Физика_10 класс_Основы термодинамики_Теоретический материал

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию.

Первый универсальный тепловой двигатель (паровую машину) создал в 1774 году выдающийся английский изобретатель Джеймс Уатт. Этому, правда, предшествовало изобретение пароатмосферной машины русским механиком И.И. Ползуновым, однако его машина после нескольких месяцев работы была остановлена, а потом и вообще разобрана, в результате чего дело Ползунова на десятки лет было предано забвению. Машина же Уатта получила широкое распространение и сыграла огромную роль в переходе к машинному производству. Позже, желая увековечить имя английского изобретателя, было решено назвать единицу мощности – ваттом.

Изобретение паровой машины способствовало созданию паровозов, пароходов и первых (паровых) автомобилей. Первые паровозы были созданы в Англии Р. Тревитиком (1803г.) и Дж. Стефенсоном (1814г.). Изобретателем парохода считается американец Р. Фултон. Свои первые испытания он проводил на реке Сене в Париже. Однако, когда он в 1804г. обратился к Наполеону Бонапарту с предложением перевести французские корабли на использование паровой тяги, то, как оно ни странно, получил отказ. А ведь какие возможности в борьбе с английским флотом открывало предложение Фултона, если бы Наполеон принял его предложение! Однако этот шанс французским императором был упущен. Через некоторое время Фултон вернулся на родину, и в 1807 г. по реке Гудзон отправился в свой первый рейс пароход «Клермонт».

Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

КПД замкнутого цикла

Q₁ – количество теплоты полученное от нагревания Q₁>Q₂

Q₂ – количество теплоты отданное холодильнику Q ₂<Q ₁

A^{/ =} Q ₁– |Q ₂| – работа совершаемая двигателем за цикл.

Цикл C. Карно

T₁ – температура нагревания.

Т₂ – температура холодильника.

1.                   – не зависит от Q, р, V топлива.

2.                   – является функцией только двух температур.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

Работа четырехтактного ДВС.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.
• Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.
• Мертвые точки – крайнее положение поршня.
КПД:

·                     Паровой двигатель – 8%

·                     Паровая турбина – 40%

·                     Газовая турбина – 25-30%

·                     Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%

·                     Дизельный двигатель – 40– 44%

·                     Реактивный двигатель – 25%

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом.

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

·                     1. Электрические

·                     2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра

Пути решения экологических проблем:

1.                  Использование альтернативного топлива.

2.                  Использование альтернативных двигателей.

3.                  Оздоровление окружающей среды.

4.                  Воспитание экологической культуры.

5.