4.Приклади задач

Дослідницька робота з фізики

                                                                  План:

 1.Теплові машини.

 2.Екологічні проблеми використання теплових машин.

 3.Принцип дії теплових машин.

 4.Приклади задач.

                            

  1.Теплові машини

Теплові машини — машини призначені для перетвореннявнутрішньої енергії палива на механічну енергію. Механічна енергіязгодом може перетворитись на електричну енергію й будь-які інші види енергії У більшості сучасних теплових машин механічну роботу здійснює газ, що розширюється в процесі нагрівання. Цей газ називають робочим тілом. Найпоширенішими тепловими машинами є теплові двигуни..

Про коефіцієнт корисної дії теплових машин

 Шляхи підвищення ККД:-збільшуючи Т нагрівника;
                                            -зменшуючи Т холодильника.

Складним був шлях людства до першої теплової машини. Лише в середині XVIII століття здійснилась давня мрія людини про використання енергії пари для виконання роботи. Як виконується робота в паровій машині? У топці горить паливо. В результаті його згоряння звільняється певна кількість енергії. Вона передається воді, яка нагрівається до кипіння. Утворюється пара, її спрямовують у циліндр з поршнем. Пара діє на поршень з певною силою. Поршень рухається? долаючи опір, що його чинять зв'язані з ним механізми. Якщо, наприклад, з поршнем парової машини зв'язаний через передавальний механізм підіймальний пристрій, то енергія пари здійснює роботу, долаючи тертя в з'єднаннях машини і силу тяжіння вантажу, який піднімається.
Скільки роботи може виконати парова машина? Скільки завгодно. Якщо підтримувати вогонь у топці і своєчасно замінювати зношені внаслідок тертя деталі машини, то можна задовольнити в принципі будь-яку потребу в роботі. Але тут виникає принципово важливе запитання: скільки палива потрібно для виконання певної роботи? Адже паливо — річ відносно дорога. Його треба видобувати, підвезти, завантажити в топку. Крім того, паливо згоряє не повністю, утворюються відходи, які треба періодично прибирати. Усе це потребує затрат праці.
Очевидно, економічно вигідною є така машина, яка при мінімальних затратах праці дає максимально можливу кількість роботи. А яку максимальну роботу можна дістати, затративши певну кількість палива? Питання далеко непросте. Перші па¬рові машини поглинали величезну кількість палива. Тому робота, яку вони виконували, обходилась дорого.
Скільки ж можна дістати роботи, спаливши дану кількість палива? Досвід показує, що в роботу перетворюється лише частина енергії, одержаної при спалюванні палива. Якщо позначити її Q, а кількість виконаної роботи А, то відношення А / Q дає величину, яка характеризує так званий коефіцієнт корисної дії машини. Коефіцієнт корисної дії сучасних парових машин і турбін становить 6-30 %, автомобільних і авіаційних двигунів внутрішнього згоряння – 30 - 40 %. Це означає, що з кожної тонни палива 600—700 кг витрачається даремно.
Коли врахувати, яка величезна армія теплових двигунів обслуговує людину і яка кількість палива спалюється ними щодня, то легко зрозуміти, наскільки важливою науковою і технічною проблемою є збільшення енергії, що перетворюється двигуном , у корисну роботу, або, іншими словами, підвищення ККД двигунів.
У двигуні відбувається ланцюжок перетворень різних видів енергії. Розглянемо, наприклад, перетворення енергії в автомобільному двигуні. Бензин — джерело енергії. Він вприскується в циліндр. Суміш бензину з повітрям (робоча суміш) запалюється електричною іскрою. Відбувається хімічна реакція-горіння. Вона супроводжується виділенням великої кількості енергії. Енергія хімічна переходить у внутрішню.. Діставши певну кількість енергії, газ у циліндрі розширюється і рухає поршень і зв'язану з ним систему важелів і шестерень, які передають зусилля на ведучі колеса автомобіля. Таким чином, внутрішня енергія перетворюється в кінетичну енергію поступального руху поршня, потім — у кінетичну енергію обертання вала, шестерень і коліс.
При згорянні 1 кг бензину виділяється понад 4,6 • 107 Дж енергії. Коли б уся енергія, що виділяється від згоряння бензину, перетворювалась у механічну енергію руху автомобіля!
Зробимо невеликий підрахунок. ККД автомобільних легкових двигунів становить приблизно 30%. Це означає, що коли залити в бензобак 10 л бензину, то на рух автомобіля витрачається енергія лише 3 л. бензину. Куди ж зникає енергія решти 7 л? Насамперед вона витрачається на подолання сил тертя, які. неминуче виникають між поршнем і стінками циліндра, між шестернями і в усіх з'єднаннях. Тертя веде, як відомо, до нагрівання двигуна.
Чи можна уникнути цих втрат? Ні, тому що тертя можна лише зменшити, удосконаливши систему змащення. Але це не головне. Велика частина енергії палива виділяється у повітря. Усі відчували гаряче дихання двигуна, який викидає через вихлоп¬ну трубу продукти згоряння робочої суміші. А чи можна запобігти цим втратам?
Щоб відповісти на це запитання, розглянемо ще один приклад. Понад 85% всієї електроенергії в нашій країні виробляється тепловими електростанціями, на яких енергія палива перетворюється в електричну енергію. Наскільки ефективним є це перетворення? Теплоелектроцентраль (ТЕЦ) дає нам світло й тепло. В її корпусах хімічна енергія палива перетворюється в енергію води й пари, а потім — у механічну енергію руху турбіни і, нарешті, в електричну енергію. За корпусами ТЕЦ стоять вічно оповиті парою башти. У них охолоджується вода. Не вся енергія палива перетворюється в електричну енергію.
Оскільки парові турбіни мають коефіцієнт корисної дії близько 40 %, то з кожної тонни палива 600 кг використовується для обігрівання навколишнього повітря і хмар, що пропливають над ТЕЦ. Правда, частина енергії йде на обігрівання житлових будинків, але все-таки багато внутрішньої енергії пари втрачається марно. Чи не можна зменшити ці втрати? Безперечно, можна. Частину енергії, що виділяється в результаті охолодження води, можна використовувати для обігрівання оранжереї чи засніжених тротуарів взимку. Але внутрішня енергія лишиться при цьому внутрішньою енергією, вона не перетвориться в інші види, а лише розсіється в навколишньому просторі.
Можна зробити й інакше. Прибудувати до ТЕЦ ще один корпус і розмістити в ньому так звані фреонові установки. Подібні електростанції вже працюють на внутрішній енергії природних джерел гарячої води з температурою 60—80°С. Леткий фреон, нагрітий за рахунок гарячої води, обертатиме додаткову турбіну, і ще частина енергії перетвориться в електричну енергію.ККД використання енергії палива стане трохи більшим. Правда, поки що такі фреонові установки не дуже економічно вигідні. Та як би ми не намагались, добитися повного перетворення енергії палива в корисну роботу не можна. Просто неможливо побудувати двигун, який би, образно кажучи, не викидав енергії на вітер. У фізиці цей факт формулюють так: не можна побудувати таку теплову машину, яка повністю перетворювала б енергію палива в роботу.

  2.Екологічні проблеми використання теплових машин.

Теплові машини широко використовуються у народному господарстві: Потужні парові турбіни на ТЕС і АЕС приводять у рух ротори генераторів електричного струму. Понад 80% усієї електроенергії в нашій країні виробляться на теплових електростанціях. Залізничними магістралями водять состави потужні тепловози, водними шляхами – теплоходи. Мільйони автомобілів з двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі і пасажирів. Поршневі, турбогвинтові та турбореактивні двигуни встановлені на літаках і геліокоптерах. За допомогою ракетних двигунів здійснюються запуски наукових супутників, космічних станцій. Двигуни внутрішнього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві. Їх використовують на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях.
Одним із факторів негативного впливу двигунів на природу є теплове забруднення. Досить порівняти температуру газоподібних продуктів згоряння з температурою навколишнього середовища (наприклад у ДВЗ t=1600 – 25000С). Це призводить до поступового підвищення середньої температури на Землі. Нині споживана потужність двигунів становить приблизно 1010 кВт. Коли ця потужність досягне 3·1012кВт, середня температура підвищиться приблизно на 1 градус. Подальше підвищення температури може спричинити загрозу танення льодовиків і катастрофічного підвищення рівня світового океану.
Другим фактором негативного впливу на природу є надмірно велике споживання кисню тепловими двигунами і викидання в атмосферу продуктів згоряння, які містять у собі шкідливі речовини.
У відпрацьованих газах міститься понад 170 різних шкідливих компонентів, наявність 160 з яких зумовлена неповним згорянням палива у двигунах. Зараз у всьому світі енергетичні установки викидають в атмосферу щорічно 200 – 250 млн. тон золи і близько 60 млн. тонн оксиду сірки (SO2). Повітря забруднюють і різні види транспорту, насамперед автомобільний. На рух автомобіля використовується лише 25 % енергії палива, а 75% ,,вилітає в трубу''. У вихлопних газах двигуна за нормального режиму міститься 2,7% оксиду вуглецю. Під час зменшення швидкості руху автомобіля ця частка зростає на 3,9%, а при повільному русі – до 6,9 %. Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів автомобільних двигунів.
Внаслідок збільшення в атмосфері кількості оксиду вуглецю (SO2), який виділяється в процесі згоряння палива у тепловому двигуні порушується тепловий баланс на Землі.
Оксид вуглецю разом із водяною парою призводять до виникнення ,,парникового ефекту''. Температура на поверхні Землі внаслідок ,,парникового ефекту'' приблизно на 350С вища за ту, яка була б без нього.
Об'ємна концентрація оксиду вуглецю в атмосфері нині становить 0,0314%від усіх газів атмосфери. Є серйозні підстави побоюватись, що навіть незначне збільшення цієї концентрації різко порушить тепловий баланс Землі. А вже тепер кожного року в атмосферу викидається близько 5 млрд. тонн СО2.
Актуальність природоохоронної діяльності пов’язана ще й з тим, що зараз уже недостатньо втручання у розв’язання екологічних проблем окремих груп людей і організацій. Сьогодні лише безпосередня участь в охороні природи кожного з нас може дати позитивні результати.
Забруднення середовища

Під час роботи теплових двигунів найбільшому забруд­ненню піддається повітряний басейн планети. Тверді частинки пилу й сажі, що утворюються під час роботи теплових двигунів, запилюють повітря. Це є причи­ною помітних змін погоди (похолодання, часті тумани й дощі). Викиди сірчистого газу й оксидів азоту є при­чиною утворення кислотних опадів, які приводять до загибелі сільськогосподарських культур, лісів, негативно впливають на прісні водойми і їхніх мешканців. Викиди вуглеводнів призводять до утворення фотохімічного смогу. Під час роботи теплових двигунів виділяється вуглекислий газ. Наявність цього газу в атмосфері разом з парами води приводить до парникового ефекту. Атмос­фера пропускає видиме сонячне випромінювання, що поглинається поверхнею Землі. Нагріта Земля випускає невидиме інфрачервоне випромінювання, що значною мірою поглинається вуглекислим газом, який міститься в атмосфері. У результаті температура на поверхні землі підвищується. 
Медицина
Шкідливі викиди, що утворюються в результаті роботи теплових двигунів, впливають на організм людини. Діоксид вуглецю діє на шкіру й слизові оболонки. Оксид вуглецю при вдиханні зв'язується з гемоглобі­ном крові, витісняючи з неї кисень, у результаті настає кисневе голодування, що позначається насамперед на центральній нервовій системі. Оксид вуглецю може зумовити появу хвороби серця — стенокардії. Діоксид азоту викликає сильне роздратування слизових обо­лонок очей. Альдегіди подразнюють очі, дихальні шляхи, вражають центральну нервову систему, нирки й печінку. У разі фотохімічного смогу запалюються очі, слизові оболонки носа і горла, відзначаються симптоми ядухи, загострення легеневих і нервових захворювань. Сірчистий газ призводить до росту онкозахворювань. Сполуки свинцю вражають органи й тканини організму, нервову систему, порушують обмінні процеси.
 Підсумок: Проблема охорони навколишнього середови­ща є глобальною, тому що вона зачіпає інтереси всього людства. Земля — наш загальний дім, і ми повинні берегти й охороняти її. Сьогодні були порушені екологічні про­блеми нашої планети, пов'язані з використанням тепло­вих двигунів, і позначені шляхи їх розв'язання.

                          3.Принцип дії теплових машин.

Знання закону збереження імпульсу в багатьох випадках дає можливість виконати розрахунки результату взаємодії тіл, колизначення діючих сил невідомі.
Тепловою машиною називається пристрій, який перетворює енергію теплового руху в механічну енергію. Існують два типи теплових машин: нециклічні теплові машини і циклічно-теплові машини. Розглянемо принцип дії машин другого типу. У основі теоретичного обгрунтування теплових машин лежить другий закон термодинаміки, який стверджує: неможливо створити циклічно-працюючий тепловий двигун, єдиним результатом дії якого- отримання від джерела кількості теплоти і перетворення його повністю в механічну енергію. Щоб теплова машина могла циклічно працювати, вона обов'язково повинна включати:
-Нагрівач
-Холодильник.
-Робоче тіло.
Принцип роботи такої машини полягає в наступному: робоче тіло,перебуваючи в контакті з нагрівачем, отримує від нього в результаті теплообміну кількість теплоти Q1, нагріваючись до температури T1.
Потім контакт переривається і робоче тіло переходить в контакт з холодильником.
У процесі переходу робоче тіло здійснює механічну роботу .
A  прийшовши в контакт з холодильником, воно віддає йому деяку кількість теплоти Q2 і охолоджується. Потім робоче тіло переходить вконтакт з нагрівачем і процес повторюється.
1) * Для початку візьмем для розгляду прямоточний повітряно -реактивний двигун. Він має найбільш просту схему роботи.

Передній край трубки вбирає в себе повітря, - цеповітрозабірник. З сопла - задній частині трубки - виходять відпрацьовані гази. Середня частина камера згоряння.
У камері згоряння горить повітряно-паливна суміш. Температура газу при цьому підвищується, зростає швидкість його руху.
Розпечені гази з силою викидаються через сопло, створюючи реактивну тягу.
Але ПВРД може працювати, якщо на вході є швидкісний потік повітря, але літак самостійно стартувати з таким двигуном неможе. Його потрібно попередньо розігнати.
Звичайний літак розганяється за допомогою повітряного гвинта. Але таким гвинтом - пропелером можна розігнати і потік повітря на вході двигуна. Так з'явився ТРД - турбо-реактивнийдвигун. Щоб запустити його до компресора приєднують стартер,і компресор створює початковий тиск повітря на вході. Потім вже починає працювати сам реактивний двигун.
На шляху розпечених газів вони поставили газову турбіну і поєднали її з компресором єдиним валом. Вихідні газ обертають турбіну, з'єднаний з нею компресор, нагнітає повітряний потік в камеру згоряння, паливно-повітряна суміш горить, гарячі гази випливають із сопла, і цикл повторюється.
За допомогою потужного і компактного турбо-реактивного двигуна літаки дуже скороперевищили швидкість звуку. Тяга турбо-реактивного двигуна може бути збільшена шляхом додаткового згорання палива в форсажній камері,розташованій між турбіною і реактивним соплом.
Однак такі двигуни не завжди вигідні економічно. Для величезних транспортних літаків, які літають зі швидкістю 650-700 км/год і піднімають у повітря одночасно десятки тонн вантажу, краще використовувати турбогвинтові двигуни - ТВД. Турбіна може обертати і звичайний повітряний гвинт. Для цього потрібно подовжити вал, що з'єднує її з компресором, додати
редуктор, який знизить частоту обертання гвинта (інакше повітряний потік стане зриватися з лопатей і пропелер в основному буде обертатис явхолосту).
2) * Розглянемо як приклад дію реактивного двигуна. При згорянні палива гази, нагріті до високої температури, викидаються з сопла ракети зі швидкістю v.
Ракета і викидається її двигуном, гази взаємодіють між собою. На підставі закону збереження імпульсу при відсутності зовнішніх сил сума векторів імпульсів взаємодіючих тіл залишається постійною. До початку роботи двигунів імпульс ракети і пального буде дорівнювати нулю, отже, і після включення двигунів сума векторів імпульсу ракети і імпульсу  газів дорівнює нулю:
MV + MV = 0,
Де М - маса ракети; V - швидкість ракети; m - маса викинутихгазів; v - швидкість витікання газів.
Звідси отримуємо
MV =-mv.
А для модуля V швидкості ракети маємо
V = (m/M) v.
Ця формула застосовується для обчислення модуля швидкості V ракети за умови невеликого зміни маси M ракети в результаті роботи її двигунів.
Реактивний двигун володіє багатьма чудовими особливостями, але головна з них полягає в наступному. Ракеті для руху не потрібні ні земля, ні вода, ні повітря, тому що вона рухається у результаті взаємодії з газами, які утворюються при згоранні палива. Тому ракета може рухатися в безповітряному просторі.

Посилання на сайти,які були використані при виконанні даної роботи:
1.http://refs.co.ua/73703-Reaktivnyiy_dvigatel_i_osnovnye_svoiystva_raboty_teplovyh_mashin.html
2.http://uk.wikipedia.org/wik
3.http://ua.textreferat.com/referat-16592.html

Дослідницька робота на тему:"Практичне застосування теплових машин та екологічні наслідки"