Физика в технике

Покровский Г. И.

Для исследования характера процессов, протекающих при работе тепловых машин, обычно пользуются методом циклов Карно. Цикл Карно отображает процесс в идеальной тепловой машине при условии отсутствия потери энергии на трение.

Метод циклов предполагает, что при работе тепловой машины существуют следующие стадии:

1) расширение пара, температура которого остается постоянной в течение всего времени расширения; при этом непрерывно подводится тепло;

2) расширение пара без подвода или отвода тепла;

3) сжатие пара при непрерывном отводе тепла (температура при сжатии остается постоянной);

4) сжатие пара без подвода или отвода тепла (температура пара при этом изменяется).

Рис. 1.

График зависимости объема V от давления P при работе теплового двигателя

После завершения полного цикла работы тепловой машины система возвращается в свое исходное состояние, т. е. температура и давление пара принимают первоначальные значения. Работа, которую совершил при этом пар, может быть численно измерена площадью S, ограниченной кривыми a, b, с, d (рис. 1). При этом количество теплоты Q₁, которое было передано пару от внешнего источника тепла, всегда больше количества теплоты Q₂, переданной нагретым паром теплоприемнику (холодильнику) в процессе совершения рассмотренных четырех стадий. Разность Q₁ — Q₂ эквивалентна работе, совершенной паром, а коэффициент полезного действия (КПД) тепловой машины равен отношению этой работы к количеству тепла Q₁, т. е.

Для того чтобы пар совершал работу, необходимо наличие теплоотдатчика с высокой температурой и теплоприемника с более низкой температурой. При этом КПД тепловой машины не зависит от конструктивных особенностей и от свойств рабочего тела (пара), а определяется только температурой теплоотдатчика и теплоприемиика.

Цикл Карно не учитывает потерь энергии на трение, излучение и т. д. Однако такие потери всегда имеют место в реальных тепловых машинах. Поэтому КПД реальных машин всегда меньше значения, вычисленного по приведенной формуле.

Изучение термодинамических циклов позволило изыскивать верные пути в работе над усовершенствованием тепловых машин, над повышением их экономичности.

Развитие машинной техники и науки привело к созданию паровых двигателей различных типов. Некоторые из них применяют и сейчас на железнодорожном и водном транспорте. Но на смену им уже приходят новые типы двигателей — паровые турбины, двигатели внутреннего сгорания, электродвигатели, а также реактивные и ракетные двигатели, создание и усовершенствование которых шло и идет в ногу с развитием физической науки.

Гидромеханика и судостроение

К началу XIX в. парусные суда уже не могли обеспечивать перевозку грузов в количестве, необходимом для удовлетворения потребностей промышленности, так как использование ветра в качестве движущей силы не позволяло достигать высоких скоростей при большом водоизмещении судна.

С использованием паровых машин в качестве двигателей значительно возросли скорость и водоизмещение судов. Так, если скорость лучших парусных судов XVIII в. составляла 20–25 км/час, а водоизмещение 3–5 тыс. т, то пароходы XIX в. с гребными винтами имели скорость до 40 км/час при водоизмещении 8—10 тыс. т. Первые пароходы передвигались с помощью гребных колес и лишь впоследствии колесо заменили гребным винтом.

Увеличение скорости движения судов, а также замена гребных колес на гребные винты тесно связаны с разработкой теории о движении тел различной формы в жидкости и о силах, действующих при этом движении.

Всеми этими вопросами занимается гидромеханика — наука о законах движения жидкости и взаимодействия ее с твердыми телами.

Начало развития гидромеханики было положено еще Леонардо да (Винчи, Галилеем и Ньютоном, но их исследования в этой области носили лишь описательный характер и не всегда точно отражали сущность тех или иных явлений. Так, Ньютон, впервые сформулировав закон о пропорциональности силы сопротивления телу, движущемуся в жидкости, скорости движения этого тела, считал, что такое сопротивление обусловлено исключительно ударами частиц о носовую часть тела. В действительности же, как это было выяснено в дальнейшем петербургским академиком Эйлером и известным математиком Д. Бернулли, сопротивление при движении тела в жидкости зависит от вязкости последней и от возникновения вихрей, на образование которых Затрачивается значительная энергия. При этом существенную роль играет величина поперечного сечения тела, движущегося в жидкости или газе: чем больше это сечение, тем больше и сила сопротивления движению. Бернулли была исследована задача о протекании жидкости по трубе с переменным сечением с учетом силы тяжести. При этом выявилась интересная и важная закономерность: давление в жидкости тем меньше, чем больше скорость ее течения (рис. 2).

_{Рис. 2. При течении жидкости по трубе переменного сечения наименьшее давление будет в наиболее узкой части трубы}

Почему так происходит? В чем причина такого, на первый взгляд, парадоксального явления?

Рассмотрим уравнение Бернулли, которое в упрощенном виде можно записать так:

Здесь Р — давление, — плотность жидкости, v — скорость. Обозначение const указывает, что это некоторая постоянная величина («константа»).

Для того чтобы сумма этих двух слагаемых оставалась постоянной, необходимо, чтобы при уменьшении (или увеличении) одного из этих слагаемых другое слагаемое увеличивалось (или уменьшалось) на такую же величину.

Поскольку плотность жидкости — величина постоянная (жидкость почти несжимаема), то увеличение скорости ее течения должно уменьшать давление, и наоборот. Уравнение Бернулли выведено с помощью высшей математики; оно основывается на законе непрерывности течения и законе сохранения массы.

Эффект уменьшения давления в жидкости при увеличении скорости течения можно наблюдать, если в струю воды, направленную вверх, поместить легкий пробковый шарик. Такой шарик будет все время «стараться» находиться ближе к центру струи, где скорость ее течения максимальна, за счет давления со стороны более медленно движущихся слоев воды на границе струя — воздух.

_{Рис. 3. При движений двух судов вблизи друг друга они притягиваются}

Такой ка первый взгляд «безобидный» эффект может привести к далеко не столь безобидным результатам. Известны случаи, когда два судна, движущиеся параллельным курсом на небольшом расстоянии друг от друга, сталкивались между собой вследствие того, что скорость потока воды между ними оказывалась больше скорости потока вне их. Такое увеличение скорости движения жидкости между судами объясняется тем, что «ворота» между кораблями, в которые должна пройти вода, сужаются и поэтому нужна большая скорость, чтобы всей массе воды пройти сквозь более узкие «ворота» (рис. 3).