"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Топливо при сгорании отдаёт энергию, которую тепловой двигатель может превратить в механическую работу. Для этого двигатель использует нагреватель, рабочее тело и холодильник: газ или пар получает теплоту, расширяется и приводит в движение поршень либо турбину. Часть энергии неизбежно уходит холодильнику, поэтому полезная работа меньше полученной теплоты, а КПД всегда ниже 100%. Количество теплоты при сгорании зависит от массы топлива и его удельной теплоты сгорания.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Удельная теплота сгорания топлива q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кг топлива. Её измеряют в джоулях на килограмм (Дж/кг), а количество теплоты находят по формуле Q = qm, где m — масса топлива. Эта величина позволяет сравнить разные виды топлива и рассчитать, сколько энергии даст известная масса.
Тепловой двигатель — устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую работу. Например, двигатель может заставить двигаться автомобиль или вращать турбину. Понятие помогает описать общий принцип работы устройств, которые используют нагревание газа или пара.
Рабочее тело — газ или пар в двигателе, который получает теплоту, расширяется и совершает работу. Оно передаёт энергию поршню или лопастям турбины, приводя их в движение. Рабочее тело нужно, чтобы связать нагрев топлива с движением деталей двигателя.
КПД теплового двигателя η — отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя: η = Aпол/Q₁. КПД показывает, какая часть полученной энергии пошла на полезное действие, а не была отдана окружающей среде. Его часто выражают в процентах, умножая значение отношения на 100%.
При сгорании топлива происходит химическая реакция: исходные вещества превращаются в продукты сгорания. Их внутренняя энергия становится больше, и энергия передаётся окружающим телам в виде теплоты. Поэтому количество выделившейся теплоты растёт с массой топлива: один и тот же вид топлива при сгорании большей массы отдаёт больше энергии. Свойство, которое показывает отдачу с каждого килограмма, называют удельной теплотой сгорания.
Для работы двигателя нужны нагреватель, рабочее тело и холодильник. Нагреватель передаёт теплоту газу или пару, потому что между ними есть разность температур. Нагретое рабочее тело расширяется и может толкать детали двигателя. Но после расширения оно должно охладиться, иначе не сможет вернуться к прежнему состоянию и снова принять теплоту. Холодильник принимает часть энергии при охлаждении.
Нагретый газ или пар расширяется, потому что его частицы движутся интенсивнее и сильнее давят на стенки сосуда. Если стенка подвижна, давление заставляет двигаться поршень; в турбине поток пара или газа вращает лопасти. В обоих случаях энергия рабочего тела передаётся детали, и совершается механическая работа. Так часть энергии, полученной от нагревателя, используется для движения.
Чтобы двигатель мог работать снова и снова, рабочее тело должно возвращаться в исходное состояние. После расширения его охлаждают, а затем сжимают или возвращают в начальное положение другим способом. В результате получается цикл: рабочее тело получает теплоту, расширяется, отдаёт часть энергии и возвращается к началу процесса. Без этого возвращения двигатель не смог бы повторять рабочий ход непрерывно.
В полезную работу переходит не вся теплота, полученная от нагревателя. Часть энергии отводится холодильнику, а часть рассеивается в окружающей среде из-за нагревания деталей и других потерь. Поэтому полезная работа меньше Q₁, а КПД η = Aпол/Q₁ меньше единицы, то есть меньше 100%. Чем большая доля полученной теплоты превращается в работу, тем эффективнее двигатель использует топливо.
| Величина | Обозначение | Связь или формула | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Масса сгоревшего топлива | m | — | кг |
| Удельная теплота сгорания топлива | q | q = Q/m | Дж/кг |
| Количество теплоты, выделившееся при сгорании | Q | Q = qm | Дж |
| Теплота, полученная от нагревателя | Q₁ | — | Дж |
| Теплота, отданная холодильнику | Q₂ | — | Дж |
| Полезная работа двигателя | Aпол | Aпол = Q₁ − Q₂ | Дж |
| КПД двигателя | η | η = Aпол/Q₁ | без единицы; % |
Сначала по условию задачи выбери нужную величину и формулу, а затем проверь, в каких единицах даны значения. Для вычисления работы, если известны теплоты нагревателя и холодильника, используй их разность. КПД можно записать десятичной дробью или в процентах.
Задача 1. При полном сгорании 0,5 кг топлива выделилось 15 МДж теплоты. Найдите удельную теплоту сгорания топлива. Нужно найти q, поэтому используем связь между количеством теплоты, массой и удельной теплотой. Переведём энергию в джоули, чтобы она соответствовала единице Дж/кг.
Задача 2. Двигатель получил от нагревателя 2,0 МДж теплоты и совершил полезную работу 500 кДж. Найдите КПД. КПД — это отношение полезной работы к полученной теплоте. Перед делением приведём обе величины к одним единицам, иначе результат будет неверным.
Задача 3. За цикл двигатель получил от нагревателя 8,0 МДж теплоты и отдал холодильнику 5,0 МДж. Найдите полезную работу и КПД. Сначала определим, сколько теплоты не ушло холодильнику и потому перешло в работу. Затем разделим эту работу на теплоту от нагревателя.
Путать удельную теплоту сгорания q и количество теплоты Q — значит смешивать свойство топлива с энергией, выделенной в конкретном случае. q относится к одному килограмму, а Q зависит от массы и находится по формуле Q = qm. Путаница возникает из-за похожих названий и буквенных обозначений. Проверь себя: у q должны быть единицы Дж/кг, у Q — джоули.
Подстановка массы в граммах в формулу Q = qm при q в Дж/кг приводит к неправильному результату в тысячу раз. Так ошибаются, когда забывают, что единицы величин должны быть согласованы. Перед вычислением переведи граммы в килограммы или удельную теплоту в подходящие единицы. Проверка проста: подставляемая масса должна соответствовать единице массы в обозначении q.
Считать, что вся теплота от нагревателя превращается в полезную работу, нельзя: часть энергии передаётся холодильнику и окружающей среде. Ошибка появляется, если рассматривать только нагреватель и не учитывать, что рабочее тело нужно охлаждать для повторения цикла. Сверься с балансом: Aпол = Q₁ − Q₂, если известна теплота, отданная холодильнику. Работа не может превышать Q₁.
В формуле КПД нельзя менять местами работу и теплоту: правильно η = Aпол/Q₁, а не Q₁/Aпол. При обратном отношении иногда получается число больше единицы, что выдаёт ошибку. КПД равен доле полученной теплоты, ставшей полезной работой, поэтому он меньше 1, или 100%. Проверь результат и при необходимости переведи долю в проценты умножением на 100%.
Для понимания работы теплового двигателя нужны знания о внутренней энергии, теплопередаче, количестве теплоты и механической работе. Эти понятия объясняют, как энергия топлива передаётся рабочему телу и превращается в движение деталей. Тема продолжает изучение тепловых процессов и показывает применение физических законов в технике. Она пригодится при знакомстве с двигателями внутреннего сгорания, паровыми и газовыми турбинами, а также при обсуждении экономии топлива и охраны окружающей среды.
Почему топливо выделяет энергию при сгорании?
При горении вещества вступают в химическую реакцию и образуются новые вещества. При этом химическая энергия переходит во внутреннюю энергию продуктов сгорания, а часть энергии передаётся окружающим телам в виде теплоты.
Чем удельная теплота сгорания отличается от количества теплоты?
Удельная теплота сгорания q показывает, сколько теплоты выделяет один килограмм топлива, и измеряется в Дж/кг. Количество теплоты Q зависит ещё и от массы топлива: Q = qm.
Зачем тепловому двигателю нужен холодильник?
Холодильник принимает часть теплоты, которую рабочее тело не может превратить в полезную работу. После охлаждения рабочее тело может вернуться в исходное состояние, чтобы двигатель продолжил работать циклически.
Как рабочее тело совершает механическую работу?
Нагретый газ или пар расширяется и давит на поршень либо действует на лопасти турбины. Из-за этого поршень или турбина движется, то есть совершается механическая работа.
Почему КПД теплового двигателя не может быть равен 100%?
Часть теплоты двигатель отдаёт холодильнику и окружающей среде, поэтому она не превращается в полезную работу. Следовательно, работа меньше теплоты, полученной от нагревателя, и КПД меньше 100%.
16. Энергия топлива. Принципы работы тепловых двигателей
