§ 17. Теплові двигуни

Ви дізнаєтесь

Теплові двигуни

Двигуни внутрішнього згорання. До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та інші. Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згорання (ДВЗ), який нині широко використовується в різних транспортних засобах, зокрема в автомобілях.

Залежно від виду палива, що використовується у двигуні внутрішнього згорання, і способу його запалення, розрізняють бензинові та дизельні (названі на честь їх винахідника, німецького інженера Рудольфа Дізеля)двигуни.

Розглянемо принцип дії таких двигунів внутрішнього згорання (мал. 65). Основним елементом двигуна є циліндр із поршнем, де відбувається згорання палива. (Як правило, їх кілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни).

Циліндр має два отвори з клапанами — впускним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чотирьох послідовних процесах — тактах, які весь час повторюються (мат. 65).

Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того як поршень досягне нижньої точки, всмоктування патива припиняється. Обидва клапани закриті. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, унаслідок чого її температура підвищується. У верхній точці поршня суміш запатюється іскрою від електричної свічки (у бензинових двигунах) або від високої температури сильно стиснутого газу (в дизельних двигунах). Суміш спала-хує. Унаслідок значного нагрівання газ розширюється й тисне на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогою спеціального з’єднання рух поршня передається колінчастому валу, який з’єднано з колесами автомобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного двигуна завершується, і знову все починається з першого такту.

Різні види двигунів внутрішнього згорання мають широке застосування (мал. 66). У своєму житті ви обов’язково матимете змогу користуватись технікою, що працює за допомогою двигуна внутрішнього згорання.

Вивчити конструктивні особливості, переваги і недоліки таких двигунів ви можете вже сьогодні.

Парова та газова турбіни. Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових й атомних електростанціях використовують турбіни. Турбіни як основний рушійний елемент застосовують також у газотурбінних двигунах, що широко використовуються в авіації. Залежно від робочого тіла (пари або газу) розрізняють парові й газові турбіни.

В основу дії турбін покладено обертання дисків із лопатками під тиском водяної пари або газу.

Схему дії парової турбіни наведено на малюнку 67. На вал 1 насаджено декілька дисків 3 із лопатками 4. Струмені пари, що надходять через сопло 2, послідовно зіштовхуються із лопатками всіх дисків, тиснуть на них і надають турбіні швидкого обертального руху. Відпрацьована пара виходить з отвору 5.

Підбиваємо підсумки

До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни та інші.

А знаю, вмію та можу пояснити

1.    Які види двигунів внутрішнього згорання ви знаєте?

2.    Назвіть процеси, що відбуваються в чотиритактному ДВЗ.

3.    Які бувають турбіни? Що покладено в основу дії парової турбіни? Де використовують турбіни?

4.    Що таке холодильна машина? Який принцип її дії?

ПОЯСНІТЬ

1. У потужних двигунах внутрішнього згорання використовують водяне охолодження, а не повітряне. Чому?

ХОЛОДИЛЬНІ МАШИНИ

Вивчаючи особливості теплообміну між тілами, ви побачили, що у природі теплота переходить від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. За звичайних умов теплота самостійно не може переходити від менш нагрітих (холодніших) тіл до більш нагрітих. Проте всі ви користуєтеся холодильниками, які охолоджують тіла. Як же вони працюють?

Річ у тім, що всі холодильні машини є різновидом теплових машин. У них енергія передається від одного тіла до іншого за рахунок витрат енергії третього тіла, тобто виконання ним роботи. На відміну від інших теплових машин, які виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, у холодильних машинах внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується за рахунок виконання роботи іншим тілом.

Холодильною машиною, або холодильником, називають пристрій, у якому внутрішня енергія забирається в менш нагрітого тіла та передається тілу з більш високою температурою.

Можна вважати, що холодильна машина працює за принципом, «оберненим» до принципу дії теплової машини. Робоче тіло холодильної машини забирає теплоту Q₂ від охолоджувача й передає теплоту O₁ нагрівнику, яким слугує навколишнє середовище. При цьому має місце співвідношення: O₁ = O₂+А, де O₁ — теплота, що передається навколишньому середовищу, O₂- теплота, забрана від морозильної камери, А — робота, яка виконується над робочим тілом холодильної машини.

Дія побутового холодильника заснована на властивості рідин при їх кипінні (випаровуванні) поглинати теплоту й віддавати її при конденсації (перетворенні парів назад у рідину). Подібне явище можна спостерігати, якщо протерти руки одеколоном. Рідина швидко випаровується, і при цьому зменшується її внутрішня енергія — відчувається прохолода.

У холодильнику є спеціальна замкнена вигнута трубка-змійовик, усередині якої за допомогою насоса (компресора) циркулює спеціальний зріджений газ (фреон), його називають холодоагентом.

Частина цієї трубки-змійовика розташована всередині холодильника, а частина — зовні. Коли рідкий фреон компресором прокачується по трубці-змійовику всередині холодильника (випарника), то він випаровується, перетворюється на газ і забирає теплоту у стін змійовика, тобто охолоджує їх і весь простір усередині холодильника.

Коли той самий фреон тим же компресором подається в зовнішню частину трубки-змійовика (конденсатор), то він знову перетворюється в рідину (конденсується), віддає тепло, а потім знову надходить у випарник. За допомогою циркуляції холодоагенту в холодильнику постійно підтримується низька температура — так працює холодильник.

Сьогодні широко використовуються холодильники нового покоління із системою «Без інею» («No frost»), яка запобігає утворенню інею на внутрішніх робочих поверхнях і за якої холодильник не потребує ручного розморожування. У таких холодильниках випарник розміщують у нижній або верхній частині морозильної камери чи за нею. За допомогою турбіни (потужного електромотора з вентилятором) забезпечується циркуляція повітря, яке охолоджується випарником та по спеціальних повітряних каналах подається в морозильну та холодильну камери.

У побутових холодильниках підтримується температура від 0 до -6 ^uC₁ у морозильних камерах до -20 ^uC₁ а у великих промислових холодильниках — до -40 °С. Для отримання низьких температур у лабораторних умовах як охолоджувач використовують рідкий гелій, який за нормального атмосферного тиску кипить за температури -269 °С.

Холодильні машини широко застосовуються у промисловості та побуті. Продукти харчування зберігають у побутових холодильниках і холодильних камерах. Для збереження та транспортування м’ясних і рибних продуктів використовують авторефрижератори, залізничні вагони-рефрижератори та кораблі-рефрижератори.

Рівень А (початковий)

1.    Оберіть формулу, за якою визначають кількість теплоти, що необхідна для плавлення твердого тіла (за температури плавлення).

AQ = cmAt Б Q = Lm В Q = (]гп Г Q = Xm

2.    На великих теплових електростанціях застосовують...

А двигуни внутрішнього згорання

Б реактивні двигуни В парові турбіни Г ядерні реактори

3.    Що відбувається з температурою речовини під час її плавлення? А збільшується

Б зменшується В не змінюється

Г для одних речовин — збільшується, для інших — зменшується

4.    Процес переходу речовини із рідкого агрегатного стану в твердий називається...

А випаровуванням Б конденсацією В кристалізацією Г сублімацією

5.    Речовини, які не мають сталої температури плавлення, називають...

А кристалічними Б аморфними В монокристалами Г полікристалами

6.    Двигун виконав роботу, яка дорівнює 100 кДж, віддавши при цьому в довкілля 300 кДж теплоти. Який ККД цього двигуна?

А 30%

Б 23%

В 33%

Г 25%

Рівень В (середній)

1. За один цикл тепловий двигун виконав роботу, що дорівнює 5 МДж, віддавши при цьому в навколишнє середовище 700 кДж теплоти. Скільки теплоти отримав двигун на початку циклу?

А 6,95 МДж Б 5,7 МДж В 705 кДж Г 570 кДж

2.    Скільки часу триває плавлення твердої кристалічної речовини, яка має графік залежності температури від часу, що зображений на малюнку 68?

А 2 хв Б 4 хв В 6 хв Г 8 хв

3.    Яка кількість теплоти виділяється внаслідок конденсації 2 кг водяної пари, якщо її температура 100 °С?

А 4,6 МДж Б 46 МДж В 23 000 кДж Г 46 кДж

Рівень C (достатній)

1.    З підвищенням температури швидкість випаровування зростає. Це зумовлено:

1)    збільшенням кількості молекул, що мають енергію, потрібну для виходу з рідини;

2)    послабленням сил взаємодії між молекулами.

Виберіть правильні твердження.

А тільки причиною 1 Б тільки причиною 2 В причинами 1 і 2 Г жодною із вказаних причин

2.    У калориметрі міститься вода масою 1 кг, за температури ЗО °С. У калориметр вміщають лід за температури 0 °С. Якою повинна бути маса льоду, щоб він весь розтанув?

3.    Яку кількість теплоти потрібно затратити, щоб 2 кг води за температури ЗО ⁰C нагріти до кипіння та 200 г випарувати?

Рівень D (високий)

1.    Унаслідок нагрівання на газовій плиті 10 л води від 20 °С згоріло 125 г природного газу. На скільки змінилась температура води, якщо ККД плити 0,4?

2.    Автомобіль проїхав 100 км і витратив 6 л бензину. Якою є сила тяги двигуна автомобіля, якщо його ККД — 46 %?

Підсумки до розділу «Теплові явища»

Після вивчення розділу «Теплові явища» вам стали більш зрозумілі ті природні та штучні явища і процеси, що пояснюються особливостями руху й взаємодії часток речовини, її внутрішньою будовою.

Ваші знання теплових явищ і процесів будуть більш цілісними й операційними, коли ви навчитеся їх систематизувати, застосовувати загальні принципи, теорії, ідеї до аналізу конкретних запитань і практичного втілення знань у конкретних життєвих ситуаціях. Особливо такі вміння стануть у пригоді в ситуаціях, коли вам потрібно буде діяти не за інструкцією, а шукати неординарні способи вирішення проблем.

1. Ви можете описати деякі фізичні характеристики речовини, що пояснюються тепловим рухом.

Тепловим рухом називають безперервний, невпорядкований (хаотичний] рух молекул.

Фізичні	Агрегатні стани речовини
характе-	Тверді тіла		Рідини	Гази
ристики	Кристалічні	Аморфні
Розташування молекул у речовині
	Молекули розміщені близько одна до одної — відстані між ними сумірні із розмірами самих молекул		Молекули розташовані досить щільно одна до одної, на відстанях, сумірних із розмірами самих молекул	Молекули розташовані безладно. Відстань між
	Дальній порядок — упорядковане розташування в усьому об'ємі	Ближній порядок — упорядковане розташування тільки між сусідніми молекулами		молекул ЭМИ набагато більша за їхні розміри
Характер теплового руху	Молекули коливаються відносно деяких сталих положень			Вільно
			Можуть здійснювати поступальні рухи	й хаотично рухаються

Ви можете зауважити, що в таблиці подано не всі фізичні характеристики речовини, адже валі доводилося чути, що метали проводять електричний струм, а діелектрики — ні, що вода та скло прозорі й крізь них може проходити світло, що уран — радіоактивний елемент. Це дійсно так. Розширювати свої знання про фізичні властивості речовини ви будете під час вивчення інших розділів фізики. У цьому розділі ви розглянули властивості, що пояснюються на молекулярному (атомарному) рівні, без урахування внутрішньої будови частинок речовини.

2. Ви вмієте описувати теплові характеристики тіл і теплові процеси за допомогою відповідних фізичних величин.

Назва фізичної величини	Визначення	Символ для позначення	Прилад для вимірювання / одиниця	Формула для визначення
Темпера тура	Фізична характеристика теплового стану речовини, з якої складається тіло; визначається середньою кінетичною енергією хаотичного руху частинок речовини	За шкалою Цельсія позначають літерою t	Побутовий термометр / градус Цельсія (1 °С)	—
		За шкалою Кельвіна — літерою T	Термометри / кельвін (1 К) (основна одиниця температури в СІ)
Внутрішня енергія	Енергія руху та взаємодії частинок, з яких складається речовина	U
Кількість теплоти	Частина внутрішньої енергії, яку дістає чи втрачає тіло при теплообміні	Q
Питома тепло ємність речовини	Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна для збільшення температури речовини масою 1 кг на 1 °С	C
Питома теплота плавлення	Фізична величина, що показує яка кількість теплоти необхідна для переходу 1 кг речовини із твердого стану в рідкий за температури плавлення	λ
Питома теплота паро утворення	Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти потрібна, щоб перетворити рідину масою 1 кг у пару без зміни температури	L {або літера г)

Назва фізичної величини	Визначення	Символ для позначення	Прилад для вимірювання/ одиниця	Формула для визначення
Питома теплота згорання	Фізична величина, що показує, яка кількість теплоти виділяється в результаті повного згорання палива масою 1 кг
Коефіцієнт корисної дії нагрівника	Характеризує ефективність використання теплоти і дорівнює відношенню кількості теплоти, що використовується на нагрівання, до кількості теплоти, отриманої внаслідок згорання палива
Коефіцієнт корисної дії теплової машини	Характеризує ефективність перетворення енергії й дорівнює відношенню виконаної роботи А до наданої кількості теплоти Q1

3. Ви знаєте, що внутрішня енергія передається двома способами, і можете пояснити особливості механізмів теплообміну.

4. Ви можете виміряти кількість переданої або отриманої під час теплообміну енергії й переконатись у тому, що для теплових процесів виконується закон збереження енергїі і що енергія може перетворюватися.

Рівняння теплового балансу:

у замкненій системі під час теплообміну одні тіла віддають таку кількість теплоти, яку отримують інші тіла.

Якщо між тілами з різними температурами встановлюється тепловий контакт і зовнішні умови не змінюються, то тіла самі по собі переходять у стан теплової рівноваги — стан, за якого температура набуває для всіх тіл однакового значення.

о-

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

-о

5. Ви знаєте, як на практиці використовують теплові властивості речовини, і можете оцінити вплив теплових машин та інших засобів теплотехніки на довкілля, а також необхідність використання енергозбережувальних технологій.

о

Теплова машина — пристрій для перетворення внутрішньої енергії в механічную.

-L-o

Механічна робота A_y виконана тепловою машиною, дорівнює різниці кількості теплоти Q₁, яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q₂,

яку віддає робоче тіло охолоджувачу: A = Q₁-Q_z.

6. Ви можете оцінити роль видатних учених у розвитку знань про теплоту.

Ь·    ·Μ    ___·

історії дослідження теплових явищ

♦    Чи замислювались ви над тим ,у результаті чого з речовиною відбуваються такі перетворення: із рідини (соляний розчин) утворюється тверде тіло (кристал)?

♦    Чи лише в результаті зміни температури відбуваються зміни агрегатного стану речовини?

♦    Що таке зріджені гази, сухий лід?

♦    Як отримують речовини із заданими властивостями?

Ознайомтесь із цими питаннями, виконуючи проект

«штучні ТА ПРИРОДНІ РЕЧОВИНИ»

♦    А чи знаєте ви, що таке рідкі кристали? Полімери? Наноматеріали?

♦    У яких сучасних пристроях вони використовуються?

♦    Як пов’язані між собою наноматеріали та інформаційні технології?

Дослідіть це, виконуючи проекти «РІДКІ КРИСТАЛИ», «ПОЛІМЕРИ», «НАНОМАТЕРІАЛИ», та поділіться своїми результатами із друзями

Вивчаючи теплове розширення тіл, ви дізналися, що вода має аномальні властивості.

♦ А чи існують інші унікальні властивості води?

Дізнайтеся про це,

виконуючи проект «УНІКАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ ВОДИ»

♦    Якби вам доручили спроектувати будівництво екологічного містечка, які б теплоенергетичні й енергозберігаючі технології ви застосовували?

♦    Як зменшити теплові витрати вашого будинку чи квартири?

З’ясуйте ці питання, виконуючи проекти

«ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ ТЕХНОЛОГІЇ», «ТЕПЛОВІ НАСОСИ», «ЕКОЛОГІЧНІ ПРОБЛЕМИ ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКИ»

Уважно розгляньте інтер’єр та обладнання вашої кухні.^ Вивчивши розділ Теплові явища, спробуйте відповісти на такі запитання:

1.    Чим відрізняються процеси нагрівання в духовій шафі та мікрохвильовій печі?

2.    Чому, якщо дістати з холодильника пляшку мінеральної води, на ній з’являються краплі води?

3.    Якщо рибу покласти в морозильник, вона замерзне. Чому ж риба не замерзає у продовольчих магазинах, коли її кладуть у крихти льоду?

4.    Улітку, щоб приготувати прохолодний напій, ви дістаєте з морозильної камери шматочок льоду і кладете у склянку із соком. Чому лід не розтає відразу, адже температура у склянці із соком — значно вища від 0 °С?

5.    У якій посудині швидше прохолоне гарячий чай: у вузькій і високій чи низькій і широкій? Чому?

6.    Чому ручки сковорідок роблять пластмасовими?

7.    У кулінарних книгах часто пишуть, що для приготування тістечок масло слід розтопити на водяній бані. Поясніть, як це слід робити.

8.    Перед закипанням чайник гуде. Як пояснити це явище?

9.    У каструлях-скороварках вода кипить за температури 120 °С. Яка конструкція таких каструль?

10.    Як готують «льодяники» із цукру?

Готуючись до уроків, для пошуку потрібної інформації ви неодноразово користувались науково-популярними журналами й Інтернетом. Припустимо, що вам трапився такий текст про тверді побутові відходи.

ТВЕРДІ ПОБЧТОВ1 ВІДХОДИ: ПРОБЛЕМА ЧИ ПЕРСПЕКТИВА?

Як правило, тверді побутові відходи (ТПВ) утилізують завдяки спалюванню. В Україні працює всього два сміттєспалювальні заводи — у Києві та Дніпропетровську. Разом вони переробляють на рік аж 6 % (!) утвореного обсягу ТПВ. У результаті згорання сміття в атмосферу потрапляють дуже шкідливі забруднювальні сполуки свинцю, ртуті та інших важких металів. Особливо небезпечні для людини викиди діоксиду, який учені називають «гормоном деградації» або «хімічним СНІДом». Саме з причини утворення діоксиду в багатьох країнах світу сміттєспалювальні заводи заборонені.

Проте ТПВ можуть бути й корисними. З них можна отримати теплову та електричну енергію, якщо їх спалювати, застосовуючи передові очисні технології. У Європі щорічно за рахунок переробки твердих побутових відходів виробляється понад 28 млрд кВт-год електроенергії і приблизно 69 млрд кВт-год теплової енергії. Лідером у цій галузі серед інших європейських держав є Швеція. Програма переробки побутових відходів в електричну і теплову енергію у Швеції набрала таких обертів, що навіть прийнято рішення імпортувати відходи з інших країн, оскільки сама Швеція виробляє недостатньо сміття для забезпечення власних енергетичних потреб.

Україна може продавати тверді побутові відходи в європейські країни або будувати сучасні заводи з їх утилізації. Таким чином, утилізація твердих побутових відходів, з одного боку, є проблемою, а з іншого — створює для нашої країни значні інвестиційні перспективи та економічні заощадження.

Висловіть власні судження, відповідаючи на такі запитання:

1.    Чи відповідає заголовок тексту змісту матеріалу?

2.    Який висновок робить автор щодо проблеми твердих побутових відходів? Які аргументи він наводить на підтвердження своєї думки?

3.    Що, на вашу думку, перспективніше: продавати ТПВ чи будувати в Україні сучасні підприємства з виробництва енергії з ТПВ? Відповідь обґрунтуйте.

4.    Що можете зробити для вирішення проблеми твердих побутових відходів ви особисто? Ваші батьки? Фахівці у цій галузі?

Продовжуємо ознайомлюватися з унікальними влас- ^Λ тивостями нашої планети. Магнітне поле Землі, Земля — гігантський магніт, жива електрика, блискавка, магнітосфера, полярне сяйво, електрон, електричний заряд, електричний струм — ці та багато інших явищ і понять ви вже розглядали на уроках природознавства, біології, хімії, географії. Що ж нового ви дізнаєтесь, вивчаючи електричні явища на уроках фізики?

Ви з'ясуєте, як завдяки дослідженню електричних властивостей речовини, явищ і процесів люди створили пристрої, без яких неможливо уявити побут сучасної людини та стрімкий розвиток цивілізації. Електростанції, електролампи, електродвигуни, електронна техніка, комп’ютери, мобільний та супутниковий зв’язок... Цей перелік можна продовжувати й продовжувати.

В історії земної цивілізації навіть виокремлюють період, який називають «століттям електрики». Отримані впродовж XVII-XIX cm. результати досліджень утворили окремий напрям у фізиці — електродинаміку. А про те. що причиною всіх електричних явищ є унікальна властивість такої частинки речовини, як електрон, стало відомо лише на початку XX cm., коли її вперше було відкрито.

Вивчаючи розділ «Електричні явища», ви дізнаєтеся, що таке електричний струм, які умови необхідні для його існування. Дослідите, чому одні речовини здатні проводити струм краще, ніж інші, які дії може чинити електричний струм і яких правил безпеки слід дотримуватися, користуючись електричними приладами.

Вивчивши цей розділ, ви здобудете знання, які дозволять вам не лише пояснювати електричні явища, а й застосовувати їх у практичній і майбутній професійній діяльності.

Взаємодія заряджених тіл

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Засєкіна