Фізика. Повторне видання. 8 клас. Засєкіна (2025)

§ 15. Використовуємо теплову енергію для виконання роботи

- Пригадай: на початку вивчення теплових явищ ми з’ясували, що внутрішню енергію можна змінити, виконуючи механічну роботу. А чи можливо навпаки?

- Звичайно! І ти щоранку, коли кип’ятиш чайник, можеш перетворити його на теплову машину!

ДОСЛІДЖУЙ

Роздивись малюнок 15.1. У якому випадку чайник (мал. 15.1, а, б) є прототипом парового двигуна (мал. 15.1, в), а в якому — парової турбіни (мал. 15.1, г)? Що, на твою думку, забезпечує неперервну роботу парової турбіни і руху поршня у паровому двигуні? Чим, на твою думку, можна замінити водяну пару?

Мал. 15.1

ДІЗНАВАЙСЯ

Як використати теплову енергію для виконання механічної роботи? Здавна люди займалися конструюванням механізмів, які допомагали виконувати важку роботу. Спочатку вони використовували прості механізми — важелі, похилу площину, блоки тощо.

Відтоді як людство пізнало закономірності перебігу теплових явищ, учені й винахідники намагалися винайти спосіб використання теплової енергії, зокрема перетворення її на механічну.

Розглянемо детальніше процеси, які відбуваються на мал. 15.1, б. Вода в чайнику починає закипати, тиск пари під кришкою збільшується. У результаті настає момент, коли сила тиску пари стає більшою за силу тяжіння, що діє на кришку, і кришка підстрибує. У цей момент частина пари виходить назовні, сила тиску пари на кришку зменшується, і сила тяжіння повертає кришку на місце. Якщо нагрівання продовжувати, то процес повторюватиметься.

- А чи можеш назвати всі складники цього процесу, і які ролі вони виконують?

1. Джерело енергії (газова плита), яка надає кількість теплоти Q_наг для нагрівання води і утворення пари.

2. Гаряча пара, яка піднімає кришку, виконує механічну роботу А.

3. Зовнішнє середовище, якому віддається частина енергії пари Q_втрат.

4. Сила тяжіння, яка повертає кришку у початкове положення.

- А спробуй установити, якому із названих Вікою пунктів 1-4 відповідають такі терміни: а — нагрівник, б — охолоджувач, в — робоче тіло.

Саме так у 1824 р. французький учений Саді Карно назвав складники теплової машини.

Якщо з кришкою чайника (або іншим виводом пари) з’єднати якийсь механізм, дістанемо найпростішу модель теплового двигуна. До речі, такі чайники є (мал. 15.2). Якщо кришка міцно закрита і в носику знаходиться пробка, пара виходить через циліндр, у якому є поршень, що рухає коліщатка, і чайник працює, як справжній паровоз.

Мал. 15.2

На прикладі з чайником визначимо частини, із яких має складатися теплова машина:

робоче тіло (heat engine) — пара, яка, розширюючись, піднімає кришку, виконує роботу А;
нагрівник (hot body) — газова плита (джерело енергії), яка надає кількість теплоти Q₁ для нагрівання води й утворення пари;
охолоджувач (cold body) — довкілля, якому, виходячи із чайника, водяна пара періодично віддає енергію Q₂.

На принципі перетворення теплової енергії на механічну завдяки виконанню роботи побудовано дію всіх теплових машин (мал. 15.3).

Мал. 15.3

До теплових машин належать двигуни внутрішнього згорання, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни тощо. З часу винайдення ці машини постійно вдосконалюють, але їх будова ґрунтується на закономірностях перетворення теплової енергії на механічну.

Теплова машина (heat engine) — пристрій для перетворення внутрішньої енергії на механічну.

• Переглянь в е-додатку анімаційну модель роботи теплової машини (15.1).

Чим холодильна машина відрізняється від теплової? За звичайних умов теплота самостійно не може переходити від менш нагрітих (холодніших) тіл до більш нагрітих. Проте ти користуєшся холодильниками, які охолоджують тіла. Як вони працюють? Річ у тім, що всі холодильні машини є різновидом теплових машин. На відміну від інших теплових машин, які виконують роботу завдяки внутрішній енергії палива, у холодильних машинах внутрішня енергія тіла, що охолоджується, зменшується завдяки виконанню роботи іншим тілом.

Холодильною машиною називають пристрій, у якому внутрішня енергія примусово забирається з менш нагрітого тіла та передається тілу з більш високою температурою.

Можна вважати, що холодильна машина працює за принципом, «оберненим» до принципу дії теплової машини (мал. 15.4).

Мал. 15.4

Робоче тіло холодильної машини забирає тепло Q₂ від охолоджувача й передає тепло Q₁ нагрівнику, яким слугує навколишнє середовище. При цьому має місце співвідношення: Q₁ = Q₂ + А, де Q₁ — теплота, що передається навколишньому середовищу; Q₂ — теплота, забрана від морозильної камери; А — робота, яка виконується над робочим тілом холодильної машини.

Визначаємо коефіцієнт корисної дії теплової машини. У 1851 р. англійський фізик Вільям Томсон (лорд Кельвін) сформулював закон, який відіграв вирішальну роль у створенні теплових машин. Цей закон ще називають законом збереження енергії в теплових процесах.

У природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише завдяки охолодженню джерела теплової енергії без нагрівання навколишніх тіл.

Це означає, що неможливо створити так званий вічний двигун, тобто теплову машину, яка б діставала енергію у вигляді теплоти від одного тіла і повністю передавала її у формі роботи іншому тілу.

Для теплових машин (як і для механічних) існує поняття корисної і затраченої енергії. І кожна теплова машина характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД), який визначає її спроможність перетворювати теплову енергію на механічну роботу.

Затраченою енергією є кількість теплоти, яка надається нагрівнику Q₁.

Корисною енергією є механічна робота, виконана тепловою машиною А.

За законом збереження енергії ця енергія дорівнює різниці кількості теплоти Q₁, яку надає нагрівник робочому тілу, і кількості теплоти Q₂, яку віддає робоче тіло охолоджувачу: А = Q₁ - Q₂.

Оскільки виконана робота А завжди менша від наданої кількості теплоти Q₁, то можна зробити висновок, що ККД теплових машин завжди менший від 1 (100 %).

Теплові двигуни мають невисокий ККД — як правило, 20-30 %. Підвищення ККД теплових двигунів — найважливіша технічна задача. Основним способом підвищення ККД є збільшення температури нагрівника, але його не можна нагрівати до температури плавлення матеріалів, з яких виготовлено двигун. Тому для збільшення ККД використовують якісніше паливо, а для зменшення тертя — моторне мастило.

ДУМАЙ

1. Як відбувається перетворення енергії в теплових процесах?
2. Які механізми називають тепловими машинами?
3. Із яких конструктивних елементів складається будь-яка теплова машина?
4. Який фундаментальний закон покладено в основу дії теплових машин?
5. Чому не можна створити вічний двигун?
6. Що характеризує ККД теплової машини?

ДІЙ

УЧИСЬ РОЗВ’ЯЗУВАТИ ЗАДАЧІ

У паровій турбіні потужністю 1 кВт за 1 годину витрачається дизельне паливо масою 0,35 кг. Обчисли ККД турбіни.

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Який ККД має двигун, якщо він дістає від нагрівника щосекунди 5600 кДж і віддає в холодильник 4000 кДж теплоти?

2. Теплова машина з ККД 28 % отримує від нагрівника 800 Дж. Яку корисну роботу вона виконує?

3. Теплова машина за один цикл отримує від нагрівника кількість теплоти 100 Дж і віддає охолоджувачу 60 Дж. Який ККД машини?

4. Тепловий двигун має потужність 220 кВт. Знайди ККД двигуна, якщо за 10 с він отримав від нагрівника 2 • 10⁶ Дж теплоти.

5. Відомо, що середня потужність, яку розвиває звичайна людина під час фізичної праці, дорівнює 50 Вт. Визнач «механічний ККД» людини, зайнятої фізичною працею, якщо її робочий день 7 год, а калорійність денного раціону становить 20,9 • 10⁶ Дж.

6. Який ККД тракторного двигуна, якщо витрата дизельного пального становить 216 г/год на 1 кВт?

7. Який ККД турбіни ТЕС, якщо вона отримує від нагрівника 66 МДж теплоти і при цьому виконує роботу 26,4 • 10⁶ Дж?

8. Для роботи турбіни, що розвиває потужність 100000 кВт, за добу спалюється в топках парових котлів 960 т кам’яного вугілля. Визнач ККД паротурбінної установки.

9*. На теплових електростанціях для виробництва кожного мегаджоуля електроенергії використовується в середньому 105 г кам’яного вугілля. Скільки потрібно вугілля для роботи такої електростанції протягом року, якщо її електрична потужність 500 МВт? Обчисли ККД електростанції.

10*. Автомобіль з двигуном потужністю 80 кВт рухається зі швидкістю 100 км/год. Визнач, яку масу бензину він затратить на шляху 160 м, якщо його ККД дорівнює 30 %.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДИ

• Переглянь в е-додатку відео моделі теплової машини (15.2) та сконструюй її.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

Візьми участь у груповій роботі

Об’єднайтесь у групи та розподіліть питання для пошуку інформації і підготовки повідомлень. Хто перший сконструював паровий двигун? Як розвивалась техніка на парових двигунах? У чому переваги і недоліки теплових машин? Що таке теплові насоси? Чи можна вважати живу істоту (біологічна система) тепловим двигуном?

Зміст