Фізика. 8 клас. Максимович

§ 13. Робота газу й пари під час розширення. Теплові машини. Двигун внутрішнього згоряння. Парова турбіна

Люди здавна прагнули полегшити собі роботу, але це було непросто. Спочатку почали застосовувати прості механізми. У II ст. до н. е. Герон Александрійський створив першу парову машину — прообраз парової турбіни. Однак двигун був занадто малий, щоб здійснювати будь-яку роботу. Згодом навчилися використовувати енергію води та вітру для виконання деяких видів робіт — з’явилися водяні та вітрові двигуни. І аж у XVII ст. сконструювали перші теплові двигуни, які згодом здійснили революцію у виробництві — почали виконувати величезний обсяг різноманітної роботи за рахунок енергії палива. Зараз теплові двигуни є лідером серед пристроїв для виконання робіт.

Дізнайтеся про...

теплові машини;
теплові двигуни;
двигун внутрішнього згоряння;
парову турбіну.

1. Робота газу й пари під час розширення

Якщо пробірку з водою щільно закрити корком і нагрівати, то через деякий час пара, що утвориться внаслідок кипіння води, виштовхне його. Внутрішня енергія пари перетворюється на механічну.

Замінимо пробірку на металевий циліндр, у якому є газ, закритий поршнем, що щільно прилягає до стінок циліндра і може переміщуватись у ньому (мал. 13.1). Під час нагрівання газ буде розширюватися і піднімати поршень, навіть з вантажем.

Мал. 13.1. Перетворення теплової енергії на механічну

У більшості теплових машин нагрітий до високої температури газ або пара виконує механічну роботу.

Теплова машина — механізм, що виконує механічну роботу за рахунок теплової енергії.

Теплові машини використовують у транспорті, промисловості, сільському господарстві, побуті.

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Наведіть відомі вам приклади теплових машин.

2. Теплові двигуни

Різновидом теплових машин є теплові двигуни.

Тепловий двигун — пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну.

Теплові двигуни є таких видів: двигун внутрішнього згоряння, реактивний двигун, парова або газова турбіна.

Першим тепловим двигуном була парова машина, яку в 1698 р. винайшов Томас Севері. Він назвав її «Вогневою машиною» (мал. 13.2). Цю машину використовували для відкачування води із затоплених шахт. Вона споживала надто багато палива. Тому навіть шахті з вугіллям, розташованій поряд, було б не під силу забезпечити її паливом.

Мал. 13.2. Машина Севері, 1698 р.

Парова машина — основний вид теплових двигунів у XVIII—XIX ст. Тепер такий двигун не використовують, бо його ефективність дуже низька.

Будову і принцип дії реактивного двигуна ви будете вивчати у старших класах.

Зараз ми детально поговоримо про двигун внутрішнього згоряння і парову турбіну.

3. Двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ)

Натепер найпоширенішим видом теплового двигуна є двигун внутрішнього згоряння. Він — «серце» автомобільного транспорту, морських і річкових суден, тепловозів на залізниці, легкомоторних літаків, генераторів електричного струму.

Двигун внутрішнього згоряння — тепловий двигун, усередині якого згоряє паливо. У ДВЗ використовують бензин, дизельне паливо, спирт, а також горючий газ. Розглянемо принцип дії бензинового двигуна (його ще називають карбюраторним).

Основою такого двигуна (мал. 13.3) є циліндр (1). У циліндрі рухається поршень (2). Максимальне верхнє розташування поршня називають верхньою мертвою точкою. Відповідно, найнижче розташування поршня — нижньою мертвою точкою. Перехід поршня між цими точками називають тактом. Поршень за допомогою шатуна (3) з’єднаний з колінчастим валом (4).

Мал. 13.3. Будова двигуна внутрішнього згоряння

Таке поєднання призводить до перетворення поступального руху поршня на обертальний рух колінвала. Для того щоб обертальний рух колінвала був рівномірний, на одному з його кінців закріплено масивний диск (маховик). У верхній частині циліндра є впускний (5) і випускний (6) клапани та свічка запалювання (7).

Робочий цикл у такому двигуні відбувається за 4 такти (мал. 13.4).

Мал. 13.4. Такти робочого циклу двигуна внутрішнього згоряння

1 такт (впуск). Поршень рухається вниз, створюючи розрідження в циліндрі. У цей час відкривається впускний клапан, через який надходить суміш бензину з повітрям.

2 такт (стиск). Поршень рухається вгору. Обидва клапани закриті. Робоча суміш стискається. Коли поршень доходить до верхньої мертвої точки, пальна суміш загоряється від іскри, створеної свічкою.

3 такт (робочий хід). Газ, який утворюється внаслідок згоряння палива, розширюючись, тисне на поршень і переміщує його вниз. Поршень діє на шатун, а шатун — на колінчастий вал, змушуючи його разом з маховиком обертатися. Саме під час цього такту двигун виконує роботу.

4 такт (випуск). Оскільки маховик має велику масу, то він за інерцією продовжує обертатися і поршень починає рухатися вгору. У цей час відкривається випускний клапан, через який із циліндра виходить відпрацьований газ.

Потім знову все повторюється в наступному робочому циклі.

Двигун, у якому робочий цикл здійснюється за 4 такти, називають чотиритактним. Це найпоширеніший тип ДВЗ.

Для скутера, мотоцикла достатньо одноциліндрового ДВЗ. Щоб збільшити потужність ДВЗ, збільшують кількість циліндрів у ньому (мал. 13.5).

Мал. 13.5. Модель чотирициліндрового двигуна внутрішнього згоряння

Поміркуйте і дайте відповідь

1. Чи можна вважати ДВЗ такими, що не шкодять навколишньому середовищу?

4. Парова турбіна

На теплових і атомних електростанціях використовують такий вид теплового двигуна, як парова турбіна.

Парова турбіна — тепловий двигун, у якому пара обертає вал без допомоги поршня, шатуна і колінчастого вала (мал. 13.6).

Мал. 13.6. Парова турбіна

Парова турбіна (мал. 13.7) складається з диска з лопатками, закріпленого на валу, і сопел — трубок з вузькими отворами.

Мал. 13.7. Модель одного щабля парової турбіни

Пара, на яку перетворюється вода, отримавши енергію внаслідок згоряння палива, виривається під високим тиском із сопел, тисне на лопатки турбіни та обертає її. На одному валу з турбіною розташований генератор, який уже механічну енергію перетворює на електричну.

Запам'ятайте

Теплова машина — механізм, що виконує роботу за рахунок теплової енергії.

Тепловий двигун — пристрій, у якому внутрішня енергія палива перетворюється на механічну.

Перевірте себе

1. Заповніть таблицю.

Такт	Впуск	Стиск	Робочий хід	Випуск
Рух поршня	вниз
Стан впускного клапана	відкритий
Стан випускного клапана	закритий
Виконання роботи	не виконується

2. Порівняйте теплові двигуни: ДВЗ і парову турбіну. Оцініть переваги та недоліки кожного.

3. Підготуйте інформацію про історію винайдення дизельного двигуна внутрішнього згоряння.

Обдумайте, змоделюйте, зробіть...

Складіть алгоритм дій і виготовте модель парової турбіни, використавши тонку жерсть або картон, стальний дріт, ножиці, плоскогубці, клей.

Дотримуйтеся правил безпеки під час роботи!

Словник фізичних термінів (для пошуку інформації в англомовних джерелах)

Теплова машина	Thermal machine\heat machine
Тепловий двигун	Heat engine
Двигун внутрішнього згоряння	Internal combustion engine (ICE or IC engine)
Парова турбіна	Steam turbine

Зміст