Фізика. Повторне видання. 8 клас. Барʼяхтар (2025)
§ 25. Деякі види теплових двигунів
ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ. Проведемо дослід (див. рисунок праворуч). Що ми спостерігатимемо після того, як вода почне кипіти? Чому можна вважати зображений пристрій тепловим двигуном? Що в цьому «двигуні» є робочим тілом? нагрівником? холодильником? Чи знаєте ви технічний пристрій, який працює саме так? Де його застосовують?
1. Як працює парова турбіна?
Парова турбіна (від латин. turbo — вихор, швидке обертання) — один із прикладів парових теплових двигунів.
У парових двигунах енергія, яка виділяється під час згоряння палива, йде на утворення водяної пари та її нагрівання, а вже потім нагріта пара, розширюючись, виконує механічну роботу.
Робочим тілом парової турбіни є пара, яка утворюється з води й у парових котлах нагрівається до температури близько 600 °С. Із котла пара під високим тиском надходить до турбіни.
Розглянемо принцип дії найпростішої парової турбіни (рис. 25.1). Струмені пари, вихоплюючись через сопла, спрямовуються на лопаті, закріплені на диску. Диск нерухомо закріплений на валу турбіни. Під дією пари диск турбіни, а отже, і вал обертаються, тобто пара виконує роботу. У сучасних турбінах для максимального використання енергії пари застосовують кілька дисків із лопатями, які насаджено на один спільний вал (див. заставку до § 25).
Рис. 25.1. Схема будови найпростішої парової турбіни
Парові турбіни широко використовують на електростанціях, де механічна енергія обертання турбіни перетворюється на електричну.
2. Двигун внутрішнього згоряння
Одним із найпоширеніших видів теплових двигунів, що використовують у транспортних засобах, є двигун внутрішнього згоряння. У процесі роботи такого двигуна паливо згоряє безпосередньо всередині циліндрів, звідси й походження назви.
Двигун внутрішнього згоряння (рис. 25.2) складається із циліндра, у якому пересувається поршень. Усередині поршня шарнірно закріплений шатун. Шатун з’єднаний із колінчастим валом, обертання якого забезпечує обертання тягових коліс транспортного засобу.
Рис. 25.2. Схема будови найпростішого двигуна внутрішнього згоряння
У верхній частині циліндра є два канали, закриті клапанами. Через впускний канал пальна суміш (суміш повітря з бензином або газом) надходить до циліндра; через випускний канал викидаються відпрацьовані гази. У деяких двигунів у верхній частині циліндра розміщено також запальну свічку — пристрій для запалювання пальної суміші за допомогою електричної іскри.
3. Чому двигун автомобіля є чотиритактним?
Робочий цикл двигуна внутрішнього згоряння з електричним запалюванням складається із чотирьох тактів.
Як і в будь-якому тепловому двигуні, у двигуні внутрішнього згоряння є нагрівник (пальна суміш, що горить), робоче тіло (розжарені гази), холодильник (довкілля).
За цикл гази штовхають поршень тільки один раз, тому для рівномірної роботи двигунів ставлять чотири, шість і більше циліндрів (рис. 25.3).
Рис. 25.3. Чотирициліндровий двигун внутрішнього згоряння
ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ, ЩО...
Двигун внутрішнього згоряння з електричним запалюванням сконструював німецький винахідник Ніколаус Отто (1832-1891). Дизельні двигуни названі на честь його співвітчизника Рудольфа Дізеля (1858-1913). На відміну від двигунів, що використовують бензин, дизельні двигуни не мають запальних свічок, а запалення пальної суміші відбувається завдяки тому, що повітря всередині циліндра досягає дуже високої температури під час такту «стиснення».
Кажуть, що створити такий двигун спало на думку Рудольфу Дізелю, коли він накачував помпою шину велосипеда й помітив, що під час роботи помпа нагрівалася.
Однією з переваг дизельних двигунів є більш високий ККД. У бензинових двигунів ККД становить 20-25 %, а в дизельних — 40 %.
4. Які мінуси використання теплових двигунів?
З огляду на сполуки, які утворюються в результаті хімічних реакцій горіння палива, складається враження, що теплові машини близькі до досконалості, адже продукти реакції не забруднюють природу. Дійсно, вуглекислий газ (СО2) входить до складу повітря, а вода (Н2О) наявна всюди навколо нас. Проте не можна занадто квапитися з висновками.
По-перше, практично всі види палива містять невелику кількість сірки, яка із часом перетворюється на шкідливу сульфатну кислоту.
По-друге, на більшості теплових станцій вугілля подається в топки в подрібненому вигляді. Ці частинки, згоряючи, перетворюються на попіл, і певна його кількість розлітається на місцевості.
По-третє, у вихлопних газах міститься значна частка отруйного чадного газу (CO).
І це далеко не вичерпний перелік шкідливих чинників!
Забруднення атмосфери — проблема для всього людства. Як боротися з негативними наслідками використання теплових двигунів?
Існує кілька основних напрямів:
1) зменшення (або принаймні збереження на стабільному рівні) сумарної потужності теплових машин;
2) зменшення шкідливих викидів теплових електростанцій. Для цього застосовують, зокрема, спеціальні фільтри;
3) використання альтернативних джерел енергії.
А ЯК НАСПРАВДІ?
— Незабаром бензоколонок узагалі не буде. На їхньому місці побудують парки й дитячі майданчики, — так заявляють прихильники електромобілів.
— Цього не може бути! — сперечаються з ними прихильники автомобілів із ДВЗ (двигунами внутрішнього згоряння). Доки є нафта й газ, людство користуватиметься звичайними автомобілями.
Хто, на вашу думку, має рацію?
ПІДБИВАЄМО ПІДСУМКИ
КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ
1. Назвіть основні частини парової турбіни. 2. Опишіть, як працює парова турбіна. 3. Що в паровій турбіні є нагрівником? холодильником? робочим тілом? 4. Звідки походить назва двигуна внутрішнього згоряння? 5. Назвіть основні частини двигуна внутрішнього згоряння та їхнє призначення. 6. Які процеси відбуваються в чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння під час кожного з чотирьох тактів? 7. Доведіть, що теплові двигуни завдають шкідливого впливу на довкілля, і запропонуйте способи розв’язання цієї проблеми.
ВПРАВА № 25
1. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи парової турбіни?
2. ККД найкращих дизельних двигунів із системою турбонадуву з проміжним охолодженням сягає 54,5 %. Яка частина енергії, «запасеної» в паливі, що споживають ці двигуни, витрачається марно?
3. Чому температура пальної суміші в циліндрі дизельного двигуна під час стискання збільшується?
4. Чому в паровій турбіні температура відпрацьованої пари нижча від температури пари, яка надходить на лопаті турбіни?
5. Незважаючи на багато недоліків, теплові двигуни є найпоширенішими. Чому, на вашу думку, люди надають перевагу саме їм?
Ключові терміни
Парова турбіна • Чотиритактний двигун внутрішнього згоряння • Запальна свічка • Робочій хід
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 їхньої розробки. Від того часу КБ «Південне» та завод «Південмаш» багато років визначали світовий рівень основних напрямів і досягнень у ракетно-космічній галузі.
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.
