Физика. 8 класс. Барьяхтар

§ 16. Принцип действия тепловых двигателей. КПД теплового двигателя

Физически развитый человек может за сутки выполнить работу, равную примерно 1 млн джоулей. Среднесуточное потребление энергии одним жителем Земли больше в сотни раз. Из всей энергии, потребляемой человеком, около 90 % — энергия топлива. На обогрев помещений и приготовление пищи идет только незначительная часть этой энергии — в основном люди используют энергию топлива, превращая ее в механическую. Как это происходит и при каких условиях возможно такое превращение?

1. Знакомимся с принципом действия тепловых двигателей

Проведем опыт. Плотно закупорим носик чайника и поставим чайник с водой на горелку газовой плиты. Через некоторое время крышка чайника начнет подпрыгивать. Выясним почему.

Вода в чайнике закипает, и давление пара под крышкой увеличивается. Наконец наступает момент, когда сила давления пара, действующая на крышку, становится больше силы тяжести, и крышка подпрыгивает. В этот момент часть пара выходит наружу, давление пара под крышкой уменьшается и сила тяжести возвращает ее на место (рис. 16.1). Если нагревание продолжить, процесс повторится.

Рис. 16.1. На крышку чайника действуют сила тяжести (F_тяж = mg) и сила давления пара. Если F_{давл пара} > F_тяж, крышка подпрыгивает; если F_{давл пара} < F_тяж, крышка возвращается на место

В описанной системе, состоящей из газовой горелки, чайника с крышкой и кипящей воды, за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, выполняется механическая работа, при этом часть энергии отдается окружающей среде.

Если с крышкой чайника соединить какой-нибудь механизм, получим простейшую модель теплового двигателя.

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Кроме тепловых двигателей существуют другие виды тепловых машин (подробнее об этом вы узнаете в старших классах). Выясним на примере с чайником, из каких основных частей должна состоять тепловая машина.

Во-первых, в данной системе механическую работу выполняет пар, который нагревается и, расширяясь, поднимает крышку. Газ, выполняющий работу во время своего расширения, называют рабочим телом.

Во-вторых, пар под крышкой чайника расширяется в результате получения энергии от газовой горелки. Устройство, от которого рабочее тело получает теплоту, называют нагревателем.

В-третьих, во время опыта водяной пар периодически отдает часть энергии окружающей среде (если бы этого не происходило, «двигатель» не смог бы работать циклично — крышка не возвращалась бы в исходное положение и процесс не повторялся бы). Объект, которому рабочее тело отдает некоторое количество теплоты, называют холодильником.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты (Q₁) от нагревателя, эта теплота частично преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу А), а частично (Q₂) передается холодильнику

2. Определяем КПД теплового двигателя

В любом тепловом двигателе на выполнение работы расходуется только часть энергии, «запасенной» в топливе. Часть выделившейся энергии передается окружающей среде (теряется), кроме того, топливо сгорает не полностью. При этом потери энергии в тепловых двигателях не ограничиваются тепловыми потерями. Часть энергии также расходуется на выполнение работы против сил трения частей и механизмов двигателя. Такие потери энергии называют механическими.

Очевидно: чем меньше тепловые и механические потери в двигателе, тем меньше топлива нужно израсходовать, чтобы выполнить ту же самую полезную работу, и тем экономичнее двигатель.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность теплового двигателя и показывающая, какая часть всей энергии, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу.

Коэффициент полезного действия двигателя η вычисляют по формуле:

где А_полезн — полезная работа; Q_полн — количество теплоты, которое может выделиться в процессе полного сгорания топлива.

Полезная работа всегда меньше количества теплоты, выделяющегося в процессе полного сгорания топлива, поэтому КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %. Обычно КПД тепловых двигателей составляет 20-40 % (рис. 16.3).

Рис. 16.3. КПД паровых тепловых двигателей и схема потерь энергии

Подводим итоги

Тепловой двигатель — это циклично работающая машина, которая преобразует энергию топлива в механическую работу.

Любая тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела, холодильника.

Принцип действия тепловых машин: рабочее тело получает некоторое количество теплоты от нагревателя; часть этой теплоты преобразуется в механическую энергию (рабочее тело выполняет работу), а часть отдается холодильнику.

Коэффициент полезного действия η теплового двигателя — это физическая величина, характеризующая экономичность двигателя и показывающая, какая часть всей энергии Q_полн, «запасенной» в топливе, преобразуется в полезную работу A_полезн.

КПД теплового двигателя вычисляют по формуле:

Контрольные вопросы

1. Что такое тепловой двигатель? 2. Назовите основные части теплового двигателя. 3. В чем состоит принцип действия теплового двигателя? 4. Назовите основные виды потерь энергии в тепловых двигателях. 5. Дайте определение КПД теплового двигателя. 6. Почему КПД теплового двигателя всегда меньше 100 %?

Упражнение № 16

1. В двигателе при полном сгорании топлива выделилось 500 кДж теплоты. В результате двигатель выполнил полезную работу, равную 125 кДж. Определите КПД теплового двигателя.

2. Во время работы теплового двигателя использовали 0,5 кг дизельного топлива. При этом двигатель выполнил полезную работу, равную 7 МДж. Вычислите КПД двигателя.

3. Тепловой двигатель, КПД которого равно 20 %, израсходовал 10 л бензина. Какую полезную работу выполнил двигатель?

4. Какую среднюю мощность развивает двигатель мотоцикла, если при скорости движения 90 км/ч расход бензина составляет 4 кг на 100 км пути? КПД двигателя 25 %.

5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о первых тепловых машинах, созданных человеком.

Экспериментальное задание

«Картофельный выстрел». Возьмите стеклянную бутылку, сполосните ее водой и закупорьте картофелиной (осторожно вдавите горлышко бутылки в картофелину и уберите остатки картофелины). Поставьте закупоренную бутылку в кастрюлю с водой и начните нагревать воду. Через некоторое время «пробка» вылетит (см. рисунок). Объясните это явление.

(Во время проведения опыта нельзя наклоняться над кастрюлей!)

Физика и техника в Украине

Производственное объединение «Южмаш» и конструкторское бюро «Южное» (Днепр)

В начале 50-х гг. прошлого века большой автомобильный завод в Днепропетровске был переоборудован в завод по производству космических ракет, а также было создано конструкторское бюро (КБ) для их разработки. С того времени КБ «Южное» и завод «Южмаш» много лет определяли мировой уровень основных направлений и достижений в ракетно-космической области.

Под руководством таких выдающихся конструкторов, как В. С. Будник, М. К. Янгель, В. Ф. Уткин, С. Н. Конюхов, в КБ «Южное» было разработано 67 типов космических аппаратов и 12 космических комплексов. КБ «Южное» и «Южмаш» создали комплекс «Зенит» — один из самых совершенных в мировой ракетно-космической технике по конструктивному исполнению и автоматизации подготовки к пуску; всего было изготовлено и выведено на орбиту свыше тысячи космических аппаратов.