§ 42. Принцип дії теплових двигунів. Цикл Карно

Принцип дії теплових двигунів. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна. Запаси внутрішньої енергії в земній корі й океанах можна вважати практично не обмеженими. Але володіти запасами енергії ще недостатньо, необхідно вміти за рахунок енергії приводити в рух верстати, засоби транспорту, машини, обертати ротори генераторів електричного струму тощо. Людству потрібні двигуни, тобто пристрої, здатні виконувати роботу. Більша частина двигунів на землі — теплові двигуни, тобто пристрої, які перетворюють внутрішню енергію палива в механічну енергію.

Незважаючи на різноманітність видів теплових двигунів, усі вони мають спільний принцип дії. У роботі двигунів можна виокремити такі загальні ознаки:

1. У будь-якому тепловому двигуні відбувається перетворення енергії палива в механічну енергію. При цьому енергія палива спершу перетворюється у внутрішню енергію газу (чи пари), що має високу температуру.

2. Для роботи теплового двигуна потрібні нагрівник, охолоджувач і робоче тіло (газ чи пара). У процесі роботи теплового двигуна робоче тіло забирає від нагрівника певну кількість теплоти Q₁ і перетворює частину цієї теплоти в механічну енергію, а не перетворену частину теплоти Q₂ передає охолоджувачу. За законом перетворення і збереження енергії Q₁ + Q₂ = а.

3. Робота будь-якого теплового двигуна полягає в повторюванні циклів зміни стану робочого тіла. Кожний цикл складається з: 1) отримання енергії від нагрівника; 2) робочого ходу (розширення робочого тіла й перетворення частини отриманої ним енергії в механічну); 3) передавання невикористаної частини енергії охолоджувачу.

Схематично принцип дії теплової машини зображено на малюнку 206.

Мал. 206. Схема дії теплового двигуна

Необоротність теплових процесів у природі робить неможливим повне перетворення внутрішньої енергії робочого тіла в роботу. Корисна робота, яку виконує двигун: А = Q₁ – Q₂, де Q₁ — кількість теплоти, яку отримало робоче тіло від нагрівника; Q₂ — кількість теплоти, віддана охолоджувачу.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) для будь-якої теплової машини дорівнює відношенню корисно використаної енергії до затраченої енергії:

Цикл Карно. Принцип дії ідеального теплового двигуна. У 1824 р. французький інженер Саді Карно розробив цикл, вивчення якого відіграло вирішальну роль у розвитку теорії теплових машин. На основі цього циклу було з’ясовано, від чого залежить коефіцієнт корисної дії теплових машин. Такий цикл роботи теплового двигуна — найвигідніший. Його називають циклом Карно.

Розглянемо цикл Карно для ідеального газу. Газ, поміщений у теплопровідний циліндр із рухомим поршнем, приведемо в контакт із нагрівником, що має температуру Т₁. При цьому газ, нагріваючись до Т₁, ізотермічно розширюватиметься, переходячи зі стану 1 у стан 2 (мал. 207, а). У результаті газ отримає від нагрівника теплоту Q₁ та виконає супроти зовнішніх сил роботу А₁₂ = Q₂.

Після досягнення газом стану 2 перервемо контакт робочого тіла (газу) з нагрівником і помістимо циліндр у теплоізольовану адіабатну оболонку. Дамо газу можливість додатково адіабатно розширитись до стану 3. При цьому: 1) газ виконає супроти зовнішніх сил роботу А₂₃ за рахунок своєї внутрішньої енергії U; 2) температура газу знизиться від Т₁ до Т₂, оскільки його внутрішня енергія U зменшиться (мал. 207, б).

Після досягнення газом стану 3 приведемо його в контакт з охолоджувачем, температура якого Т₂ (мал. 207, в). Газ ізотермічно стиснемо зовнішньою силою до стану 4.

Знову помістимо циліндр у теплоізольовану оболонку, і газ, у результаті адіабатного стиснення, набуде вихідного стану (мал. 207, г).

Мал. 207. Графічне зображення циклу ідеальної теплової машини

Цикл роботи ідеальної теплової машини складатиметься з двох ізотерм (1 → 2, 3 → 4) і двох адіабат (2 → 3, 4 → 1) (мал. 208).

Робота А₂₃, яку виконує під час адіабатного розширення газ, дорівнює роботі зовнішніх сил А₄₁ над газом при адіабатному стисканні, оскільки в першому випадку температура газу зменшується від Т₁ до Т₂, а в другому — підвищується від Т₂ до Т₁. Тому робота, яку виконує газ, А = А₁₂ – А₃₄, пропорційна площі фігури, обмеженої ізотермами й адіабатами (мал. 208).

Мал. 208. Графік циклу Карно

ККД оборотного циклу Карно залежить від температур нагрівника Т₁ і холодильника Т₂,

тут η_max — максимальне значення ККД теплової машини.

Із цієї формули можна зробити висновок, що збільшити ККД можна, збільшуючи температуру Т₁ нагрівника або зменшуючи температуру Т₂ охолоджувача.

ККД теплової машини міг би дорівнювати одиниці, якби була можливість використати охолоджувач із температурою Т₂ = 0 К. Але абсолютний нуль температури — недосяжний. Охолоджувачами для реальних теплових двигунів є переважно атмосферне повітря або вода за температури Т ≈ 300 К. Тому основний спосіб підвищення ККД теплових двигунів — це підвищення температури нагрівника. Але її не можна підняти вище температури плавлення тих матеріалів, з яких виготовляється тепловий двигун. Наприклад, температура нагрівника сучасної парової турбіни наближається до 850 К і максимально можливе значення ККД становить майже 65 %.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

• 1. Яка роль у роботі теплового двигуна в нагрівника; охолоджувача?
• 2. Що називають робочим тілом?
• 3. За якою формулою визначають ККД ідеальної теплової машини (ККД машини Карно)?
• 4. Як краще підвищувати ККД ідеальної теплової машини: збільшуючи температуру нагрівника чи знижуючи температуру охолоджувача?

Приклади розв’язування задач

Задача. Один моль ідеального газу виконує замкнений процес, який складається з двох ізохор і двох ізобар. Температура в точці 1 дорівнює Т₁, а в точці 3 — Т ₃. Визначте роботу, виконану газом за цикл, якщо точки 2 і 4 лежать на одній ізотермі.

Мал. 209

ВПРАВА 36

1. Температура нагрівника ідеальної теплової машини становить 117 °С, а охолоджувача — 27 °С. Кількість теплоти, що її дістає машина від нагрівника за 1 с, дорівнює 60 кДж. Обчисліть ККД машини, кількість теплоти, яку забирає охолоджувач за 1 с, і потужність машини.

2. В ідеальній тепловій машині за рахунок кожного кілоджоуля енергії, що її надає нагрівник, виконується робота 300 Дж. Визначте ККД машини й температуру нагрівника, якщо температура охолоджувача — 280 К.

3. Який ККД теплового двигуна, якщо робоче тіло, після отримання від нагрівача кількості теплоти 1,6 МДж, виконало роботу 400 кДж? Яка кількість теплоти передалася холодильнику?

4. Під час роботи електромотора потужністю 400 Вт його температура зросла на 10 К за 50 с безперервної роботи. Який ККД мотора? Теплоємність мотора — 500 Дж/К.

5. У паровій турбіні витрачається 0,35 кг дизельного пального на 1 кВт • год. Температура пари, яка надходить у турбіну, дорівнює 250 °С, температура охолоджувача — 30 °С. Обчисліть фактичний ККД турбіни та порівняйте його з ККД ідеальної теплової машини, яка працює за тих самих температурних умов.

6. У скільки разів n зменшиться споживання електроенергії морозильником, що підтримує всередині температуру t₀ = -18 °С, якщо винести його з кімнати, температура у якій t₁ = +27 °С, на балкон, де температура t₂ = -3 °С? Швидкість теплопередачі пропорційна різниці температур тіла та середовища.

7. Над одноатомним ідеальним газом проводиться циклічний процес, показаний на малюнку 210. На ділянці 1-2 газ здійснює роботу А₁₂ = 1000 Дж. Ділянка 3-1 — адіабата. Кількість теплоти, віддана газом охолоджувачу за цикл дорівнює |Q_хол| = 3370 Дж. Кількість речовини газу в ході процесу не змінюється. Визначте ККД циклу.

Мал. 210

8. Цикл теплової машини, робочою речовиною якої є ν молів ідеального одноатомного газу, складається з ізотермічного розширення, ізохоричного охолодження й адіабатичного стиснення. Робота, виконана газом в ізотермічному процесі, дорівнює А, а ККД теплової машини — η. Максимальна температура в цьому циклі дорівнює Т₀. Визначте мінімальну температуру Т в цьому циклічному процесі.

9. Ідеальна теплова машина обмінюється теплотою з теплим тілом, а саме — з навколишнім середовищем, температура якого +25 °С, і холодним тілом з температурою -18 °С. У деякий момент машину запустили в зворотному напрямку, так що всі складові теплового балансу — робота і кількості теплоти — змінили свої знаки. До того ж за рахунок роботи, виконаної двигуном теплової машини, від холодного тіла теплота стала відбиратися, а теплому тілу — надаватися. Яку роботу виконав двигун теплової машини, якщо кількість теплоти, надана теплому тілу, дорівнює 193 кДж? Відповідь округліть до цілого числа кДж.

Виконуємо навчальні проекти

• 1. Проблеми теплоенергетики: національні та локальні.
• 2. Визначення теплових втрат будівлі та порівняння з кількістю палива (газу, вугілля), яке витрачене неефективно. Проектування «розумного будинку».
• 3. Дорога забавка чи альтернатива: чи може сучасний електромобіль повністю замінити авто з двигуном внутрішнього згорання. (Порівняння енергоефективності автомобілів із двигуном внутрішнього згорання та електрокарів.)
• 4. Чому автомобільний парк України найстаріший в Європі: вплив законодавчо-економічних факторів на технологічне відставання автотранспортної мережі та забруднення довкілля країни.

Усі уроки фізики
8 клас

Мета уроку: навчити учнів визначати ефективність теплових двигунів; показати шляхи підвищення ККД теплових двигунів.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

1. Який принцип роботи реактивного двигуна?

2. Який принцип роботи двигуна внутрішнього згоряння? Опишіть коротко кожний із чотирьох тактів роботи двигуна, використовуючи наведені в підручнику схеми.

3. Принцип роботи парової турбіни

Фрагменти відеофільму «Теплові двигуни»

Вивчення нового матеріалу

1. Перетворення енергії при роботі теплового двигуна.

2. Коефіцієнт корисної дії

Закріплення вивченого матеріалу

1. Контрольні питання.

2. Навчаємося розв’язувати задачі.

3. Поміркуй і відповідай

Вивчення нового матеріалу

1. Перетворення енергії при роботі теплового двигуна

На початку уроку у формі бесіди з учнями з’ясовуємо питання:

«Що ж спільного в принципі роботи всіх видів теплових двигунів?» Відповідь на це питання підказує зміст вивченого матеріалу: у кожному тепловому двигуні роботу виконує сила тиску нагрітої пари (газу), що розширюється: у паровій турбіні вона тисне на лопаті турбіни, у реактивному — штовхає ракету, а у двигуні внутрішнього згоряння — штовхає поршень у циліндрі. Цю пару називають робочим тілом теплового двигуна.

Нагрівання газу відбувається завдяки спалюванню палива: на теплових електростанціях — вугілля, газу або мазуту, у ракетах — ракетного палива, у двигунах внутрішнього згоряння — бензину або дизельного палива.

· Таким чином, у тепловому двигуні відбуваються такі перетворення енергії:

✵ при спалюванні палива його внутрішня енергія переходить у внутрішню енергію пари (газу);

✵ розширюючись, газ виконує роботу — при цьому внутрішня енергія газу частково перетворюється в механічну енергію.

На рисунку схематично показані перетворення енергії в тепловому двигуні.􀂪􀂽􀂿􀃇􀃋􀃈􀃅􀃕􀃊􀃂􀀁􀃎􀃂􀃍􀃂􀃁􀃋􀂿􀃅􀃖􀃂

Тут Q1 — кількість теплоти, передана робочому тілу (газу) при спалюванні палива; A — виконувана двигуном механічна робота (наприклад, з розгону автомобіля); Q2 — кількість теплоти, передана навколишньому середовищу.

З наведеної схеми видно, що при роботі теплового двигуна далеко не вся енергія, що виділилася при згорянні палива, перетворюється в механічну: значна кількість теплоти передається навколишньому середовищу. Ось чому в будь-якому тепловому двигуні є пристрій, спеціально призначений для охолодження двигуна. Без постійного охолодження двигуна він перестає працювати.

На рисунку ширина стрілок приблизно відповідає числовим значенням відповідних величин.

На початку ХІХ століття французький учений Саді Карно в роботі «Міркування про рушійну силу вогню й машини, здатних розвивати цю силу» довів, що тепловий двигун може працювати тільки за умови, що значна частина енергії, яка виділилася при згорянні палива, передається за допомогою теплообміну навколишньому середовищу.

2. Коефіцієнт корисної дії

У 1824 році С. Карно встановив, що теплова машина повинна складатися з нагрівника, робочого тіла, що, власне, виконує роботу й холодильника (охолоджувача).

Така машина буде виконувати роботу, якщо температура охолоджувача нижче температури нагрівника. За законом збереження енергії ця робота дорівнюватиме

Ефективність теплового двигуна тим вище, чим більше робота A, виконана двигуном, за тієї ж кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива.

· Коефіцієнтом корисної дії η теплового двигуна називають виражене у відсотках відношення роботи A, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива:

Оскільки робота то

Зважаючи на те, що передана навколишньому середовищу кількість теплоти Q2 завжди більше нуля, коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менше 100 %. Це означає, що на механічну енергію можна перетворити тільки частину енергії, яка виділилася при згорянні палива.

Із часів появи перших теплових двигунів учені й інженери прагнули максимально збільшити їх ККД. І вони досягли значних успіхів: якщо ККД перших парових машин становив усього лише близько 1 %, а ККД паровозів — близько 5 %, то ККД сучасних двигунів внутрішнього згоряння досягає 35–40 %. Такий же приблизно ККД сучасних парових турбін на теплових електростанціях.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Які перетворення енергії відбуваються при роботі теплового двигуна?

2. Чи вся енергія, що виділилася при спалюванні палива, перетворюється на механічну при роботі теплового двигуна?

3. Чому в теплових двигунах тільки частина енергії палива перетворюється на механічну енергію?

4. Чому ККД теплової машини завжди менше 100 %?

5. Чому не можна створити «вічний двигун»?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1). Двигун потужністю 10 кВт споживає за годину 3 л бензину. Визначте ККД двигуна.

Розв’язок. Відповідно до визначення ККД Корисна робота теплота згоряння бензину Оскільки маса бензину то

2). Яку масу бензину витратили двигуни літака, що пролетів 500 км із середньою швидкістю 250 км/год. Середня потужність двигунів літака при ККД 25 % становить 2 МВт. Питома теплота згоряння бензину 46 МДж/кг.

Розв’язок. Відповідно до визначення ККД З урахуванням того, що й одержуємо:

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо масу бензину:

Відповідь: у польоті було витрачено 1,25 т бензину.

3). Автомобіль проїхав 80 км, витратив 14 л бензину. Двигун автомобіля розвивав середню потужність 40 кВт. З якою середньою швидкістю рухався автомобіль, якщо ККД його двигуна 30 %?

2. Поміркуй і відповідай

1). В одній паровій турбіні для здійснення корисної дії використовується 1/5 частина енергії, а в іншій — 1/3 частина. ККД якої турбіни більше? Знайдіть ККД кожної турбіни.

2). У якому випадку рідке розпилене паливо в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння має більшу внутрішню енергію: до кінця такту усмоктування чи до кінця такту стиску? Поясніть свою відповідь.

рів1 — № 31.7, 31.8, 31.9, 31.10, 31.11.

рів2 — № 31.19, 31.20, 31.21, 31.22, 31.23.

рів3 — № 31.27, 31.29, 31.30, 31.31, 31.36.

рів1 — № 31.8, 31.9 31.16.

рів2 — № 31.18, 31.19, 31.20, 31.21.

рів3 — № 31.27, 31.28, 31.29, 31.30.

3. Д: Підготуватися до самостійної роботи № 24 «Теплові двигуни».

Завдання для самостійної роботи № 24 «Теплові двигуни»

1. У легковому автомобілі використовують двигун внутрішнього згоряння. Виберіть правильне твердження.

А Впускний і випускний клапани двигуна внутрішнього згоряння відкриваються одночасно.

Б У двигуні внутрішнього згоряння внутрішня енергія палива перетворюється в потенціальну енергію автомобіля.

В У вихлопних газах автомобіля містяться шкідливі для навколишнього середовища речовини.

2. Виберіть правильне твердження щодо роботи парової турбіни.

А Парові турбіни використовують на літаках.

Б Парові турбіни використовують на автомобілях.

В Потужні парові турбіни застосовують на теплових електростанціях.

1. Де застосовують двигуни внутрішнього згоряння? Наведіть приклади.

2. Який принцип роботи парової турбіни? Де її використовують?

1. Який ККД теплового двигуна, що виконав корисну роботу 70 кДж, якщо при повному згорянні палива виділилася енергія 200 кДж?

2. Теплова машина за один цикл одержує від нагрівника кількість теплоти 10 Дж і віддає холодильнику 6 Дж. Який ККД теплової машини?

1. Двигун потужністю 18 кВт за 3 год роботи витратив 12 кг гасу. Який ККД цього двигуна?

2. Двигун витратив 6 кг гасу за 2 год. Яка потужність цього двигуна, якщо його ККД дорівнює 25 %?

1. Усі уроки фізики. 8 клас./ Кирик Л. А.— Х.: Вид. група «Основа», 2008.— 352 с.

Презентація до уроку

УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 10 клас

1. Перший закон термодинаміки для ізохорного процесу.

2. Перший закон термодинаміки для ізотермічного процесу.

3. Перший закон термодинаміки для адіабатного процесу.

4. Перший закон термодинаміки для ізобарного процесу.

Моделі теплових двигунів.

Вивчення нового матеріалу

1. Основні елементи теплового двигуна.

2. Корисна робота теплового двигуна.

3. ККД теплового двигуна.

4. Холодильники й кондиціонери.

Закріплення вивченого матеріалу

1. Тренуємося розв’язувати задачі.

2. Контрольні запитання.

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Основні елементи теплового двигуна

Існують різні типи теплових двигунів: парова турбіна, двигун внутрішнього згорання, реактивний двигун та ін. Не беручи до уваги різні конструкції двигунів та певні особливості їх роботи — принципи їх дії однакові.

Ø Пристрій, який здійснює механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива, називають тепловим двигуном.

Усі теплові двигуни, незалежно від їх особливостей, мають три основні частини: нагрівач, робоче тіло, холодильник. Розглянемо їх призначення.

2. Корисна робота теплового двигуна

У тепловому двигуні відбувається перетворення внутрішньої енергії в механічну енергію. Отже, необхідно мати систему, за рахунок внутрішньої енергії якої відбувалася б механічна робота.

Таку систему називають робочим тілом двигуна. Механічна робота здійснюється при стисканні та розширенні робочого тіла. Чим більший стиск або розширення, тим більша робота здійснюється. Гази розширюються і стискаються легше за воду, тому в якості робочого тіла найчастіше використовують газ або пару. Так, у паровій турбіні робочим тілом є пара, у двигуні внутрішнього згоряння — газ, що складається із суміші парів бензину і повітря (або продуктів згоряння — роботу здійснює саме ця суміш).

Оскільки робота здійснюється за рахунок внутрішньої енергії робочого тіла, то для збільшення внутрішньої енергії робоче тіло слід нагріти до певної температури Т1. Тому до складу теплового двигуна входить нагрівач.

Дія теплового двигуна має циклічний характер: після того, як робоче тіло (газ) розширилося, виконавши роботу, його необхідно стиснути до колишнього об’єму, щоб воно могло виконати роботу у наступному циклі.

Таким чином, для того, щоб тепловий двигун здійснював корисну роботу, необхідно періодично нагрівати та охолоджувати робоче тіло, тобто періодично передавати робочому тілу і відбирати у нього певну кількість теплоти.

Процес стиску слід здійснювати за більш низької температури, ніж розширення. Тому робоче тіло необхідно охолодити. Для цього його призводять до контакту з тілом, температура якого Т2 < T1. Таке тіло називають холодильником. Найчастіше холодильником є навколишнє повітря або вода водойм.

Отримавши при розширенні від тіла з температурою Т1 (нагрівач) певну кількість теплоти Q1, газ неодмінно віддає під час стиснення кількість теплоти Q2 тіла з нижчою температурою Т2 (холодильник). Отже, на роботу перетворюється лише частина кількості теплоти Q1, одержана від нагрівача, яка дорівнює: Q1 – Q2.

Після завершення кожного циклу робоче тіло повертається в початковий стан, тобто його внутрішня енергія приймає колишнє значення. Тому з першого закону термодинаміки випливає, що корисна робота Ак, виконана тепловим двигуном, дорівнює різниці кількості теплоти Q1, отриманої робочим тілом, і кількості теплоти Q2, відданої робочим тілом холодильника.

3. ККД теплового двигуна

Замкнуті (циклічні) процеси використовуються при роботі всіх теплових машин: двигунів внутрішнього згоряння, парових і газових турбін, холодильних машин. Для оцінки ефективності перетворення внутрішньої енергії робочого тіла на механічну роботу, що здійснюються за цикл, вводиться коефіцієнт корисної дії. Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна — це відношення корисної роботи Ак, виконаної двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Ефективність дії теплового двигуна тим буде вищою, чим більшу корисну роботу Ак він може виконати з тією ж кількістю теплоти Q1, отриманою від нагрівача. Так як Ак = Q1 – Q2, то

З урахуванням того, що кількість теплоти, яка передана холодильнику, завжди більша за нуль, коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менша 100 %. Таким чином, на механічну роботу можна перетворити лише частину кількості теплоти, отриману від нагрівача. Не слід плутати тепловий ККД з економічним ККД:

У всіх машин, крім теплових, якщо б вдалося усунути всі втрати, ККД дорівнював би 100 %. Якщо ж у теплових двигунах усунути всі втрати, то ККД все одно виявиться меншим за 100 %.

Французький інженер Саді Карно з’ясував, за яких же умов ККД буде максимальним. Він придумав ідеальну теплову машину з ідеальним газом як робоче тіло, цикл роботи якої складається з двох ізотермічних і двох адіабатних процесів:

З наведеної формули видно, що для підвищення ККД треба зменшувати відношення: Т2/Т1.

Цього можна досягти або знижуючи температуру холодильника, або підвищуючи температуру нагрівача, або виконуючи і те й інше.

Ми розглянули формулу для максимального ККД теплового двигуна. Такий ККД міг би мати ідеальний тепловий двигун, у якому повністю відсутнє тертя, а також відсутні втрати тепла. Проте в будь-якому реальному двигуні є і тертя, і втрати тепла. Тому реальний тепловий двигун має, на жаль, набагато менший ККД за максимально можливий. Наприклад, для двигуна внутрішнього згоряння ηmах = 80 %, а реальний ККД — всього приблизно 20 %.

4. Холодильники та кондиціонери

Холодильною установкою називається циклічно діючий пристрій, який підтримує в холодильній камері температуру нижчу, ніж у навколишньому середовищі. Це відбувається шляхом переходу певної кількості теплоти від холодного тіла до тіла з більш високою температурою.

Холодильник передає певну кількість теплоти від менш нагрітого тіла (холодних продуктів у холодильній камері) більш нагрітому тілу (повітрю в кімнаті), причому для здійснення цього процесу необхідно здійснювати роботу.

При ізотермічному розширенні, що відбувається за температури холодильної камери Т2, робоче тіло здійснює роботу і поглинає при цьому від холодильної камери кількість теплоти Q2. При ізотермічному стисненні робочого тіла, яке відбувається за більш високої температури Т1 нагрівача (атмосфери), останньому передається кількість теплоти Q1. Це відбувається за рахунок роботи зовнішніх сил.

Робочим тілом у холодильній установці служать зазвичай пари легко-киплячих рідин — аміаку, фреону і т. д. Енергія підводиться до установки від електричної мережі. За рахунок цієї енергії відбувається «перекачка» теплоти від холодильної камери до більш нагрітого тіла — до навколишнього середовища.

Таким чином, нагрівачами передається більша кількість теплоти, ніж відбирається від холодильної камери:

Отже, температура холодильної камери T2 ще більше знижується, а температура нагрівача Т1 ще більше підвищується.

На закінчення уроку можна розглянути принцип роботи кондиціонера. Для охолодження повітря в кімнаті можна вбудувати холодильну машину у вікно так, щоб холодильна камера була звернена до кімнати, а гарячі трубки були зовні. Тепер тепла позбавляється повітря в кімнаті, унаслідок контакту з холодильною камерою, і передається зовнішньому повітрю, унаслідок контакту з гарячими трубками. Це, по суті, холодильна машина, що охолоджує кімнату за рахунок нагрівання зовнішнього повітря.

Питання до учнів під час викладення нового матеріалу

1. Під час яких процесів можливе отримання максимальної роботи за рахунок внутрішньої енергії палива?

2. Як знизити температуру газу перед стисненням, не допускаючи при цьому теплопередачі?

3. Чому в теплових двигунах не можна використовувати внутрішню енергію океану?

4. Навіщо потрібні нагрівач і холодильник при роботі теплового двигуна?

5. Чому ККД теплового двигуна не може дорівнювати 100 % ?

6. Які шляхи підвищення ККД теплових двигунів?

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв’язувати задачі

1. Який максимально можливий ККД двигуна, у якого Т1 = 2000 К, a t = 100 °С (як у автомобільного двигуна)?

2. При згоранні палива в тепловому двигуні виділилася кількість теплоти 200 кДж, а холодильнику передано кількість теплоти 120 кДж. Який ККД теплового двигуна?

3. Порівняйте ККД циклів, зображених на рисунку:

4. У ідеальній тепловій машині, ККД якої 30 %, газ отримав від нагрівача 10 кДж теплоти. Яка температура нагрівача, якщо температура холодильника 20 °С? Скільки джоулів теплоти машина віддала холодильнику?

2). Контрольні запитання

1. Що є нагрівачем, робочим тілом і холодильником парової турбіни?

2. Чому робота теплового двигуна повинна складатися з повторюваних циклів розширення і стиснення газу?

3. Чи стає в кімнаті холодніше під час роботи холодильника?

Що ми дізналися на уроці

✵ Тепловий двигун — пристрій, який здійснює механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії палива.

✵ Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна — це відношення корисної роботи Ак, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, яка отримана від нагрівача:

✵ Холодильною установкою називається циклічно діючий пристрій, який підтримує в холодильній камері температуру нижчу, ніж у довкіллі.

2. Розв’язати задачі:

р1): 1. Що є нагрівачем, а що є холодильником: а) у автомобільному двигуні; б) у двигуні теплоходу; в) у реактивному двигуні літака?

2. Чи залежить ККД автомобільного двигуна від температури оточуючого повітря?

3. При згорянні в тепловому двигуні виділилася кількість теплоти 200 кДж, а холодильнику була передана кількість теплоти 120 кДж. Яким є ККД теплового двигуна?

4. Яким є ККД теплового двигуна, якщо робоче тіло отримало від нагрівача кількість теплоти 1,6 МДж, а виконало роботу 400 кДж? Яку кількість теплоти було віддано холодильнику?

р2): 1. Паливо, яке вприскується до циліндру дизельного двигуна, запалюється не від електричної іскри, а від високої температури (близько 700 °С) повітря в циліндрі. За рахунок чого повітря так сильно нагрівається?

2. Яким є ККД теплового двигуна потужністю 50 кВт, якщо за 10 с він віддав у довкілля кількість теплоти 1 МДж?

3. Температура нагрівача ідеальної теплової машини дорівнює 477 °С. Якою повинна бути температура холодильника, щоб ККД машини перевищив 80 % ?

4. Тепловий двигун, що працює при температурі нагрівача 527 °С і температурі холодильника 17 °С, має ККД 30 %. У скільки разів ККД цього двигуна менший за ККД ідеальної теплової машини, яка б працювала при тих самих температурах нагрівача та холодильника?

р3): 1. Як зміниться температура у кімнаті, якщо відкрити дверцята працюючого холодильника?

2. Температура нагрівача ідеальної теплової машини дорівнює 127 °С, а температура холодильника — 7 °С. Обчислить ККД цієї машини, якщо: а) на 20 °С зменшити температуру холодильника; б) на 20 °С збільшити температуру нагрівача?

3. Скільки литрів бензину витрачає автомобіль масою 800 кг для подолання відстані 500 км, якщо ККД двигуна 25 %, а середня сили опору руху складає 0,06 ваги автомобіля? Питома теплота згоряння бензину 44 МДж/кг, густина — 710 кг/м3.

4. Реактивний двигун літака, що рухається зі швидкістю 900 км/год., розвиває силу тяги 45 кН. Якою є витрата керосину за 1 год. польоту, якщо ККД двигуна 20 %? Питома теплота згоряння керосину 43 МДж/кг.

3. Д.: розв’язати дома самостійну роботу «Перший закон термодинаміки. Теплові машини».

ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ З ТЕМИ «ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ. ТЕПЛОВІ МАШИНИ»

Початковий рівень (1 бал)

У яких випадках відбувається зміна внутрішньої енергії?

А. Під час руху баскетбольного м’яча, кинутого в кошик.

Б. Під час зміни швидкості руху мотоцикла.

В. Під час нагрівання чайника на плиті.

Г. Під час гальмування колеса вагона.

Середній рівень (2 бали)

Виникнення хмар пояснюється охолодженням газу при розширенні. Нагріте від поверхні Землі повітря, піднімаючись вгору, розширюється (так як тиск повітря із збільшенням висоти зменшується) і як наслідок цього охолоджується.

А. Утворення хмар — це ізотермічний процес.

Б. Утворення хмар — це ізобаричний процес.

В. Утворення хмар — це адіабатний процес.

Г. Утворення хмар — це ізохоричний процес.

Достатній рівень (4 бали)

Завдання має на меті встановити відповідність (логічна пара). До кожного рядка, позначеного буквою, доберіть співвідношення, позначене цифрою.

A. Внутрішня енергія

1. Всі процеси, що відбуваються в природі і техніці, є в тій чи іншій мірі незворотними

Б. Перший закон термодинаміки

2. Неможливий процес, єдиним результатом якого була б передача теплоти від холодного тіла до гарячого

В. Другий закон термодинаміки

3. Зміна внутрішньої енергії тіла дорівнює сумі кількості теплоти, переданої тілу, і роботи, виконаної над тілом

Г. Тепловий двигун

4. Машина, що перетворює внутрішню енергію палива в механічну

5. Сума кінетичної енергії хаотичного руху всіх частинок, що входять до складу даного тіла, і потенційної енергії їх взаємодії одна з одною

Високий рівень (5 балів)

Одноатомний газ знаходиться в балоні місткістю 50 л. Під час ізохоричного нагрівання тиск газу зріс на 0,6 МПа. Визначте кількість теплоти, повідомлену газу, і зміну його внутрішньої енергії.

Використовуючи сайт ви погоджуєтесь з правилами користування

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Ми приєднуємось до закону про авторське право в цифрову епоху DMCA прийнятим за основу взаємовідносин в площині вирішення питань авторських прав в мережі Інтернет. Тому підтримуємо загальновживаний механізм “повідомлення-видалення” для об’єктів авторського права і завжди йдемо на зустріч правовласникам.

Копіюючи матеріали во повинні узгодити можливість їх використання з авторами. Наш сайт не несе відподвідальність за копіювання матеріалів нашими користувачами.