§ 21. Теплові двигуни. ККД теплового двигуна

Згідно теорії, вперше запропонованої Саді Карно, будь-який тепловий двигун має взаємозв’язані між собою частини: нагрівник — робочий механізм — холодильник (мал. 40).

Нагрівник — це та частина машини, де вода перетворюється у пару або нагрівається певний газ (на мал. 36 це колба з водою і спиртівка). У нагрівнику формується новий стан тала, яке буде виконувати роботу (на мал. 37, 38 це водяна пара). Найчастіше це водяна пара або газ. Це тіло називають робочим тілом, а пристрій, де робоче тіло виконує механічну роботу — робочим механізмом.

Після робочого механізму робоче тіло потрапляє у холодильник. Часто це звичайний конденсатор, де пара конденсується, і отримана вода знову

повертається до нагрівника. У деяких випадках роль холодильника відіграє атмосфера.

У нагрівнику робоче тіло одержує і накопичує енергію. Роль нагрівача дещо подібна до ролі греблі на гідроелектростанції, з допомогою якої акумулюють великий запас потенціальної енергії. Проте існує і докорінна відмінність у роботі гідроелектростанції і теплової машини. Ця відмінність полягає у наступному. Один літр води отримає однакову кінетичну енергію, падаючи з висоти одного метра, незалежно від того, де цей метр знаходиться: біля вершини водоспаду, посередині його чи внизу. Іншими словами, вимірюючи величину потенціальної енергії води, ми будемо вимірювати різницю рівнів, а не висоту, з якої вода падає.

Зовсім інша справа у тепловій машині. Робота пари при її охолодженні від 100 C до 90 C буде більшою, ніж при охолодженні від ЗОС до 20С. Причина у різних середніх кінетичних енергіях руху молекул, а значить, у тиску пари.

З попереднього параграфа ви знаєте, що С. Карно розробив спосіб переходу робочого тіла з початкового стану у кінцевий — цикл. Після завершення циклу робоче тіло повернеться знову у той же стан, з якого розпочався процес. Усі наступні процеси будуть протікати так, як і перший. Це дуже спростило розгляд особливостей роботи теплової машини.

Адже така машина має певний нагрівач, що підвищує температуру робочого тіла (нехай газу). У робочому механізмі (циліндрі або турбіні) газ розширюється і виконує роботу.

Робоче тіло, виконавши механічну роботу, після робочого механізму потрапляє у холодильник, куди переносить певну кількість теплоти.

Коефіцієнт корисної дії двигуна можна визначити за формулою:

Тут Q_h — кількість теплоти, яку отримало робоче тіло у нагрівнику, Q_x — кількість теплоти, переданої робочим тілом холодильнику. Карно довів, що коефіцієнт корисної дії ідеального теплового двигуна залежить тільки від різниці температур нагрівника і холодильника і може бути підрахованим за формулою

де T₁ — абсолютна температура нагрівника, T₂ — абсолютна температура холодильника. (Подумайте, чому KKД теплового двигуна не може бути рівним 1).

Теплові машини широко використовуються у сільському господарстві, промисловості. Це двигуни внутрішнього згорання, парові турбіни. Пара, що знаходиться в паровому котлі під високим тиском, проходить через парову турбіну, що складається із кількох рядів нерухомих направляючих лопаток і робочих лопаток, які обертаються.

Ефективність парових турбін (мал. 41) була підвищена шведським інженером Густавом Лавалем

який сконструював спеціальні паропроводи (сопла). У цих турбін число обертів вдалося довести до 26000 об/хв. Американський інженер Чарлі Куртіс запропонував ставити декілька турбін на одному валу (мал. 42). Пара з однієї турбіни попадає на наступну і, таким чином, ще раз використовується. Це підвищило ККД машин. У нагрівачі отримана пара має температуру до 600 °С і тиск, що в 200 разів перевищує атмосферний. На виході пара попадає у конденсатор, де конденсується, а вода охолоджується до ЗО С. ККД таких турбін досягає 40 % .

Тепловий двигун виконує роботу за рахунок внутрішньої енергії отриманої при згорянні палива. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна визначається відношенням кількості теплоти, яка перетворилася в роботу, до кількості теплоти, переданої робочому тілу від нагрівника.

1. Назвіть основні складові частини теплової машини.

2. Від чого залежить ККД теплової машини? 3. Чи може бути ККД теплової машини рівним 1?

? 1. Підстрибує і дзвенить. Поясніть явище. За рахунок чого тут виконується робота? 2. Теплова машина має ККД 35%. При цьому корисна робота становить 14 МДж. Скільки МДж становлять втрати? 3. Прокоментуйте вираз «Теплові машини не використовують енергію, вони її розсіюють». 4. Запропонуйте способи підвищення ККД теплового двигуна.

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Гуз