ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ (8-й класс) .

 

 

§ 5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНО — КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ И ИХ ОПЫТНОЕ ОБОСНОВАНИЕ.

 

§5.1  ТЕПЛОВЫЕ ЯВЛЕНИЯ.

 

 

 

 

 

     §1.  ТЕПЛОВОЕ  ДВИЖЕНИЕ.  ТЕМПЕРАТУРА.

             В окружающем нас мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел.  Мы знаем, что при нагревании холодная вода становится теплой, а затем горячей.    Такими словами, как «холодный», «теплый»  и «горячий» мы указываем на различную степень нагретости тел, или, как говорят в физике, на различную температуру тел.   Температура горячей воды выше, чем холодной.  Температура воды летом выше, чем зимой.

                          Температура — физическая величина, характеризующая тепловое состояние тел.

                    В окружающем нас мире происходят различные явления, связанные с нагреванием и охлаждением тел. Их называют тепловыми явлениями. Так, при нагревании холодная вода сначала становится теплой, а затем горячей; вынутая из пламени металлическая деталь постепенно охлаждается и т. д. Степень нагретости тела, или его тепловое состояние, мы обозначаем словами «теплый», «холодный», «горячий», Для количественной оценки этого состояния и служит температура.

Температуру  тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах Цельсия  (º С). 

Вам уже известно что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее, это означает. что скорость движения молекул и температура  связаны между собой.   Это означает, что скорость движения молекул зависит от температуры.   При повышении скорость молекул увеличивается, при понижении — уменьшается.

       Следовательно,  температура тела зависит от скорости движения молекул.

Т.е. температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения  молекул.

       Теплая вода состоит из таких же молекул, что и холодная.  Разница между ними состоит лишь в скорости движения молекул.
       Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры,  называются тепловыми.  К таким явлениям относятся, например,  нагревание и охлаждение воздуха, воды, таяние льда, плавление металлов и др.

 

Кинетическая энергия всех молекул, из  которых состоит тело, и потенциальная энергия их взаимодействия, составляют внутреннюю энергию тела.

 

КОЛИЧЕСТВО  ТЕПЛОТЫ (По Кабардину). (Кратко 10-й класс)

         Теплообмен.  Процесс передачи энергии от одного тела к другому без совершения работы называется теплообменом, или теплопередачей.
         Теплообмен происходит между телами, имеющими разную температуру. При установлении контакта между телами с различной температурой в результате взаимодействия атомов или молекул на границе соприкосновении тел происходит передача части внутренней энергии от  тела с более высокой температурой к телу у которого температура ниже.
          Энергия, переданная телу в результате теплообмена (теплопередачи), называется количеством теплоты.

Удельная теплоемкость. Если процесс теплопередачи не сопровождается работой (А=0), то на основании первого закона термодинамики, количество теплоты равно изменению внутренней энергии тела ΔU:

Q=ΔU. (1)

Средняя энергия беспорядочного движения молекул пропорциональна абсолютной температуре (В градусах Кельвина). Изменение внутренней энергии тела равно алгебраической сумме изменений энергии всех атомов или молекул.  Число атомов или молекул пропорционально массе тела, поэтому изменение внутренней энергии ΔU тела и , следовательно, количество теплоты  пропорционально его массе m и изменению температуры  ΔТ:

Q=ΔU=cmΔT.    (2)

Q=cm(t2-t1)

Коэффициент пропорциональности (с)  в уравнении (2), называется удельной теплоёмкостью вещества.

Единица удельной теплоемкости  —

Удельная теплоёмкость показывает, какое количество теплоты необходимо необходимо дл нагревания 1 кг вещества на 1 °К.

(Измеряется количество теплоты в джоулях (1 Дж), как и всякий вид энергии. Однако, величину эту ввели не так давно, а измерять количество теплоты люди начали намного раньше. И пользовались они единицей, которая широко используется и в наше время – калория (1 кал). 1 калория – это такое количество теплоты, которое потребуется для нагреванияь 1 грамма воды на 1 градус Цельсия).

 

Удельная теплоемкость вещества не является его однозначной характеристикой.  В зависимости от условий при которых осуществляется теплопередача, а именно, от значения работы А, сопровождающей этот процесс, одинаковое количество теплоты, переданное телу, может вызвать различные изменения его внутренней энергии и, следовательно, температуры.  В таблицах обычно приводятся данные σ удельной теплоёмкости при условии постоянного объёма тела, т.е. при условии равенства нулю работы внешних сил.

 

Уравнения теплового баланса.

                  При осуществлении процесса теплообмена между двумя телами, в условиях равенства нулю работы внешних сил и  в тепловой изоляции от других тел согласно закону сохранения энергии алгебраическая сумма изменений внутренней энергии тел равна нулю:

Если изменения внутренней энергии тел происходят только в результате теплообмена, то на основании первого закона термодинамики можно записать:

   И  .

Отсюда:

  или

.  (3)

Уравнение 3 называется уравнением теплового баланса.


 

 

 

Итак, кроме механической энергии существует еще один вид энергии. Это внутренняя энергия тела.

Внутренняя энергия зависит от температуры тела, агрегатного состояния вещества, и других факторов.  (Более подробно будет изучено в 10-м классе).

 

Вопросы:

1.Какие превращения энергии происходят при подъёме шара и его падении?

2. Как изменяется состояние свинцового шара и свинцовой плиты в результате их соударения?

3.Какую энергию называют внутренней энергией тела?

4.Зависит ли внутренняя энергия тела от его движения?

 

             Физическая величина, численно равная количеству теплоты, которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1 ºС, называется  удельной теплоёмкостью вещества.

 

 

          Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяются при полном сгорании   топлива массой 1  кг, называется удельной теплотой сгорания топлива.

                    Удельная теплота сгорания  обозначается буквой q.

                    Единицей удельной теплоты сгорания является 1 ДЖ/кг

 

           Общее количество теплоты Q, выделяемое при сгорании m кг топлива, вычисляется по формуле:

Q=qm.

 

§ 11.  стр. 32.  Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. 

             Полная механическая энергия, т.е. сумма потенциальной м кинетической энергии тела, остается постоянной,  если действуют только силы упругости и тяготения  и отсутствуют силы трения.

          В  этом и заключается закон сохранения механической энергии.

          Механическая и внутренняя  энергия могут переходить от одного вида к другому.

Изучение превращения энергии из одного вида в другую, привело к открытию одного из основных законов природы.

           Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает.  Она превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.

 

§12. АГРЕГАТНЫЕ СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА.

(§12. стр.36. Пёрышкин.)

 

 

 

 

ПЛАВЛЕНИЕ И  ОТВЕРДЕВАНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ТЕЛ 

(Перышкин, 8 класс, § 13,стр.  38)

         Передавая  телу энергию, можно перевести его из твердого состояния в жидкое, (например, расплавить лед), а из жидкого в газообразное  (превратить воду в пар). Если газ отдает энергию, то может превратиться в жидкость, а жидкость, отдавая энергию, может превратиться в твердое тело.

 

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением.

 

Чтобы расплавить тело, нужно сначала нагреть его до определенной температуры.

 

               Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления.

 

 

            Переход вещества из жидкого состояния в твердое называют отвердеванием или кристаллизацией.

              Чтобы началась кристаллизация расплавленного тела, нужно, чтобы оно остыло до определенной температуры.

           Температура, при которой вещество  отвердевает (кристаллизуется), называют температурой отвердевания или кристаллизации.

            Опыт показывает, что вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся.  Например, вода кристаллизуется (а лед плавится) при 0º С, чистое железо плавится и кристаллизуется при температуре  1539 ºС.

 

 

См. у  Перышкина, стр. 40, 41.https://yadi.sk/i/8pZ5AferymR-xQ

 

АМОРФНЫЕ ТЕЛА.  Плавление аморфных тел.

          В отличие от кристаллических тел, в аморфных телах атомы и молекулы расположены беспорядочно, как в жидкости.

 

              Кристаллические и твердые тела, как было сказано выше, плавятся и отвердевают при одной и той же, строго определенной для каждого вещества, температуре.  Иначе себя ведут аморфные тела, например, смола. воск, стекло.  При нагревании они постепенно размягчаются, разжижаются и, наконец, превращаются в жидкость.   Температура при этом изменяется непрерывно.   При отвердевании аморфных тел температура их также понижается непрерывно.

 

 

§15. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПЛАВЛЕНИЯ.

См. у  Перышкина, стр. 43-46.

https://yadi.sk/i/8pZ5AferymR-xQ

               Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре  плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления.

 

                Удельную теплоту плавления обозначают λ  (греческая буква «лямбда»).

Её единица — 1 Дж/кг.

 

Определяют удельную теплоту плавления на опыте.  Так, было установлено, что удельная теплота плавления льда равна     Дж/кг.  Это означает, что для превращения куска льда  массой 1 кг, взятого при 0 ºС  воду такой же температуры требуется затратить

  Дж энергии.

 

А чтобы расплавить брусок из свинца массой 1 кг, взятого при температуре плавления свинца, потребуется затратить Дж энергии.

 

             Следовательно,  при температуре температуре плавления внутренняя энергия вещества в жидком состоянии больше внутренней энергии такой же массы вещества в твердом состоянии.

                  Чтобы вычислить количество теплоты Qнеобходимое для плавления кристаллического тела массой m, взятого при его температуре плавления и нормальном атмосферном давлении, нужно удельную температуру плавления умножить на массу тела m

Q=λm

                  Из этой формулы можно определить, что

 

               Опыт показывает, что при отвердевании кристаллического вещества выделяется точно такое же количество теплоты, которое поглощается при его плавлении.

              Так при отвердевании  воды массой в 1 кг,  при температуре 0 ºС, выделится  количество теплоты Дж.  Точно такое же количество  теплоты требуется  для плавления льда, массой в  1 кг при температуре 0 ºС.

              При отвердевании вещества все происходит в обратном порядке.  Скорость, а значит и средняя кинетическая энергия молекул в охлажденном расплавленном веществе уменьшаются.  Силы притяжения теперь могут  могут удерживать медленно двигающиеся молекулы друг около друга.  Вследствие этого расположение частиц становится упорядоченным, — образуется кристалл.  Выделяющаяся при кристаллизации энергия расходуется на поддержку постоянной температуры.  На графике это участок  FE. (см. рисунок).

          Кристаллизация облегчается, если в жидкости  самого начала присутствуют посторонние частицы, например, пылинки.  Они становятся центрами кристаллизации.  В обычных условиях в жидкости имеется множество  центров кристаллизации,  около которых около которых происходит образование кристалликов.

 

           При кристаллизации происходит выделение энергии и передача её окружающим телам.

Количество теплоты, выделяющееся при кристаллизации тела массой m, определяется также по формуле

Q=λm.

              Внутренняя энергия при этом уменьшается.

 

§ 16.  ИСПАРЕНИЕ.  НАСЫЩЕННЫЙ И НЕНАСЫЩЕННЫЙ ПАР.

 

               Из повседневных наблюдений известно, что количество воды, эфира, бензина и другой жидкости, которая находится в открытом сосуде, постепенно уменьшается.  На самом деле жидкость не может исчезнуть бесследно, она превращается в пар.

 

                 Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.

 

                                                          Существуют два способа перехода жидкости в газообразное                                                           состояние: испарение и кипение.

 

                Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.

 

                Мы знаем, что молекулы жидкости непрерывно движутся с разными скоростями.  Если какая-нибудь достаточно «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости.  Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют над ней пар. У оставшихся молекул жидкости при соударениях меняются скорости.  Некоторые из молекул приобретают при этом скорость, достаточную для того, чтобы,  оказавшись у поверхности, вылететь из жидкости.   Этот процесс продолжается,  поэтому жидкость испаряется постепенно.

 

                        Скорость испарения зависит от нескольких причин.

см. Перышкин. § 16. стр. 47 — 49.

.https://yadi.sk/i/8pZ5AferymR-xQ

 

                      1.  Скорость испарения зависит от рода жидкости. 

                       2. Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости.

                       3.  Скорость испарения жидкости зависит от площади её поверхности. 

                Одновременно  с переходом молекул из жидкости в пар, происходит и обратный процесс.  Беспорядочно двигаясь над поверхностью жидкости, часть молекул, покинувших её, снова  возвращаются в жидкость.

               Если испарение происходит в закрытом сосуде, то вначале число молекул, вылетевших из жидкости  будет больше числа молекул, возвратившихся обратно в жидкость. Поэтому плотность в сосуде будет постепенно увеличиваться.  С увеличением плотности пара, увеличится и число молекул, возвращающихся  в жидкость.  Довольно скоро число молекул, вылетающих из жидкости, станет равным числу молекул возвращающихся обратно  в жидкость.  С этого момента число молекул пара над жидкостью будет постоянным.

 

               Наступает так называемое динамическое равновесие между паром и жидкостью.

                Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным.

                                       Если в пространстве, содержащем пары какой-либо жидкости,                                                       может происходить дальнейшее испарение этой жидкости, то пар,                                                 находящийся в этом пространстве, является ненасыщенным паром.

 

              Пар, не находящийся в состоянии равновесия со своей жидкостью, называется ненасыщенным.

                При динамическом равновесии масса жидкости в закрытом сосуде не изменяется, хотя жидкость продолжает испаряться.  (См. рис.).

               В открытом сосуде масса жидкости вследствие испарения постепенно  уменьшается.  Это связано с тем, что большинство молекул пара рассеивается в воздухе, не возвращаясь в жидкость.  Но небольшая часть их возвращается обратно в жидкость, замедляя тем самым испарение.  Поэтому при ветре, который уносит молекулы пара, испарение жидкости происходит быстрее.

                Зная от каких причин зависит скорость испарения, мы можем объяснить теперь, зачем, например, переливают чай из стакана в блюдце, дуют на горячий суп или кашу, обмахиваются  веером.

              Наблюдения и опыты показывают, что испаряются и твердые тела.  Испаряется, например, лед, поэтому белье сохнет на  морозе.  Испаряется нафталин, поэтому мы чувствуем его запах.

§ 17. ПОГЛОЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ИСПАРЕНИИ ЖИДКОСТИ И ВЫДЕЛЕНИЕ ЕЁ ПРИ КОНДЕНСАЦИИ ПАРА.

 

             При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы, поэтому средняя скорость остальных молекул жидкости становится меньше. Следовательно, и средняя кинетическая энергия остающихся в жидкости молекул уменьшается.  Это означает, что внутренняя энергия  испаряющейся жидкости уменьшается.  Поэтому, если нет притока энергии к жидкости извне, испаряющаяся жидкость охлаждается.

(Перышкин, стр. 51.)

 

            Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

           Термин «конденсация» происходит от латинского слова  конденсаре — сгущать.

           Конденсация  пара сопровождается выделением энергии.  Летним вечером, когда воздух становится холоднее, выпадает роса.  Это водяной  пар,  находящийся в воздухе, конденсируется, и маленькие капельки водя оседают на траве и на листьях.

          Конденсацией  пара объясняется образование облаков.  Пары воды, поднимающиеся над землей, образуют в верхних, более холодных слоях воздуха облака, состоящие из мельчайших капелек воды.

 

            §18  КИПЕНИЕ.

           Рассмотрим второй способ образования пара — кипение.

            Пронаблюдаем это явление на опыте.  Для этого будем нагревать воду а открытом стеклянном сосуде, измеряя её температуру.  Прежде всего обратим внимание на то, что с поверхности воды происходит испарение.  На это указывает туман, образовавшийся над сосудом.

              Этот водяной пар смешивается с холодным воздухом и конденсируется в виде маленьких капель.  Сам пар, конечно, невидим глазу.

             При дальнейшем повышении температуры мы заметим появление в воде многочисленных мелких пузырьков.  Они постепенно увеличиваются в размерах.  Это пузырьки воздуха, который растворен в воде.  При нагревании воздух выделяется из воды в виде пузырьков.   Эти пузырьки содержат не только только воздух, но и водяной пар, так как вода испаряется внутрь этих пузырьков воздуха.  Поднимающие пузырьки попадая в верхние, более холодные слои воды, уменьшаются в размерах, так как содержащиеся в них пары конденсируются и пузырьки, под действием силы тяжести опускаются на дно.  Спустившись ниже, в более горячие слои воды, пузырьки начинают  снов подниматься к поверхности.  Это попеременное увеличение и уменьшение пузырьков сопровождается характерным шумом, предшествующем закипанию воды.  Постепенно вся вода прогревается, пузырьки уже не уменьшаются в размерах.  Под действием архимедовой силы они всплывают на поверхность и лопаются (рис 21 б). Находящийся в них насыщенный пар выходит в атмосферу.  Шум прекращается и мы слышим бульканье, — вода закипела.

 

                                 Кипение, — это интенсивный переход жидкости в пар,   происходящий с  образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

 

           Следует помнить, что у различных жидкостей температура кипения разная (табл.5).

В отличие от испарения, которое происходит при любой температуре,  кипение от начала до конца происходит при определенной и постоянной для каждой жидкости  температуре.

Температуру, при которой жидкость кипит, называю температурой кипения.

                                         

                                                    Во время кипения температура жидкости не меняется.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=O5uXmBXHPXo

               Температура кипения жидкости зависит от давления, которое оказывается на поверхности жидкости.  При кипении давление насыщенного пара внутри пузырьков  превосходит внешнее давление.  Если внешнее давление увеличивается, увеличивается и температура кипения.При уменьшении внешнего давления уменьшается и температура кипения жидкости.

               Известно, что давление воздуха уменьшается с увеличением высоты над уровнем  моря. Следовательно, с увеличением высоты уменьшается и температура кипения жидкости. Так, в горах вода закипает при t= 90°C.  При низкой температуре кипения невозможно сварить обычное яйцо, т.к. белок не может свернуться, если температуре ниже 100 °С.

 

            Некоторые вещества, которые в обычных условиях являются газами, при достаточном охлаждении обращаются в жидкости, кипящие при очень низкой температуре. Жидкий кислород, например, при атмосферном давлении  кипит при — 183 °С.  Вещества, которые в обычных условиях мы воспринимаем в твердом состоянии, обращаются при плавлении в жидкости, кипящие при очень высокой температуре.  Например, медь кипит при  2567 °С,  а железо при 2750 °С.

 

§19. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА.

 

Перышкин, стр. 56.

В зависимости от количества паров, находящихся при данной при данной температуре в атмосфере, воздух бывает различной степени влажности.

 

        Абсолютная влажность  ρ   показывает, сколько граммов водяного пара содержится в воздухе объёмом 1 м³ при данных условиях, т.е. плотность  водяного пара.

Чтобы судить о степени влажности воздуха, нужно знать, близок или далёк водяной пар, находящийся в воздухе, от  состояния насыщения.

         Для этого вводят понятие относительной влажности. 

Относительной влажностью воздуха φ называют отношение абсолютной влажности влажности воздуха к плотности    насыщенного водяного пара при той же температуре, выраженной в процентах.

 

ъх 0

 

Относительную влажность воздуха можно определить по формуле:

            Если влажный воздух охлаждать, то при некоторой температуре  находящийся в нем пар можно довести до насыщения.  При дальнейшем охлаждении пар начнет конденсироваться в виде росы.  Появляется туман, выпадает роса.

 

              Температура, при которой пар, находящийся в воздухе становится насыщенным, называется точкой росы.

            Точка росы  также характеризует влажность воздуха.

             Для определения влажности воздуха используются такие приборы, как гигрометр и  психрометр.

(Перышкин, стр. 58, 59)

(Урок для старших классов.)

§ 20. УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОТА ПАРООБРАЗОВАНИЯ И КОНДЕНСАЦИИ.

(Перышкин, стр. 60-62).

                Кипение, как мы видели,  тоже испарение, только сопровождается оно быстрым образованием и ростом пузырьков пара.   Очевидно, что во время кипения необходимо подводить к жидкости определенное количество теплоты.  Это количество теплоты идет на образование пара.

                 Причем различные жидкости одной и той же массы требуют различное количество теплоты для обращения их в пар при температуре кипения.

                Опытами было установлено, опытами было установлено, что для испарения воды массой 1 кг при температуре 100 °С требуется Дж энергии.   Для испарения эфира массой 1 кг, взятого при температуре 35 ºС, необходимо   Дж энергии.

 

                 Следовательно, чтобы температура испаряющейся жидкости не изменилась, к жидкости необходимо подводить определенное количество теплоты.

 

                Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пер без изменения температуры, называется удельной теплотой парообразования.

 

Удельную теплоту парообразования  обозначают буквой L (иногда r).

Её единица  — 1Дж/кг. 

 

Опытами установлено, что удельная теплота парообразования воды  при 100 ºС равна 

  Дж/кг.

Иными словами для превращения воды массой  1 кг в пар при температуре 100ºС требуется

Дж энергии.

 Следовательно, при температуре кипения внутренняя энергия вещества в парообразном состоянии больше такой же массы вещества в жидком состоянии.

 

 

Соприкасаясь с холодным воздухом, водяной пар конденсируется.  При этом выделяется энергия, поглощенная при образовании пара.  Точные опыты показывают, что конденсируясь, водяной пар отдает то количество энергии, которое пошло на его образование.

        Следовательно, при превращении 1 кг водяного пара температурой 100ºС в воду той же температуры, выделяется    Дж энергии.

Как видно из сравнения с другими веществами   (табл. 6 ), эта энергия довольно велика.                       Освобождающаяся при конденсации пара энергия может быть использована.  На крупных тепловых электростанциях отработавшим в турбинах паром нагревают воду.

           Нагретую таким образом воду используют для отопления зданий, в банях и для бытовых нужд.

 

                Чтобы вычислить количество теплоты Q, необходимое для превращения в пар жидкости любой массы, нужно удельную теплоту парообразования умножить на массу  m:

 

 

Из этой формулы можно определить, что

   

 

Количество теплоты, которое выделяет пар массы m,  конденсируясь при температуре кипения, определяется по той же формуле.

 

§21. РАБОТА ГАЗА И ПАРА ПРИ РАСШИРЕНИИ

(Перышкин, стр. 63)

                  Развитие техники зависит от умения использовать громадную внутреннюю энергию топлива.

                Использовать внутреннюю энергию, — значит совершить за счет неё полезную работу, например,поднять груз, перевезти вагоны и т. п. А это, в свою очередь, означает, что внутреннюю энергию необходимо превратить в механическую.  Как это сделать?

 

                   В пробирку нальём немного воды, затем плотно закроем её пробкой и нагреем воду до кипения. Под давлением пара пробка выскочит и поднимется вверх.  Здесь энергия топлива перешла во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершил работу — вытолкнул пробку. Внутренняя энергия пара превратилась в кинетическую энергию пробки.

                  Заменим пробирку прочным металлическим цилиндром, а пробку — плотно пригнанным поршнем, который может двигаться вдоль цилиндра.  Мы получим простейший тепловой двигатель, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию поршня.  Такой двигатель был изобретен в конце XVII в. Джеймсом Уаттом и усовершенствован в дальнейшем.

 

         Тепловыми двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия  топлива превращается в механическую энергию.

             Существует несколько видов тепловых двигателей: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель.  Во всех этих двигателях энергия топлива сначала переходит в энергию газа (или пара).  Газ, расширяясь совершает работу и пр этом охлаждается. Часть его внутренней энергии превращается в механическую энергию.

                  Из всех существующих двигателей, мы рассмотрим двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину.

 

§22  ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ.

 

                 Двигатель внутреннего сгорания очень распространенный вид теплового двигателя. Топливо в нем сгорает прямо в цилиндре, внутри самого двигателя.   Отсюда происходит и название этого двигателя.

Двигатели внутреннего сгорания работают на жидком топливе (бензин, керосин, нефть) или на горючем газе.

         Тепловые двигатели такого типа обычно устанавливают на автомобили.

      На рисунке показан простейший двигатель внутреннего сгорания в разрезе.

        Двигатель состоит из цилиндра, в котором перемещается поршень 3соединенный при помощи шатуна 4 с коленчатым валом 5.

         В верхней части цилиндра имеется два клапана 1 и 2, которые при работе двигателя автоматически открываются и закрываются в нужные моменты. Через клапан 1 в цилиндр поступает горючая смесь, которая воспламеняется с помощью свечи 6, а через клапан 2 выходят отработанные газы.

          В цилиндре такого двигателя периодически происходит сгорание горючей смеси, состоящей из паров бензина и воздуха.  Температура газообразных продуктов достигает 1600-1800 ºС.  Давление на поршень при этом резко возрастает.

            Расширяясь газы толкают поршень, а вместе с ним и коленчатый вал, совершая механическую работу.  При этом они охлаждаются, так как  часть внутренней энергии газов превращается в механическую энергию.

          Рассмотрим более подробно схему работы такого двигателя.  Крайние положения поршня в цилиндре называют мертвыми точкамиРасстояние , проходимое поршнем от одной мертвой точки до другой, называют ходом поршня.

          Один рабочий  цикл в двигателе происходит за четыре хода поршня, или,  как говорят, за четыре такта. Поэтому такие двигатели  называют четырехтактными.

           Один ход поршня, или один один такт двигателя, совершается за пол-оборота коленчатого вала.

             При повороте вала двигателя в начале первого такта двигатель движется вниз (рис. а). Объем над поршнем увеличивается. Вследствие этого в цилиндре создается разряжение. В это время открывается клапан 1и в цилиндр входит горючая смесь. К концу первого такта цилиндр заполняется горючей смесью, а клапан 1 закрывается.

             При дальнейшем повороте вала поршень движется вверх (второй такт) и сжимает горючую смесь (рис б). В конце второго такта, когда поршень дойдет до крайнего верхнего положения, сжатая горючая смесь воспламеняется (от электрической искры) и быстро сгорает.

             Образующиеся при сгорании газы давят на поршень и толкают его вниз (рис 27, в).  Под действием расширяющихся нагретых газов (третий такт) двигатель совершает работу, поэтому этот такт называют рабочим ходом.  Движения поршня передаются шатуну, а через него коленчатому валу с маховиком.  Получив сильный толчок, маховик продолжает вращаться по инерции и перемещает скрепленный с ним поршень при последующих тактах.  Второй и третий такты происходят при закрытых клапанах.

              В конце третьего такта открывается клапан 2, и через него продукты сгорания выходят из цилиндра в атмосферу.  Выпуск продуктов сгорания продолжается  и в течение четвертого такта, когда поршень движется вверх (рис. г). В конце четвертого такта клапан 2 закрывается.

               Итак, цикл двигателя состоит из следующих четырех процессов (тактов): впуска, сжатия, рабочего хода, выпуска.

              В автомобилях используются чаще всего четырехцилиндровые  двигатели внутреннего сгорания.  Работа цилиндров согласуется так, что в каждом их них поочередно происходит рабочий  ход и коленчатый вал все время получает энергию от одного из поршней.  Имеются и восьмицилиндровые двигатели. Многоцилиндровые двигатели в лучшей степени обеспечивают равномерность вращения вала и имеют большую мощность.

               Применение двигателей внутреннего сгорания чрезвычайно разнообразно.  Они приводят в движение самолеты, теплоходы, автомобили, тракторы, тепловозы.  Мощные  двигатели внутреннего сгорания устанавливают на морских и речных судах.

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=_6ZaeenN1Ss&feature=emb_logo

 

 

 

https://www.youtube.com/watch?v=e_gB2JpEiSA&feature=emb_logo

 

               Любой тепловой двигатель превращает в механическую энергию только  часть энергии, которая выделяется топливом.  Большая  часть энергии топлива не используется полезно, а теряется в окружающем пространстве.

Теплой двигатель состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

              Газ или пар, который является рабочим телом, получает от нагревателя некоторое количество теплоты.  Рабочее тело. расширяясь, совершает работу за счет своей внутренней энергии.  Часть энергии передается атмосфере — холодильнику вместе с отработанным паром или выхлопными газами.

             Очень важно знать, какую часть энергии, выделяемой топливом, тепловой двигатель превращает в работу.  Чем больше эта часть, тем экономичнее двигатель.

            Для характеристики экономичности различных двигателей введено понятие коэффициента полезного действия двигателя — КПД.

 

              Отношение совершенной полезной работы двигателя к энергии, полученной от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия двигателя.

 

          Коэффициент полезного действия обозначают η (греч. буква «эта»).

          КПД теплового двигателя определяют по формуле:

 

           Где -полезная работа, — количество теплоты, полученное о нагревателя, — количество теплоты, отданное холодильнику,  — количество теплоты, которое пошло на совершение работы.  КПД выражается в процентах.

               Например, двигатель из всей энергии, выделившейся при сгорании топлива, расходует на совершение полезной работы только одну четвертую часть, тогда КПД двигателя равен 1/4,  или 25%.

                КПД двигателя обычно выражают в  процентах.  Он всегда меньше единицы, т.е. меньше 100%.   Например КПД двигателей внутреннего сгорания  20 — 40%, паровых турбин —  немногим выше 30%.

 

ИТОГИ ГЛАВЫ.

САМОЕ ГЛАВНОЕ.

  Температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул.

  Внутреннюю энергию тела можно изменить путем совершения работы или путем теплопередачи. Существуют три способа теплопередачи: теплопроводность, конвенция излучение.

♦   Количеством теплоты  называют энергию, которую тело получает или теряет в процессе теплопередачи.

Удельная теплоемкость (с) — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо затратить для нагревания 1 кг вещества на 1 град:

 

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела, или выделяемое им при охлаждении, рассчитывают по формуле:

Удельная теплота сгорания топлива (q) — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты выделится при полном сгорании топлива, массой в 1 кг.

Количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива, вычисляется по  формуле:

Q=qm.

 

♦  Закон сохранения и превращения энергии: энергия не возникает и не исчезает, она только переходит из одного вида в другой, т.е.  значение её сохраняется.

 

  Плавление — это переход вещества из твердого состояния в жидкое.

 

♦   Кристаллизация (отвердение) — это переход вещества из жидкого состояния в твердое.

 

  Удельная теплота плавления (λ) — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо затратить для плавления 1 кг кристаллического вещества при температуре плавления.

Q=λm.

 

Парообразование — это переход вещества из жидкого состояния в пар.

 

  Испарение — это преобразование, происходящее с поверхности  жидкости.

 

  Конденсация — это превращение пара в жидкость.

 

  Кипение — это процесс испарения жидкости, сопровождающийся образованием и ростом пузырьков пара по всему объему жидкости, всплывающих на её поверхность при определенной температуре.

  Температура кипения — это температура, при которой происходит кипение жидкости при нормальном давлении.

♦  Удельная теплота парообразования (L) — это физическая величина, которая показывает, какое количество теплоты необходимо для обращения 1 кг. жидкости в пар при постоянной температуре.

♦  Количество теплоты, необходимое для превращения жидкости в пар, рассчитывается по формуле:

   Насыщенный пар — это  пар, находящийся в равновесии со своей жидкостью.

   Ненасыщенный пар, — это пар который не находится в состоянии равновесия со своей жидкостью.

 

♦  Точкой росы называют температуру, при которой пар становится насыщенным (т.е. относительная влажность становится 100%). И дальнейшее понижение температуры приводит к конденсации водяного пара.

 Тепловой двигатель — это машина, которая преобразует внутреннюю энергию топлива в механическую энергию.

КПД теплового двигателя определяют по формуле:

 

Обновлено: 02.03.2020 — 00:40

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *