"Введение в естественно-научные предметы", Гуревич А.Е., Исаев Д.А., Понтак Л.С.
Тепловой двигатель превращает часть энергии топлива или нагретого тела в механическую работу — например, помогает двигать автомобиль или вращать турбину. Нагреватель передаёт энергию газу или пару, который называют рабочим телом. Расширяясь, оно толкает поршень или вращает лопатки. Всю полученную энергию двигатель превратить в работу не может: часть уходит к холодильнику и в окружающую среду. Чтобы двигатель работал непрерывно, процесс повторяется циклически.
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 нагретого тела в механическую работу. Внутренняя энергия связана с нагреванием тела, а механическая работа проявляется в движении. Например, двигатель может двигать автомобиль или вращать механизм. Это название объединяет устройства, в которых нагрев помогает получить движение.
Нагреватель — часть теплового двигателя, от которой рабочее тело получает энергию. Им может быть место, где сгорает топливо, или другой источник тепла. Энергия переходит от нагревателя к газу или пару. Поэтому нагреватель запускает процесс, но сам не является рабочим телом.
Рабочее тело — газ или пар, который получает энергию от нагревателя, расширяется и совершает работу. Расширение означает, что газ занимает больше места и может давить на окружающие детали. Так энергия нагревания становится движением. Рабочее тело нужно, чтобы передать энергию поршню или лопаткам турбины.
Холодильник — часть теплового двигателя, которой рабочее тело отдаёт часть полученной энергии. Здесь речь не обязательно идёт о бытовом холодильнике: так называют часть системы, принимающую тепло. После охлаждения рабочее тело может вернуться к исходному состоянию. Это необходимо для повторения рабочего цикла.
Сначала топливо сгорает или рабочее тело нагревается другим способом. Нагреватель передаёт ему энергию, потому что нагретое тело может передавать тепло более холодному. Получив энергию, газ или пар становится горячее и начинает расширяться. Именно нагрев подготавливает рабочее тело к совершению работы.
Расширяющийся газ давит на поверхности, которые его ограничивают. Если такой поверхностью служит подвижный поршень, давление заставляет его двигаться; в турбине поток направляют на лопатки. Давление — это действие силы на поверхность, а работа совершается, когда под действием силы происходит перемещение. Поэтому часть энергии рабочего тела превращается в механическое движение.
Рабочее тело не может передать движению всю полученную энергию. Часть энергии переходит к холодильнику, а часть рассеивается в окружающей среде, например нагревает детали и воздух. Поэтому двигатель получает от нагревателя больше энергии, чем превращает в полезную работу. Отданная энергия не исчезает, а переходит к другим телам.
В поршневом двигателе движущийся поршень соединён с шатуном — деталью, которая передаёт движение дальше. Через шатун и другие части движение может достигать колёс или другого механизма. В турбине расширяющийся поток направляют на лопатки, поэтому они вращаются. В обоих случаях движение возникает благодаря энергии рабочего тела, но передаётся разными способами.
Для непрерывной работы двигатель действует циклически: этапы повторяются в определённом порядке. Рабочее тело нагревается и расширяется, затем совершает работу и отдаёт часть энергии. После охлаждения оно возвращается в исходное состояние, чтобы цикл начался снова. Если тело только нагреть, но не обеспечить его охлаждение и возвращение, последовательность не сможет повторяться бесконечно.
| Часть или объект | Что происходит | Роль в работе двигателя |
|---|---|---|
| Нагреватель | Передаёт энергию рабочему телу. | Нагревает газ или пар и подготавливает его к расширению. |
| Рабочее тело | Получает энергию, расширяется, затем отдаёт часть энергии. | Передаёт энергию движущимся деталям. |
| Холодильник | Принимает часть энергии от рабочего тела. | Обеспечивает охлаждение перед повторением цикла. |
| Поршень или турбина | Поршень перемещается, а лопатки турбины вращаются. | Получает движение от рабочего тела и передаёт его дальше. |
| Окружающая среда | Принимает часть энергии, рассеянной двигателем. | Участвует в передаче энергии, хотя не является деталью двигателя. |
Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите объект, о котором говорится в условии или описании двигателя. Затем проследите, что с ним происходит и какую роль это играет в передаче энергии. Не путайте нагреватель, который отдаёт энергию, с рабочим телом, которое её получает.
Задача 1. В двигателе рабочее тело получило от нагревателя 800 Дж энергии и отдало холодильнику 500 Дж. Сколько энергии превратилось в работу? Нужно найти не всю полученную энергию, а ту часть, которая осталась после передачи энергии холодильнику.
Ответ: в работу превратилось 300 Дж. Проверка проста: 300 Дж работы вместе с 500 Дж, отданными холодильнику, составляют все 800 Дж, полученные рабочим телом.
Задача 2. Определите, какие части простого поршневого двигателя выполняют роль нагревателя, рабочего тела и холодильника. Ищите их не только по названию, но и по тому, как они участвуют в передаче энергии. В разных двигателях устройство может отличаться, поэтому важнее всего функция части.
Ответ: нагреватель передаёт энергию, рабочее тело расширяется и двигает поршень, а холодильник принимает часть энергии. Чтобы проверить себя, спросите о каждой части: «Отдаёт тепло, получает его и расширяется или принимает его?»
Задача 3. Первый двигатель получает 1000 Дж и совершает 250 Дж работы, второй получает 800 Дж и совершает 240 Дж. У какого двигателя больше доля энергии, превращённая в работу? Сравнить только значения работы нельзя: двигатели получили разное количество энергии. Поэтому найдём долю работы от полученной энергии для каждого двигателя.
Ответ: большая доля энергии превратилась в работу у второго двигателя. Хотя его работа меньше в джоулях, по отношению к полученной энергии он использовал большую долю.
Ошибка — считать, что двигатель превращает в работу всю энергию топлива. Так думают, потому что представляют топливо единственным участником процесса и не замечают передачу энергии другим телам. На деле часть энергии получает холодильник, а часть уходит в окружающую среду. Проверьте себя: сумма работы и отданной энергии должна учитывать полученную энергию, а работа не должна быть больше её.
Ошибка — путать нагреватель и рабочее тело. Оба связаны с нагреванием, поэтому их роли легко поменять местами. Но нагреватель передаёт энергию, а рабочее тело получает её и расширяется. Чтобы проверить ответ, проследите направление передачи энергии: сначала от нагревателя к рабочему телу.
Ошибка — думать, что рабочее тело само создаёт энергию. Поскольку именно газ или пар двигает поршень, может показаться, что он является источником всей энергии. На самом деле рабочее тело получает энергию от нагревателя и передаёт её дальше, в том числе деталям двигателя. Проверьте себя вопросом: откуда рабочее тело получило энергию перед расширением?
Ошибка — считать, что для непрерывной работы достаточно только нагревания. При нагревании газ расширяется, поэтому кажется, что двигатель может снова и снова двигаться тем же способом. Но рабочее тело должно также охладиться и вернуться к исходному состоянию, иначе цикл не повторится. Проверьте себя: перечислите полный цикл, включая охлаждение.
Чтобы понять работу теплового двигателя, пригодится знание о внутренней энергии: при нагревании она меняется, а при взаимодействии тела могут передавать друг другу энергию. Это помогает объяснить, почему рабочее тело получает энергию от нагревателя. Наблюдая за передачей энергии, можно проследить весь путь от топлива до движения.
Понятия силы и давления объясняют, почему расширяющийся газ двигает поршень или вращает лопатки. Если сила вызывает перемещение, совершается механическая работа. Эти знания связывают нагревание с заметным движением деталей двигателя.
Тема пригодится при изучении автомобильных двигателей и электростанций, где турбины помогают получать движение. Она также показывает, что энергия не исчезает, а передаётся и превращается: часть становится работой, часть уходит к другим телам. Так можно применять знания о превращении и сохранении энергии к технике вокруг нас.
Что называют тепловым двигателем?
Это устройство, которое превращает часть внутренней энергии топлива или нагретого тела в механическую работу. Например, такая работа может приводить в движение колёса или вращать турбину.
Какую роль в двигателе выполняет рабочее тело?
Рабочее тело — газ или пар, который получает энергию от нагревателя. Нагревшись, оно расширяется и совершает работу: например, давит на поршень.
Почему тепловой двигатель не может превратить всю полученную энергию в работу?
Часть энергии рабочее тело отдаёт холодильнику и окружающей среде. Поэтому на механическую работу превращается только часть полученной энергии.
Зачем двигателю нужен холодильник?
Холодильник принимает часть энергии, которую рабочее тело не превратило в работу. Охлаждение помогает рабочему телу вернуться к исходному состоянию, чтобы цикл мог повториться.
Чем поршневой двигатель отличается от турбины по способу передачи движения?
В поршневом двигателе газ или пар двигает поршень, а его движение через шатун и другие детали передаётся механизму. В турбине поток газа или пара напрямую вращает лопатки.
Тепловые двигатели
