§ 16. Перетворення енергії в теплових процесах

Bи дізнаєтесь

Перетворення енергії в теплових процесах. Здавна люди займалися конструюванням механізмів, які допомагали виконувати важку роботу. Спочатку вони використовували прості механізми — важелі, похилу площину, блоки тощо.

Відтоді як людство пізнало закономірності перебігу теплових явищ, учені намагались винайти спосіб використання теплової енергії, зокрема перетворення її в механічну.

Пригадаймо, що нам відомо про перетворення енергії. Вивчаючи механічні явища в 7 класі, ви переконалися, що кінетична енергія тіла може перетворюватися в його потенціальну енергію й навпаки. Отже, якщо тіла взаємодіють в ізольованій системі, то їхня повна механічна енергія зберігається: E_k +E_ll = const.

У природі та техніці можна спостерігати багато фізичних явищ і процесів, у яких відбувається не лише перетворення складових механічної енергії, а й взаємоперетворення інших її видів.

На початку вивчення теплових явищ ми з’ясували, що механічна енергія тіла може перетворюватись у його внутрішню енергію. Шайба, що вільно ковзає по льоду, із часом зупиниться під дією сили тертя. Її кінетична енергія не зникне, а перетвориться в теплову: температура шайби та льоду дещо підвищиться.

Отже, можливий і зворотний процес: перетворення внутрішньої енергії тіла в механічну.

Переконаємось у цьому на дослідах. Візьмемо циліндр із поршнем, покладемо на нього вантаж, наприклад гирю, і почнемо нагрівати газ у циліндрі під поршнем (мал. 63, а). З підвищенням темпе-

ратури газу поршень почне поступово рухатися вгору, оскільки внаслідок нагрівання газ розширюється. Отже, під час теплообміну газ виконує механічну роботу, піднімаючи вантаж на певну висоту. Якщо нагрівання припинити, то завдяки теплообміну з навколишнім середовищем його температура й об’єм зменшуватимуться, а поршень почне рухатися вниз.

Як «робоче тіло» може бути використана і звичайна вода (мал. 63, б). Унаслідок нагрівання вода закипає, тиск утвореної водяної пари збільшується і вона виштовхує поршень. Отже, унаслідок нагрівання збільшується внутрішня енергія води, яка згодом перетворюється на пару. Внутрішня енергія пари переходить у механічну енергію поршня, за рахунок якої виконується механічна робота.

Принцип дії теплової машини. На принципі перетворення теплової енергії в механічну завдяки виконанню роботи побудована дія всіх теплових машин. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни тощо. З 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.

У1824 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 й пари бензину в двигунах внутрішнього згорання), і охолоджувача (яким часто є навколишнє повітря) (мал. 64).

Коефіцієнт корисної дії теплової машини. У 1851 р. англійський фізик Уільям Томсон (лорд Кельвін) сформулював закон, який відіграв вирішальну роль у створенні теплових машин. Цей закон ще називають законом збереження енергії в теплових процесах.

t    I

У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл.

Це означає, що неможливо створити так званий вічний двигун, тобто теплову машину, яка б діставала енергію у вигляді теплоти від одного тіла і 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.

Затраченою енергією є кількість теплоти, яка надається нагрівнику Q₁.

Корисною енергією є механічна робота, виконана тепловою машиною А. За законом збереження енергії ця енергія дорівнює різниці кількості теплоти Q₁, яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q₂, яку віддає робоче тіло охолоджувачу: A = Q₁-Q₂.

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

Оскільки виконана робота А завжди менша за надану кількість теплоти Q₁, 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

Дія всіх теплових машин (двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни) ґрунтується на перетворенні теплової енергії в механічну завдяки виконанню роботи.

Теплова машина конструктивно має складатися з нагрівника (джерела теплоти), робочого тіла, яке виконує роботу (наприклад, пара в парових двигунах або суміш повітря і пари бензину в двигунах внутрішнього згорання), й охолоджувача (яким часто є навколишнє повітря).

У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл.

Кожна теплова машина характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД), який визначає її спроможність перетворювати теплову енергію в механічну роботу:

А знаю, вмію та можу поясними

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? Чому не можна створити вічний двигун?

5.    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?

3.    Поясніть, які перетворення енергії відбуваються під час пострілу з гармати.

13 ІСТОРІЇ ВИНАЙДЕННЯ ТЕПЛОВИХ МАШИН

Перша теплова машина — це винахід англійця Джеймса Ватта, котрий у 1784 р. створив паровий двигун, що тривалий час приводив у рух паровози та пароплави й навіть перші автомобілі та літаки.

Промислова революція XVII—XVIII ст., яку часто називають епохою великих відкриттів, докорінно змінила життя на нашій планеті. Головним наслідком цього стало остаточне падіння феодалізму і зміцнення капіталістичних виробничих відносин. Парова машина Джеймса Ватта, як кажуть, «розкрутила колесо історії» до небувалих обертів. В Англії, а потім і в континентальній Європі та Північній Америці почали використовувати теплову енергію для надання руху заводським механічним агрегатам. З’явилися перші теплові машини-двигуни, швидко розповсюдилися парові машини. Наступним етапом технічної революції стало створення двигунів внутрішнього згорання, парових, газових і парогазових стаціонарних турбін, авіаційних і транспортних газових турбін, реактивних і ракетних двигунів. Але все це буде набагато пізніше. A XVIII ст. називають «золотим століттям водяної пари і заліза». Поряд із розвитком практичної теплотехніки розвиваються її теоретичні основи — теорія теплових двигунів, або, як тепер її називають, технічна термодинаміка. Уже в XIX ст. на основі спостережень за тепловими явищами й роботою теплових машин Джеймс Джоуль, Юліус Роберт фон Майер, Герман фон Гельмгольц, Саді Карно, Рудольф Клаузіус встановили перший і другий закони термодинаміки, що лягли в основу цієї фундаментальної дисципліни, яка вивчає взаємне перетворення теплової та механічної енергії.

Однак навіть швидке зростання кількості парових машин та їх безупинна модернізація вже наприкінці XIX от. були не в змозі задовольнити потреби економіки в енергетичних потужностях. Очевидними стали відомі недоліки перших парових машин: низький ККД, велика витрата палива, передача механічної енергії від машин до верстатів через складні й ненадійні системи, несприятливі екологічні наслідки. Атмосфера міст із тисячами заводських димарів стала майже непридатною для повсякденного перебування людей. Але з кризових явищ завжди є вихід: у 1831 р. відкрито спосіб перетворення механічної енергії в електричну. Починається нова ера — ера електрики. Про властивості електричної енергії ви дізнаєтесь із наступного розділу нашого підручника.

ВЧИМОСЯ РОЗВ'ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

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

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: η = 24 %.

Визначте потужність двигуна автомобіля, якщо витрата бензину становить 40 л на 70 км шляху за умови, що середня швидкість руху автомобіля дорівнює 36 км/год. ККД двигуна — 22,5 %.

Розв’язання:

Записуємо вираз для

ККД двигуна:

де корисну роботу визначаємо через потужність A = Nt_f а затрачену

енергію — як кількість теплоти, що виділяється внаслідок згорання палива: Q = mq .

Масу палива знайдемо через густину: т = pF .

Час роботи двигуна визначаємо як час руху:

Із таблиць записуємо значення питомої теплоти згорання бензину 46 МДж/кг та його густину 710 кг/м^а.

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 %.

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна