§ 14. Теплота і робота. Два способи змінення внутрішньої енергії тіла

Якщо швидко потерти руки, тісно притискуючи долоні, то відразу стає тепліше. В даному випадку механічна робота, виконана нами (рух рук з тертям), повністю перейшла в тепло. Наведемо ще один приклад.

ДОСЛІД 14.1

Швидко згинайте і розгинайте шматок товстого дроту (так роблять, коли хочуть його зламати). Доторкніться на мить (щоб не обпектися) пальцем до місця згину. Ви відчуєте, як нагрівся дріт.

Виявляється, що нагріти тіло, тобто збільшити його внутрішню енергію U₁ можна не тільки, привівши його в контакт з більш нагрітим тілом, а й виконуючи над цим тілом механічну роботу. Численні досліди показали, що:

Існує всього два способи збільшити внутрішню енергію тіла U: а) передавши йому певну кількість теплоти Q₁ або б) виконавши над цим тілом механічну

роботу А.

Якщо зміну внутрішньої енергії позначити як U₂ - U_x, то вищенаведене правило можна записати у математичній формі:

Формула (14.1) відображає перший закон термодинаміки - частинний випадок закону збереження енергії для механічних і теплових процесів.

Досі ми користувалися або тільки законом збереження механічної енергії (Е . +E =E = const), або тільки законом збереження кількості теплоти (Q₁ + Q₂ ⁺ Q_i··· ⁼ 0)· 3 появою на озброєнні науки першого закону термодинаміки технічні можливості людства різко збільшилися.

Вчених зацікавило, чи можна перетворювати енергію палива не тільки для нагрівання, а й у механічну роботу? Перший крок зробив англійський фізик і інженер Джеймс Ватт, винайшовши парову машину, з появою якої історики пов'язують початок першої промислової революції.

У подальшому дослідження взаємозв'язку теплоти і роботи дало змогу створити економніші машини, аніж парова. Проте проблема виявилася складнішою, ніж думали, бо внутрішню енергію ніяк не вдавалося повністю перетворити в роботу. Як показали подальші дослідження, є і другий закон термодинаміки: теплоту неможливо повністю перетворити на механічну роботу. В природі існує нерівноправність стосовно взаємних перетворень теплоти і роботи:

У той час, як роботу можна повністю перетворити на тепло, теплота ніколи не може повністю перейти в роботу - це ll-й закон термодинаміки.

Одного літру бензини, спаленої в автомобільному двигуні, вистачає приблизно на 10 км їзди. Проте частина виділеної при згорянні теплоти неминуче передається атмосфері і не перетворюється на механічну роботу, у повній відповідності до обох законів термодинаміки.

ПРИКЛАД Ί4.Ί

М'ячик, який впав з висоти h_{ на підлогу, підстрибнув на меншу висоту/i,. Яка кількість тепла виділилася в результаті стрибка (мол. 14.1)1

Розв'язання. Початкова енергія м'ячика відносно підлоги Е_п] = High_l,а кінцева -становить E_n2 = tngh_rРізниця цих енергій і перейшла у тепло Q₁яке передалося повітрю, м'ячику, підлозі і багатьом іншим предметам і тілам.

Отже: Q = E_tl - E_ii2 = mgh_{ - mgh_r Остаточно: Q = mg(h_{ - Ii₂).

Теплові двигуни

Сьогодні парова машина представляє собою тільки історичний інтерес, а найбільш вживаними є наступні теплові машини: двигун внутрішнього згоряння, реактивний двигун, парова та газова турбіни. Знання законів термодинаміки допомагає встановити межі можливостей цих двигунів і максимально вдосконалювати їх. Знайдено також можливості створення нових типів двигунів, які прямо перетворюють енергію згоряння палива на електричну енергію - МГД-генераторів (магніто-гідро-динамічних машин) -зі значно вищим ККД, за якими майбутнє.

Тепловими двигунами називають машини, які перетворюють частину внутрішньої енергії палива на механічну роботу.

Парова машина

Робоча частина парової машини - циліндр, у якому рухається поршень (мол. 14.2). Поршень шарнірно зв'язаний із шатуном, який знову ж таки шарнірно зв'язаний з ексцентриком (кривошипом), що обертає маховик. Від маховика обертаючий момент передається на колеса паровоза.

Пристрій, що складається із шатуна, кривошипа і маховика, називається

кривошипно-шатунним механізмом.

Кривошипно-шатунний механізм перетворює зворотно-поступальний (простіше кажучи - коливальний) рух поршня в обертальний рух маховика. Маховик запасає кінетичну енергію, яка дає змогу проходити поршневі дві «мертві» точки, в яких обертаючий момент дорівнює нулю, а маховик дозволяє їх успішно пройти.

На обох кінцях циліндра є отвори, які через систему спеціальних клапанів сполучені: один - з паровим котлом, а другий - з теплообмінником. В теплообміннику відпрацьована пара конденсується і знову передається в котел.

Робочий цикл машини починається з того, що пара під високим тиском трубою A₁ яка в цей момент з'єднана з паровим котлом, подається в циліндр. Сила тиску пари рухає поршень доти, доки він не дійде до іншого кінця циліндра. Розподільний механізм впускає тепер пару від котла в праву трубу б, і все повторюється у зворотному порядку, а відпрацьована пара низького тиску виходить через трубу А, яка в цей момент з'єднується з теплообмінником.

На перших машинах спеціально поставлена людина вручну перемикала крани, почергово впускаючи і випускаючи пару. Потім Ватт придумав автоматичний розподільний пристрій.

Двигуни внутрішнього згоряння ДВЗ

Широко використовуються переважно два різновиди двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) - бензиновий і дизельний. Перший бензиновий двигун побудував німецький інженер Ніколас Orro у 1876 році. Інший німецький інженер Рудольф Дизель розробив свій двигун на 11 років пізніше.

Бензиновий двигун внутрішнього згоряння встановлюється на більшості легкових автомобілів. Як і в паровій машині, робоча частина двигуна складається з циліндра з поршнем. Паливо згоряє всередині циліндра під час робочого ходу. Використовується, в основному, суміш бензину з повітрям, яка готується в спеціальному пристрої, що називається карбюратором. На сучасних бензинових двигунах замість карбюратора використовують інжектор, що значно підвищує ККД двигуна і зменшує витрату палива. На багатьох автомобілях використовують природний газ, а в деяких країнах (у Бразилії, наприклад) навіть етиловий спирт.

Конструкція ДВЗ

У металевому корпусі знаходяться циліндри (від одного до дванадцяти залежно від типу двигуна) і «сорочка охолодження». Поршні зроблено з дюралюмінію, на них насаджено пружні стальні кільця, які забезпечують герметичність робочої камери циліндра (мал. 14.3).

Поршні з'єднані через шарніри і шатуни з колінчастим валом, утворюючи кривошипно-шатунний механізм. Призначення цього механізму - перетворювати коливальний рух поршня в обертальний рух вала. На валу знаходиться маховик для згладжування нерівномірних ривків, якими супроводжується робота двигуна. У верхній частині циліндра є впускний і випускний клапани та «свічка» (пристрій для запалювання пальної суміші).

газів, що утворюються після згоряння, різко зростає. Під дією сили тиску поршень рухається вниз, здійснюючи третій такт - робочий хід (в). Потім поршень рухається вгору, при цьому відкривається випускний клапан і відпрацьовані гази випускаються через вихлопну трубу в атмосферу. Це четвертий такт - випуск (г). За два оберти колінчастого вала з чотирьох тактів здійснюється тільки один робочий хід. Три такти проходять вхолосту за рахунок енергії маховика. Щоб зробити роботу двигуна більш рівномірною, зміщують такти чотирьох циліндрів так, щоб на кожному такті один із поршнів здійснював робочий хід (мал. 74.5). Тому багатоциліндрові двигуни не тільки потужніші, а й працюють плавніше і тихіше. Запуск двигуна здійснюється за допомогою електродвигуна - стартера, який живиться від акумулятора.

Дизельний двигун

Конструкція дизельного ДВЗ мало чим відрізняється від карбюраторного. Паливом є дизельне паливо (солярка). В сучасних двигунах є турбонаддув, що сприяє повнішому згорянню палива. Під час другого такту стискається повітря, а не пальна суміш, тому можна створити вищий ступінь компресії (до 12-кратно'О без побоювання, що паливо самозапалиться. При стисканні повітря сильно розігрівається. У момент найбільшого стиску через спеціальну форсунку в циліндр впорскується паливо, яке одразу ж самозапалюється. Свіча дизельному двигуну не потрібна. Конструкція дизельних двигунів простіша за карбюраторні (мал. 14.6) і вони більш економічні. Проте дизельні двигуни (за такої ж потужності) важчі за бензинові і створюють під час роботи сильніший шум.

КОРОТКІ ПІДСУМКИ

1-Й ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ: внутрішню енергію тіла можна збільшити, передаючи йому певну кількість теплоти чи виконуючи роботу:

U₂-U₁ = Q+А.

> 11-й закон термодинаміки: внутрішню енергію тіла неможливо повністю перетворити на механічну роботу. Тепло не може самовільно передаватися від холодного тіла до гарячого.

* Теплові машини перетворюють частину внутрішньої енергії палива на механічну ооботу.

ВПРАВА №14

1.    Чому в реальних (не ідеалізованих) механічних процесах повна механічна енергія зменшується?

2.    Чому потирання рук спричинює їх нагрівання?

3.    Чому розм'якшується пластилін, коли його розминають? Вкажіть дві причини.

4.    Для чого використовуються мастила у двигунах?

5.    Чому швидке згинання-розгинання дроту (дослід 14.1) спричинює його: а) розігрівання; 6) розламування?

6.    Наведіть власні приклади механічного нагрівання тіл.

7.    За яких умов зміна внутрішньої енергії в механічних процесах виражається від'ємним числом?

8.    У 1799 р. англійський хімік Хемфрі Деві розплавив два шматки льоду при терті один об одного у розрідженому повітрі. Яка причина танення льо-ДУ?

9.    Які переваги і недоліки дизельного двигуна порівняно з карбюраторним?

10.    Чому дизельним двигунам надають перевагу у використанні на потужних машинах?

11.    Запишіть математичний вираз, який описуватиме втрати механічної енергії в процесі удару об поверхню в прикладі 14.1. Позначте швидкість м'ячика безпосередньо перед ударом і>,, а відразу після удару - літерою

12.    Запишіть математичний вираз, який описуватиме втрати механічної енергії в процесі підстрибування м'ячика після удару в прикладі 14.1. Позначте швидкість м'ячика безпосередньо після удару літерою.

13.    Чи може м'ячик, що впав з певної висоти на деяку поверхню, підскочити на більшу висоту?

14.    Чи вистачить енергії гідроелектростанції, щоб довести до кипіння воду, яка обертає турбіни?

Цей матеріал з підручника Фізика 8 клас Пшенічка