Вчимося розв’язувати фізичні задачі на теплові машини разом

Для вправного розв’язування фізичних задач із теми «Теплові машини» зверніть увагу на основний навчальний матеріал параграфів 1—17, зокрема рубрику «Головне в цьому параграфі», та повторіть основні закони і формули.

Вам також стануть у пригоді знання, набуті під час вивчення попередніх тем (внутрішня енергія та способи її зміни, розрахунок кількості теплоти, отриманої та відданої тілом, рівняння теплового балансу тощо), а також із таких тем курсу фізики сьомого класу, як «Робота», «Потужність», «Тиск».

Зверніть увагу, що для опису теплових процесів, які відбуваються під час роботи теплових двигунів, важливе коректне застосування закону збереження повної енергії (насамперед варто враховувати ту особливість, що закон виконується в замкнутих теплоізольованих системах).

Якщо для розв’язування задачі потрібні значення питомих теплоємностей, питомої теплоти пароутворення, конденсації, плавлення, кристалізації або згоряння речовин, зверніться до відповідних параграфів підручника та використайте таблиці. Якщо в них немає необхідних даних, зверніться до інших джерел. У таблицях значення можуть подаватися з використанням префіксів (наприклад, КДж або МДж), враховуйте це під час обчислень.

Оскільки під час розв’язування задач із цієї теми вам потрібно буде складати рівняння теплового балансу та розв’язувати їх, будьте уважними, складаючи пропорції та визначаючи з них фізичні величини. Бажано спочатку вивести кінцеву формулу, а вже потім виконувати обчислення. Це зменшить похибки обчислень, наприклад, під час округлень.

Обов’язково проаналізуйте отриманий результат. Зверніть увагу, чи мають одержані величини фізичний зміст (наприклад, потрібно пам’ятати, що ККД будь-якого теплового двигуна не може дорівнювати або перевищувати 100 %. Крім того, ККД поршневих двигунів внутрішнього згоряння, як правило, не перевищує 40 %). Це дасть можливість вчасно помітити помилку та виправити її.

Бажано переходити до розрахункових фізичних задач вищого рівня складності після розв’язування й перевірки простіших задач, а також якісних та експериментальних задач, які пропонуються у підручнику. Це допоможе глибше усвідомити фізичний зміст явищ і процесів, які розглядаються в задачах на теплові машини, та дібрати найоптимальніший варіант їх розв’язування.

Оформлюйте задачі в зошиті згідно з правилами. Основні етапи розв’язування розрахункової фізичної задачі потрібно записувати з відповідними коментарями, що дасть можливість самоконтролю та повнішого оцінювання вчителем.

Задача 1. Яку масу нафти треба спалити в котельній установці з коефіцієнтом корисної дії 60 %, щоб 4,4 т води, яка надходить із водопроводу при 7 °С, нагріти до 100 °С і 10 % всієї води перетворити при 100 °С на пару?

Відповідь: m₂ = 102,7 кг.

Задача 2. Яку масу коксу потрібно спалити, щоб 10 т чавуну, взятого при температурі 10 °С, переплавити в печі, ККД якої 20 %? Температура плавлення чавуну 1160 °С; питома теплоємність 460 Дж/(кг • °С); питома теплота плавлення 140 000 Дж/кг; питома теплота згоряння коксу 29 МДж/кг.

Підставивши відповідні значення одержимо, що m = 1153 кг.

Відповідь: m = 1153 кг.

Задача 3. Холодильник, що споживає потужність 20 кВт, охолодив до нуля градусів Цельсія 200 кг продуктів, узятих при температурі 20 °С. Питома теплоємність продуктів 2500 Дж/(кг • °С). За який час виконана ця робота, якщо холодильник виділив у приміщення 70 МДж теплоти? Теплоємністю холодильника можна знехтувати.

Розв’язок

Двигун холодильника виконує роботу А = Ρτ. За рахунок цієї роботи від холодильної шафи відбирається кількість теплоти Q₁= cmt, де с — питома теплоємність продуктів. Кількість теплоти, виділена в кімнату, за законом збереження енергії дорівнюватиме

Q = А + Q₁ = Ρτ + cmt.

З цього рівняння визначимо час: