Учение о теплоте и электричестве

     Второй основной тепловой закон. Превращение тепла в работу возможно только частично, так как некоторое количество тепла обязательно передается окружающим телам с более низкой температурой.

     Формулировка Планка. Невозможна такая машина, которая поглощала бы тепло у какого–нибудь тела (резервуара тепла)  и превращала в работу без того, чтобы не происходили никакие иные изменения.

     Увеличение внутренней энергии при трении, а также теплота, сообщаемая холодной воде (холодильника), являются формами энергии, которые не могут быть использованы в дальнейшем. В качестве меры этого обесценивания энергии Клаузиус ввел понятие энтропии:

 

ТЕПЛОВЫЕ  МАШИНЫ      

а) Паровые машины.    

 Давление паров, находящихся над жидкостью, увеличивается с возрастанием температуры очень быстро. В 1705 г. Ньюкомен использовал в своей паровой машине однократного действия давление пара для совершения работы. Давлением пара поршень в цилиндре поднимался. Опускание поршня осуществлялось путем конденсации пара в цилиндре; для этого в цилиндр впрыскивалась холодная вода. Джемсу Уатту удалось в 1782 г. сконструировать паровую машину двойного действия. (Прим. Ползунов построил непрерывно работавшую паровую машину в 1765г. По-видимому, Уатт о ней не знал).

     Посредством распределительного золотника поступающий в цилиндр пар направляется попеременно, то по одну, то по другую сторону поршня. Поступательное движение поршня превращается во вращательное движение посредством поршневого пальца, ползуна, шатуна и кривошипа (рис.21). Маховик служит для вывода поршня из мертвых положений, наступающих, когда шатун и кривошип лежат на одной прямой.

     Типы паровых котлов. В жаротрубных котлах горячие газы пропускаются по широким трубам через котел. В водотрубном котле имеется большое количество наклонно поставленных труб, которые обогреваются продуктами сгорания. Горячая вода собирается в котле, охлажденная – спускается в систему труб и там нагревается. 

    В машинах полного давления упругость пара постоянная в течение хода поршня. Отработанный пар, при обратном ходе поршня, выбрасывается или наружу (паровоз), или в холодильник. В первом случае пар должен преодолеть внешнее атмосферное давление. При подсчете работы нужно брать значение давление пара в цилиндре, уменьшенное на одну атмосферу. Во втором случае пар конденсируется в воду и охлаждается, давление падает почти до нуля; в этом случае нужно при подсчете работы брать полное давление пара.

     Расширительные – экономические машины, пар запирается между ¼ и 1/3 хода поршня. Вследствие расширения заключенного в цилиндре пара поршень продвигается дальше, до конца цилиндра. При этом согласно газовым законам давление пара падает сильнее (адиобатически). Работа подсчитывается по полному давлению пара, как в машинах полного давления, только путь составит от ¼ до 1/3, высоты подъема поршня. После прекращения подачи пара замкнутый в цилиндре пар производит дополнительную работу вследствие расширения. Общая мощность экономической машины меньше мощности машины полного давления таких же размеров, но в эксплуатации она экономичнее, так как  при данной мощности требуется только от ¼ до 1/3 количества пара. Коэффициент полезного действия паровой машины не более 25%. Путем приблизительного расчета можно убедиться в малости коэффициента полезного действия. При расходе 1,1 кг угля с теплотворной способностью 5500 ккал в час паровая машина дает, как показывает опыт 1 лс. Это соответствует работе в 75·3600 кпм = 270000кпм. Израсходованный уголь может дать энергию равную 1,1· 5500· 427 кпм  = 2583350 кпм. Совершенная же работа соответствует только 10,4% затраченной энергии. Путем технических  усовершенствований удается лишь незначительно увеличить коэффициент полезного действия. Большая часть тепла уходит через трубу в воздух вместе с газами, часть тепла теряется на излучение, еще часть теряется при конденсации отработанного пара, небольшая часть расходуется на преодоление сил трения.     

б) Паровые турбины. 

    В паровой турбине давление пара создает  непосредственно вращательное движение.

     Подобно воде в водяной турбине Пельтона пар течет из сопла на лопасти колеса и приводит его во вращение. Одновременно с кинетической энергией вытекающего пара используется энергия расширения. Текущий далее пар направляется неподвижными лопатками на лопатки следующего рабочего колеса (рис.22). При уменьшении давления объем пара возрастает. Поэтому размеры вращающихся колес, сидящих на общей оси, делают постепенно возрастающими. Турбины, в противоположность поршневым машинам, дают более плавный ход и более высокий коэффициент полезного действия (до 30%). Недостатком турбин является большое число оборотов; для его уменьшения применяется редуктор (зубчатая передача). Турбины применяются, прежде всего, на электростанциях для вращения генераторов, а также на пароходах. В 1924 г. Целли сконструировал турбинный локомотив.     

в) Двигатели внутреннего  сгорания.

     В двигателе с зажиганием (Отто и Ланген, 1865г) сгорание топлива происходит в цилиндра. Вследствие этого удается избежать потерь тепла, которые так велики в паровых машинах; но вместе с тем повышаются требования к материалу цилиндра и поршня. Горючим служит газ или смесь из воздуха и бензина, который всасывается из карбюратора или (в двигателях большой мощности) накачивается насосом. Газ или горючая смесь поджигается в момент наибольшего сжатия посредством электрической искры, воспламеняется и оказывает сильное давление на поршень. Различают два вида двигателей.

   1.Четырехтактный двигатель (рис.23)  

   Первый такт, всасывание. При помощи маховика и кривошипно-шатунного механизма поршень оттягивается вниз. Пространство над поршнем увеличивается; благодаря создавшемуся разрежению рабочая смесь всасывается через впускной клапан в цилиндр.

     Второй такт, сжатие. Впускной и выхлопной клапаны закрыты. Смесь сжимается поднимающимся поршнем.

     Третий такт, рабочий ход. В момент наибольшего сжатия смесь воспламеняется электрической искрой, при этом смесь взрывается и толкает поршень вниз. Маховик получает новый импульс.

     Четвертый такт, выхлоп. Снова поднимающийся поршень выталкивает отработанные газы через открывшийся выхлопной клапан наружу.

     Движение клапанов регулируется двумя коническими шестернями и кулачковым валом. Кулачки открывают клапаны в соответствующий такт, после чего клапан закрывается посредством пружины.

   2. Двухтактный двигатель (рис.24):

     Такты 1,2 и 4 объединяются в один такт; вторым тактом этого двигателя является рабочий ход, который обеспечивает одновременно предварительное сжатие рабочей смеси.  

  Двигатель с самовоспламенением (Дизель 1897.г) работает при сжатии от30 до 35 ат. Всасываемый в цилиндр воздух нагревается при этом до такой температуры, что жидкое тяжелое топливо, впрыскиваемое в цилиндр, в момент наивысшего сжатия сразу воспламеняется. Давление горячих газов толкает поршень в обратном направлении.  

   Дизельные моторы (или дизели) конструируются в большинстве случаев четырехтактными. Преимущество дизельных моторов заключается в возможности применения более дешевого «тяжелого» топлива, а также в отсутствии сложного устройства для зажигания.

     Дизели зарекомендовали себя главным образом как двигатели для грузовых машин и для судов. Они значительно тяжелее обычных двигателей внутреннего сгорания той же мощности. Коэффициент полезного действия двигателей достигает 35 –38%. Все двигатели приводятся в действие посредством внешнего привода, действующего на маховик (стартер). В дизелях запуск значительно труднее, так как сжимаемый воздух приобретает необходимую для воспламенения температуру только тогда, когда цилиндр прогрет. 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

ПОСТОЯННЫЙ  ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. 

ИСТОЧНИКИ ТОКА. 

     Название электричество происходит от слова янтарь (греч. электрон), который при натирании шерстяной тряпкой приобретает свойство притягивать легкие тела (обрезки бумаги, волосы). Так как у нас нет органа чувств для восприятия электричества, то при описании электрических явлений мы широко пользуемся сравнениями. Действия статических электрических зарядов сравниваются с силами взаимного притяжения двух масс; гравитационному полю сопоставляется электрическое поле. Действия движущихся зарядов сравниваются с действием водяного тока (электрический ток; напряжение сопоставляется с падением давления, сопротивление – с поперечным сечением струи).

     Из опыта обращения с электрическими приборами мы знаем: причиной возникновения тока является напряжение между полюсами источника тока.

     В то время, когда еще не знали сущности электричества, произвольно установили:

     Этим  утверждением пользуются в технике, хотя теперь мы знаем, что в металле перемещаются только электроны и что следовало бы считать за направление от отрицательного полюса  к положительному. Далее опыт показывает: причиной возникновения тока является напряжение между обоими полюсами. Таким образом, «источники  тока» представляют собой приспособления, которые поддерживают напряжение, т.е. они являются источниками напряжения.

     Источниками тока служат: гальванические элементы, на полюсах которых напряжение поддерживается химическими превращениями; аккумуляторы, напряжение которых восстанавливается посредством химических реакций, происходящих при прохождении зарядного тока; при разрядке эти химические реакции происходят в обратном порядке. В генераторах для создания напряжения используется движение проводника в магнитном поле. Так как у нас отсутствует орган, воспринимающий электричество, мы можем судить об электрическом токе только по его действиям; вот пять основных:  

1. Нагревательное действие. Нагревательные приборы, электрические лампы накаливания, тепловые измерительные приборы, предохранители. 

2. Химическое действие. Разложение электролитов, серебрение, никелировка, хромирование, получение алюминия, восстановление чистых меди и железа. 

3. Магнитное действие. Отклонение магнитной стрелки в приборах для измерения тока и напряжения, электромагниты, телеграфия, телефония.  

4. Силовое действие. Отклонение проводника с током в магнитном поле, электрические двигатели.  

5. Силовое действие. Разряды в неоновых трубках, ртутные лампы, электрическая дуга.

     Электрический ток представляет собой движение свободных электронов в металлах, кроме того, движение связанных с атомами электронов и положительных зарядов в жидкостях и газах. 

ТОК, НАПРЯЖЕНИЕ, СОПРОТИВЛЕНИЕ.   

а) Основные единицы.

     Согласно международному соглашению, состоявшемуся в 1908 г., единицу тока для практических целей определили по его электролитическому действию.

     За единицу тока принимается ампер (а); назван в честь французского физика Ампера(1775-1836).  

     За единицу тока принимается такой ток, который в 1 сек при прохождении через водный раствор азотнокислого серебра (ляписа) выделяет 1,118 мг серебра.

     Это выделение серебра вызвано переносом определенного электрического заряда. Таким образом, ток можно измерять также зарядом, протекшим через поперечное сечение проводника в 1 сек.   

  За единицу электрического заряда принимают 1 кулон или 1 амперсекунду – это такой заряд, который протекает через поперечное сечение проводника в 1 сек при токе в 1 а.

    Напряжение измеряется в вольтах (в);  названо в честь итальянского физика Вольта (1745 – 1827). Для практических целей градуировки оно может быть определено на базе постоянного напряжения нормального кадмиевого элемента. Последний по международному соглашению при 20ºС дает напряжение 1, 0183 в.

     Для этих практических определений нельзя было подобрать целых чисел, так как из давно известных законов действия покоящихся зарядов были уже получены другие определения, и их приходилось теперь согласовывать с практическими потребностями.