Тепловые двигатели - ТЕРМОДИНАМИКА

Цель: разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Ход урока

I. Повторение изученного

1. Как определить изменение внутренней энергии системы согласно первому закону термодинамики?

2. На что расходуется, согласно I закону термодинамики, количество теплоты, подведенное к системе?

3. Какой процесс называется адиабатическим?

4. Сформулируйте I закон термодинамики для адиабатного процесса.

5. За счет какой энергии совершается работа при адиабатичном расширении газа?

6. Почему при адиабатном расширении температура газа падает, а при сжатии возрастает?

II. Изучение нового материала

Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

Большая часть двигателей на планете - это тепловые двигатели, т. е. устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

Эксперимент

На электроплитку поставлен высокий химический стакан с водой. Внутри воды находится перевернутая пробирка, частично заполненная водой. Как будет вести себя пробирка?

(Ответ. По мере нагревания жидкости прогревается воздух в пробирке. Он расширяется и вытесняет часть воды из пробирки. В результате этого уменьшается сила тяжести системы, состоящей из пробирки и воды в ней. Как только сила тяжести станет меньше выталкивающей силы, произойдет всплытие. После соприкосновения пробирки с наружным воздухом, она немного остынет. Воздух сожмется, и вода зайдет в пробирку, пробирка опустится на дно. И все это неоднократно повторится.)

Мы получили тепловую машину. При каждом цикле совершается положительная работа по преодолению трения пробирки при движении в воде. Если пробирку «нагружать снизу», а «разгружать» вверху, то такую тепловую машину можно использовать для подъема груза.

Если стакан закрыть, то температура верхних слоев воды и воздуха повысится и машина не будет работать.

На этом примере можно проследить общие принципы всех тепловых двигателей.

От платки получаем тепло Q₁ (нагреватель) и передаем «холодильнику» Q₂ за счет того, что Q₁ > Q₀ и совершается работа. Холодильником служит, как правило, атмосфера или специальное устройство.

Принцип работы теплового двигателя

Тепловая машина работает циклично. Любая тепловая машина состоит из нагрева тела, рабочего тела и холодильника.

Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передается холодильнику, то η < 1.

Представляет большой интерес нахождение максимально возможного КПД теплового двигателя. Впервые это сделал французский инженер и ученый Сади Карно.

,

где Т₁ - температура нагревателя; Т₂ - температура холодильника.

1. η - не зависит от Q, р, V топлива.

2. η - является функцией только двух температур.

Применение тепловых двигателей

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси. (Карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы.

На водном транспорте используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах - турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Без тепловых двигателей современная цивилизация немыслима.

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Неуклонный рост энергетических мощностей - все большее распространение укрощенного огня - приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц - сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению «парникового эффекта», обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива - оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом.

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Домашнее задание

П. 84, задачи на с. 223 (16).

Дополнительный материал

Паровые машины

Паровая тяга все еще обеспечивает значительную часть необходимой нам энергии. Даже лучшие из современных атомных реакторов - всего лишь источники тепла, превращающие воду в пар для вращения турбин, соединенных с электрогенераторами.

Первая паровая машина была изобретена в I в. н.э. греческим инженером Геро Александрийским. Но первая паровая машина, нашедшая практическое применение, была создана в 1698 г. английским инженером Томасом Сэвери. Пар охлаждался в камере до образования конденсата. В результате резкого уменьшения объема возникал парциальный вакуум, используемый для откачивания воды из угольных шахт.

Сила поршня

В двигателе, изобретенном английским инженером Томасом Ньюкоменом ок. 1710 г., пар внутри цилиндра толкал вверх поршень. Затем цилиндр охлаждали, чтобы сконденсировать пар и вернуть поршень в нижнее положение. При конденсации пара давление в цилиндре падало, и атмосферного давления было достаточно, чтобы поршень опустился вниз. Поэтому Ньюкомен назвал свой двигатель пароатмосферным. Хотя эффективность этого двигателя была выше, чем у машины Сэвери, он работал очень медленно и с низким КПД. Это объясняется тем, что после охлаждения цилиндр нужно было снова нагревать, чтобы заставить пар толкать поршень вверх, иначе он бы сразу конденсировался.

Двигатель Уатта

Эту проблему решил шотландский инженер Джеймс Уатт. В созданном им в 1769 г. двигателе пар направлялся в отдельную камеру для конденсации. Так как цилиндр не нужно было поочередно нагревать и охлаждать, тепловые потери двигателя были относительно небольшими. Кроме того, двигатель Уатта был более быстродействующим, поскольку можно было подавать большее количество пара в цилиндр, как только поршень возвращался в свое исходное положение. Благодаря этому и другим усовершенствованиям, придуманным Уаттом, для паровой машины нашлись многочисленные практические применения.

К наступлению викторианской эпохи мощные паровозы совершили революцию в средствах передвижения по суше. Паровые машины также обеспечивали энергию для печатания газет, ткачества и для работы стиральных машин в «паровых» прачечных. Паровые двигатели использовались на площадках аттракционов, а фермеры с помощью паровой тяги пахали землю. Уборщики пользовались работающими на пару пылесосами, а в престижных городских парикмахерских были даже щетки для массажа кожи головы с паровым приводом.

И. И. Ползунов

Иван Иванович Ползунов родился в 1728 году. Его отец был солдатом.

В 1742 году Иван Иванович окончил первую русскую горнозаводскую школу в Екатеринбурге и стал учеником у главного механика уральских заводов

Когда Ползунову было двадцать лет, его вместе с другими специалистами горнозаводского дела отправили на Колывано-Воскресенские заводы Алтая. Там добывались драгоценные металлы для царской казны.

С 1748 года Иван Иванович Ползунов работал в Барнауле техником но учету выплавки металла, а в 33 года он стал одним из руководителей завода.

Из оборудования на заводе были только воздуходувные мехи и молоты для ковки металла. И их приводили в движение силой воды. Поэтому заводы строили на берегах рек. Если река становилась более мелководной, то производство останавливалось.

Иван Иванович Ползунов решил заменить водяной двигатель и ручной труд на «огненную машину». Для этого он разработал чертежи двухцилиндровой паровой машины.

Для ее изготовления Ползунову пришлось сделать различные инструменты, токарный станок для обработки металла «на водяном ходу». При этом Ползунову удалось изготовить все детали паровой машины всего за 13 месяцев. Некоторые детали весили до 2720 килограммов.

В 1765 году Ползунов разработал специальный поплавковый регулятор уровня в котле.

К сожалению, увидеть машину в работе Ползунову не удалось, он умер за два месяца до пуска машины в эксплуатацию, 27 мая 1766 года. Его паровая машина окупила себя всего за два месяца. К сожалению, после небольшой поломки хозяева машины не смогли ее починить.

«Защита окружающей среды от двигателей внутреннего сгорания»

В цилиндрах двигателя проходит окисление мелко распыленного и испаренного топлива кислородом воздуха с образованием тепла, углекислого газа и воды. За тысячные доли секунды, отводимые на этот процесс, при каждом такте работы двигателя, часть топлива не успевает сгореть. Продукты его неполного сгорания выбрасываются в атмосферу из выхлопной трубы. Дизели выбрасывают еще и сернистый ангидрид SО₂, образующийся при горении топлива в цилиндрах. В США, Японии, а также России были установлены предельно допустимые нормы выброса для различных категорий автомобилей.

Из-за загрязнения изменяется климат. Ученые доказали, что изменение климата в XX в. является следствием повышения среднеглобальной приземной температуры воздуха (она повысилась примерно на 0,5 °С). В атмосфере возросла концентрация парниковых газов, углекислоты, метана, хлорфторуглерода, оксида азота. Молекулы этих газов поглощают тепловое излучение поверхности земли и частично направляют его обратно, создавая так называемый парниковый эффект. Из-за изменения климата исчезают и отдельные виды животных и птиц. Например, это случилось с реликтовой чайкой. Уже так много видов животных занесено в красную книгу!

Сейчас создаются различные движения. Гринпис - это экологическое движение, созданное в 1971 году. Его задача - охрана окружающей среды. Штаб-квартира находится в Америке. Гринпис не получает абсолютно никакого финансирования, а его огромный ежегодный бюджет складывается из частных пожертвований и взносов.