KNOWLEDGE HYPERMARKET


Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Принцип дії теплових машин. Теплові двигуни

Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 8 клас>> Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Принцип дії теплових машин. Теплові двигуни


Перетворення теплової енергії в механічну. Принцип дії теплових машин   

Споконвіку людина замислювалася над тим, як зробити механізми, які б допомагали їй виконувати важку роботу. Спочатку вона використовувала прості механізми — важелі, похилу площину, різні передавальні механізми, блоки тощо.
Графік буде симетричним, якщо нагрівник і охолоджувач мають однакову потужність, втратами енергії можна знехтувати.
 
Відтоді як людство пізнало закономірності перебігу теплових явищ, учені намагалися знайти спосіб використання теплової енергії, зокрема перетворення її в механічну.
У 1784 р. англійський винахідник Дж. Уатт створив перший паровий двигун, який тривалий час використовувався як універсальний двигун, що приводив у рух паровози і пароплави, навіть перші автомобілі. Трохи раніше, у 1766 p., російський винахідник 1.1. Ползунов створив парову машину, яка працювала на одному з гірничодобувних заводів Уралу.


Теплова машина ˜— це механізм, який виконує механічну роботу за рахунок теплової енергії.


Для пояснення принципу дії теплових машин виконаємо дослід. Візьмемо циліндр із поршнем, покладемо на нього вантаж, наприклад гирю, і почнемо нагрівати газ у циліндрі під поршнем (мал. 150). З підвищенням температури газу поршень почне поступово рухатися вгору, оскільки внаслідок нагрівання газ розширюється. Отже, під час теплопередачі газ виконує механічну роботу, піднімаючи вантаж на певну висоту.
Якщо нагрівання газу припинити, то завдяки теплообміну з навколишнім середовищем він почне остигати, його об'єм зменшуватиметься і поршень буде рухатися вниз.
 

На цьому принципі перетворення теплової енергії в механічну шляхом виконання роботи побудована дія всіх теплових машин. До них належать двигуни внутрішнього згоряння, парові й газові турбіни, дизельні й турбореактивні двигуни тощо. З часу їх винайдення вони постійно удосконалюються, але їх будова ґрунтується на закономірностях перетворення теплової енергії в механічну.

У 1824 р. французький учений С. Карно встановив, що теплова машина конструктивно має складатися з нагрівника (джерела теплоти), робочого тіла, яке, власне, виконує роботу (наприклад, пара в парових двигунах або суміш повітря і пари бензину в двигунах внутрішнього згоряння), і охолоджувача (мал. 151). Така машина спроможна виконувати роботу за умови, якщо температура охолоджувача буде нижчою за температуру нагрівника.
У 1851 р. англійський фізик В. Томсон (лорд Кельвін) сформулював      закон,      який      відіграв вирішальну роль у створенні теплових машин. Він установив, що в природі неможливий процес, єдиним результатом якого є виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплової енергії без нагрівання оточуючих тіл. Це твердження означає, що не можна створити так званий вічний двигун, тобто теплову машину, яка б перетворила в роботу всю її внутрішню енергію.
Як відомо, за законом збереження енергії механічна робота, виконана тепловою машиною, дорівнює різниці кількості теплоти Qj, наданій нагрівником робочому тілу, і кількості теплоти Q2, яку воно віддає охолоджувачу: А = Qx - Q2.  Отже, кожна теплова машина характеризується коефіцієнтом корисної дії (ККД), який визначає її спроможність перетворювати теплову енергію в механічну роботу. За означенням ККД теплової машини дорівнює відношенню виконаної роботи А до наданої кількості теплоти Q1:

ККД = A/Q1 = Q1-Q2/Q1 = 1 - Q2/Q1
Оскільки Q1 > Q2, можна зробити висновок, що ККД теплових машин завжди менший за 1.
Інколи ККД визначають у відсотках. Тоді необхідно значення ККД помножити на 100 %. Теплові двигуни мають невисокий ККД, як правило 20-30 % .
 

Питання.
1.    За рахунок чого газ виконує роботу під час теплопередачі?
2.    Які механізми називають тепловими машинами?
3.    З яких конструктивних елементів складається будь-як, теплова машина?
4.    Який фундаментальний висновок покладено в основу ді теплових машин?
5.    Чому не можна створити вічний двигун?
6.    Що характеризує ККД теплової машини? Чому він зав менший за 1?


Вправа  35
1.    Двигун   внутрішнього   згоряння   автомобіля   має   потужність 37 кВт, а його ККД дорівнює 20 % . Яку кількість бензину він споживає за 1 год роботи?
2.    Двигун трактора може розвивати потужність 60 кВт, споживаючи при цьому в середньому 18 кг дизельного пального за 1 год. Визначити ККД цього двигуна.


 Двигун внутрішнього згоряння   
Одним із найпоширеніших видів теплової машини є двигун внутрішнього згоряння (ДВЗ), який нині широко використовується в різних транспортних засобах, зокрема в автомобілях.
Розрізняють карбюраторні ДВЗ і дизельні (названі на честь їх винахідника, німецького інженера Р. Дизеля).
Розглянемо принцип дії чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння (мал. 152). Основним його елементом є циліндр із поршнем, де відбувається згоряння палива (звідси походить назва двигуна). Як правило, їх кілька. Тому кажуть про дво-, чотири- чи восьмициліндрові двигуни тощо.


/ такт    — впуск пальної суміші.
// такт    — стискання суміші.
/// такт    — робочий хід.
IV такт    — випуск відпрацьованих газів.


Циліндр має два отвори з клапанами — впускним і випускним. Робота ДВЗ ґрунтується на чотирьох послідовних процесах - тактах, які весь час повторюються. Перший такт — це впуск пальної суміші, що здійснюється через впускний клапан, коли поршень рухається вниз. Після того як поршень досягне нижньої точки, всмоктування палива припиняється і обидва клапани закриваються. Під час другого такту, коли поршень рухається вгору, відбувається стискання суміші, внаслідок чого її температура підвищується. У верхній точці поршня суміш запалюється іскрою від електричної свічки (у карбюраторних двигунах) або від високої температури сильно стиснутого газу (в дизельних двигунах). Суміш спалахує, внаслідок значного нагрівання газ розширюється й тисне на поршень. Сила тиску штовхає поршень донизу, відбувається третій такт — робочий хід, під час якого виконується робота. За допомогою спеціального з'єднання - кривошипно-шатунного механізму -рух поршня передається колінчастому валу, який з'єднано з колесами автомобіля. Виконуючи роботу, суміш розширюється й одночасно охолоджується. Після проходження поршнем нижньої точки відкривається випускний клапан і під час руху поршня вгору відбувається четвертий такт — випуск відпрацьованих газів. Таким чином, робочий цикл чотиритактного двигуна завершується, і згодом все починається з першого такту.
Оскільки з чотирьох тактів ДВЗ лише один — робочий, двигун має інерційний механізм - маховик. Він запасає енергію, за рахунок якої колінчастий вал обертається під час виконання решти тактів.
1.    Які існують види двигунів внутрішнього згоряння?
2.    Назвіть процеси, що відбуваються в чотиритактному ДВЗ

Парова і газова турбіни
Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових і атомних електростанціях використовують турбіни. Турбіни як основний рушійний елемент застосовують також у газотурбінних двигунах, що широко використовуються в авіації. Залежно від робочого тіла (пари або газу) розрізняють парові й газові турбіни.
Слово «турбіна» походить від латинського turbo — вихор. обертання з великою швидкістю.

В основу дії турбін покладено обертання колеса з лопатками під тиском водяної пари або газу. Цю ідею людина здавна реалізувала в роботі вітряків і водяних млинів: потік води тисне на ковші колеса млина і під дією ваги води змушує їх обертатися (мал. 153).
У парових турбінах перетворення енергії відбувається через різницю тисків водяної пари на вході (вхідний паропровід 1) і виході (вихідний паропровід 2) (мал. 154). Тому вона має блоки високого і низького тиску. На шляху водяної пари знаходяться робочі колеса 3 з лопатками, яких, як правило, кілька. Пара, що виробляється в паровому котлі теплоелектростанції, спрямовується під високим тиском по вхідному паропроводу 1 до робочих коліс. Вона тисне на їхні лопаті, через що турбіна обертається.

Теплоенергетична установка перетворює теплову енергію в механічну.
Таким чином, теплова енергія водяної пари, виробленої в теплоенергетичній установці електростанції, завдяки турбіні перетворюється в механічну енергію. У свою чергу, за допомогою особливого пристрою, який називається генератором, механічна енергія перетворюється в електричну.
Парові турбіни сучасних теплоелектростанцій розвивають потужність до 1300 МВт.
Газова турбіна відрізняється від парової тим, що в ній є спеціальна камера зго| ефективність установки.
У газових турбінах додатково встановлюють спеціальну камеру згоряння, в яку впорскується паливо. Стиснуте в ній повітря має дуже високу температуру, і тому упорснуте паливо запалюється. Відбувається стрімке підвищення його температури. Під високим тиском газ тисне на лопатки робочого колеса, обертаючи газову турбіну. Частину енергії вона віддає компресору, який нагнітає повітря в камеру згоряння. Інша її частина йде на виконання роботи рушійним елементом газотурбінного двигуна, наприклад гвинтом літака, колесом автомобіля, валом електрогенератора тощо.
Потужність сучасних газових турбін досягає 100... 150 МВт.

Питання.
1.    Які бувають турбіни? За якою ознакою їх поділяють?
2.    Що є основним елементом турбіни?
3.    Що покладено в основу дії парової турбіни?
4.    У чому полягає конструктивна відмінність парової і газової турбін?
5.    Де використовують парові та газові турбіни?

 
Екологічні  проблеми використання теплових машин
Широке використання теплових машин у житті людини призвело до загострення екологічних проблем, пов'язаних із викидами в атмосферу шкідливих речовин. Серед них особливе місце належить діоксиду карбону СО2, який небезпечний тим, що створює «парниковий ефект», унаслідок чого температура повітря на Землі підвищується. За даними міжнародних  обстежень,   порівняно з   1961   р.  середня  температура
повітря на Землі зросла майже на 1 °С. Основною причиною зміни клімату нашої планети вчені вважають зростання викидів діоксиду карбону в атмосферу.
У світі з різних джерел нині потрапляє в атмосферу майже 30млрд τ СО2, а лісами поглинається лише 4 млрд т; частка України в цьому загальносвітовому процесі складає 1,1 %. У загальному викиді СО2 в атмосферу майже половина належить самим виробникам енергії - тепловим електростанціям, що працюють на вугіллі, нафті або газі (мал. 155). Викиди автомобільного та іншого транспорту становлять 24,1 %. Решта — це виробнича діяльність (заводи і фабрики), процеси життєзабезпечення тощо.
У природі порушена динамічна рівновага для відновлення кисню в реакціях фотосинтезу. Якщо не вживати ніяких заходів щодо поліпшення екологічної ситуації, це може призвести до жахливих катастроф, які загрожуватимуть усьому людству. Тому останнім часом пропонуються заходи, спрямовані на зменшення викидів С02 в атмосферу.


Зокрема, виробники автомобільних двигунів пропонують різні технічні удосконалення ДВЗ. Це запровадження різних каталізаторів і фільтрів, які покращують екологічні показники двигунів. Наприклад, на виставці у СІЛА автомобіль «Mercedes-Benz E-320» був відзначений за впровадження паливної системи, яка зменшує викиди діоксиду карбону на 80 % і доводить їх до екологічних норм «Евро-5». Проте такі удосконалення відбуваються в основному за рахунок зменшення потужності і ККД двигуна, що погіршує його технічні характеристики.
Використання удосконалених технологій у ДВЗ не може зняти проблему викидів СО2, оскільки продуктами згоряння в Цих двигунах є нафтопродукти (бензин чи дизельне пальне). Тому зараз пропонуються інші підходи в автомобілебудуванні.
 
Наприклад, виробники автомобілів «Toyota» виготовляють машини з гібридним приводом, в яких використовуються два типи двигунів - електричний і ДВЗ. Електродвигуни конструктивно вмонтовані в кожне колесо і допомагають ДВЗ, створюючи додаткову тягу.
Існують також конструктивні розробки електромобілів, які працюють від акумуляторних батарей. Проте незначний ресурс звичайних кислотних акумуляторних батарей (сьогодні це приблизно 300-400 км на одному заряді батареї), а також проблеми їхньої утилізації не дають змоги поки що зробити електромобілі масовими. Хоча ведуться пошуки компактних і легких акумуляторів, зокрема на так званих водневих елементах.
Останнім часом інженери провідних автомобільних фірм «Ford» і «Volvo» впроваджують двигуни, які спроможні працювати на бензині та альтернативному виді палива — біоетанолі або їх суміші, що знижує викиди СО2 до 30-80 % .


Проте використання всіх цих видів палива не може остаточно розв'язати екологічні проблеми застосування ДВЗ, оскільки продукти згоряння все одно міститимуть шкідливі речовини. Тому останнім часом пошуки ведуться в напрямі використання відновлювальних джерел енергії. Одним з них є водень (гідроген), який вважається найперспективнішим видом палива, здатним замінити бензин і дизпаливо. Гідрогенні двигуни є екологічно чистими, оскільки продуктом згоряння в них є водяна пара, яка не спричиняє шкідливих викидів СО2. Крім того, гідроген згоряє в камері практично повністю в широкому діапазоні температур і тому за ефективністю використання . вважається ідеальним пальним.
Екологічні проблеми використання теплових машин не обмежуються лише їхнім конструктивним удосконаленням з метою зменшення шкідливих викидів. Важливим є також відновлення енергетичних запасів, які витрачаються в процесі людської діяльності. Адже корисні копалини утворюються природою впродовж віків, а витрачаються практично миттєво. їх запаси не безмежні і вимагають раціонального використання. В Україні основним джерелом енергоресурсів (83,4 %) залишаються теплові електростанції, що працюють на вугіллі, нафті або газі. Частка атомної енергетики складає 16,1 %; менше 1 % складають відновлювальні джерела енергії. Світові тенденції розвитку енергетики вказують на те, що в життєдіяльності людини треба шукати альтернативні джерела, які ґрунтуються на відтворюваних природних ресурсах: воді, сонці, вітрові тощо.
Не менш важливою залишається проблема утилізації відходів життєдіяльності людини, економічного використання енергоресурсів. Нині особливо гостро постає проблема утилізації побутових відходів, можливість одержання енергії внаслідок екологічно «чистого» спалювання сміття. Це стає важливим не лише для великих міст, але й для малих селищ і містечок. Адже планета Земля — це єдиний наш дім. Ми живемо на різних континентах, у різних містах і селах. Але цей глобальний світ взаємопов'язаний насамперед екологічними проблемами, оскільки порушення динамічної рівноваги в одній його частині неодмінно дається взнаки природними катаклізмами на всій планеті.


Питання.
1.    Чому викиди діоксиду карбону в атмосферу шкідливі?
2.    Чому необхідно вдосконалювати ДВЗ?
3.    Які пошуки інженерів ведуться останнім часом в автомобілебудуванні?
4.    Чому екологічні проблеми є загальнолюдськими?


Фізика. 8 клас. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф.

Вислано читачами з інтернет-сайту


Календарно-тематичне планування з фізики, завдання та відповіді школяру, курси учителю з фізики 8 класу

Зміст уроку
1236084776 kr.jpg конспект уроку і опорний каркас                      
1236084776 kr.jpg презентація уроку 
1236084776 kr.jpg акселеративні методи та інтерактивні технології
1236084776 kr.jpg закриті вправи (тільки для використання вчителями)
1236084776 kr.jpg оцінювання 

Практика
1236084776 kr.jpg задачі та вправи,самоперевірка 
1236084776 kr.jpg практикуми, лабораторні, кейси
1236084776 kr.jpg рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
1236084776 kr.jpg домашнє завдання 

Ілюстрації
1236084776 kr.jpg ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
1236084776 kr.jpg реферати
1236084776 kr.jpg фішки для допитливих
1236084776 kr.jpg шпаргалки
1236084776 kr.jpg гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
1236084776 kr.jpg зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
1236084776 kr.jpg підручники основні і допоміжні 
1236084776 kr.jpg тематичні свята, девізи 
1236084776 kr.jpg статті 
1236084776 kr.jpg національні особливості
1236084776 kr.jpg словник термінів                          
1236084776 kr.jpg інше 

Тільки для вчителів
1236084776 kr.jpg ідеальні уроки 
1236084776 kr.jpg календарний план на рік 
1236084776 kr.jpg методичні рекомендації 
1236084776 kr.jpg програми
1236084776 kr.jpg обговорення



Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.