§ 21. Теплові двигуни.

Фізика виводить техніку з галузі випадкових знахідок на раціональну, усвідомлену дорогу.

Тут ти дізнаєшся, як за рахунок зміни внутрішньої енергії речовини можна виконувати механічну роботу; який принцип дії теплового двигуна.

Учені здавна заклопотані тим, щоб за-получити різні види енергії до виконання роботи для задоволення практичних потреб людини. Для цього вже створено багато пристроїв, які виконують роботу для людини, за рахунок різних видів енергії. Ці пристрої отримали назву двигунів. Залежно від видів енергії двигуни називають водяними, паровими, вітряними, електричними, світловими і навіть квантовими. Особливу роль в історії людства роль відіграють теплові двигуни, які виконують роботу за рахунок внутрішньої енергії тіл.

У попередніх параграфах ми з’ясували, що всі тіла мають внутрішню енергію. Отже, змінюючи цю енергію, можна виконати роботу. Таку можливість люди помітили давно. Адже кришка чайника починає рухатися під дією тиску водяної пари води, що кипить. Нагріваючись при згорянні дров, повітря з димом підіймається вгору. Підіймаються до поверхні бульбашки у воді, яка кипить внаслідок нагрівання від пальника чи електричної плитки. Стиснутий газ, викидаючи корок з пляшки, охолоджується, що підтверджує думку про те, що за рахунок внутрішньої енергії можна виконати роботу. Пристрій чи система, незалежно від конструкції, де механічна робота виконується за рахунок зміни внутрішньої енергії називається тепловою машиною. Усі наведені вище приклади на-зввивають тепловими машинами. Як що ж побудований пристрій у якому створені умови для неперервно (як правило циклічного) виконання роботи за рахунок внутрішньої енергії речовини, то він називається двигуном.

Узагальнивши досвід роботи інженерів і учених над тепловими двигунами, французький вчений Саді Карно прийшов до висновку, що незалежно від конструкції двигуна робота буде виконана лише тоді, коли тепло переходить від більш нагрітого тіла до менш нагрітого тіла (мал. 75) Щоб здійснити такий перехід і використати отриману роботу, кожен тепловий двигун обов’язково має такі основні частини: нагрівник, холодильник і робоче тіло.

Принцип дії теплової машини зручно розглянути на прикладі парової турбіни. Тут робочим тілом є водяна пара, яка утворюється в котлі з водою, який нагрівається при горінні вугілля, нафти, гази чи атомної реакції в реакторі. Виходячи з котла через спеціальні труби, пара попадає на лопаті турбіни і приводить їх в рух, виконуючи певну роботу. Внутрішня енергія і відповідно температура пари, яка виходить з турбіни, будуть нижчими, ніж в котлі. А механічна робота з обертання колеса турбіни буде дорівнювати різниці внутрішньої енергії пари на початку процесу і наприкінці. Відпрацьована пара надходить до холодильника і віддає йому частину своєї внутрішньої енергії. Якщо пара отримала від палива кількість теплоти Q₁, а віддала холодильнику - Q₂, механічна робота такої пари буде рівною А = Q₁ - Q₂. Отже, робота становитиме всього деяку частину кількості теплоти, одержаної від нагрівана. Чим більша частина теплоти перетворюється в роботу, тим ефективнішою є дана теплова машина.

З таких міркувань Саді Карно вивів формулу для розрахунку коефіцієнта корисної дії теплового двигуна:

де Q₁ — кількість теплоти, яку отримує робоче тіло від нагрівача;

Q₂ — кількість теплоти, яку віддає робоче" тіло охолоджувачу.

Оскільки кількість теплоти залежить від температури пари T (у термодинамічній шкалі), то остання формула записується як

Щоб мати реальне значення ККД, потрібно, щобТ1>Т2. Аналізуючи останній вираз, можна зрозуміти, чому на електростанціях, де застосовують парові турбіни, водяну пару нагрівають до якомога більшої температури. Цим досягається високий коефіцієнт корисної дії турбіни.

Відмітно, що пара, яка виходить з турбіни, спрямовується в охолоджувачі, звідки знову спрямовується в котел.

Цікавинка.

Дію теплової машини можна спостерігати на багатьох прнродніх теплових явищах. Наприклад:

1.    Конвекція в колбі з водою. Робочим тілом в цьому досліді є вода чи інша яка-небудь рідина. Нагрівник віддає деяку кількість теплоти нижнім шарам рідини і вони підіймаються вгору. При цьому виконується механічна робот проти сил тяжіння. Частково охолоджена внаслідок виконання роботи вода охолоняє і опускається вниз. Конвек-тивний рух води в посудині буде відбуватися доти, доки не зникне різниця температур між верхніми і нижніми шарами. Зрозуміло, що при цьому робота виконуватися не буде.

2.    Вітер. Це атмосферне явище відбувається тоді, коли окремі ділянки земної поверхні нагріваються до вищої температури, ніж сусідні. Нагріваючись від землі, повітря розширюється і починає рухатися до холодніших ділянок. При цьому відбувається переміщення величезних мас повітря і виконується механічна робота. Як тільки обидві ділянки суші нагріються чи охолонуть до однакової температури, вітер припиниться і робота не буде виконуватися.

Екскурсія в техніку.

Найбільш поширеним тепловим двигуном є двигун внутрішнього згоряння. Основною його частиною є циліндр з поршнем, який може рухатися в ньому. Для наповнення циліндра паливною сумішшю і видалення відпрацьованих газів у дні циліндра розміщено два клапани. Тут же знаходиться пристрій для утворення електричної іскри - свічка. Поршень з'єднано з кривошипно-шатунним механізмом, який перетворє поступальний рух поршня в обертальний рух колінчастого вала. Багато інших пристроїв, які є в сучасних двигунах внутрішнього згоряння не стосуються принципу його дії, а лише сприяють ефективнішій його роботі. Роботу такого двигуна можна поділити на чотири такти.

При першому такті циліндр запованю-ється паливною сумішшю (мал. 79.). Для цього при знаходженні поршня у верхньому (за малюнком) положенні впускний клапан з’єднує циліндр з впускним патрубком, з якого і надходить суміш у циліндр внаслідок зменшення в ньому тиску. Суміш у патрубку утворюється з бензину і повітря за допомогою спеціальних пристроїв - карбюратора або інжектора.

Після заповнення циліндра сумішшю, впускний клапан закривається і поршень починає рухатися вгору. Внаслідок зменшення об’єму тиск в циліндрі збільшується (мал. 80.).

Коли поршень доходить до верхнього положення, електрична свічка утворює іскру і суміш загоряється. При цьому утворюється газ з високою температурою, а тому поршень в циліндрі починає рухатися вниз (мал. 81).

Після досягнення поршнем нижнього положення відкривається другий (випускний) клапан, і поршень, рухаючись вору, виштовхує відпрацьовані гази назовні (мал. 82.)

Оскільки тиск від згоряння пальної суміші значно більший за тиск стиснутої холодної Cj^rMinii, то і робота розширення продуктів згоряння буде значно більшою за роботу зі стискання Cj^rMirai.

Прочитай і з'ясуй, що ти знаєш.

1.    Яка система називається тепловою машиною?

2.    З яких елементів обов’язково складається теплова машина?

3.    Чому температура охолоджувача повинна бути нижчою за температуру нагрівача?

4. Чому дорівнює ККД теплової машини? Чому він завжди менший за одиницю (100%)?

δ. Який пристрій називається тепловим двигуном?

6.    Чому не можна створити «вічний двигун»?

7.    Який фундаментальний принцип закладений в основу дії і будови теплової машини?

Це матеріал з Підручника Фізика 8 Клас Савченко