Реферат на тему: «История развития тепловых двигателей - история прогресса»

Филиал муниципального бюджетного общеобразовательного учреждения Сосновской средней общеобразовательной школы в с.Отъяссы

Реферат на тему:

«История развития

тепловых двигателей - история прогресса»

Выполнил:

Корнаухов Михаил Петрович,

ученик 8 класса

филиала МБОУ Сосновской СОШ № 1

в с.Отъяссы

Руководитель:

Тюрина Галина Николаевна,

учитель физики

филиала МБОУ Сосновской СОШ № 1

в с.Отъяссы

р.п.Сосновка – 2019 год

Оглавление

1. ВВЕДЕНИЕ

Прогресс человечества теснейшим образом связан с развитием энергетики. Источниками энергии являются различные виды топлива, энергии ветра, солнечная энергия, энергия приливов и отливов, атомная энергия. До конца XVII – начала XVIII в. человек не построил никаких двигателей, кроме ветряного и водяного колеса. Созданием новых двигателей люди в те времена не занимались потому, что все хозяйство держалось на рабах, а позже на крепостных, которые выполняли почти всю работу, необходимую для жизни общества. Но вот в городах начали зарождаться первые ремесленные цехи, а позднее – мануфактуры, где труд был разделен на отдельные несложные операции. В это время появляются различные машины и станки, приводимые в движение от водяного колеса. На смену мануфактурам приходят фабрики и заводы. Для изготовления машин и станков требовалось много металла. Чтобы плавить металл, необходимо топливо. Сначала использовались дрова, а затем и каменный уголь, который нужно было добывать из глубоких шахт. Но как приводить в действие машины, если вблизи от завода нет реки? Как откачать воду из шахты и спасти ее от затопления? Чем заменить лошадей, доставляющих уголь и руду с шахт и рудников к плавильным печам? Как, наконец, кораблям, перевозившим сырье для фабрик и вырабатываемые ими товары, избавиться от парусов и не зависеть от воли ветра? Требовался такой двигатель, который мог бы выполнить всю эту работу, не будучи связанным с водой и не зависящим от погоды. И человек такой двигатель построил. Двигатели полностью изменили взгляд на многие вещи, дали новые возможности в промышленных отраслях, резко продвинув её вперед.

Совершенствование и развитие двигателей на современном этапе даст нам новые возможности во многих сферах жизнедеятельности.

Цель данной работы заключается в том, чтобы изучить и раскрыть роль двигателей в научно-техническом прогрессе.

Задачи: – познакомиться с историей создания тепловых двигателей и учеными, благодаря которым были созданы различные виды тепловых двигателей; – рассмотреть перспективы использования тепловых двигателей в современной жизни человека.

1. ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

1. История создания теплового двигателя

История тепловых машин уходит в далекое прошлое. Говорят, еще две с лишним тысячи лет назад, в III веке до нашей эры, великий греческий механик и математик Архимед построил пушку, которая стреляла с помощью пара («архитронито»).  Рисунок пушки Архимеда и ее описание были найдены спустя 18 столетий в рукописях великого итальянского ученого, инженера и художника Леонардо да Винчи. Как же стреляла эта пушка? Один конец ствола сильно нагревали на огне. Затем в нагретую часть ствола наливали воду. Вода мгновенно испарялась и превращалась в пар. Пар, расширяясь, с силой и грохотом выбрасывал ядро. Для нас интересно здесь то, что ствол пушки представлял собой цилиндр, по которому как поршень скользило ядро.

Примерно тремя столетиями позже в Александрии жил и работал выдающийся ученый Герон, которого историки называют Героном Александрийским. В сочинениях Герона есть описание интересного прибора, который сейчас называют Героновым шаром (эолипил). Этот эолипил представлял собой полый шар, который можно было заставить вращаться, разведя под ним огонь. Для этого в вертикальной плоскости шар был снабжен двумя выступающими диаметрально противоположными изогнутыми трубками и под ним был установлен сосуд, частично заполненный водой. Когда под сосудом разводили огонь, вода в нем закипала, выделявшийся пар поступал во внутреннюю полость шара и вытекал из нее по изогнутым трубкам, вызывая вращение шара. По существу, эолипил - это не что иное, как паровая реактивная турбина.

Прошло 15 столетий. Во времена нового расцвета науки и техники, наступившего после периода средневековья, об использовании внутренней энергии пара задумывается Леонардо да Винчи. В его рукописях есть несколько рисунков с изображением цилиндра и поршня. Под поршнем в цилиндре находится вода, а сам цилиндр подогревается. Леонардо да Винчи предполагал, что образовавшийся в результате нагрева воды пар, расширяясь и увеличиваясь в объеме, будет искать выход и толкать поршень вверх. Во время своего движения вверх поршень мог бы совершать полезную работу.

В 1698 г. Томас Севери, шахтовладелец, получил патент № 356 с формулировкой, что он выдан на устройство «для подъема воды и для получения движения всех видов производства при помощи движущей силы огня...». Севери первым отделил рабочее тело (водяной пар) от перекачиваемой воды. Для этого он сделал отдельный котел, а пар, который поломали в котле, через кран выпускал в сосуд с водой, и пар вытеснял воду в напорную (верхнюю) трубу. Впоследствии машина Севери была усовершенствована Дезагюлье, предложившим охлаждать пар в сосуде путем впрыскивания в него воды. Это существенно увеличило частоту рабочих циклов. Одна из таких машин была выписана Петром I и установлена в Летнем саду.

2.2. Первые поршневые паровые машины

В 90-х годах XVII в. французский изобретатель Дени Папен построил цилиндр, в котором вверх и вниз свободно перемещался поршень. Поршень был связан тросом, перекинутым через блок, с грузом, который вслед за поршнем также поднимался и опускался. По мысли Папена, поршень можно было связать с какой-либо машиной, например, водяным насосом, который стал бы качать воду. В нижнюю откидывающуюся часть цилиндра насыпали порох, который затем поджигали. Образовавшиеся газы, стремясь расшириться, толкали поршень вверх. После этого цилиндр и поршень с наружной стороны обливали холодной водой. Газы в цилиндре охлаждались, и их давление на поршень уменьшалось. Поршень под действием собственного веса и внешнего атмосферного давления опускался вниз, поднимая при этом груз. Двигатель совершал полезную работу. В первой машине Папена узнавались черты современного двигателя внутреннего сгорания.

Вслед за Севери паровую машину (также приспособленную для откачивания воды из шахты) сконструировал английский кузнец Томас Ньюкомен. Ньюкомен взял цилиндр с поршнем Папена, но пар для подъема поршня получал, как и Севери, в отдельном котле.

Понадобилось еще 50 лет, прежде чем был построен универсальный паровой двигатель. Это произошло в России, на одной из отдаленных ее окраин - Алтае, где в то время работал гениальный русский изобретатель, солдатский сын Иван Ползунов.  Ползунов построил свою «огнедействующую машину» на одном из барнаульских заводов. Это изобретение было делом его жизни и, можно сказать, стоило ему жизни. В апреле 1763 года Ползунов заканчивает расчеты и подает проект на рассмотрение. В отличие от паровых насосов Севери и Ньюкомена, о которых Ползунов знал и недостатки которых ясно осознавал, это был проект универсальной машины непрерывного действия. Машина предназначалась для воздуходувных мехов, нагнетающих воздух в плавильные печи. Главной ее особенностью было то, что рабочий вал качался непрерывно, без холостых пауз. Это достигалось тем, что Ползунов предусмотрел вместо одного цилиндра два попеременно работающих. Пока в одном цилиндре поршень под действием пара поднимался вверх, в другом пар конденсировался, и поршень шел вниз. Оба поршня были связаны одним рабочим валом, который они поочередно поворачивали то в одну, то в другую стороны. Рабочий ход машины осуществлялся благодаря работе пара в цилиндрах. Кроме того, Ползунов внес серьезные усовершенствования в конструкцию рабочих органов двигателя, применил оригинальную систему паро - и водораспределения, и в отличие от машин Ньюкомена ось вала его машины была параллельна плоскости цилиндров. Проект своей машины Ползунов изложил в 1763 г. в записке, адресованной начальнику Колывано-Воскресенского горного округа А. И. Порошину.     Свою машину И. И. Ползунов начал строить в 1764 г., а изготовлена в декабре 1765 г. В мае 1766 г. ее создатель умер от чахотки. Машина была испытана уже после его смерти в октябре 1766 г. и работала, в общем, удовлетворительно.   Как всякий первый образец, она нуждалась в доработке, к тому же в ноябре обнаружилась течь котла. Но изобретателя не было в живых, а без него устранением недостатков никто не занимался. Машина бездействовала до 1779 г., а затем была разобрана.

В 1773 году Уатт строит свою первую действующую паровую машину. А в 1774 году, совместно с промышленником Метью Болтоном, Уатт открывает компанию по производству паровых машин. Дела шли успешно и Болтон, просит Уатта создать паровую машину для своего нового листопрокатного завода. В 1884 году Уатт создает первую универсальную паровую машину. Ее основное назначение – привод промышленных станков. С этого момента, паровая машина перестает быть привязана к угольным шахтам. Ее начинают применять на заводах, устанавливать на пароходы, создавать поезда. Именно паровая машина Уатта совершила технологический прорыв в технике. Она открыла новую эпоху в истории техники – эпоху паровых машин.

1. Паровая турбина

Это тепловой двигатель, в котором энергия пара преобразуется в механическую работу. В лопаточном аппарате паровой турбины потенциальная энергия сжатого и нагретого водяного пара преобразуется в кинетическую, которая в свою очередь преобразуется в механическую работу — вращение вала турбины. Пар от парокотельного агрегата поступает через направляющие аппараты на криволинейные лопатки, закрепленные по окружности ротора, и воздействуя на них, приводит ротор во вращение.

В 1889 году патент на паровую турбину получил Лаваль. Следующий шаг в разработке турбин сделал изобретатель из Англии Чарлз Алджерн Парсонс, который соединил паровую турбину с генератором электрической энергии. С помощью турбины стало возможно вырабатывать электричество, и это сразу повысило интерес общества к паровым турбинам. Вскоре французский учёный Опост Рато, обобщив уже имевшийся опыт, создал комплексную теорию турбомашин. Он разработал оригинальную многоступенчатую турбину. Для каждой ступени турбины Рато рассчитал оптимальное падение давления, что обеспечило высокий общий коэффициент полезного действия машины.

Самое востребованное и практически незаменимое применение паровых турбин (как не странно) на танкерах. Там они необходимы для привода грузовых насосов. Перекачка мазута, дизельного топлива, керосина, бензина и т. д. Отсутствие появления статистического электричества, в поршневом насосе, приводимым в действие паровой машиной обеспечивает максимальную пожаробезопасность. Также на атомных электростанциях атомный реактор греет воду, она испаряется, пар под большим давлением крутит турбину.

1. Газовая турбина

Это двигатель внутреннего сгорания непрерывного действия, в лопаточном аппарате которого энергия сжатого и/или нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу. Основными элементами конструкции являются ротор (рабочие лопатки, закреплённые на дисках) и статор, именуемый сопловым аппаратом (направляющие лопатки, закреплённые в корпусе).

В восемнадцатом веке англичанин Джон Барбер получил патент на устройство, которое имело большинство элементов, присутствующих в современных газовых турбинах.

Первые опыты с газовой турбиной (в качестве перспективного двигателя для торпед) осуществил также Чарлз Парсонс, однако вскоре пришёл к выводу, что имеющиеся сплавы из-за низкой жаропрочности не позволяют создать надёжный механизм, который приводился бы в движение струёй раскалённых газов либо парогазовой смесью.

Принцип работы: газ под высоким давлением поступает через сопловой аппарат турбины в область низкого давления, при этом расширяясь и ускоряясь. Далее, поток газа попадает на рабочие лопатки турбины, отдавая им часть своей кинетической энергии и сообщая лопаткам крутящий момент. Рабочие лопатки передают крутящий момент через диски турбины на вал. Газовая турбина чаще всего используется как привод генераторов.

Области применения газовых турбин практически не ограничены: нефтегазодобывающая промышленность, промышленные предприятия, структуры ЖКХ. В автономной генерации — малой энергетике в последнее время значительное внимание уделяется газовым турбинам различной мощности. Электростанции на базе газовых турбин используются как основной или резервный источник электричества и тепловой энергии для объектов производственного или бытового назначения. Газовые турбины в составе электростанций предназначены для эксплуатации в любых климатических условиях России.

Положительным фактором использования газовых турбин в сфере ЖКХ является то, что содержание вредных выбросов в выхлопных газах NO_х и CO находится на уровне 25 и 150 ppm соответственно (у поршневых установок эти значения гораздо больше), что позволяет устанавливать электростанцию рядом с жилой застройкой. Использование газовых турбин в качестве силовых агрегатов электростанций позволяет избежать строительства высоких дымовых труб.

1. Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания – очень распространенный вид теплового двигателя, топливо в нем сгорает прямо цилиндре, т.е. внутри самого двигателя, отсюда и происходит название.

1824 году Сади Карно формулирует идею утверждая, что в максимально экономичной тепловой машине нагревать рабочее тело до температуры горения топлива необходимо «изменением объёма», то есть быстрым сжатием.

В 1890 году Рудольф Дизель предложил свой способ практической реализации этого принципа. Он получил патент на свой двигатель 23 февраля 1892 года (в США в 1895 году). Ещё несколько вариантов конструкции были им запатентованы позднее. После нескольких неудач первый практически применимый образец, названый Дизель-мотором, был построен Дизелем к началу 1897 года, и 28 января того же года он был успешно испытан. Дизель активно занялся продажей лицензий на новый двигатель. Несмотря на высокий КПД и удобство эксплуатации по сравнению с паровой машиной практическое применение такого двигателя было ограниченным: он уступал паровым машинам того времени по размерам и весу. Первые двигатели Дизеля работали на растительных маслах или лёгких нефтепродуктах. Интересно, что первоначально в качестве идеального топлива он предлагал каменноугольную пыль. Эксперименты же показали невозможность использования угольной пыли в качестве топлива — прежде всего из-за высоких абразивных свойств как самой пыли, так и золы, получающейся при сгорании; также возникали большие проблемы с подачей пыли в цилиндры.

Независимо от Дизеля в 1898 году на Путиловском заводе в Петербурге инженером Густавом Тринклером был построен первый в мире «бескомпрессорный нефтяной двигатель высокого давления», то есть дизельный двигатель в его современном виде с форкамерой, который назвали «Тринклер-мотором». При сопоставлении двигателей постройки «Дизель-мотора» и «Тринклер-мотора» русская конструкция, появившаяся на полтора года позднее немецкой и испытанная на год позднее, оказалась гораздо более совершенной и перспективной. Использование гидравлической системы для нагнетания и впрыска топлива позволило отказаться от отдельного воздушного компрессора и сделало возможным увеличение скорости вращения. «Тринклер-моторы» не имели воздушного компрессора, а подвод тепла в них был более постепенным и растянутым по времени по сравнению с двигателем Дизеля. Российская конструкция оказалась проще, надёжнее и перспективнее немецкой. Однако под давлением Нобелей и других обладателей лицензий Дизеля работы над двигателем в 1902 году были прекращены. Двигатель Дизеля используется практически везде, т.к. такой двигатель иметь высокую мощность и экономичность. По большей части это автомобили.

Так же существовал двигатель, в котором не сжатый воздух поджигался топливом, а топливо, поджигалось электричеством или другим воспламенителем. В 1807 г. французско-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз построил первый поршневой двигатель, называемый часто двигателем де Риваса. Двигатель работал на газообразном водороде, имея элементы конструкции, с тех пор вошедшие в последующие прототипы ДВС: шатунно-поршневую группу и искровое зажигание.

Первый практически пригодный двухтактный газовый ДВС был сконструирован французским механиком Этьеном Ленуаром (1822—1900) в 1860 году. Мощность составляла 8,8 кВт (11,97 л. с.). Двигатель представлял собой одноцилиндровую горизонтальную машину двойного действия, работавшую на смеси воздуха и светильного газа с электрическим искровым зажиганием от постороннего источника. КПД двигателя не превышал 4,65 %. Несмотря на недостатки, двигатель Ленуара получил некоторое распространение. Использовался как лодочный двигатель.

Познакомившись с двигателем Ленуара, выдающийся немецкий конструктор Николаус Аугуст Отто (1832—1891) создал в 1863 двухтактный атмосферный двигатель внутреннего сгорания. Двигатель имел вертикальное расположение цилиндра, зажигание открытым пламенем и КПД до 15 %. Вытеснил двигатель Ленуара.

В 1876 г. Николаус Аугуст Отто построил более совершенный четырёхтактный газовый двигатель внутреннего сгорания.

В 1880-х годах Огнеслав Степанович Костович в России построил первый бензиновый карбюраторный двигатель.

В 1885 году немецкие инженеры Готтлиб Даймлер и Вильгельм Майбах разработали лёгкий бензиновый карбюраторный двигатель. Даймлер и Майбах использовали его для создания первого мотоцикла в 1885, а в 1886 году — на первом автомобиле.

Виды ДВС: поршневой, роторно-поршневой, газотурбинный.

Поршневой двигатель внутреннего сгорания — самый популярный среди вышеперечисленных двигателей, он завоевал мировое признание и уже много лет лидирует в автоиндустрии. К преимуществам поршневого двигателя внутреннего сгорания можно отнести:

1. Универсальность (применение на различных транспортных средствах).

2. Высокий уровень автономной работы.

3. Компактные размеры.

4. Приемлемая цена.

5. Способность к быстрому запуску.

6. Небольшой вес.

7. Возможность работы с различными видами топлива.

Кроме "плюсов" имеет двигатель внутреннего сгорания и ряд серьезных недостатков, среди которых: высокая частота вращения коленвала, большой уровень шума, слишком большой уровень токсичности в выхлопных газах, маленький КПД, небольшой ресурс службы.

Двигатели внутреннего сгорания различаются по типу топлива, они бывают: бензиновыми, дизельными, а также газовыми и спиртовыми.

Последние два можно назвать альтернативными, поскольку на сегодняшний день они не получили широкого применения.

1. Реактивный двигатель

Это двигатель, создающий необходимую для движения силу тяги посредством преобразования внутренней энергии топлива в кинетическую энергию реактивной струи рабочего тела. Рабочее тело с большой скоростью истекает из двигателя, и, в соответствии с законом сохранения импульса, образуется реактивная сила, толкающая двигатель в противоположном направлении. Для разгона рабочего тела может использоваться как расширение газа, нагретого тем или иным способом до высокой температуры, так и другие физические принципы, например, ускорение заряженных частиц в электростатическом поле.

Реактивный двигатель был изобретен Гансом фон Охайном, выдающимся британским инженером-конструктором и Фрэнком Уиттлом (первый патент на работающий газотурбинный двигатель был получен в 1930 году Фрэнком Уиттлом). Однако первую рабочую модель собрал именно Охайн. 2 августа 1939 года в Германии в небо поднялся первый реактивный самолет — Хейнкель He 178, оснащённый двигателем HeS 3, разработанный Охайном.

Реактивный двигатель сочетает в себе собственно двигатель с движителем, то есть он создаёт тяговое усилие только за счёт взаимодействия с рабочим телом, без опоры или контакта с другими телами. По этой причине чаще всего он используется для приведения в движение самолётов, ракет и космических аппаратов.

1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В своей работе я рассмотрел роль двигателей в мировом прогрессе. Двигатели способствовали резкому толчку в развитии промышленности, автостроению, мостостроению, авиастроению, что было абсолютно ново для того времени.

Строение двигателей постоянно усложнялось, свидетельствуя о совершенствовании и ”укреплении” человека в науке. Но принцип работы двигателей даже сейчас в эпоху, машин и компьютеров, остается прежним.

Паровые машины полностью перевернули промышленность того времени из-за их сферы применения: в шахтах, рудниках, на фабриках. Других устройств для этих целей в XIII веке не было. Служат человечеству и генераторы электроэнергии, применяемые во всех сферах деятельности человека. Они постепенно стали заменять паровые машины на фабриках и заводах. Область применения ДВС не заканчивается только на средствах передвижения, - это разнообразные дизельные электрогенераторы, бензопилы, авиамодели и д.р. Первые ДВС не пользовались большим успехом до конца XIX века. Это было связано с тем что люди в тот промежуток времени были очень верующими, и боялись «шумящих монстров» передвигающимися по улицам городов. По этой цели компании Мерседес и Даймлер проводили испытания своих машин только в ночное время. Но ДВС набрали своего доверия и развиваются, и применяются до сегодняшнего дня.

Мир меняется, меняется ритм жизни, но только двигателя без сбоев продолжают движения мира. В каждой машине, станке, устройстве есть гудящее “железное сердце”, подаренное миру великими учеными. Они постоянно совершенствуется, меняется, модернизируется.

Это говорит о простоте, но в тоже время о совершенстве изобретенных двигателей.

Наш век - это мир техники. Могучие машины добывают из недр земли миллионы тонн угля, руды, нефти. Мощные электростанции вырабатывают миллиарды киловатт-часов электроэнергии. Тысячи фабрик и заводов изготавливают одежду, радиоприемники, телевизоры, велосипеды, автомобили, часы и другую необходимую продукцию. Поезда, теплоходы, самолеты с большой скоростью переносят нас через материки и океаны. А высоко над нами, за пределами земной атмосферы, летают ракеты и искусственные спутники Земли. Все это действует не без помощи двигателей.

1. Список литературы

1. А.Леонович. «Я познаю мир». Москва. ООО «Издательство Астрель». 2002 г.

2. М.Д.Аксенова. «Энциклопедия для детей». Том 14. Техника. Москва. «Аванта+». 2001 г.

3. В.А.Володин. «Энциклопедия для детей». Том 11. Физика. Часть 2Москва. «Аванта+» 2001 г.

4. М.Н.Алексеева. «Физика – юным». Теплота. Электричество. Москва. Просвещение. 1980 г.

Интернет – ресурсы:

1. http://www.tularadio.ru/?pg=content/book_its12

2. http://old.mirf.ru/Articles/print2165.htm

3. http://pandia.ru/text/77/135/217.php

15