Урок № 59

  Принцип дії теплових двигунів. Холодильна машина Розв'язування задач. Підготовка до контрольної роботи

Словник:
Теплові двигуни - пристрої, які перетворюють внутрішню енергію в механічну роботу 
  Холодильна машина — це машина, яка підтримує в холодильній камері температуру нижчу, ніж у навколишньому середовищі

1. Принцип дії теплової машини

    
   В результаті виконання над газом роботи або передачі йому певної кількості теплоти можна збільшити його внутрішню енергію і, навпаки, за рахунок внутрішньої енергії газу може бути виконана механічна робота. Внутрішню енергію можна дістати, спалюючи різні види палива, використовуючи енер­гію сонячних променів тощо. Разом з тим, на виробництві, транспорті для роботи різних механізмів потрібна механічна енергія. Тому перетворення внутрішньої енергії в механічну є надзвичайно важливим для практичної діяльності людини. Таке перетворення здійснюється за допомогою теплових машин (теплових двигунів).
    Теплові двигуни - пристрої, які перетворюють внутрішню енергію в механічну роботу. 

     Як робоче тіло використовується газ (пара). Якщо він знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем, то під час його розширення виконується робота, і внутрішня енергія газу (в основному – це кінетична енергія його молекул) частково перетворюється в механічну енергію поршня.  Щоб у про­цесі розширення температура залишалася сталою, газу слід передавати кількість теплоти, яка дорівнює зміні його внутрішньої енергії протягом процесу і виконаній поршнем роботі. Під час  розширення виконана рухомим поршнем робота дорівнює зменшенню внутрішньої енергії газу.

     Оскільки циліндр має обмежені розміри, за один хід пор­шня можна перетворити в механічну енергію також обмежену кількість теплоти. Для того щоб газ міг виконувати роботу і далі, його треба повернути у вихідний стан, тобто надати йому певну кількість теплоти для повернення в початковий стан з більшою внутрішньою енергією. Таку сукупність змін стану газу, в результаті яких він повертається у вихідний стан, називають циклом.

     За яких змін стану можна дістати цикл? Очевидно, якщо здійснити спочатку розширення газу в якомусь процесі, а потім його стиснути в цьому ж процесі, то не буде виконано корисної роботи, оскільки додатна робота розширення газу дорівнює від’ємній роботі стискання. Щоб дістати в результаті здійснення циклу корисну роботу, треба використати різні процеси: розширення газу за високих тиску та температури і стискання його за нижчих тиску і температури.

2. Схема теплової машини
  Робоче тіло виконує роботу А, яка є різницею між кількістю теплоти одержаної від нагрівника Q₁ та кількістю теплоти Q₂ передану охолоджувачу (холодильнику) за один цикл, який складається з чотирьох тактів.

3. Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплової машини

     Для характеристики ефективності циклу перетворення внутрішньої енергії в механічну, а значить, і теплової ма­шини, вводиться коефіцієнт корисної дії (ККД) циклу, або машини.

Він дорівнює, відношенню роботи А, яка використовується в даному циклі, до кількості теплоти Q  підведеної до газу:   

4. Холодильні машини

Холодильна машина — це машина, яка підтримує в холодильній камері температуру нижчу, ніж у навколишньому середовищі.

Ознайомимося з такими видами холодильних машин, як холодильник, кондиціонер, тепловий насос.

Холодильник  передає тепло від холоднішого тіла (наприклад, холодних продуктів) до теплішого тіла (повітря у приміщенні). Щоб здійснити потік тепла в зворотному напрямку (від холодного тіла до теплого), доводиться стискати газ за високої температури, а за низької температури він розширюється. Стискає газ в холодильній машині компресор, який споживає енергію з електромережі.

Розв'язування задач

1. Тепловий двигун дістає від нагрівника щосекунди кількість теплоти 36 кДж і за той самий час віддає холодильнику 27 кДж. Який ККД двигуна?

2. Двигун внутрішнього згоряння виконав корисну роботу, що дорівнює 54,6 МДж, витративши на це 5 кг  дизельного палива. Обчислити ККД двигуна.

3. Визначте масу бензину, який витрачає автомобіль за 10 хв, якщо потужність його двигуна становить 55 кВт, а ККД 25 %.