Підручник Фізика 8 клас - В.Д. Сиротюк - Генеза 2016 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 16. КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ (ККД) ТЕПЛОВОГО ДВИГУНА

Для оцінки будь-якого теплового двигуна дуже важливо знати, яку частину енергії, що виділяється під час згоряння палива, він перетворює в корисну роботу. Що більша ця частина енергії, то більш економічним є тепловий двигун.

Для характеристики економічності різних теплових двигунів вводять поняття коефіцієнта корисної дії (ККД) теплового двигуна.

Відношення тієї частини енергії, яка витрачається на виконання корисної роботи двигуном, до всієї енергії, що виділяється внаслідок згоряння палива, називають коефіцієнтом корисної дії (ККД) теплового двигуна.

ККД позначають малою грецькою літерою (ета) і зазвичай виражають у відсотках (%).

де - коефіцієнт корисної дії теплового двигуна; Ак - виконана корисна робота; Q - повна теплова енергія, що виділилася внаслідок згоряння палива.

ККД теплового двигуна завжди менший від одиниці, тобто менший від 100 %.

Основні характеристики теплових двигунів

Поршнева парова машина: робочим тілом є пара, температура нагрівника становить 207 °С, температура холодильника - 27 °С, ККД - 7-15 %.

Парова турбіна: робочим тілом є пара, температура нагрівника становить 577 °С, температура холодильника - 107 °С, ККД - 20-25 %.

Дизель: робочим тілом є продукти згоряння палива, температура нагрівника становить 1827 °С, температура холодильника - 107 °С, ККД - 30-39 %.

Карбюраторний двигун: робочим тілом є продукти згоряння палива, температура нагрівника становить 1827 °С, температура холодильника - 107 °С, ККД - 18-24 %.

Як можна збільшити ККД теплових двигунів? До найпопулярніших теплових двигунів належать газова турбіна і двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Щоб підвищити ККД турбіни, потрібно збільшити температуру нагрівача і зменшити температуру холодильника. Для цього потрібно знайти такий кут нахилу лопаток турбіни, при якому найбільша частина енергії газу буде передаватися їм, перетворюючись у механічну. Тоді температура газу в холодильнику знизиться. На практиці зробити це досить складно, цією проблемою сьогодні займаються кращі технічні інститути. Тому потрібно робити грубе налаштування, знаходячи кут, при якому турбіна в потоці газу матиме найбільшу частоту обертання.

Збільшити ККД ДВЗ також можна, використовуючи якісне паливо, наприклад, бензин з високим октановим числом. Під час його згоряння виділяється більша кількість теплоти, і це приводить до того, що ККД двигуна підвищується. Для зменшення втрат на тертя та інертність поршневої групи треба встановити ковані поршні, які легші й менші за розмірами. Вони витримують вищі температури, що дає змогу форсувати двигун, допрацювавши форсунки для вприскування палива. Форсування двигуна призведе до збільшення витрати палива з одночасним збільшенням потужності, тому ККД у цьому випадку не збільшиться. Для підвищення ККД ДВЗ потрібно своєчасно змінювати в ньому мастило, зменшуючи тертя між деталями двигуна.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

1. Що таке коефіцієнт корисної дії теплового двигуна?

2. Як визначають коефіцієнт корисної дії теплового двигуна?

ЗАДАЧІ ТА ВПРАВИ

Розв’язуємо разом

1. Чому радіатор є системою багатьох тонких трубок, а не суцільним резервуаром (мал. 100)?

Відповідь: щоб забезпечити достатнє тепловідведення від двигуна автомобіля за рахунок збільшення площі теплообміну.

2. У якому тепловому двигуні струмінь пари чи газу, нагрітий до високої температури, обертає вал двигуна без допомоги поршня, шатуна і колінчастого вала?

Відповідь: у паровій турбіні.

Рівень A

107. Як працюють і чим відрізняються один від одного різні теплові двигуни в сучасній промисловості?

108. Чому трубки радіатора автомобільного або тракторного двигуна виготовляють з латуні або алюмінію?

109. Чому під час роботи двигунів внутрішнього згоряння температура води в радіаторах підвищується?

110. З якою метою трубки радіатора обдувають швидким потоком повітря за допомогою вентилятора, причому вентилятор засмоктує повітря всередину капота двигуна, а не видуває його з-під капота через радіатор?

111. Чому в систему охолодження двигуна внутрішнього згоряння треба заливати чисту воду?

112. Чому саме вода використовується для охолодження автомобільних двигунів?

Мал. 100

113. Чому в мотоциклетних та авіаційних двигунах охолодження повітряне? Як забезпечується належне охолодження цих двигунів?

114. Які особливості двигунів внутрішнього згоряння сприяють широкому застосуванню їх на транспорті, у промисловому і сільському господарстві?

115. Як називають тепловий двигун, у циліндрі якого періодично згоряє пальна суміш?

116. Скільки робочих ходів відбувається в чотирициліндровому двигуні за один оберт колінчастого вала?

117. Який вид механічної енергії водяної пари використовується в парових турбінах?

118. Чому парові турбіни розвивають велику швидкість обертання вала?

119. Автомобіль (мал. 101), на якому встановлено потужний двигун, розвиває під час змагань швидкість 250 км/год. Яку відстань подолає автомобіль за 5 с, рухаючись рівномірно?

120. Тролейбус загальмував і зупинився. Які зміни енергії відбулися при цьому?

121. Частими ударами молотка можна розігріти шматок металу. На що затрачається при цьому механічна енергія?

122. Назвіть, яка енергія зменшується, а яка - відповідно - збільшується під час: а) роботи теплового двигуна; б) нагрівання води в котлі; в) їзди на велосипеді; г) руху автомобіля з вимкненим двигуном.

Мал. 101

Рівень Б

123. Під час сильного перегрівання двигуна внутрішнього згоряння можливе так зване заклинювання поршнів - збільшення розмірів, при яких неможливий їхній рух. Що є причиною такого заклинювання?

124. Чому потужність двигуна за наявності глушника зменшується?

125. Чому в паровій турбіні температура відпрацьованої пари нижча, ніж температура пари, що надходить на лопаті турбіни?

126. У якому тепловому двигуні енергія палива безпосередньо перетворюється на механічну енергію рухомого апарата?

127. Під час спалювання палива в камері згоряння реактивного двигуна утворюються гази, які під високим тиском і з великою швидкістю витікають через отвір (сопло) у задній стінці камери. Які тіла взаємодіють при цьому? Яка причина руху ракети? Чи відбувався б рух реактивного двигуна, якщо б камера згоряння не мала отвору?

128. Космічні ракети значну частину свого шляху рухаються за межами земної атмосфери. Поясніть, чому рух ракет можливий у безповітряному просторі (мал. 102).

Мал. 102

129. Скількох людей позбавляє кисню автомобіль, що протягом 4 год рухається зі швидкістю 80 км/год? Добову норму кисню для однієї людини він споживає на ділянці шляху 2,5 км.

130. Сучасний реактивний лайнер за 1 год польоту спалює 8 т кисню. На скільки біднішим на кисень стане повітря, якщо такий літак пролетить відстань 2550 км зі швидкістю 850 км/год?

131. Осі машин і механізмів під час роботи нагріваються. Яка причина цього нагрівання і які способи усунення її? Які зміни енергії відбуваються при цьому?

132. Існує такий спосіб зварювання деяких деталей: на токарному верстаті одну деталь закріплюють у задній бабці верстата, а другу, притискуючи до першої, швидко обертають разом з його шпинделем. Коли місце дотику деталей нагрівається до плавлення, деталі стискують і зварюють. Поясніть, які зміни енергії відбуваються при цьому.

133. Заточуючи на точилі зубило, доводиться кілька разів занурювати його у воду. Для чого це роблять? Які зміни енергії відбуваються при цьому?

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Перший тепловий двигун - еоліпіл - сконструював давньогрецький учений Герон Александрійський, який жив у І ст. (мал. 103). Цей прилад був металевою кулею з двома зігнутими трубками. У кулю наливали воду і розпалювали під нею вогонь. Коли утворена пара виходила з трубок, то куля починала обертатися.

До середини XVIII ст. вся фізична робота виконувалася лише силою м'язів людини або свійських тварин, а також природними силами вітру та води, що падає. Одним із найперших парових насосів, які призначалися для відкачування води із шахт, був насос (мал. 104), який сконструював у кінці XVII ст. англієць Томас Севері.

Мал. 103

Мал. 104

Принцип роботи такого насоса: із котла В пара через трубку D і кран С надходить у резервуар S і витискає з нього воду через клапан a і трубку А. Після цього резервуар S відключали від котла і охолоджували водою. Пара конденсувалася в резервуарі, у результаті чого по трубці F вода всмоктувалася і через клапан b надходила в резервуар S, звідки вона знову витискувалася парою по трубці А. Паровий насос Севері поширився на початку XVIII ст., удосконалені його варіанти застосовувалися на шахтах аж до середини XIX ст.

Досконалішу парову машину (так звану атмосферну машину) сконструював у 1705 р. англійський коваль Томас Ньюкомен.

Машина Ньюкомена (мал. 105) вже мала основні деталі парової машини - циліндр і поршень. Вона працювала так: у циліндр із поршнем через трубку із краном надходила пара з парового котла і своїм тиском піднімала поршень у верхнє положення. Потім кран перекривався, відділяючи тим самим циліндр і паровий котел. У циліндр через другий кран, який у той момент відкривався, вприскувалася холодна вода. Пара конденсувалася, і під дією атмосферного тиску поршень опускався вниз. Потім процес повторювався. Таким чином, плече коромисла, з'єднане з поршнем, то піднімалося, то опускалося. Водночас друге плече коромисла надавало руху насосу, який відкачував воду.

Мал. 105

Мал. 106

Машини Севері й Ньюкомена мали два істотних недоліки: 1) машина виконувала роботу лише під час руху поршня в одному напрямку; 2) потрібно було весь час закривати та відкривати крани, тобто машина працювала не автоматично.

У 1765 р. англійський винахідник Джеймс Ватт (1736-1819) сконструював парову машину (мал. 106), яка мала один циліндр із поршнем. Пара впускалася позмінно то з одного боку поршня, то з другого, що досягалося застосуванням спеціального механізму.

Цікавий випадок пов'язаний із машиною Ватта. Одного разу власник невеличкої шахти домовився з винахідником, що той поставить свою парову машину для відкачування води із шахти. Досі таку роботу на шахті виконували коні.

- Ваша машина повинна за годину викачувати води не менше, ніж мій кінь, - сказав власник.

- Добре, - погодився Ватт - якщо так, то потужність вашого коня приймемо за одиницю.

У день випробувань кінь упав від утоми. Відтоді у техніці існує така одиниця потужності - кінська сила. Ватт виміряв цю одиницю потужності, встановивши, що за 1 хв звичайний кінь піднімає вантаж масою 60 кг на висоту 67,5 м. Ім'я Ватта увічнено в назві одиниці потужності - один ват.

ПЕРЕВІРТЕ СВОЇ ЗНАННЯ

Контрольні запитання

1. Як можна змінити внутрішню енергію тіла?

2. Чому теплопровідність пухкого снігу менша, ніж злеглого?

3. У який час доби вітер дме в море, а в який - на сушу?

4. Чому скафандри космонавтів та астронавтів мають сріблясто-білий колір?

5. Потрібно нагріти 1 кг води і 1 кг олії на 1 °С. На що потрібно затратити більше енергії?

6. У якому стані перебуває срібло за температури 900 °С?

7. Чи можна отримати золоту пару?

8. Чому в набоях використовують порох, а не інші горючі речовини?

9. Яке паливо є найенергетичнішим?

10. Який двигун є ефективнішим: дизельний чи карбюраторний?

11. Які зміни енергії відбуваються в реактивному двигуні?

12. Якими способами можна збільшити ККД двигуна?

Що я знаю і вмію робити

Я знаю, як можна змінити внутрішню енергію тіла.

1. Назвіть спосіб зміни внутрішньої енергії тіла в таких випадках:

а) внутрішня енергія тіла збільшується, якщо виконується робота над тілом;

б) процес, за якого відбуваються зміни внутрішньої енергії, а робота не виконується;

в) внутрішня енергія тіла зменшується, коли тіло виконує роботу.

2. 1 кг води і 1 кг заліза нагріли на 1 °С. На скільки змінилася їхня внутрішня енергія і як цю зміну пояснити з точки зору молекулярної будови речовини?

Я вмію визначати, яку кількість теплоти потрібно затратити для того, щоб нагріти, розплавити і випарувати тіло, або яка виділяється під час повного згоряння палива.

3. Яка кількість теплоти потрібна для нагрівання чавунної деталі від 20 до 320 °С, якщо її маса дорівнює 2 кг?

4. Чи можна розплавити 12 кг олова, затративши 120 000 кДж енергії?

5. Яку енергію потрібно затратити, щоб випарувати за температури кипіння 3 кг води, температура якої 20 °С?

6. Чи вистачить 100 г бензину, щоб довести до кипіння 0,5 кг води, температура якої 20 °С? ККД теплового нагрівача дорівнює 25 %.

Я вмію будувати графіки.

7. В алюмінієвому чайнику нагрівають воду. Побудуйте схематичні графіки залежності кількості теплоти від часу нагрівання:

а) чайника; б) води.

Я знаю, які є види теплових двигунів.

8. Чим відрізняється двигун внутрішнього згоряння від реактивного?

Я вмію виконувати досліди.

9. Налийте у велику каструлю води і доведіть її до кипіння. Помістіть у неї меншу каструлю з холодною водою. Чи закипить вода в меншій каструлі? Обґрунтуйте результат.

10. У воду, температура якої 0 °С, укиньте лід, температура якого така сама, як і води. Чи зміниться температура води? Чому?

Я знаю, як відбуваються зміни енергії.

11. Поясніть, чому колесо турбінки (мал. 107) обертається.

12. Які зміни енергії відбуваються в газовій турбіні?

Мал. 107

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ

Варіант 1

1. Який рух називають тепловим?

А упорядкований рух частинок, з яких складаються тіла

Б безладний рух частинок, з яких складаються тіла

В прямолінійний рух тіла

Г нерівномірний рух тіл

2. Залізничні рейки або інші металеві балки виготовляють способом прокату. Для цього розігрітий до білого розжарення сталевий виливок пропускають між котками-вальцями, на поверхні яких є канавки відповідно до форми рейки, і він, деформуючись, набирає потрібної форми. Сталевий виливок пропускають крізь вальця по кілька разів, не нагріваючи його додатково. За рахунок чого підтримується потрібна температура сталі під час прокату?

A за рахунок виконуваної механічної роботи

Б за рахунок внутрішньої енергії

B за рахунок теплопровідності

Г правильної відповіді немає

3. Чому глибокий пухкий сніг захищає озимину від вимерзання?

А тому, що він має високу теплопровідність

Б тому, що він має низьку теплопровідність

B у пухкому снігу є багато повітря, яке погано проводить тепло

Г правильної відповіді немає

4. Чи змінюється температура тіла, якщо воно поглинає більше тепла, ніж випромінює?

А тіло нагрівається

Б тіло охолоджується

В температура тіла не змінюється

Г правильної відповіді немає

5. Кількістю теплоти називають внутрішню енергію, яку…

А тіло отримує від іншого під час теплообміну

Б має тіло

В тіло отримує або втрачає під час теплообміну

Г отримує тіло під час виконання над ним роботи

6. Свинець плавиться за температури 327 °С. Що можна сказати про температуру кристалізації (тверднення) свинцю?

А вона також дорівнює 327 °С

Б вона нижча від температури плавлення

B вона вища від температури плавлення

Г правильної відповіді немає

7. Випаровування відбувається…

А тільки за температури кипіння

Б за будь-якої температури

В за певної температури для кожної рідини

Г за високих температур

8. Унаслідок повного згоряння сухих дров виділилось 50 000 кДж енергії. Скільки дров згоріло?

А 50 кг

Б 0,5 кг

В 5 кг

Г 500 кг

9. Горюча суміш, яка надходить у циліндр двигуна автомобіля, складається з…

А різних видів рідкого палива

Б суміші гасу з повітрям

В повітря і парів бензину

Г масла і бензину

10. Кулька, піднята на деяку висоту, падає в пісок і застряє в ньому. Зміни якого виду енергії при цьому відбуваються?

A потенціальної і кінетичної

Б потенціальної і внутрішньої

B кінетичної і внутрішньої

Г потенціальної, кінетичної і внутрішньої

11. Під час удару молотом об ковадло виконано роботу 15 Дж. Яку кількість внутрішньої енергії отримало ковадло?

А менше ніж 15 Дж

Б 15 Дж

В більше ніж 15 Дж

Г правильної відповіді немає

12. Маємо бензиновий двигун внутрішнього згоряння і дизельний. Який з двох двигунів має більший ККД?

А двигун внутрішнього згоряння

Б дизельний

В однаковий в обох

Г правильної відповіді немає

Варіант 2

1. Чи змінюється внутрішня енергія води в морі з настанням ночі?

A збільшується

Б зменшується

B не змінюється

Г правильної відповіді немає

2. Під час деформації тіла змінилось тільки взаємне розташування молекул. Чи змінилася при цьому температура тіла і його внутрішня енергія?

A температура тіла збільшилася, а внутрішня енергія не змінилася

Б температура і внутрішня енергія тіла не змінилися

B температура тіла не змінилася, а внутрішня енергія збільшилася

Г правильної відповіді немає

3. Сидячи біля багаття, ми зігріваємося, відчуваємо, як передається тепло від багаття до нашого тіла. Який це вид теплообміну?

A теплопровідність

Б конвекція

B випромінювання

Г теплопровідність і випромінювання

4. Чи можна передбачити, який напрямок матиме вітер біля моря в спекотний літній день?

A не можна

Б із моря на сушу

B із суші на море

Г правильної відповіді немає

5. Кількість теплоти, яка витрачається на нагрівання тіла, залежить від…

А маси, об'єму і роду речовини

Б значення зміни температури, густини і роду речовини

В роду речовини, його маси і значення зміни температури

Г маси тіла, його густини і значення зміни температури

6. На поверхні Місяця в місячну ніч температура опускається до -170 °С. Чи придатні для вимірювання температури на Місяці ртутний і спиртовий термометри?

A не придатний жоден з них

Б придатний тільки спиртовий

B придатний тільки ртутний

Г правильної відповіді немає

7. Чи випаровується вода у відкритій посудині за температури 0 °С?

A випаровується, випаровування відбувається за будь-якої температури

Б не випаровується, тому що за температури 0 °С вода замерзає

B не випаровується, тому що утворення пари відбувається під час кипіння

Г правильної відповіді немає

8. Спалили 0,2 кг водню. Яку кількість води можна нагріти від 0 до 100 °С?

А 65 кг

Б 70 кг

В 40 кг

Г 57 кг

9. Двигун внутрішнього згоряння працює на…

А нафті

Б кам'яному вугіллі

В бензині

Г гасі

10. Які зміни енергії відбуваються під час падіння метеорита?

A потенціальної і кінетичної

Б потенціальної і внутрішньої

B кінетичної і внутрішньої

Г потенціальної, кінетичної і внутрішньої

11. Під час гальмування поїзда було виконано роботу 150 000 кДж. Яка кількість теплоти виділилася в гальмах?

A менша від 150 000 кДж

Б більша за 150 000 кДж

B 150 000 кДж

Г правильної відповіді немає

12. На практиці використовують установки, у яких застосовують водень і природний газ. Яка з установок має більший ККД?

A та, що працює на водні

Б та, що працює на природному газі

B однаковий в обох

Г правильної відповіді немає





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити