"Физика (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Булатова А.А., Корнильев И.Н., Кошкина А.В.; под ред. Орлова В.А.
Тепловой двигатель превращает энергию топлива в механическую работу: приводит в движение автомобиль, корабль, самолёт или турбину электростанции. Главные части такой системы — нагреватель, рабочее тело и холодильник. Рабочее тело получает теплоту, расширяется и перемещает детали двигателя, но всю энергию превратить в работу невозможно. Часть теплоты уходит холодильнику и окружающей среде, а сжигание топлива вызывает выбросы и тепловое загрязнение.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Тепловой двигатель — устройство, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую работу. Примеры таких двигателей — двигатель автомобиля, паровая турбина и реактивный двигатель. Они нужны, чтобы получать движение машин и работу механизмов из энергии топлива.
Рабочее тело — газ или пар, который получает энергию от нагревателя. При расширении он давит на поршень или лопатки турбины и совершает работу. Именно рабочее тело передаёт энергию топлива движущимся деталям.
Коэффициент полезного действия теплового двигателя, или КПД, показывает долю полученной теплоты, превращённую в полезную работу: η = Aпол / Q₁. Здесь Aпол — полезная работа, а Q₁ — теплота от нагревателя. КПД нужен для оценки экономичности двигателя.
Тепловое загрязнение — нагрев воздуха, воды и почвы, возникающий при работе двигателей и электростанций. Слишком тёплая вода меняет условия жизни водных организмов, а нагрев атмосферы усиливает неблагоприятные изменения климата. Поэтому при оценке двигателя учитывают не только его работу, но и влияние на природу.
Сначала нагреватель передаёт теплоту рабочему телу. Газ или пар расширяется, давит на поршень либо вращает лопатки турбины, поэтому детали начинают двигаться и совершается механическая работа. Так энергия топлива становится удобной для транспорта, станков и генераторов.
Для непрерывной работы одного расширения недостаточно: после него рабочее тело занимает другое состояние. Оно должно сжаться или охладиться и снова подготовиться к получению теплоты. Поэтому двигатель работает циклично, а холодильник принимает часть энергии, которую нельзя использовать для полезной работы.
КПД показывает, какая доля теплоты нагревателя пошла именно на полезную работу: η = Aпол / Q₁. Если двигатель получил 1000 Дж и выполнил работу 300 Дж, его КПД равен 0,3, или 30%. Остальные 700 Дж передаются холодильнику и окружающей среде.
Нагреватель, рабочее тело и холодильник связаны законом сохранения энергии. Полученная теплота расходуется на работу и отдачу энергии холодильнику: Q₁ = Aпол + Q₂. Поскольку Q₂ не может исчезнуть, Aпол всегда меньше Q₁, а КПД теплового двигателя меньше 100%.
Сжигание топлива обеспечивает нагрев, но одновременно образует выхлопные газы, углекислый газ и другие вредные вещества. Добыча угля, нефти и газа расходует невозобновляемые ресурсы, а лишняя теплота нагревает окружающую среду. Вред можно уменьшить, если повышать КПД, экономить топливо, очищать выбросы и применять более чистые источники энергии.
| Что сравниваем | Работа двигателя | Воздействие на окружающую среду | Способ уменьшить вред |
|---|---|---|---|
| Источник энергии | Сжигание топлива даёт теплоту для нагревателя. | Расходуются уголь, нефть и газ, запасы которых ограничены. | Экономить топливо и использовать возобновляемые источники энергии. |
| Роль нагревателя | Передаёт теплоту рабочему телу. | При нагреве и сгорании топлива возникают выбросы. | Повышать эффективность сгорания и применять чистое топливо. |
| Роль рабочего тела | Расширяется и совершает механическую работу. | После цикла часть энергии уходит в окружающую среду. | Уменьшать потери и повышать КПД установки. |
| Куда уходит часть теплоты | В холодильник и окружающую среду. | Нагреваются воздух, вода и почва. | Снижать лишние потери и контролировать сброс тёплой воды. |
| Полезное действие | Движение транспорта или вращение генератора. | Для работы требуется расход топлива и энергии. | Использовать экономичные двигатели и не тратить энергию напрасно. |
| Основные последствия для природы | Получение механической и электрической энергии. | Вредные выбросы, углекислый газ и тепловое загрязнение. | Очищать выбросы, повышать КПД и переходить к чистым источникам. |
Сначала по строке можно проследить, что происходит с энергией внутри двигателя. Затем в соседних столбцах видно, какие последствия возникают для природы и какое решение их уменьшает.
Таблица помогает связать технический процесс с экологическими последствиями. Чем меньше потери энергии и расход топлива, тем ниже вред при одинаковой полезной работе.
Двигатель получил от нагревателя 500 кДж теплоты и совершил полезную работу 100 кДж. Требуется найти КПД. Используем отношение полезной работы к полученной теплоте.
Ответ: КПД двигателя равен 20%. Это означает, что на полезную работу пошла пятая часть полученной теплоты.
КПД двигателя равен 25%, а от нагревателя он получил 800 кДж теплоты. Найдём полезную работу и теплоту, отданную холодильнику. Сначала определим работу, а затем применим закон сохранения энергии.
Ответ: полезная работа равна 200 кДж, а холодильнику передано 600 кДж. Сумма 200 кДж и 600 кДж совпадает с полученной теплотой 800 кДж.
Первый двигатель получил 1200 кДж и имеет КПД 20%, второй получил 800 кДж, а полезные работы одинаковы. Нужно найти КПД второго двигателя и сравнить затраты теплоты. Одинаковая полезная работа позволяет сначала вычислить её по данным первого двигателя.
Ответ: КПД второго двигателя равен 30%. Для одинаковой полезной работы он расходует на 400 кДж теплоты меньше, поэтому экономичнее первого.
Вся теплота превращается в работу. Так считают, забывая о холодильнике и потерях энергии. Проверьте себя по равенству Q₁ = Aпол + Q₂: если Q₂ не учтено, решение неполное.
Путают работу и полученную теплоту. В формуле КПД это разные величины: работа стоит в числителе, теплота нагревателя — в знаменателе. Проверьте единицы и подпишите каждую величину перед подстановкой.
Получают КПД больше 100%. Такая ошибка обычно появляется при перестановке числителя и знаменателя или при неверном переводе процентов. Полезная работа не может быть больше полученной теплоты, поэтому η не превышает 1, или 100%.
Учитывают только выхлопные газы. Воздействие включает также расход топлива, выброс углекислого газа и нагрев воздуха или воды. Проверьте ответ вопросом: рассмотрены ли все основные последствия работы двигателя?
Для понимания темы нужны знания о внутренней энергии, количестве теплоты и теплопередаче. Закон сохранения энергии объясняет, почему теплота распределяется между работой и холодильником.
Тепловые двигатели связаны с изучением электростанций и способов получения энергии. Экологические последствия их работы помогают понять, зачем развивать энергосбережение, очистку выбросов и альтернативные источники энергии.
Почему тепловой двигатель не может превратить всю полученную теплоту в работу?
Рабочее тело должно после расширения вернуться в исходное состояние, поэтому оно отдаёт часть энергии холодильнику. Кроме того, часть энергии рассеивается в окружающей среде.
Зачем двигателю нужен холодильник?
Холодильник принимает теплоту, которую рабочее тело не смогло превратить в работу. Благодаря этому рабочее тело возвращается в исходное состояние и цикл работы может повторяться.
Как вычислить КПД теплового двигателя?
Нужно разделить полезную работу двигателя Aпол на теплоту Q₁, полученную от нагревателя: η = Aпол / Q₁. Чтобы получить процент, результат умножают на 100%.
Почему работа двигателя влияет на окружающую среду?
При сжигании топлива образуются выхлопные газы, углекислый газ и другие вредные вещества. Двигатели также нагревают воздух и воду, а добыча топлива истощает невозобновляемые ресурсы.
Какими способами можно уменьшить вред от тепловых двигателей?
Помогают повышение КПД, экономный расход топлива и очистка выхлопных газов. Вред также уменьшается при использовании более чистых и возобновляемых источников энергии.
5. Тепловые двигатели и защита окружающей среды
