§ 20. Принцип дії теплових машин

У давнину люди користувались в основному природними джерелами енергії. Це були водяні потоки, вітер, тварини і, зрештою, сама людина. Розвиток суспільства вимагав все більше і більше енергії і таким чином стимулював людей шукати інші, часто нетрадиційні, джерела енергії. Таким пошукам сприяло також те, що багато традиційних джерел (енергію рухомої води чи повітряних потоків) не скрізь і не завжди можна було використати. Енергія тварин та людини була недостатньою та незручною до використання.

У кінці XVII і початку XVIII століття багато винахідників почали конструювати механізми, які

використовували внутрішню енергію для потреб людини. Щоб познайомитися із деякими ідеями, які спонукали до створення теплових машин, проведемо досліди.

Візьмемо колбу з водою, яка закрита корком. Через корок проходить скляна трубка (мал. 36), яку потрібно гумовим шлангом з’єднати із рідинним манометром. Поставимо колбу на запалену спиртівку. Відразу ж стане видно, як зміниться висота стовпчиків рідини в колінах манометра. Зміна рівнів обумовлена різницею тисків — всередині колби і зовнішнього атмосферного тиску. Отже, використавши тиск пари, можна перемістити певне тіло, наприклад поршень у циліндрі.

Коли ту ж саму колбу поставити на запалену спиртівку, то із трубки буде виходити струмінь пари. Направимо струмінь пари на крильчатку, яка почне обертатися (мал. 37). Зрозуміло, що коли замість колби буде котел з водою, а замість трубки — спеціальне сопло, то струмінь може обертати колесо з лопастями — турбіну.

Таким чином, ми побачили дві можливості побудови теплових машин, які перетворюють внутрішню енергію у механічну.

Перший паровий насос побудував Томас Севері у 1689 році. З його допомогою викачували воду з глибини 10 м. Томас Ньюкомен у 1712 році побудував парову машину, яка викачувала із шахти 600 літрів води за хвилину.

Англійський інженер Джеймс Уатт у 1769 році отримав патент на пристрій для перерозподілу пари — регулятор Уатта (мал. 38). Це дозволило збільшити продуктивність парових машин, у порівнянні із машиною Ньюкомена.

Завдяки підвищенню ефективності теплових машин почалося їх широке використання у промисловості. Так, в Англії у 1800 році працювало 500 парових машин, а через 10 років їх було вже 5000. У 1818 році пароплав перетнув Атлантику, а у 1825 році в Англії була побудована перша залізниця з локомотивами в яких використовував парові двигуни.

Потреба промисловості вимагала нових, ще більш потужних і ефективних, двигунів. Тому інженери, які були зайняті конструюванням    теплових    машин,

потребували теорії, яка б    вказала    напрям

вдосконалення теплових машин.

Першим, хто вказав на закон, що має бути покладений в основу роботи машини такого типу, був французький військовий інженер Лазар Карно. У 1783 році він опублікував працю, в якій вказав, що таким законом має бути закон збереження енергії.

У1824 році син Лазара Карно —

Саді Карно (1796—1832) опублікував книгу «Міркування про рушійну силу вогню та про машини, які здатні цю силу

розвивати». Ця робота відіграла ключову роль у визначенні ККД теплових машин та вказала напрямки підвищення їх ефективності. У цей період термодинаміка стала загальновизнаною наукою, яка ефективно працювала на підвищення ефективності промислового виробництва.

У роботі Карно формулюються основні поняття термодинаміки у їх довершеній формі. Зокрема, Карно писав, що не знаючи співвідношень одиниць роботи і кількості теплоти та користуючись теорією теплецю, Карно зумів дати відповідь на запитання, що є основним при аналізі роботи теплової машини. Він першим відмітив, що одне нагріте тіло само по собі не може виконати роботу.

Для виконання роботи потрібно ще одне тіло з нижчою, ніж у нагрітого тіла, температурою — холодильник. Розроблений ним метод циклів до цього часу з успіхом використовують для аналізу роботи теплових двигунів.

На сучасному етапі розрізняють три типи теплових машин: теплові двигуни, теплові насоси і холодильні машини.

Теплові двигуни перетворюють теплоту в роботу; теплові насоси за рахунок роботи і зібраної від тіла теплоти нагрівають тіла з вищою температурою; холодильні машини відбирають тепло у тіла і передає його оточуючому середовищу.

Принцип дії теплових машин ґрунтується на перетворенні внутрішньої енергії в інші види енергії, зокрема, в механічну.

1. На чому ґрунтується принцип дії теплових машин? 2. Який закон лежить в основі роботи теплових машин?

? І.Чому ККД перших теплових машин був низьким

(1 —3%)? 2.Винайдення парової машини Дж. Уатта — початок промислової революції (1784 р.). Чому?

1.    За мал. 38 розкажіть, як працює регулятор подачі пари?

2.    Один учень, дізнавшись про ККД теплового двигуна,

сказав:    «Із 80 л бензину в механічну роботу

перетворюється тільки 20 л. Будемо до бензобаку заливати 20 л, а 60 л зекономимо». Це можливо?

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз