Задачі та вправи № 107-133. Теплові явища

Рівень А

107. Як працюють і чим відрізняються один від одного різні теплові двигуни в сучасній промисловості?

108. Чому трубки радіатора автомобільного або тракторного двигуна виготовляють з латуні або алюмінію?

109. Чому під час роботи двигунів внутрішнього згоряння температура води в радіаторах підвищується?

110. З якою метою трубки радіатора обдувають швидким потоком повітря за допомогою вентилятора, причому вентилятор засмоктує повітря всередину капота двигуна, а не видуває його з-під капота через радіатор?

111. Чому в систему охолодження двигуна внутрішнього згоряння треба заливати чисту воду?

112. Чому саме вода використовується для охолодження автомобільних двигунів?

113. Чому в мотоциклетних та авіаційних двигунах охолодження повітряне? Як забезпечується належне охолодження цих двигунів?

114. Які особливості двигунів внутрішнього згоряння сприяють широкому застосуванню їх на транспорті, у промисловому і сільському господарстві?

115. Як називають тепловий двигун, у циліндрі якого періодично згоряє пальна суміш?

116. Скільки робочих ходів відбувається в чотирициліндровому двигуні за один оберт колінчастого вала?

117. Який вид механічної енергії водяної пари використовується в парових турбінах?

118. Чому парові турбіни розвивають велику швидкість обертання вала?

119. Автомобіль (мал. 101), на якому встановлено потужний двигун, розвиває під час змагань швидкість 250 км/год. Яку відстань подолає автомобіль за 5 с, рухаючись рівномірно?

120. Тролейбус загальмував і зупинився. Які зміни енергії відбулися при цьому?

121. Частими ударами молотка можна розігріти шматок металу. На що затрачається при цьому механічна енергія?

122. Назвіть, яка енергія зменшується, а яка - відповідно - збільшується під час: а) роботи теплового двигуна; б) нагрівання води в котлі; в) їзди на велосипеді; г) руху автомобіля з вимкненим двигуном.

Мал. 101

Рівень Б

123. Під час сильного перегрівання двигуна внутрішнього згоряння можливе так зване заклинювання поршнів - збільшення розмірів, при яких неможливий їхній рух. Що є причиною такого заклинювання?

124. Чому потужність двигуна за наявності глушника зменшується?

125. Чому в паровій турбіні температура відпрацьованої пари нижча, ніж температура пари, що надходить на лопаті турбіни?

126. У якому тепловому двигуні енергія палива безпосередньо перетворюється на механічну енергію рухомого апарата?

127. Під час спалювання палива в камері згоряння реактивного двигуна утворюються гази, які під високим тиском і з великою швидкістю витікають через отвір (сопло) у задній стінці камери. Які тіла взаємодіють при цьому? Яка причина руху ракети? Чи відбувався б рух реактивного двигуна, якщо б камера згоряння не мала отвору?

128. Космічні ракети значну частину свого шляху рухаються за межами земної атмосфери. Поясніть, чому рух ракет можливий у безповітряному просторі (мал. 102).

Мал. 102

129. Скількох людей позбавляє кисню автомобіль, що протягом 4 год рухається зі швидкістю 80 км/год? Добову норму кисню для однієї людини він споживає на ділянці шляху 2,5 км.

130. Сучасний реактивний лайнер за 1 год польоту спалює 8 т кисню. На скільки біднішим на кисень стане повітря, якщо такий літак пролетить відстань 2550 км зі швидкістю 850 км/год?

131. Осі машин і механізмів під час роботи нагріваються. Яка причина цього нагрівання і які способи усунення її? Які зміни енергії відбуваються при цьому?

132. Існує такий спосіб зварювання деяких деталей: на токарному верстаті одну деталь закріплюють у задній бабці верстата, а другу, притискуючи до першої, швидко обертають разом з його шпинделем. Коли місце дотику деталей нагрівається до плавлення, деталі стискують і зварюють. Поясніть, які зміни енергії відбуваються при цьому.

133. Заточуючи на точилі зубило, доводиться кілька разів занурювати його у воду. Для чого це роблять? Які зміни енергії відбуваються при цьому?

ІСТОРИЧНА ДОВІДКА

Перший тепловий двигун - еоліпіл - сконструював давньогрецький учений Герон Александрійський, який жив у I ст. (мал. 103). Цей прилад був металевою кулею з двома зігнутими трубками. У кулю наливали воду і розпалювали під нею вогонь. Коли утворена пара виходила з трубок, то куля починала обертатися.

До середини XVIII ст. вся фізична робота виконувалася лише силою м’язів людини або свійських тварин, а також природними силами вітру та води, що падає. Одним із найперших парових насосів, які призначалися для відкачування води із шахт, був насос (мал. 104), який сконструював у кінці XVII ст. англієць Томас Севері.

Мал. 103

Мал. 104

Принцип роботи такого насоса: із котла В пара через трубку D і кран С надходить у резервуар S і витискає з нього воду через клапан α і трубку А. Після цього резервуар S відключали від котла і охолоджували водою. Пара конденсувалася в резервуарі, у результаті чого по трубці F вода всмоктувалася і через клапан b надходила в резервуар S, звідки вона знову витискувалася парою по трубці А. Паровий насос Севері поширився на початку XVIII ст., удосконалені його варіанти застосовувалися на шахтах аж до середини XIX ст.

Досконалішу парову машину (так звану атмосферну машину) сконструював у 1705 р. англійський коваль Томас Ньюкомен.

Машина Ньюкомена (мал. 105) вже мала основні деталі парової машини - циліндр і поршень. Вона працювала так: у циліндр із поршнем через трубку із краном надходила пара з парового котла і своїм тиском піднімала поршень у верхнє положення. Потім кран перекривався, відділяючи тим самим циліндр і паровий котел. У циліндр через другий кран, який у той момент відкривався, вприскувалася холодна вода. Пара конденсувалася, і під дією атмосферного тиску поршень опускався вниз. Потім процес повторювався. Таким чином, плече коромисла, з’єднане з поршнем, то піднімалося, то опускалося. Водночас друге плече коромисла надавало руху насосу, який відкачував воду.

Мал. 105

Мал. 106

Машини Севері й Ньюкомена мали два істотних недоліки: 1) машина виконувала роботу лише під час руху поршня в одному напрямку; 2) потрібно було весь час закривати та відкривати крани, тобто машина працювала не автоматично.

У 1765 р. англійський винахідник Джеймс Ватт (1736-1819) сконструював парову машину (мал. 106), яка мала один циліндр із поршнем. Пара впускалася позмінно то з одного боку поршня, то з другого, що досягалося застосуванням спеціального механізму.

Цікавий випадок пов’язаний із машиною Ватта. Одного разу власник невеличкої шахти домовився з винахідником, що той поставить свою парову машину для відкачування води із шахти. Досі таку роботу на шахті виконували коні.

- Ваша машина повинна за годину викачувати води не менше, ніж мій кінь, - сказав власник.

- Добре, - погодився Ватт - якщо так, то потужність вашого коня приймемо за одиницю.

У день випробувань кінь упав від утоми. Відтоді у техніці існує така одиниця потужності - кінська сила. Ватт виміряв цю одиницю потужності, встановивши, що за 1 хв звичайний кінь піднімає вантаж масою 60 кг на висоту 67,5 м. Ім’я Ватта увічнено в назві одиниці потужності - один ват.