§ 36. Паровая турбина. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Определения и обозначения

Тепловой двигатель — устройство, в котором часть внутренней энергии топлива или нагретого тела превращается в механическую работу. Внутренняя энергия связана с движением и взаимодействием частиц вещества, а работа позволяет передать энергию другим телам. Такое устройство нужно, чтобы использовать энергию топлива для движения механизмов или выработки электричества.

Паровая турбина — тепловой двигатель, в котором струя водяного пара вращает рабочее колесо с лопатками. Пар воздействует на лопатки, а колесо передаёт вращение ротору — вращающейся части механизма. Это определение помогает отличить саму турбину от пара, который лишь приводит её в движение.

Коэффициент полезного действия теплового двигателя — отношение полезной работы двигателя к количеству теплоты, полученному от нагревателя. Обозначим работу буквой A, а полученную теплоту — Qн: КПД η = A / Qн · 100%. КПД показывает, какая доля переданной теплоты пошла на полезную работу, и позволяет сравнивать эффективность двигателей.

Тепловое загрязнение окружающей среды — нагрев воздуха и водоёмов из-за отвода избыточной теплоты при работе тепловых двигателей. Например, электростанция может сбрасывать нагретую воду после охлаждения оборудования. Понятие нужно, чтобы учитывать не только дым и вредные вещества, но и изменение температуры природной среды.

Как это устроено

Сначала воду нагревают в котле и получают пар. Теплота передаётся воде от топлива или другого источника, поэтому частицы начинают двигаться интенсивнее и вода превращается в пар. При расширении пар движется к турбине и передаёт ей энергию: без нагрева и движения пара вращение не возникло бы.

Внутри турбины пар направляют на лопатки рабочего колеса. Поток меняет направление и скорость при взаимодействии с лопатками, поэтому оказывает на них силу и поворачивает колесо. Лопатки закреплены на роторе, так что энергия движения пара превращается во вращение механизма.

Вращение ротора можно передать генератору, который производит электрический ток. Ротор генератора движется в магнитном поле, и в его обмотках возникает электрический ток. Поэтому турбина сама по себе не создаёт электричество: она обеспечивает механическое вращение, необходимое генератору.

Работа любого теплового двигателя связана с передачей теплоты между нагревателем и холодильником. Нагреватель сообщает энергию рабочему телу — веществу, которое расширяется или движется и совершает работу. После этого рабочее тело не может отдать всю полученную теплоту на работу: оставшуюся часть оно передаёт холодильнику, например окружающему воздуху или воде.

КПД меньше 100%, потому что теплота не превращается в работу целиком. Часть энергии обязательно отводится холодильнику, а часть рассеивается из-за трения и других процессов. Чем больше полезная работа при одинаковом количестве полученной теплоты, тем выше КПД; уменьшение потерь помогает использовать топливо эффективнее.

Тепловой двигатель: устройство, превращение энергии и воздействие на окружающую среду

Читайте таблицу слева направо: сначала найдите часть двигателя, затем проследите её роль и изменение энергии. Последний столбец показывает, какие воздействия могут сопровождать работу установки. Так можно увидеть, почему важны и высокий КПД, и очистка выбросов.

Разбор задач

Задача 1

Двигатель получил от нагревателя 800 Дж теплоты и совершил полезную работу 200 Дж. Найдите его КПД. Нужно сравнить полезную работу с энергией, переданной нагревателем; обе величины уже выражены в джоулях. По определению КПД — это их отношение, умноженное на 100%.

1. Запишем формулу: η = A / Qн · 100%. Здесь A = 200 Дж, Qн = 800 Дж, поэтому единицы при делении сокращаются.
2. Подставим значения: η = 200 / 800 · 100% = 0,25 · 100% = 25%. Проверка здравого смысла: работа меньше полученной теплоты, значит КПД должен быть меньше 100%.

Ответ: КПД двигателя равен 25%.

Задача 2

Паровая турбина получила 12 МДж теплоты и совершила полезную работу 3 МДж. Какое количество теплоты было отведено холодильнику, если другими потерями пренебречь? По условию вся полученная энергия делится только на полезную работу и теплоту, переданную холодильнику. Поэтому нужно вычесть работу из теплоты, полученной от нагревателя.

1. Запишем баланс энергии: Qн = A + Qх. Отсюда Qх = Qн − A, где Qх — искомая теплота, отведённая холодильнику.
2. Подставим данные: Qх = 12 МДж − 3 МДж = 9 МДж. Единицы одинаковы, поэтому переводить их не нужно.

Ответ: холодильнику отведено 9 МДж теплоты.

Задача 3

Тепловой двигатель работает с КПД 25% и за цикл получает от нагревателя 2 МДж теплоты. Определите полезную работу и количество теплоты, отведённое холодильнику. Здесь известны эффективность и полученная теплота, поэтому сначала найдём работу. Затем оставшуюся энергию определим по балансу, предполагая, что других потерь нет.

1. Переведём КПД в долю: 25% = 0,25. Из формулы η = A / Qн получаем A = ηQн, значит A = 0,25 · 2 МДж = 0,5 МДж.
2. Используем баланс Qн = A + Qх. Тогда Qх = Qн − A = 2 МДж − 0,5 МДж = 1,5 МДж.

Ответ: полезная работа равна 0,5 МДж, холодильнику отведено 1,5 МДж теплоты.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что вся теплота нагревателя превращается в работу. Так думают, если забывают о холодильнике и потерях энергии. Проверьте себя балансом: при отсутствии других потерь Qн = A + Qх, поэтому Qх не может быть отрицательной величиной.

Иногда полезную работу путают с количеством теплоты, полученным от нагревателя. Эти величины связаны, но не равны: работа составляет только часть полученной теплоты. Чтобы проверить расчёт, запишите формулу η = A / Qн · 100% и убедитесь, что в числителе стоит работа, а в знаменателе — теплота от нагревателя.

Неверно называть сам пар турбиной. Пар — рабочее тело, а турбина — устройство с колесом и лопатками, на которые действует поток пара. Проверка простая: спросите себя, что именно вращается; вращается колесо турбины, а не струя пара как устройство.

Экологический вред иногда связывают только с дымом. При этом забывают, что двигатели расходуют кислород и могут нагревать воздух и водоёмы сбросом избыточной теплоты. Проверяя ответ, учитывайте оба вида воздействия: химическое загрязнение и тепловое загрязнение.

Связь с другими темами

Для понимания работы двигателя нужны закон сохранения энергии и различие между внутренней энергией, теплотой и работой. Эти понятия объясняют, куда переходит энергия и почему часть её покидает двигатель с отводимой теплотой. Формула КПД пригодится при изучении других двигателей и оценке эффективности бытовых приборов и энергетических установок.

Превращение энергии связывает физику с производством электричества, а тепловое загрязнение — с охраной природы. Зная, как работают двигатели и откуда берутся потери, можно обсуждать способы уменьшить расход топлива и вредные выбросы. Это помогает оценивать не только пользу энергетических установок, но и последствия их работы.

Что запомнить

• Паровая турбина вращается под действием потока пара на лопатки.
• Тепловой двигатель превращает часть полученной теплоты в механическую работу.
• В тепловом двигателе есть нагреватель, рабочее тело и холодильник.
• КПД равен отношению полезной работы к теплоте, полученной от нагревателя.
• КПД теплового двигателя меньше 100%.
• Работа тепловых двигателей может загрязнять окружающую среду химически и тепловым воздействием.