Фізика. Рівень стандарту. 10 клас. Сиротюк

§ 42. Теплові машини. Холодильна машина

Якщо пригадати історію фізики та машинобудування, теплові двигуни з’явилися у XVIII ст. У 1784 р. Джеймс Ватт запатентував універсальний паровий двигун. Революційною працею з підвищення коефіцієнта корисної дії (ККД) теплових двигунів стала праця Садді Карно (1796-1832) «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу» (1824). У ній учений запропонував цикл ідеальної теплової машини.

Тепловий двигун - це пристрій, який перетворює внутрішню енергію палива в механічну.

Енергія, яка виділяється під час згоряння палива, через теплообмін передається газу. Газ, розширюючись, виконує роботу проти зовнішніх сил і надає руху механізму. Нехай ідеальний газ об’ємом V₁ міститься в закритому циліндрі з поршнем (мал. 106) під тиском р₁. Поставимо циліндр на нагрівник, температура якого T₁ підтримується сталою (мал. 106, а). Ми будемо спостерігати ізотермічний процес, який супроводжується зміною об’єму і тиску газу відповідно - V₂, р₂ та виконанням роботи А₁ за рахунок кількості теплоти одержаної від нагрівника. Відповідно до графіка в системі координат pV процес зобразимо ізотермою 1-2 (мал. 107).

Мал. 106. Схема роботи теплового двигуна

Припустимо, що далі газ буде розширятися адіабатно, тобто без теплообміну з навколишнім середовищем. Газ виконує додатну роботу розширення А₂ за рахунок внутрішньої енергії, змінивши стан з об’ємом V₂ і тиском р₂ до стану з об’ємом V₃ і тиском р₃ (мал. 106, б, в). При цьому відбувається охолодження, яке супроводжується зміною температури від T₁ до Т₂. На графіку (мал. 107) цей процес буде відповідати адіабаті 2-3.

Мал. 107. Цикл Карно

Далі поставимо циліндр у холодильник, температура якого Т₂ підтримується сталою. Ми будемо спостерігати ізотермічний процес, під час якого газ зі стану з об’ємом V₃ і тиском р₃ перейде до стану з об’ємом V₄ і тиском р₄ (мал. 106, в, г). Під час стиснення газу зовнішні сили виконують від’ємну роботу (-А₃), і, щоб температура газу не змінилася, вона має відповідати кількості теплоти, відданої холодильнику Q₂ = А₃. Цей процес відповідатиме на графіку ізотермі 3-4 (мал. 107). Але стан V₄ р₄ підбиратимемо так, щоб подальше адіабатне стискання газу з досягненням температури T₁ привело до замикання циклу, тобто до об’єму V₁.

Нарешті в точці V₄p₄ знову без теплообміну (мал. 106, г) адіабатним стисканням повернемо газ у початковий стан (мал. 106, д), приводячи до збільшення його внутрішньої енергії і підвищення температури до T₁. На графіку цьому процесу відповідає адіабата 41 (мал. 107).

Цикл, що ми отримали, який складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів, називають циклом Карно і є одним із циклів роботи ідеальної теплової машини. Під час розширення робоче тіло виконує роботу, а в результаті стискання роботу над ним виконують зовнішні сили. Після кожного циклу робоче тіло повертається у початковий стан.

Закон збереження й перетворення енергії для циклу Карно полягає в тому, що енергія, одержана робочим тілом від навколишнього середовища, дорівнює енергії, переданій ним навколишньому середовищу. Навколишнім середовищем передано кількість теплоти Q₁ під час розширення робочого тіла і виконано роботу А₃ + А₄ на стискання. Робоче тіло виконало роботу А₁ + А₂ під час розширення і передало кількість теплоти Q₂ під час стискання.

Q₁ + A₃ + A₄ = Q₂ + A₁ + A₂ або, враховуючи, що Α₁ = Α₄, Α₁ - Α₃ = Q₁ - Q₂.

Різниця Α₁ - Α₃є корисною роботою, яку виконує робоче тіло в результаті даного циклічного процесу. Вона дорівнює різниці кількості теплоти, підведеної під час розширення газу і відведеної під час його стискання.

Для характеристики ефективності циклу перетворення внутрішньої енергії в механічну, а значить і теплової машини, вводиться коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу, або машини. Він визначається відношенням роботи А₁ - А₃, яка використовується в даному циклі, до роботи Α₁, яку можна було б виконати внаслідок повного перетворення в неї всієї кількості теплоти підведеної до газу:

де T₁ - максимальна температура робочого тіла (газу, пари); Т₂ - мінімальна температура, за якої робоче тіло віддає частину внутрішньої енергії холодильнику. Оскільки Т₂ - температура холодильника або відпрацьованих продуктів горіння - не може дорівнювати абсолютному нулеві, то максимальний тепловий ККД машини не може дорівнювати одиниці (100 %).

Проте машину можна примусити працювати і за зворотним циклом Карно, коли внаслідок виконаної роботи від системи віднімається деяка кількість теплоти. У цьому разі охолодження досягають за рахунок виконання роботи, теплота примусово переходитиме від менш нагрітого тіла до більш нагрітого, а теплова машина перетвориться в холодильну машину.

За зворотним циклом від поршня з нижчою температурою Т₂(мал. 106, в) віднімається кількість теплоти Q₂ і віддається поршню з вищою температурою T₁ (мал. 106, а) кількість теплоти Q₁. Для кругового процесу Q = А, але є умова Q = Q₂ - Q₁ < 0, тому А < 0 і Q₂ - Q₁ = А' або Q₁ = Q₂ + А', тобто кількість теплоти Q₁, віддана системою джерелу теплоти з більш високою температурою Т₁, більша за кількість теплоти Q₂, одержаної від джерела теплоти з більш низькою температурою Т₁ на значення роботи А', виконаної над системою. Таким чином, без виконання роботи не можна відбирати теплоту від менш нагрітого тіла і віддавати її більш нагрітому.

Ефективність роботи холодильної машини характеризують холодильним коефіцієнтом, який визначають відношенням кількості теплоти Q₂, отриманої від поршня з нижчою температурою, до роботи А', яка витрачається на приведення холодильної машини в дію:

Прикладом найпоширенішої холодильної машини є домашній холодильник. Робочу систему холодильника заповнюють рідиною, яка легко випаровується (фреон, аміак, сірчистий ангідрид тощо), її називають холодоагентом.

Цим підтверджується дослідний факт про певну спрямованість теплопередавання: теплота сама по собі переходить завжди від гарячих тіл до холодних.

Природно, що внаслідок перебігу фізичних процесів навколишній світ зазнає певних змін. Наприклад, унаслідок механічної взаємодії змінюються координати тіл або їх швидкості. Термодинамічні процеси супроводжуються змінами станів системи, яка характеризується певними макро- і мікропараметрами.

Ці зміни, як правило, такі, що не допускають можливість самочинного повернення системи в початковий стан. Тому самоплинні природні процеси є необоротними. Оборотними вони стають завдяки стороннім впливам або складним процесам, які компенсують ці зміни.

Напрямок плину теплових процесів установлює другий закон термодинаміки, який уперше сформулював німецький фізик Рудольф Клаузіус (1822-1888) у 1850 р.: у природі не можливий процес, під час якого теплота самочинно переходила б від менш нагрітих до більш нагрітих тіл.

Пізніше Вільям Томсон (Кельвін) дав інше формулювання другого закону термодинаміки: неможливо здійснити такий періодичний процес, єдиним результатом якого буде виконання роботи за рахунок теплоти, відібраної у нагрівника. Отже, другий закон термодинаміки доповнює закон збереження і перетворення енергії в теплових процесах можливим напрямком їх самочинного перебігу в природі та заперечує можливість створення вічного двигуна.

ЧИ ЗНАЄТЕ ВИ ЩО...

• Зростання потреби людства в енергоносіях прискорює розвиток теплоенергетики. Одним із важливих недоліків використання теплових машин є забруднення навколишнього середовища. Теплові двигуни різної конструкції (на автомобільному залізничному, повітряному, морському транспорті та в ракетобудуванні) спричиняють хімічне, фізичне, теплове та шумове забруднення навколишнього середовища.

• Сучасні надпотужні працюючі ТЕС викидають у повітря шкідливі речовини. Наприклад, оксиди сірки, азоту, фтористі сполуки, чадний газ, метан, етилен, п’ятиокис ванадію. Одна ТЕС за рік викидає в атмосферу понад 3000 т оксидів сірки та майже 2000 т оксидів азоту. Більшість цих речовин є токсичними й негативно впливають на довкілля. Змішуючись із водою у хмарах, вони випадають згодом у вигляді кислотних дощів.

• Значну частку шкідливих викидів у атмосферу становлять продукти роботи двигунів внутрішнього згорання. Особливо сильно забруднюють атмосферу реактивні двигуни літаків і ракет. Шкідливі речовини потрапляють в атмосферу й під час роботи котлів опалювальних систем.

Із розвитком теплової енергетики вчені пов’язують теплове забруднення атмосфери й так зване глобальне потепління. Холодильником для теплових двигунів є атмосфера, куди передається «відпрацьоване» тепло. Крім того, до атмосфери потрапляють дуже дрібні частинки викидів, які зависають у ній і відбивають теплові промені, що випромінюються земною поверхнею. Відбувається так званий парниковий ефект, у результаті якого підвищується температура атмосфери, що виявляється у змінах клімату з непередбачуваними наслідками.

Деякі види теплових двигунів викидають в атмосферу речовини, що зумовлюють, наприклад, зменшення товщини озонового шару, який захищає все живе на Землі від ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Робота теплових двигунів супроводжується шумами, які негативно впливають на біологічні об’єкти. Тому перед людством постають глобальні екологічні проблеми, для розв’язання яких слід усунути шкідливі чинники дії теплових машин.

Перспективним напрямом є поступова заміна теплових двигунів електричними, використання екологічно чистих джерел енергії (води, сонця, вітру), розвиток геотермальної енергетики.

• Сьогодні в Україні, як і в усьому світі, активно розвивається альтернативна, або відновлювальна, енергетика. Щороку на сонячних електростанціях виробляється понад 500 млн кВт • год електричної енергії. Популярності набувають сонячні міні-електростанції.

• Одним із найперспективніших напрямів розвитку теплової енергетики є використання геотермальної енергії. Сучасні теплосистеми дають змогу використовувати теплову енергію, акумульовану в надрах земної кулі, як для виробництва електричної енергії, так і для опалення, гарячого водопостачання, поверхневого охолодження.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що таке цикл Карно? З яких процесів він складається?
• 2. Який коефіцієнт корисної дії ідеальної теплової машини? Яке максимальне його значення можуть мати реальні теплові машини?
• 3. Який принцип дії теплової машини? Які обов’язкові складові частини вона має?
• 4. Чому дорівнює ККД теплової машини? Чи може він бути більшим за 1?
• 5. За яким принципом працює холодильна машина? У чому її відмінність від теплової машини?
• 6. Що характеризує ефективність холодильної машини?

Дослідіть, які процеси відбуваються у двигунах внутрішнього згоряння і якими фізичними законами вони описуються.