Підручник Фізика 8 клас - Т.М. Засєкіна - Оріон 2017 рік

Розділ 1 ТЕПЛОВІ ЯВИЩА. ТЕПЛОВІ МАШИНИ ТА МЕХАНІЗМИ

§ 20 Теплові машини

Ви дізнаєтесь

- Як працює теплова машина

Пригадайте

- Приклади перетворення механічної енергії

Теплова машина. У попередньому параграфі ми з’ясували, що перетворення енергії в теплових процесах (за умови, що перетворення відбуваються в замкненій системі без зовнішніх втрат енергії) підпорядковується співвідношенню: кількість теплоти Q, передана системі, йде на збільшення внутрішньої енергії системи ∆U та виконання нею роботи A: Q = ∆U + А .

Першим у практичних цілях використав цей принцип англійський винахідник Джеймс Ватт, котрий у 1784 р. створив першу парову машину, яка тривалий час використовувалась як універсальний двигун, що приводив у рух паровози та пароплави й навіть перші автомобілі та літаки.

Принцип перетворення теплової енергії в механічну завдяки виконанню роботи покладено в основу дії всіх теплових машин. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни тощо. Із часу винайдення ці машини постійно вдосконалюються, але їх будова ґрунтується на закономірностях перетворення теплової енергії в механічну.

Теплова машина — пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічну.

Принцип дії теплової машини. У 1824 р. французький учений Саді Карно встановив, що теплова машина конструктивно має складатися з нагрівника (джерела теплоти), робочого тіла, яке виконує роботу (наприклад, пара в парових двигунах або суміш повітря та пари бензину в двигунах внутрішнього згорання), і охолоджувача (яким часто є навколишнє повітря) (мал. 66).

Коефіцієнт корисної дії теплової машини. У 1851 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) сформулював закон, який відіграв вирішальну роль у створенні теплових машин. Цей закон є основою термодинаміки (теорії теплових процесів), його ще називають законом збереження енергії в теплових процесах, або другим законом термодинаміки.

Мал. 65. Принцип дії теплової машини

Другий закон термодинаміки — у природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл.

Саді Карно (1796-1832)

Французький учений, який уперше визначив максимальний ККД теплової машини

Це означає, що неможливо створити так званий вічний двигун, тобто теплову машину, яка б діставала енергію у вигляді теплоти від одного тіла й повністю передавала її у формі роботи іншому тілу. Отже, для теплових машин (як і для механічних) існує поняття корисної й затраченої енергії. І кожна теплова машина характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД), який визначає її спроможність перетворювати теплову енергію в механічну роботу.

Затрачена енергія — це кількість теплоти, що надається нагрівнику

Корисна енергія — це механічна робота, виконана тепловою машиною А.

Джеймс Ватт (1736-1819)

Англійський винахідник, який отримав патент на пристрій, що давав можливість використовувати енергію пари в промисловості

За законом збереження енергії ця енергія дорівнює різниці кількості теплоти яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q2, яку віддає робоче тіло охолоджувачу: A = Q1 - Q2.

3а означенням, ККД теплової машини дорівнює відношенню виконаної роботи А до наданої кількості теплоти Q1:

Оскільки виконана робота А завжди менша від наданої кількості теплоти то можна зробити висновок, що ККД теплових машин завжди менший від 1.

Інколи ККД визначають у відсотках. Тоді необхідно значення ККД помножити на 100 % . Теплові двигуни мають невисокий ККД, як правило, — 20-30 %.

Підбиваємо підсумки

- Теплова машина конструктивно має складатися з нагрівника, робочого тіла, яке виконує роботу, й охолоджувача.

- Згідно з другим законом термодинаміки, у природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерелатеплової енергії без нагрівання навколишніх тіл.

Я знаю, вмію й розумію

1. Як відбувається перетворення енергії в теплових процесах?

2. Які механізми називають тепловими машинами?

3. З яких конструктивних елементів складається будь-яка теплова машина?

4. Який фундаментальний закон покладено в основу дії теплових машин?

5. Чому не можна створити вічний двигун?

6. Що характеризує ККД теплової машини?

ПОЯСНІТЬ

1. Чи можна створити таку теплову машину, в якій для виконання механічної роботи, що становить 1 Дж, витрачається внутрішня енергія, яка дорівнює 1 Дж?

2. Чому теплові машини мають порівняно низький ККД?

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

Задача 1. Визначте потужність двигуна автомобіля, якщо витрата бензину становить 10 л на 100 км шляху за умови, що середня швидкість руху автомобіля дорівнює 90 км/год. ККД двигуна 25 %.

Розв’язання:

Записуємо вираз для ККД двигуна:

ККД = ,

де корисну роботу визначаємо через потужність A = Nt, а затрачену енергію — як кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива Q = mq.

Масу палива знайдемо через густину m = рV.

Час роботи двигуна визначаємо як час руху: t = .

Із таблиць записуємо значення питомої теплоти згорання бензину 46 МДж/кг та його густину 760 кг/м3.

Формула для ККД набуває вигляду:

Підставляємо значення:

Відповідь: N ≈ 22 кВт.

Задачам 2. Для забезпечення роботи парової турбіни використовується дизельне паливо масою 0,35 кг на 1 кВт ∙ год роботи. Обчисліть ККД турбіни.

Розв’язання:

Записуємо вираз для ККД двигуна:

ККД = ,

де корисну роботу визначаємо

через потужність A = Nt, а затрачену енергію — як кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива Q = mq.

Формула для ККД набуває вигляду:

Із таблиць записуємо значення питомої теплоти згорання дизельного палива, 42 МДж/кг.

Підставляємо значення:

Відповідь: = 0,24.

Вправа 10 °

1. Визначте ККД теплової машини, яка для виконання корисної роботи 250 МДж витрачає 0,85 ГДж енергії.

2. Двигун теплової машини виконав корисну роботу, що дорівнює 2,6 ∙ 108 Дж. Визначте енергію, витрачену двигуном, якщо ККД двигуна 27 %.

3. Двигун теплової машини виконав корисну роботу, що дорівнює 3,6 ∙ 108 Дж, і використав при цьому 40 кг кам’яного вугілля. Обчисліть ККД цього двигуна.

4. Двигун теплової машини потужністю 36 кВт за годину роботи витратив 14 кг гасу. Визначте ККД двигуна.

5. Тепловий двигун отримує від нагрівника щосекунди 14 200 кДж теплоти і віддає холодильнику 12 800 кДж. Який ККД має двигун?

6. Для роботи турбіни, яка розвиває потужність 100 000 кВт, за добу спалюється в топках парових котлів 960 т кам’яного вугілля. Визначте ККД паротурбінної установки.

7. Яку масу бензину витрачає за годину двигун мотоцикла, що розвиває потужність 6 кВт, якщо його ККД дорівнює 15 %?

8. Який ККД тракторного двигуна, якщо витрати дизельного пального становлять 216 г на кіловат за годину?

9. Визначте потужність двигуна автомобіля, якщо витрати бензину становлять 38 л на 100 км шляху за умови, що середня швидкість руху дорівнює 36 км/год. ККД двигуна — 38 %.



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