0: Сегодня мы снова поговорим о том, о чем говорили достаточно давно, об энергии. Что такое энергия.
1: Если тело обладает энергией, что это означает?
2: Это способность способность совершать, что, пожалуйста, способность совершать работу за счёт энергии может совершаться работа. И мы с вами уже с такими ситуациями сталкивались.
3: Например, если вам нужно забить гвоздь, нужно совершить работу по забиванию гвоздя. Вы же не будете давить на молоток, да, этого недостаточно, нужно разогнать молоток. То есть вы энергию.
4: Движущегося тела при забивании гвоздя превращаете в механическую работу. Как называется энергия движущегося тела, кинетическая энергия, кинетическая энергия. Правильно бывают ситуации, когда в механическую работу превращается и в потенциальная энергия.
5: Вы видели когда-нибудь водяную мельницу, за счёт какой энергии вращается колесо водяной мельницы?
6: Что с водой при этом происходит? Она, она скатывается с плотины, значит, поднятая вода опускается, значит, её потенциальная энергия, энергия взаимодействия с землёй уменьшается. Совершается механическая работа, это
7: Отличное устройство, которое способно совершать работу, но при этом 1 вид энергии механической превращается в работу в 1 случае в моём примере кинетическая, в другом потенциальная, а мы с вами познакомились уже.
8: При изучении тепловых явлений и с другим видом энергии, который не относится к механическим, как он называется, тепловая или внутренняя внутренняя энергия. А нельзя ли превратить внутреннюю энергию в
9: Механическую работу. Кстати, обратный процесс мы с вами легко можем провести. Помните, я вам говорил, давайте потрём ладошки, что с ними происходит? Они нагреваются. Значит, за счёт совершения механической работы увеличивается внутренняя энергия ладошек.
10: Допустим, вы едете с горы на велосипеде, и вы тормозите. Если вы пощупаете диски тормозные, вы заметите, что они очень сильно нагреваются, значит, энергия потенциальная. Вы же скатываетесь с горы превра.
11: Превращается в тепловую, во внутреннюю. Или же, если вы просто разогнались по горизонтальной поверхности, тормозите, все равно тормоза нагреваются. А вот нельзя ли превратить внутреннюю энергию, тепловую энергию, например, энергию, заключённую в
12: Топливе в механическую работу. Об этом мы и начинаем наш разговор. Тема сегодняшнего урока звучит так тепловые двигатели.
13: Тема тепловые двигатели точка коэффициент поле.
14: Действия кпд теплового.
15: Двигателя.
16: Тепловые двигатели, коэффициент полезного действия теплового двигателя, домашнее задание конспект сего.
17: Сегодня вы услышите от меня и увидите больше, чем в учебнике, и, кроме того, по бажиновой.
18: Параграф 42 там же после этого параграфа упражнение 42 на странице 213.
19: Сделайте задание номер 1, 2 и 3, 1, 2 и 3. Кроме того, в задачнике лукашика.
20: Выполните упражнение, начиная с 1126 и заканчивая 1128. Это вопросы на них ответить нужно, естественно, письменно.
21: Это на завтра.
22: Ну а теперь давайте попробуем каким-то образом за счёт внутренней энергии совершить работу. Для этого воспользуемся следующей установкой. У меня есть пробирка, она
23: Пока пустая, сейчас мы нальём туда воды.
24: Неполную где-то.
25: Это даже много, вот так зажмём её в штатив.
26: Заткнём пробкой.
27: И снизу разместим горелку, разместим горелку вот так, чтобы вам было лучше видно. Давайте разделим кадр, чтобы было видно крупным планом, что делается.
28: Вот так.
29: Итак, пробка затыкает пробирку.
30: Можно даже крупнее немножко дать.
31: Пробка сама не вылетит.
32: Но мы попробуем заставить эту пробку вылететь таким образом. Сейчас мы зажигаем газ, и за счёт внутренней энергии Газа будет нагреваться вода. Если вода закипит, то она начнёт превращаться в
33: Пар. Ну и посмотрим, чем это кончится.
34: Я всегда немножко побаиваюсь проводить этот опыт, потому что за много лет его проведения было всякое, но будем надеяться, что все кончится хорошо.
35: Вода уже начинает нагреваться и, видно, появились пузырьки. Сначала это растворённый воздух, потом это уже будут пузырьки пара.
36: Вот вот, вода закипит.
37: Вот она уже закипела. Так я так немножко отойду на всякий случай.
38: Получилось. Итак, давайте посмотрим, что же у нас произошло.
39: Вон вся доска мокрая, ну что, сотрём с доски эту влагу и нарисуем схему нашего опыта.
40: У нас есть пробирка.
41: Заткнутая пробкой.
42: Здесь находится вода под водой нагреватель. Вы слышите это слово нагреватель. Это важное слово.
43: Далее, когда мы нагревателем нагреваем воду, она превращается в пар.
44: Пар все сильнее и сильнее давит на пробку, и кончается это тем, что пробка вылетает, пробка, которая раньше была неподвижна, приобретает кинетическую энергию, за счёт чего?
45: За счёт работы, силы, давления, значит, нам удалось провести целую цепочку преобразований энергии. Нарисуем эту пробку, которая со Страшной скоростью вылетела.
46: Клубы пара.
47: И посмотрим, с чего все началось, где хранилась сначала энергия и куда она потом девалась. Итак, преобразование энергии.
48: Вот здесь энергия содержится.
49: Там газ. Внутри содержится это внутренняя энергия топлива, внутренняя энергия топлива.
50: Топливо.
51: Что потом было, когда мы нагревали воду? Работа совершалась какая-то, да? А что там двигалось? Если работа, значит, что-то двигается. А можно ли менять внутреннюю энергию без совершения работ?
52: Как это нельзя? Как называется способ изменения внутренней энергии без совершения работы? Теплопередача сам себя поправил. Молодец. Значит, в результате теплопередачи увеличилась внутренняя энергия воды.
53: Молекулы воды движутся все быстрее и быстрее. И вот те молекулы, которые находятся у поверхности воды, уже не могут удержаться. Их выбрасывает из воды, они превращаются в молекулы пара. Мы наблю.
54: Наблюдаем парообразование. В нашем случае это кипение, значит, молекулы воды превращаются в молекулы пара, и они обладают даже большей внутренней энергией, потому что мы подводили тепло и за счёт теплоты.
55: Парообразование даже при той же самой температуре внутренняя энергия пара больше, чем внутренняя энергия воды, внутренняя энергия пара.
56: В результате этого пар настолько сильно начал давить на пробку, что пробка не могла уже удержаться силами трения и пришла в движение пар давит, пробка движется, если на тело действует силой.
57: Тело движется, то сила совершает работу. Значит, вот это самое интересное работа. Я прям цветом выделю. Это ж наша цель. Мы хотим этого достигнуть. Работа пара.
58: Ну и эта работа пошла на увеличение кинетической энергии пробки. Это уже механическая энергия, кинетическая.
59: Пробки вот какая цепочка. И вот нам хотелось бы на профессиональном уровне научиться преобразовывать внутреннюю энергию топлива.
60: В механическую работу. Вот цель, которую мы перед собой ставим, нам это удалось.
61: В этом опыте, конечно, удалось, но только у этого устройства есть 1 недостаток. Вот я сейчас не знаю даже, где эта пробка. Кстати, да. Ну хорошо, пусть пока лежит, значит, чтобы эту систему при
62: Ввести в действие нужно очень много дополнительных действий провести. Нужно опять залить воду, да, нужно найти пробку, вставить её. То есть фактически это устройство однократное. Нам же нужно, чтобы это устройство могло
63: Работать без нашего участия, чтобы мне не надо было искать пробку, чтобы оно все само происходило многократно. В таком случае говорят, что это устройство циклическое и вот циклическое устройство или циклически действующее устройство.
64: Преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу называется тепловым двигателем. Давайте запишем это определение тепловым двигателем называется тепловым двигателем.
65: Называется циклически работающее устройство. Тепловым двигателем называется циклически работающее устройство. Пре.
66: Образующее внутреннюю энергию топлива, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу, циклически работающее устройство при
67: Образующая внутреннюю энергию топлива в механическую работу.
68: Какие же составные части образуют тепловой двигатель?
69: Обязательно. Вот это, это устройство, которое нагревало у нас воду, впоследствии превратившуюся в пар. Следовательно, 1 из составных частей обязательных, это нагреватель, то есть тело с
70: Высокой температурой. Составные части
71: Теплового двигателя.
72: 1 нагреватель.
73: Или, другими словами, тело с высокой температурой.
74: Что значит высокой? Пока что я не скажу об этом, мы узнаем чуть позже. Дальше что у нас выталкивало пробку, что совершало работу? У нас сила давления, сила давления совершала.
75: Работу, а она за счёт, за счёт чего возникла пара, за счёт пара, говорят, сила, ну, строго говоря, сила давления пара совершала работу. Но можно также сказать, что пар совершил работу. Пар. Это тело, тело, газообр.
76: Разное, оно и называется рабочим телом, значит, обязательная часть любого теплового двигателя рабочее тело.
77: Рабочее тело это может быть все что угодно. Это может быть и твёрдое тело. Есть такие двигатели. Сегодня я в конце урока покажу вам 1 такой. Это может быть и жидкость, но лучше
78: Всего, если это будет газ или пар, то есть тело в газообразном состоянии. Как вы думаете, почему?
79: Маленькая масса, ребята, для того, чтобы совершалась работа, нужно, чтобы перемещение было побольше. Когда вы нагреваете твёрдое тело, оно чуть чуть удлиняется. Так твёрдые тела очень слабо расширяются.
80: При нагревании жидкости уже получше, а вот газы отлично расширяются, они отлично расширяются. Они могут, например, толкать какой-то поршень. В нашем случае это была пробка. И совершать работу, значит, лучше всего, чтобы это был пар или
81: Газ лучше всего.
82: Пар или газ. Может хватит, может этого достаточно, но сейчас вы увидите, что этого недостаточно. Давайте здесь нарисуем трое.
83: И поставим вопросительный знак и попробуем выяснить, достаточно ли этих 2 составных частей для того, чтобы, ну, подождите, у нас же уже совершалась работа, когда из пробирки
84: Летала пробка, а там было только 2 составных части.
85: Вроде достаточно, но у нас было однократное устройство, однократное действие, а нам нужно циклическое устройство. Вот, чтобы циклическое устройство создать, нужно ещё кое-что. Давайте попро.
86: Попробуем разобраться, что же нам для этого нужно, что ты думаешь, что-то, что будет сбрасывать рабочее тело в исходное состояние. Правильно? Нужно что-то, чтобы это исходное состояние рабочего тела восстановить. Давайте сейчас с вами сконструи.
87: Тепловой двигатель, устройство, циклически работающее, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую работу. Эта работа будет работа по подниманию Шариков на некоторую высоту. Я освобожу себе место на доске.
88: Но мы с вами помним про этот вопросительный знак и вот давайте создадим
89: Тепловой двигатель, он должен поднимать шарики на некоторую высоту. Мы уже знаем, что лучше всего в качестве рабочего тела использовать газ или пар. Возьмём воздух, заключим воздух в цилиндр и сверху накроем его.
90: Поршнем внизу и справа оставьте себе место. Вот эта ширина вашего листочка пусть будет. Итак, вот цилиндр.
91: В нём вставлен поршень.
92: А здесь у нас воздух, воздух голубенький, да?
93: Это рабочее тело.
94: Теперь давайте будем поднимать шарики, которые находятся вот на этой полочке. Пусть их здесь у нас 2 и их надо поднять. Вот.
95: На такую высоту.
96: Для того, чтобы шарик не упал туда на поршень, мы снабдим поршень вот таким вот стержнем, а здесь устроим полочку.
97: И давайте вкатим шарик на полочку.
98: Ну, вы можете сказать, что при этом опустится эта площадка. Ну, можно, чтобы она не опустилась здесь ограничитель поставить какой-нибудь вот такой, это уже технические тонкости вкатили шарик. Теперь нам нужно его поднять. Мы
99: Хотим его поднять за счёт внутренней энергии топлива. Значит, нам нужен нагреватель. Повторим этот рисунок ещё раз. Их всего будет 3. Вот.
100: Цилиндр.
101: Вот поршень, который должен подняться.
102: Вот он поднялся, вот исходное положение, где находятся шарики, там он уже 1 остался у нас, а этот шарик уже поднялся наверх. И вот он.
103: Достиг нужной высоты.
104: Теперь его можно беспрепятственно вот сюда переместить, но для того, чтобы это произошло, необходимо, чтобы воздух расширился, а для этого мы его, как вы уже поняли, нагреем нагревателем.
105: Нагреватель.
106: И вот начинается самое важное. Нам нужно этот поршень вернуть в исходное состояние. Нарисуем эту систему ещё раз, 3 раз.
107: Поршень нужно вернуть на место.
108: 1 шарик у нас уже наверху.
109: А этот ждёт своей очереди.
110: Как вернуть поршень на место?
111: Охладить. Илья предлагает охладить. А можно я просто надавлю?
112: Можно, можно, да, можно я надавлю, но когда я буду давить и перемещать поршень, я ж буду работу совершать. Так надо, чтобы она совершала работу. Это тепловая машина, а не я совершал, поэтому надавить.
113: Не поможет, что Антон думает выпустить лишний газ, выпустить газ, да, можно открыть, но тогда тебе потом придётся его опять накачивать. Тоже не подходит. Ну, все-таки от ильи никуда не денешься. Придётся. Ах.
114: Хладить это рабочее тело, возьмём тазик с водой.
115: С холодной водой. И устройство это мы назовём охладителем.
116: Иногда его называют холодильником, но это не совсем корректное название. Правильнее называть охладителем. Если я буду говорить холодильник, это тоже правильно. Ну, просто, когда говоришь холодильник, все представляют собой шкаф, стоящий на кухне белого цвета. Итак, давайте раз.
117: Берёмся. Когда мы привели в соприкосновение рабочее тело с охладителем, то температура понизилась, значит, температура охладителя должна быть меньше, чем температура.
118: Нагревателя. И теперь мы можем вспомнить, что имелось ввиду, когда я говорил, что нагреватель это тело сббол с высокой температурой, температуру нагревателя мы назовём т. 1. Температуру охладителя мы назовём т. 2,
119: 2 для того, чтобы машина работала, нагреватель должен иметь большую температуру, чем охладитель необходимо
120: Т. 1. Больше. Т. 2. Теперь посмотрите, что происходит. Попробуем навести энергетическую бухгалтерию, когда нагреватель на
121: Гревает рабочее тело, он передаёт рабочему телу какое-то количество теплоты. Давайте обозначим его ку 1.
122: Когда рабочее тело, уже нагретое нагревателем, охлаждается, оно передаёт охладителю количество теплоты, которое мы обозначим ку 2. И так как это количество теплоты от
123: Даваемая то ку 2 с минусом. Вот, значит, от нагревателя получено ку 1 в холодильник или в охладитель возвращено ку 2. И в результате мы вернулись
124: В исходное состояние. То есть у нас произошёл рабочий цикл. Нам удалось создать циклическое устройство по преобразованию внутренней энергии топлива в механическую работу.
125: Рабочий цикл, где совершалась работа. Работа совершалась вот на этой стадии, когда нагреватель передавал количество теплоты.
126: Рабочему телу. Давайте попробуем теперь выяснить, от чего зависит эта работа. А раз так, то можно будет кое-что сказать и о коэффициенте полезного действия теплового двигателя. Помните?
127: Вопросительный знак, который остался у нас, пункт 3. Значит, мы зачёркиваем этот вопросительный знак и пишем слово охладитель без охлади.
128: У нас не получится циклическая система, получится однократное устройство вроде того, что я вам демонстрировал. Ну а теперь?
129: За счёт чего совершается работа за счёт внутренней энергии топлива? А теперь поговорим об эффективности превращения внутренней энергии топлива в механическую работу другими.
130: Словами о кпд коэффициенте полезного действия теплового двигателя.
131: Коэффициент полезного действия, уже знакомая нам величина это отношение полезной работы к затраченной энергии. Работа, которая совершена тепловым двигателем. Пусть у нас будет обозначена буквой а.
132: Работа, совершенная двигателем.
133: За счёт чего эта работа?
134: Производится за счёт внутренней энергии из всех тех величин, которые я уже здесь показывал на доске, какая величина является затраченной энергией.
135: Q 1 количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя, как правило, это теплота сгорания, в нашем случае это количество теплоты, полученное рабочим телом от нагревателя.
136: Получено от нагревателя.
137: А мы можем как-то связать работу, которая совершена рабочим телом?
138: С количеством теплоты, которая бесполезно выброшена в холодильник.
139: Смотрите, вот рабочее тело.
140: Оно получает от нагревателя.
141: Количество теплоты q 1.
142: Оно, оно совершает работу, но ему приходится в качестве, так сказать, налога для обеспечения цикличности процесса отдать что-то охладителю. Это у нас ку 2 минус.
143: Охладитель энергия не исчезает бесследно энергия, полученная от нагревателя, равна энергии, которая бесполезная плюс.
144: Работа, следовательно, работа, совершенная тепловым двигателем, это разница между количеством теплоты, полученным от нагревателя, и количеством теплоты без
145: Дарно выброшенным в холодильник. Ну, я преувеличиваю насчёт бездарно. Без этого же цикличности не будет. А тогда смотрите, что получается. Попробуем подставить эту работу в формулу для коэффициента полезного действия.
146: У нас получится коэффициент полезного действия равен вот этой работе.
147: Ку 1 минус ку 2 минус разделить на ку 1.
148: Теперь давайте поделим почлена числитель на знаменатель q 1 делить на ку 1 это сколько единица значит получается, что будет у нас единица минус ку 2 me.
149: Делённое на ку 1. И вот такая новость мы с вами видим однозначно, что коэффициент полезного действия не может быть равен единице даже
150: Если нет никакого трения.
151: Нельзя. Не получится вот это утверждение, что нельзя полностью в циклическом процессе превратить количество теплоты, полученное от нагревателя в механическую работу. Это 1 из фундаментальных законов природы потом
152: В 10 классе вы узнаете, что он называется 2 начало термодинамики, но
153: Ничего не поделаешь. Закон сохранения энергии выполняется, но это ещё 1 ограничение, которое необходимо, чтобы обеспечить цикличность процесса. Естественно, возникает вопрос если нельзя получить единицу.
154: То, как хотя бы приблизиться к единице здесь пока что вам придётся поверить мне на слово коэффициент полезного действия, тем больше.
155: То есть тем ближе к единице, чем выше температура нагревателя, выше т. 1 температура нагревателя, и ещё он тем больше.
156: Чем ниже температура холодильника охладителя. То есть если вы хотите получить тепловой двигатель с максимальным коэффициентом полезного действия, вам нужно сделать максимум для
157: Того, чтобы увеличить температуру нагревателя и для того, чтобы уменьшить температуру охладителя, скажите, пожалуйста, вы можете неограниченно увеличивать температуру нагревателя? Нет материалы, из которых
158: Сделан тепловой двигатель, не смогут выдержать эту высокую температуру. Это 1 ограничение. А вы можете неограниченно понижать температуру охладителя. Вы слышали, наверное, такое понятие, как абсолютный 0? Это когда все молекулы
159: Останавливаются. Но дело в том, что можно, конечно, приближаться к абсолютному нулю сколь угодно близко, но для этого нужны очень и очень большие затраты энергии. А нам надо даром.
160: Тогда что может служить холодильником то, что нас окружает окружающая среда, а температуру ниже, чем температуру окружающей среды. То есть, грубо говоря, комнатной температуры мы получить не можем, поэтому коэффициенты полезного действия тепловых двиг
161: Двигателей обычно лежат в пределах, ну, лучшие образцы это 20%, 40%, но это современных тепловых двигателей, двигателей, внутреннего сгорания дизелей.
162: Турбин, на следующем уроке мы с вами поговорим о конкретных тепловых двигателях. А сейчас в заключении я хочу вам показать 1 экзотический тепловой двигатель, где рабочим телом является обыкновенная резина. Знаете, продают
163: Резиновые жгуты. Так вот, наши ребята много лет назад участвовали в турнире юных Физиков международном и изготовили такой резиновый тепловой двигатель. Сейчас я вас с этим двигателем познакомлю.
164: Ну, это был международный турнир, поэтому на английском резиновый тепловой двигатель, оказывается, резина обладает удивительным свойством. Вот резиновый жгут, на который подвешена гиря.
165: Strelka линейка, видите, против нуля, значит, она отмеряет длину резинового жгута. С помощью газовой горелки мы подогреваем резину аккуратно, чтобы не сжечь, казалось бы, тела.
166: Нагревания расширяются, но резина не такая, она.
167: Становится короче.
168: Вот сейчас вы видели, верхний край груза был на нуле, а сейчас крупно увидите, резинка укоротилась вот уже примерно на полсантиметра и даже больше на целый сантиметр, если мы начнём охлаждать.
169: Резину, например, если на неё просто подуть.
170: То она, охлаждаясь, снова удлинится. И вот на этом принципе был создан резиновый тепловой двигатель, который вы сейчас увидите.
171: Ребята взяли вот такое вот колесо и в качестве спиц натянули резиновый жгут, отцентровали это колесо так, чтобы центр тяжести колеса приходился на ось и вместо Газа ребята нагревали резину.
172: Мощной электрической лампой.
173: Когда резина нагревается, она укорачивается и подтягивает к себе ось, в результате центр тяжести смещается и нарушается равновесие, двигатель начинает вращаться колесо.
174: Приходит во вращение, конечно, оно крутится очень медленно. Конечно, коэффициент полезного действия очень низкий, но здесь есть и нагреватель лампа, и рабочее тело резина, а что служит холодильником воздух, окружающий воздух.
175: Потому что окружающий воздух охлаждает этот двигатель. Вот какие бывают экзотические двигатели.