"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Тепловой двигатель превращает часть внутренней энергии топлива или другого источника теплоты в механическую работу. Такие двигатели приводят в движение автомобили, корабли и турбины электростанций. В их работе участвуют нагреватель, рабочее тело и холодильник: часть теплоты становится работой, а остаток передаётся холодильнику. Поэтому КПД двигателя всегда меньше 100%. Сжигание топлива и сброс избыточной теплоты влияют на природу.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловой двигатель — устройство, которое превращает часть внутренней энергии топлива или другого источника теплоты в механическую работу. В его работе участвуют нагреватель, рабочее тело и холодильник. Такое устройство нужно там, где энергию нагретого вещества требуется использовать для движения механизмов.
Рабочее тело — газ или пар, который получает теплоту от нагревателя, расширяется и совершает работу. Затем оно отдаёт часть энергии холодильнику. Это понятие помогает проследить, через какое вещество энергия передаётся от источника к движущимся частям двигателя.
КПД теплового двигателя — отношение полезной работы A к количеству теплоты Q₁, полученному от нагревателя: η = A/Q₁ = (Q₁ − Q₂)/Q₁. Здесь Q₂ — теплота, отданная холодильнику. КПД показывает, какая доля полученной энергии пошла на полезную работу, поэтому по нему сравнивают эффективность двигателей.
Тепловое загрязнение — нагрев окружающей среды из-за сброса избыточной теплоты, в том числе при работе тепловых машин. Теплота может попадать в воздух или воду. Это понятие помогает учитывать не только выбросы от топлива, но и нагрев среды.
При сгорании топлива выделяется теплота, которую получает рабочее тело. Оно нагревается и расширяется, поэтому может толкать поршень или вращать турбину. Энергия топлива тем самым переходит во внутреннюю энергию газа или пара, а затем — в механическую работу. Если бы рабочее тело не расширялось, нагрев сам по себе не привёл бы механизм в движение.
После расширения рабочее тело должно вернуться к состоянию, в котором сможет снова принять теплоту. Для этого оно отдаёт часть энергии холодильнику. За цикл полученная энергия распределяется между работой и теплотой, переданной холодильнику: Q₁ = A + Q₂. Поэтому работа равна разности A = Q₁ − Q₂, а не всей теплоте, поступившей от нагревателя.
КПД не может достигнуть 100%, потому что для повторения циклов часть теплоты приходится отводить холодильнику. Следовательно, Q₂ больше нуля, а работа A меньше Q₁. Кроме того, в реальном двигателе часть энергии рассеивается из-за трения и нагрева деталей. Поэтому полезной становится лишь часть энергии топлива.
В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает внутри цилиндра, и горячие газы становятся рабочим телом. Расширяясь, они толкают поршень, а движение поршня через механизм передаётся колёсам или другим деталям. В паровой турбине рабочее тело — нагретый пар: он направляется на лопатки и вращает вал. В обоих случаях расширение нагретого вещества приводит механизм в движение.
Работа тепловых машин влияет на природу несколькими способами. При сжигании топлива появляются вредные вещества и углекислый газ, который усиливает парниковый эффект. Помимо этого, часть теплоты отводится в воздух или воду и может нагревать их. Таким образом, экологический след связан и с продуктами сгорания, и с избыточной теплотой.
| Этап или характеристика | Что происходит с энергией | Воздействие на окружающую среду |
|---|---|---|
| Сгорание топлива и нагрев рабочего тела | Энергия топлива передаётся рабочему телу в виде теплоты. | При сгорании образуются выбросы; их состав зависит от топлива и условий работы. |
| Расширение рабочего тела и совершение работы | Часть внутренней энергии рабочего тела превращается в механическую работу. | Работа двигателя сама по себе не исключает выбросов от сжигания топлива. |
| Передача части теплоты холодильнику | Остаток энергии отводится от рабочего тела. | Нагретые воздух или вода могут стать причиной теплового загрязнения. |
| КПД двигателя | Показывает долю полученной теплоты, превращённую в полезную работу. | Более высокий КПД при той же работе обычно позволяет сжигать меньше топлива. |
| Основные экологические последствия | Часть энергии рассеивается, а часть уходит с отводимой теплотой. | Возникают выбросы вредных веществ и углекислого газа, а также нагрев воздуха и воды. |
Читайте таблицу сверху вниз, чтобы проследить путь энергии от топлива до работы и отвода остаточной теплоты. Последний столбец показывает, что экологическое воздействие возникает на разных этапах. КПД помогает оценить расход энергии, но не описывает все виды загрязнения.
В задачах о тепловом двигателе полезно сначала записать, сколько теплоты он получил и сколько отдал. Затем выбирают нужную формулу: для работы используют энергетический баланс, а для КПД — отношение работы к полученной теплоте. Если величины даны в разных единицах, перед вычислениями их приводят к одним единицам.
Задача 1. Двигатель получил от нагревателя 600 Дж теплоты и передал холодильнику 420 Дж. Найдите работу двигателя.
Ответ: работа двигателя равна 180 Дж.
Задача 2. За цикл двигатель получил 2,0 МДж теплоты и совершил работу 500 кДж. Найдите его КПД и количество теплоты, переданное холодильнику.
Ответ: КПД равен 25%, холодильнику передано 1500 кДж теплоты.
Задача 3. Два двигателя за одинаковое время совершают одну и ту же полезную работу. Первый расходует 8 кг топлива, второй — 6 кг. Объясните, какой двигатель экономичнее, и назовите экологические преимущества его использования.
Ответ: экономичнее второй двигатель; его использование при одинаковой работе обычно уменьшает расход топлива и связанные с ним выбросы.
Считать, что вся теплота превращается в работу. Такое предположение кажется удобным, но забывает про холодильник и повторение цикла. Проверьте себя по балансу Q₁ = A + Q₂: если Q₂ не учтено, расчёт неполон.
Путать Q₁, полученную от нагревателя, и Q₂, отданную холодильнику. Обозначения похожи, поэтому легко перепутать их роли. Перед решением подпишите величины словами и убедитесь, что работа получается как Q₁ − Q₂.
Вычислять КПД как Q₂/Q₁ или A/Q₂. Эти отношения не сравнивают полезную работу с энергией, поступившей от нагревателя. Правильная проверка — в числителе стоит A, а в знаменателе Q₁: η = A/Q₁.
Считать, что высокий КПД полностью устраняет вред для природы. Эффективность характеризует превращение энергии, но не гарантирует отсутствия вредных выбросов или сброса теплоты. Проверьте вывод: отдельно учитывайте расход топлива, загрязняющие вещества и нагрев воздуха или воды.
Для понимания работы двигателя нужны знания о внутренней энергии, количестве теплоты и механической работе. Закон сохранения энергии объясняет, почему теплота от нагревателя распределяется между работой и энергией, переданной холодильнику. Эти понятия позволяют не просто запоминать формулы, а проверять, куда переходит энергия.
Тема связана с устройством двигателей внутреннего сгорания и способами экономии топлива. Она также помогает оценивать экологические последствия производства и использования энергии. Сравнивая двигатели, учитывают не только полезную работу и расход топлива, но и выбросы, а также отвод теплоты.
Почему тепловой двигатель не может иметь КПД 100%?
Чтобы двигатель работал циклически, рабочее тело должно не только получить энергию, но и отдать её часть холодильнику. Поэтому полезная работа всегда меньше теплоты, полученной от нагревателя. Кроме того, часть энергии рассеивается в окружающей среде.
Зачем тепловому двигателю нужен холодильник?
Холодильник принимает часть теплоты, которую рабочее тело не превратило в работу. После этого рабочее тело может вернуться в исходное состояние и начать новый цикл. Холодильником может быть, например, окружающий воздух или вода.
Как найти работу двигателя, если известна теплота, полученная от нагревателя и отданная холодильнику?
Нужно вычесть теплоту, отданную холодильнику, из теплоты, полученной от нагревателя: A = Q₁ − Q₂. Перед вычислением проверьте, что Q₁ и Q₂ выражены в одинаковых единицах. Работа получится в джоулях, если теплота дана в джоулях.
Почему более высокий КПД помогает экономить топливо?
При более высоком КПД большая доля энергии топлива превращается в полезную работу. Значит, для выполнения той же работы требуется меньше энергии, а обычно и меньше топлива. Это может уменьшить выбросы, связанные с его сжиганием.
Как тепловые двигатели влияют на окружающую среду?
При сжигании топлива в воздух попадают вредные вещества и углекислый газ. Кроме того, отводимая двигателями теплота может нагревать воздух и водоёмы. Высокий КПД помогает сократить расход топлива, но сам по себе не устраняет все экологические последствия.
20. Тепловые машины и экология
