Народна Освіта » Фізика » § 15. Перетворення енергії в механічних і теплових процесах.

НАРОДНА ОСВІТА

§ 15. Перетворення енергії в механічних і теплових процесах.

Принцип дії теплових машин

Закон збереження і перетворення енергії в механічних і теплових процесах

Принцип дії теплових машин

KKД теплових машин

ЗАКОН ЗБЕРЕЖЕННЯ І ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ В МЕХАНІЧНИХ І ТЕПЛОВИХ ПРОЦЕСАХ. У § δ ми пригадали, що механічна енергія є кількісною характеристикою механічного руху. Повна механічна енергія системи тіл дорівнює сумі їхньої потенціальної та кінетичної енергії. У замкненій системі виконується закон збереження механічної енергії: повна механічна енергія системи тіл залишається сталою, якщо унеможливити дію на них інших тіл. При цьому кінетична енергія може перетворюватися в потенціальну та навпаки.

Ebiex =Ek +En =Const    (15.1)

У природі та техніці можна спостерігати багато фізичних явищ та процесів, у яких відбувається не лише перетворення складових механічної енергії, а й взаємоперетворення інших видів енергії. На практиці механічні системи не є повністю замкненими. Зо-

крема, за рахунок наявності сили тертя частина механічної енергії перетворюється у внутрішню. Наприклад, шайба, що вільно ковзає по льоду, з часом зупиниться під дією сили тертя. Її кінетична енергія не зникне, а перетвориться в теплову, при цьому температура шайби та льоду дещо підвищиться. Тобто механічна енергія тіла перетворюється на його внутрішню енергію.

Отже, якщо в ізольованій системі тіл відбуваються теплові процеси, то її механічна енергія не зберігається. Проте це не означає, що в такому разі порушується фундаментальний закон збереження енергії. Зменшення механічної енергії системи супроводжується збільшенням її внутрішньої енергії. При цьому зміна механічної енергії тіл, що беруть участь у взаємодії, кількісно дорівнює зміні їхньої внутрішньої енергії.

Тому загалом повна енергія системи тіл Eaaana є сумою механічної енергії Eacx та внутрішньої енергії U. Повна енергія враховує не лише енергію макроскопічного руху та взаємодії тіл, а й мікроскопічну енергію руху та взаємодію частинок речовини.

Закон збереження повної енергії для системи, в якій відбуваються не лише механічні, а й теплові (а також хімічні, ядерні та інші) процеси, формулюють таким чином: повна енергія замкнутої теплоізольованої системи тіл зберігається.

= Я»,х +1U = Ek + £„ +'U = const.

Таким чином, для всіх явищ і процесів у природі справджується фундаментальна закономірність:

Енергія у природі не виникає з нічого і безслідно не зникає. Вона лише перетворюється з одного виду в інший, зберігаючи своє значення.

 

ПРИНЦИП ДІЇ ТЕПЛОВИХ МАШИН. Як ви вже знаєте, одним зі способів зміни внутрішньої енергії є виконання механічної роботи. Водночас внутрішня енергія речовини може перетворюватися в механічну. Наприклад, у досліді з пробіркою, заповненою водою і щільно закритою гумовим корком (рис. 15.1), під час нагрівання спиртівкою збільшується внутрішня енергія води.

Вода закипає, тиск пари збільшується, корок вилітає. Внутрішня енергія пари переходить у кінетичну енергію корка. При цьому виконується механічна ро-

бота з його виштовхування, а внутрішня енергія і, відповідно, температура пари зменшується.

 

Енергія, що виділяється під час згоряння палива (у нашому прикладі спирту), переходить у внутрішню енергію води (пари), а пара, розширюючись, виконує роботу з переміщення корка. Отже, теплова енергія перетворюється у внутрішню енергію пари, а та, у свою чергу, — на кінетичну енергію руху корка.

Принцип перетворення внутрішньої енергії в механічну роботу покладений в основу дії теплових машин.

Уперше на практиці цей принцип був використаний при створенні шотландським винахідником Джеймсом Уаттом у 1769 р. парової машини.

Парова машина Уатта впродовж багатьох років залишалася єдиною функціональною тепловою машиною, що використовувалася для промислових потреб. За її

допомогою видобували вугілля, приводили в рух млини, пилорами, ткацькі верстати, поїзди й пароплави (рис. 15.2).

Таким чином, тепловими називають машини, в яких енергія згоряння органічного палива перетворюється в механічну роботу. Всі теплові машини складаються з трьох основних частин: робочого органа, передавального механізму та пристрою, в якому певний вид енергії перетворюється в механічну роботу.

 

Теплові машини набули широкого використання на транспорті, у виробництві, сільському господарстві, теплоенергетиці, житлово-комунальному господарстві.

За призначенням теплові машини поділяються на два основних типи: теплові двигуни та холодильні установки.

ККД ТЕПЛОВИХ МАШИН. У курсі фізики сьомого класу ви ознайомилися з поняттям «коефіцієнт корисної дії» (ККД) на прикладі роботи простих механізмів. Нагадаємо, що ККД механізму — це фізична величина, що показує ефективність його роботи і чисельно дорівнює відношенню корисної роботи до витра-

ченої (повної) роботи: η = —— 100%. Конструкторам вдається

створювати машини та механізми з ККД, що дорівнює 98—99 %.

Разом із тим ККД теплових машин порівняно невисокий. Як правило, він не досягає 50 %. Так, ККД більшості поршневих теплових двигунів не перевищує 35 %, а теплових турбін — 40 %. На практиці це означає, що більше половини енергії, яка виділяється під час згоряння палива, втрачається.

Однією з основних причин низького ККД теплових машин порівняно з іншими механізмами є особливості конструкції їхнього теплового двигуна. Теплова енергія згоряння палива не може повністю перетворюватися в механічну енергію. Відповідно, механічна робота не буде максимальною. Газ, який отримує енергію внаслідок згоряння палива, не може її цілком перетворити в

 

механічну енергію. Після виконання механічної роботи при розширенні газ, що виводиться з двигуна, має досить високу температуру й, відповідно, значний запас внутрішньої енергії. Ця внутрішня енергія передається в навколишнє середовище.

Отже, принципово неможливо всю теплову енергію, отриману" під час згоряння палива, перетворити в механічну. Водночас розсіювання значної частини теплової енергії в навколишньому середовищі спричиняє екологічні проблеми, пов’язані з використанням теплових машин.

Одним із напрямів підвищення ККД використання енергії згоряння палива є поєднання кількох теплових машин. Наприклад, на теплових електроцентра-лях вдається використовувати більш як

80 % енергії згоряння палива.

 

Для виробництва електроенергії використовується близько 22 %, застосування гарячої газової суміші для виробничих потреб становить близько 18 %, на обігрів житлових і виробничих приміщень надходить близько 40 % енергії згоряння палива.

Проблема підвищення ККД теплових машин є однією з найактуальніших для теплоенергетики та техніки. У 1824 р. французький учений Саді Карно визначив загальну схему створення теплової машини. Будь-яка теплова машина має складатися з нагрівника (джерело теплоти), робочого тіла, що виконує роботу (пара,

газ), і охолоджувача (в багатьох випадках це навколишнє середовище — атмосфера) (рис. 15.3).

С. Карно науково обґрунтував, що в кожній тепловій машині можна отримати корисну роботу тільки тоді, коли енергія завдяки теплообміну переходить від гарячого до холодного тіла. При цьому лише тільки частина теплової енергії може використовуватися на виконання механічної роботи. Тобто теплова машина може виконувати роботу лише тоді, коли температура нагрівника буде більшою за температуру охолоджувача. Виконана тепловою машиною робота А дорівнюватиме

Як бачимо з цього рівняння, ККД теплової машини завжди менший за одиницю або за 100 %. Вищого значення ККД за таких значень температури нагрівника та охолоджувача отримати неможливо. У реальних умовах ККД є значно нижчим унаслідок різноманітних втрат енергії: П<‘Пмакс·

*У 1851 р. англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін) сформулював твердження, важливе для конструювання теплових ма-

шин: у природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теп лот и.

Це означає, що неможливо створити «вічний двигун», який би міг перетворити в роботу всю надану йому теплову енергію.

Головне в цьому параграфі_

Тепловими називають машини, в яких енергія згоряння палива перетворюється в механічну роботу.

За призначенням теплові машини поділяються на два основних типи: теплові двигуни та холодильні установки.

Будь-яка теплова машина має складатися з нагрівника (джерело теплоти), робочого тіла, яке виконує роботу (пара, газ), і охолоджувача (часто це навколишнє середовище — атмосфера).

ККД теплової машини визначається як:

 

ККД теплового двигуна завжди менший за одиницю.

У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплоти. Неможливо створити «вічний двигун», який би міг перетворити в роботу всю надану йому теплову енергію.

Запитання для самоперевірки_

1.    У чому полягає закон збереження й перетворення енергії в механічних і теплових процесах?

2.    Що називають тепловими машинами? Який принцип покладений в основу їхньої дії?

3.    Яке значення мало винайдення теплової машини в розвитку техніки? Де використовувалися найпростіші теплові машини?

4.    Назвіть основні типи теплових машин.

5.    За якою формулою можна розрахувати ККД теплової машини?

6.    Чому теплові машини мають порівняно низький ККД?

7.    Які основні шляхи підвищення ККД теплових машин?

Вправа до § 15

1(п). Поясніть, які перетворення енергії відбуваються під час пострілу з гармати.

2(п). Чи можна створити теплову машину, в якій для виконання механічної роботи 1 Дж витрачається внутрішня енергія 1 Дж? 3(c). Обчисліть ККД теплової машини, яка для виконання корисної роботи 2500 МДж витрачає 0,87 ГДж енергії.

4(c). Двигун теплової машини виконав корисну роботу, що дорівнює

2.6    · 10е Дж. Визначте енергію витрачену двигуном, якщо ККД двигуна 27 %.

5(д). Обчисліть ККД двигуна ідеальної теплової машини, якщо він отримує від нагрівника щосекунди 14 200 кДж теплоти, а віддає холодильнику 12 800 кДж.

6(д). Двигун теплової машини виконав корисну роботу, що дорівнює

3.6    · 10е Дж, і використав 40 кг вугілля. Обчисліть ККД двигуна. 7(в). Двигун теплової машини потужністю 36 кВт за годину роботи

витратив 14 кг гасу. Визначте ККД двигуна.

 

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Головко

 

Категорія: Фізика

Автор: evg от 7-08-2016, 14:28, Переглядів: 7527