Підручник Фізика 8 клас - А. М. Сердюченко - Освіта 2016 рік

Розділ 2. Зміна агрегатних станів речовини

ЧАСТИНА І. ТЕПЛОВІ ЯВИЩА

§ 19. Робота газу й пари за їх розширення. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна. Двигун внутрішнього згоряння

Думки вголос

Я вивчу фізичні основи роботи теплових двигунів. Я зможу дати відповіді на такі запитання:

• Як використати запаси внутрішньої енергії на користь людині?

• Як за рахунок внутрішньої енергії виконати механічну роботу?

Відповідь на ці запитання можна отримати з результатів таких фізичних дослідів.

Дослід 1. Наллємо трохи води в пробірку, закоркуємо її і нагріватимемо її у полум’ї спиртівки. З часом вода закипить, і сила тиску утвореної пари виштовхне пробку (мал. 72).

Висновок. Унаслідок розширення пари була виконана механічна робота з переміщення пробки на деяку відстань.

Мал. 72. Виконання механічної роботи парою

Дослід 2. Візьмемо циліндр із добре припасованим поршнем, на якому встановлено гирю (мал. 73, а). Нагріватимемо газ під поршнем. Через деякий час сила тиску газу на поршень переважить вагу гирі й внаслідок розширення нагрітого газу поршень підніметься і перемістить гирю вгору.

Висновок. Унаслідок нагрівання газ виконує механічну роботу з переміщення вантажу на певну висоту.

Якщо припинити нагрівання, газ під поршнем охолоне, сила тиску газу стане меншою за вагу гирі, поршень буде опускатися, механічну роботу при цьому виконує сила ваги (мал. 73, б).

Мал. 73. Унаслідок нагрівання газ у циліндрі виконує механічну роботу

Такий спосіб перетворення теплової енергії в механічну шляхом виконання роботи покладено в основу дії теплових двигунів.

Тепловий двигун — це машина, що частково перетворює внутрішню енергію палива на механічну енергію.

1824 року французький вчений Саді Карно встановив, що тепловий двигун повинен складатися із таких частин (мал. 74): нагрівач (джерело тепла), робоче тіло (газ або пара), охолоджувач (зокрема, зовнішнє середовище).

Від нагрівача передається кількість теплоти Q1 робочому тілу, завдяки чому воно нагрівається до температури t1 і розширюється. При цьому робоче тіло, наприклад, рухає поршень у циліндрі і виконує механічну роботу.

Щоб тепловий двигун виконував роботу тривалий час, він має працювати періодично, повертаючи робоче тіло у вихідний стан.

Для повертання поршня в циліндрі у вихідне положення використовується частила вже одержаної механічної енергії. При цьому вона витрачається на переміщення поршня і стискання робочого тіла. Чим нижча температура робочого тіла, тим менші ці витрати. Для зниження температури робочого тіла до t2 й потрібний охолоджувач, якому робоче тіло віддає кількість теплоти Q2. У результаті виконана за повний цикл дії теплового двигуна корисна робота буде більша за нуль: А > 0.

Виконана двигуном механічна робота А завжди менша від кількості теплоти Q, що виділяється під час згоряння палива. По-перше, як вказано вище, робоче тіло принципово має передати охолоджувачу певну кількість теплоти, по-друге, завжди є неминучі теплові та механічні втрати енергії (неідеальна теплоізоляція частин машини, подолання сил тертя тощо).

Чим більшу частку від кількості теплоти, що виділилася під час згоряння палива, тепловий двигун перетворює на корисну механічну роботу, тим він ефективніший. Ефективність теплового двигуна визначають фізичною величиною, яку називають коефіцієнтом корисної дії (ККД). Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна позначають малою грецькою літерою (ета).

Мал. 74. Складові теплового двигуна

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають виражене у відсотках відношення корисної роботи А, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q, що виділилася під час згоряння палива:

= ∙ 100%.

Мал. 75. Турбіна

Оскільки А менше Q, то коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна завжди менше за 100 %. ККД перших парових машин становив лише 1 %, ККД двигунів паровозів — 5-7 %, сучасні двигуни внутрішнього згоряння мають ККД 35-40 %.

Більша частина двигунів на Землі є тепловими. Саме вони дають електроенергію, є серцем майже всіх видів швидкісного транспорту. Сучасна людина не може обходитися без них.

Види теплових двигунів Парова і газова турбіна (мал. 75). Застосовують на теплових і атомних електростанціях, у газотурбінних двигунах, в авіації для перетворення теплової енергії в механічну.

Реактивний двигун (мал. 76). Застосовують в ракетах, реактивних літаках.

Мал. 76. Сучасний реактивний двигун літака

Двигун внутрішнього згоряння. Одною з найпоширеніших теплових машин є двигун внутрішнього згоряння, який застосовують в автомобілях, тепловозах, теплоходах, літаках та інших транспортних засобах. У такому двигуні паливо згоряє не ззовні двигуна, а всередині, що дає змогу значно зменшити теплові втрати енергії і підвищити ККД (у сучасних двигунів 20-40 %).

Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ) — теплова машина циклічної дії, у якій паливо згоряє в робочій камері двигуна.

Розглянемо будову найпростішого чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння (мал. 77). Серцем двигуна є циліндр 3, у якому рухається поршень 8, зворотно-поступальний рух якого за допомогою кривошипно-шатунного механізму 9 перетворюється на обертовий рух колінчастого вала 1, на якому встановлено масивний маховик 2. Впускний клапан 5 автоматично відкривається розподільним механізмом у потрібний момент і через нього в циліндр поступає пальна суміш (пара бензину та повітря або горючий газ), яка запалюється свічкою 6 за допомогою електричної іскри. Через автоматичний випускний клапан 7 викидаються в атмосферу відпрацьовані гази.

За температури продуктів згоряння пальної суміші 1600- 1800 °С тиск газу в камері згоряння різко підвищується, внаслідок чого поршень рухається вниз, його рух передається валу й далі — колесам автомобіля.

Кожний цикл роботи двигуна внутрішнього згоряння відбувається за два оберти колінчастого вала і складається з чотирьох послідовних процесів — тактів (мал. 78).

• І такт — впуск. Внаслідок руху поршня вниз відбувається всмоктування пальної суміші через відкритий впускний клапан, випускний клапан при цьому закритий.

Мал. 77. Будова двигуна внутрішнього згоряння:

1 — вісь колінчастого вала;

2 — маховик; 3 — циліндр;

4 — камера згоряння;

5 — впускний клапан;

6 — свічка запалювання;

7 — випускний клапан;

8 — поршень; 9 — кривошипно шатунний механізм

Мал. 78. Робота двигуна внутрішнього згоряння

• II такт — стиснення. Обидва клапани закриті. Під час зворотного руху поршня суміш стискається, її температура підвищується. У верхній точці поршня стиснута суміш запалюється електричною іскрою від свічки запалювання.

• III такт — робочий хід. Обидва клапани закриті. Суміш миттєво спалахує, розширюється і тисне на поршень. За допомогою кривошипно-шатунного механізму рух поршня передається колінчастому валу, з’єднаному з колесами автомобіля. Під час робочого ходу поршня за рахунок внутрішньої енергії продуктів згоряння палива виконується механічна робота.

• IV такт — випуск. Поршень повертається у крайнє верхнє положення, виштовхуючи відпрацьовані гази через відкритий випускний клапан. Впускний клапан при цьому закритий.

Рух поршня під час «неробочих» тактів, а також стиснення пальної суміші відбувається за рахунок накопиченої упродовж робочого ходу кінетичної енергії масивного маховика.

В автомобільних двигунах звичайно встановлюють 4-8 циліндрів, при цьому під час кожного такту в одному чи двох циліндрах відбувається робочий хід, і колінчастий вал по черзі отримує енергію від поршнів. Такі двигуни краще забезпечують рівномірність обертання вала й мають велику потужність (мал. 79).

Мал. 79. Сучасний багатоциліндровий автомобільний двигун

Теплові двигуни і проблеми екології

Використання теплових двигунів пов’язане з великими екологічними проблемами. Під час роботи теплових двигунів найбільшому забрудненню піддається повітря. Тверді частинки пилу і сажі запилюють атмосферу. Це є причиною помітних змін погоди (похолодання, часті тумани і дощі, смог). Викиди сірчистого газу й оксидів азоту є причиною утворення кислотних дощів. Під час роботи теплових двигунів виділяється вуглекислий газ, який разом з парами води призводить до парникового ефекту, підвищення температури на поверхні Землі.

Шляхи зниження забруднення навколишнього середовища:

• замість бензинових двигунів застосовувати електродвигуни, що працюють на акумуляторах, або двигуни, які використовують як паливо водень;

• на теплових електростанціях зменшувати шкідливі викиди;

• пошук чистого палива;

• використання енергії Сонця, річок, вітру, термальних джерел.

Приклад розв’язування задач

Задача. Автомобіль рухається зі швидкістю 72 км/год. Потужність двигуна внутрішнього згоряння 60 кВт, його ККД — 30 %. Визначте витрати бензину на 1 км шляху.

Розв'язання:

Корисна механічна робота, виконана двигуном за рахунок енергії згоряння бензину:

А = N ∙ t.

За означенням ККД теплового двигуна = ∙ 100%, де Q — кількість теплоти, що виділилася в результаті згоряння бензину.

Звідси

В результаті згоряння m кг бензину виділяється кількість теплоти Q = m ∙ q, де q — питома теплота згоряння бензину. З цих виразів випливає: m ∙ q = ∙ 100% = ∙ 100%, звідки маса спаленого бензину m = ∙ 100 %. Час руху автомобіля t = , тоді

З умов задачі

= 0,217 кг.

Відповідь: витрати бензину на 1 км шляху m = 0,217 кг.

Підсумки

• Газ і пара за розширення можуть виконувати механічну роботу — це використовують у теплових двигунах.

• Будова теплового двигуна повинна відповідати схемі: нагрівач — робоче тіло — охолоджувач.

• Основні види теплових двигунів: парова (газова) турбіни, реактивні двигуни, двигуни внутрішнього згоряння.

• ККД (коефіцієнт корисної дії) теплових двигунів знаходиться за формулою = ∙ 100 %, де А — корисна робота, виконана тепловим двигуном в результаті перетворення ним кількості теплоти Q, що виділилася під час згоряння палива.

• Теплові двигуни широко застосовують у машинобудуванні і на електростанціях.

• Використання теплових двигунів гостро пов’язане з екологічними проблемами.

Перевір свої знання

1. У тепловому двигуні виділяється 800 Дж енергії, при цьому витрати становлять 480 Дж. Знайди коефіцієнт корисної дії двигуна.

2. Знайди коефіцієнт корисної дії тракторного двигуна, що розвиває потужність 95 кВт і витрачає за 2 год 50 кг дизельного палива (qдиз.палим = 42 МДж/кг).

3. Знайди коефіцієнт корисної дії парової турбіни потужністю 500 МВт, що за 0,5 год витрачає 87 т дизельного палива.

4. Яку середню потужність розвиває двигун мотоцикла, якщо при швидкості руху 108 км/год витрата бензину складає 3,7 л на 100 км шляху, а коефіцієнт корисної дії 25 %?

Для тих, хто хоче знати більше

— з У розвиток світової ракетно-космічної й авіаційної науки і техніки свій чималий внесок зробили представники українського народу.

Мал. 80. Ракета в польоті

Олександр Засядько

Реактивні двигуни широко застосовують у літальних апаратах: в ракетах, реактивних літаках. Ракета рухається у просторі завдяки дії реактивного двигуна, у якому сила тяги виникає внаслідок відкидання частини власної маси (робочого тіла) без використання речовини з довкілля. Політ ракети не потребує обов’язкової наявності повітряного середовища, тому він можливий також у космічному просторі. Ракети використовують у космічних, метеорологічних дослідженнях, а також у військовій справі (мал. 80).

Одним із піонерів використання ракет у військових цілях був уродженець Полтавщини генерал-лейтенант Олександр Дмитрович Засядько (1779-1837). Розроблені ним військові ракети мали дальність польоту 6 тис. метрів, він підрахував, скільки пороху знадобиться для польоту такої ракети на Місяць, уперше побудував пускову установку для одночасного залпу одразу шістьма ракетами.

Автором першого в світі проекту реактивного літального апарата для польоту людей був уродженець Чернігівщини Микола Іванович Кибальчич (1853-1881). Йому належить ідея застосування реактивного двигуна з рухомою камерою згоряння для керування напрямом польоту. Він розробив проект реактивного апарата для космічних перельотів.

Український учений-інженер Архип Люлька 1938 року з групою інженерів, якою він керував, сконструював двигун РГД1 (повітряно-реактивний), що вперше дав змогу літаку розвинути швидкість до 900 км/год (надзвукова).

Микола Кибальчич

Архип Люлька

Першим космонавтом незалежної України став Леонід Костянтинович Каденюк (1951 р. народження). В період з 19 листопада по 5 грудня 1997 року він здійснив космічний політ на американському БТКК «Колумбія». Під час польоту виконував біологічні експерименти спільного українсько-американського досліду з трьома видами рослин. Крім цього, в космічному польоті виконувалися експерименти Інституту системних досліджень людини за тематикою «Людина і стан невагомості».

Леонід Каденюк

Запуск міжпланетної космічної станції

Міжпланетна космічна станція на орбіті Венери





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