Работа газа и пара при расширении

В ходе уроков прошлого курса вы познакомились с механической энергией тела: потенциальной и кинетической. В данном разделе появился еще один вид энергии — внутренняя энергия тела. Одной из ее важнейших характеристик является температура. При этом любое тело имеет некоторый запас внутренней энергии.

Топливо обладает огромным запасом внутренней энергии. Оно может быть разным: твердым, жидким или газообразным. При этом главная его особенность в том, что при сжигании топлива выделяется большое количество теплоты.

Развитие наших технологий напрямую зависит от умения использовать эту энергию. На данном уроке мы рассмотрим, каким образом удается превратить внутреннюю энергию топлива в механическую, подойдем к изучению машин, с помощью которых осуществляется это превращение энергии.

Совершение работы паром

Как же мы может использовать внутреннюю энергию некого тела? Смысл в том, чтобы совершить за счет этой внутренней энергии какую-то полезную работу. Например, поднять на определенную высоту большой груз, переместить контейнеры, перевезти вагоны. 

Такая работа будет совершаться за счет механической энергии. Значит, необходимо каким-то образом превратить внутреннюю энергию в механическую.

Рассмотрим очень простой способ. Нальем в сосуд обычную воду и плотно закроем его пробкой. Нагреем воду до кипения (рисунок 1, а).

При кипении в закрытом сосуде активно будет образовываться пар. В какой-то момент под давлением пара пробка выскочит и полетит вверх (рисунок 1, б).

В данном опыте в роли топлива у нас выступала обычная вода. При кипении  часть энергии воды перешла во внутреннюю энергию пара. Пар, расширяясь, совершил работу. Он вытолкнул пробку. 

При этом внутренняя энергия пара перешла в кинетическую энергию пробки.

{"questions":[{"content":"При совершении паром работы [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["его внутренняя энергия уменьшается","его внутренняя энергия увеличивается","часть его внутренней энергии переходит в механическую","его внутренняя энергия не изменяется"],"explanations":["","Внутренняя энергия тела увеличивается, если НАД телом совершают работу.","","Совершение работы и теплопередача - два способа изменения внутренней энергии тела."],"answer":[0,2]}}}]}

Тепловой двигатель

А теперь давайте мысленно заменим сосуд на прочный цилиндр из металла. А пробку заменим на плотно сидящий поршень, который может двигаться вдоль цилиндра. У нас получился простейший тепловой двигатель. В нем внутренняя энергия топлива будет переходить в механическую энергию поршня.

Тепловой двигатель — это машина, в которой внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию.

Такой тепловой двигатель был изобретен в конце XVII века. Создал его шотландский инженер и изобретатель Джеймс Уатт (рисунок 2). Как вы догадываетесь, в дальнейшем этот двигатель совершенствовался огромное количество раз.

{"questions":[{"content":"Тепловой двигатель позволяет преобразовать [[fill_choice-1]] энергию в [[fill_choice-2]].","widgets":{"fill_choice-1":{"type":"fill_choice","options":["внутреннюю","полную","механическую","потенциальную","кинетическую"],"answer":0},"fill_choice-2":{"type":"fill_choice","options":["внутреннюю","полную","механическую"],"answer":2}}}]}

Виды тепловых двигателей

К тепловым двигателям относятся следующие машины: 

• Паровая машина
• Двигатель внутреннего сгорания
• Паровая турбина
• Газовая турбина
• Реактивный двигатель

Все эти машины объединяет один принцип работы. В них энергия топлива сначала переходит в энергию газа или пара. Газ совершает работу. Из-за этого он охлаждается. При этом часть его внутренней энергии переходит в механическую энергию.

{"questions":[{"content":"Газ охлаждается в ходе совершения работы, потому что его внутренняя энергия при этом [[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["уменьшается","увеличивается"],"explanations":["","При увеличении температуры тела, его внутренняя энергия тоже увеличивается."],"answer":[0]}}}]}

В следующих уроках мы рассмотрим два вида тепловых двигателей из всех вышеперечисленных: двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину.