Машини призначені для перетворення внутрішньої енергії палива на механічну енергію, називають тепловими машинами.
Механічна енергія згодом 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. В автомобільному двигуні робочим
Про коефіцієнт корисної дії теплових машин
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 парові 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 вихлопну 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.
|
