Оно воспламеняется по мере поступления, чем устраняется опасность детонации, существенная для бензинового двигателя. Устранение опасности детонации позволяет строить тихоходные судовые дизели на много тысяч лошадиных сил. Они, естественно, приобретают весьма значительные размеры, но остаются компактнее агрегата из парового котла и турбины. Суда, снабженные дизельными двигателями, без особой логики называются в нашей литературе теплоходами.

Корабль, на котором между дизелем и винтом стоят генератор и мотор постоянного тока, называют «дизель-электроход». Дизельные локомотивы – тепловозы, широко внедряемые сейчас на железных дорогах, – построены по той же схеме, поэтому их можно называть «дизель-электровозами».

Поршневые двигатели внутреннего сгорания, рассмотренные нами в последнюю очередь, заимствовали основные конструктивные элементы – цилиндр, поршень, получение вращательного движения при помощи шатунно-кривошипного механизма – у постепенно сходящей сейчас со сцены паровой машины. Паровую машину можно было бы назвать «поршневым двигателем внешнего сгорания». Именно это сочетание громоздкого парового котла с не менее громоздкой системой преобразования поступательного движения во вращательное лишает паровую машину возможности успешно конкурировать с более современными двигателями. Чтобы убедиться в этом, проследим за работой паровой машины двойного действия.

Пар из котла поступает в золотниковую коробку, внутри которой перемещается золотник – клапан специальной формы. Золотник при помощи системы рычагов сблокирован с поршнем таким образом, что передвигается толчками, попеременно открывая доступ пару то в одну часть цилиндра, то в другую. Таким образом, в любой момент в цилиндре имеется пар высокого давления. Казалось бы, паровая машина лучше бензинового двигателя: ведь она не делает подготовительных ходов, каждый ее ход – рабочий. Но это поверхностное суждение совершенно неправильно.

Надо вспомнить, что удовлетворительный КПД бензинового двигателя определяется высокой температурой газов, толкающих поршень. Мы уже знаем, что для повышения КПД паровой турбины применяется пар высокого давления, имеющий такую температуру, при которой паропроводы и лопатки раскаляются докрасна. Но ведь лопатки турбины вращаются свободно, без трения о металлическую поверхность… Представьте же, какие трудности пришлось бы преодолеть мечтателю, который вознамерился бы «улучшить» паровую машину, заставив докрасна раскаленный поршень скользить внутри столь же раскаленного цилиндра, причем поршень должен так плотно прилегать к цилиндру, чтобы удержать перепад давлений порядка 600 атм. Если даже проявить чудеса изобретательности и построить такую машину, то ее КПД будет все же ниже, чем у турбины с такими же параметрами пара, так как в последней гораздо проще осуществляется вращение, а размеры и вес больше, чем у аналогичного двигателя внутреннего сгорания.

Современные паровые машины имеют КПД около 10 %. Снятые сейчас с производства паровозы выпускали в трубу без всякой пользы до 95 % сжигаемого ими топлива.

Этот «рекордно» низкий КПД объясняется неизбежным ухудшением свойств парового котла, предназначенного для установки на паровозе, по сравнению со стационарным паровым котлом.

Почему же паровые машины в течение столь долгого времени имели такое широкое применение на транспорте? Кроме приверженности к привычным решениям, играло роль и то обстоятельство, что паровая машина имеет очень хорошую тяговую характеристику: ведь чем с большей силой сопротивляется нагрузка перемещению поршня, тем с большей силой давит на него пар, т.е. вращающий момент, развиваемый паровой машиной, возрастает в трудных условиях, что и важно на транспорте. Но, разумеется, отсутствие для паровой машины необходимости в сложной системе переменных передач к ведущим осям ни в коей мере не искупает ее коренного порока – низкого КПД.

Этим и объясняется вытеснение паровой машины другими двигателями.

Флуктуации

Вернемся ко второму началу термодинамики – великому закону природы, управляющему течением природных явлений. Мы видели, что самопроизвольные процессы ведут систему к наиболее вероятному состоянию – к возрастанию энтропии. После того как энтропия системы стала максимальной, дальнейшие изменения в системе прекращаются – достигнуто равновесие.

Но состояние равновесия вовсе не означает внутреннего покоя. Внутри системы происходит интенсивное тепловое движение. Поэтому, строго говоря, любое физическое тело в каждое мгновение «перестает быть самим собой», взаимное расположение молекул в каждое последующее мгновение не такое, как в предыдущее. Таким образом, значения всех физических величин сохраняются «в среднем», они не строго равны своим наиболее вероятным значениям, а колеблются около них. Отклонение от равновесных наиболее вероятных значений называется флуктуацией. Величины разных флуктуаций крайне незначительны. Чем больше величина флуктуации, тем она менее вероятна.

Среднее значение относительной флуктуации, т.е. доли интересующей нас физической величины, на которую эта величина может измениться благодаря тепловым хаотическим движениям молекул, может быть примерно представлено выражением 1/sqrt(N), где N – число молекул изучаемого тела или его участка. Таким образом, флуктуации заметны для систем, состоящих из небольшого числа молекул, и совсем незаметны для больших тел, содержащих миллиарды миллиардов молекул.

Формула 1/sqrt(N) показывает, что в одном кубическом сантиметре газа плотность, давление, температура, а также любые другие свойства могут меняться на долю 1/sqrt(3·1019), т.е. примерно в пределах 10−8 %. Такие флуктуации слишком малы, чтобы можно было обнаружить их опытом.