§ 16. Теплові двигуни. Парова машина

Для перетворення теплової енергії у механічну роботу використовують пристрої, у яких це перетворювання здійснюється. Такі пристрої називають тепловими двигунами.

1. Що таке тепловий двигун.

Неймовірно великі обсяги теплової енергії, яку отримують нині (і ще більше зможуть отримувати у майбутньому), потрібно вміти перетворювати її В ІНШІ

види енергії (механічну, електричну) з метою практичного застосування. Одним з таких застосувань є виконання за рахунок теплової енергії механічної роботи, зокрема, приведення у рух тих або інших механізмів, здійснення виробничих процесів та інше.

Тепловим двигуном називають пристрій, який здійснює механічну роботу за рахунок теплової енергії (енергії палива).

У теплових двигунах використовується властивість теплового розширення тіл.

► 2. Як можна виконати корисну роботу за рахунок енергії палива?

Щоб відповісти на це запитання, виконаємо дослід. Наллємо у пробірку невелику кількість води, щільно закриємо и пробкою і будемо нагрівати воду до кипіння за допомогою спиртівки (рис. 71, а). Зрозуміло, що у процесі нагрівання води у пробірці утвориться пара води. Внутрішня енергія пари буде збільшуватись і вона розширюватиметься, за рахунок чого підвищиться тиск. Як показує дослід, під тиском стисненої пари пробка вилетить з пробірки і підніметься вгору (рис. 71, б).

Це означає, що за рахунок енергії палива можна виконати корисну роботу: приве-сти пробку у рух та підняти п на деяку висоту.

Якщо ми замінимо в досліді пробірку на міцний металевий циліндр, а пробку - на щільно підігнаний поршень, який може рухатися всередині циліндра під дією сили тиску стисненої пари, то ми отримаємо пристрій, який і є тепловим двигуном (рис. 71, б). Дійсно, такий пристрій здійснює рух поршня (і вантажу на ньому), тобто виконує механічну роботу за рахунок енергії палива.

У тепловому двигуні енергія палива переходить у внутрішню енергію стисненої пари, яка розширюється, здійснює тиск на поршень і рухає його. Звичайно, в корисну роботу (піднімання поршня з вантажем) перетворюється не вся теплова енергія, яка виділяється при згорянні палива, а лише її частина.

Повернемося до досліду (рис. 72). Якщо спиртівку прибрати і припинити нагрівання води, то пара почне остигати і з часом поршень опускатиметься (рис. 72, в). Проте він не зможе швидко повернутися у своє вихідне положення (рис. 72, а), оскільки температура пари навіть після остигання не одразу знизиться до початкового значення (адже частина теплової енергії перетворилася на внутрішню енергію поршня і стінок, які, в свою чергу обмінюватимуться енергією з парою). Тому для швидкого повернення поршня (і всього пристрою)

у вихідний стан, його треба спеціально охолоджувати.

3. Принцип дії теплового двигуна.

Розглянутий дослід дозволяє зрозуміти принцип дії теплового двигуна. Будь-який тепловий двигун, незалежно від його конструктивних особливостей, складається з трьох основних частини: робочого тіла, нагрівника і холодильника (рис. 73).

Робоче тіло - газ або пара - при розширенні виконує роботу, одержуючи від нагрівника деяку кількість теплоти Q_n. Температура нагрівника T_n при цьому залишається сталою за рахунок згоряння палива. При стисненні робоче тіло передає деяку кількість теплоти Q_xoi холодильнику - тілу зі сталою температурою T_xoi , яка є нижчою за температуру нагрівника Т_н.

Цілком очевидно, що для виконання корисної роботи (А>0), необхідно, щоб температура нагрівника була вищою за температуру холодильника:

A= Тн-Тхол > 0,

отже,

А = Qh - Qxoл > 0.

Холодильником може слугувати оточуюче середовище (наприклад, у двигунах внутрішнього згоряння).

У тепловому двигуні на механічну роботу перетворюється лише частина енергії, яку робоче тіло отримує від нагрівника: частина енергії передається холодильнику, а частина витрачається на виконання роботи проти сил тертя та

на інші процеси.

Газ у тепловому двигуні не може розширюватись необмежено, оскільки пристрій має скінчені розміри. Тому теплові двигуні конструюються таким чином, щоб після розширення газ стискувався до початкового об’єму. А це означає, що тепловий двигун працює циклічно: протягом циклу після розширення відбувається стиснення газу.

Реальні теплові двигуни працюють-ся по розімкненому циклу: після розширення газ викидається з пристрою, і стискується нова порція газу.

Умова виконання двигуном корисної роботи:    температура газу при його

стисненні має бути нижчою, ніж при розширенні. Тоді тиск газу при стисненні буде менший, ніж при розширенні, що і забезпечить виконання корисної роботи.

Теплові двигуни ще називають тепловими машинами, оскільки в них здійснюється перетворення теплової енергії у механічну енергію за рахунок виконання роботи. Але конструкція теплової машини передбачає наявність крім теплового двигуна ще й з’єднаного з ним передавального механізму, який буде передавати дію на тіло, що приводиться у рух.

4. Парова машина. Перша універсальна парова машина (рис. 73, а) була побудована у 1784 р. англійським винахідником Джемом Уаттом (1736 -1819 рр.). Ознайомимося з конструкцією та принципом дії теплової машини (рис.

73, б). Деталі пристрою закріплені на станині 5. Основною частиною парової машини є циліндр 1 з поршнем 2, який рухається під дією пари. Водяна пара утворюється, нагрівається і стискується в окремому котлі за рахунок енергії палива і впускається у парову машину (вхід пари). За допомогою парарозподільного механізму, основною частиною якого є перемикач-золотник 7 (який перемикається за допомогою важеля 8), водяна пара регульовано подається всередину циліндра то з одного, то з іншого боків поршня. Внаслідок цього з різних боків поршня створюється різниця тисків, поршень зі штоком 3 під дією пари рухається туди й назад і діє на колінчастий вал 10 через кривошипо-шатунний механізм (4, 8, 9), що обертає маховик (колесо) 6 або виконує іншу механічну роботу.

Відпрацьований пар найпростіше за все випускати в атмосферу (вихід пари), але це невигідно, оскільки пара ще має запас теплової енергії. Для підвищення ефективності теплової машини Уатт використав так званий конденсатор - посудину, яка охолоджувалася водою. Відпрацьована пара випускалася у конденсатор, охолоджувалася, конденсувалася (перетворювалася на воду) і подавалася назад в паровий котел. Таким чином працювала замкнена система «котел - парова машина», у якій хімічна енергія палива перетворювалася спочатку на теплову енергію водяної пари, а

потім - на механічну енергію обертання вала.

Із створенням першої універсальної парової машини Уатта, почався перехід до машинного способу виробництва. Парові двигуни ставили на візки (для перевезення артилерійських гармат, людей, різноманітних вантажів тощо) і морські судна, залучали до виконання механічних робіт на металургійних заводах, шахтах, ткацьких фабриках. Поява і успішний розвиток залізничного транспорту теж обумовлені застосуванням парової машини - паровоза. З парових машин починалося автомобілебудування (рис. 75, а, б, в), а також розвиток морського та річкового транспорту (рис. 75, г). Теплові двигуни відіграли визначальну в історії людства і зберігають своє величезне значення і сьогодні. Значною перевагою парових машин є можливість використання практично будь-якого палива. Про те, що винайдення парової машини стало початком небаченого до того технічного прогресу, свідчить надпис на пам’ятнику Уатту: «Збільшив владу людини над природою».

а) найстаріша у світі парова машина - «паровий віз» (розвивав швидкість 4 —); б) паровий омнібус (працював на^д двох парових двигунах і розвивав швидкість 40^ ); в) перший легковий автомобіль класу «люкс», який працює і сьогодні (досягає швидкості 60 — ); г) найстаріший у світі діючий пароплав «Skibladner» (перевозить туристів, по-

шту і вантажі по озеру Мьйоса у Норвегії).

5. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна. Головним показником ефективності роботи теплового двигуна є співвідношення між кількістю теплоти, що передається робочому тілу, та тією її частиною, яка витрачається на виконання корисної роботи. Для оцінки цього співвідношення вводиться фізична величина, яка називається коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна (ККД теплового двигуна). ККД позначають літерою η і визначають за формулою:

де А - корисна робота, яку виконує тепловий двигун;

Qh - кількість теплоти, отриманої робочим тілом від нагрівника в результаті згоряння палива.

Оскільки А менше за Q, то ККД теплового двигуна завжди менше 100% (або менше одиниці). Треба зазначити, що ККД перших парових машин дорівнював лише декільком відсоткам, зокрема, ККД парової машини Уатта складав 3-4%. У процесі удосконалення теплових машин їх ККД поступово підвищувався. Нинішні теплові двигуни мають ККД 34-44% і більше.

Незважаючи на високий рівень розвитку сучасної техніки, ККД теплових двигунів не досягають великих значень. З чим це пов’язане? Справа в тому, що

повне перетворення теплової енергії в механічну неможливе, оскільки завжди мають місце певні витрати, зумовлені такими факторами:

-    не повним згорянням палива;

-    тертям між конструктивними елементами парового двигуна;

-    розсіюванням теплової енергії;

-    охолодженням двигуна;

-    вихлопними газами.

Підготуйте повідомлення

Історія винайдення і удосконалення парових машин. Вплив парових машин на розвиток науково-технічного прогресу.

Джеймс Уатт - видатний англійський інженер і винахідник. Свою винахідницьку діяльність розпочав з роботи механіком у майстерні по виготовленню і ремонту точних приладів. З 1769 року займався удосконаленням теплових двигунів. У 1774 році побудував теплову машину, яка майже вдвічі перебільшувала ефективність наявних на той час теплових машин, зокрема, Томаса Ньюкомена (1663 - 1729 рр.). У 1774 році отримав патент на універсальний тепловий двигун. Звдяки його економічності, цей двигун набув повсюдного використання. Уатт увів поняття «кінська сила», щоб показати, роботу скількох коней здатні замінити його парові машини.

Подумайте і дайте відповідь

1.    Поясніть механізм виконання механічної роботи за рахунок енергії палива.

2.    Що називають тепловою машиною? тепловим двигуном?

3.    З яких основних частин складається будь-який тепловий двигун, незалежно від його конструктивних особливостей?

4.    Поясніть принцип дії теплового двигуна. Чим зумовлена циклічна робота двигуна?

5.    Що є умовою виконання двигуном корисної роботи?

6.    За якою формулою визначається коефіцієнт корисної дії теплового двигуна? Чому він завжди менший за одиницю?

7.    Назвіть ім’я винахідника парової машини.

Розв’яжіть задачі та оцініть результати

Вправа 16.

1.    Чому температура охолоджувача має бути нижчою за температуру нагрівника?

2.    Доведіть, що потужність поршневих теплових двигунів залежить від максимального тиску газу в циліндрі і діаметра поршня.

3.    Використавши 1 т кам’яного вугілля парова машина виконала роботу 10,8 · 106 кДж. Визначте ККД парової машини.

4.    Скільки дров треба спалити, щоб парова машина виконала ту саму роботу й при тому самому ККД, що й за умовою попередньої задачі?

5.    Парова машина потужністю 14, 7 кВт споживає за годину роботи 8,1 кг па-

Це матеріал з підручника Фізика 8 клас Шут