Тема: Принцип дії теплових машин. Теплові двигуни.  ККД теплового двигуна

https://www.youtube.com/watch?v=d8AI1-eztvE

https://www.youtube.com/watch?v=umyULieO1bA

https://www.youtube.com/watch?v=NBvavR1xpDo

https://www.youtube.com/watch?v=ZpBbbP6U-Yo

Розвиток сучасної техніки залежить від уміння якомога повніше використовувати колосальні запаси внутрішньої енергії, що міститься у паливі. Цю енергію можна перетворити в механічну, а отже, виконувати за її рахунок корисну роботу.

Звернемося до власного досліду. От закипіла вода у чайнику, почалося інтенсивне пароутворення, і кришка на чайнику “затанцювала”, почала час від часу підстрибувати.

Питання:

– Чому так відбувається? (Пара, розширюючись, штовхає кришку.)

– Яке перетворення енергії відбувається при цьому? (Внутрішня енергія пари перетворюється в механічну енергію.)

– А що відбулося б, якби який-небудь дивак наглухо закрив кришку і носик чайника? (Розірвало б чайник!)

Пара-силач розірвала б його на шматки! Тому не можна нагрівати балони навіть із негорючими газами.

Люди давно дізналися про могутню силу пари і задумалися над тим, як її використати, тобто виникли ідеї перетворити внутрішню енергію тіла в механічну. Пристрій, що займається таким перетворенням, називається тепловим двигуном.

Один із перших винахідників парових двигунів – Іван Ползунов, який у 1766 році побудував свою машину майже повністю із дерева, тому що залізо в ті часи було дуже дорогим. Із заліза був зроблений тільки казан, у якому кипіла вода, і два циліндри, у які пара впускалася із казана по черзі. Пара, заповнюючи циліндр, штовхала поршень угору. Так і ходили поршні по черзі: один – угору, другий – униз. Рухи поршнів передавалися міхам, які качали повітря в велику піч для плавлення металу. Перед самим пуском своєї машини Ползунов помер. Він уже не побачив, як у травні 1766 року її запустили, і вона працювала кілька місяців, як вона поступово розладналася, а полагодити було нікому. Адже ніхто, крім винахідника, не розумів, як і чому вона працює, тому машину розібрали й викинули. А через 18 років після смерті Ползунова англійському механіку Джеймсу Уатту вдалося побудувати дуже гарну за тих часів машину. Уатт, працюючи механіком при університеті у м. Глазго, весь час удосконалював своє дітище. Машини Уатта стали випускати сотнями. Вони рухали верстати, відкачували воду із шахт, крутили жорнова млинів.

У 1803 році в Англії інженер Ричард Тревітик побудував перший паровоз, а в 1807 році американець Роберт Фултон побудував свій знаменитий пароплав “Клермонт”, який робив регулярні рейси по річці Гудзон, розвиваючи потужність 4 к. с. (для порівняння: сучасний підвісний мотор човна дає мінімальну потужність 10 к. с.). Однак уже те, що навіть при зустрічному вітрі пароплав йшов упевнено вперед, було дивно!

Але парова машина була незручною, важкою, ненажерливою. І на зміну їй прийшли інші двигуни

   Найпершою була машина, придумана у II столітті до н. е. греком Героном з Олександрії. Це була металева куля, що могла обертатися навколо горизонтальної осі. У резервуар кулі наливалася вода, а коли вона закипала, то пара, виходячи зі спеціальних трубок-паропроводів, надавала кулі обертів. По суті, це була перша турбіна. Названа була ця потішна іграшка (іншого застосування вона не знайшла) еоліпілом на честь бога вітру Еола.

   Чого не зробиш заради улюбленої справи! Щоб бути обізнаним з усіма технічними новинками свого часу, Джеймс Уатт спеціально вивчив німецьку і французьку мови.

    Наполеон Бонапарт погано розбирався у фізиці Роберт Фултон, винахідник пароплава, у пошуках засобів для будівлі свого дітища звернувся за допомогою до імператора Наполеона Бонапарта. Наполеон вигнав Фултона із кабінету з обуреними лементами: “Він переконує мене, що можна рухати судна за допомогою окропу!”

   Комфорт минулих часів Перший теплохід мав три каюти, буфет, комору із припасами. Серед правил, установлених для пасажирів, були і такі, які забороняли (під загрозою штрафу) джентльменам лягати в чоботах на ліжко або сидіти на столах.

    Зубчасті колеса? Перші рейки на залізничному полотні робили із чавуну. Чавунні рейки дуже часто лопалися, але сталь у XIX столітті була занадто дорога. До речі, були чималі сумніви з приводу того, що колеса вагонів взагалі зможуть сковзати по рейках, тому з’являлися зубчасті рейки й навіть зубчасті колеса!

З’ясовуємо питання: “Що ж спільного в принципі роботи всіх видів теплових двигунів? ” Відповідь: у кожному тепловому двигуні роботу виконує сила тиску нагрітої пари (газу), що розширюється: у паровій турбіні вона тисне на лопаті турбіни, у реактивному – штовхає ракету, а у двигуні внутрішнього згоряння – штовхає поршень у циліндрі. Цю пару називають робочим тілом теплового двигуна.

Нагрівання газу відбувається завдяки спалюванню палива: на теплових електростанціях – вугілля, газу або мазуту, у ракетах – ракетного палива, у двигунах внутрішнього згоряння – бензину або дизельного палива.

Таким чином, 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.

Тут Q1 – кількість теплоти, передана робочому тілу (газу) при спалюванні палива; А – виконувана двигуном механічна робота (наприклад, з розгону автомобіля); Q2 – кількість теплоти, передана навколишньому середовищу.

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 початку XIX століття французький учений Саді Карно в роботі “Міркування про рушійну силу вогню й машини, здатних розвивати цю силу” довів, що тепловий двигун може працювати тільки за умови, що значна частина енергії, яка виділилася при згорянні палива, передається за допомогою теплообміну навколишньому середовищу.

 Коефіцієнт корисної дії

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 теплового двигуна називають виражене у відсотках відношення роботи А, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива 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.

Таблиця ККД деяких теплових двигунів і механізмів

Дизельний двигун внутрішнього згоряння	– не більше 40 %
Бензиновий двигун внутрішнього згоряння	– до 35 %
Тепловоз	– 28 %
Парова турбіна	– 25-40 %
Реактивний двигун	– 25-30 %
Парова поршнева машина	– до 15 %
Паровоз	– 9 %