§24. Принцип дії теплових двигунів ККД теплового двигуна

Зміст

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Якщо взяти скляну пляшку, ополоснути її водою, закоркувати картоплиною, поставити закорковану пляшку в каструлю з водою й нагрівати воду, то за деякий час цей корок вилетить. Чому?

Це відбувається через те, що вода у пляшці перетворюється на пару, а нагріте повітря розширюється. Тиск усередині зростає, і коли він стає сильнішим за тертя корка об стінки, корок виштовхується.

Звідки взялася кінетична енергія корка?

Енергія руху з’явилася завдяки перетворенню внутрішньої енергії гарячої пари та повітря.

Які сили виконали роботу під час його виштовхування?

Роботу виконали сили тиску пари та розширеного повітря.

1. Який принцип дії теплових двигунів?

Суть роботи така: робоче тіло отримує тепло від нагрівника, розширюється, виконує механічну роботу, а залишок енергії віддає холодильнику.

А ЯК НАСПРАВДІ?

Хто, на вашу думку, має рацію? (щодо того, які пристрої є тепловими двигунами)

Вважаю, що праві всі діти. Усі згадані пристрої, від простої моделі до двигуна авто, працюють шляхом перетворення внутрішньої енергії палива чи пари на механічну роботу. Хоч пляшка з корком не є циклічною машиною, вона ілюструє той самий фізичний принцип.

2. Як визначити ККД теплового двигуна?

Коефіцієнт корисної дії (ККД) визначають як відношення корисної роботи до всієї кількості теплоти, отриманої від згоряння палива.

ОБГОВОРІТЬ У ГРУПАХ

Що в паровому двигуні, схему роботи якого зображено на рис. 24.3, є нагрівником?

Нагрівником виступає пальник або топка, де згоряє паливо і передає тепло системі.

Що в паровому двигуні, схему роботи якого зображено на рис. 24.3, є робочим тілом?

Робочим тілом є водяна пара, яка розширюється і рухає механізм.

Що в паровому двигуні, схему роботи якого зображено на рис. 24.3, є холодильником?

Холодильником є довкілля або холодна вода, куди відводиться відпрацьоване тепло.

Які, на вашу думку, основні втрати енергії в цьому двигуні: втрати палива, теплові втрати чи механічні?

На мою думку, найбільшими є теплові втрати. Значна частина енергії просто розсіюється в довкілля разом з парою та через нагріті деталі.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке тепловий двигун?

Це машина, що працює циклами й перетворює енергію палива на механічну енергію.

2. Назвіть основні частини теплового двигуна.

Три головні елементи: нагрівник, робоче тіло та холодильник.

3. У чому полягає принцип дії теплового двигуна?

Робоче тіло бере тепло від нагрівника, за рахунок цього виконує роботу, а решту тепла передає холодильнику.

4. Назвіть основні види втрат енергії в теплових двигунах.

Це теплові втрати (викид тепла в середовище, неповне згоряння палива) та механічні (на подолання тертя).

5. Дайте означення ККД теплового двигуна.

ККД — це величина, що показує ефективність двигуна: яка частка енергії палива перетворилася на корисну роботу.

6. Чому ККД теплового двигуна завжди менший від 100 %?

Тому що частина тепла обов’язково передається холодильнику, а також існують втрати на тертя та нагрівання корпусу.

ВПРАВА № 24

1. Під час повного згоряння палива в тепловому двигуні виділилося 500 кДж теплоти. У результаті двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 125 кДж. Визначте ККД двигуна.

Дано:
$Q_{повна} = 500$ кДж
$A_{кор} = 125$ кДж

Знайти:
$\eta$ — ?

Розв’язання:
ККД обчислюємо як відношення корисної роботи до повної теплоти:
$\eta = \dfrac{A_{кор}}{Q_{повна}} \cdot 100$

Підставляємо числа:
$\eta = \dfrac{125 \text{ кДж}}{500 \text{ кДж}} \cdot 100$

Відповідь: ККД становить 25 %.

2. Під час роботи теплового двигуна використано 0,5 кг дизельного палива. При цьому двигун виконав корисну роботу, яка дорівнює 7 МДж. Обчисліть ККД двигуна.

Дано:
$m = 0,5$ кг
$A_{кор} = 7$ МДж $= 7 \cdot 10^6$ Дж
$q = 42 \cdot 10^6$ Дж/кг

Знайти:
$\eta$ — ?

Розв’язання:
Знайдемо повну теплоту згоряння палива:
$Q_{повна} = q \cdot m$
$Q_{повна} = 42 \cdot 10^6 \text{ Дж/кг} \cdot 0,5 \text{ кг} = 21 \text{ МДж}$

Розрахуємо ККД:
$\eta = \dfrac{7 \text{ МДж}}{21 \text{ МДж}} \cdot 100$

Відповідь: ККД приблизно 33,3 %.

3. ККД теплового двигуна становить 20 %. Яку корисну роботу виконає цей двигун, якщо в ньому згорить 10 л бензину?

Дано:
$\eta = 20$
$V = 10$ л $= 0,01$ м$^3$
$\rho = 710$ кг/м$^3$
$q = 46 \cdot 10^6$ Дж/кг

Знайти:
$A_{кор}$ — ?

Розв’язання:
Визначимо масу бензину:
$m = \rho \cdot V = 710 \cdot 0,01 = 7,1$ кг

Знайдемо теплоту згоряння:
$Q_{повна} = q \cdot m = 46 \cdot 10^6 \cdot 7,1 = 326,6$ МДж

Обчислимо корисну роботу:
$A_{кор} = \eta \cdot Q_{повна} = 0,2 \cdot 326,6 \text{ МДж} = 65,32$ МДж

Відповідь: Робота складе 65,32 МДж.

4. Яку середню потужність розвиває двигун мотоцикла, якщо за швидкості руху 90 км/год витрата бензину становить 4 кг на 100 км шляху? ККД двигуна дорівнює 25 %.

Дано:
$v = 90$ км/год $= 25$ м/с
$m = 4$ кг
$s = 100$ км $= 10^5$ м
$\eta = 0,25$
$q = 46 \cdot 10^6$ Дж/кг

Знайти:
$P$ — ?

Розв’язання:
Енергія палива:
$Q_{повна} = 46 \cdot 10^6 \cdot 4 = 184 \cdot 10^6$ Дж

Корисна робота:
$A_{кор} = 0,25 \cdot 184 \cdot 10^6 = 46 \cdot 10^6$ Дж

Час руху:
$t = \dfrac{s}{v} = \dfrac{100000}{25} = 4000$ с

Потужність:
$P = \dfrac{A_{кор}}{t} = \dfrac{46 \cdot 10^6}{4000} = 11500$ Вт $= 11,5$ кВт

Відповідь: Потужність становить 11,5 кВт.

5. Дізнайтеся про перші теплові машини, створені людиною.

Еоліпіл (І ст. н.е.)
Герон Александрійський створив кулю, що оберталася від струменів пари. Це була скоріше іграшка, ніж корисний прилад.

Машина Томаса Севері (1698 р.)
Перша практична «вогнева машина» для відкачування води з шахт. Була небезпечною через високий тиск пари.

Машина Томаса Ньюкомена (1712 р.)
Поршневий двигун, що працював завдяки атмосферному тиску (вакуум від конденсації). Був безпечнішим і популярним.

Універсальна машина Джеймса Ватта (1769-1784 рр.)
Ватт змусив пару штовхати поршень і перетворив цей рух на обертання колеса. Це стало основою промислової революції.