Внутрішньою
енергією володіють всі тіла — земля, цеглини, хмари й так далі. Однак
найчастіше вилучити її важко, а часом й
неможливо. Найбільш легко на потреби
людини може бути використана внутрішня енергія лише деяких, образно кажучи,
«горючих» й «гарячих» тіл. До них належать: нафта, вугілля, теплі джерела
поблизу вулканів і так далі. Розвиток техніки залежить від уміння
використовувати величезні запаси внутрішньої енергії, що міститься в паливі.
Використати внутрішню енергію — значить виконати за рахунок її корисну роботу,
тобто внутрішню енергію необхідно перетворити в механічну. З тих пір як людство
пізнало природу теплової енергії, учені почали пошук способу перетворення
теплової енергії в механічну.
Над винаходом теплових машин в XVII–XVIII
століттях працювали англійці Томас Севері, Джеймс Уатт, Томас Ньюкомен, француз
Дені Папен, росіянин Іван Ползунов і багато інших учених. Принцип роботи всіх
теплових двигунів дуже простий: всі вони перетворюють внутрішню енергію палива
в механічну енергію.
Але як перетворити внутрішню
енергію в механічну? Зміцнимо невелику колбу з вигнутою трубкою над спиртівкою,
а пару, що виходить із трубки, спрямуємо на колесо з лопатями. Ударяючи в
лопаті колеса, струмінь пари приводить колесо в рух. При цьому внутрішня енергія
палива частково перетворюється в механічну енергію колеса. У нашому досліді ми
побудували найпростішу модель теплового двигуна.
Тепловими
двигунами називають машини,
у яких внутрішня енергія палива частково перетворюється в механічну енергію.
Розширення робочого тіла — найважливіший процес у роботі будь-якого теплового
двигуна. За допомогою демонстрацій потрібно показати учням, що газ, який має
надлишковий тиск порівняно з навколишнім середовищем, може виконати роботу
розширення за рахунок зміни своєї внутрішньої енергії. Звичайно в тепловому
двигуні роботу виконує сила тиску нагрітого газу (пари) при розширенні. Цей газ
(або пару) називають робочим тілом теплового двигуна. Нагрівають пару за
рахунок згоряння палива. Таким чином, у тепловому двигуні відбуваються такі
перетворення енергії: 1) при згорянні палива його внутрішня енергія
перетворюється у внутрішню енергію нагрітої пари; 2) розширюючись, пара виконує
роботу, при цьому внутрішня енергія пари частково переходить у механічну
енергію.
Коефіцієнт
корисної дії
У
1824 році С. Карно встановив, що теплова машина повинна складатися з
нагрівника, робочого тіла, що, власне, виконує
роботу й холодильника
(охолоджувача).
Така машина буде виконувати роботу, якщо
температура охолоджувача нижче температури нагрівника. За законом збереження
енергії ця робота дорівнюватиме . A=Q1- Q2. Ефективність
теплового двигуна тим вище, чим більше робота A, виконана двигуном, за тієї ж
кількості теплоти Q1, що виділилася при згорянні палива.
Коефіцієнтом корисної дії η теплового двигуна називають виражене у відсотках
відношення роботи A, виконаної двигуном, до кількості теплоти Q1, що
виділилася при згорянні палива: η=
100%.
Коефіцієнт
корисної дії будь-якого теплового двигуна менше 100 %. Це означає, що на
механічну енергію можна перетворити тільки частину енергії, яка виділилася при
згорянні палива. Із часів появи перших теплових двигунів учені й інженери
прагнули максимально збільшити їх ККД. І вони досягли значних успіхів: якщо ККД
перших парових машин становив усього лише близько 1 %, а ККД паровозів —
близько 5 %, то ККД сучасних двигунів внутрішнього згоряння досягає 35–40 %.
Такий же приблизно ККД сучасних парових турбін на теплових електростанціях.
Екологічні
проблеми використання теплових двигунів
Всі
теплові втрати в різних теплових двигунах призводять до підвищення внутрішньої
енергії оточуючих тіл і, врешті-решт,
атмосфери. Топки теплових електростанцій,
двигуни внутрішнього згоряння автомобілів, літаків й інших машин викидають в
атмосферу шкідливі для людини речовини, наприклад сірчисті сполуки, оксиди
азоту, вуглеводні, чадний газ, хлор і т. ін. Ці речовини потрапляють в
атмосферу, а з неї — у різні частини ландшафту. Оксиди сірки й азоту
поєднуються з атмосферною вологою, утворюючи сульфатну й нітратну кислоти.
Забруднення повітря й водойм, загибель хвойних лісів і багато інших свідчень
катастрофічного становища природи відзначено в ряді регіонів України.
Застосування парових турбін на електростанціях вимагає багато води й великих
площ, які відводяться під ставки для охолодження відпрацьованої пари. Зі
збільшенням потужності електростанцій потреба у воді й нових площах різко
зростає. Величезна кількість продуктів згоряння палива, зокрема, вуглекислий
газ, зумовлюють виникнення так званого «парникового ефекту».
Посилення
парникового ефекту, обумовлене викидами величезних кількостей вуглекислого
газу, може призвести до глобального потепління, що загрожує катастрофічними
наслідками.
Захист
навколишнього середовища
Людство
не може відмовитися від використання машин у своїй діяльності. Тому боротьба зі
шкідливими наслідками роботи теплових двигунів ведеться за декількома
напрямками. Перший напрямок:
удосконалення теплових двигунів, підвищення їх ККД
дозволяє одержувати ту саму механічну енергію при спалюванні меншої кількості
палива. Другий напрямок: використання енергозберігаючих технологій — при цьому
споживання енергії на виробництво тієї самої продукції (наприклад, одного
автомобіля) значно зменшується. Третій напрямок: пошук і використання джерел
енергії, у яких не спалюють паливо. Це, наприклад, атомні електростанції,
проектовані термоядерні електростанції, використання енергії Сонця, вітру,
морських припливів тощо. Необхідність значно знизити викид забруднюючих речовин
призвела до використання нових видів палива, зокрема до будівництва атомних
електростанцій (АЕС). Але на атомних електростанціях виникають інші проблеми:
поховання небезпечних радіоактивних відходів, а також проблема безпеки.
Немає коментарів:
Дописати коментар