Будучи студентом, изучающим математический анализ и физику в старшей школе, интересующимся аэрокосмической техникой, я пытался понять основы работы ракеты и не смог найти в Интернете уравнения или какого-либо анализа того, какое количество энергии высвобождается при сгорании топлива. превращается в тепло в зависимости от того, насколько газ продвигается вперед и создает давление в камере сгорания, и, видя, насколько эти значения важны для расчета тяги (общее давление и общая температура), я потерялся, пытаясь найти, как рассчитать эти значения. Возможно, я неправильно понимаю, как работает горение, но я не смог найти ничего, что помогло бы мне научиться вычислять эти вещи теоретически, а не экспериментально. Любая помощь приветствуется!
Саттон, 4-е издание, стр. 7:
Энергия реакции сгорания химикатов-вытеснителей под высоким давлением, обычно топлива и окислителя, позволяет нагревать газы продуктов реакции до очень высоких температур (от 4500 до 7500 градусов по Фаренгейту). Эти газы впоследствии расширяются в сопле и разгоняются до высокой скорости.
Так что это не «тепло против того, что продвигает газ вперед». Именно тепло продвигает газ вперед и создает давление в камере сгорания.
Вы в основном спрашиваете, как рассчитать условия камеры сгорания, и это длинный ответ, вероятно, не подходящий для Stack Exchange. Вместо этого я предлагаю вам взглянуть на версию Саттона, доступную в Интернете , хотя, по мнению многих людей, она уступает более ранним изданиям, основы там есть. Изучите это, а затем вернитесь с конкретными вопросами.
Вот большая картинка о том, как это сделать из 4-го издания (стр. 181):
Условия камеры сгорания (такие как температура камеры и состав газа) могут быть рассчитаны с использованием условий баланса массы (-), баланса давления (-), нескольких условий химического равновесия (-) и баланса энергии (-), и путем одновременного решения этих уравнений .... Неизвестными в этих уравнениях являются температура камеры T c и молярные доли n j каждого из β-компонентов в газообразных продуктах реакции; таким образом, количество независимых уравнений должно быть равно β+1.
(-) Я удалил здесь ссылку на уравнение, потому что оно не имеет отношения к делу и не относится к книге, доступной в Интернете.
изменить: ответ @JohnRennie's Physics SE объясняет это гораздо лучше, чем я когда-либо мог; после прочтения этого, чтение этого было бы хорошо потраченным временем, как и время, потраченное на чтение любого из его ответов.
Ответ @OrganicMarble превосходен и дает вам возможность читать дальше. Я добавлю ответ, который может быть полезен интуитивно.
Расширение газов обычно приводит к охлаждению. Мы знаем это из закона идеального газа и из того факта, что холодильники и кондиционеры работают.
Так что же происходит с кинетической энергией всех молекул газа, когда газ охлаждается?
Если вы лопнете воздушный шар в вакууме , газ охладится, а кинетическая энергия, связанная с исходной температурой, останется, но изменится с тепловой на кинетическую энергию направленного радиального расширения.
Расширение обеспечивает предпочтительное направление движения молекул. Вместо совершенно беспорядочного движения атомы движутся преимущественно в направлении расширения . Температура является мерой случайного движения, поэтому кинетическая энергия любого упорядоченного движения области газа больше не вносит вклад в тепловую энергию или температуру.
В конечном счете, кинетическая энергия в сдерживаемом расширении , таком как холодильник, кондиционер или цилиндр двигателя внутреннего сгорания, выполняет механическую работу в расширительной камере. Этот ответ может быть полезен для чтения на этом этапе.
Воздушный шар, лопнувший в вакууме , является полезной аналогией того, что происходит в сопле ракеты. Контролируемое оптимизированное расширение преобразует случайное движение горячего газа в направленное движение выхлопных газов, движущихся назад.
Рикки-Тикки-Тави
Стив Линтон