Блог учителя фізики та інформатики Глинського НВК на період карантину: фізика 10 клас 07.04.2020

Тема: Принцип дії теплових двигунів. Холодильна машина

Оскільки у 8-му класі учні вивчали тему «Теплові двигуни» і мають певні знання про теплову машину, види теплових машин, ККД теплового двигуна, учитель демонструє учням моделі різних видів двигунів і ставить низку запитань.

Повторіть такі питання:

1. Що називається тепловою машиною?

2. Які види теплових двигунів нам відомі? Моделі яких двигунів продемонстровано?

3. Для чого вводиться ККД теплового двигуна? Як обчислити ККД?

4. Як обчислити роботу ідеального газу?

5. Сформулювати перший закон термодинаміки, навести його математичний запис.

Теплові машини. Теплові двигуни. Цикл Карно

Тепловий двигун — машина, що перетворює внутрішню енергію палива в механічну енергію.

Зазначене перетворення відбувається в два етапи:

1) під час згоряння палива хімічна енергія перетворюється на кінетичну енергію хаотичного руху молекул, при цьому нагрівається деяка маса газу;

2) газ розширюється, виконуючи роботу, при цьому він охолоджується, тобто кінетична енергія молекул перетворюється на механічну енергію. Тепловий двигун має працювати циклічно. Після того як газ, виконавши роботу, розширився, його необхідно стиснути до попереднього об'єму, щоб він міг виконати роботу в наступному циклі.

Тепловий двигун складається з трьох основних частин (рис. 1): нагрівача (

) — джерело внутрішньої енергії; робочого тіла (газ чи пара), що виконує механічну роботу за рахунок внутрішньої енергії, отриманої від нагрівача; холодильника (

), що забезпечує природний процес передачі тепла від більш нагрітого тіла до менш нагрітого (холодильником може бути навколишнє середовище).

Ефективність теплового двигуна тим вища, чим більш корисну роботу

він отримує за тієї ж самої кількості теплоти

, отриманої від нагрівача.

Коефіцієнтом корисної дії теплового двигуна називають відношення корисної роботи, виконаної двигуном, до кількості теплоти, отриманої від нагрівача:

Оскільки

, то

де

— кількість теплоти, отримана від нагрівача;

— кількість теплоти, передана холодильнику.

Виходячи з цього, коефіцієнт корисної дії завжди менший за 100 %, отже, перетворити на механічну роботу можна лише частину кількості теплоти, отриману від нагрівача.

Від чого залежить ККД теплового двигуна, який може мати максимальний ККД, дослідив французький вчений С. Карно. Він довів, що максимальний ККД м&є так звана «ідеальна машина», під час роботи якої немає контакту тіл із різною температурою. Під час роботи такої машини виконується цикл Карно (рис. 2), у якому робоче тіло отримує від нагрівача деяку кількість теплоти за температури, що дорівнює температурі нагрівача; адіабатно розширюється, охолоджуючись до температури холодильника; віддає холодильникові деяку кількість теплоти за температури, що дорівнює температурі холодильника; адіабатно стискається, нагріваючись до температури нагрівача.

Карно довів, що максимально можливий ККД дорівнює:

ККД сучасних теплових двигунів становить 40-50 %. Назвемо деякі види теплових машин: парова і газова турбіна; парові машини; поршневі двигуни внутрішнього згоряння (карбюраторні (бензинові) і дизельні); безпоршневі двигуни внутрішнього згоряння (реактивні двигуни).

3. 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 (рис. 3) 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.

Холодильний коефіцієнт

становить:

де

— кількість теплоти, яку передає робоче тіло при стисканні в оточуюче середовище;

— кількість теплоти, яку воно забирає у холодильної камери.

Розглянемо принцип роботи кондиціонера (рис. 4). Якщо відчинену холодильну камеру холодильника залишити всередині кімнати, а гарячі трубки теплообмінника винести назовні, то холодильна камера відбиратиме тепло в повітрі кімнати, а гарячі трубки теплообмінника віддаватимуть тепло зовнішньому повітрю, яке нагріватиметься.

Прилад.з таким самим принципом дії, як і у холодильника, можна використовувати не тільки для охолодження, а й для обігріву приміщення. Для цього необхідно «розвести у просторі» холодильну камеру та гарячі трубки теплообмінника, але трубки залишити у кімнаті, а камеру винести назовні. Холодильна камера тепер відбиратиме тепло у навколишнього повітря, а трубки теплообмінника передаватимуть тепло повітрю в приміщенні. Це і є тепловий насос. Сучасні побутові кондиціонери конструюють так, що вони можуть працювати і як кондиціонери, і як теплові насоси, залежно від пори року.

4. Поняття оборотних і необоротних теплових процесів

Серед явищ, які відбуваються навколо нас, є; такі, що можуть проходити однаково в прямому і «зворотному» напрямі в часі. Такі явища називаються оборотними.

Явища, які можуть протікати лише в одному напрямку, називаються необоротними.

Демонстрація 1. 1) Коливання вантажу на пружині. 2) Упоільнений рух кульки по поверхні стола.

Запитання до класу. Яке з продемонстрованих явищ є оборотним? необоротним? Чому?

Демонстрація 2. 1) У посудину з газом вставлено легкий поршень. Якщо відпустити поршень, він почне коливатися. 2) У посудину з гарячою водою занурити металеву ложку. Вона почне нагріватися.

Запитання до класу. Яке з продемонстрованих явищ є оборотним? необоротним? Чому?

Реальні процеси, які відбуваються в природі, є необоротними, оскільки тертя чи теплопередача певною мірою наявні в будь-якому процесі.

Твердження про необоротність теплових процесів у природі дістало назву другого закону термодинаміки. Є різні формулювання цього закону.

Одним з таких формулювань є формулювання Клаузіуса:

неможливий процес, єдиним результатом якого є передача тепла иid тіл, менш нагрітих, тілам, більше нагрітим.

Розв'язування задач (письмово)

Римкевич.

590. Температура нагрівника ідеальної теплової машини становить 117 °С, а холодильника 27 °С. Кількість теплоти, що її дістає машина від нагрівника за 1 с, дорівнює 60 кДж. Обчисліть ККД машини, кількість теплоти, яку забирає холодильник за 1 с, і потужність машини.

Оскільки

, то

591. В ідеальній тепловій машині за рахунок кожного кілоджоуля енергії, що її дає нагрівник, виконується робота 300 Дж. Визначити ККД машини і температуру нагрівника, якщо температура холодильника 280 К.

Оскільки