ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ
Якщо взяти скляну пляшку, ополоснути її водою, закоркувати картоплиною, поставити закорковану пляшку в каструлю з водою й нагрівати воду, то за деякий час цей корок вилетить. Чому?
Корок вилітає тому, що при нагріванні вода всередині пляшки випаровується, а повітря розширюється, внаслідок чого тиск усередині значно зростає. Коли сила тиску пари стає більшою за силу тертя, що утримує картоплину, вона виштовхується назовні.
Звідки взялася кінетична енергія корка?
Кінетична енергія корка з’явилася внаслідок перетворення внутрішньої енергії нагрітої пари та повітря на механічну енергію руху.
Які сили виконали роботу під час його виштовхування?
Роботу під час виштовхування корка виконали сили тиску пари та розширеного повітря.
1. Який принцип дії теплових двигунів?
Принцип дії теплових двигунів полягає в тому, що робоче тіло отримує від нагрівника певну кількість теплоти, розширюється і виконує механічну роботу, після чого віддає частину енергії холодильнику.
А ЯК НАСПРАВДІ?
Хто, на вашу думку, має рацію? (щодо того, які пристрої є тепловими двигунами)
На мою думку, рацію мають усі діти, оскільки всі перелічені ними пристрої — від кулі Герона до двигуна автівки — працюють за рахунок перетворення внутрішньої енергії палива або пари на механічну роботу. Хоча пляшка з корком або гармата не є циклічними машинами, вони демонструють той самий фізичний принцип, що лежить в основі дії теплового двигуна.
2. Як визначити ККД теплового двигуна?
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна визначають як відношення корисної роботи до кількості теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива.
ОБГОВОРІТЬ У ГРУПАХ
Що в паровому двигуні, схему роботи якого зображено на рис. 24.3, є нагрівником?
Нагрівником у цій схемі є пальник або камера згоряння, у якій внаслідок спалювання палива робоче тіло отримує теплову енергію.
Що в паровому двигуні, схему роботи якого зображено на рис. 24.3, є робочим тілом?
Робочим тілом у паровому двигуні є водяна пара, яка під час розширення виконує механічну роботу.
Що в паровому двигуні, схему роботи якого зображено на рис. 24.3, є холодильником?
Холодильником у цій системі є навколишнє середовище або холодна вода, яким робоче тіло віддає частину своєї теплової енергії.
Які, на вашу думку, основні втрати енергії в цьому двигуні: втрати палива, теплові втрати чи механічні?
На мою думку, основними в цьому двигуні є теплові втрати, оскільки згідно зі схемою на рис. 24.3 найбільша частина енергії передається довкіллю разом із відпрацьованою парою та через стінки конструкції.
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Що таке тепловий двигун?
Тепловий двигун — це теплова машина, яка працює циклічно і перетворює енергію палива на механічну енергію.
2. Назвіть основні частини теплового двигуна.
Будь-яка теплова машина складається з трьох основних частин: нагрівника, робочого тіла та холодильника.
3. У чому полягає принцип дії теплового двигуна?
Принцип дії полягає в тому, що робоче тіло одержує від нагрівника певну кількість теплоти, за рахунок якої виконує механічну роботу, а залишок теплоти передає холодильнику.
4. Назвіть основні види втрат енергії в теплових двигунах.
Основними видами втрат енергії є теплові втрати, зумовлені неповним згорянням палива та передачею тепла в довкілля, а також механічні втрати на подолання сил тертя всередині двигуна.
5. Дайте означення ККД теплового двигуна.
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна — це фізична величина, що характеризує економічність двигуна й показує, яка частина всієї енергії, що «запасена» в паливі, витрачається на виконання корисної роботи.
6. Чому ККД теплового двигуна завжди менший від 100 %?
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна завжди менший від 100 %, оскільки частина енергії, що виділяється під час згоряння палива, неминуче передається холодильнику (довкіллю). Також у будь-якому двигуні існують додаткові теплові та механічні втрати, зокрема на подолання сил тертя між деталями.
ВПРАВА № 24
1. Під час повного згоряння палива в тепловому двигуні виділилося 500 кДж теплоти. У результаті двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 125 кДж. Визначте ККД двигуна.
Дано:
$Q_{повна} = 500$ кДж
$A_{кор} = 125$ кДж
Знайти:
$\eta$ — ?
Розв’язання: Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна визначається як відношення корисної роботи до повної кількості теплоти, що виділилася внаслідок згоряння палива:
$\eta = \frac{A_{кор}}{Q_{повна}} \cdot 100 \%$
Підставимо значення:
$\eta = \dfrac{125 \text{ кДж}}{500 \text{ кДж}} \cdot 100 \% = 0,25 \cdot 100 \% = 25 \%$
Відповідь: ККД двигуна становить 25 %.
2. Під час роботи теплового двигуна використано 0,5 кг дизельного палива. При цьому двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 7 МДж. Обчисліть ККД двигуна.
Дано:
$m = 0,5$ кг $A_{кор} = 7$ МДж $= 7 \cdot 10^6$ Дж
$q = 42 \cdot 10^6$ Дж/кг (питома теплота згоряння дизельного палива)
Знайти:
$\eta$ — ?
Розв’язання:
Повна кількість теплоти, що виділяється при згорянні палива:
$Q_{повна} = q \cdot m$ $Q_{повна} = 42 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 0,5 \text{ кг} = 21 \cdot 10^6$ Дж $= 21$ МДж
Обчислимо ККД:
$\eta = \dfrac{A_{кор}}{Q_{повна}} \cdot 100 \%$ $\eta = \dfrac{7 \text{ МДж}}{21 \text{ МДж}} \cdot 100 \% \approx 33,3 \%$
Відповідь: ККД двигуна становить приблизно 33,3 %.
3. ККД теплового двигуна становить 20 %. Яку корисну роботу виконає цей двигун, якщо в ньому згорить 10 л бензину?
Дано:
$\eta = 20 \% = 0,2$ $V = 10$ л $= 0,01$ м$^3$
$\rho = 710$ кг/м$^3$ (густина бензину)
$q = 46 \cdot 10^6$ Дж/кг (питома теплота згоряння бензину)
Знайти:
$A_{кор}$ — ?
Розв’язання: Знайдемо масу бензину:
$m = \rho \cdot V$ $m = 710 \text{ кг/м}^3 \cdot 0,01 \text{ м}^3 = 7,1$ кг
Обчислимо кількість теплоти, яка виділиться при згорянні:
$Q_{повна} = q \cdot m$ $Q_{повна} = 46 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 7,1 \text{ кг} = 326,6 \cdot 10^6$ Дж $= 326,6$ МДж
Визначимо корисну роботу: $A_{кор} = \eta \cdot Q_{повна}$ $A_{кор} = 0,2 \cdot 326,6$ МДж $= 65,32$ МДж
Відповідь: Двигун виконає 65,32 МДж корисної роботи.
4. Яку середню потужність розвиває двигун мотоцикла, якщо за швидкості руху 90 км/год витрата бензину становить 4 кг на 100 км шляху? ККД двигуна дорівнює 25 %.
Дано:
$v = 90$ км/год $= 25$ м/с
$m = 4$ кг $s = 100$ км $= 10^5$ м
$\eta = 25 \% = 0,25$
$q = 46 \cdot 10^6$ Дж/кг
Знайти:
$P$ — ?
Розв’язання: Обчислимо повну енергію від згоряння бензину:
$Q_{повна} = q \cdot m$ $Q_{повна} = 46 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 4 \text{ кг} = 184 \cdot 10^6$ Дж
Знайдемо корисну роботу двигуна:
$A_{кор} = \eta \cdot Q_{повна}$ $A_{кор} = 0,25 \cdot 184 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 46 \cdot 10^6$ Дж
Визначимо час руху на дистанції 100 км:
$t = \dfrac{s}{v}$ $t = \dfrac{100000 \text{ м}}{25 \text{ м/с}} = 4000$ с
Обчислимо середню потужність:
$P = \dfrac{A_{кор}}{t}$ $P = \dfrac{46 \cdot 10^6 \text{ Дж}}{4000 \text{ с}} = 11500$ Вт $= 11,5$ кВт
Відповідь: Середня потужність двигуна становить 11,5 кВт.
5. Дізнайтеся про перші теплові машини, створені людиною.
Еоліпіл (І століття н.е.)
Перший відомий прототип створив давньогрецький механік Герон Александрійський. Його пристрій — “куля Еола” — обертався під дією струменів пари. Це була скоріше цікава іграшка, ніж корисний механізм, і практичного застосування тоді не знайшла.
Машина Томаса Севері (1698 р.)
Англієць Томас Севері побудував першу парову машину, яку використовували на практиці. Її називали “вогневою машиною” або “другом шахтаря”. Цей пристрій використовували для відкачування води із затоплених шахт, але він був небезпечним через високий тиск пари.
Машина Томаса Ньюкомена (1712 р.)
Ньюкомен удосконалив ідею Севері, створивши поршневий паровий двигун. Ця машина працювала за рахунок атмосферного тиску (пара створювала вакуум при конденсації) і була безпечнішою, тому широко застосовувалася в Англії понад півстоліття.
Універсальна машина Джеймса Ватта (1769-1784 рр.)
Шотландець Джеймс Ватт зробив революцію, створивши двигун, де пара штовхала поршень, а не просто створювала вакуум. Він додав механізм, що перетворював рух поршня на обертання колеса. Саме ця машина стала основою промислової революції, приводячи в рух верстати та пізніше — паровози.