Фізика. 8 клас. Пістун

§ 16. Принципи роботи теплових двигунів

  • Яку фізичну величину називають питомою теплотою згоряння палива?
  • Що називають коефіцієнтом корисної дії?

1. Теплові двигуни — це пристрої, які здійснюють механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива.

Розглянемо, як працює найпростіший тепловий двигун. Виконаємо дослід. Наллємо в пробірку воду, закриємо її корком і закріпимо в штативі (рис. 35). Будемо нагрівати пробірку з водою. Коли вода закипить, пара, що утворилася над нею, виштовхне корок із пробірки.

Пара при цьому виконає роботу з переміщення корка за рахунок своєї внутрішньої енергії. Ми, таким чином, отримали найпростіший тепловий двигун. Такий двигун може виконати роботу одноразово. Щоб він знову виконав роботу, його потрібно повернути в початковий стан.

Рис. 35

2. З’ясуємо, з яких частин складається описаний вище двигун. Пара, яка здійснювала роботу, являє собою робоче тіло. Робоче тіло (пара) отримувало енергію від нагрівача, в даному випадку — від спиртівки, в якій згорає спирт (паливо), розширювалося і здійснювало роботу, виштовхуючи корок. Щоб повернути робоче тіло в початковий стан (стиснути), його треба охолодити, отже, потрібно мати холодильник, якому робоче тіло віддає певну кількість теплоти. В даному випадку роль холодильника відіграє навколишнє повітря.

Таким чином, в тепловому двигуні розширення робочого тіла відбувається при більш високій температурі, ніж стиснення.

Рис. 36

Будь-який теплової двигун складається з робочого тіла, нагрівача і холодильника. На рисунку 36 зображено принципову схему теплового двигуна. Робочим тілом зазвичай є газ або пара, тому що вони добре стискаються. Холодильником може бути довкілля. Робоче тіло отримує енергію від нагрівача, здійснює роботу і віддає деяку кількість теплоти холодильнику, повертаючись у початковий стан.

3. У тепловому двигуні перетворюється в механічну енергію тільки частина енергії, яку робоче тіло отримує від нагрівача. Частина енергії передається холодильнику, а частина енергії йде на здійснення роботи проти сил опору.

Нехай Q1 — кількість теплоти, яку отримало робоче тіло від нагрівача; Q, — кількість теплоти, яку робоче тіло віддало холодильнику; A — виконана робота. Тоді A = Q1 - Q2.

Відношення виконаної двигуном роботи А до кількості теплоти отриманої ним від нагрівача, називають коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна (ККД) η:

Коефіцієнт корисної дії показує, яка частина енергії, отриманої від нагрівала, пішла на здійснення роботи. Зазвичай його виражають у відсотках.

4. Для підвищення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна необхідно збільшити кількість теплоти, яку він отримує від нагрівача, і зменшити кількість теплоти, що віддається холодильнику.

Кількість теплоти, отримана від нагрівача, тим більша, чим вища його температура, а кількість теплоти, що віддається холодильнику, тим менша, чим нижча його температура. Тому для підвищення ККД двигуна слід підвищити температуру нагрівача і знизити температуру холодильника. Крім того, для підвищення ККД необхідно зменшити втрати енергії через стінки двигуна, зменшити тертя в його робочих частинах.

Запитання для самоперевірки

  • 1. Які двигуни називають тепловими?
  • 2. Які основні частини теплового двигуна?
  • 3. Чому робочим тілом двигуна є газ або пара?
  • 4. Навіщо тепловому двигуну потрібен холодильник?
  • 5. Що називають коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна?
  • 6. Від чого залежить ККД теплового двигуна?
  • 7. Що потрібно зробити, аби підвищити ККД теплового двигуна?

Завдання 16

  • 1. Чи можна механічну енергію повністю перетворити у внутрішню енергію тіла?
  • 2. Чи можна внутрішню енергію робочого тіла повністю перетворити в механічну енергію?
  • 3. Які перетворення енергії відбуваються при пострілі з гвинтівки?
  • 4. Двигун здійснив роботу 28 МДж, отримавши кількість теплоти 70 МДж. Чому дорівнює ККД двигуна?
  • 5. Обчисліть ККД двигуна, якщо він отримав від нагрівача кількість теплоти 150 МДж, а передав холодильнику 100 МДж.