В двигателе внутреннего сгорания происходит преобразование: Какое преобразование энергии происходит в двигателе внутреннего сгорания? — Шины для спецтехники, шины для погрузчика

Двигатель внутреннего сгорания

Двигатель внутреннего сгорания

Карбюраторный четырехтактный двигатель (рис. 83) имеет кривошипно-шатунный и газораспределительный механизмы, системы охлаждения, смазки, питания и зажигания.

В двигателе внутреннего сгорания происходит преобразование тепловой энергии сгорающего топлива в механическую энергию поступательного движения поршня, которое кривошипно-шатун-ным механизмом преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

В кривошипно-шатунный механизм двигателя входят цилиндр с головкой, поршень с поршневыми кольцами, поршневой палец, шатун и коленчатый вал. Цилиндр, изготовленный за одно целое с картером, закрыт снизу поддоном (масляным картером).

Рекламные предложения на основе ваших интересов:

Дополнительные материалы по теме:

Поршень, представляющий собой металлический стакан, установлен в цилиндре двигателя. Поршневым пальцем поршень шар-нирно соединен с шатуном. Шатун нижней головкой соединен с коленчатым валом, который вращается на коренных шейках в подшипниках, расположенных в картере. На конце коленчатого вала имеется маховик.

Механизм газораспределения обеспечивает своевременное заполнение цилиндров горючей смесью и удаление продуктов его рания. Он состоит из двух клапанов — впускного и выпускного с пружинами и направляющими втулками, толкателей, распределительного вала и распределительных шестерен.

Рис. 82. Схема устройства автомобиля:
а — легкового, 1 — двигатель, 2 — рулевое управление, 3 — кузов, 4 — топливный бак, 5— рессоры, 6 —колеса, 7 — кардан, 8 — передача, 9 — коробка передач, 11 — сцепление, 12 — амортизатор, 13 — рама

Система охлаждения служит для отвода тепла от стенок цилиндра и его головки, сильно нагревающихся от горячих газов при работе двигателя.

Система смазки служит для подачи масла к трущимся деталям двигателя, в результате чего уменьшается трение и износ деталей.

Масло из поддона масляным насосом по трубопроводам и каналам в деталях двигателя подводится к трущимся поверхностям деталей.

Система питания предназначается для приготовления горючей смеси, которая подается в цилиндры двигателя. Смесь приготовляется в приборе — карбюраторе, установленном на двигателе.

Система зажигания служит для воспламенения горючей смеси в цилиндрах двигателя. Воспламеняется смесь электрической искрой от свечи зажигания.

При движении поршня вниз открывается впускной клапан и за счет создаваемого разрежения в цилиндр засасывается горючая смесь. При достижении поршнем нижнего положения впускной клапан закрывается. При движении поршня вверх поступившая горючая смесь сжимается. В конце сжатия смесь воспламеняется электрической искрой.

Образующиеся при сгорании горючей смеси газы расширяются и давят на поршень. Поршень под давлением газов, двигаясь вниз, перемещает шатун, который поворачивает коленчатый вал двигателя. При последующем движении поршня вверх открывается выпускной клапан и отработавшие газы выталкиваются из цилиндра. Этот процесс непрерывно повторяется, чем и обеспечивается вращение коленчатого вала двигателя. За один полный оборот коленчатого вала поршень делает один ход вниз и один ход вверх.

Изменение направления движения поршня происходит в крайнем верхнем и в крайнем нижнем положениях. Верхнее положение поршня называется верхней мертвой точкой (в. м. т.), нижнее — нижней мертвой точкой (н. м. т.).

Рис. 83. Схема устройства четырехтактного карбюраторного двигателя

Ходом поршня называется расстояние, пройденное им от одной мертвой точки до другой мертвой точки.

Тактом называется процесс, происходящий в цилиндре за один ход поршня.

Поступление горючей смеси в цилиндр, ее сжатие, расширение при сгорании и выпуск отработавших газов из цилиндра, т. е. совокупность всех процессов, происходящих в цилиндре при работе двигателя, называется рабочим циклом.

Рис. 84. Рабочий процесс четырехтактного карбюраторного двигателя:
а — такт впуска, б — такт сжатия, в — рабочий ход, г —такт выпуска

Полный рабочий цикл каждого цилиндра двигателя может совершаться за четыре хода поршня, т. е. за два оборота коленчатого вала, и за два хода поршня, т. е. за один оборот коленчатого вала. Двигатели, работающие по первому циклу, называются четырехтактными, а работающие по второму циклу — двухтактными.

Пространство в цилиндре над поршнем при положении его в в. м. т. называется камерой сгорания.

Объем цилиндра, образующийся при перемещении поршня от в. м. т. до н. м. т., называется рабочим объемом цилиндра.

Литражом двигателя называется рабочий объем всех его цилиндров.

Полным объемом цилиндра называется сумма рабочего объема и объема камеры сгорания.

Отношение полного объема цилиндра к объему камеры сгорания называется степенью сжатия двигателя. Степень сжатия показывает, во сколько раз сжимается горючая смесь, поступившая в цилиндр, при перемещении поршня от н. м. т. до в. м. т.

Механизм газораспределения двигателя устроен так, что чередование тактов в цилиндре происходит в определенной последовательности.

в первом цилиндре происходит сжатие, в третьем — впуск, в четвертом— выпуск, во втором — рабочий ход.

При третьем полуобороте (540°) коленчатого вала (рис. 86, в) поршни 1 и 4 опускаются, а поршни 2 и 3 поднимаются; при этом в первом цилиндре происходит рабочий ход, в третьем — сжатие, в четвертом — впуск, во втором — выпуск.

Рис. 86. Рабочий процесс четырехцилиндрового карбюраторного двигателя:
полуобороты коленчатого вала: а — первый, б — второй, в — третий, г — четвертый; 1, 2, 3, 4 — поршни

При четвертом полуобороте (720°) коленчатого вала (рис. 86, г) поршни 1 vi 4 поднимаются, а поршни 2 и 3 опускаются; при этом в первом цилиндре происходит выпуск, в третьем — рабочий ход, в четвертом — сжатие, во втором — впуск.

При дальнейшем вращении коленчатого вала рабочие процессы повторяются в той же последовательности.

Кривошипно-шатунный механизм. В кривошипно-шатунный механизм многоцилиндрового двигателя входят блок цилиндров, головка блока цилиндров с уплотнительной прокладкой, поршни, поршневые кольца, поршневые пальцы, шатуны, коленчатый вал, маховик.

Блок цилиндров отливается из серого чугуна или из алюминиевого сплава.

Рис. 87. Головка блока цилиндров (а) и блок цилиндров с масляным картером (б):
1— головка блока цилиндров, 2 — прокладка крышки головки блока цилиндров, 3 — крышка головки блока цилиндров, 4, 7 — прокладки выпускного трубопровода, 5 — выпускной трубопровод, Ь — прокладка головки блока цилиндров, 8 — блок цилиндров, 9 — втулка передней шейки распределительного вала, 10 — крышка распределительных шестерен, 11 — прокладка крышки распределительных шестерен, 12 — крышки коренных подшипников. 13 — масляный картер, 14 — прокладка масляного картера, 15 — картер сцепления

У автомобильных двигателей применяют рядное расположение цилиндров, т. е. такое, когда цилиндры располагаются в ряд один за другим в одной плоскости, и V-образное, при котором один ряд цилиндров расположен к другому ряду под определенным углом.

Цилиндры двигателей могут быть образованы стенками самого блока или выполнены в виде сменных гильз. Гильзы называются сухими, если они всей внешней поверхностью соприкасаются с блоком и непосредственно охлаждающей жидкостью не омываются, и мокрыми, если они непосредственно омываются охлаждающей жидкостью. Внутренняя поверхность цилиндра или гильзы, являющаяся направляющей для поршней, тщательно обрабатывается и называется зеркалом цилиндра (гильзы). Внутри блока вокруг гильз имеется пространство для заполнения его охлаждающей жидкостью — рубашка охлаждения. К блоку цилиндров крепится большинство систем и устройств двигателя.

Рис. 88. Детали кривошипно-шатунного механизма восьмицилиндрового
V-образного двигателя: 1 — храповик, 2 — шкив, 3 — носок коленчатого вала, 4 — шестерня коленчатого вала, 5, 8, 9 — крышки коренных подшипников, 8 — противовес, 9 — вкладыш коренного подшипника, 10 — фланец, И — зубчатый венец маховика, 12 — маховик, 13 — поршень,“4 N — шатун, 15 — шатунная шейка, 16 — коренная шейка, 17 — нижняя крышка шатуна, 18 — нижняя (кривошипная) головка шатуна, 19 — стержень шатуна, 20 — верхняя (поршневая) головка шатуна, 21 — втулка верхней головки шатуна, 22 — вкладыш шатунного подшипника, 23 — стопорное кольцо, 24 — поршневой палец, 25 —- поршневые компрессионные кольца, 26, 27, 28 — детали составного маслосъемного кольца

Головка блока цилиндров (рис. 87,а) изготовляется общей на все цилиндры одного ряда в виде отливки из чугуна или алюминиевого сплава. Против каждого из цилиндров она имеет углубление, образующее камеру сгорания. Головка блока цилиндров крепится к блоку цилиндров (рис. 87,6) шпильками или болтами.

Для устранения пропусков газов при работе двигателя и утечки охлаждающей жидкости между блоком и головкой цилиндров устанавливается уплотнительная прокладка.

Коленчатый вал (рис. 88) воспринимает усилия от поршней и передает образующийся крутящий момент механизмам трансмиссии. Коленчатый вал состоит из коренных и шатунных шеек, носка, фланца и противовесов. Шейки коленчатого вала соединяются щеками, которые с шатунными шейками образуют кривошипы коленчатого вала. Их расположение и количество зависят от типа двигателя.

На переднем конце (носке) вала устанавливают шестерню, шкив и храповик для пусковой рукоятки. Шестерня коленчатого вала находится в постоянном зацеплении с шестерней распределительного вала. Шкив коленчатого вала служит для привода вентилятора, водяного насоса, компрессора, генератора и насоса гидроусилителя рулевого управления.

На заднем конце коленчатого вала к фланцу крепится маховик.

Противовесы предназначаются для равномерного вращения коленчатого вала и разгрузки коренных подшипников от действия центробежных сил. Противовесы обычно выполняют заодно с валом.

Для поступления смазки к шатунным шейкам вала в щеках имеются сквозные каналы.

Коленчатые валы штампуют из качественной стали или отливают из магниевого чугуна.

Шатун соединяет поршень с шатунной шейкой коленчатого вала и состоит из стального стержня (рис. 88) двутаврового сечения, верхней неразъемной головки и нижней разъемной головки.

Верхняя головка шатуна поршневым пальцем соединяется с поршнем. При плавающем пальце для уменьшения трения в головку шатуна запрессовывают бронзовую втулку. Для смазки трущихся поверхностей в головке и втулке сделаны отверстия.

В нижнюю головку шатуна, выполненную из двух половин, устанавливают подшипник, который состоит из двух вкладышей.

Крышка нижней головки шатуна крепится к шатуну болтами, гайки которых после затяжки шплинтуются.

Поршни (рис. 88) воспринимают давление газов в цилиндре и передают это давление через шатуны коленчатому валу. Поршень состоит из уплотняющей части — «головки» с днищем и нижней направляющей части — «юбки». На уплотняющей части поршня имеются канавки для размещения поршневых колец.

Так как при работе поршень, сильно нагреваясь, расширяется, то его устанавливают в цилиндре с определенным зазором, а направляющую часть поршня делают разрезной (пружинной).

В середине направляющей части внутри поршня имеются две бобышки с отверстиями для установки поршневого пальца. Нагреваясь, поршень расширяется в направлении оси поршневого пальца больше, так как в бобышках сосредоточена большая часть массы металла. Чтобы поршень при нагреве получил цилиндрическую форму, его диаметр в плоскости, перпендикулярной оси пальца, делают на 0,15—0,19 мм больше, чем в осевом направлении.

Для равномерной работы двигателя поршни всех цилиндров подбирают равного веса.

Поршневой палец (рис. 88) служит для соединения поршня с верхней головкой шатуна. Обычно применяют пальцы плавающего типа, которые могут поворачиваться и в отверстиях бобышек поршня и в верхней головке шатуна. Для предотвращения продольного (бокового) перемещения пальца в поршне, что может привести к повреждению зеркала цилиндра, палец закрепляют стопорными кольцами.

Поршневые кольца (рис. 88), устанавливаемые на поршне, отливаются из чугуна и подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Компрессионные кольца уплотняют соединение поршня с цилиндром и служат для предотвращения прорыва газов через зазор между юбкой поршня и гильзой цилиндра.

Маслосъемные кольца служат для снятия излишков масла с зеркала цилиндров и препятствуют его проникновению в камеру сгорания. Поршневые кольца изготовляются несколько большего диаметра, чем поршни. На кольцах делается разрез, называемый замком, который позволяет кольцам пружинить. При установке колец в цилиндр вместе с поршнем их предварительно сжимают. Зазор в замке должен составлять 0,2—0,4 мм.

Маслосъемное кольцо имеет сквозные прорези для отвода масла. Устанавливается оно на поршне ниже компрессионных колец. Маслосъемное кольцо двигателя автомобилей ЗИЛ-130 и ГАЗ-24 «Волга» состоит из двух стальных кольцевых дисков, осевого и радиального расширителей.

Шатунные и коренные подшипники. Шатунные подшипники, расположенные в нижней головке шатуна (рис. 88), изготовлены в виде разрезных сменных вкладышей, чтобы их можно было надеть на шейку коленчатого вала. Они взаимозаменяемые.

Коренные подшипники также представляют собой сменные тонкостенные вкладыши. Верхние вкладыши коренных подшипников устанавливаются в гнезда блока цилиндров, а нижние — в крышки, которые крепятся к картеру болтами.

Вкладыши коренных и шатунных подшипников изготовляются из стальной ленты с нанесенным на нее медно-никелевым подслоем и верхним слоем из сплава СОС 6-6 (олово 6%, сурьма 6%, остальное свинец) или сталеалюминиевые, представляющие собой стальную ленту, покрытую антифрикционным сплавом из алюминия с 20% олова и 1% меди.

Маховик (рис. 88) служит для обеспечения равномерного вращения коленчатого вала и крепится к его фланцу болтами. На маховике закрепляется зубчатый венец, с которым зацепляется шестерня электродвигателя пускового устройства — стартера.

Рис. 89. Детали газораспределительного механизма восьмицилиндрового V-образного двигателя:
1 — распределительный вал, 2 — распределительная шестерня, 3 — упорный фланец, 4 — опорная шейка, 5 — эксцентрик привода топливного насоса, 6 — втулка шейки распределительного вала, 7 — кулачки распределительного вала, 8 — шестерня привода масляного насоса и преры вателя-распределителя, 9 — стойка коромысла клапана, 10 — коромысло клапана, 11 —ось коромысла, 12 — толкатели клапана, 13 — толкающая, 14 — выпускной клапан, 15— механизм вращения выпускного клапана, 16 — регулировочный винт, 17 — пружина клапана, is — направляющая B1V.-1K4 клапана, 19 — впускной клапан, 20 — сухарь, 21 —опорная шайба пружины клапана, 22 —седло клапана

В процессе эксплуатации автомобиля могут выявиться следующие наиболее характерные неисправности кривошипно-ша|ун-ного механизма: пригорание, износ и поломка поршневых колец; износ поршней и цилиндров; износ шатунных и коренных подшипников; нарушение уплотнения прокладки головки цилиндров при слабой или неравномерной затяжке гаек крепления; обрыв шпилек и повреждение резьбы вследствие слабой или неравномерной затяжки; нагарообразование в камерах сгорания и др.

Газораспределительный механизм служит для своевременного впуска в цилиндры горючей смеси и выпуска отработавших газов. На современных карбюраторных двигателях впуск смеси и выпуск отработавших газов производятся клапанами, которые могут иметь нижнее или верхнее расположение.

Устройство механизма газораспределения зависит от типа и конструкции двигателя. Большинство современных двигателей имеет газораспределительный механизм с верхним расположением клапанов.

На рис. 89 показаны детали газораспределительного механизма с верхним расположением клапанов восьмицилиндрового V-образ-ного двигателя. У таких двигателей распределительный вал располагается в блоке между двумя рядами цилиндров. От него при помощи толкателей, толкающих штанг и коромысел приводятся в действие клапаны как правого, так и левого рядов цилиндров.

Распределительный вал имеет кулачки, опорные шейки, эксцентрик для привода топливного насоса и шестерню для привода масляного насоса и прерывателя-распределителя (вал изготовляется заодно с кулачками и опорными шейками).

Для каждого цилиндра на валу имеется два кулачка — впускной и выпускной. Одноименные кулачки располагаются в четырехцилиндровом двигателе под углом 90°, в шестицилиндровом под углом 60°, в восьмицилиндровом под углом 45°.

На переднем конце распределительного вала устанавливается ка шпонке шестерня, которая находится в зацеплении с шестерней, установленной на коленчатом валу. Для правильной работы двигателя коленчатый и распределительный валы должны находиться в строго определенном положении относительно друг друга. Поэтому при сборке распределительные шестерни вводятся в зацепление по имеющимся на их зубьях меткам.

Осевые перемещения распределительного вала у большинства карбюраторных двигателей ограничиваются упорным фланцем, закрепленным на блоке между торцом передней шейки вала и ступицей распределительной шестерни. Опорные шейки распределительного вала вращаются в стальных втулках, залитых сплавом СОС 6-6, или металлокерамических втулках.

Клапаны 14 и 19 состоят из головок и стержней. Изготовляют их из жаростойкой стали. Головка клапана в нижней части имеет шлифованную коническую поверхность в виде круглой полоски, которой она соприкасается с седлом, запрессованным в го-лорку блока цилиндров. Клапаны установлены в направляющих втулках 18.

Для улучшения охлаждения стержни выпускных клапанов двигателей автомобилей ЗИЛ-130 и ГАЗ-66 выполняют полыми. В них помещают соли натрия с температурой плавления 97° С. При рабочей температуре клапана натрий находится в жидком состоянии, это способствует переносу тепла от головки клапана к стержню и направляющей втулке. Плотное прижатие клапана к седлу обеспечивается давлением клапанной пружины, закрепленной при помощи опорной шайбы и конических разрезных сухарей. Головка выпускного клапана имеет жаростойкую наплавку посадочной фаски.

Выпускные клапаны для уменьшения неравномерной выработки седла в блоке и посадочной фаски головки клапана принудительно проворачиваются во время работы двигателя специальным механизмом поворота.

Толкатели, передающие усилие от распределительного вала к клапану, представляют собой стальные стаканы, на внутреннюю сферическую поверхность которых опираются толкающие штанги. Для повышения износостойкости торцы толкателей, соприкасающиеся с кулачками, наплавляют специальным чугуном. В нижней части толкателя имеется отверстие для слива накопившегося в нем масла. Усилия от кулачков распределительного вала к клапанам передаются толкателями, штангами и коромыслами. Штанги изготовляются трубчатыми из стали или дюралюминия. По концам в штанги запрессовывают стальные наконечники. Коромысла свободно установлены на осях. Между стержнем клапана и концом коромысла имеется зазор, который регулируется винтом.

У автомобиля ВАЗ-2101 «Жигули» распределительный вал расположен в отдельном корпусе на головке блока цилиндров (рис. 90) и вращается в пяти подшипниках скольжения. Привод от кулачков вала к клапанам осуществляется через одноплечие рычаги (рокеры) без толкателей, штанг и коромысел. Одним концом рычаг привода клапана опирается на торец стержня клапана, другим — на сферическую головку регулировочного болта и удерживается на ней при помощи шпилечной пружины.

Рис. 90. Клапанный механизм двигателя ВАЗ-2101:
1 — клапан, 2 — защитный колпачок, 3 — одноплечий рычаг (рокер), 4 — распределительный вал, 5 — зазор между рокером и кулачком, 6 — сферическая головка регулировочного болта, 7 — шестигранник регулировочного болта, 8 — контргайка. 9 — шпилечная пружина

Отпустив контргайку и вращая регулировочный болт при помощи шестигранника, можно изменять величину зазора (0,15 мм при холодном двигателе как для впускных, так и выпускных клапанов) между рычагом привода клапана и кулачком распределительного вала. В алюминиевую головку блока цилиндров запрессованы чугунные седла и направляющие втулки клапанов.

Рис. 91. Цепной привод распределительного вала двигателя ВАЗ:
1 — звездочка распределительного вала, 2 — цепь, 3 — успокоитель, 4 — звездочка валика привода масляного насоса и прерывателя-распределителя, 5 — звездочка коленчатого вала (ведущая), 6 — башмак натяжного устройства, 7 — плунжер, 8 — гайка плунжера

Расположение распределительного вала на головке блока цилиндров («Москвич-412», ВАЗ-2101 «Жигули») дает возможность уменьшить массу и инерционные силы клапанного механизма, что позволяет обеспечить большее число оборотов коленчатого вала двигателя.

Распределительный вал двигателя ВАЗ-2101 приводится в действие от коленчатого вала двухрядной роликовой цепью (рис.91), которая связывает ведущую звездочку коленчатого вала с ведомой звездочкой распределительного вала и ведомой звездочкой валика привода масляного насоса и прерывателя-распределителя. Конструкция цепного привода позволяет сохранить при сборке двигателя (после ремонта) неизменной взаимную установку цепи и звездочек. Установку фаз газораспределения выполняют по специальной метке на ведущей звездочке, которую устанавливают против прилива, имеющегося на блоке двигателя.

Для гашения волнообразных колебаний цепи, появляющихся при резком изменении числа оборотов коленчатого вала, служит успокоитель. Напротив него размещается башмак натяжного устройства. Один конец башмака закреплен на оси, а другой соединяется с плунжером, прижимающим башмак к цепи. Натяжение цепи регулируют при помощи гайки плунжера.

К основным неисправностям газораспределительного механизма относятся: увеличенные или уменьшенные зазоры в приводе клапанов, которые появляются вследствие износа деталей или неправильной регулировки; износ или обгорание рабочих поверхностей впускных и выпускных клапанов или их седел; поломка клапанной пружины или толкающей штанги; износ толкателей или их направляющих; износ направляющих втулок клапанов; износ распределительных шестерен; износ подшипников распределительного вала.

Для устранения неисправностей газораспределительного механизма необходимо: отрегулировать зазоры между стержнями клапанов и носками коромысел, притереть клапаны к седлам, заменить сломанные пружины или изношенные детали (втулки коромысел, втулки распределительного вала и др.).

Тепловой двигатель 8 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

Зная некоторые характеристики тела, можно вычислить его внутреннюю энергию. Так, внутренняя энергия 1 м³ воздуха при нормальном атмосферном давлении и температуре составляет около 160 кДж (см. рис. 1).

Рис. 1. Внутренняя энергия воздуха

Если бы было возможно использовать эту энергию, то ее бы хватило на поднятие плиты массой 1,6 тонны на высоту 10 метров (см. рис. 2).

Рис. 2. Расход энергии на поднятие груза

Есть объекты, в которых сосредоточена большая энергия, но использовать ее тяжело по разным причинам. Например, ураган или молния.

Есть и более близкий каждому пример: солнце светит и нагревает дом, а мы включаем кондиционер (тратим дополнительную энергию), чтобы дом охладить. Можно было бы использовать солнечную энергию для этой цели. Однако извлекать такую энергию пока не научились.

Или энергия ядерного топлива: во-первых, ее нужно как-то извлечь. А во-вторых, выделенную энергию нужно контролировать. В этом и состоит разница между атомной бомбой и атомной электростанцией.

Так и со внутренней энергией воздуха. Нельзя забрать ее всю у воздуха и преобразовать в механическую энергию груза. Самопроизвольное превращение энергии происходит в одном направлении. Нельзя нагреть руки от льда, хотя какая-то внутренняя энергия у льда тоже есть. Молоток ударяет по наковальне и нагревается, но это не значит, что это событие можно обратить: нагретый молоток вдруг приобретет механическую энергию и подпрыгнет.

Однако есть способ перевести часть внутренней энергии в необходимую механическую.

Имеются практические задачи: что-то поднять, сдвинуть, перетащить, причем сделать это все нужно в определенном направлении. Цель – превратить хаотическое движение частиц (внутреннюю энергию) воздуха в энергию груза, его направленное движение.

Модель теплового двигателя

Итак, возьмем цилиндрический сосуд и закроем его плотно «крышкой», которая может свободно двигаться вдоль цилиндра, не выпуская газ. Такая «крышка» называется поршень. В сосуде под поршнем находится газ. Нагреем газ – он будет расширяться и поднимать поршень (см. рис. 3).

Рис. 3. Превращение тепловой энергии в механическую

Хаотическое движение молекул газа перейдет в направленное движение поршня. Часть тепловой энергии перешла в механическую. Остальная энергия пойдет на нагревание газа, то есть на увеличение его внутренней энергии. Положим на поршень груз – сможем его поднять (см. рис. 4).

Рис. 4. Поднятие груза с помощью превращения тепловой энергии в механическую

Присоединим к поршню вал – вал будет вращаться. Это можно применить для передвижения автомобиля, паровоза, теплохода и т. д.

Почему поршень будет двигаться?

Представьте, что шар двигается по столу, три стороны которого закреплены жестко, а одна – подвижно.

Каким бы хаотическим ни было движение, каждый раз при ударе по незакрепленной стенке он будет немного ее сдвигать (считаем, что трения нет). Теперь представьте, что таких шаров много – чем сильнее и чаще они бьют по незакрепленной стенке, тем сильнее она будет сдвигаться.

В описанном примере газ лишь один раз отдаст энергию, поршень один раз сдвинется и все. Как сделать это действие повторяющимся?

Существует несколько способов.

1. Заменить остывший газ новой порцией горячего газа. По такому принципу работают двигатели внутреннего сгорания (см. рис. 5).

Рис. 5. Простая модель теплового двигателя

Принцип работы двигателя внутреннего сгорания

Рассмотрим строение простейшего двигателя внутреннего сгорания. Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень. Важная задача – преобразовать поступательное движение поршня во вращательное – в конечном счете нам нужно вращение колес. Для этого существует коленчатый вал, который соединяют с поршнем еще одной деталью – шатуном. Цилиндр также содержит два клапана, которые автоматически открываются и закрываются в нужные моменты.

Сначала через впускной клапан в цилиндр попадает горючая смесь. С помощью свечи зажигания смесь воспламеняется и сгорает – получается газ при высокой температуре.

Отсюда и название механизма: «двигатель внутреннего сгорания» – сгорание происходит внутри цилиндра.

Нагретый газ расширяется, толкая поршень и приводя в движение коленчатый вал. Газ отдает свою энергию, охлаждается и выводится из цилиндра через выпускной клапан. Тем временем поршень продолжает по инерции свое движение и возвращается в исходное положение (см. рис. 6).

Рис. 6. Принцип действия двигателя внутреннего сгорания

Далее в цилиндр поступает новая порция горючей смеси и процесс повторяется.

2. Полученный после расширения газ можно охладить и сжать до начального состояния, чтобы можно было снова нагреть газ с помощью поступления тепла извне. Обычно это тепло, выделившееся при сгорании топлива. Устройства, основанные на таком принципе, называются двигателями внешнего сгорания. Они получили такое название, так как горение происходит отдельно, а уже затем выделившееся тепло передается газу, что приводит к его расширению.

Энергия не возникает из ниоткуда, а происходит ее преобразование. Необходим источник энергии, топливо. Энергия химических связей переходит в тепловую, а тепловая энергия преобразуется в механическую. Это преобразование энергии не может обойтись без потерь. На первом этапе топливо при сгорании нагревает не только рабочий газ, но и окружающие детали, оставляет горячие продукты сгорания и т. д. На втором этапе не вся тепловая энергия переходит в механическую: чтобы расшириться, газ должен нагреться. Возникает вопрос эффективности двигателя: сколько получается механической энергии при данных затратах топлива.

Почему у газа должна быть высокая температура?

Мы рассмотрели способ преобразования энергии хаотического движения молекул в энергию направленного движения груза. Можно ли этот способ применить не для нагретого газа, а для газа при обычной, «комнатной» температуре?

Температура тела связана с кинетической энергией его частиц. Температура газа тем выше, чем быстрее движутся частицы, при этом они чаще сталкиваются со стенками сосуда и с поршнем. Эти столкновения определяют давление, которое оказывает газ на поршень. Чем больше температура газа, тем большее давление он оказывает на поршень (при неизменном объеме газа).

Поршень движется за счет того, что давление внутри сосуда больше, чем снаружи. Поскольку снаружи при обычных условиях всегда есть атмосферное давление, то давление газа внутри сосуда должно быть больше атмосферного. Это можно обеспечить только высокой температурой газа. Если же его температура будет порядка десятка градусов Цельсия, то давления будет недостаточно, чтобы вытолкнуть поршень.

Для работы двигателя при таких небольших температурах газа нужно будет искусственно уменьшать внешнее давление на поршень, а это делать нецелесообразно.

Рассмотренный принцип не единственный. Заставить нагретый газ перемещать какое-то тело можно и без движущегося поршня. Например, можно нагреть пар и дать ему при расширении выходить струйкой через узкую трубу. В струе пара, которая образуется в трубе, будет направленное движение частиц (см. рис. 7).

Рис. 7. Направленное движение частиц пара

Затем эта струя сталкивается с плоским твердым телом – «лопаткой», которая присоединена к турбине. При столкновении направленное движение пара в струе переходит в направленное движение турбины с лопаткой (см. рис. 8).

Рис. 8. Принцип работы паровой турбины

Описанное устройство называется паровой турбиной.

Вне зависимости от способа есть один основной принцип: газ расширяется и выполняет механическую работу. Устройства, в которых тепловая энергия газа преобразуется в механическую энергию движения, называются тепловыми двигателями.

Может ли в тепловом двигателе быть использован не газ, а жидкость или твердое тело?

В тепловых двигателях используют газ, поскольку его объем может сильно изменяться, что сопровождается направленным движением. Жидкости и твердые тела тоже при нагревании немного расширяются. Но это изменение объема столь незначительно, что в тепловых двигателях его использовать нельзя.

Тем не менее это незначительное изменение объема все же можно использовать для преобразования в механическую энергию движения. Самый простой пример – это градусник. Тело нагревает ртуть, она расширяется и поднимается до уровня, который проградуирован температурой тела. Произведенная ртутью работа очень мала, поэтому в качестве двигателя такую модель не используют.

Другой пример – биметаллическая пластина.

Это пластина, состоящая из двух спаянных кусков различных металлов. При нагревании один металл расширяется сильнее, чем другой. Из-за этого пластина изгибается.

Тепловая энергия, полученная пластиной, переходит в механическую энергию движения пластины. Пластиной работа будет очень незначительной, поэтому в качестве двигателей их не используют. Функция биметаллической пластины информационная, а не энергетическая. Деформированное состояние пластины означает, что достигнута такая-то температура. Это используют в утюгах: при достижении заданной температуры деформированная пластина размыкает электрическую цепь и нагревание утюга прекращается. Кроме электрических цепей, иногда такие элементы используются в часах и термометрах.

Основные части теплового двигателя (на примере двигателя внешнего сгорания):

нагретый газ, который расширяется и выполняет работу – рабочее тело;
чтобы этот газ нагреть, ему нужно передать некоторое количество теплоты. Тело, которое передает эту теплоту, называют нагревателем. В двигателе внешнего сгорания нагревателем выступает сгоревшее топливо, оно передает тепло рабочему телу. В двигателе внутреннего сгорания рабочий газ образуется в результате сгорания, но в целом результат тот же: топливо сгорело – получили нагретый газ, который дальше расширяется;
холодильник – приводит рабочее тело в исходное состояние. Чтобы понизить свою температуру, рабочее тело должно отдать некоторое количество теплоты. Поэтому нужно использовать тело, которому газ отдает тепло. В случае двигателя внутреннего сгорания сам газ покидает цилиндр в виде выхлопа – и вместе с нагретым газом система теряет теплоту.

О холодильнике

В тепловом двигателе рабочее тело после нагревания и выполнения работы нужно привести в исходное состояние, а для этого – охладить. Тело, которому рабочее тело отдает тепло, назвали холодильником.

Как работает холодильник? Когда тело остывает, оно не получает холод, а отдает теплоту. И в холодильнике так же: теплота «забирается» изнутри холодильника. Она отдается наружу холодильника, окружающей среде – вы знаете о горячей детали сзади.

Нарушается закономерность: теплота передается от менее нагретых тел к более нагретым. Самопроизвольно теплота в таком направлении передаваться не может, поэтому выполняется работа.

Самые распространенные холодильники – компрессионные (компрессия – сжатие газа). Основные их части – это испаритель и конденсатор, соединенные вентилем, компрессор, и внутри этого всего циркулирует охлаждающее рабочее тело (хладагент). Если не вдаваться в подробности, поглощение теплоты происходит при испарении хладагента в испарителе, а теплоотдача – при его конденсации в конденсаторе. Компрессор создает разность давлений, и благодаря узкому вентилю она поддерживается. Температура кипения и конденсации веществ зависит от давления, и получается, что при высоком давлении в конденсаторе хладагент конденсируется при высокой температуре, а в испарителе он испаряется при низкой температуре (см. рис. 9).

Рис. 9. Принцип работы компрессионного холодильника

Итак, чтобы это все работало и создавалась разность температур, нужен компрессор, совершается работа по сжатию рабочего тела. С точки зрения сохранения энергии все верно: при работе холодильника на конденсаторе выделяется теплота, равная теплоте, поглощенной внутри холодильника, плюс работе, выполненной компрессором.

Есть холодильники и другого типа, но в любом случае перенос теплоты от менее нагретого тела к более нагретому возможен только при выполнении дополнительной работы. Например, в термоэлектрических холодильниках ток протекает через контакт двух разных проводников, при этом один из них нагревается, а второй охлаждается. Перенос теплоты осуществляется электронами, но, чтобы они двигались, нужно подключить источник питания, и будет совершена работа по переносу электронов.

Используя эту модель, можно описать принцип работы любого теплового двигателя.

1. Рабочее тело получает от нагревателя некоторое количество теплоты . Эта теплота передается рабочему телу – .

2. Рабочее тело выполняет работу А.

3. Рабочее тело отдает холодильнику количество теплоты , возвращаясь в начальное состояние.

Далее повторяются пункты 1–3. Такие повторяющиеся действия называют циклом. То есть пункты 1–3 описывают цикл работы теплового двигателя.

Если считать систему «нагреватель – рабочее тело – холодильник» замкнутой, в ней выполняется закон сохранения энергии: теплота, полученная от нагревателя идет на выполнение работы , а оставшаяся энергия передается холодильнику . Это можно записать как:

Внутренняя энергия рабочего тела

Проследим за изменением внутренней энергии рабочего тела в течение цикла. Пусть в начале цикла рабочее тело имеет внутреннюю энергию U. Оно получает от нагревателя тепло , внутренняя энергия увеличивается (). При выполнении работы внутренняя энергия уменьшается (). Затем рабочее тело отдает холодильнику теплоту , внутренняя энергия еще уменьшается (). При этом рабочее тело возвращается в исходное состояние с внутренней энергией U. То есть:

Значит:

КПД

Тепловой двигатель – это устройство для преобразования тепловой энергии в механическую энергию движения (см. рис. 10).

Рис. 10. Паровая машина

Важно не просто получить механическую энергию, желательно еще получить ее с наименьшими затратами топлива. Если один автомобиль перевозит груз, израсходовав 5 л бензина, а второй перевозит этот же груз с такой же скоростью, но расходует 20 л бензина, то второй автомобиль явно менее эффективен. А если один везет тонну груза со скоростью 120 км/ч с расходом бензина 9 л/100 км, а второй везет полторы тонны груза со скоростью 100 км/ч с расходом 11 л/100 км?

К эффективности всего автомобиля относится и эффективность двигателя, и полнота сгорания топлива, и сопротивление воздуха в зависимости от формы кузова.

Вернемся к модели теплового двигателя с рабочим телом, нагревателем и холодильником.

И здесь главное, что не вся энергия, которая сообщается рабочему телу, преобразуется в механическую. Часть энергии тело отдает холодильнику и уже не используется. Эта часть и определяет эффективность двигателя.

Для оценки эффективности работы любого устройства по преобразованию энергии вводят понятие КПД – коэффициент полезного действия, обычно его обозначают буквой η («эта»).

Понятие КПД

Понятие КПД можно применить для любого устройства, в котором преобразуется энергия. Для газовой плиты также можно найти КПД. Потраченная энергия – это количество теплоты, полученное при сгорании газа (). Какую полезную работу совершает плита? Мы что-то греем на ней, например воду. Тогда полезной будет энергия, потраченная на нагревание воды (). КПД равно отношению полезной энергии к затраченной:

Какая энергия тратится на работу теплового двигателя? Рабочее тело нагревают, то есть затраченная энергия – это . А что полезного мы получаем? Задача теплового двигателя – получить механическую энергию. То есть полезным будет выполненная рабочим телом работа A.

Их отношение покажет, какую часть затраченной энергии составляет полезная:

Или, если выразить КПД в процентах:

Иногда проще посчитать не совершенную механическую работу, а теплоту, переданную холодильнику. Тогда формулу можно переписать в другом виде, если выразить из полученного ранее соотношения:

Формула через температуры

Помимо этой формулы, можно оценить КПД теплового двигателя еще одним способом.

Можно рассмотреть модель теплового двигателя, в котором все процессы являются обратимыми. Если, например, взять нагретый сжатый газ под поршнем и отпустить поршень, газ расширится, поршень поднимется, температура и давление газа уменьшатся. Этот процесс необратим: если специально не сжать газ, он сам не вернется в исходное, сжатое и нагретое, состояние. Если же медленно нагревать газ, так, чтобы его температура оставалась постоянной и равной температуре нагревателя и при этом чтобы газ совершал работу, то этот процесс можно считать обратимым. Это модель: нельзя передавать теплоту газу от нагревателя, если их температуры равны. Все равно для теплопередачи температура нагревателя должна быть хоть немного больше.

Если рассмотреть модель теплового двигателя, в основе которого лежат условно обратимые процессы, можно получить формулу для расчета КПД через температуры холодильника и нагревателя, запишем ее без вывода:

Этой формулой пользоваться намного удобнее: проще измерить температуры холодильника и нагревателя, чем узнать, какое количество теплоты рабочее тело передало холодильнику и получило от нагревателя.

Задача

Определите, на какую высоту можно поднять тело массой 2 кг с помощью работы, выполненной тепловым двигателем за 1 цикл работы. КПД двигателя 40%, за цикл работы двигатель отдает холодильнику 500 Дж теплоты.

Физическая часть решения задачи

При поднятии тела меняется его потенциальная энергия. То есть работа двигателя пойдет на изменение потенциальной энергии тела:

Формула для потенциальной энергии тела, поднятого над поверхностью Земли:

Изменение потенциальной энергии:

В условии задан КПД теплового двигателя, запишем формулу:

В условии также задано количество теплоты, передаваемое холодильнику. , и связаны законом сохранения энергии:

Математическая часть решения задачи (см. рис. 11)

Рис. 11. Решение задачи

Решив полученную систему уравнений, получаем ответ .

Математическая часть решения задачи

Из последнего выражения выразим и подставим в третье:

Выразим :

Подставим это и второе выражение в первое уравнение:

Выразим и найдем :

Рамки применения модели теплового двигателя

Тепловой двигатель – это устройство, которое превращает тепловую энергию в механическую. Разберем работу ветрового двигателя. В нем энергия ветра переходит в энергию механического вращения.

Откуда берется ветер? Вот один из вариантов: Солнце нагрело воздух в одном месте, там давление увеличилось, воздух начал двигаться в зону меньшего давления – вот и возник ветер. Тепловая энергия нагретого воздуха создает ветер, а энергия ветрового потока переходит в механическую энергию вращения в ветровом двигателе (см. рис. 12).

Рис. 12. Принцип возникновения ветра в природе

Можно ли считать тогда ветровой двигатель тепловым двигателем? По сути, тепловая энергия перешла в механическую.

Тепловой двигатель – это изобретение, в основе которого лежит модель, которую мы ввели для удобства описания физических процессов. Возможно применить модель теплового двигателя к ветровому: найти там рабочее тело, нагреватель, холодильник. Как посчитать нагревателя, если нагреватель – Солнце, которое в данный момент греет воздух на всей солнечной стороне планеты? Мы не сможем выделить замкнутую систему, определить, какая часть из солнечной энергии в данном случае для нас полезная, поэтому здесь нужно будет ввести другую модель.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «открытыйурок.рф» (Источник)
Интернет-портал «edufuture.biz» (Источник)

Домашнее задание

Может ли КПД двигателя составлять 100%? Свой ответ обоснуйте.
Какое количество теплоты потребуется, чтобы расплавить 500 г льда, взятого при температуре –10 ºС, полученную воду довести до кипения и испарить 100 г воды?
В организме человека насчитывается около 600 мышц. Если бы все мышцы человека напряглись, они вызвали бы усилие, равное приблизительно 25 т. Считается, что при нормальных условиях работы человек может развивать мощность 70–80 Вт, однако возможна моментальная отдача энергии в таких видах спорта, как толкание ядра или прыжки в высоту. Наблюдения показали, что при прыжках в высоту с одновременным отталкиванием обеими ногами некоторые мужчины развивают в течение 0,1 с среднюю мощность около 3700 Вт, а женщины – 2600 Вт.
КПД мышц человека равен 20%. Что это значит? Какую часть энергии мышцы тратят впустую?

Преобразование энергии внутри автомобилей

Преобразование энергии или преобразование энергии — это процесс изменения одной формы энергии в другую, энергия производит определенные изменения в системе. Изменения в общей энергии систем могут быть достигнуты только путем добавление или удаление энергии из них, поскольку энергия является величиной, которая сохраняется (неизменна).

Энергия во многих ее формах может использоваться в естественных процессах. Она предоставляет обществу некоторые услуги, такие как отопление, охлаждение и освещение, выполняет механическую работу для приведения в действие машин.

Автомобильный двигатель внутреннего сгорания преобразует потенциальную химическую энергию бензина и кислорода в тепловую энергию, которая преобразуется в механическую энергию, которая ускоряет транспортное средство (увеличивая его кинетическую энергию), вызывая давление и совершая работу на поршни.

В двигателе автомобиля происходит передача полезной энергии. Вы можете видеть, что двигатель автомобиля преобразует химическую энергию, хранящуюся в топливе, в кинетическую энергию расширяющегося газа посредством сгорания в двигателе и колесах.

Преобразование энергии внутри автомобиля

Тепловая энергия превращается в механическую энергию, которая приводит в движение автомобиль, а химическая энергия, хранящаяся в топливе, превращается в тепловую (тепловую) энергию в двигателе автомобиля.

Кинетическая энергия расширяющегося газа преобразуется в линейное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение коленчатого вала передается в узел трансмиссии.

Вращательное движение передается через дифференциал, затем вращательное движение передается от дифференциала на ведущие колеса, затем вращательное движение ведущих колес преобразуется в поступательное движение автомобиля.

Автомобили полезны в нашей жизни, и вы знаете, что механическая энергия (кинетическая энергия) превращается в электрическую энергию в автомобильной динамо-машине, а часть электрической энергии превращается в световую энергию в автомобильных фарах. .

A часть электрической энергии переходит в звуковую энергию в автомобильной магнитоле, а часть электрической энергии переходит в тепловую энергию в электронагревателе автомобильного кондиционера.

Когда аккумулятор используется для запуска автомобиля, энергия преобразуется из электрической в механическую для движения автомобиля, химическая энергия в виде бензина преобразуется в механическую энергию, и каждое преобразование приводит к производству нагревать.

Вы можете почувствовать, что шины теплые от трения после долгой поездки, капот автомобиля теплый от лучистого тепла двигателя и происходит преобразование химической энергии в электрическую энергию в механическую энергию в заводить машину.

Автомобиль имеет много энергии, которая хранится в его аккумуляторе, когда автомобиль движется. Он преобразует часть этой накопленной электрической энергии в кинетическую энергию. Он полностью находится внутри автомобиля. Нет энергии, которая передается через автомобиль. или граница дороги.

Вы не можете хранить импульс в батарее, Любой бортовой импульс обязательно проявляется как движение центра масс системы, Таким образом, любое изменение импульса системы просто должно быть связано с передачей через границу системы.

Фрикционное взаимодействие между шинами и дорогой передает передний импульс автомобильным шинам и, конечно же, соответствующий обратный импульс дороге.

Будущее Летающие автомобили преимущества, недостатки, дизайн, типы и разработки

Роботизированные автомобили (самоуправляемые автомобили) преимущества и недостатки

Значение тепла (тепловой энергии) технология

Энергетические ресурсы и формы, Потенциальная энергия, Кинетическая энергия и Механическая энергия

Потенциальная энергия, Кинетическая энергия и Закон сохранения механической энергии

Закон сохранения механической энергии в повседневной жизни

Преобразование энергии | Определение, примеры, формула, принцип и факты

Должность

См. все СМИ

Ключевые люди:: Элиу Томсон Уильям Джордж Армстронг, барон Армстронг Кристофер Хинтон, барон Хинтон Оскар фон Миллер Джон Э. У. Кили

Похожие темы:: ядерного реактора турбина электродвигатель батарея термоядерный реактор

См. весь связанный контент →

преобразование энергии , преобразование энергии из форм, предоставляемых природой, в формы, которые могут быть использованы человеком.

На протяжении веков для этой цели был разработан широкий спектр устройств и систем. Некоторые из этих преобразователей энергии довольно просты. Ранние ветряные мельницы, например, преобразовывали кинетическую энергию ветра в механическую энергию для перекачивания воды и измельчения зерна. Другие системы преобразования энергии явно более сложны, особенно те, которые используют сырую энергию из ископаемого топлива и ядерного топлива для производства электроэнергии. Системы такого рода требуют множества стадий или процессов, в которых энергия претерпевает целый ряд преобразований через различные промежуточные формы.

Многие преобразователи энергии, широко используемые сегодня, связаны с преобразованием тепловой энергии в электрическую. Однако эффективность таких систем имеет фундаментальные ограничения, продиктованные законами термодинамики и другими научными принципами. В последние годы значительное внимание уделялось некоторым устройствам прямого преобразования энергии, в частности солнечным элементам и топливным элементам, которые минуют промежуточный этап преобразования энергии в тепловую при производстве электроэнергии.

В этой статье прослеживается развитие технологии преобразования энергии, выделяя не только традиционные системы, но и альтернативные и экспериментальные преобразователи со значительным потенциалом. Описаны их отличительные особенности, основные принципы работы, основные типы и основные области применения. Для обсуждения законов термодинамики и их влияния на конструкцию и производительность системы см. термодинамика.

Общие соображения

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность для выполнения работы. Само слово происходит от греческого энергия: эн , «в»; ergon , «работа». Энергия может быть либо связана с материальным телом, как спиральная пружина или движущийся объект, либо она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, проходящее через вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Размерность энергии — это работа, которая в классической механике формально определяется как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длин (л ) к времени ( т ): мл ² / т ² . Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое она перемещается, или чем меньше время, необходимое для перемещения массы, тем больше будет совершенная работа или тем больше будет затрачена энергия.

Развитие концепции энергии

Термин «энергия» не применялся в качестве меры способности выполнять работу до довольно позднего периода развития механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к понятию энергии. Однако идея энергии восходит, по крайней мере, к Галилею в 17 веке. Он признал, что, когда вес поднимается с помощью системы шкивов, приложенная сила, умноженная на расстояние, на которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянным, даже если любой из факторов может меняться. Понятие vis viva, или жизненной силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы на квадрат скорости, было введено в 17 веке. В 19В X веке термин энергия применялся к понятию vis viva.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что в этом случае будет представлять интерес интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла от действия силы, действующей на массу, которые можно определить. Один — интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы по времени ее действия на массу, или временной интеграл.

Вычисление пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь принимается за изменение кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения импульса массы в результате действия силы. Некоторое время велись споры о том, какая интеграция приводит к надлежащей мере силы: немецкий философ и ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц выступал за пространственный интеграл как единственно верную меру, тогда как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную меру. интеграл. В конце концов, в 18 веке физик Жан д’Аламбер из Франции показал правомерность обоих подходов к измерению эффекта силы, действующей на массу, и что противоречие касалось только номенклатуры.

Подытожим: сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия, или энергия, возникающая в результате движения, есть результат пространственного интегрирования силы, действующей на массу; импульс есть результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия является мерой способности выполнять работу. Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии во времени (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Закон сохранения энергии (см. ниже) был независимо признан многими учеными в первой половине 19 века. Сохранение энергии в виде кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом. Далее, при ближайшем рассмотрении, трение, служащее ограничением классической механики, обнаруживается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях бруска, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трение». Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. В это же время Джоуль экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией. Поскольку стало необходимо более подробное описание различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и сопутствующий ему энергетический баланс в систему. интереса, при условии общей необходимости сохранения энергии. Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, высвобождаемых при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для запуска машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.