1. Теплові двигуни
2. Холодильники та кондиціонери
1. ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ
Діапазон застосування теплових двигунів надзвичайно великий — від автомобілів до електростанцій та космічних ракет.
Широке застосування теплових двигунів стало можливим завдяки відкриттям учених і винаходам інженерів. Серед учених слід особливо відзначити французького вченого Карно, який розробив першу теорію теплових двигунів, а серед інженерів — англійського винахідника Ватта, ім’ям якого названа одиниця потужності ват.
ПЕРЕТВОРЕННЯ ЕНЕРГІЇ
ПІД ЧАС РОБОТИ ТЕПЛОВОГО ДВИГУНА
У теплових двигунах хімічна енергія палива перетворюється на механічну енергію. Це здійснюється у два етапи:
1) унаслідок згоряння палива хімічна енергія (потенціальна енергія взаємодії атомів) перетворюється в кінетичну енергію хаотичного руху молекул. При цьому нагрівається певна маса газу, яку називають робочим тілом;
2) газ (робоче тіло) розширюється, виконуючи роботу (зазвичай рухаючи поршень). При цьому газ охолоджується, тобто кінетична енергія хаотичного руху молекул перетворюється на механічну енергію.
ОСНОВНІ ЕЛЕМЕНТИ ТЕПЛОВОГО ДВИГУНА
Дія теплового двигуна має циклічний характер: після того як робоче тіло (газ) розширилося, виконавши роботу, його стискають до початкового об’єму для того, щоб воно виконало роботу в наступному циклі. Однак, стискуючи газ, доводиться виконувати роботу над газом. Причому ця робота має бути меншою від роботи, виконаної газом, — адже тільки за циєї умови тепловий двигун виконає корисну роботу. Виходить,
розширення газу має відбуватися за більшого тиску, а отже, і за більш високої температури, ніж стиснення.
Таким чином, для того щоб тепловий двигун виконував корисну роботу, необхідно періодично нагрівати і охолоджувати робоче тіло, тобто періодично передавати робочому тілу і відбирати від нього певну кількість теплоти. Тому тепловий двигун складається з трьох основних елементів:
1) робоче тіло — зазвичай газ;
2) нагрівник, що має температуру Тх, у контакті з яким робочому тілу надають кількість теплоти Q,;
3) холодильник1, що має температуру Т2 < Tt, у контакті з яким від робочого тіла відбирають кількість теплоти Q2.
Нагрівником є паливо, яке спалюють в тепловому двигуні, а холодильником — найчастіше навколишнє повітря чи вода водоймища.
КОРИСНА РОБОТА ТЕПЛОВОГО ДВИГУНА
Після завершення кожного циклу робоче тіло повертається до початкового стану, тому зміна внутрішньої енергії робочого тіла за цикл Д£/ = 0. Тоді з першого закону термодинаміки випливає, що корисна робота, виконана двигуном,
кількість теплоти, отримана робочим тілом від нагрівника, a Q2 — кількість теплоти, яку робоче тіло віддало холодильнику (рис. 25.1).
1 Напевно, точніше було б називати його «охолоджувачем» (за аналогією з нагрівником), оскільки холодильником називають також прилад для охолодження, що широко застосовується (його роботу буде розглянуто далі).
КОЕФІЦІЄНТ КОРИСНОЇ ДІЇ (ККД) ТЕПЛОВОГО ДВИГУНА
Ефективність теплового двигуна тим вища, чим більшу корисну роботу Д, він виконує за тієї ж кількості теплоти Q,, отриманої від нагрівника.
Коефіцієнтом корисної дії г| теплового двигуна називають відношення корисної роботи Ак, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q,, отриманої від нагрівника, і виражене
у відсотках:
Оскільки
отримуємо
Кількість теплоти Q2, передана холодильнику, завжди більша за нуль, тому коефіцієнт корисної дії будь-якого теплового двигуна менший, ніж 100 %.
Отже, за допомогою теплового двигуна в механічну роботу можна перетворити тільки частину кількості теплоти, отриманої від нагрівника.
Максимально можливий ККД теплового двигуна. Під
час створення теплових двигунів виникло запитання: яким є максимально можливий коефіцієнт корисної дії теплового двигуна за заданих температур нагрівника і холодильника? Відповідь на це найважливіше для створення теплових двигунів запитання дав Карно у вже згадуваному творі «Роздуми про рушійну силу вогню і про машини, здатні розвивати цю силу».
Карно довів, що максимально можливий ККД має так званий «ідеальний тепловий двигун», під час роботи якого нема контакту тіл з різною температурою.
Карно показав, що ідеальний тепловий двигун має
максимально можливий коефіцієнт корисної дії
Як збільшити ККД теплового двигуна? З формули для максимально можливого ККД теплового двигуна випливає, що для його підвищення слід зменшувати відношення Т2/Тх. Цього можна досягти двома способами: або знижуючи температуру холодильника Т2, або підвищуючи температуру нагрівника Тх. Однак температура холодильника Т2 не може бути нижчою від температури навколишнього повітря, тому реально збільшувати r|mil)I можна, тільки
збільшуючи температуру нагрівника Тх. При цьому, однак, слід врахувати, що температура нагрівника не має наближуватися до температури плавлення матеріалів, з яких виготовлено двигун.
Формула
відповідає максимально
можливому ККД теплового двигуна. Такий ККД мав би «ідеальний тепловий двигун», у якому нема контакту між тілами з різною температурою. Однак такий тепловий двигун, маючи теоретично максимально можливий ККД, із практичної точки зору був би зовсім не ідеальним, адже за відсутності різниці температур між робочим тілом і нагрівником (або холодильником) теплопередача відбувалася б нескінченно повільно. Тому в реальних теплових двигунів, у яких обов’язково є контакт між тілами з різною температурою, ККД набагато менший за максимально можливий. Наприклад, у двигуна внутрішнього згоряння г)тш( « 70 %, а реальний ККД не перевищує ЗО %. Дизельні двигуни мають ККД близько 40 %.
2. ХОЛОДИЛЬНИКИ ТА КОНДИЦІОНЕРИ
У цьому розділі ми будемо використовувати СЛОВО «ХОЛОДИЛЬНИК» в іншому значенні (наближеному до «житейського»). Ми називатимемо так холодильну машину, тобто прилад, призначений для охолодження (наприклад, продуктів).
ХОЛОДИЛЬНИК
Те, що холодильник охолоджує продукти, які розміщено в ньому, відомо всім, а от те, що при цьому він нагріває повітря в приміщенні, де він перебуває, знає далеко не кожний. Як же холодильник може нагрівати повітря — хіба в нього € гарячі частини? Так: це або трубки теплообмінника на задній стінці, або самі бічні стінки (у сучасних моделях).
Отже, холодильник передає тепло від менш нагрітого тіла (холодних продуктів у холодильній камері) більш нагрітому тілу (повітрю в приміщенні).
Однак для створення потоку тепла у зворотному напрямі (від холодного тіла до гарячого) необхідно виконувати роботу. У холодильнику цю роботу виконує електродвигун: ось чому для роботи холодильника його слід підключати до електричної мережі (рис. 25.2).
Щоб зрозуміти принцип роботи холодильника, розглянемо, що відбувається, коли робоче тіло (газ) робить цикл у зворотному напрямі — розширюється за більш низької температури, а стискується — за більш високої. Розширюючись за низької температури, газ відбирає тепло від більш, холодного тіла, а стискуючись за високої температури, він віддає тепло більш нагрітому тілу1.
Щоб створювати потік тепла у зворотному напрямі (від холодного тіла до гарячого), доводиться виконувати роботу, оскільки тепер треба стискувати газ за високої температури, тобто за високого тиску, а розширюється він за низької температури, тобто за низького тиску. Стиснення газу в холодильній машині здійснює компресор, що споживає енергію з електричної мережі.
КОНДИЦІОНЕР І ТЕПЛОВИЙ НАСОС
Кондиціонер. Якщо відкриту холодильну камеру холодильника залишити усередині кімнати, а гарячі трубки теплообмінника винести назовні, то холодильна камера відбиратиме тепло від повітря в кімнаті, а гарячі трубки теплообмінника віддаватимуть тепло зовнішньому повітрю. У результаті кімната охолоджуватиметься, а зовнішнє повітря — трохи нагріватиметься. Саме так і працює кондиціонер (рис. 25.3).
1 У побутових і промислових холодильниках замість розширення і стиснення газу відбувається випаровування і конденсація спеціальної рідини: під час випаровування поглинається велика кількість теплоти, а під час конденсації — виділяється (див. § 23. Фазові переходи).
Тепловий насос. Цікаво, що прилад з таким самим принципом дії, що й у холодильника, можна використовувати
не тільки для охолодження, а й для обігріву приміщення! Для цього знову «рознесемо в просторі» холодильну камеру і гарячі трубки теплообмінника, але цього разу гарячі трубки залишимо в кімнаті, а холодильну камеру винесемо назовні.
Холодильна камера тепер відбиратиме тепло від зовнішнього повітря, а трубки теплообмінника — передаватимуть тепло повітрю в приміщенні. Ми отримаємо тепловий насос.
Тепловий насос економічно вигідніший за електричний обігрівач, бо передана повітрю в кімнаті кількість теплоти Яг - А + Q, більша від роботи А електричного струму на величину Qt, що дорівнює кількості теплоти, відібраної від зовнішнього повітря.
Сучасні побутові кондиціонери конструюють зазвичай так, що вони можуть працювати і як кондиціонери, і як теплові насоси — залежно від пори року.
ПРО ЩО МИ ДІЗНАЛИСЯ
Основні елементи теплового двигуна: робоче тіло, нагрівник і холодильник.
Корисна робота, яку виконує тепловий двигун, Д, = Q, -Q2, де 2 — кількість теплоти, віддана робочим тілом холодильнику.
Коефіцієнт корисної дії теплового двигуна:
Макси
мально можливий ККД теплового двигуна:
ККД реального теплового двигуна менше максимально можливого.
ЗАПИТАННЯ ТА ЗАВДАННЯ
Перший рівень
1. Які перетворення енергії відбуваються під час роботи теплового двигуна?
2. Які основні елементи теплового двигуна?
3. Як пов'язана корисна робота, яку здійснює тепловий двигун, з кількістю теплоти, отриманої від нагрівника, та кількістю теплоти, відданої холодильнику?
4. Що таке коефіцієнт корисної дії теплового двигуна? Чому він не може дорівнювати 100 %?
5. Які існують можливості підвищення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна?
Другий рівень
6. Чому дорівнює максимально можливий коефіцієнт корисної дії теплового двигуна?
7. Чи може коефіцієнт корисної дії реального теплового двигуна дорівнювати максимально можливому коефіцієнту корисної дії?
8. Чи перетворюється під час роботи теплового двигуна внутрішня енергія одного виду у внутрішню енергію іншого виду? Обґрунтуйте свою відповідь.
9. Навіщо потрібні нагрівник і холодильник у роботі теплового двигуна?
10. Що звичайно використовують як холодильник під час роботи теплового двигуна? Проілюструйте вашу відповідь прикладами.
11. ККД теплового двигуна 25 %. У скільки разів кількість теплоти, яку робоче тіло віддало холодильнику, більша від корисної роботи, виконаної двигуном?
12. Робоче тіло отримує від нагрівника за 1 годину 800 МДж тепла, а віддає навколишньому середовищу 600 МДж тепла. Чому дорівнює ККД теплового двигуна?
13. Чи дорівнюватиме 100 % коефіцієнт корисної дії теплового двигуна, якщо б зникло тертя між частинами машини?
14. Температура водяної пари у момент виходу з парового котла теплової електростанції дорівнює 527 °С. Чому дорівнює максимально можливий ККД теплової станції, якщо холодильником є вода за температури 27 °С? У скільки разів максимальний ККД більший від реального (31 %)?
15. Чим відрізняється дія побутового холодильника від дії теплового двигуна та що у них спільного?
16. Спекотного дня господиня вирішила залишити на кухні увімкнений холодильник відчиненим, щоб він «охолоджував кухню». Чи дійсно в кухні стане прохолодніше?
17. Який принцип роботи кондиціонера? Що спільного в кондиціонера з холодильником і чим вони відрізняються?
18. Складіть задачу за темою «Теплові двигуни», відповіддю якої біло б «ККД 40 %».
Це матеріал з підручника Фізика 10 клас Генденштейн, Ненашев