§ 14. Использование тепловых двигателей и охрана природы

Определения и обозначения

Тепловой двигатель — устройство, которое превращает внутреннюю энергию топлива или другого источника теплоты в механическую работу. Нагретое вещество расширяется и перемещает поршень, лопатки турбины или другое рабочее тело. Это понятие нужно, чтобы отличать машины, получающие работу за счёт теплоты, от электродвигателей и простых механизмов.

Рабочее тело — вещество, которое получает энергию, расширяется и совершает работу в тепловом двигателе. Им могут быть газ, пар или продукты сгорания топлива. Рабочее тело связывает нагреватель с движущейся частью машины, поэтому без него теплота не превращалась бы в направленное движение.

Коэффициент полезного действия, или КПД, показывает, какая часть полученной теплоты превращается в полезную работу: η = Aₚₒₗ/Q₁ · 100%. Здесь Aₚₒₗ — полезная работа двигателя, а Q₁ — энергия, полученная от нагревателя. КПД позволяет сравнивать двигатели и выяснять, насколько экономно используется топливо.

Охрана природы при использовании тепловых двигателей — это меры, уменьшающие загрязнение воздуха, воды и почвы. К ним относятся очистка выхлопных газов, повышение КПД, экономия топлива и переход к более чистым источникам энергии. Такие меры нужны, потому что работа двигателей сопровождается выбросами и выделением лишней теплоты.

Как это устроено

Любой тепловой двигатель имеет нагреватель, рабочее тело и холодильник. Нагреватель передаёт рабочему телу энергию, поэтому газ или пар расширяется и давит на поршень либо вращает лопатки турбины. После расширения рабочее тело должно охладиться и сжаться, иначе оно не сможет снова принять энергию. Холодильником служит окружающий воздух, вода или специальная охлаждающая система.

В двигателе внутреннего сгорания топливо сгорает прямо внутри цилиндра, поэтому горячие газы сразу давят на поршень. Поршень через шатун и коленчатый вал превращает возвратно-поступательное движение во вращение колёс или другого механизма. Такой двигатель компактен, потому что нагреватель находится внутри него. Однако сгорание топлива образует выхлопные газы, а трение деталей вызывает дополнительные потери энергии.

На тепловой электростанции топливо нагревает воду, вода превращается в пар, а пар вращает турбину. Турбина соединена с генератором, который производит электрический ток. Такая схема позволяет получать много энергии в одном месте, но для неё нужны большие объёмы топлива и охлаждающей воды. Продукты сгорания приходится очищать, поскольку в них содержатся вещества, опасные для человека и природы.

Полезная работа всегда меньше энергии, полученной от нагревателя, потому что часть теплоты уходит холодильнику. Дополнительные потери возникают из-за трения, сопротивления движению, неполного сгорания топлива и нагревания деталей. Поэтому КПД не может быть равен 100%, а повышение КПД означает получение той же работы с меньшим расходом топлива. Экологический вред уменьшается, если двигатель работает экономично, а его выхлоп проходит через очистные устройства.

Тепловые двигатели необходимы там, где нужно перевозить грузы и людей или быстро получать большую мощность. Их используют в автомобилях, тепловозах, самолётах, кораблях, строительных машинах и генераторах. При этом сжигание топлива увеличивает содержание углекислого газа и других примесей в атмосфере. Поэтому развитие транспорта и промышленности должно сочетаться с контролем выбросов, повторным использованием энергии и поиском заменителей топлива.

Виды воздействия и способы защиты природы

Таблица помогает сопоставить пользу тепловых двигателей с последствиями их работы. Сначала найдите вид воздействия, затем посмотрите, какая мера уменьшает его влияние. Несколько мер обычно применяют одновременно, потому что одна технология не устраняет все потери и выбросы.

Разбор задач

Задача

Тепловой двигатель получил от нагревателя 5 МДж энергии и совершил полезную работу 1,5 МДж. Определите КПД двигателя. Объясните, сколько энергии было передано холодильнику, если другими потерями пренебречь. В условии уже даны величины, необходимые для применения определения КПД.

Сначала отделим полезную работу от всей полученной энергии. В формуле КПД работа должна быть выражена в тех же единицах, что и теплота, поэтому переводить мегаджоули не требуется. После нахождения КПД можно определить непереданную в полезную работу часть энергии вычитанием.

1. Запишем данные: Q₁ = 5 МДж, Aₚₒₗ = 1,5 МДж. Эти значения относятся соответственно к энергии от нагревателя и полезной работе двигателя.
2. Используем формулу η = Aₚₒₗ/Q₁ · 100%. Подставляем данные: η = 1,5/5 · 100% = 30%.
3. Найдём энергию, которая не превратилась в полезную работу: Q₂ = Q₁ − Aₚₒₗ. Получаем Q₂ = 5 − 1,5 = 3,5 МДж.
4. Проверим результат: полезная часть составляет 1,5 МДж, а остальная часть 3,5 МДж; вместе они дают исходные 5 МДж. КПД меньше 100%, поэтому ответ физически возможен.

Ответ: КПД двигателя равен 30%, холодильнику и окружающей среде передано 3,5 МДж энергии. В реальной установке это число включает не только теплоту, отданную холодильнику, но и потери на трение, нагрев деталей и другие процессы. Чем больше КПД, тем меньше топлива требуется для получения такой же полезной работы.

Типичные ошибки

Ошибка 1: считать КПД отношением всей энергии к полезной работе. Так делают, потому что путают результат работы с затратами энергии. Правильная формула: η = Aₚₒₗ/Q₁ · 100%. Проверка простая: КПД обычного двигателя должен быть меньше 100%.

Ошибка 2: утверждать, что двигатель полностью превращает теплоту в работу. Причина ошибки — внимание только к движению поршня или турбины, без учёта охлаждения и трения. Часть энергии обязательно передаётся холодильнику и окружающей среде. Проверьте рассуждение вопросом: куда делась энергия, не указанная среди полезной работы?

Ошибка 3: называть любой двигатель тепловым. Электродвигатель получает энергию от электрического тока, а тепловой двигатель — от нагревателя и расширения рабочего тела. Нельзя определять тип машины только по тому, движется ли она. Нужно выяснить, какой вид энергии является исходным.

Ошибка 4: считать очистку выхлопа полной защитой природы. Фильтры уменьшают количество вредных веществ, но не устраняют расход топлива и выделение лишней теплоты. Поэтому одной очистки недостаточно. Сверяйте решение с несколькими направлениями защиты: экономия энергии, высокий КПД и более чистые источники.

Связь с другими темами

Тема связана с законом сохранения энергии: энергия не исчезает, а переходит из внутренней формы в механическую, тепловую и другие формы. КПД показывает не исчезнувшую энергию, а долю, использованную с нужным результатом. Поэтому баланс энергии помогает находить потери в задаче.

Знания о давлении газа и его расширении объясняют движение поршня и лопаток турбины. При нагревании газ обычно расширяется и может совершать работу, а при охлаждении его объём или давление уменьшаются. Эти свойства лежат в основе работы многих тепловых машин.

С охраной природы связаны темы электрической энергии и альтернативных источников. Солнце, ветер и вода позволяют получать энергию без сжигания топлива в каждом цикле работы. Однако любой источник нужно оценивать по эффективности, безопасности и влиянию на окружающую среду.

Что запомнить

• Тепловой двигатель превращает энергию топлива или другого нагревателя в механическую работу.
• Основные части тепловой машины: нагреватель, рабочее тело и холодильник.
• КПД вычисляют по формуле η = Aₚₒₗ/Q₁ · 100%.
• КПД всегда меньше 100%, потому что часть энергии передаётся холодильнику и расходуется на потери.
• Двигатели применяют в транспорте, промышленности и энергетике.
• Главные последствия их работы — выбросы, расход топлива и тепловое загрязнение.
• Снизить вред помогают высокий КПД, очистка газов, энергосбережение и развитие чистых источников энергии.