Роль термодинамики в современной физике

СОДЕРЖАНИЕ
 ВВЕДЕНИЕ
ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
Тепловые явленияотличаются от механических и электромагнитных тем, что законы тепловых явленийнеобратимы (т.е. тепловые процессы самопроизвольно идут лишь в одномнаправлении) и что тепловые процессы осуществляются лишь в макроскопическихмасштабах, а поэтому используемые для описания тепловых процессов понятия ивеличины (температура, количество теплоты и т.д.) также имеют толькомакроскопический смысл (о температуре, например, можно говорить применительно кмакроскопическому телу, но не к молекуле или атому). Вместе с тем знаниестроения вещества необходимо для понимания законов тепловых явлений.
Тело, рассматриваемоес термодинамической позиции, является неподвижным, не обладающим механическойэнергией. Но такое тело обладает внутренней энергией, складывающейся из энергийдвижущихся электронов и т.д. Это внутренняя энергия может увеличиваться илиуменьшаться. Передача энергии может осуществляться путем передачи от одноготела к другому при совершении над ними работы и путем теплообмена. Во второмслучае внутренняя энергия переходит от более нагретого тела к менее нагретомубез совершения работы. Переданную энергию называют количеством теплоты, апередачу энергии — теплопередачей. В общем случае оба процесса могутосуществляться одновременно, когда тело при утрате внутренней энергии можетсовершать работу и передавать теплоту другому телу. К пониманию этого ученыепришли не сразу. Для XVIII и первой половине XIX вв. было характерно пониматьтеплоту как невесомую жидкость (вещество).
Представления отеплоте как форме движения мельчайших частиц материи появилось еще в XVII веке.Этих воззрений придерживались Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук, Ломоносов. Однако и вXIX веке концепция теплорода разделялась многими учеными. В конце XVIII векаБ.Томпсон (граф Румфорд) обнаружил выделение большого количества тепла привысверливании канала в пушечном стволе, что посчитал доказательством того, чтотеплота является формой движения. Получение теплоты с помощью тренияподтвердили опыты Г.Дэви. Б.Томпсон показал, что из ограниченного количестваматерии может быть получено неограниченное количество теплоты.
Возникновениесобственно термодинамики начинается с работы С.Карно (сам термин«термодинамика» введен Б.Томпсоном). Исследуя практическую задачу получениядвижения из тепла применительно к паровым машинам, он понял, что принципполучения движения из тепла необходимо рассматривать не только по отношению кпаровым машинам, но к любым мыслимым тепловым машинам. Так был сформулированобщий метод решения задачи — термодинамический, заложивший основутермодинамики. Определяя коэффициент полезного действия тепловых машин, Карноввел свой знаменитый цикл, состоящий из двух изотермических (происходящих припостоянной температуре) и двух адиабатических (без притока и отдачи тепла)процессов. КПД цикла Карно не зависит от свойств рабочего тела (пара, газа ит.д.) и определяется температурами теплоотдатчика и теплоприемника. КПД любойтепловой машины не может быть при тех же температурах теплоотдатчика итеплоприемника выше КПД цикла Карно.
Карно первым вскрылсвязь теплоты с работой. Но он исходил из концепции теплорода, признававшейтеплоту неизменной по количеству  субстанцией. Вместе с тем Карно уже понял,что работа паровой машины определяется всеобщим законом перехода тепла от болеевысоких к более низким температурам, т.е. что не может быть беспредельноговоспроизведения движущей силы без затрат теплорода. Таким образом, работапредставлялась как результат перепада теплорода с высшего уровня на низшие.Иначе говоря, теплота может создавать работу лишь при наличии разноститемператур. По своему смыслу это и составляет содержание второго началатермодинамики. КПД тепловой машины оказался зависимым не от рабочего вещества,а от температуры теплоотдатчика и теплоприемника. Все это позволило Карноприйти к признанию принципа невозможности создания вечного двигателя первогорода (т.е. непрерывно действующей машины, которая, будучи однажды запущенной,совершала бы работу без притока извне).
Осознавая недостаткитеории теплорода, Карно в конце концов отказывается от признания теплотынеизменной по количеству субстанцией и дает значение механического эквивалентатеплоты. Но публикация этого вывода была осуществлена уже после признаниязакона сохранения энергии, поэтому данный вывод не сыграл той роли. которую могсыграть, будучи опубликованным ранее. Но так или иначе Карно заложил основытермодинамики как раздела физики, изучающего наиболее общие свойствамакроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия,и процессы перехода между этими состояниями. Термодинамика стала развиваться наоснове фундаментальных принципов или начал, являющихся обобщением результатовмногочисленных наблюдений и экспериментов.

ПЕРВОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Первое начало термодинамики (закон сохраненияэнергии в применении к термодинамическим процессам) гласит: при сообщениитермодинамической системе (например, пару в тепловой машине) определенногоколичества теплоты в общем случае происходит при приращении внутренней энергиисистемы и она совершает работу против внешних сил. Выше отмечалось, что первым,кто поставил теплоту в связь с работой, был Карно, но его работа в силузапоздалой публикации не оказала решающего воздействия на формирование первогоначала термодинамики. Однако идея о том, что теплота — не субстанция, а сила(энергия), одной из форм которой и является теплота, причем эта сила, взависимости от условий, выступает в виде движения, электричества, света,магнетизма, теплоты, которые могут превращаться друг в друга, существовала вумах исследователей. Для превращения этой идеи в ясное и точное понятие,необходимо было определить общую меру этой силы. это сделали, независимо другот друга, Р.Майер, Д.Джоуль и Г.Гельмгольц.
Р.Майер первым сформулировалзакон эквивалентности механической работы и теплоты и рассчитал механическийэквивалент теплоты (1842 г.). Д.Джоуль экспериментально подтвердилпредположение о том, что теплота является формой энергии и определил мерупревращения механической работы в теплоту. Г.Гельмгольц  в 1847 г.математически обосновал закон сохранения энергии, показав его всеобщийхарактер. Подход всех трех авторов закона сохранения энергии был различным.Майер отталкивался больше от общих положений, связанных с аналогией между«живой силой» (энергией), которую приобретали тела при своем падениив соответствии с законом всемирного тяготения, и теплотой, которую отдавалисжатые газы. Джоуль шел от экспериментов по выявлению возможности использованияэлектрического двигателя как практического источника энергии (этообстоятельство и заставляло его задуматься над вопросом о количественнойэквивалентности работы и теплоты). Г.Гельмгольц пришел к открытию законасохранения энергии, пытаясь применить концепцию движения Ньютона к движениюбольшого числа тел, которые находятся под влиянием взаимного притяжения. Еговывод о том, что сумма силы и напряжения (т.е. кинетической и потенциальнойэнергией) остается постоянной, является формулировкой закона сохранения энергиив его наиболее общей форме. Этот закон — величайшее открытие XIX века.Механическая работа, электричество и теплота — различные формы энергии.Д.Бернал так охарактеризовал его значение: «Он объединил много наук инаходился в исключительной гармонии с тенденциями времени. Энергия сталауниверсальной валютой физики — так сказать, золотым стандартом изменений,происходивших во вселенной. То, что было установлено, представляло собойтвердый валютный курс для обмена между валютами различных видов энергии: междукалориями теплоты. килограмметрами работы и киловатт-часами электричества. Всячеловеческая деятельность в целом — промышленность, транспорт, освещение и, вконечном счете, питание и сама жизнь — рассматривалась с точки зрениязависимости от этого одного общего термина — энергия.»
 ВТОРОЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Второе начало термодинамики — закон возрастанияэнтропии: в замкнутой (т.е. изолированной в тепловом и механическом отношении)системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые,равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и всостоянии равновесия достигает максимума. Существуют и другие эквивалентныеформулировки второго начала термодинамики, принадлежащие разным ученым:невозможен переход теплоты от тела более холодного к телу, более нагретому, безкаких-либо других изменений в системе или окружающей среде (Р.Клаузиус);невозможно создать периодически действующую, т.е. совершающую какой-либотермодинамический цикл, машину, вся работа которой сводилась бы к поднятиюнекоторого груза (механической работе) и соответствующему охлаждению тепловогорезервуара (В.Томсон, М.Планк); невозможно построить вечный двигатель второгорода, т.е. тепловую машину, которая в результате совершения кругового процесса(цикла) полностью преобразует теплоту, получаемую от какого-либо одного«неисчерпаемого» источника (океана, атмосферы и т.д.) в работу(В.Оствальд).
В.Томсон (лордКельвин) сформулировав принцип невозможности создания вечного двигателя второгорода, в 1852 году пришел к формированию концепции «тепловой смерти»вселенной. Ее суть раскрывается в следующих положениях. Во-первых, во вселеннойсуществует тенденция к расточению механической энергии. Во-вторыхвосстановление механической энергии в прежнем количестве не может бытьосуществлено. В-третьих, в будущем Земля очутится в непригодном для жизничеловека состоянии. Через 20 лет Клаузиус приходит к тому же выводу,сформулировав второе начало термодинамики в виде: энтропия вселенной стремитсяк максимуму. (Под энтропией он понимал величину, представляющую собой суммувсех превращений, которые должны были иметь место, чтобы привести систему в еенынешнее состояние.)
Суть в том, что взамкнутой системе энтропия может только возрастать или оставаться постоянной.Иначе говоря, во всякой изолированной системе тепловые процессы однонаправлены,что и приводит к увеличению энтропии. Стоит энтропии достигнуть максимума, кактепловые процессы в такой системе прекращаются, что означает принятие всемителами системы одинаковой температуры и превращение всех форм энергии втепловую. Наступление состояния термодинамического равновесия приводит кпрекращению всех макропроцессов, что и означает состояние «тепловойсмерти».
Для распространениявторого начала термодинамики на другие необратимые процессы было введено понятиеэнтропии как меры беспорядка. Для изолированных систем (не пропускающих тепло)второе начало термодинамики можно выразить следующим образом: энтропия системыникогда не уменьшается. Система, находящаяся в состоянии равновесия, имеетмаксимальную энтропию.
Понятие энтропиисвязывают и с понятием информации. Система, находящаяся в упорядоченномсостоянии, содержит много информации, а неупорядоченная система содержит малоинформации. Так, например, текст книги содержит много информации, а случайныйнабор букв не несет информации. Информацию поэтому и отождествляют сотрицательной энтропией (или негэнтропией). При росте энтропии информацияуменьшается.
Среди множествавыдвинутых против этого вывода возражений наиболее известным было возражениеМаксвелла. Он исходил из того, что второе начало имеет ограниченную областьпримерения. Максвелл считал второе начало термодинамики справедливым, пока мыимеем дело с телами, обладающими большой массой, когда нет возможностиразличать в этих массах отдельные молекулы и работать с ними. Он предложилпроделать мысленный эксперимент — представить себе существо, способное следитьза каждой молекулой во всех ее движениях, и разделить какой-либо сосуд на двечасти перегородкой с маленьким отверстием в ней. Это существо (названное«демоном Максвелла»), способное различать отдельные молекулы, будетпопеременно то открывать, то закрывать отверстие таким образом, чтобы быстродвижущиеся молекулы могли переходить в другую половину. В этом случае«демон Максвелла» без затраты работы смог бы повысить температуру впервой половине сосуда и понизить во второй вопреки второму началу термодинамики.
Данный процессасимметричен во времени — без внешнего вмешательства он не может статьобратимым. Т.е. бессмысленно ожидать в этом случае, что газы вернутся впервоначальное положение. Можно сказать, что в природе порядок стремитсяуступить место беспорядку. Однако можно привести примеры, которые как будто быпротиворечат данному принципу возрастания энтропии. Так, живые системы в своемразвитии усложняются, вырастающие из жидкости кристаллы являются упорядоченнееэтой жидкости и т.д. Однако полная энтропия системы вместе с окружающей средойвозрастает, ибо биологические процессы осуществляются за счет энтропиисолнечного излучения и т.д.
Л.Больцман,предпринявший попытку объяснить, почему порядок уступает место беспорядку,сформулировал H-теорему, являющуюся результатом соединения двух подходов кприближению газа к состоянию равновесия — макроскопического (законовньютоновской механики, описывающих движение молекул) и микроскопического(исходящего из представления газа как стремящегося к беспорядочномуперераспределению). Из теоремы следовал вывод о том, что энтропия может тольковозрастать — таково поведение термодинамических систем во времени.
Однако с Н-теоремойБольцмана оказался связанным парадокс, вокруг которого возникла дискуссия. Сутьзаключается в том, что с помощью одной основанной на механике Ньютонамолекулярной теории доказать постоянный рост энтропии замкнутой системы нельзя,поскольку ньютоновская механика симметрична во времени — любое движение атомов,основанное на законах ньютоновской механики. может быть представлено какпроисходящее в обратном направлении. Т.к. асимметрию нельзя вывести изсимметрии, то теорема Больцмана (которая на основе лишь одной механики Ньютонаутверждает, что возрастание энтропии асимметричного во времени) не может бытьверной — для доказательства необходимо было к законам механики добавить иасимметрию. Так что чисто механическая интерпретация закона возрастанияэнтропии оказывалась несостоятельной. На это первым обратили внимание Й.Лошмидти Э.Цермело.
При выводе Н-теоремыБольцман кроме механики Ньютона опирался на предположение о молекулярном хаосе,которое, однако, не всегда верно. По теории вероятности, возможность того, чтомолекулы газа в упомянутом ранее сосуде будут двигаться не хаотично, аустремятся в какую-то одну его половину, не является нулевой, хотя и исчезающемала. Поэтому можно сказать, что в принципе могут быть случаи, когда энтропияубывает, а хаотическое движение молекул будет упорядочиваться. Таким образом,Н-теорема Больцмана описывает механизм перехода газа из состояния с низкойэнтропией в равновесное, но не объясняет, почему это происходит в одном и томже направлении во времени, а именно из прошлого в будущее. А раз это так, тобольцмановская модель лишается временной асимметрии.
Но временнаяасимметрия — это реальный факт. Упорядоченность реальных систем может возникатьза счет внешних воздействий, а не за счет внутренних беспорядочных флуктуаций(дом, например, воздвигается строителями, а не в результате внутренниххаотических движений). В реальности все системы формируются под воздействиемокружающей среды. Для различения реальных систем, которые, отделясь отокружающей Вселенной, приходят в состояние с низкой энтропией, и больцмановскихпостоянно изолированных от окружающей среды систем, Г.Рейхенбах назвал первыеветвящимися структурами — в их иерархии упорядоченность каждой зависит отпредыдущей. Ветвящаяся структура ведет себя асимметрично во времени по причинескрытого воздействия извне. При этом причина асимметрии — не в самой системе, ав воздействии. В реальном мире больцмановских систем нет.
Асимметричные вовремени процессы существуют и в областях за пределами термодинамики. Примеромтаких процессов могут служить волны (в том числе радиоволны). Так, радиоволныраспространяются от передатчика в окружающее пространство, но не наоборот.Аналогично обстоит дело с распространением волн от брошенного в пруд камня.Волны, бегущие от источника (предположим, брошенного в пруд камня) в разныестороны, называют запаздывающими. В принципе возможны и опережающие волны,которые могут возникнуть тогда, когда возмущения сначала проходят черезудаленную точку, а затем сходятся в месте распространения источника волны.Изолированный пруд есть симметричная во времени система, как и больцмановскийсосуд с газом. Брошенный в него камень создает ветвящуюся структуру. Радиоволнаже обратно не вернется, ибо распространяется в безграничном пространстве. Здесьмы имеем дело с неограниченной диссипацией (рассеянием) волн и частиц, являющейсобой еще один тип необратимой временной асимметрии. Значит, образованиеветвящихся структур и необратимая асимметрия бесконечного волнового движенияделают необходимым учет крупномасштабных свойств Вселенной.
Таким образом,дискуссия по поводу второго начала термодинамики привела к выводу, что законымикромира ситуацию с «демоном Максвелла» делают неосуществимой, новместе с тем она способствовала уяснению того, что второе начало термодинамикиявляется законом статистическим.ТРЕТЬЕ НАЧАЛО ТЕРМОДИНАМИКИ
Третье начало термодинамики (теорема Нернста):энтропия физической системы при стремлении температуры к абсолютному нулю независит от параметров системы и остается неизменной. Другие формулировкитеоремы: при стремлении температуры к абсолютному нулю все изменения состояниясистемы не изменяют ее энтропии; при помощи конечной последовательноститермодинамических процессов нельзя достичь температуры абсолютного нуля.М.Планк дополнил теорему гипотезой, согласно которой энтропия всех тел приабсолютном нуле температуры равна нулю. Из теоремы вытекают важные следствия освойствах веществ при температурах, близких к абсолютному нулю: приобретаютнулевое значение удельные теплоемкости при постоянных объеме и давлении,термический коэффициент расширения и давления. Кроме того, из теоремы следуетнедостижимость абсолютного нуля температуры при конечной последовательноститермодинамических процессов.
Если первое началотермодинамики утверждает, что теплота есть форма энергии, измеряемаямеханической мерой, и невозможность вечного двигателя первого рода, то второеначало термодинамики объявляет невозможным создание вечного двигателя второгорода. Первое начало ввело функцию состояния — энергию, второе начало ввелофункцию состояния — энтропию. Если энергия закрытой системы остаетсянеизменной, то энтропия этой системы, состоящая из энтропий ее частей, прикаждом изменении увеличивается — уменьшение энтропии считается противоречащимзаконам природы. Сосуществование таких независимых друг от друга функцийсостояния, как энергия и энтропия, дает возможность делать высказывания отепловом поведении тел на основе математического анализа. Поскольку обе функциисостояния вычислялись лишь по отношению к произвольно выбранному начальномусостоянию, определения энергии и энтропии не были совершенными. Третье началотермодинамики позволило устранить этот недостаток. Важное значение для развитиятермодинамики имели установленные Ж.Л.Гей-Люссаком законы — закон теплового расширенияи закон объемных отношений. Б.Клапейрон установил зависимость между физическимивеличинами, определяющими состояние идеального газа (давлением, объемом итемпературой), обобщенное Д.И.Менделеевым.
Таким образом,концепции классической Термодинамики описывают состояния теплового равновесия иравновесные (протекающие бесконечно медленно, поэтому время в основныеуравнения не входит) процессы. Термодинамика неравновесных процессов возникаетпозднее — в 30-х гг. ХХ века. В ней состояние системы определяется черезплотность, давление, температуру и другие локальные термодинамическиепараметры, которые рассматриваются как функции координат и времени. Уравнениянеравновесной термодинамики описывают состояние системы во времени.
ТЕПЛОВЫЕ МАШИНЫ
 
Паровая машина. Первые практическидействующие универсальные паровые машины были созданы русским изобретателемИваном Ивановичем Ползуновым и англичанином Джемсом Уаттом.
Вмашине Ползунова из котла по трубам пар с давлением, немного превышающим атмосферное, поступал поочередно в два цилиндра споршнями. Для улучшения уплотнения поршни заливались водой. Посредством тяг сцепями движение поршней передавалось мехам для трех ме­деплавильных печей.
Постройка машины Ползунова была закончена в августе 1766г. Она имела высоту 11 м, емкость котла 7 м3, высоту цилиндров 2,8м, мощность 29 кВт.
Машина Ползунова создавала непрерывное усилие и былапервой универсальной машиной, кото­рую можно было применять для приведения вдвижение любых заводских механизмов.
В паровой машине Д. Уатта два цилиндра были заменены од­нимзакрытым. Пар поступал по­переменно по обе стороны порш­ня, толкая его то водну, то в дру­гую сторону. В такой машине двойного действия отработавший парконденсировался не в цилин­дре, а в отдельном от него сосу­де — конденсаторе.Постоянство числа оборотов маховика поддер­живалось центробежным регуля­тором.Разработка парового двигателя была завершена Д. Уаттом в 1784 г.
Главным недостатком первых паровых машин был низкий КПД.У паровозов КПД не превы­шал 9%.
Паровая турбина и ТЭЦ.Зна­чительного повышения КПД уда­лось достигнуть в результате изобретенияпаровой турбины.
Первая паровая турбина, на­шедшая практическое примене­ние,была изготовлена шведским инженером Густавом Лавалем в 1889 г. Для работыпаровой турбины за счет энергии, осво­бождаемой при сжигании камен­ного угляили мазута, вода в кот­ле нагревается и превращается в пар. Пар нагревается дотемпе­ратуры более 500 °С и при вы­соком давлении выпускается из котла черезсопло. При выхо­де пара внутренняя энергия нагретого пара преобразуется вкинетическую энергию струи па­ра. Скорость струи пара может достигнуть 1000м/с. Струя пара направляется на лопатки турби­ны и приводит турбину во вра­щение.На одном валу с турбиной находится ротор электрического генератора. Такимобразом энер­гия топлива в конечном счете преобразуется в электрическуюэнергию.
Современные паровые турби­ны обладают высоким КПД пре­образованиякинетической энер­гии струи пара в механическую энергию, превышающим 90%.Поэтому электрические генерато­ры практически всех тепловых и атомныхэлектростанций мира, дающие более 80% всей выра­батываемой электроэнергии, при­водятсяв действие паровыми турбинами.
Температура пара, применяе­мого в современных паротурбин­ныхустановках, не превышает 580 °С (температура нагревателя Т1=853 К), атемпература пара на выходе из турбины обычно не ниже 30 °С (температура холо­дильникаТ2=303 К); поэтому максимальное значение КПД па­ротурбинной установки как теп­ловоймашины равно:
/>

а реальные значения КПД паро­турбинных конденсационныхэлектростанций составляют лишь око­ло 40%.
Мощность современных энер­гоблоков котел — турбина — ге­нератордостигает 1,2*106 кВт.
Для повышения КПД на мно­гих электростанциях тепло, от­бираемоеот паровой турбины, используется для нагревания во­ды. Горячая вода поступает всистему бытового и промышлен­ного теплоснабжения.
Коэффициент полезного ис­пользования топлива в такойтеплоэлектроцентрали (ТЭЦ) повы­шается до 60—70%.
Тепловые машины и транс­порт. Различные виды тепловых машин являются основой совре­менноготранспорта. Тепловые машины приводят в движение ав­томобили и тепловозы, речныеи морские корабли, самолеты и кос­мические ракеты. Одной из наи­болеераспространенных тепло­вых машин, используемых в раз­личных транспортных средст­вах,является двигатель внут­реннего сгорания.
Двигатель внутреннего сгора­ния. Среди способов увеличения КПД тепловых двигателей одиноказался особенно эффективным. Сущность его состояла в устране­нии части потерьтеплоты пере­несением места сжигания топлива и нагревания рабочего тела внутрьцилиндра.
Отсюда и происхождение на­звания — «двигатель внутренне­госгорания».
Первый двигатель внутрен­него сгорания был создан в 1860г. Французским инженером Этье-ном Ленуаром, но эта машина была еще весьманесовершенной.
В 1862 г. французский изобретатель Бо де Роша предложилиспользовать в двигателе внутреннего сгорания четырехтактный цикл: 1)всасывание; 2) сжа­тие; 3) горение и расширение; 4) выхлоп. Эта идея былаисполь­зована немецким изобретателей Н. Отто, построившим в 1878 г. первыйчетырехтактный газовый двигатель внутреннего сгорания. КПД этого двигателядостигал 22%, что превосходило значения, полученные при использованиидвигателей всех предшествующих типов.
Развитие нефтяной промыш­ленности в конце XIX в. далоновые виды топлива — керосин и бензин. В бензиновом двигателе для более полногосгорания топлива перед впуском в цилиндр его смешивают с воздухом в специальныхсмесителях, называемых карбюраторами. Воздушно- бензиновую смесь называют горючейсмесью.
Для полного сгорания в составе смеси на один килограммбензина должно приходиться не менее пятнадцати килограммов воздуха. Этоозначает, что рабочим телом в двигателях внутреннего сгорания фактическиявляется воздух, а не пары бензина. В отличие от паровых машин здесь топливосжигается для нагревания газа, а не для превращения жидкости в пар. Правда,наряду с нагреванием воздуха происходит и частичное изменение его состава:вместо молекул кислорода появляется несколько большее количество молекулуглекислого газа и водяного пара. Азот, составляющий более ¾ воздуха,испытывает лишь нагревание.
/>
                    Впуск            Сжатие        Рабочий ход    Выхлоп
Рис. 1
При движении поршня от верхнего положения до нижнего черезвыпускной клапан происходит засасывание горучей смеси в цилиндр (рис.1). Этотпроцесс происходит при постоянном давлении. При обратном ходе поршня начинаетсясжатие горю­чей смеси. Сжатие происходит быстро, и поэтому процесс близок кадиабатическому.
В конце такта сжатия проис­ходит воспламенениегорючей смеси электрической искрой. Быс­трое сгорание паров бензина со­провождаетсяпередачей рабо­чему телу — воздуху — количе­ства тепла, резким возраста­ниемтемпературы, давления воз­духа и продуктов сгорания. За короткое время горениясмеси поршень практически не изменяет своего положения в цилиндре, поэтомупроцесс нагревания газа в цилиндре можно считать изохорическим.
Под действием давления горячих газов поршень совершаетрабочий ход, газы адиабатически расширяются от объема viдо объема V2.
В конце рабочего такта от­крывается выпускной клапан ирабочее тело соединяется с окру­жающей атмосферой. Выпуск от­работанных газовсопровождает­ся передачей количества теплаQ2окружащему воздуху, играюще­му роль охладителя./> />
Для поршневых двигателей внутреннего сгорания важнойхарактеристикой,   определяющей полноту сгорания топлива и зна­чительновлияющейна величину КПД, является степень сжатия горючей смеси:
где V2 и V1— объемы в начале ив конце сжатия. С увеличе­нием степени сжатия возрастает начальная температурагорючей смеси в конце такта сжатия, что способствует более полному ее сгоранию.В карбюраторных дви­гателях увеличению степени сжа­тия выше 8—9 препятствуетсамо­воспламенение (детонация) горю­чей смеси, происходящее еще до того, какпоршень достигнет верх­ней мертвой точки. Это явление оказывает разрушающеедействие на двигатель и снижает его мощ­ность и КПД. Достигнуть высо­кихстепеней сжатия без детонации удалось увеличением скорос­ти движения поршня приповышении числа оборотов двигателя до 5—6 тыс. об/мин и применением бензина соспециальными антидетонационными    присадками.
Карбюраторные двигатели внутреннего сгорания широкоприменяются в автомобильном транспорте. Они приводят в движение почти вселегковые и многие грузовые автомобили.
Двигатель Дизеля. Длядельнейшего повышения КПД двига­теля внутреннего сгорания в 1892 г. немецкийинженер Ру­дольф Дизель предложил испсльзовать еще большие степени сжа­тиярабочего тела.
Высокая степень сжатия без детонации достигается вдвигателе Дизеля за счет того, что сжатию подвергается не горючая смесь, атолько воздух.По окончании процесса сжатия в цилиндр впрыс­киваетсягорючее. Для его за­жигания не требуется никакого специального устройства, таккак при высокой степени адиабати­ческого сжатия воздуха его температураповышается до 600 — 700 С. Горючее, впрыскиваемое с помощьютопливного насоса через форсунку, воспламеняется при соприкосновении сраскаленным воздухом.
Подача топлива управляется особым регулятором, врезультате чего процесс горения протекает не столь кратковременно, как вкарбюраторном двигателе, а происходит изобарно, а затем адиабатно. При обратномдвижении поршня осуществляется выхлоп.
Современные дизели имеют степень сжатия e=16 — 21 и КПД около 40%. Более высокийкоэффициент полезного действия ди­зельных двигателей обусловлен тем, чтовследствие более высокой степени сжатия начальная температура горения смеси(480— 630 °С) у них выше, чем у кар­бюраторных двигателей (330— 480 °С). Этимобеспечивается бо­лее полное сгорание дизельного топлива. Дизельные двигателииспользуются в мощных грузовых автомобилях, тракторах, на су­дах речного иморского транс­порта, тепловозах.
Газовая турбина. Всеболее широкое применение в современ­ном транспорте получают газо­турбинныедвигатели. Газотур­бинная установка состоит из воз­душного компрессора 1,камер сгорания 2 и газовой турбины 3 (рис. 2). Компрессор состоит из ротора,укрепленного на одной оси с турбиной, и неподвижного направляющего аппарата.
При работе турбины ротор компрессора вращается. Лопаткиротора имеют такую форму, что приих вращении давление передкомпрессором понижается, а за ним повышается. Воздух заса­сывается в компрессор,несколь­ко ступеней лопаток компрес­сора обеспечивают повышение давлениявоздуха в 5—7 раз.
Процесс сжатия   протекает адиабатно, поэтомутемпература воздуха повышается до темпера­туры 200 °С и более.
Сжатый воздух поступает в камеру сгорания. Одновременночерез форсунку в нее впрыс­кивается под большим давлением жидкое топливо —керосин, ма­зут.
При горении топлива воздух, служащий рабочим телом, полу­чаетнекоторое количество тепла и нагревается до температуры 1500— 2200°С.Нагревание воз­духа происходит при постоянном давлении, поэтому воздух расши­ряетсяи скорость его движения увеличивается.
/>

Рис. 2
Движущийся с большой ско­ростью воздух и продукты горе­ниянаправляются в турбину. Переходя от ступени к ступени, они отдают своюкинетическую энергию лопаткам турбины. Часть полученной турбиной энергиирасходуется на вращение комп­рессора, а остальная использует­ся для вращениявинта самолета, винта морского корабля или колес автомобиля.
Вместо вращения винта само­лета, теплохода или ротораэлектрогенератора газовая турбина может быть использована как реактивныйдвигатель. Воздух и продукты горения выбрасывают­ся из газовой турбины сбольшой скоростью. Реактивная сила тя­ги, возникшая при этом, может бытьиспользована для движения самолета, теплохода или железно­дорожного транспорта.
Турбореактивными двигате­лями оборудованы известные все­мумиру самолеты ИЛ-62, ТУ-154.ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В заключении хотелось бы отметить о взаимодействии тепловыхмашин и окружающей средой. Непрерыв­ное развитие энергетики, авто­мобильного идругих видов тран­спорта, возрастание потребления угля, нефти и газа в промыш­ленностии на бытовые нужды увеличивает возможности удов­летворения жизненных потреб­ностейчеловека. Однако в на­стоящее время количество еже­годно сжигаемого в различныхтепловых машинах химического топлива настолько велико, что все более сложнойпроблемой становится охрана окружающей среды от вредного влияния про­дуктовсгорания.
Отрицательное влияние тепло­вых машин на окружающуюсре-ДУ связано с действием разных факторов.
Во-первых, при сжигании топлива используется кислород изатмосферного воздуха, поэтому содержание кислорода в воздухе постепенноуменьшается. Если в России пока количество кислорода, производимого лесами, пре­вышаетколичество кислорода, потребляемого промышленностьо, то, например, в США лесавосстанавливают лишь 60% используе­мого промышленностью кислорода.
Во-вторых, сжигание топлива сопровождается выделением ватмосферу углекислого газа. За последние двадцать лет содержание углекислогогаза в ат­мосфере Земли увеличилось при­мерно на 5%.
Молекулы оксида углерод способны поглощать инфракрас­ноеизлучение. Поэтому увеличение содержания углекислого газа в атмосфере изменяетее прозрач­ность. Инфракрасное излучений, испускаемое земной поверхно­стью, всев большей мере поглощается в атмосфере. Дальнейшее существенное увеличениеконцен­трации углекислого газа в атмос­фере может привести к повыше­нию еетемпературы.
В-третьих, при сжигании угляи нефти атмосферазагрязняется азотными и серными соединениеями, вредными для здоровья человека.Особенно существенно это загрязнение в крупных городах и промышленных центрах.
Более половины всех загрязнений атмосферы создает транспорт.Кроме оксида углерода исоединенийазота, автомобильная двигатели ежегодно выбрасыва­ют в атмосферу 2—3 млн. тсвинца. Соединения свинца добавляют в автомобильный бензин для предотвращениядетонации топлива в двигателе, т.е. слишком быстрого сгорания топлива,приводящего к снижению мощности двигателя и его быстрому износу. Так какавтомобильные двигатели играют решающую роль в загрязнении атмосферы в городах,проблема существенного усовершенствования автомобильного двигателя представляетодну из наиболее актуальных научно-технических проблем.
Один из путей уменьшения загрязнения окружающей среды –переход от использования в автомобилях карбюраторных бензиновых двигателей киспользованию дизельных двигателей, в топливо которых не добавляют соединениясвинца.
Перспективными являются разработки и испытанияавтомобилей, в которых вместо бензиновых двигателей используетсяэлектродвигатель, питающийся от аккумулятора, или двигатель, использующий вкачестве топлива водород. В последнем типе двигателя при сгорании водородаобразуется вода.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
 
1.   Бернал Дж. Наука вистории общества.М.,1956.
2.   Енохович А.С.Справочник по физике и технике. – М.: Просвещение, 1983.
3.   Кабардин О.Ф. Физика.– М.: Просвещение, 1988.
4.   Курс общей физики. –Киев.: Днепр, 1994.