1.5.4.Работа тепловых двигателей

С тепловыми двигателями учащихся знакомят впервые в базовой школе, когда рассматривают общий принцип работы тепловых двигателей (совершение полезной работы за счёт внутренней энергии рабочего тела), изучают двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину, а также вводят понятии о КПД тепловых двигателей. Основное внимание уделяют конструкции и принципам работы названных выше двигателей. В курсе физики старших классов рассматривают энергетические процессы, происходящие при работе тепловых двигателей.

При изучении принципов работы тепловых двигателей, прежде всего, вводят понятие необратимости, формируют представление о втором законе термодинамики. Понятие необратимости раскрывают с помощью примеров: рассматривают абсолютно упругий удар, как пример обратимого явления, уточнив, что такой удар является идеализацией. Затем обращаются к таким явлениям, как пластическая деформация, диффузия и другие и вводят понятие необратимости процесса как такого, обратный которому самопроизвольно протекать не может. Далее подводят учащихся к формулировке второго закона термодинамики, говорят о том, что осуществить обратный процесс можно только в том случае, ели он будет являться частью другого процесса, связанного с затратами энергии. Так, можно восстановить форму тела при пластической деформации, но для этого необходимы внешние силы и затраты энергии.

Изучение принципов работы тепловых двигателей можно построить по следующему плану:

- обсуждение вопроса о том, что механическая работа может быть совершена за счёт внутренней энергии; устройство, в котором это происходит, называют тепловым двигателем;

- обсуждение вопроса о том, что для непрерывной работы двигатель необходимо возвращать в первоначальное состояние, т.е. он должен быть циклическим;

- обсуждение вопроса о том, что для получения положительной работы в первоначальное состояние двигатель должен возвращаться при более низкой температуре, следовательно, он должен иметь нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Далее учащимся говорят, что рабочее тело (им может быть пар, газ или специальная смесь) получается некоторое количество теплоты от нагревателя и расширяется. При расширении рабочее тело совершает работу. При сжатии рабочее тело отдаёт количество теплотыхолодильнику. Температуры холодильника и нагревателя поддерживают постоянными, при этом температура нагревателя всегда выше температуры холодильника ().

После этого целесообразно рассмотреть принцип работы идеальной тепловой машины Карно, рабочим телом в которой является идеальный газ. При расширении газа во время его контакта с нагревателем температуру поддерживают постоянной, во время сжатия и контакта с холодильником температура также постоянна, следовательно, расширение и сжатие происходит изотермически (на рис.6 соответственно изотермы 1-2 и 3-4). Но если температура расширения больше температуры сжатия, то необходимо произвести процессы, при которых температура меняется от до, а затем опять отдо. В принципе это осуществимо при изобарном, изохорном или адиабатном процессах. Наиболее целесообразным является условием максимальной работы (на рис.6 графики 2-3 и 4-1 – адиабаты). Полезная работа численно равная площади заштрихованной фигуры.

Важным является вопрос о коэффициенте полезного действия. Как известно КПД – это отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

.

Рис.6

Задача повышения КПД – одна из основных технических задач. Она связана прежде всего с созданием материалов, имеющих достаточную прочность при высоких температурах. В настоящее время температурные границы рабочего тела составляют 303 – 853 K. КПД идеальной машины, работающей по циклу Карно, при таких значениях температур равен 65%. Однако с учётом потерь КПД примерно равен 40%. Необходимо, чтобы школьники поняли принципиальное отличие решения задачи КПД тепловых двигателей от решения этой же задачи применительно к механическим и электрическим двигателям. КПД последних стремятся приблизить к 100%, а КПД тепловых двигателей к КПД идеальной машины Карно, работающей при тех же температурах холодильника и нагревателя. Поэтому повышение КПД тепловых двигателей связано с повышением температуры нагревателя и понижением температуры холодильника.

Полезно привести значения мощностей и КПД некоторых тепловых двигателей. Например, карбюраторный двигатель внутреннего сгорания, установленный на автомобиле «Волга ГАЗ-24» имеет мощность 70кВт, КПД около 25%; мощность паровых турбин, установленных на электростанциях, составляет 500-800 МВт, а КПД 40%.

В заключение изучения рассматриваемой темы обращают внимание учащихся на значение развития теплоэнергетики для народного хозяйства, в частности рассказывают о той экономии, которую даёт страну развитие теплоэлектроцентралей.