Фізика. Повторне видання. 8 клас. Бар’яхтар

§ 16. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна

Фізично розвинена людина може за добу виконати роботу, що дорівнює близько 1 млн джоулів. Середньодобове споживання енергії одним жителем Землі є більшим у сотні разів. З усієї енергії, яку споживає людина, близько 90 % становить енергія палива. На обігрівання приміщень і готування їжі йде тільки незначна частина цієї енергії — переважно людина використовує енергію палива, перетворюючи її на механічну. Як це відбувається та за яких умов є можливим таке перетворення?

1. Знайомимося з принципом дії теплових двигунів

Проведемо дослід. Щільно закоркуємо носик чайника і поставимо чайник із водою на пальник газової плити. Через деякий час помітимо, що кришка чайника почне підстрибувати. З’ясуємо, чому так відбувається.

Вода в чайнику починає закипати, тиск пари під кришкою збільшується. У результаті настає момент, коли сила тиску пари стає більшою за силу тяжіння, що діє на кришку, і кришка підстрибує. У цей момент частина пари виходить назовні, сила тиску пари на кришку зменшується і сила тяжіння повертає кришку на місце (рис. 16.1). Якщо нагрівання продовжувати, то процес повторюватиметься.

Рис. 16.1. На кришку чайника діють сила тяжіння (F_тяж = mg) і сила тиску пари.

Якщо F_{тиску пари} > F_тяж, кришка підстрибує; якщо F_{тиску пари} < F_тяж, кришка повертається назад

Отже, в описаній системі, яка складається з газового пальника й чайника з кришкою та киплячою водою, за рахунок енергії, що виділяється внаслідок згоряння палива, виконується механічна робота, при цьому частина енергії віддається довкіллю.

Якщо з кришкою чайника з’єднати якийсь механізм, дістанемо найпростішу модель теплового двигуна.

Тепловий двигун — це теплова машина, яка перетворює енергію палива на механічну роботу.

Крім теплових двигунів, існують інші види теплових машин (докладніше про це йтиметься в старших класах). З’ясуємо на прикладі з чайником, із яких основних частин має складатися теплова машина.

По-перше, в зазначеній системі механічну роботу виконує пара, яка, розширюючись, піднімає кришку. Газ, який виконує роботу в процесі свого розширення, називають робочим тілом.

По-друге, пара під кришкою чайника утворюється і розширюється внаслідок нагрівання чайника на газовому пальнику. Пристрій, від якого робоче тіло одержує певну кількість теплоти, називають нагрівником.

По-третє, виходячи із чайника, водяна пара періодично віддає енергію довкіллю (якби цього не відбувалося, «двигун» не зміг би працювати циклічно — кришка не поверталася б у початкове положення і процес не повторювався б). Об’єкт, якому робоче тіло віддає певну кількість теплоти, називають холодильником.

Будь-яка теплова машина складається з трьох основних частин: нагрівника, робочого тіла, холодильника (рис. 16.2).

Рис. 16.2. Принцип дії теплових машин: робоче тіло одержує певну кількість теплоти (Q₁) від нагрівника, ця теплота частково перетворюється на механічну енергію (робоче тіло виконує роботу А), а частково (Q₂) передається холодильнику

2. Визначаємо ККД теплового двигуна

У будь-якому тепловому двигуні лише частина енергії, що «прихована» в паливі, витрачається на виконання роботи, адже паливо згоряє не повністю. До того ж частина виділеної енергії передається довкіллю (втрачається). При цьому втрати енергії в теплових двигунах не обмежуються тепловими втратами. Частина енергії також витрачається на виконання роботи проти сил тертя частин і механізмів двигуна. Такі втрати енергії називають механічними. Очевидно: чим меншими є теплові й механічні втрати у двигуні, тим менше палива потрібно спалити, щоб отримати ту саму корисну роботу, і тим економічнішим є двигун.

Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна — це фізична величина, що характеризує економічність теплового двигуна й показує, яка частина всієї енергії, що «запасена» в паливі, перетворюється на корисну роботу.

Коефіцієнт корисної дії двигуна η обчислюють за формулою:

де A_кор — корисна робота; Q_повна — кількість теплоти, що може виділитися в процесі повного згоряння палива.

Найчастіше ККД подають у відсотках:

Корисна робота завжди менша від кількості теплоти, що виділяється в процесі повного згоряння палива, тому зрозуміло, що ККД теплового двигуна завжди є меншим від 100 %. Зазвичай ККД теплових двигунів становить 20-40 % (рис. 16.3).

Рис. 16.3. ККД парових теплових двигунів і схема втрат енергії

Підбиваємо підсумки

Тепловий двигун — це машина, яка працює циклічно й перетворює енергію палива на механічну роботу. Будь-яка теплова машина складається з трьох основних частин: нагрівника, робочого тіла, холодильника.

Принцип дії теплових машин: робоче тіло одержує певну кількість теплоти від нагрівника; частина цієї теплоти перетворюється на механічну енергію (робоче тіло виконує роботу), а частина — віддається холодильнику.

Коефіцієнт корисної дії η двигуна — це фізична величина, що характеризує економічність теплового двигуна й показує, яка частина всієї енергії Q_повна, що «запасена» в паливі, перетворюється на корисну роботу A_кор. ККД теплового двигуна обчислюють за формулою

Контрольні запитання

1. Що таке тепловий двигун? 2. Назвіть основні частини теплового двигуна. 3. У чому полягає принцип дії теплового двигуна? 4. Назвіть основні види втрат енергії в теплових двигунах. 5. Дайте означення ККД теплового двигуна. 6. Чому ККД теплового двигуна завжди менший від 100 %?

Вправа № 16

1. Під час повного згоряння палива в тепловому двигуні виділилося 500 кДж теплоти. У результаті двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 125 кДж. Визначте ККД двигуна.

2. Під час роботи теплового двигуна використано 0,5 кг дизельного палива. При цьому двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 7 МДж. Обчисліть ККД двигуна.

3. Яку корисну роботу виконає тепловий двигун, ККД якого становить 20 %, якщо в ньому згорить 10 л бензину?

4. Яку середню потужність розвиває двигун мотоцикла, якщо за швидкості руху 90 км/год витрата бензину становить 4 кг на 100 км шляху? ККД двигуна дорівнює 25 %.

5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про перші теплові машини, створені людиною.

Експериментальне завдання

«Картопляний постріл». Візьміть скляну пляшку, ополосніть її водою та закоркуйте картоплиною (обережно втисніть шийку пляшки в картоплину та приберіть залишки картоплини). Поставте закорковану пляшку в каструлю з водою й нагрівайте воду. Через деякий час «корок» вилетить (див. рисунок). Поясніть спостережуване явище.

(Під час проведення досліду не можна нахилятися над каструлею!)

Фізика і техніка в Україні

Виробниче об’єднання «Південмаш» і конструкторське бюро «Південне» (Дніпро). На початку 50-х рр. минулого століття великий автомобільний завод у Дніпропетровську було переобладнано на завод із виробництва космічних ракет, а також створено конструкторське бюро (КБ) для їх розробки. Від того часу КБ «Південне» та завод «Південмаш» багато років визначали світовий рівень основних напрямів і досягнень у ракетно-космічній галузі.

Під керівництвом таких видатних конструкторів, як В. С. Будник, М. К. Янгель, В. Ф. Уткін, С. М. Конюхов, у КБ «Південне» було розроблено 67 типів космічних апаратів і 12 космічних комплексів. КБ «Південне» і «Південмаш» створили комплекс «Зеніт» — один із найдосконаліших у світовій ракетно-космічній техніці за конструктивним виконанням і автоматизацією підготовки до пуску; усього було виготовлено та виведено на орбіту понад тисячу космічних апаратів.