Конспект уроку: Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Принцип дії теплових машин. Теплові двигуни

Перетворення енергії в механічних і теплових процесах

Світанком розвитку техніки була епоха винайдення, розвитку та удосконалення простих машин. Використовуючи прості механізми, люди вигравали в силі, але виконана механічна робота залишалась такою самою. Із найдавніших часів у людства існувала потреба у механізмах, які б могли виконувати роботу - забезпечувати подачу води на поля, полоти зерно, перевозити вантажі, прясти і шити. Для цього використовували спочатку працю тварин і рабів, пізніше - енергію рухомої води і вітру.

Наступним багатовіковим етапом історії техніки були пошуки таких механізмів, які могли би самі виконувати роботу за рахунок поданої їм енергії. Це були відомі вам з 7 класу проекти “вічного двигуна” - “perpetum mobile”, які могли б за задумом конструкторів як завгодно довго працювати за рахунок одноразово наданої їм енергії. (“Perpetum mobile" у перекладі з латини означає: “те, що весь час рухається”.) На практиці всі ці проекти виявились нездійсненними, оскільки вони суперечили відкритому у XIX столітті закону збереження і перетворення енергії.

Із розвитком вчення про теплову енергію вчені розпочали пошук способу перетворення теплової енергії у механічну. Важливим етапом у розвитку цивілізації було винайдення англійським вченим і інженером Джеймсом Уаттом в 1764 році парової машини. Машини Уатта залишались єдиними тепловими двигунами протягом більш ніж ста років. Вони піднімали із шахт кліті з вугіллям, рухали млини, пилорами, ткацькі верстати, поїзди і пароплави. Заради справедливості слід зауважити, що російський гірничий інженер Іван Ползунов створив подібну машину у 1766 році, тобто на 21 рік раніше. Ця машина попрацювала дуже короткий час і вийшла з ладу через неправильну експлуатацію, після чого про І. Ползунова та його машину надовго забули.

Принцип дії теплових машин

Щоб пояснити принцип дії теплової машини зробимо дослід. У пробірку наллємо трохи води, щільно закриємо її корком та нагріватимемо воду до кипіння. Під тиском пари корок вирветься з пробірки і пролетить деяку відстань.

Тут енергія нагрівника перейшла у внутрішню енергію води (пари), а пара, розширюючись, виконала роботу по переміщенню корка (внутрішня енергія пари перетворилась у кінетичну енергію корка).

Замінимо далі пробірку міцним металевим циліндром, а корок - щільно підігнаним поршнем, який може рухатись вздовж циліндра. Ми одержимо найпростішу теплову машину. Цей спосіб перетворення теплової енергії у механічну покладено в основу дії теплових машин. Теплові машини - загальна назва машин і двигунів - парової і газової турбін, двигуна внутрішнього згоряння, реактивного та турбореактивного двигунів, холодильних машин.

У 1824 році французький вчений Саді Карно визначив загальну схему створення теплової машини. Бона повинна складатись із нагрівника (джерела теплоти), робочого тіла, котре виконує роботу (пара, газ) і охолоджувача (в багатьох випадках це оточуюче середовище - атмосфера).

Така машина може виконувати роботу лише тоді, коли температура нагрівника буде більшою за температуру охолоджувача г2. Виконана тепловою машиною робота А буде дорівнювати:

де Q₁ - кількість теплоти, передана робочому тілу нагрівником;

Q₂ - кількість теплоти, віддана робочим тілом охолоджувачу. Оскільки t₂ t₁ то Q₂ < Q₁.

Коефіцієнт корисної дії теплової машини становитиме:

Як видно з цього рівняння, к.кд. теплової машини завжди менше за одиницю.

Це означає, що при дії теплової машини робоче тіло має “віддати" охолоджувачеві частину одержаної від нагрівника теплової енергії. Іншими словами, внутрішню енергію нагрітого газу чи пари вдається лише частково перетворити у механічну енергію.

У 1851 році англійський фізик В. Томсон (так званий лорд Кельвін) сформулював твердження, що відіграє важливе значення у конструюванні теплових машин: у природі неможливий процес, єдиним результатом якого являється виконання механічної роботи лише за рахунок охолодження джерела теплоти.

Це означає, що неможливо створити "вічний двигун", який би міг перетворити у роботу всю надану йому теплову енергію.