Урок - cемінар на тему:
«Основи термодинаміки»
Мета. Узагальнити і перевірити знання учнів основних понять, процесів, законів, теоретичного матеріалу з теми: «Основи термодинаміки»; формувати науковий світогляд на основі першого закону термодинаміки; систематизувати знання про закон збереження енергії та його застосування до різних процесів; навчити застосовувати перший закон термодинаміки для пояснення теплових явищ, узагальнити знання про фізичні основи теплових двигунів; розвивати логічне мислення, пам’ять, увагу, вміння висловлювати свою думку; виховувати інтерес до предмета, почуття відповідальності.
Тип уроку. Урок-семінар. (Гра «Що? Де? Коли?»).
Обладнання: чарівна скринька, конверти із завданнями, номерки завдань, портрети вчених, матеріал для проведення гумористичної, історичної та технічної пауз.
Хід уроку
Правила проведення гри :
1. Дві команди формуються виключно за бажаннями учнів. Кожна з команд, що бере участь у змаганнях, вибирає свого капітана та назву команди (зарані).
2. За стіл сідають по 6 учасників, які дають відповіді на запитання у конвертах. Інші члени команд готують гумористичні та історичні повідомлення про фізиків, повідомлення про теплові двигуни та охорону навколишнього середовища.
3. За правильну відповідь представника команді присуджується певна кількість очок, якщо відповідь правильна, але неповна, то зараховується половина очок..
4. Оцінювання відповідей команд проводить журі.
5. Команди по черзі витягують номери конвертів із чарівної скриньки і відповідають на поставлені у конвертах запитання.
6. Після чотирьох відповідей команд проводиться історична, гумористична паузи.
7. Після всіх відповідей запасні учні-вболівальники роблять повідомлення про теплові машини та охорону навколишнього середовища.
Хід гри
Ведуча. Шановні учні, ми закінчили вивчення теми «Основи термодинаміки». Сьогодні пригадаємо основні поняття, процеси, закони, розглянуті нами при вивченні теми: «Основи термодинаміки». А проведемо семінар у вигляді гри «Що? Де? Коли?
«Що?» —вивчає цей розділ фізики «Основи термодинаміки»
«Де?» — застосувати отримані знання.
«Коли?» — коли та ким були відкриті закони, що пояснюють теплові процеси. А також, трішки пожартуємо.
Розпочинаємо!!!
Раунд 1
Конверт 1.
Внутрішня енергія одноатомного газу, способи її зміни. Молоток нагріватиметься, коли ним забиватимуть цвях і коли він лежатиме на сонці. Назвіть способи зміни внутрішньої енергії молотка в обох випадках.(Відповідь. Коли молоток лежатиме на сонці, його внутрішня енергія змінюватися за рахунок нагрівання сонячними променями, тобто завдяки теплообміну, а коли забиватимуть ним цвях, його внутрішня енергія змінюватиметься завдяки виконанню роботи)
Конверт 2.
Зміна внутрішньої енергії в процесі нагрівання та охолодження. Питома теплоємність свинцю становить 130
, а сталі 460 . Яке тіло – стальне чи свинцеве – швидше нагрівається за інших однакових умов? (Відповідь. Швидше нагріється свинцеве тіло тому, що його теплоємність менша і на його нагрівання необхідно затратити менше енергії, ніж свинцеве тіло)
Конверт 3.
Зміна внутрішньої енергії в процесі плавлення та тверднення. Вона жила і стеклі текла,Та, раптом, морозцем її скувало.
І нерухомою льодинкою крапля стала,
А в світі зменшилось тепла.
Питання: Знайдіть помилку у розповіді.
(Відповідь. При замерзанні водяної краплі енергія виділяється, а не поглинається, тому тепла повинно не зменшитися, а збільшитися).
Конверт 4.
Зміна внутрішньої енергії тіла в процесі пароутворення та конденсації. Чому на приготування їжі у гірській місцевості треба витрачати більше часу, ніж на рівнинній?(Відповідь. Процес горіння без повітря неможливий. Якщо піднімаємося вгору, то повітря стає розрідженим і процес горіння проходить довше, а значить довше нагрівається посудина, в якій варимо їжу та й сама рідина у посудині.)
Історична пауза
Раунд 2
Конверт 5.
Зміна внутрішньої енергії в процесі згорання палива. . «Метелиця»Все мовчить – жаринка з тріском
Лиш горить багряним блиском.
Та по даху вітер шумить.
Питання: Чому жаринка горить з тріском?
(Відповідь. При згоранні жаринки з деревени інтенсивно випаровується волога; пара, збільшуючись в об’ємі, з тріском разриває волокна деревини)
Конверт 6.
Зміна внутрішньої енергії під час виконання роботи. Провели експеримент: налили в колбу міксера воду і виміряли її температуру. Увімкнули міксер на кілька хвилин у електромережу і після цього знову виміряли температуру води. За рахунок чого температура зросла?(Відповідь. Температура води підвищиться тому, що збільшилася її внутрішня енергія за рахунок виконання роботи)
Конверт 7.
Робота під час розширення газу. Чим відрізняються роботи під час розширення і стискання газу?(Відповідь. Під час розширення газ виконує додатну роботу, передаючи енергію навколишнім тілам і 
. Якщо газ стискується, то V2<V1, і А<0, а формула для розрахунку роботи та ж сама. )
Конверт 8.
Перший закон термодинаміки. Яку машину називають вічним двигуном? Чому неможливий такий двигун?(Відповідь. В термодинаміці «вічним » двигуном першого роду називають таку машину, яка б нескінченно довго виконувала роботу без надходження теплоти ззовні. Проте, якщо до системи не надходить теплота, то робота може виконуватися за рахунок внутрішньої енергії. Після того, як запас внутрішньої енергії буде вичерпано, двигун припинить свою роботу. Отже, неможливо побудувати «вічний» двигун першого роду, оскільки неможливо нескінченно довго виконувати роботу за рахунок скінченого значення внутрішньої енергії машини.)
Гумористична пауза
Раунд 3
Конверт 9.
Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Чи можна передати тілу якусь кількість теплоти, не спричиняючи при цьому підвищення його температури?(Відповідь. Можна, при сталій температурі. Так як внутрішня енергія ідеального газу не залежить від об’єму, то внутрішня енергія залишається незмінною. У процесі ізотермічного розширення ідеальний газ виконує роботу проти зовнішніх сил за рахунок набутої кількості теплоти; під час ізотермічного стискання зовнішні сили виконують роботу, а газ віддає навколишньому середовищу еквівалентну кількість теплоти.)
Конверт 10.
Адіабатний процес. За рахунок якої енергії виконується робота під час адіабатного розширення газу?(Відповідь. Адіабатний процес відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем, і газ може виконувати роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії).
Конверт 11.
Необоротність теплових процесів. В одній половині посудини, розділеній перегородкою, міститься ідеальний газ, а в другій створено вакуум. Що станеться з газом, якщо перегородку забрати? Чи повернеться газ самовільно через певний час в одну половину посудини?(Відповідь. Якщо перегородку забрати, газ займе повністю всю посудину. Самовільно повернутися через деякий час в одну половину посудини він не зможе. Для цього необхідно виконати роботу над газом.)
Конверт 12.
Принцип дії теплової машини. Цикл Карно. ККД механізмів. Як зміниться температура в кімнаті, якщо відкрити дверці холодильника, що працює?(Відповідь. Теплота, яка забирається у речовини всередині холодильника, передається повітрю у тій же кімнаті. Енергія, яку холодильник забирає з джерела живлення, також перетворюється у внутрішню. Якщо, дверці відкрити, холодильник буде працювати, не виключаючись, тому і кількість електроенергії, яка використовується, збільшується. В результаті середня температура у кімнаті підвищиться. Проте, температура в різних місцях кімнати буде різною: біля розкритий дверцят холодильника буде прохолодніше, ніж біля задньої його стінки, де розміщений теплообмінник і відбувається виділення тепла.)
Технічна пауза
Підсумок уроку.
- Внутрішня енергія тіла може змінюватися внаслідок теплообміну з навколишніми тілами або під час виконання над ними механічної роботи. Зміна внутрішньої енергії внаслідок теплообміну без виконання роботи може бути обчислена за такими формулами:
— під час нагрівання або охолодження;
— у процесі плавлення чи тверднення;
— у ході пароутворення або конденсації;
— під час згоряння палива.
· Зміна внутрішньої енергії дорівнює сумі наданої тілу кількості теплоти і роботи, виконаної над ним (перший закон термодинаміки).
· У випадку ізобарної зміни стану ідеального газу підведена кількість теплоти частково витрачається на збільшення його внутрішньої енергії, а частково на виконання газом роботи (
) . У разі ізохорного процесу вся підведена кількість теплоти витрачається на зміну внутрішньої енергії газу(
),а під час ізотермічного — тільки на виконання газом роботи (
). Адіабатний процес відбувається без теплообміну з навколишнім середовищем, і газ може виконувати роботу над зовнішніми тілами тільки за рахунок своєї внутрішньої енергії.
· Процеси, що відбуваються в природі з макроскопічними тілами, необоротні. Типові необоротні процеси такі: теплота самовільно переходить від гарячого тіла до холодного, але не навпаки; механічна енергія самовільно переходить у внутрішню.
· У результаті узагальнення дослідних даних, що стосуються необоротних процесів, сформульовано другий принцип термодинаміки: в тепловій машині, яка діє циклічно, неможливий процес, єдиним результатом якого було б перетворення в механічну роботу всієї кількості теплоти, одержаної від джерела енергії — нагрівника.
· Із законів термодинаміки випливає, що теплові двигуни можуть виконувати роботу тільки в процесі передавання теплоти від нагрівника до холодильника. Максимально можливе значення коефіцієнта корисної дії теплового двигуна: 
де Т1 — температура нагрівника, Т2 — температура холодильника.
Домашнє завдання. Повторити §§31-41 ст. 99-138.
Матеріал для гумористичної паузи
· Автор третього закону термодинаміки Вальтер Нернст в години дозвілля розводив коропів. Одного разу хтось глибокодумно зауважив: - Дивний вибір. Курей розводити і то цікавіше. Нернст спокійно відповів:
- Я розводжу таких тварин, які перебувають у термодинамічній рівновазі з оточуючим середовищем. Розводити теплокровних - це значить зігрівати на свої гроші світовий простір.
· Одна знайома просила Альберта Ейнштейна подзвонити їй по телефону, але попередила, що номер дуже важко запам'ятати: 24361.
- І що ж тут важкого? - здивувався Ейнштейн. - Дві дюжини і 19 у квадраті.
· Ейнштейн був у гостях у своїх знайомих. Почався дощ, коли Ейнштейн зібрався йти, йому запропонували взяти капелюх.
- Для чого? - сказав Ейнштейн. - Я знав, що буде дощ, і саме тому не надів капелюха. Адже він сохне довше, ніж моє волосся. Це ж очевидно.
Ж. Гей Люссак (1778 — 1850) — найвеличніший французський хімік та фізик — під час одного із своїх хімічниих дослідів залишився без ока. Якось одного разу його зустрів єпископ Сиєзський — зарозумілий богослов, що попав у число "безсмертних" Французькой академії по протекції. — Не розумію, як можна бути вченим, маючи всього одне око! Що можна побачити одним оком? — Та побільше вашого, — не розгубився Гей-Люссак. — Ось, наприклад, я бачу у вас два ока, а ви у мене тільки один! |
Матеріали для історичної паузи:
Томсон (Кельвін) Уїльям - англійський фізик, член Лондонського товариства. Народився у Белфасті. У 1845 р. закінчив Кембріджський університет і майже рік займався експериментальною фізикою в лабораторії А. Реньо в Парижі. У 1846—1899 рр. керував кафедрою теоретичної фізики Глазгівського університету. З 1904 р. був
президентом цього університету, В 1890—1895рр. очолював Лондонське королівське товариство. За видатні наукові заслуги в 1892 р. здобув титул лорда Кельвіна. Найвидатніші праці здійснив у галузі термодинаміки, У 1851 р. у праці «Про динамічну теорію тепла», незалежно від Р. Клаузіуса, сформулював Другий закон термодинаміки і довів неможливість здійснення в природі perpetuum mobile 2-го роду. У 1848 р. У. Томсон установив поняття абсолютної температури та поняття абсолютної шкали температур— шкали Кельвіна. Разом з Дж. Джоулем він відкрив у 1853—1854 рр., що при адіабатичному розширенні газ охолоджується. Цей ефект Джоуля — Томсона згодом почали широко використовувати для добування низьких температур. У 1856 р. відкрив так званий третій термодинамічний ефект – явище перенесення теплоти електричним струмом. Був обраний членом багатьох зарубіжних академій і наукових товариств, зокрема почесним членом Перебурзької Академії наук.
Роберт Боль – англійський фізик і хімік. Народився в Лісморі (Ірландія). З 1654 р., після переїзду в Оксфорд, виконав серію експериментальних і теоретичних досліджень у галузі хімії та фізики. у 1662 р. опублікував твір «Захист доктрини, що стосується пружності й ваги повітря», в якому виклав експериментальне доведення відкритого ним закону про обернено пропорційну залежність зміни об'єму повітря від тиску. Цей закон пізніше було названо законом Бойля — Маріотта: рV = соnst. У 1660 р. Бойль винайшов повітряний насос і за його допомогою виявив зниження ртутного стовпчика при відкачуванні повітря, швидше закипання води при зниженому тисну, припинення дії сифону у вакуумі. Важливі думки були висловлені Бойлем про природу теплоти. Проте абстрактні уявлення Бойля про теплоту, а також і його атомістичні погляди з хімії внаслідок неузгодженості з конкретними експериментальними дослідженнями, не змогли розв'язати задач, що стали тоді перед фізикою і хімією. Бойль наполегливо намагався звісти всі явища природи до механіки, зокрема теплоту він зводив до простого механічного переміщення корпускул. Похований Бойль у Вестмінстерському абатстві.
Гей-Люссак Жозеф Луї — французький фізик і хімік, член Паризької Академії наук. Народився в Сен-Леонарі. У 1800 р. закінчив Політехнічну школу в Парижі, з 1809 р. працював у цій школі професором хімії і професором фізики Паризького університету. З 1832 р, працював професором хімії в Паризькому ботанічному саду. Виконав основоположні дослідження в галузі вивчення властивостей газів ( пари, теплового розширення. У результаті виконаних у 1807 р. дослідів Гей-Люссак уперше прийшов до висновку про зниження температури повітря внаслідок його розширення при відсутності теплообміну та підвищення температури повітря при стисканні. У 1824—1832 рр. Гей-Люссак виконав важливі роботи, що поклали початок об'ємному аналізу. Сконструював кілька приладів, зокрема барометр, спиртометр, термометр та ін., які дістали широке практичне застосування. Був обраний членом багатьох зарубіжних академій і наукових товариств, зокрема почесним членом Перебурзької Академії наук.
Джоуль Джеймс Прескотт — англійський фізик, член Лондонського королівського товариства. Народився у Солфорді, здобув домашню освіту. Уроки з фізики давав йому Дж. Дальтон, під впливом якого він почав експериментальні дослідження в галузі електромагнетизму, теплоти тощо. Одночасно займався конструюванням електричних приладів. Джоуль виконав основоположні роботи в галузі електромагнетизму і теплоти, у ствердженні закону збереження енергії. Протягом 1843—1850 рр. учений провів класичні експерименти на встановлення взаємозв’язку між переданою теплотою і виконаною механічною роботою. У 60—70-х роках, будучи прихильником кінетичної теорії теплоти і кінетичної теорії газів, пояснив тиск газу на стінки посудини, обчислив швидкість руху газових молекул і встановив її залежність від температури та експериментально дослідив ряд інших важливих проблем. Зокрема, встановив явище магнітного насичення, обчислив термодинамічну температурну шкалу тощо.
Клаузіус Рудольф — німецький фізик, один з творців термодинаміки й кінетичної теорії газів. Народився у Кесліні. Закінчив у 1348 р, Берлінський університет. З 1855 р. був професором Цюріхського університету, з 1867 р.— Вюрцбурзького, а з 1869 р.— Боннського університету. Р. Клаузіус виконав важливі дослідження в галузі термодинаміки. У праці «Про рушійну силу тепла» (1850), користуючись уявленням про необоротність реальних процесів і запровадивши поняття зведених теплот, обгрунтував специфічні особливості теплового руху і так сформулював другий закон термодинаміки: теплота не може сама собою перейти від більш холодного тіла до більш гарячого. Разом з тим підкреслив, що другий закон, хоч с і самостійним законом, але водночас — і необхідне доповнення до першого закону. Значний вклад зробив Клаузіус у кінетичну теорію газів. Запровадивши тут статистичні уявлення, ввів поняття ідеального газу, довжину вільного пробігу молекул та обчислив її, перший теоретично обчислив величину тиску газу на стінки посудини. Р. Клаузіус — автор численних наукових праць. Його твір «Механічна теорія теплоти» вміщений у збірнику «Другий закон термодинаміки» (М.—Л., 1934), а «Кінетична теорія газів» і «Про розміри і взаємні відстані молекул»—у збірнику «Засновники кінетичної теоріі матерії» (М.—Л., 1937). Був обраний членом ряду академій і наукових товариств.
Карно Нікола Леонар Саді —французький фізик та інженер, один з основоположників термодинаміки. Народився в Парижі. Закінчивши в 1814 р. Політехнічну Паризьку школу, дістав призначення в інженерні війська, де прослужив до 1828 р. У 1824 р. опублікував працю «Міркування про рушійну силу вогню та про машини, здатні розвивати цю силу», в якій уперше проаналізував роботу ідеальної теплової машини (пізніше її цикл назвали циклом Карно) і визначив її ККД на основі сформульованої ним теореми, що дістала назву теореми Карно. Згідно з цією теоремою, ККД циклу Карно не залежить від природи робочого тіла й повністю визначається граничними температурами, між якими машина працює. Праця Карно відіграла важливу роль у розвитку наукових основ теплотехніки. Вона допомогла зрозуміти, що для підвищення ККД теплових машин треба розширювати температурні межі, між якими проходить цикл робочого тіла, а заміна одного робочого тіла іншим не може дати ніякої користі. Карно гідно оцінив і продовжив у 1834 р. французький учений П, Кла-пейрон, який уперше в науці застосував графічний метод — метод індикаторних діаграм для графічного зображення робочих циклів. Карно «Міркування про рушійну силу вогню та про машини, здатні розвивати цю силу» була видана російською мовою вперше в 1923 р., а потім у збірнику «Другий закон термодинаміки» (1934).
Рудольф Дизель. Нечасто зустрінеш дорослу людину, яка б не чула слово «дизель», але рідко хто пов'язує з цим терміном конкретну людину, А така людина була, до того ж це був геніальний інженер-винахідник. Німець за походженням, він народився в Парижі, любив і добре знав це місто. Батько, палітурник, відсилав хлопчика Рудольфа, щоб той розносив книжки і журнали за різними, навіть досить віддаленими адресами. Вони жили, як і тисячі парижан, згідно з «формулою»: сьогодні праця — завтра хліб. Коли розпочалась франко-пруська війна, хлопчику було 12 років, і він дуже гостро відчув, що таке національна ворожнеча.
Батько умовляє сина Рудольфа їхати до Германії, де жив його дядько. Життя вимагало від Рудольфа Дизеля самостійності, наполегливості, дисциплінованості і сумлінності. Таким він і був, що дало йому змогу стати першим учнем реального училища, а потім і учнем технічної школи.
Випадок звів його з професором Лінде, який і запросив Рудольфа до Вищої технічної ніколи Мюнхена.
Навесні 1878 року (Дизелю 20 років) сорок п'ять лекційних хвилин визначили зміст всього життя студента. Професор Лінде читав лекцію про термодинамічний цикл Карно. Рудольф написав на полях студентського зошита: «Вивчити можливості застосування ізотерми на практиці!». Цьому і присвятив він все своє життя.
Рудольф Дизель переконався, як важко одержати високий тиск у двигуні, як важко здійснити згоряння палива у бажаному режимі, але він ще не знав, що значно важче одержати гроші від капіталіста Крупна, який з недовірою поставився до запропонованої ідеї. І все ж таки наполегливість Дизеля і бажання Крупна отримати прибутки перемогли.
Рудольф Дизель працював завзято і продуктивно. За добу у нього було два робочі дні: перший робочий день розпочинався дуже рано, а другий — після обіду і короткого сну.
Перше випробування двигуна закінчилося досить швидкою аварією, і Дизель випадково залишився живим. Він ще наполегливіше продовжує працювати, і через сім місяців розпочинається випробування нового, удосконаленого двигуна.
Пішли чутки, що генеральний англійський штаб збирається викупити за велиеі гроші у Р Дизеля креслення для виготовлення двигуна. Потужний двигун потрібний був для військових кораблів, а потім і для танків.
Пароплав «Дрезден» тримав орієнтир на Лондон. У ресторані пароплава бесіду вели троє – Рудольф Дизель і бельгійські інженери, які також їхали на промислову виставку.
Опівночі розійшлися, домовившись вранці знову зустрітися тут же за сніданком і продовжити розмову.
Здивовані бельгійці не дочекалися цього талановитого і завжди підкреслено пунктуального інженера-винахідника.
Попросили офіціанта розбудити Дизеля. Офіціант швидко повернувся і повідомив, що в каюті пана Дизеля немає, і все свідчить про те, що він там і не ночував. Через час рибалки виловили тіло мертвого вельможі. Чорний фрак міцно обтягував мертве тіло, а на загнутих пальцях відсвічували каблучки з діамантами. Це був Рудольф Дизель.
Таємниця загибелі залишилась офіційно не розкритою, але всім було зрозуміло, що німецька військова розвідка відпрацювала бездоганно, якщо можна так сказати стосовно цієї трагедії.
Не треба забувати, що за дизелем (з маленької букви) завжди буде стояти Дизель!
Матеріали для технічної паузи
Деякі види теплових машин
Двигун внутрішнього згорання (ДВЗ).
Чотиритактний ДВЗ складається з одного чи кількох циліндрів. Розглянемо дію найпростішого одноциліндрового чотиритактного двигуна внутрішнього згоряння. Всередині кожного циліндра переміщається поршень (мал.), з'єднаний з кривошипно-шатунним механізмом, на колінчастий вал якого насаджено маховик. Розподільний пристрій у відповідні моменти відкриває і закриває клапани — впускний 1, через який в циліндр засмоктується пальна суміш, і випускний 2, з'єднаний з атмосферою. Для запалювання пальної суміші на електроди свічки С, вставленої в циліндр, подається висока напруга, і між ними проскакує іскра.
Розглянемо принцип роботи чотиритактного двигуна. В першому такті в результаті руху поршня вниз відбувається всмоктування через відкритий впускний клапан пальної суміші, випускний клапан закритий. Здійснюючи зворотний рух, поршень у другому такті стискає (обидва клапани закриті) пальну суміш, яка при цьому нагрівається. Коли поршень піднімається майже до крайнього верхнього положення, стиснута пальна суміш загоряється від електричної іскри. Розжарені гази — продукти згоряння пальної суміші — тиснуть на поршень і штовхають його вниз. Рух поршня передасться шатуну, а через нього колінчастому валу з маховиком, і поршень виконує корисну роботу. Діставши сильний поштовх, маховик продовжує обертання за інерцією і переміщає з'єднаний з ним поршень під час наступних тактів. Таким чином, цей (третій) такт є єдиним робочим тактом із чотирьох. До моменту, коли поршень досягає крайнього нижнього положення, гази сильно охолоджуються під час розширення і тиск в циліндрі падає до (2—3) • 105 Па. Обидва клапани протягом третього такту залишаються закритими. Нарешті, в четвертому такті поршень повертається в крайнє верхнє положення, виштовхуючи відпрацьовані гази через випускний клапан, який в цей час відкривається (впускний клапан закритий).
Широке розповсюдження таких двигунів зумовили мала маса, компактність, порівняно високий ККД (температура в циліндрі під час згоряння палива досягає 1500 0С; отже, теоретичний ККД дорівнює 80%, практично ККД цього двигуна близько 30%). ДВЗ цього типу будують потужністю від 0,37 до 440 кВт. Але вони не позбавлені й істотних недоліків: працюють на дорогому високоякісному паливі, складні за конструкцією, мають дуже велику швидкість обертання вала двигуна, їх вихлопні гази забруднюють атмосферу тощо.
Дизельний двигун внутрішнього згорання.
Економічнішим є чотиритактний дизельний двигун внутрішнього згоряння. Він працює на дешевих сортах рідкого палива і позбавлений більшості вказаних вище недоліків. Особливості його роботи такі. Під час ходу поршня вниз через впускний клапан в робочий циліндр засмоктується не пальна суміш, а атмосферне повітря. При дальшому обертанні маховика поршень під час зворотного руху вгору адіабатно стискає повітря в циліндрі (впускний клапан закритий) до тиску приблизно 1,2∙106 Па, що веде до підвищення його температури в кінці цього такту до 500—700 0С. У стиснуте й розжарене повітря впорскується за допомогою паливного насоса і форсунки дизельне паливо; воно загоряється і горить значно довше за бензин. Гази, які утворюються при цьому, тиснуть на поршень і виконують корисну роботу протягом всього руху поршня вниз. Тиск газу під час розширення підтримується приблизно сталим. Після закінчення горіння впорснутої порції палива відбувається розширення газу і, нарешті, відкривається випускний клапан. Тиск падає. За час зворотного руху поршень виштовхує продукти згоряння в атмосферу, і на цьому цикл завершується. ККД цього двигуна становить близько 40 %.
Дизельні двигуни встановлюють на тракторах і автомобілях, тепловозах, електростанціях невеликої потужності.
Парові турбіни.
Головною робочою частиною турбіни є ротор — закріплений на валу диск з лопатками по його ободу. Пара від парового котла спрямовується через спеціальні канали (сопла) на лопатки ротора. В соплах пара розширюється, тиск її падає, але зростає швидкість витікання, тобто відбувається перетворення внутрішньої енергії пари в кінетичну енергію струмини.
Парові турбіни бувають двох типів: турбіни активної дії, обертання роторів яких відбувається в результаті удару струмини пари об лопатки, і турбіни реактивної дії, в яких лопатки розміщені так, що пара, вириваючись зі щілин між ними, створює реактивну тягу.
Найпростіша турбіна активної дії складається з насадженого на вал одного ротора і тому називається одноступеневою. Проти зігнутих стальних лопаток розміщене одне (або кілька) сопло . Корпус турбіни забезпечений випускним патрубком . У такій турбіні пара розширюється тільки в каналі сопла. Міжлопаточні канали сопла мають сталий переріз, і пара, яка проходить ними, не розширюється, а тільки змінює напрям руху, діючи на лопатку з деякою силою. Ця сила змушує ротор і вал обертатися, виконуючи роботу за рахунок кінетичної енергії пари.
Одноступеневі турбіни мають низький ККД, їх будують лише малої потужності для приведення в рух невеликих машин. Сучасні потужні турбіни роблять багатоступеневими, тобто ротори таких турбін мають кілька рядів робочих лопаток, розділених нерухомими перегородками.
До позитивних якостей парової турбіни слід віднести швидкохідність, компактність, значну потужність і велику питому потужність (потужність, яка припадає на одиницю маси двигуна). ККД парових турбін досягає 25 %. Недоліками їх є інерційність (значний час для пуску й зупинки), неможливість регулювання швидкості обертання в широких межах, відсутність зворотного ходу.
Газові турбіни.
Перспективний двигун — газова турбіна. Працює вона аналогічно паровій, але робочим тілом в ній служить розжарений газ. Оскільки його температура значно вища за температуру пари, ККД газової турбіни набагато перевищує ККД парової, досягаючи 60—65 %. Великою перевагою газових турбін перед паровими є відсутність громіздкої котельної установки, що дає змогу застосовувати їх не тільки для вироблення електроенергії на теплових і атомних електростанціях, а й на транспорті. Як двигуни газові турбіни встановлюються на автобусах і в потягах (газотурбовоз), на кораблях. Особливо широко застосовуються газотурбінні двигуни в авіації.
Реактивні двигуни.
Теплові двигуни, які використовують реактивну тягу витікаючих газів. Паливо в них згоряє в спеціальних камерах, і тому їх підносять до ДВЗ.
Один з найпростіших за конструкцією - прямоточний повітряно-реактивний двигун. Він є трубою, в яку зустрічний потік нагнітає повітря, а рідке паливо впорскується в неї і підпалюється. Розжарені гази вилітають із труби з великою швидкістю, надаючи їй (за законом збереження імпульсу) реактивної тяги. Недоліком цього двигуна є те, що для створення тяги він має рухатися відносно повітря, тобто самостійно злетіти він не може, його треба спочатку розігнати за допомогою двигуна іншого типу. Прямоточний повітряно-реактивний двигун ефективно працює на швидкостях порядку 2000— 3000 км/год, а найбільшу силу тяги розвиває за швидкості 6000— 7000 км/год.
Якщо в реактивному двигуні є турбіна, яка працює за рахунок енергії витікаючої струмини газів, і компресор, який всмоктує повітря і нагнітає його в камеру згоряння, то такий двигун називають турбокомпресорним Під час запуску двигуна стартер починає обертати вал, на якому розміщені турбокомпресор і газова турбіна. Через забірник стискуване турбокомпресором повітря потрапляє в камеру згоряння, куди вбризкується паливо. Тут воно підпалюється, продукти згоряння, пройшовши через газову турбіну, яка обертає компресор, витікають через сопло, створюючи реактивну тягу.
Залежно від розподілу потужності ці двигуни поділяють на турбореактивні і турбогвинтові. В турбореактивних менша частина енергії пального йде на обертання газової турбіни (яка приводить у дію тільки компресор), а більша частина створює реактивну тягу. У турбогвинтових, навпаки, більша частина енергії палива витрачається на обертання газової турбіни, яка, крім компресора, обертає і повітряний гвинт (пропелер), а менша частина енергії йде на створення реактивної тяги.
Застосування теплових машин і проблеми охорони навколишнього середовища
Теплові машини широко використовуються в народному господарстві. Залізничними магістралями водять состави потужні тепловози, водними шляхами — теплоходи. Мільйони автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння перевозять вантажі й пасажирів. Поршневі, турбогвинтові та турбореактивні двигуни встановлені на літаках і вертольотах. За допомогою ракетних двигунів здійснюються запуски штучних супутників, космічних кораблів і станцій. Двигуни внутрішнього згоряння є основою механізації виробничих процесів у сільському господарстві, їх використовують на тракторах, комбайнах, самохідних шасі, насосних станціях.
Найбільше значення має використання теплових двигунів ( в основному потужних парових турбін) на теплових електростанціях, де вони приводять в рух ротори генераторів електричного струму. Понад 80 % усієї електроенергії в нашій країні виробляється на теплових електростанціях. Теплові двигуни — парові турбіни— встановлюють також на атомних електростанціях. На цих станціях для одержання пари високої температури використовується енергія атомних ядер.
Для спалювання палива в теплових машинах витрачається велика кількість кисню. На згоряння різноманітного палива витрачається від 10 до 25 % кисню, який виробляють зелені рослини.
Теплові машини не тільки спалюють кисень, а й викидають в атмосферу еквівалентні кількості оксиду карбону (вуглекислого газу). Згоряння палива в топках промислових підприємств і теплових електростанцій майже ніколи не буває ніжним, тому відбувається забруднення повітря золою, пластівцями сажі. Нині в усьому світі енергетичні установки викидають в атмосферу щороку 200—250 млн тонн золи і близько 600 млн тонн оксиду сульфуру (SО2). Повітря забруднюють і різні види транспорту, насамперед автомобільний. Жителі великих міст задихаються від вихлопних газів автомобільних двигунів.
У всіх країнах світу з розвинутою промисловістю ведуться роботи щодо зниження і повної ліквідації забруднення повітря. На теплоцентралях і теплових електростанціях встановлюють газоочисне і пилоуловлююче обладнання, а самі станції розміщують за межами міст, між станціями і селищами створюють зелені зони.
Інтенсивні роботи ведуться зі зниження забруднення повітря вихлопними газами автомобільних двигунів: на них встановлюють фільтри; опрацьовують зразки газотурбінних, роторних і навіть парових двигунів. Тепер уже не допускаються до експлуатації автомобілі з підвищеним вмістом угарного газу (СО) у відпрацьованих газах. Найперспективнішими вважаються електромобілі й автомобілі з двигунами на водні, продуктом згоряння яких є звичайна вода. В багатьох країнах створені і випробовуються автомобілі з електричними і водневими двигунами.
