§ 23. Принцип дії теплових двигунів

Механічні машини, винайдені Архімедом, Героном, Леонардо да Вінчі та багатьма іншими відомими й невідомими вченими та винахідниками, полегшували працю людей, даючи змогу переміщувати важкі вантажі. Спочатку для надання ру-

ху різним машинам і механізмам, а також для виконання роботи використовувалася мускульна сила людей і тварини. Пізніше люди навчилися застосовувати енергію вітру та падаючої води у вітряних і водяних млинах, що перемелювали зерно на борошно. Водяні колеса перекачували й піднімали воду, надаючи руху різним механізмам. Проте вітер вщухає, вода замерзає, крім того, механічну енергію води можна використати тільки там, де є річка. Сили тварини та людини обмежені. Тому ще в давнину вчені й винахідники звернули увагу на можливості використання теплової енергії — перетворення її на механічну роботу.

Пристрої, які перетворюють теплову енергію на механічну роботу або механічну роботу в теплоту, називають тепловими машинами.

Теплові машини, які перетворюють теплову енергію в механічну роботу, називають тепловими двигунами.

Розглядаючи перетворення внутрішньої енергії на механічну (§ 21), ми з’ясували, що нагріта пара може виконати роботу — перемістити поршень, підняти вантаж. Це і є найпростіша теплова машина. Замість пари можна використати інший газ. Пару та газ, які виконують роботу у такій машині, називають робочим тілом. Для виконання роботи робочому тілу необхідно передати певну кількість теплоти Q₁ від нагрівника (мал. 1.61, а). Поршень не може переміщуватися як завгодно довго, проте це й не потрібно. Розширення триватиме доти, поки тиск газу в циліндрі не зрівняється із зовнішнім тиском. Частина внутрішньої енергії робочого тіла перетвориться на механічну — буде виконано роботу А з підняття гирі (мал. 1.61, б). Проте після зняття вантажу поршень залишиться у верхньому положенні (мал. 1.61, в). Щоб продовжити виконання роботи (підняти інший вантаж), поршень треба повернути у початкове положення. Для цього слід охолодити робоче тіло, що міститься в циліндрі, і зменшити його внутрішню енергію. Потрібен охолоджувач — холодильник, якому робоче тіло віддасть кількість теплоти Q₂ (мал. 1.61, г), що залишилася після виконання роботи. Потім усе можна повторити спочатку. Отже,

1)    тепловий двигун повинен працювати циклічно;

2)    тепловий двигун повинен мати нагрівник, робоче тіло і холодильник.

Схематично принцип дії теплового двигуна можна зобразити так, як показано на мал. 1.62. Від нагрівника робоче тіло одержує певну кількість теплоти, унаслідок чого його внутрішня енергія зростає. Розширюючись, робоче тіло виконує роботу — його внутрішня енергія частково витрачається на виконання механічної роботи. Щоб двигун міг далі виконувати роботу, його необхідно повернути в початковий стан. Для цього залишок одержаної від нагрівника кількості теплоти потрібно передати холодильнику і зменшити внутрішню енергію робочого тіла до початкового значення.

Можна вважати, що виконана двигуном робота дорівнює різниці між кількістю теплоти, одержаної робочим тілом двигуна від нагрівника Q₁, і кількістю теплоти, відданої холодильнику Q₂, а саме: A = Q₁- Q₂. Зрозуміло, що корисна робота буде ще меншою.

Важливим показником двигуна є його коефіцієнт корисної дії (ККД). ККД теплового двигуна показує, яка частина теплової енергії, що виділилася під час згоряння палива у процесі роботи двигуна, може перетворитися на механічну роботу. ККД двигунів визначають у процентах.

Щоб знайти ККД теплового двигуна, необхідно корисну роботу, виконану двигуном, поділити на кількість теплоти, яка виділилася під час згоряння палива, і помножити на 100 %:

Теплові двигуни використовують у різних галузях народного господарства. Вони надають руху автомобілям, тракторам, кораблям, літакам, потягам, виводять на орбіту космічні кораблі та ін.

ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ

1.    Які двигуни називають тепловими двигунами?

2.    У чому полягає принцип дії теплового двигуна?

3.    Які складові частини повинен мати будь-який тепловий двигун?

4.    Що таке ККД теплового двигуна?

5. У тепловому двигуні для виконання корисної роботи використовується 1 /4 частина енергії, яка виділяється під час згоряння пального. Який ККД цього двигуна?

__    6. Тепловий двигун виконує за цикл роботу 100 Дж.

Яка кількість теплоти отримується при цьому від нагрівника, якщо ККД двигуна 20 %?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Бойко