Почему выхлопные газы из камеры сгорания вращают двигатель, хотя он только сжигает топливо?

Во время сгорания топлива давление в камере сгорания повышается, и это давление толкает поршень вниз. Это происходит по двум причинам:

Увеличение количества молекул газа

Допустим, мы используем гексан в качестве топлива. Чтобы сжечь одну молекулу гексана, состоящую из 6 атомов углерода и 14 атомов водорода, нам понадобится 13 атомов кислорода (6,5 молекул кислорода), и мы получим 7 молекул воды и 6 молекул углекислого газа:

 1* Hexan           + 6.5* oxygen -> 7* water  + 6* carbondioxide



     H H H H H H

     | | | | | |

1* H-C-C-C-C-C-C-H  + 6.5* O-O    ->  7* H-O-H + 6* O-C-O

     | | | | | |

     H H H H H H

Поскольку воздух состоит всего на 20 % из кислорода и на 80 % из азота, в камере на каждую молекулу кислорода приходится четыре молекулы азота. Они не должны вступать в реакцию во время горения, поэтому вы просто добавляете по 26 молекул азота с обеих сторон.

Итак, до сгорания в системе находится 1 + 6,5 + 26 = 33,5 молекулы, а после — 7 + 6 + 26 = 39 молекул.

Один интересный факт об (идеальных) газах заключается в том, что в определённом объёме при определённой температуре и давлении всегда содержится одинаковое количество молекул, независимо от их типа или смеси.

Допустим, у нас по-прежнему тот же объём в камере сгорания, и мы не учитываем повышение температуры. Увеличение количества молекул в 39/33,5 = 1,16 раза приводит к повышению давления также в 1,16 раза.

Тепловое расширение

Если повысить температуру газа, он расширится. Если он не может расшириться, потому что находится в камере сгорания, то вместо этого повышается давление. Например, любой (постоянный) объём идеального газа при комнатной температуре (20 °C) увеличивает своё давление в 4,3 раза при нагревании до 1000 °C.

Все вместе

Во время горения давление увеличивается в 1,16 раза из-за роста числа молекул и ещё в 4,3 раза из-за повышения температуры, что в сумме даёт увеличение давления в 5 раз.
Допустим, в камере сгорания установлен поршень диаметром 8 см (стандартный диаметр цилиндра), что соответствует площади поверхности 50 см². Давление в 5000 гПа (разница с атмосферным давлением в 1013 гПа) будет воздействовать на поршень с силой в 2500 Н (или 560 фунтов силы) и толкать его вниз.

Я не упомянул о том, что в реальном двигателе воздушно-топливная смесь сначала сжимается примерно в 14 раз, что повышает температуру и давление в цилиндре. (Здесь затрачивается энергия, но она возвращается после сгорания топлива) Кроме того, я не знаю, какая температура достигается при сгорании.

Кроме того, это очень простой расчёт, в котором не учитываются некоторые факторы, но, думаю, он наглядно показывает, как возникает сила, действующая на поршень.

О, а если вы подожжёте немного топлива в закрытом контейнере, то заметите, что давление тоже повышается. Но поскольку процесс протекает довольно медленно, большая часть тепла выходит за пределы контейнера, он не сильно нагревается, и давление не такое высокое. (Но будьте осторожны: пары топлива могут взорваться, и тогда давление повысится...)

Насколько я понимаю, когда вы сжигаете топливо, оно находится в жидком состоянии при атмосферном давлении. На самом деле вы сжигаете не жидкость, а пары, которые образуются над жидкостью.

При работе двигателя топливо распределяется в виде капель, что создает большую площадь поверхности для удаления паров топлива. Что делает ЭБУ, так это создает очень специфическую смесь этого топлива, паров и воздуха, которая необходима для сжигания высокой энергии, заставляющей двигатель вращаться.

Без этого специфического соотношения вы не добьётесь более энергичного горения. Я не знаю, почему так происходит с точки зрения химии.

Надеюсь, это поможет.