Введение. Величина, що показує, яку частину становить корисно використовувана теплота QK від усієї, що виділилася при згорянні палива Qп

Величина, що показує, яку частину становить корисно використовувана теплота QK від усієї, що виділилася при згорянні палива Qп, називається ККД нагрівача.

Коефіцієнтом корисної дії нагрівача називають виражене у відсотках відношення кількості теплоти, витраченої на нагрівання, до кількості теплоти, виділеної при повному згорянні палива.

Якщо не вживати спеціальних заходів, що запобігають «викиду тепла» у навколишній простір, ККД нагрівача буде дуже низь ким.

Щоб довести до кипіння воду в повному трилітровому казанку, спалили 2 кг сухих дров. Яка частина кількості теплоти, що виділилась при згорянні дров, пішла на нагрівання води, якщо початкова температура води була 20 °С?

Розв’язок. При згорянні дров масою т виділилася кількість теплоти Qп = qmд. Для нагрівання води в казанку до кипіння необхідна кількість теплоти Qк = свmв (tкип - tв), де mв — маса води (3 кг) у казанку. Шукана величина дорівнює:

Обчислення дають:

Відповідь: 4,2%. Цей розрахунок показує, наскільки великі теплові втрати.

Процес плавлення й кристалізації твердих тіл

Передаючи тілу енергію, можна перевести його із твердого стану в рідкий (наприклад, розплавити лід).

Перехід речовини із кристалічного стану в рідкий називають плавленням.

Щоб розплавити тіло, потрібно спочатку нагріти його до певної температури.

Температуру, за якої речовина плавиться, називають температурою плавлення.

Після демонстрації дослідів з плавлення й тверднення кристалічних тіл учні повинні твердо засвоїти три такі положення:

• існує температура, вище від якої речовина у твердому стані не може перебувати;

• температура під час плавлення залишається постійною;

• процес плавлення вимагає припливу енергії до речовини, що плавиться.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення 1 кг речовини із твердого в рідкий стан при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають λ і вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла, треба питому теплоту плавлення X помножити на масу тіла:

Q = λm.

Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, визначається за тією ж формулою:

В аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає певної температури плавлення: при нагріванні такі тіла розм’якшуються поступово.

Аналіз графіка плавлення й кристалізації свинцю

Плавлення й тверднення тіл часто зображують графічно. Розглянемо один з таких графіків. Нехай, наприклад, шматочок свинцю поклали в ложку й помістили над пальником.

На ділянці АВ пальник не був запалений, і свинець мав кімнатну температуру 20 °С. На етапі ВС твердий свинець поступово прогрівався, і незабаром його температура досягла температури плавлення,— 327 °С. Потім він почав плавитися, і в ложці одночасно співіснували твердий і рідкий свинець (ділянка CD). Після закінчення етапу температура свинцю знову стала підвищуватися, тому що полум’я усе ще продовжувало горіти (ділянкаDE).

У момент часу, що відповідає точці Е, пальник погасили, і температура рідкого свинцю почала знижуватися (ділянка EF). Як бачите, остигання відбувалося повільніше, ніж нагрівання (порівняйте нахил ділянок EF і DE). У точці F температура плавлення досягла 327 °С й тривалий час залишалася постійною, тому що відбувалася кристалізація. Отже, на ділянці FG співіснують рідкий і твердий свинець. Нарешті, на ділянці GH остигає (віддає теплоту) уже твердий свинець.

Із графіка випливає, що при температурі плавлення (точка С) кінетична й потенціальна енергії молекул стають приблизно однаковими (Ек ~ Eп) і зв’язки між ними можуть розриватися.

Перехід речовини з рідкого стану в газоподібний називається пароутворенням.

Існують два види пароутворення: випаровування й кипіння.

Випаровування — це пароутворення, що відбувається з вільної поверхні рідини.

З повсякденного досвіду відомо, що рідини, перебуваючи у відкритих посудинах, улетучуються — випаровуються. Як пояснити це явище?

Молекули будь-якої рідини перебувають у безперервному хаотичному русі. Температура рідини зв’язана із середньою кінетичною енергією руху її частинок. Однак окремі молекули рідини можуть мати таку кінетичну енергію, що виявляться спроможною подолати сили міжмолекулярного притягання й покинути рідину. Вилітаючи назовні, ці молекули утворюють над рідиною пару. Утворення пари і є випаровуванням.

При випаровуванні рідину залишають найбільш швидкі молекули. Середня кінетична енергія молекул, що залишилися, зменшується, а рідина охолоджується.

Від чого залежить швидкість випаровування

Площа вільної поверхні — перша причина, що впливає на швидкість пароутворення.

Температура речовини — друга причина, що впливає на швидкість пароутворення.

Густина пари над поверхнею, з якої відбувається пароутворення,— третя причина, що впливає на його швидкість.

Рід речовини — четверта причина різної швидкості пароутворення.

Спостереження й досліди показують, що випаровуються й тверді тіла. Випаровується, наприклад лід, тому білизна висихає й на морозі. Випаровується нафталін, тому ми відчуваємо його запах. Цей процес називають сублімацією.

Перехід речовини з газоподібного стану в рідкий називають конденсацією.

Випаровування й конденсація завжди відбуваються одночасно, і «підсумковий результат» залежить від того, який із цих процесів триває з більшою швидкістю. Якщо «перемагає» випаровування, то рідина перетворюється в пару: висихають калюжі, мокрі речі й т. ін. Якщо ж «перемагає» конденсація, то пара перетворюється в рідину: випадає роса, сухі речі відволожуються.

Кипінням називають процес бурхливого пароутворення, що йде по всьому об’єму рідини.

Температуру, за якої рідина кипить, називають температурою кипіння.

Кожна речовина має свою температуру кипіння.

Питомою теплотою пароутворення називають фізичну величину, що чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати 1 кг рідини, щоб повністю перетворити її на пару за постійної температури.

Питома теплота пароутворення позначається буквою L й вимірюється в Дж/кг.

У таблиці зазначено, що питома теплота пароутворення, наприклад, у води 2,3 МДж/кг. Це означає, що для обернення на пару 1 кг води, узятої при постійній температурі, необхідно затратити 2,3 МДж теплоти.

Щоб знайти кількість теплоти, необхідну для перетворення на пару будь-якої маси рідини т, узятої за температури кипіння, можна скористатися формулою:

Кількість теплоти, що виділяється при конденсації пари аналогічної маси, визначається за цією ж формулою.

Рівняння теплового балансу для випаровування й конденсації

Якщо рідину спочатку потрібно нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, то загальна кількість теплоти дорівнює:

Якщо для того, щоб рідину нагріти до температури кипіння, а потім перетворити на пару, необхідно спалити деяку масу палива (mп), то рівняння теплового балансу має вигляд:

Принцип роботи всіх теплових двигунів дуже простий: всі вони перетворюють внутрішню енергію палива в механічну енергію.

Для перетворення теплової енергії в механічну на теплових й атомних електростанціях використовують парові турбіни.

В основу дії турбіни покладене обертання колеса з лопатями під тиском водяної пари або газу.

Парова турбіна — тепловий двигун, у якому внутрішня енергія водяної пари перетворюється в механічну енергію. Для одержання водяної пари служать спеціальні парові казани, у яких за рахунок спалювання палива одержують водяну пару за підтримання дуже великого тиску (до 3·107 Па)і дуже високої температури (до 600 °С).

Вище на рисунку був показаний принцип роботи парової турбіни. Струмені пари, що вириваються із сопел, чинять значний тиск на лопаті й приводять диск турбіни у швидкий обертовий рух.

У сучасних турбінах застосовують не один, а кілька дисків, насаджених на загальний вал. Пара послідовно проходить через лопаті всіх дисків, віддаючи кожній з них частину своєї енергії.

Двигунами внутрішнього згоряння називають велику групу двигунів, у яких згоряння палива відбувається усередині двигуна.

Перший двигун внутрішнього згоряння винайшов 1860 р. французький інженер Етьєн Ленуар. У 1876 р. німецький інженер Ніколаус Отто запропонував більш досконалий двигун. У 1897 р. німецький інженер Рудольф Дизель запропонував ще досконаліший двигун, згодом названий дизелем.

Робота двигуна внутрішнього згоряння складається з декількох повторюваних один за одним етапів, або, як кажуть, тактів. Усього їх чотири. Відлік тактів починається з моменту, коли поршень перебуває в крайній верхній точці й обидва клапани закриті.

Перший такт називається впуск (див. рисунок а). Впускний клапан відкривається, і поршень, що опускається, засмоктує бензиново-повітряну суміш усередину камери згоряння. Після цього впускний клапан закривається. Другий такт — стиск (рисунок б). Поршень, піднімаючись угору, стискає бензиново-повітряну суміш.

Третій такт — робочий хід поршня (рисунок в). На кінці свічі спалахує електрична іскра. Бензиново-повітряна суміш майже миттєво згоряє, і в циліндрі виникає висока температура. Це призводить до сильного зростання тиску, і гарячий газ виконує корисну роботу — штовхає поршень униз.

Четвертий такт — випуск (рисунок г). Випускний клапан відкривається, і поршень, рухаючись угору, виштовхує гази з камери згоряння у вихлопну трубу. Потім клапан закривається.

Отже, один робочий цикл двигуна відбувається упродовж чотирьох тактів. При цьому колінчатий вал робить два повних оберти. Отже, у двигуні внутрішнього згоряння нагрівачем є бензин, що згоряє, робочим тілом — розпечені гази, холодильником — навколишнє середовище.

В автомобільних двигунах ставлять часто кілька циліндрів. Дію їх узгоджують так, щоб при кожному такті в якомусь циліндрі здійснювався робочий хід: тоді при кожному такті вал одержує енергію від одного або декількох циліндрів.

Завдяки малій масі при порівняно великій потужності двигуни внутрішнього згоряння здобули найширшого застосування на транспорті: з’явилися автомобілі, тепловози, теплоходи, літаки.

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.

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.

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 A = Q1 - Q2.

Ефективність теплового двигуна тим вище, чим більше робота А, 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 А, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива:

Оскільки робота A = Q1 - Q2, 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. вигун потужністю 10 кВт споживає за годину 3 л бензину. Визначте ККД двигуна.

Розв’язок. Відповідно до визначення ККД Корисна робота AK = P · t, теплота згоряння бензину Q1 = qm1. Оскільки маса бензину m1 = ρV, 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 А? = P · t йQ1 = qm1, одержуємо:

Звідси:

Перевіряємо одиниці величин:

Обчислюємо масу бензину:

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

Топки теплових електростанцій, двигуни внутрішнього згоряння автомобілів, літаків й інших машин викидають в атмосферу шкідливі для людини речовини, наприклад сірчисті сполуки, оксиди азоту, вуглеводні, чадний газ, хлор і т. ін. Ці речовини потрапляють в атмосферу, а з неї — у різні частини ландшафту. Оксиди сірки й азоту поєднуються з атмосферною вологою, утворюючи сульфатну й нітратну кислоти.

Забруднення повітря й водойм, загибель хвойних лісів і багато інших свідчень катастрофічного становища природи відзначено в ряді регіонів України й азіатської частини Росії.

Застосування парових турбін на електростанціях вимагає багато води й великих площ, які відводяться під ставки для охолодження відпрацьованої пари. Зі збільшенням потужності електростанцій потреба у воді й нових площах різко зростає.

Захист навколишнього середовища

Людство не може відмовитися від використання машин у своїй діяльності. Тому боротьба зі шкідливими наслідками роботи теплових двигунів ведеться за декількома напрямками.

Перший напрямок: удосконалення теплових двигунів, підвищення їх ККД дозволяє одержувати ту саму механічну енергію при спалюванні меншої кількості палива.

Другий напрямок: використання енергозберігаючих технологій — при цьому споживання енергії на виробництво тієї самої продукції (наприклад, одного автомобіля) значно зменшується.

Третій напрямок: пошук і використання джерел енергії, у яких не спалюють паливо. Це, наприклад, атомні електростанції, проектовані термоядерні електростанції, використання енергії Сонця, вітру, морських припливів тощо.

Введение