Вивчаємо теплові двигуни й питання теплоенергетики - Засєкіна

• Назад до змісту

Думай

1. На якому малюнку (16.6, а-в) показано схему: 1 — двотактного ДВЗ, 2 — чотиритактного ДВЗ, 3 — чотиритактного дизельного двигуна?

На малюнку а показано схему двотактного ДВЗ. На малюнку б — чотиритактного ДВЗ. На малюнку в — чотиритактного дизельного двигуна.

2. Назви процеси, що відбуваються в чотиритактному ДВЗ. Під час яких тактів роботи чотиритактного двигуна внутрішнього згорання відкриті два клапани? Хоча б один? Обидва закриті?

У чотиритактному ДВЗ відбуваються такі процеси (такти): впуск, стискання, робочий хід і випуск.

• Хоча б один клапан відкритий під час тактів «Впуск» (впускний клапан) і «Випуск» (випускний клапан).
• Обидва клапани закриті під час тактів «Стискання» і «Робочий хід».
• Немає такого такту, під час якого обидва клапани були б відкриті одночасно.

3. В потужних двигунах внутрішнього згорання використовують не повітряне, а водяне охолодження. Поясни чому.

Потужні двигуни виділяють дуже багато тепла. Вода набагато краще за повітря поглинає та відводить це тепло. Тому водяне охолодження ефективніше запобігає перегріванню та пошкодженню двигуна.

4. На яких транспортних засобах використовують найпотужніші поршневі двигуни? Побудуй рейтинг найпотужніших двигунів, вказавши їх виробників.

Найпотужніші поршневі двигуни використовують на великих морських суднах, наприклад, на гігантських контейнеровозах.

Приблизний рейтинг за потужністю:

1. Морські двигуни: Наприклад, двигун Wärtsilä-Sulzer RTA96-C, який є одним із найпотужніших у світі та використовується на великих кораблях.
2. Кар’єрні самоскиди: На них теж встановлюють дуже потужні дизельні двигуни.
3. Автомобільні двигуни: Двигуни гіперкарів, наприклад, W16 від Bugatti, є надзвичайно потужними для легкових автомобілів, але значно поступаються морським гігантам.

5. Чому поршень двигуна виготовляють із легкого матеріалу з хорошою теплопровідністю і невеликим тепловим розширенням?

Поршень виготовляють з такого матеріалу з кількох причин:

• Легкий матеріал (наприклад, алюмінієвий сплав) має меншу інерцію, що дозволяє двигуну швидше набирати оберти та працювати ефективніше.
• Хороша теплопровідність потрібна, щоб швидко відводити тепло від гарячих газів до стінок циліндра і системи охолодження, що захищає поршень від перегріву та руйнування.
• Невелике теплове розширення гарантує, що поршень не заклинить у циліндрі, коли він сильно нагріється під час роботи.

6. У який момент робоча суміш у циліндрах двигунів внутрішнього згорання має найбільшу внутрішню енергію: наприкінці такту «Стискання» чи на початку такту «Робочий хід»?

Робоча суміш має найбільшу внутрішню енергію на початку такту «Робочий хід». Саме в цей момент відбувається запалювання та згоряння палива, що призводить до різкого виділення великої кількості тепла і максимального підвищення температури та тиску газів.

7. Які бувають турбіни? Що покладено в основу дії парової турбіни? Де використовують турбіни?

Залежно від робочого тіла турбіни бувають парові та газові.

В основу дії парової турбіни покладено обертання дисків з лопатками, на які під великим тиском діють струмені водяної пари.

Турбіни використовують на теплових та атомних електростанціях для виробництва електроенергії, а також в авіації як основний елемент газотурбінних двигунів літаків.

8. Чому, виключаючи зайве освітлення, ти допомагаєш охороні навколишнього середовища?

Коли ти вимикаєш світло, ти споживаєш менше електроенергії. Більшість електроенергії у світі виробляють на теплових електростанціях, які спалюють вугілля, газ або нафту.

Під час спалювання цього палива в атмосферу потрапляють шкідливі речовини:

• Вуглекислий газ (CO₂), який спричиняє парниковий ефект і глобальне потепління.
• Оксиди сірки (SOx) та азоту (NOx), через які йдуть кислотні дощі.
• Інші шкідливі частинки, що забруднюють повітря та утворюють смог.

Таким чином, економлячи електроенергію, ти допомагаєш зменшити кількість спалюваного палива і, відповідно, скоротити шкідливі викиди в атмосферу, що зменшує навантаження на навколишнє середовище.

Дій

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

Задача 1: Порівняй витрати на приготування теплої ванни заданого об’єму, якщо у першому випадку вода нагрівається електричним бойлером, а в другому — газовою колонкою. Потужність тенів бойлера 1,5 кВт, час нагрівання потрібної кількості води до заданої температури — 2 год, вартість 1 кВт⋅год — 4 грн. Вартість користування природним газом — 7 грн/м³. Втратами теплоти знехтуй.

Дано:
$P_{ел} = 1,5 \text{ кВт}$
$t = 2 \text{ год}$
$\text{Ціна}_{ел} = 4 \text{ грн/(кВт} \cdot \text{год)}$
$\text{Ціна}_{газ} = 7 \text{ грн/м}^3$
$\text{Вартість}_{ел} - ?$
$\text{Вартість}_{газ} - ?$
Розв’язання:
$A_{ел} = P_{ел} \cdot t$
$\text{Вартість}_{ел} = A_{ел} \cdot \text{Ціна}_{ел}$
$Q_{кор} = A_{ел}$
$V_{газ} = \dfrac{Q_{кор}}{q_{газ}}$
Знайдемо кількість спожитої електроенергії:
$A_{ел} = 1,5 \text{ кВт} \cdot 2 \text{ год} = 3 \text{ кВт}\cdot\text{год}$
Обчислимо вартість електроенергії:
$\text{Вартість}_{ел} = 3 \text{ кВт}\cdot\text{год} \cdot 4 \text{ грн/(кВт}\cdot\text{год)} = 12 \text{ грн}$
Оскільки втратами теплоти нехтуємо, корисна енергія для нагрівання води дорівнює спожитій.
$Q_{кор} = 3 \text{ кВт}\cdot\text{год} = 3 \cdot 3,6 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 10,8 \cdot 10^6 \text{ Дж} = 10,8 \text{ МДж}$
Для отримання такої ж кількості тепла від газової колонки, визначимо необхідний об’єм газу, використовуючи табличне
значення питомої теплоти згоряння природного газу $q_{газ} \approx 30,8 \text{ МДж/м}^3$:
$V_{газ} = \dfrac{10,8 \text{ МДж}}{30,8 \text{ МДж/м}^3} \approx 0,245 \text{ м}^3$
Обчислимо вартість газу:
$\text{Вартість}_{газ} = 0,322 \text{ м}^3 \cdot 7 \text{ грн/м}^3 \approx 2,45 \text{ грн}$

Відповідь: вартість нагрівання води електричним бойлером становить 12 грн, а газовою колонкою — приблизно 2,45 грн.
Отже, використання газової колонки є значно дешевшим.

Задача 2: Визнач та порівняй ККД різних типів котлів вітчизняного виробництва, якщо для нагрівання в системі опалення води об’ємом 100 л, взятої за температури 10°С, до температури 55°С у твердопаливному котлі «Вогник» спалюють 3 кг дров, а в газовому котлі «Атон» — 0,6 кг природного газу.

Дано:
$V_{води} = 100 \text{ л}$
$t_1 = 10 \text{ }^\circ\text{C}$
$t_2 = 55 \text{ }^\circ\text{C}$
$m_{дров} = 3 \text{ кг}$
$m_{газу} = 0,6 \text{ кг}$
$q_{газу} = 44 \text{ МДж/кг}$
$q_{дров} = 10 \text{ МДж/кг}$
$c_{води} = 4200 \text{ Дж/(кг}\cdot\text{°C)}$
$\eta_{Вогник} - ?$
$\eta_{Атон} - ?$
Розв’язання:
$\eta = \dfrac{Q_{кор}}{Q_{повна}} \cdot 100\%$
$Q_{кор} = c_{води} \cdot m_{води} \cdot (t_2 - t_1)$
$Q_{повна} = q_{палива} \cdot m_{палива}$
Маса 100 л води дорівнює 100 кг

Знайдемо корисну кількість теплоти, що пішла на нагрівання води
$Q_{кор} = 4200 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot\text{°C}} \cdot 100 \text{ кг} \cdot (55^\circ\text{C} - 10^\circ\text{C}) = 18 900 000 \text{ Дж} = 18,9 \text{ МДж}$
Для котла «Вогник» (дрова). Знайдемо повну енергію від згоряння дров:
$Q_{повна\_дров} = 10 \text{ МДж/кг} \cdot 3 \text{ кг} = 30 \text{ МДж}$
ККД котла «Вогник»:
$\eta_{Вогник} = \dfrac{18,9 \text{ МДж}}{30 \text{ МДж}} \cdot 100\% = 63\%$
Для котла «Атон» (газ). Питома теплота згоряння природного газу:
$Q_{повна\_газу} = 44 \text{ МДж/кг} \cdot 0,6 \text{ кг} = 26,4 \text{ МДж}$
ККД котла «Атон»:
$\eta_{Атон} = \dfrac{18,9 \text{ МДж}}{26,4 \text{ МДж}} \cdot 100\% \approx 72$ % Відповідь:
Газовий котел «Атон» є більш ефективним.

Задача 3: Сільськогосподарські машини витрачають за рік у середньому 15 млн т дизельного палива. Якщо механізатори зекономлять 1% палива під час оброблення 1 га, то в країні збережеться 230 тис. т дизельного палива. Яку кількість енергії буде збережено?

Дано:
$m_{збер} = 230 \text{ тис. т}$
$Q_{збер} - ?$
Розв’язання:
$Q = q \cdot m$
Переведемо масу зекономленого палива в кілограми:
$m_{збер} = 230 \text{ тис. т} = 230 \cdot 10^3 \text{ т} = 230 \cdot 10^6 \text{ кг} = 2,3 \cdot 10^8 \text{ кг}$
Знайдемо кількість збереженої енергії, використовуючи табличне значення питомої теплоти згоряння дизельного палива
$q_{дизель} \approx 42 \text{ МДж/кг}$:
$Q_{збер} = 42 \cdot 10^6 \dfrac{\text{Дж}}{\text{кг}} \cdot 2,3 \cdot 10^8 \text{ кг} \approx 9,7 \cdot 10^{15} \text{ Дж}$
Відповідь: буде збережено приблизно $9,7 \cdot 10^{15} \text{ Дж}$ енергії.

Задача 4: Добову норму кисню скількох людей спалює автомобіль, що протягом 4 год рухається зі швидкістю 80 км/год? Добову норму кисню однієї людини він спалює на ділянці шляху 2,5 км.

Дано:
$t = 4 \text{ год}$
$v = 80 \text{ км/год}$
$l_1 = 2,5 \text{ км}$
$N - ?$
Розв’язання:
$L = v \cdot t$
$N = \dfrac{L}{l_1}$
Знайдемо загальний шлях, який проїхав автомобіль:
$L = 80 \text{ км/год} \cdot 4 \text{ год} = 320 \text{ км}$
Визначимо, добову норму кисню скількох людей спалить автомобіль на цьому шляху:
$N = \dfrac{320 \text{ км}}{2,5 \text{ км}} = 128$

Відповідь: автомобіль спалює добову норму кисню 128 людей.

5. Дізнайся про особливості кожного виду термоодягу. Укажи, який із видів (1-3) підходить для випадків, зображених на піктограмах (а-ї).

1. Захисний костюм: Це спеціальний костюм, який, найімовірніше, захищає від сильного зовнішнього тепла, наприклад, від жару вогню. Він не призначений для активних рухів.

Підходить для випадку: І (робота біля відкритого вогню).

2. Термобілизна з підігрівом: Ця білизна має вбудовані нагрівальні елементи, що працюють від акумулятора. Вона створена для додаткового обігріву в холодну погоду при низькій фізичній активності.

Підходить для випадків: Є, Ж, З, И, Ї (різні види робіт на холоді, що не потребують постійного інтенсивного руху).

3. Спортивна термобілизна: Основна функція такої білизни — відводити вологу (піт) від тіла та зберігати тепло, яке виробляє сама людина під час руху. Вона ідеально підходить для занять спортом на холоді.

Підходить для випадків: А, Б, В, Г, Д, Е (активні зимові види спорту та альпінізм).

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

1. Поясни наступні вислови:

Енергія зіграла ключову роль у розвитку Homo Sapiens, але й створила найбільший виклик людству.

Освоєння енергії, починаючи з вогню, дозволило людям готувати їжу, грітися, захищатися від хижаків і розвивати ремесла. Пізніше, з появою теплових двигунів, людство змогло будувати міста, заводи, швидко пересуватися. Але спалювання величезної кількості палива (вугілля, нафти, газу) призвело до забруднення довкілля та зміни клімату, і тепер це є величезною проблемою для всіх.

Ми — створіння вогню.

Цей вислів означає, що вміння добувати та використовувати вогонь стало вирішальним кроком у еволюції людини. Це дало нам перевагу над іншими видами, дозволило розселитися по всій планеті та заклало основи цивілізації.

Вугілля — це сонячна енергія, захоплена мільйони років тому.

Вугілля утворилося з давніх рослин, які, як і сучасні, росли завдяки фотосинтезу, тобто перетворювали енергію сонячного світла на органічну речовину. Коли ці рослини гинули, вони опинялися під шарами землі і за мільйони років перетворилися на вугілля. Таким чином, спалюючи вугілля, ми вивільняємо енергію Сонця, яка була “законсервована” дуже давно.

Найбільший виклик, із яким коли-небудь стикалося людство, — це повернення до сонячної енергії, яка б могла задовольнити величезні енергетичні потреби людей.

Сьогодні ми дуже залежимо від викопного палива, яке закінчується і шкодить планеті. Тому головне завдання — перейти на відновлювані джерела енергії, насамперед сонячну, вітрову та інші. Виклик полягає в тому, щоб навчитися збирати, зберігати й використовувати цю “чисту” енергію в таких масштабах, щоб її вистачило для всіх наших потреб — від заводів до смартфонів.

Візьми участь у груповій роботі

2. Об’єднайтесь у групи та дізнайтеся:

Як добувати вогонь і питну воду та зберігати продукти в похідних умовах?

Щоб добути вогонь, можна використати тертя (швидко крутити паличку в сухій дощечці), висікти іскру кресалом об камінь або сфокусувати сонячні промені лінзою. Питну воду можна отримати, прокип’ятивши воду з річки чи озера, або зібравши дощову воду. Продукти можна зберегти, засушивши їх на сонці (м’ясо, ягоди) або закопавши в прохолодну яму.

Як знизити вплив теплових машин та теплотехніки на довкілля?

Потрібно підвищувати їх коефіцієнт корисної дії (ККД), щоб вони витрачали менше палива. Також слід встановлювати на двигуни та труби заводів спеціальні фільтри, які очищують шкідливі викиди, і поступово переходити на електродвигуни.

Які є способи подолання екологічних проблем, пов’язаних із використанням теплових машин?

Для цього потрібно розвивати громадський транспорт (автобуси, трамваї), щоб менше людей користувалися власними автомобілями. Також важливо створювати більше електромобілів та зарядних станцій для них, а електроенергію виробляти не на теплових, а на сонячних та вітрових електростанціях.

3. Проведіть дискусії

Чому важливі енергоощадні заходи для родини, громади, країни?

Для родини це економія грошей на комунальних платежах. Для громади та країни — це зменшення навантаження на електромережі, особливо взимку, а також крок до енергетичної незалежності, щоб не залежати від купівлі газу чи нафти в інших країн. Крім того, це турбота про екологію.

Які перспективи розвитку альтернативної енергетики України?

Україна має чудові перспективи. На півдні багато сонця для сонячних панелей, у степах та на узбережжі морів — сильні вітри для вітряків. Також можна використовувати енергію річок (гідроелектростанції) та вирощувати рослини для виробництва біопалива. Розвиток цих напрямів допоможе Україні стати енергетично незалежною та екологічно чистою державою.