19. Реактивный двигатель. Холодильные машины

Определения и обозначения

Реактивное движение — движение тела, возникающее при отделении от него части вещества. Например, если тело выбрасывает газ назад, оно получает движение вперёд. Это понятие помогает объяснить движение ракет и других аппаратов без опоры.

Реактивная сила — сила, с которой выбрасываемая струя действует на тело и сообщает ему движение в противоположную сторону. Она возникает при взаимодействии тела с выходящим веществом. Именно действие этой силы создаёт тягу двигателя.

Реактивный двигатель — двигатель, создающий тягу за счёт выброса струи вещества. В нём топливо превращается в горячие газы, которые направленно выходят наружу. Двигателю не нужен воздух вокруг: рабочее вещество для создания струи он выбрасывает сам.

Холодильная машина — устройство, которое переносит теплоту от более холодного тела к более тёплому, получая энергию извне. В бытовом холодильнике электрическую энергию получает компрессор. Благодаря его работе теплота покидает холодную камеру и передаётся воздуху комнаты.

Как это устроено

Если отпустить надутый шарик, воздух вырывается через отверстие в одну сторону, а шарик летит в другую. До выпуска воздуха шарик и газ внутри покоятся относительно друг друга, а затем часть газа получает импульс в направлении струи. По закону сохранения импульса остальная часть системы — шарик — получает импульс противоположного направления. Поэтому его движение не требует толчка о стену или пол.

В ракетном двигателе топливо сгорает в камере сгорания, где образуются горячие газы. Камера нужна, чтобы в ней происходило горение и накапливался газ, который затем направленно выходит из двигателя. Сопло сужает и направляет поток, ускоряя выходящие газы. Чем быстрее газы выбрасываются назад, тем сильнее они изменяют импульс ракеты вперёд и создают тягу.

Ракета способна двигаться за пределами атмосферы, потому что для реактивного движения не требуется опора. Двигатель выбрасывает собственное рабочее вещество — горячие газы, а не отталкивается от окружающего воздуха. Газы уносят импульс назад, и ракета получает импульс вперёд. Поэтому отсутствие воздуха в космосе не мешает работе ракетного двигателя.

В холодильнике хладагент — вещество, которое циркулирует по замкнутому контуру и переносит теплоту. Внутри камеры он забирает теплоту у продуктов и воздуха, а затем проходит к наружной части системы и отдаёт её помещению. Компрессор сжимает и перемещает хладагент, поддерживая его циркуляцию. Для работы компрессору требуется электрическая энергия, без которой перенос теплоты не поддерживался бы.

Холодильная машина не уничтожает теплоту и не создаёт холод как отдельное вещество. Она отводит теплоту из камеры и передаёт её воздуху снаружи, а электрическая энергия компрессора в итоге также превращается в теплоту. Поэтому задняя стенка холодильника нагревается: через неё наружу уходит тепло. Перенос идёт от холодной области к тёплой благодаря затрате энергии.

Как работают реактивный двигатель и холодильная машина

Сравнивая устройства, сначала проследите, как движется или изменяется вещество, а затем выясните, откуда поступает энергия. Последний столбец показывает, к какому результату приводит этот процесс. Таблица помогает увидеть, что двигатель создаёт движение струёй, а холодильная машина переносит теплоту при затрате энергии.

Разбор задач

Задача 1. Воздух выходит из открытого надутого шарика. Определите, в какую сторону будет двигаться шарик и почему.

Направление движения шарика нужно сравнить с направлением выходящей струи. Для объяснения используем реактивный принцип: шарик и воздух взаимодействуют, а импульс системы сохраняется. Поэтому изменение импульса воздуха сопровождается противоположным изменением импульса шарика.

1. Определяем направление струи: воздух вырывается через отверстие наружу.
2. Применяем сохранение импульса: струя получает импульс по направлению выхода, а шарик — в противоположную сторону.
3. Делаем вывод о движении: шарик полетит противоположно струе воздуха.

Ответ: шарик движется в сторону, противоположную выходящему воздуху, потому что при выбросе струи получает противоположно направленный импульс.

Задача 2. Ракета выбрасывает газы назад. Объясните, почему она продолжает двигаться после выхода за пределы атмосферы.

Важно выяснить, с чем взаимодействует двигатель: с окружающим воздухом или с газами, которые выбрасывает сама ракета. По условию газы направлены назад, значит, ракета получает импульс вперёд. Для этого взаимодействия наличие атмосферы не требуется.

1. Отмечаем, что двигатель сжигает топливо и образует газы внутри ракеты.
2. Газы выходят назад и уносят импульс в этом направлении.
3. По закону сохранения импульса ракета получает импульс вперёд, поэтому продолжает двигаться и в вакууме.

Ответ: ракета движется благодаря выбросу собственных газов, а не потому, что отталкивается от воздуха. Поэтому за пределами атмосферы она может продолжать работу двигателя.

Задача 3. Холодильник работает в закрытой комнате. Станет ли комната холоднее, если дверцу холодильника оставить открытой? Обоснуйте ответ.

Проследим, куда холодильник передаёт теплоту и какую энергию при этом расходует. При открытой дверце воздух комнаты охлаждается внутри камеры, но затем теплота выходит наружу через теплообменник. Кроме неё в комнате остаётся и энергия, потреблённая компрессором.

1. Холодильник забирает теплоту из воздуха комнаты, поступающего в открытую камеру.
2. Наружная часть холодильника отдаёт в ту же комнату отведённую теплоту и энергию работы компрессора.
3. В сумме комната получает больше теплоты, чем холодильник забрал из неё, поскольку добавляется энергия компрессора.

Ответ: комната не станет холоднее, а будет постепенно нагреваться. Холодильник переносит теплоту внутри комнаты и добавляет к ней энергию, затраченную на работу.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что ракета отталкивается от воздуха. Так могут подумать, потому что в быту движение часто начинается с толчка об опору. Проверьте себя: если бы воздух был необходим, ракета не могла бы работать в вакууме, однако её тягу создаёт выброс газов.

Ошибка: полагать, что струя и двигатель движутся в одну сторону. Это путают, глядя на направленный поток, но у струи и корпуса противоположные импульсы. Проверка проста: обозначьте направление выхода газа и мысленно поставьте стрелку движения двигателя навстречу ей.

Ошибка: считать, что холодильник производит холод. Кажется, будто камера «создаёт холод», потому что в ней становится прохладнее, но физически машина переносит теплоту наружу и расходует энергию. Проверьте рассуждение по задней стенке: если бы теплота исчезала, наружу нечему было бы передаваться.

Ошибка: думать, что открытый холодильник охладит комнату. Холодный воздух у дверцы может создать такое впечатление, однако теплообменник возвращает в комнату отведённую теплоту, а компрессор добавляет энергию. Чтобы проверить вывод, учитывайте не только воздух у камеры, но и всю комнату с работающим прибором.

Связь с другими темами

Для объяснения реактивного движения нужны понятия силы и движения, закон сохранения импульса и третий закон Ньютона. Эти знания помогают понять, почему струя и двигатель получают импульсы в противоположных направлениях. Принцип реактивного движения применяют при изучении ракет и космических аппаратов.

Работа холодильной машины связана с теплопередачей: теплота уходит от камеры к помещению. Компрессор при этом получает электрическую энергию, которая преобразуется и участвует в работе устройства. Поэтому холодильник помогает изучать перенос теплоты и превращение энергии.

Что запомнить

• Реактивное движение возникает при отделении и выбросе части вещества.
• Тело движется в сторону, противоположную выбрасываемой струе.
• Ракетному двигателю не нужен воздух для создания тяги.
• Газы в ракетном двигателе ускоряются и выходят через сопло.
• Холодильная машина переносит теплоту от холодного тела к тёплому.
• Для работы холодильной машины нужна энергия.
• Холодильник отдаёт в комнату больше теплоты, чем забирает из неё.