Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Головко

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 38. Теплові машини

  • Двигуни внутрішнього згоряння
  • Холодильні машини

ДВИГУНИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ. Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згоряння, який використовується в різних транспортних засобах, зокрема в автомобілях.

Розрізняють карбюраторні й дизельні (названі на честь їх винахідника, німецького інженера Р. Дизеля) двигуни внутрішнього згорання.

Найбільш поширені чотиритактні двигуни внутрішнього згорання (мал. 38.1): основним його елементом є циліндр із поршнем, де відбувається згоряння палива (звідси походить назва двигуна). Як правило, їх декілька. Тому говорять про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни тощо.

Мал. 38.1. Схема роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння

В автомобілях найчастіше використовуються чотирициліндрові двигуни внутрішнього згоряння. Робота циліндрів узгоджується так, що в кожному з них по черзі здійснюється робочий хід і колінчастий вал увесь час дістає енергію від одного з поршнів. На мал. 38.2 зображено розріз такого двигуна.

Мал. 38.2. Розріз чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння

Німецький інженер Р. Дизель у 1892 р. запропонував новий тип двигуна внутрішнього згоряння, який він побудував у 1897 р. Двигун названий на честь винахідника дизельним двигуном. Він одразу ж набув широкого використання як економічний і надійний, простий в обслуговуванні та експлуатації. Це також поршневий двигун, але тільки повітря (а не паливо-повітряна суміш) заходить у циліндр при першому такті поршня. Поршень піднімається і стискає повітря до дуже високої температури. У цей момент насос вприскує паливо, і через високу температуру повітря, воно загорається. Поки воно горить, поршень опускається вниз (робочий хід).

Дизельний двигун відрізняється від бензинового більшою потужністю, економічністю і на сьогодні більшою екологічністю.

ХОЛОДИЛЬНА МАШИНА. Холодильною називають машину, яка за рахунок зовнішньої роботи здійснює передачу теплоти від тіла з нижчою температурою Т2 до тіла з вищою температурою Т1.

У холодильних машинах робоче тіло (спеціальна речовина фреон) забирає тепло Q2 від охолоджувача (від морозильної камери і продуктів) і передає тепло Q1 нагрівнику (кімнаті) (мал. 38.3).

Ефективність дії холодильної машини визначається холодильним коефіцієнтом, який вимірюється відношенням теплоти, відведеної в оборотному циклі від робочого тіла, до виконаної зовнішньої роботи:

Цей коефіцієнт може бути більшим за 1. Він залежить від різниці температур нагрівника Т1 і охолоджувача Т2.

Мал. 38.3. Схема дії холодильної машини

У домашніх умовах користуються переважно парокомпресорними холодильниками, що складаються з двох трубчастих змійовиків і компресора (мал. 38.4).

Мал. 38.4. Схема парокомресорного побутового холодильника

Змійовик 1 разом із розширювальною трубкою 4 і реле з біметалевою пластинкою, яка періодично вмикає компресор, знаходиться в морозильній камері. Змійовик 3 знаходиться на задній стінці корпусу холодильника. Знизу розміщений компресор 2, який приводиться в рух електродвигуном.

У циліндрі компресора газ зазнає стиснення, що приводить до підвищення його температури і тиску. Частина тепла Q1 через змійовик З передається кімнаті. Під час переходу з вузької частини трубки в широку 4 газ зазнає різкого розширення й охолодження та на певний час перетворюється на рідину, яка після відбирання кількості теплоти Q2 від продуктів у морозильній камері знову перетворюється у газ. За низького тиску газ нагнітається в циліндр компресора, де знову виконується робота А зі стискання газу і все знову повторюється.

До холодильних машин належать і кондиціонери (мал. 38.5).

Мал. 38.5. Кондиціонер — теплова машина

Наразі широко використовуються пристрої, які можуть виконувати функцію обігріву й охолодження. Перемикачем можна змінити функцію залежно від пори року.

Спосіб обігріву за допомогою холодильної машини, яка буде забирати тепло від атмосфери, обігріваючи приміщення, запропонував свого часу англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін), назвавши свій пристрій тепловим насосом. Теплові насоси за рахунок виконуваної роботи та теплоти, що відбирається із середовища (з меншою температурою), нагрівають тіла, які мають вищу температуру. Робота теплового насоса полягає в тому, що за рахунок теплоти джерела з низькою температурою, наприклад, води у водоймищах чи свердловинах, у випарнику випаровується робоче тіло з низькою температурою кипіння (аміак, фреон). Далі речовина стискається компресором, при цьому температура речовини підвищується. Потім пара надходить до конденсатора, де перетворюється в рідину. В процесі конденсації пара віддає теплоту рідині, що циркулює в опалювальній системі. Потім робоче тіло повторює свій цикл. Використання теплового насоса для обігріву приміщень є економічно вигідним.

Головне в цьому параграфі

Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ). Розрізняють карбюраторні й дизельні двигуни внутрішнього згоряння.

Холодильною називають машину, яка за рахунок зовнішньої роботи здійснює передачу теплоти від тіла з нижчою температурою Т2 до тіла з вищою температурою Т1.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Які існують види двигунів внутрішнього згоряння?
  • 2. Назвіть процеси, що відбуваються в чотиритактному двигуні внутрішнього згоряння.
  • 3. У чому полягає відмінність дизельного двигуна внутрішнього згоряння від карбюраторного?
  • 4. Яку машину називають холодильною? Опишіть робочий цикл холодильної машини.